Nghiên cứu ứng dụng công nghệ bay chụp ảnh uav để thành lập bản đồ địa hình tỉ lệ lớn cấp trường

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƢỜNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ BAY CHỤP ẢNH UAV ĐỂ THÀNH LẬP BẢN ĐỔ ĐỊA HÌNH TỶ LỆ LỚN Mã số: T2017-CT-107 Chủ nhiệm đề tài: ThS Lê Quang Thời gian thực hiện: 1/2017-12/2017 Ngày viết báo cáo: 12/2017 Hà Nội, 12/2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƢỜNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ BAY CHỤP ẢNH UAV ĐỂ THÀNH LẬP BẢN ĐỔ ĐỊA HÌNH TỶ LỆ LỚN Mã số: T2017-CT-107 Chủ nhiệm đề tài: ThS Lê Quang Tham gia: TS Lê Văn Hiến; ThS Trần Thị Thảo Thời gian thực hiện: 1/2017-12/2017 Ngày viết báo cáo: 12/2017 Hà Nội, 12/2017 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU CHƢƠNG I NGUYÊN LÝ CỦA PHƢƠNG PHÁP THÀNH LẬP BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH BẰNG CƠNG NGHỆ ĐO ẢNH I.1 Các khái niệm I.1.1 Khái niệm trắc địa ảnh I.1.2 Những điều kiện kỹ thuật bay chụp ảnh I.1.3 Các hệ thống tọa độ thuộc không gian đo ảnh I.1.4 Các yếu tố định hƣớng ảnh 10 I.1.5 Bài toán chuyển đổi hệ tọa độ đo ảnh hệ tọa độ trắc địa 11 I.2 Thành lập đồ phƣơng pháp đo ảnh lập thể 12 I.2.1 Nguyên lý nhìn lập thể 13 I.2.2 Quy trình thành lập đồ phƣơng pháp đo ảnh lập thể 14 I.3 Phƣơng pháp tăng dày khống chế ảnh theo chùm tia 17 I.3.1 Nguyên lý quy trình phƣơng pháp tam giác ảnh không gian theo chùm tia 18 I.3.2 Mơ hình tốn học phƣơng pháp chùm tia 19 I.4 Một số thiết bị bay, chụp, đo vẽ ảnh để thành lập đồ địa hình 22 CHƢƠNG II NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ UAV TRONG THÀNH LẬP BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH TỶ LỆ LỚN 24 II.1 Giới thiệu công nghệ bay chụp UAV 24 II.2 Cơ sở độ xác thành lập đồ địa hình 28 II.3 Quy trình thành lập đồ địa hình cơng nghệ ảnh chụp UAV 29 II.3.1 Những điểm khác phƣơng pháp chụp ảnh UAV so với truyền thống 29 II.3.2 Các bƣớc thành lập đồ công nghệ ảnh chụp UAV 30 II.4 Một số yếu tố ảnh hƣởng đến độ xác cơng nghệ ảnh chụp UAV biện pháp nâng cao độ xác 33 II.4.1 Sai số từ máy chụp ảnh 33 II.4.2 Độ ổn định chụp ảnh 34 II.4.3 Độ chênh cao địa hình 35 II.4.4 Khống chế ngoại nghiệp 35 II.4.5 Tăng dày khớp điểm tự động 36 CHƢƠNG III THỰC NGHIỆM 39 III.1 Xác định loại phƣơng tiện bay chụp phần mềm điều khiển, xử lý 39 III.2 Lựa chọn khu vực thực nghiệm 39 III.3 Bay chụp ảnh đo khống chế ngoại nghiệp, đo kiểm tra 40 III.4 Xử lý ảnh, so sánh đánh giá độ xác 42 III.4.1 Xử lý khối ảnh chụp độ cao 100m 43 III.4.2 Xử lý khối ảnh chụp độ cao 180m 44 III.4.2 Đánh giá độ sai số với điểm chi tiết 45 III.5 Đánh giá hiệu kinh tế 47 KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO 50 LỜI NÓI ĐẦU Trắc địa ảnh công nghệ thành lập đồ phƣơng pháp chụp ảnh từ lâu đƣợc ứng dụng công tác thành lập đồ nhằm giảm công tác ngoại nghiệp, tăng hiệu suất lao động hiệu kinh tế Công nghệ ảnh đƣợc ứng dụng Việt Nam từ năm 2000 để thành lập đồ địa hình tỷ lệ 1:25.000, 1:10.000, 1:5.000 nhờ hiệu thành lập đƣợc hệ thống đồ 1:10.000 phủ trùm toàn quốc Từ năm 2005 công nghệ ảnh đƣợc nâng lên bƣớc bay chụp ảnh kết hợp với quét LIDAR (công nghệ qt laze từ khơng) đem lại độ xác độ cao điểm đo, đảm bảo độ xác thành lập đồ địa hình địa hình 1:2000 Trong công nghệ ảnh truyền thống việc lắp máy ảnh máy bay dân dụng hay chuyên dùng ngƣời điều khiển đem lại hiệu kinh tế thành lập đồ với khu đo có diện tích lớn từ vài chục hàng trăm km2 Đối với khu vực nhỏ dƣới 10 km2 phƣơng pháp không đem lại hiệu chi phí vận hành máy bay lớn, cơng tác chuẩn bị phức tạp Với phát triển thiết bị bay không ngƣời lái UAV (Unmanned aerial vehicle) phần mềm điều khiển bay nhƣ chụp ảnh Công tác bay chụp trở nên đơn giản nên hồn tồn đem lại hiệu kinh tế cao công tác thành lập đồ địa hình cho khu vực có diện tích vừa nhỏ Tuy nhiên độ ổn định bay UAV, độ tin cậy máy ảnh (máy ảnh gắn UAV thƣờng máy phổ thông, không giống nhƣ máy ảnh chuyên