Ứng dụng công nghệ GPS động và máy bay không người lái thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn trong điều kiện Việt Nam

Những năm gần đây, công nghệ máy bay không người lái UAV UnmannedAerial Vehicles là một trong những giải pháp thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn đãđược phát triển với ưu điểm giá thànhỨng dụng công nghệ GPS động và máy bay không người lái thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn trong điều kiện Việt NamỨng dụng công nghệ GPS động và máy bay không người lái thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn trong điều kiện Việt NamỨng dụng công nghệ GPS động và máy bay không người lái thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn trong điều kiện Việt NamỨng dụng công nghệ GPS động và máy bay không người lái thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn trong điều kiện Việt NamỨng dụng công nghệ GPS động và máy bay không người lái thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn trong điều kiện Việt NamỨng dụng công nghệ GPS động và máy bay không người lái thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn trong điều kiện Việt NamỨng dụng công nghệ GPS động và máy bay không người lái thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn trong điều kiện Việt NamỨng dụng công nghệ GPS động và máy bay không người lái thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn trong điều kiện Việt NamỨng dụng công nghệ GPS động và máy bay không người lái thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn trong điều kiện Việt NamỨng dụng công nghệ GPS động và máy bay không người lái thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn trong điều kiện Việt NamỨng dụng công nghệ GPS động và máy bay không người lái thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn trong điều kiện Việt NamỨng dụng công nghệ GPS động và máy bay không người lái thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn trong điều kiện Việt NamỨng dụng công nghệ GPS động và máy bay không người lái thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn trong điều kiện Việt NamỨng dụng công nghệ GPS động và máy bay không người lái thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn trong điều kiện Việt NamỨng dụng công nghệ GPS động và máy bay không người lái thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn trong điều kiện Việt NamỨng dụng công nghệ GPS động và máy bay không người lái thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn trong điều kiện Việt NamỨng dụng công nghệ GPS động và máy bay không người lái thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn trong điều kiện Việt NamỨng dụng công nghệ GPS động và máy bay không người lái thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn trong điều kiện Việt NamỨng dụng công nghệ GPS động và máy bay không người lái thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn trong điều kiện Việt NamỨng dụng công nghệ GPS động và máy bay không người lái thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn trong điều kiện Việt NamỨng dụng công nghệ GPS động và máy bay không người lái thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn trong điều kiện Việt NamỨng dụng công nghệ GPS động và máy bay không người lái thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn trong điều kiện Việt NamỨng dụng công nghệ GPS động và máy bay không người lái thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn trong điều kiện Việt NamỨng dụng công nghệ GPS động và máy bay không người lái thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn trong điều kiện Việt NamỨng dụng công nghệ GPS động và máy bay không người lái thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn trong điều kiện Việt NamỨng dụng công nghệ GPS động và máy bay không người lái thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn trong điều kiện Việt NamỨng dụng công nghệ GPS động và máy bay không người lái thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn trong điều kiện Việt NamỨng dụng công nghệ GPS động và máy bay không người lái thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn trong điều kiện Việt Nam

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

HOÀNG THỊ THỦY

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS ĐỘNG VÀ MÁY BAYKHÔNG NGƯỜI LÁI THÀNH LẬP BẢN ĐỒ ĐỊAHÌNH TỶ LỆ LỚN TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các sốliệu và kết quả được nêu trong luận án là trung thực, chưa từng được ai côngbố trong bất kỳ công trình nào khác.

