Máy bay không người lái (UAV) là một thiết bị được sử dụng ngày càng phổ biến trong thành lập bản đồ. Các công cụ hỗ trợ cho việc chuẩn bị dữ liệu làm bản đồ 3D từ ảnh UAV hiện nay khá đầy đủ. Bộ ảnh UAV sau khi chụp sẽ được xử lý tạo bình đồ ảnh trực giao, tập điểm Point cloud và mô hình số bề mặt (DSM). Tiến hành phân loại các điểm mặt đất để tạo mô hình số địa hình (DTM). Kết hợp DSM và DTM để hình thành mô hình số bề mặt đã hiệu chỉnh (Canopy Height Model CHM). Số hóa bình đồ ảnh, kết hợp với chiều cao đối tượng được trích xuất từ mô hình CHM và gán dữ liệu thuộc tính cho từng đối tượng. Kết quả xây dựng được bản đồ 3D có độ chính xác mặt bằng là 0,074 m và chiều cao là 0,560 m. Bản đồ 3D có đầy đủ các nhóm lớp đối tượng, các thông tin cơ bản của đối tượng và hình ảnh trực quan, sống động thích hợp cho công tác quản lý đô thị
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Số 10/2021 Xây dựng đồ 3D khu vực TP Hồ Chí Minh từ ảnh UAV n ThS TRẦN NGỌC HUYỀN TRANG; NGUYỄN PHÚC HOA ĐĂNG Trường Đại học Tài nguyên Môi trường TP Hồ Chí Minh TĨM TẮT: Máy bay khơng người lái (UAV) thiết bị sử dụng ngày phổ biến thành lập đồ Các công cụ hỗ trợ cho việc chuẩn bị liệu làm đồ 3D từ ảnh UAV đầy đủ Bộ ảnh UAV sau chụp xử lý tạo bình đồ ảnh trực giao, tập điểm Point cloud mơ hình số bề mặt (DSM) Tiến hành phân loại điểm mặt đất để tạo mơ hình số địa hình (DTM) Kết hợp DSM DTM để hình thành mơ hình số bề mặt hiệu chỉnh (Canopy Height Model - CHM) Số hóa bình đồ ảnh, kết hợp với chiều cao đối tượng trích xuất từ mơ hình CHM gán liệu thuộc tính cho đối tượng Kết xây dựng đồ 3D có độ xác mặt 0,074 m chiều cao 0,560 m Bản đồ 3D có đầy đủ nhóm lớp đối tượng, thơng tin đối tượng hình ảnh trực quan, sống động thích hợp cho cơng tác quản lý thị TỪ KHÓA: UAV, đồ 3D ABSTRACT: Unmanned aerial vehicle (UAV) is more and more popular device used in mapping The tools supporting for data preparation to process 3D maps from UAV images are now quite available After taking the UAV image set, it will be processed to create an orthomosaic, Point cloud and Digital Surface Model (DSM) Classifying ground points to create a Digital Terrain Model (DTM) Combine DSM and DTM to form Canopy Height Model (CHM) Digitize orthomosaic, combined with the object height extracted from the CHM and assign attribute data to each object The result is a 3D map with a ground accuracy of 0.074 m and a height of 0.560 m 3D map with full groups of feature classes and attached attributes, visual and vivid images which is suitable for urban management trí địa lý, nhanh chóng truy vấn thơng tin đối tượng cách thức quản lý khu vực mong muốn Temenoujka Bandrova (2005) định nghĩa, đồ 3D sản phẩm máy tính, xác định mặt tốn học khơng gian ba chiều, có thực tế cao, đại diện bề mặt giới (hoặc thiên thể khác), đại diện cho đối tượng, tượng tự nhiên xã hội giới thực Các đối tượng tượng biểu diễn phân loại, thiết kế hình dung theo mục đích cụ thể Có số phương pháp thành lập đồ 3D, sử dụng ảnh hàng khơng nói chung ảnh chụp từ máy bay khơng người lái nói riêng phương pháp có tính ứng dụng cao, thời gian thành lập ngắn khơng u cầu cao chi phí Máy bay không người lái (UAV - Unmanned Aerial Vehicle) thiết bị bay hoạt động mà không cần người lái máy bay (Francesco Nex, Fabio Remondino, 2014) Chúng điều khiển từ xa bay theo lịch trình lập sẵn UAV hoạt động mang theo máy ảnh giúp thu nhận hình ảnh khu vực ta nghiên cứu UAV ứng dụng công tác giám sát bề mặt trái đất giám sát rừng, biên giới có khả tiếp cận vùng địa hình phức tạp PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Quy