dụng công nghệ ảnh truyền thống) nhƣ phƣơng pháp xử lý số liệu nên phƣơng pháp ứng dụng để thành lập đồ địa hình tỷ lệ 1:2.000 Xuất phát từ mục tiêu ứng dụng UAV để thành lập đồ địa hình tỷ lệ lớn 1:2.000 nhóm nghiên cứu chọn đề tài “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ bay chụp ảnh UAV để thành lập đồ địa hình tỷ lệ lớn” Mục tiêu đề tài: - Nghiên cứu phƣơng pháp thành lập đồ địa hình tỷ lệ lớn cơng nghệ bay chụp ảnh UAV - Đƣa quy trình thành lập đồ địa hình tỷ lệ lớn cơng nghệ bay chụp ảnh UAV - Đánh giá hiệu kinh tế việc thành lập đồ địa hình tỷ lệ lớn công nghệ bay chụp UAV Phạm vi nghiên cứu: - Thành lập đồ địa hình tỷ lệ lớn phƣơng pháp bay chụp ảnh sử dụng UAV khu vực có diện tích vừa nhỏ (dƣới 10 km2) Phƣơng pháp nghiên cứu: - Nghiên cứu lý thuyết: Dựa đặc điểm công nghệ ảnh hàng không, đặc điểm thiết bị bay không ngƣời lái nghiên cứu lý thuyết thành lập đồ địa hình cơng nghệ ảnh sử dụng UAV - Nghiên cứu kế thừa: Từ nghiên cứu có, phân tích khả nâng cao độ xác cơng nghệ ảnh sử dụng UAV từ đƣa ứng dụng cụ thể thành lập đồ tỷ lệ lớn - Nghiên cứu thực nghiệm: Từ sở lý thuyết nghiên cứu, tiến hành thực nghiệm thành lập đồ địa hình tỷ lệ lớn sử dụng UAV đo đạc kiểm tra phƣơng pháp trực tiếp Ý nghĩa khoa học đề tài: - Từ kết nghiên cứu đƣa sở đảm bảo độ xác ứng dụng UAV bay chụp ảnh thành lập đồ địa hình tỷ lệ lớn - Đƣa quy trình thành lập đồ tỷ lệ lơn giúp giảm thiểu chi phí rút ngắn thời gian thực Nội dung đề tài: Chƣơng đề cập sở lý thuyết công tác thành lập đồ địa hình sử dụng ảnh hàng không Chƣơng giới thiệu công nghệ ảnh sử dụng máy bay không ngƣời lái để bay chụp Các yếu tố ảnh hƣởng đến độ xác biện pháp nâng cao độ xác Chƣơng trình bày kết thực nghiệm bay chụp, xử lý kiểm tra độ xác điểm tăng dày, điểm đo phục vụ thành lập đồ địa hình DANH MỤC HÌNH VẼ Hình I.1 Độ phủ dọc ảnh Hình I.2 Độ phủ ngang ảnh Hình I.3 Hệ tọa độ phẳng ảnh Hình I.4 Hệ tọa độ khơng gian ảnh Hình I.5 Hệ tọa độ khơng gian đo ảnh Hình I.6 Các góc định hƣớng ngồi Hình I.7 Mối liên hệ tọa độ đo ảnh tọa độ trắc địa Hình I.8 Nguyên lý nhìn lập thể Hình I.9 Quy trình thành lập đồ địa hình phƣơng pháp đo ảnh Hình I.10 Các phƣơng án bố trí khống chế ngoại nghiệp Hình I.11 Mối liên hệ véc-tơ điểm ảnh điểm vật tƣơng ứng Hình I.12 Máy chụp ảnh hàng khơng Hình I.13 Máy qt Lidar Hình I.14 Máy đo vẽ ảnh Hình II.1 Máy bay khơng ngƣời lái UX5 Hình II.2 Máy bay khơng ngƣời lái SenseFly Hình II.3 Máy bay khơng ngiời lái Avian P Hình II.4 Máy bay khơng ngƣời lái AIBOTIX Hình II.5 Máy bay khơng ngƣời lái Phantom Hình II.6 Thiết kế tuyến bay chụp phần mềm Hình II.7 Máy bay khơng ngƣời lái cánh Drone Hình II.8 Ảnh hƣởng chênh cao địa hình đến tỷ lệ ảnh Hình II.9 Bố trí GCP nâng cao độ xác Hình II.10 Minh họa bƣớc trình lực chọn điểm bật Hình II.11 Một ví dụ vị trí điểm tăng dày tăng dày tự động Hình III.1 UAV phần mềm dùng thực nghiệm Hình III.2 Sơ đồ bay chụp, đo GCP đo kiểm tra Hình III.3 Đo tọa độ điểm khống chế ảnh Hình III.4 Ảnh chụp DJI Phantom Hình III.5 Chích điểm khống ảnh Hình III.6 Mơ hình số bề mặt Hình III.7 Vị trí điểm kiểm tra ảnh Ortho DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng II.1 Thống kê khả bay chụp UX5 Bảng II.2 Yêu cầu độ xác độ cao với đồ địa hình Bảng III.1 Tọa độ điểm khống chế mặt đất Bảng III.2 Bình sai điểm GCP so sánh với kết đo GPS Bảng III.3 Bình sai điểm GCP so sánh với kết đo GPS Bảng III.4 Bình sai bổ sung GCP điểm yếu so sánh kết Bảng III.5 Bình sai điểm so sánh với kết đo GPS Bảng III.6 Kết kiểm bình sai điểm so sánh với kết đo GPS Bảng III.7 So sánh độ lệch độ cao điểm chi tiết Bảng III.8 Chi phí đo đạc trực tiếp Bảng III.9 Chi phí sử dụng UAV CHƢƠNG I NGUYÊN LÝ CỦA PHƢƠNG PHÁP THÀNH LẬP BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH BẰNG CƠNG NGHỆ ĐO ẢNH I.1 Các khái niệm I.1.1 Khái niệm trắc địa ảnh Trắc địa ảnh môn khoa học nghiên cứu phƣơng pháp chụp ảnh phƣơng pháp xác định vị trí, hình dáng, kích thƣớc đối tƣợng đƣợc chụp ảnh Đối tƣợng đƣợc chụp ảnh chủ yếu yếu tố địa hình, địa vật mặt đất, nhiệm vụ đo vẽ đồ xác định tọa độ trắc địa đối tƣợng đo vẽ nhiệm vụ bản, nên khoa học Đo chụp ảnh thƣờng gọi Trắc địa ảnh Từ định nghĩa trên, thấy rằng: Trắc địa ảnh gồm hai nội dung là: chụp ảnh đo ảnh A Chụp ảnh nhằm mục đích thành lập đồ đƣợc thực nhớ máy ảnh kỹ thuật trang thiết bị kèm theo nhằm bảo đảm yêu cầu chất lƣợng ảnh Máy chụp ảnh gắn khinh khí cầu, máy bay, tên lửa, vệ tinh nhân tạo hoạch mặt đất Nếu máy chụp ảnh đƣợc gắn vật bay không gian, tầng đối lƣu bình lƣu cơng việc chụp ảnh đƣợc gọi Chụp ảnh hàng không tầm ảnh chụp đƣợc gọi Tấm ảnh hàng không Nếu máy chụp ảnh đƣợc đặt mặt đất kể máy đặt cố định hay vật di cộng việc chụp ảnh gọi Chụp ảnh mặt đât ảnh gọi Tấm ảnh mặt đất Bởi vậy, khái niệm mặt đất hay hàng khơng có hàm ý vị trí chụp máy, khơng phải nói đối tƣợng chụp Sau máy ảnh đƣợc đặt vệ tính chụp ảnh từ khơng gian vũ trụ, tức chụp với độ cao lớn nhiều so với độ cao tầng bình lƣu Các ảnh gọi Ảnh vệ tinh B Đo ảnh khoa học xác định hình dạng, kích thƣớc vị trí đối tƣợng thơng qua hình ảnh chụp đối tƣợng Đo ảnh tiến hành ảnh riêng biệt gọi Đo ảnh đơn tiến hành mơ hình lập thể đƣợc xây dựng từ hai ảnh chụp chung đối tƣợng nhƣ gọi Đo ảnh lập thể Từ đo hai loại chụp ảnh khác chụp ảnh mặt đất chụp ảnh hàng không xuất hai loại đo ảnh Đo ảnh mặt đất Đo ảnh hàng không Trong phạm vi nghiên cứu để cập đến vấn đề đo ảnh hàng không Đo ảnh đơn: Sử dụng ảnh đơn riêng biệt, nắn chỉnh ảnh để đƣa vị trí nằm ngang có tỷ lệ với tỷ lệ đồ, cho hình ảnh phù hợp với vị trí xác định bình đồ Tấm ảnh nắn ghép theo mảnh đồ, sử dụng riêng lẻ nhƣ bình đồ tự để mang đo vẽ bổ sung thực địa Nội dung đo vẽ bổ sung bao gồm việc xác nhận địa vật thể đồ, đo bổ sung địa vật thay đổi so với ảnh, điều vẽ yếu tố không chụp ảnh đƣợc nhƣ địa danh, địa giới, số nhân khẩu, đo vẽ địa hình Phƣơng pháp đo ảnh đơn kết hợp với phƣơng pháp đo vẽ trực tiếp thực địa gọi phƣơng pháp phối hợp Đo ảnh lập thể: phƣơng pháp xác định hình dạng, kích thích, vị trí đối tƣợng thơng qua mơ hình lập thể máy đo lập thể độ xác cao Cơ sở để xây dựng mơ hình lập thể ảnh liền kề nhau, có chụp đối tƣợng giống Phần chụp chung đối tƣợng hai ảnh gọi độ phủ Độ phủ tính theo đơn vị % diện tích ảnh Để đảm bảo cho việc đo mơ hình lập thể diện tích độ phủ phải lớn 5% Thơng thƣờng độ phủ dọc theo tuyến chụp ảnh đƣợc thiết kế 60% Hai ảnh có độ phủ 50% định hƣớng để tạo thành mơ hình lập thể đối tƣợng chụp ảnh Mơ hình đƣợc xây dựng điều chỉnh để trở thành đồng dạng với hình dáng đối tƣợng chụp ảnh tức đối tƣợng cần đo vẽ I.1.2 Những điều kiện kỹ thuật bay chụp ảnh Trong chụp ảnh hàng không máy chụp ảnh đƣợc gắn máy bay Trục quang hệ thống kính vật đƣợc thiết kế để qua tâm ảnh vuông góc với mặt phẳng nhận ảnh Tâm ảnh điểm giao hội hai đƣờng nối mấu khung đối diện Điểm tâm gọi điểm ảnh, thƣờng ký hiệu điểm O Máy chụp ảnh đƣợc đặt giá máy, giá máy gắn chặt vào thân máy bay Do tác động ngoại lực mà trục quan kính vật bị lệch khỏi phƣơng thẳng đứng góc α gọi góc nghiêng ảnh Ngƣời ta phân loại ảnh hàng khơng theo giá trị góc α Trong thực tế có loại ảnh hàng khơng sau: Ảnh nằm ngang α = Ảnh 00 < α < 30 Ảnh nghiêng α > 30 sản xuất việc bình sai tuyệt đối khối ảnh cần điểm khống chế ngoại nghiệp (trƣờng hợp không RTK tâm ảnh) Qua thực tế thành lập đồ địa hình 1:2000 nhỏ Với điểm khống chế ngoại nghiệp hoàn tồn đảm bảo u cầu độ xác mặt độ cao Tuy nhiên với dải bay dài gồm nhiều ảnh, khu đo lại gồm nhiều dải, để giảm sai số hệ thống tính tốn liên kết mơ hình, tăng độ xác tăng dày cần thiết bố trí thêm điểm khống chế khối Hình II.9: Bố trí GCP nâng cao độ xác II.4.5 Tăng dày khớp điểm tự động Việc tăng dày phƣơng pháp tự động nhận diện điểm ảnh tên ảnh kề giúp giảm đáng kể khối lƣợng cơng nghệ ảnh Chính việc tự động khắc phục đƣợc nhƣợc điểm chụp ảnh UAV diện tích ảnh nhỏ tăng dày thủ cơng khối lƣợng cơng việc vô lớn Nguyên