trình thực Tiến hành trình chụp ảnh với hướng khác cho đối tượng (phía trên, phía dưới, bên trái, bên phải đỉnh), đo điểm khống chế xử lý ảnh với phần mềm chuyên dụng Sản phẩm thu trình xử lý ảnh là: mơ hình số địa hình DTM ảnh trực giao Để có liệu khơng gian, tiến hành đoán đọc điều vẽ ảnh trực giao, kết hợp với độ cao trích xuất từ mơ hình số CHM dựng đối tượng không gian ba chiều Các liệu thuộc tính sau thu thập gán cho đối tượng Cuối biểu diễn liệu chuẩn bị môi trường 3D KEYWORDS: UAV, 3D Map ĐẶT VẤN ĐỀ Trắc địa đồ từ trước đến khơng cịn xa lạ với việc đo đạc, lập đồ 2D giấy để biểu diễn giới thực Hiện tại, đồ từ giấy hoạt động phương tiện điện tử lúc cập nhật liên tục Một hướng nghiên cứu mà người làm đồ quan tâm biểu diễn giới thực khơng gian ba chiều, bên cạnh cịn mang sở liệu thông tin, nhằm hỗ trợ người trực quan hình ảnh, tin tưởng vị 98 Hình 2.1: Quy trình xây dựng đồ 3D từ ảnh UAV KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Số 10/2021 2.2 Mô tả liệu - Bộ ảnh gồm 271 ảnh chụp khu vực dọc bờ kênh Tẻ, Quận 7, TP Hồ Chí Minh Dữ liệu ảnh chụp thiết bị DJI Phantom 4, giao diện ứng dụng chọn Mission Flight Create a Route chọn chế độ Oblique để tạo dự án bay với chế độ bay Oblique (chế độ bay Oblique thực tuyến bay với hướng chụp khác nhau), bay độ cao 100 m, kích thước ảnh 5472 x 3648 pixel, độ phủ ảnh 80%, độ phân giải không gian 2,7 cm/pixel - Các điểm khống chế ảnh - GCP (Ground Control Points) gồm điểm đo công nghệ RTK với tọa độ độ cao nằm hệ VN2000, kinh tuyến trục 105⁰45’ Hình 2.4: Tập điểm Point Cloud trước lọc Hình 2.5: Tập điểm Point cloud sau lọc (Grounds) Hình 2.2: Khu vực nghiên cứu thuộc Quận 7, TP Hồ Chí Minh 2.3 Xử lý ảnh tạo bình đồ ảnh, Point cloud, mơ hình DTM Sử dụng phần mềm Pix4Dmapper công tác xử lý ảnh, kết nhận bình đồ ảnh trực giao, tập điểm Point cloud Sử dụng phần mềm Global Mapper để tạo mơ hình dạng raster cho hai tập liệu: DSM từ Point cloud DTM từ Point cloud lọc 2.4 Xây dựng liệu không gian liệu thuộc tính Khảo sát số hóa ranh giới nhà, giao thông bị che khuất nhìn từ hướng UAV - Thu thập vị trí đối tượng hỗ trợ biển báo, đèn tín hiệu, cột điện - Thu thập thơng tin thuộc tính đối tượng cơng trình xây dựng như: trạng sử dụng, số tầng, địa Kết lớp liệu mặt số hóa bình đồ ảnh phần mềm ArcGIS Đo đạc kiểm tra số góc nhà, độ rộng đường giao thơng máy tồn đạc điện tử Khi biểu diễn đồ 3D, yếu tố đóng vai trị quan trọng chiều cao lớp đối tượng nói chung ta nhắc đến chiều cao đối tượng cơng trình xây dựng nói riêng Dữ liệu thuộc tính chiều cao cơng trình trích từ mơ hình CHM Mơ hình CHM tạo nhờ q trình tính tốn với mơ hình DTM DSM Hình 2.6: Mơ hình DSM, DTM CHM Hình 2.3: Quy trình xử lý ảnh UAV Dùng tập điểm Point cloud lọc lấy điểm nằm mặt đất (Ground) dùng để dựng mơ hình DTM (Digital Terrain Model) Trên phần mềm ArcGIS, dùng công cụ tính tốn Raster Calculator tạo mơ hình CHM với cơng thức: CHM = DSM - DTM Kiểm tra đánh giá độ xác mơ hình CHM phương pháp đo trực tiếp thực địa máy toàn đạc điện tử Lựa chọn ngẫu nhiên khối nhà cao thấp khác khu vực nghiên cứu, đo đỉnh chân khối nhà, sau lấy hiệu để chiều cao đối tượng 99 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Số 10/2021 2.5 Xây dựng chiều cao đối tượng đồ 3D Sử dụng lớp liệu mặt số hóa chồng lớp với CHM, sử dụng công cụ truy vấn dựa vào vị trí (Select By Location) ArcMap trích lọc chiều cao từ mơ hình CHM STT RMSE ∆X (m) - 0,024 0,053 0,030 ∆Y (m) - 0,025 0,003 0,028 ∆Z (m) 0,077 0,190 0,090 Sai số mặt bằng: = 0,042 m mmặt = Sai số độ cao: mđộ cao = = 0,090 m Kết cho thấy, sai số thành phần