lý tăng dày tự động dựa khái niệm “Điểm đặc trƣng cục bất biến SIFT” (Scale Invariant Feature Transform) đƣợc David G.Lowe đƣa năm 2004 với tính chất bất biến khi: thay đổi tỷ lệ ảnh, quay ảnh, thay đổi góc nhìn, thêm nhiễu hay thay đổi cƣờng độ sáng Phƣơng pháp tìm điểm bật bất biến SIFT gồm bƣớc: - Phát điểm cực trị Scale-Space: Tìm khu vực chứa điểm đặc bật có tính chất khơng thay đổi phép phóng xoay ảnh - Định vị điểm bật: điểm tiềm đƣợc cho qua hàm kiểm tra để định xem có đƣợc lựa chọn hay không - Xác định hƣớng cho điểm: mổi điễm đƣợc gán nhiều hƣớng dựa hƣớng gradient ảnh Mọi phép toán xử lý bƣớc sau đƣợc thực liệu ảnh mà đƣợc biến đổi so với hƣớng gán, kích cỡ vị trí điểm đƣợc chọn Nhờ tạo bất biến phép xử lý 36 - Mô tả điểm: hƣớng gradient cục đƣợc đo ảnh có kích thƣớng cụ thể vùng lân cận với điểm đặc trƣng Sau chúng đƣợc biểu diễn thành dạng mà cho phép mô tả tầng quan trọng q trình bóp méo hình dạng cục thay đổi độ sáng Hình II.10: Minh họa bước trình lực chọn điểm bật Trong hình trên: (a) ảnh gốc, (b) mơ tả 832 điểm bật tìm đƣợc, điểm bật đƣợc vẽ dạng véc-tơ thể thơng tin: vị trí, hƣớng độ dài, (c) giữ lại 729 điểm sau đặt ngƣỡng tƣơng phản tối thiểu, (d) giữ lại 536 điểm sau áp dụng ngƣỡng khác hệ số độ cong Phƣơng pháp SIFT thuật tốn trích chọn đặc trƣng mạnh mẽ Dù vậy, tốc độ xử lý SIFT chậm Để tăng tốc độ xử lý ngƣời ta dùng thuật tốn trích chọn đặc trƣng SURF (Speed Up Robust Features) Việc ứng dụng phƣơng pháp SIFT SURF dẫn đến số khác biệt tăng dày ảnh UAV Vị trí số lƣợng điểm tăng dày khơng phân bố chuẩn nhƣ thực thủ công mà tùy thuộc vào phân tích thuật tốn tìm ngẫu nhiên điểm ảnh tên 37 Hình II.11: Một ví dụ vị trí điểm tăng dày tăng dày tự động Khi hình ảnh ảnh tƣơng đồng dẫn đến khó khăn việc xác định điểm ảnh tên Khi chụp ảnh UAV ngƣời ta tăng độ phủ ảnh để tăng khả nhận biết điểm ảnh tên với độ tin cậy cao Tăng độ phủ ảnh tăng chất lƣợng bình đồ ảnh phần bình đồ dễ dàng lấy khu vực xung quanh tâm ảnh Trong chụp ảnh hàng không truyền thống lấy độ phủ dọc 60%, độ phủ ngang 30% Nhƣng chụp ảnh hàng không độ phủ đƣợc tăng lên đáng kể Việc tăng độ phủ dẫn đến số lƣợng ảnh tăng lên nhiều Trong công nghệ ảnh sử dụng UAV ngƣời ta thƣờng lấy độ phủ dọc 80% độ phủ ngang 60% 38 CHƢƠNG III THỰC NGHIỆM III.1 Xác định loại phƣơng tiện bay chụp phần mềm điều khiển, xử lý Từ phân tích mặt lý thuyết, để tăng độ xác thành lập đồ ảnh chụp từ UAV, nhóm nghiên cứu tìm kiếm phƣơng tiện bay đáp ứng đƣợc điều kiện sau: - Có khả bay tự động theo chƣơng trình định sẵn - Thời gian bay tối đa 30 phút - Độ cao bay từ 75-200m - Dễ dàng cất cánh hạ cánh - Có thể bay đứng im chỗ chụp ảnh - Máy ảnh có độ phân giải cao, tiêu cự từ 15-25cm Căn điều kiện đặt đối chiếu với UAV giới thiệu trên, nhóm định sử dụng UAV DJI Phantom Hình III.1: UAV phần mềm dùng thực nghiệm Qua nghiên cứu tìm hiểu nhóm định sử dụng phần mềm xử lý Datumate Đây phần mềm Isaren sản xuất bao gồm phần mềm điều khiển bay phần mềm xử lý ảnh Phần mềm chuyên để thực nhiệm vụ tăng dày khống chế ảnh, xây dựng mơ hình phục vụ cho việc đo đạc trắc địa cơng trình nên độ cao III.2 Lựa chọn khu vực thực nghiệm 39 Hình III.2: Sơ đồ bay chụp, đo GCP đo kiểm tra Khu vực đƣợc chọn để bay thử nghiệm đƣờng thi công Làng Đại học cuối đƣờng Láng – Hòa Lạc thuộc huyện Thạch Thất, Hà Nội Khu vực bay chụp thử nghiệm khoảng 20ha, khu vực bao gồm đồi, bãi bằng, suối, mặt bê tông phẳng, khu vực đƣờng nhựa, Địa hình tƣơng đối đa dạng, chênh cao điểm cao thấp lên tới 8m Hình ảnh đƣợc google map để làm thiết kế bay, thực tế đƣờng thi công gần xong Để phục vụ cho mục đích kiểm nghiệm tiến hành bay độ cao 100m 180m Đo 15 điểm khống chế ngoại nghiệp mặt cắt địa hình để kiểm tra III.3 Bay chụp ảnh đo khống chế ngoại nghiệp, đo kiểm tra 40 Trƣớc bay chụp tiến hành rải tiêu, đo tọa độ vị trí định trƣớc Hình III.3: Đo tọa độ điểm khống chế ảnh Dùng phƣơng pháp đo GPS tĩnh nhanh để xác định tọa độ 15 điểm khống chế ngoại nghiệp, độ xác tƣơng đƣơng điểm khống giải tích Đƣợc tọa độ nhƣ bảng sau: Bảng III.1: Tọa độ điểm khống chế mặt đất Tên điểm M01 M02 M03 M04 M05 M06 M07 M08 M09 M10 M11 M12 M13 M14 M15 X 2299968.707 2300000.000 2300253.435 2300231.033 2300158.255 2300166.523 2300003.063 2300145.782 2300247.703 2300090.763 2300120.876 2300222.892 2300612.155 2300627.725 2300324.772 Y 559835.220 560000.000 559946.889 559826.540 559802.084 559981.650 559901.171 559890.332 559897.561 559864.264 559959.425 559851.216 559756.540 559881.341 559863.882 H 16.900 20.000 9.969 13.237 14.225 16.965 19.174 15.449 14.370 15.476 16.339 13.009 10.738 9.901 12.858 Thiết kế bay chụp điều khiển phần mềm DatuFly cài đặt Ipad Tiến hành bay chụp thành hai khối Khối 1: + Độ cao bay 100m, tiêu cự máy ảnh 24mm + Độ phủ dọc 80%, độ phủ ngang 60% + Phƣơng pháp bay chụp: bay đến điểm xác định trƣớc, dừng chụp ảnh 41 + Số lƣợng ảnh dải, 70 ảnh + Diện tích mặt đất khoảng Khối 2: + Độ cao bay 180m, tiêu cự máy ảnh 24mm + Độ phủ dọc 80%, độ phủ ngang 60% + Phƣơng pháp bay chụp: bay đến điểm xác định trƣớc, dừng chụp ảnh + Số lƣợng ảnh dải, 52 ảnh + Diện tích mặt đất khoảng 15 a) Độ cao bay chụp 100m b) Độ cao bay chụp 180m Hình III.4: Ảnh chụp DJI Phantom III.4 Xử lý ảnh, so sánh đánh giá độ xác Ảnh sau chụp đƣợc xử lý theo project tƣơng ƣng với độ cao bay chụp Sau tạo project, khai báo thông số ảnh phần mềm tự động liên kết xếp ảnh theo thứ tự chụp nhờ tọa độ GPS Sau tiến hành thêm điểm khống chế ngoại nghiệp có khu đo Các điểm dùng nhƣ điểm gốc để tính tốn định hƣớng tuyệt đối khối ảnh, đƣợc dùng nhƣ điểm tăng dày để so sánh tọa độ kiểm tra 42 Hình III.5: Chích điểm khống ảnh III.4.1 Xử lý khối ảnh chụp độ cao 100m Trong phạm vi khối ảnh chụp độ cao 100m có 12 điểm khống chế ngoại nghiệp Khi tính tốn định vị tuyệt đối đƣa vào điểm M01, M02, M03, M04, góc M08 giữa, điểm M06, M07, M09, M10, M11, M12 dùng để kiểm tra Bảng III.2: Bình sai điểm GCP so sánh với kết đo GPS Tên M05 M06 M07 M09 M10 M11 M12 Tọa độ đo GPS X Y 2300158.255 559802.084 2300166.523 559981.650 2300003.063 559901.171 2300247.703 559897.561 2300090.763 559864.264 2300120.876 559959.425 2300222.892 559851.216 H 14.225 16.965 19.174 14.370 15.476 16.339 13.009 Tọa độ tính tốn tăng dày X Y H 2300158.227 559802.120 14.235 2300166.448 559981.679 17.173 2300003.090 559901.128 19.090 2300247.658 559897.609 14.432 2300090.731 559864.298 15.444 2300120.857 559959.395 16.395 2300222.893 559851.264 13.005 ∆X 0.028 0.075 -0.027 0.045 0.032 0.019 -0.001 Độ lệch ∆Y -0.036 -0.029 0.043 -0.048 -0.034 0.030 -0.048 ∆H -0.010 -0.208 0.084 -0.062 0.032 -0.056 0.004 Nhận thấy mặt độ xác cao, sai số điểm lớn M06 ∆X=0.075m Về độ cao, điểm M06 có sai số lớn ∆H=-0.208m Với mục đích giảm sai số độ cao, khối ảnh đƣợc tính tốn lại với tham gia thêm điểm khống chế khối M05 M11 Kết tính tốn, so sánh tọa độ điểm kiểm tra nhƣ sau: Bảng III.3: Bình sai điểm GCP so sánh với kết đo GPS Tên M06 M07 M09 M10 M12 Tọa độ đo GPS X Y 2300166.523 559981.650 2300003.063 559901.171 2300247.703 559897.561 2300090.763 559864.264 2300222.892 559851.216 H 16.965 19.174 14.370 15.476 13.009 Tọa độ tính tốn tăng dày X Y H 2300166.464 559981.674 17.138 2300003.099 559901.146 19.101 2300247.675 559897.573 14.435 2300090.743 559864.305 15.423 2300222.894 559851.237 13.013 ∆X 0.059 -0.036 0.028 0.020 -0.002 Độ lệch ∆Y -0.024 0.025 -0.012 -0.041 -0.021 Theo kết độ sai số độ cao đƣợc cải thiện nhƣng khơng đáng kể Xem lại vị trí điểm thấy độ cao chênh lệch nhiều với độ cao trung bình khu vực chênh 7m với điểm đƣa vào bình sai M03 43 ∆H -0.173 0.073 -0.065 0.053 -0.004 Theo lý thuyết trình bày độ cao khu vực biến động lớn, độ cao bay chụp thấp nên tỷ lệ ảnh biến đổi nhiều Địa vật khu vực cỏ xanh tƣơng đối tƣơng đồng việc làm giảm độ xác cơng tác tăng dày Tiếp tục bình sai lại khối với điểm khống chế nhƣ lúc đầu nhƣng lúc bổ sung thêm điểm M06 làm khống chế ngoại