mặt độ cao giới hạn mức centimet nên liệu dùng thành lập đồ 3D với mức độ chi tiết độ xác cao 3.2 Mơ hình CHM Hình 3.2: Mơ hình CHM khu vực nghiên cứu Hình 2.7: Kết hợp liệu mặt CHM để trích lọc chiều cao khối nhà KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 3.1 Kết bình đồ ảnh trực giao, Point cloud đánh giá độ xác Khu vực nghiên cứu gồm đối tượng có chiều cao trung bình từ 10 - 20 m, bao gồm cao ốc văn phòng, trường học, khu nhà ở, kinh doanh dịch vụ hàng thấp nằm dọc hai bên đường Hình 3.1: Bình đồ ảnh trực giao Point Cloud Kết xử lý đánh giá độ xác thơng qua bảng sau: Bảng 3.1 Kết đánh giá độ xác bình đồ ảnh trực giao độ cao Point cloud STT 100 ∆X (m) 0,036 - 0,016 - 0,013 - 0,021 ∆Y (m) - 0,001 0,009 - 0,057 - 0,029 ∆Z (m) 0,064 0,046 - 0,003 0,016 Hình 3.3: Chiều cao đối tượng cơng trình xây dựng trích từ mơ hình CHM KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Số 10/2021 Chiều cao cơng trình xây dựng thể thơng qua màu sắc, thấy cơng trình có chiều cao từ 8,4 - 16,8 m chiếm phần lớn, tương ứng - tầng, có cơng trình cao cao ốc cao 25,2 m Bảng 3.2 Kết đánh giá độ xác chiều cao cơng trình xây dựng STT Chiều cao (m) Thực địa Bản đồ 13,66 13,21 16,69 17,1 16,03 15,48 4,43 5,33 15,95 16,59 ∆H RMSE 0,45 -0,41 0,55 -0,9 -0,64 0,56 Kết cho thấy, sử dụng ảnh UAV để xác định chiều cao cho khối nhà có độ xác cao, đạt 56 cm, hồn tồn thích hợp để xây dựng đồ 3D cho khu vực đô thị 3.3 Bản đồ 3D Bản đồ 3D thể độ cao mặt đất liệu DTM, ranh giới chiều cao đối tượng xây dựng, cơng trình giao thơng thủy, hệ thực vật, cơng trình khác trụ điện, hố ga, khu vui chơi Bản đồ biên tập màu sắc, ký hiệu có tính mơ tả, trực quan tương ứng với thực địa Hình 3.4: Bản đồ 3D khu vực với góc nhìn khác Phân nhóm đối tượng khác với màu sắc khác phân nhóm đối tượng theo chiều cao nhằm phục vụ cho công tác quản lý trực quan Hình 3.5: Bản đồ 3D phân nhóm cơng trình xây dựng theo loại hình sử dụng Hình 3.6: Bản đồ 3D phân nhóm cơng trình xây dựng theo chiều cao 101 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Số 10/2021 Bản đồ 3D ngồi thể vị trí mặt bằng, chiều cao đối tượng, cịn có thêm thơng tin cơng trình xây dựng: tên riêng (nếu có), loại cơng trình, địa chỉ, ảnh chụp thực địa cơng trình, diện tích Hình 3.7: Thơng tin cơng trình đồ 3D Bảng 3.3 Kết đánh giá độ xác vị trí mặt đồ 3D STT RMSE ∆X (m) -0,098 -0,066 -0,008 -0,012 -0,070 0,062 ∆Y (m) -0,003 0,041 0,075 0,006 0,030 0,041 Sai số mặt bằng: mmặt = = 0,074m = 7,4cm Bảng 3.4 Kết đánh giá độ xác chiều dài cạnh Chiều dài (m) ∆L RMSE Thực địa Bản đồ 20,241 20,291 0,050 23,001 22,864 -0,137 19,570 19,717 0,147 0,21 38,594 38,346 -0,248 11,890 12,223 0,333 Sai số chiều dài cạnh: mcạnh = 0,210m = 21cm Sai số thành phần mặt đồ 3D 7,4 cm, lớn sai số bình đồ ảnh (4,2 cm), điều tác STT 102 động cơng tác đốn đọc, điều vẽ ảnh số hóa liệu đồ Sai số chiều dài cạnh đồ 3D lớn (21 cm) chưa tính đến độ cong trái đất độ dốc địa hình đánh giá sai số KẾT LUẬN Có thể sử dụng ảnh UAV để thành lập đồ 3D cho khu vực nghiên cứu Quận 7, TP Hồ Chí Minh với độ tin cậy cao, đạt 7,4 cm mặt 56 cm độ cao Phương pháp áp dụng rộng rãi khu vực tương tự khác với điều kiện tương đương nhằm xây dựng sở liệu hiệu quả, phù hợp với xu quản lý đô thị mạng 4.0 Tài liệu tham khảo [1] Temenoujka Bandrova (2005), Innovative technology for the creation of 3D maps, Data Science Journal 4: 52-58 [2] Nex, F., Remondino, F (2014), UAV for 3D mapping applications: a review, Appl Geomat, 6: 1-15 Ngày nhận bài: 22/8/2021 Ngày chấp nhận đăng: 14/9/2021 Người phản biện: TS Đặng Xuân Trường TS Đỗ Minh Tuấn