nghiệp Kết đƣợc nhƣ sau: Bảng III.4: Bình sai bổ sung GCP điểm yếu so sánh kết Tên M05 M06 M07 M09 M10 M11 M12 Tọa độ đo GPS X Y 2300158.255 559802.084 2300166.523 559981.650 2300003.063 559901.171 2300247.703 559897.561 2300090.763 559864.264 2300120.876 559959.425 2300222.892 559851.216 H 14.225 16.965 19.174 14.370 15.476 16.339 13.009 Tọa độ tính tốn tăng dày X Y H 2300158.249 559802.082 14.26 2300166.503 559981.664 16.982 2300003.104 559901.136 19.128 2300247.681 559897.569 14.362 2300090.744 559864.295 15.467 2300120.895 559959.396 16.327 2300222.898 559851.231 13.03 ∆X 0.006 0.020 -0.041 0.022 0.019 -0.019 -0.006 Độ lệch ∆Y 0.002 -0.014 0.035 -0.008 -0.031 0.029 -0.015 ∆H -0.035 -0.017 0.046 0.008 0.009 0.012 -0.021 So sánh tọa độ tăng dày với tọa độ đo GPS thấy độ lệch lớn độ cao M07 với ∆H = 0.046m Nhƣ việc tăng khống chế giúp tăng độ xác nhƣng khu vực có độ chênh cao địa hình lớn (so với chiều cao bay chụp) cần bổ sung thêm điểm khống chế ngoại nghiệp III.4.2 Xử lý khối ảnh chụp độ cao 180m Trong khối có tồn 15 điểm khống chế, lần tính tốn bình sai sử dụng điểm góc M01, M02, M14, M15 Các điểm lại dùng để kiểm tra, kết tính tốn đƣợc nhƣ sau: Bảng III.5: Bình sai điểm so sánh với kết đo GPS Tên M03 M04 M05 M06 M07 M08 M09 M10 M11 M12 M15 Tọa độ đo GPS X Y H 2300253.435 559946.889 9.969 2300231.033 559826.540 13.237 2300158.255 559802.084 14.225 2300166.523 559981.650 16.965 2300003.063 559901.171 19.174 2300145.782 559890.332 15.449 2300247.703 559897.561 14.370 2300090.763 559864.264 15.476 2300120.876 559959.425 16.339 2300222.892 559851.216 13.009 2300324.772 559863.882 12.858 Tọa độ tính toán tăng dày X Y H 2300253.499 559946.824 10.057 2300231.048 559826.462 13.529 2300158.316 559802.063 14.499 2300166.556 559981.733 17.021 2300003.067 559901.205 19.202 2300145.892 559890.306 15.495 2300247.725 559897.526 14.519 2300090.748 559864.312 15.450 2300120.913 559959.379 16.326 2300222.927 559851.163 13.218 2300324.791 559863.897 13.092 ∆X -0.064 -0.015 -0.061 -0.033 -0.004 -0.110 -0.022 0.015 -0.037 -0.035 -0.019 Độ lệch ∆Y 0.065 0.078 0.021 -0.083 -0.034 0.026 0.035 -0.048 0.046 0.053 -0.015 ∆H -0.088 -0.292 -0.274 -0.056 -0.028 -0.046 -0.149 0.026 0.013 -0.209 -0.234 Nhận thấy sai số lớn mặt điểm M08 ∆X=-0.110m, độ cao điểm lớn điểm M04, M05, M12, M15 độ lớn từ 20-30cm Sai số nhƣ đảm bảo yêu cầu thành đồ địa hình 1:2000 nhỏ Tuy nhiên để nâng cao độ 44 xác, giảm sai số q trình liên kết mơ hình tiến hành bình sai lại thêm điểm khống chế M12 khối Kết tính tốn nhƣ sau: Bảng III.6: Kết kiểm bình sai điểm so sánh với kết đo GPS Tên M03 M04 M05 M06 M07 M08 M09 M10 M11 M15 Tọa độ đo GPS X Y H 2300253.435 559946.889 9.969 2300231.033 559826.540 13.237 2300158.255 559802.084 14.225 2300166.523 559981.650 16.965 2300003.063 559901.171 19.174 2300145.782 559890.332 15.449 2300247.703 559897.561 14.370 2300090.763 559864.264 15.476 2300120.876 559959.425 16.339 2300324.772 559863.882 12.858 Tọa độ tính tốn tăng dày X Y H 2300253.454 559946.857 9.898 2300231.018 559826.556 13.233 2300158.278 559802.144 14.324 2300166.507 559981.649 16.998 2300003.088 559901.138 19.186 2300145.859 559890.346 15.356 2300247.688 559897.558 14.406 2300090.753 559864.313 15.407 2300120.879 559959.409 16.263 2300324.738 559863.946 12.819 ∆X -0.019 0.015 -0.023 0.016 -0.025 -0.077 0.015 0.010 -0.003 0.034 Độ lệch ∆Y 0.032 -0.016 -0.060 0.001 0.033 -0.014 0.003 -0.049 0.016 -0.064 ∆H 0.071 0.004 -0.099 -0.033 -0.012 0.093 -0.036 0.069 0.076 0.039 Kết cho thấy độ xác độ cao tăng lên đáng kể, sai số lớn điểm M05=-0.099m Khi tiếp tục cho thêm điểm khống chế khối vào bình sai thấy kết thay đổi không đáng kể Trong khối ảnh chụp độ cao 180m, điểm M06 không bị sai số độ cao lớn nhƣ chụp độ cao 100m, phù hợp với lý thuyết tỷ lệ ảnh thay đổi lớn ảnh hƣởng đến độ xác điểm tăng dày III.4.2 Đánh giá độ sai số với điểm chi tiết Trong phần tính tốn đánh giá đánh giá với điểm tăng dày đƣợc chọn điểm trực tiếp ảnh Nhƣng thành lập đồ, độ cao điểm chi tiết thƣờng đƣợc lấy từ mơ hình số bề mặt nội suy tự động Vì cần kiểm tra độ xác điểm chi tiết Hình III.6: Mơ hình số bề mặt 45 Hình III.7: Vị trí điểm kiểm tra ảnh Ortho Các điểm chi tiết dùng để kiểm tra đƣợc phun lên theo tọa độ phẳng lên vẽ Độ cao điểm đƣợc nội suy theo mơ hình số bề mặt phần mềm ArcSence Kết so sánh đƣợc bảng độ lệch III.7 Bảng III.7: So sánh độ lệch độ cao điểm chi tiết Tên 10 11 12 13 14 15 16 17 X 2300240.609 2300090.763 2300316.089 2300320.819 2300023.137 2300222.892 2300091.695 2300003.063 2299968.707 2300093.186 2300038.121 2300098.338 2300037.946 2300231.033 2300038.552 2300158.255 2300058.266 Y 559880.320 559864.264 559855.765 559850.979 559899.500 559851.216 559867.922 559901.171 559835.220 559871.828 559897.863 559888.315 559897.706 559826.540 559898.329 559802.084 559896.233 H Tên X Y H -0.285 48 2300119.088 559953.987 0.063 -0.229 49 2300093.927 559876.025 0.066 -0.208 50 2300040.879 559898.113 0.074 -0.170 51 2300109.511 559924.214 0.077 -0.165 52 2300113.666 559938.039 0.080 -0.161 53 2300067.626 559896.265 0.081 -0.161 54 2300117.727 559950.302 0.085 -0.149 55 2300037.688 559897.806 0.088 -0.127 56 2300111.304 559930.711 0.091 -0.122 57 2300048.756 559896.818 0.092 -0.115 58 2300049.392 559897.296 0.092 -0.100 59 2300114.390 559939.764 0.098 -0.094 60 2300098.329 559888.262 0.103 -0.083 61 2300145.586 559890.189 0.107 -0.064 62 2300120.876 559959.425 0.112 -0.053 63 2300088.800 559894.714 0.112 -0.049 64 2300108.010 559889.771 0.113 46 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 2300058.291 2300000.000 2300145.782 2300058.874 2300037.942 2300059.746 2300103.912 2300094.762 2300093.666 2300253.435 2300051.398 2300015.291 2300022.972 2300101.933 2300047.914 2300117.667 2300084.837 2300052.607 2300139.298 2300058.551 2300049.895 2300088.103 2300144.789 2300247.703 2300007.645 2300036.192 2300115.039 2300077.063 2300130.078 2300092.273 559895.418 560000.000 559890.332 559897.519 559897.811 559899.268 559903.193 559888.836 559873.258 559946.889 559900.774 559900.424 559899.330 559893.680 559896.730 559950.157 559890.539 559898.184 559889.603 559894.982 559898.039 559894.765 559884.077 559897.561 559901.174 559887.214 559893.083 559895.466 559891.883 559877.659 -0.047 -0.047 -0.042 -0.031 -0.031 -0.026 -0.021 -0.016 -0.015 -0.006 0.008 0.011 0.020 0.023 0.034 0.037 0.041 0.043 0.043 0.045 0.046 0.049 0.050 0.051 0.054 0.055 0.057 0.061 0.062 0.063 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 2300033.961 2300099.092 2300118.036 2300166.523 2300240.506 2300095.977 2300120.445 2300103.780 2300114.456 2300118.190 2300324.772 2300112.736 2300112.752 2300119.480 2300102.298 2300028.177 2300112.581 2300100.067 2300100.125 2300092.309 2300100.204 2300112.621 2300112.550 2300028.163 2300100.075 2300105.879 2300109.545 2300107.757 2300092.367 559899.194 559890.472 559951.302 559981.650 559880.032 559882.047 559958.074 559903.054 559940.119 559951.686 559863.882 559935.269 559935.368 559954.916 559899.131 559899.402 559934.736 559892.806 559893.103 559894.467 559893.138 559935.099 559934.675 559899.355 559892.809 559911.363 559924.152 559916.864 559894.494 0.116 0.124 0.139 0.149 0.155 0.162 0.172 0.173 0.175 0.180 0.182 0.223 0.238 0.245 0.287 0.313 0.323 0.323 0.413 0.418 0.452 0.467 0.489 0.536 0.557 0.566 0.578 0.583 0.611 Trong bảng kết thấy sai số tƣơng đối nhỏ, chủ yếu dƣới 20cm Sai số đảm bảo yêu cầu thành lập đồ địa hình tỷ lệ 1:500, 1:1000 khoảng cao 1m Một số điểm có sai số 30-60cm, xem xét vị trí điểm thấy điểm có độ cao thay đổi đột ngột điểm có thực phủ Đây điểm yếu chung cơng nghệ thành lập đồ phƣơng pháp ảnh Do sản xuất bắt buộc phải chọn điểm khu vực có thực phủ điều vẽ phải xác định độ cao thực phủ Tại điểm thay đổi độ cao đột ngột xác định độ cao cách chọn điểm xác định độ cao theo điểm xung quanh III.5 Đánh giá hiệu kinh tế Nhƣ biết phƣơng pháp thành lập đồ địa hình ảnh hàng khơng với khu vực diện tích lớn hiệu nhiều so với phƣơng pháp đo đạc trực tiếp Nhƣng với khu vực nhỏ phƣơng pháp ảnh hàng không truyền thống không 47 đem lại hiệu chi phí bay chụp lớn Cơng nghệ bay chụp UAV đời làm giảm đáng kể chi phí Đối với khu vực thực nghiệm bay chụp độ 180m, diện tích bay chụp đƣợc 20 Cơng tác đo đạc khống chế ảnh tƣơng đƣơng công tác lập lƣới khống chế phục vụ đo vẽ đồ Tiến hành so sánh hiệu công tác đo vẽ đồ 1:1.000 khoảng cao 1m Theo đơn giá khảo sát Hà Nội chi phí nhƣ sau: Bảng III.8: Chi phí đo đạc trực tiếp Tên cơng việc Đo vẽ đồ cạn, tỷ lệ 1/1000 đƣờng đồng mức 1m, địa hình C2 ĐVT 100 KL 0.15 Vật liệu Đơn giá Nhân công 644,575 73,094,900 Máy Vật liệu Thành tiền Nhân công 581,902 96,686 10,964,235 Máy Tổng 87,285 11,148,207 Khi thực công nghệ UAV tính vật liệu gấp 10 lần khấu hao máy móc thiết bị gấp 20 lần Chi phí nhân cơng tính lao động bình qn bậc 4/7 với công tác chuẩn bị, đo khống chế bay chụp 35 cơng, tình tốn bình sai khối ảnh 15 công, biên tập đồ 25 công, điều vẽ 25 cơng Lƣơng nhân cơng 4/7 248.200 đồng/ngày Chi phí tính cụ thể nhƣ sau: Bảng III.9: Chi phí sử dụng UAV Tên công việc Đo vẽ đồ cạn, tỷ lệ 1/1000 đƣờng đồng mức 1m, địa hình C2 ĐVT 100 KL 0.15 Vật liệu 3,222,875 Đơn giá Nhân công 24,820,000 Máy Vật liệu 11,638,040 483,431 Thành tiền Nhân công 3,723,000 Máy Tổng 1,745,706 5,952,137 Qua bảng III.8 III.9 bảng đánh giá chi phí thành lập đồ địa hình phƣơng pháp ảnh sử dụng UAV giảm đƣợc công tác ngoại nghiệp mà cịn giảm đƣợc 40% chi phí trực tiếp số với phƣơng pháp đo đạc truyền thống 48 KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ Việc ứng dụng UAV thành lập đồ địa hình phƣơng pháp ảnh giúp nâng cao suất lao động, giảm chi phí Tuy nhiên việc đảm bảo độ xác mặt độ cao thành lập đồ địa hình tỷ lệ lớn địi hỏi yêu cầu phức tạp Việc chọn thiết bị bay, độ cao bay, phƣơng án khống chế ngoại nghiệp đòi hỏi phải phù hợp với đặc điểm loại địa hình Cơng tác điều vẽ cần xác định tốt độ cao khu vực có thực phủ hay đo bù đầy đủ điểm bị che khuất ảnh Trong phạm vi đề tài xác định đƣợc số yếu tố ảnh hƣởng đến độ xác thành lập đồ địa hình ảnh chụp UAV Các biện pháp khắc phục chƣa cụ thể rõ ràng Hƣớng nghiên cứu cần ý đến xác định đƣợc tỷ lệ độ chênh cao địa hình khoảng cách bay chụp phù hợp, cần phải thêm điểm khống chế Hay dải bay có ảnh, khối bay có dải phải thêm điểm khống chế ảnh vào khối 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO Trắc địa ảnh – Dành cho ngành đồ trắc địa ngành – NXB GTVT, GS.TSKH Phan Văn Lộc – GS TSKH Trƣơng Anh Kiệt, PGS.TS Nguyễn Trƣờng Xuân - 2005 Trắc địa ảnh – Phần Công tác tăng dày khống chế ảnh – NXB GTVT – GS.TSKH Trƣơng Anh Kiệt – 2004 Nghiên cứu Ứng dụng công nghệ chụp ảnh viễn thám sử dụng thiết bị bay không ngƣời lái (UAV) khảo sát sụt trƣợt tuyến giao thông Việt Nam – Ths Nguyễn Kim Thành, Viện Khoa học Công nghệ GTVT – 2017 Nghiên cứu ứng dụng công nghệ bay chụp ảnh thiết bị khống ngƣời lái (UAV) vào công tác dịch vụ đo đạc đồ - KS Lê Tuấn Anh, Tổng công ty Tài nguyên Mơi trƣờng Việt Nam -2017 Khảo sát độ xác hệ thống UAS – Trimble UX5, Cục đồ - Bộ Tổng tham mƣu Tạp chí KHKT Mỏ - Địa Chất, số 48, 10/2014, Tr.38-44, Nghiên cứu giải pháp loại trừ nguồn sai số từ máy chụp ảnh phổ thông gắn máy bay không ngƣời lái phục vụ cho công tác đo đạc đồ - Đỗ Thị Hoài, Đào Ngọc Long – Viện Khoa học Đo đạc Bản đồ - Trần Đình Trí, Trần Thanh Hà – Trƣờng ĐH Mỏ - Địa Chất Practical experiences with automatic aerial triangulation using diferent software packages – Gurcan Buyuksalih, Karaelmas University, Zonguldak, Turkey and Zhang Li, Swiss Federal Institute of Technology (ETH), Zurich Photogrammetric Record, June 2003 Performance Analysis of the SIFT Operator for Automatic Feature Extraction and Matching in Photogrammetric Applications - Andrea Lingua, Davide Marenchino and Francesco Nex Sensor journal, 5/2009 50