TÁC GIẢ LUẬN ÁN

Hoàng Thị Thủy

1.3.2 Phân loại UAV 17

1.3.3 Yêu cầu về độ phân giải ảnh chụp trong lập bản đồ 20

1.4 Tổng quan về tích hợp công nghệ UAV, GNSS/CORS và toàn đạc điện tử trong

thành lập bản đồ địa hình 22

1.4.1 Tổng quan các nghiên cứu trên thế giới 22

1.4.2 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu ở Việt Nam 27

1.5 Định hướng nghiên cứu của đề tài 32

1.5.1 Điều kiện Việt Nam trong lĩnh vực nghiên cứu 32

1.5.2 Những định hướng nghiên cứu 34

CHƯƠNG 2 GI ẢI PHÁP NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC MẶT BẰNG VÀ ĐỘCAO ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GNSS/CORS TRONG THÀNH LẬP BẢN ĐỒĐỊA HÌNH TỶ LỆ LỚN 36

2.1 Công nghệ GNSS/CORS trong thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn 37

2.1.1 Giải pháp đo tương đối động với nhiều trạm cơ sở 37

2.1.2 Giải pháp đo GNSS với trạm ảo cố định 38

2.1.2.1Kỹ thuật trạm tham chiếu ảo VRS 38

2.1.2.2Nguyên lý hoạt động trạm tham chiếu ảo 39

2.1.3 Tính chuyển tọa độ GNSS/CORS với hệ tọa độ quốc tế ITRF 41

2.1.4 Khảo sát độ chính xác đo GNSS/CORS 41

2.1.5 Mục đích của bài toán kết hợp công nghệ GNSS/CORS và công nghệ truyền

thống 44

2.2 Tính chuyển độ cao điểm địa hình đo bằng công nghệ GNSS về độ cao thủychuẩn 45

2.2.1 Nội suy dị thường độ cao theo mô hình đa thức 45

2.2.2 Các bước tính toán và sơ đồ khối modul chương trình 49

2.3 Tính chuyển tọa độ đo bằng công nghệ GNSS/CORS 50

2.3.1 Thuật toán tính chuyển tọa độ mặt bằng 50

2.3.2 Bài toán trọng số trong biến đổi phẳng và mô hình dị thường độ cao 52

2.3.3 Độ chính xác trị đo bằng công nghệ GNSS/CORS khi kết hợp với điểm khống

chế tọa độ và độ cao 53

2.3.4 Sơ đồ khối thuật toán tính chuyển tọa độ mặt bằng và độ cao 54

2.4 Đồng bộ dữ liệu bản đồ địa hình tỷ lệ lớn 55

2.4.1 Nội dung bài toán đồng bộ dữ liệu 55

2.4.2 Bài toán kiểm tra tọa độ và độ cao các điểm song trùng 55

2.4.3 Sơ đồ khối modul đồng bộ hóa dữ liệu bản đồ 56

CHƯƠNG 3 THÀNH LẬP BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH TỶ LỆ LỚN KHU VỰC CÓTHỰC PHỦ TỪ DỮ LIỆU ẢNH UAV 59

3.1 Giới thiệu chung 59

3.2 Hiệu chỉnh mô hình số bề mặt vùng có phủ thực vật từ dữ liệu UAV trong thànhlập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn 59

3.2.1 Phương pháp mô hình số bề mặt 59

3.2.2 Hiệu chỉnh mô hình số bề mặt vùng có phủ thực vật 61

3.2.3 Quy trình thực hiện hiệu chỉnh 63

3.2.4 Số liệu mô hình 64

CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN THỰC NGHIỆM 68

4.1 Kết quả đánh giá độ chính xác GNSS/CORS 68

4.2.1 Modul tính chuyển trị đo GNSS 72

4.2.2 Sơ đồ và số liệu khu vực thực nghiệm 72

4.2.3 Kết quả tính toán bằng modul chương trình 76

4 2.4 Kết quả hiệu chỉnh độ cao GNSS về độ cao thủy chuẩn áp dụng trọng số784.3 Bài toán tính chuyển toạ độ đo bằng công GNSS/CORS 82

4.3.1 Modul tính chuyển tọa độ và độ cao các điểm đo GNSS/CORS 82

4.3.2 Độ chính xác đo GNSS (CORS) sau hiệu chỉnh 82

4.4 Bài toán đồng bộ dữ liệu bản đồ địa hình tỷ lệ lớn .84

4.4.1 Modul chương trình đồng bộ dữ liệu bản đồ 84

4.4.2 Kết quả thực hiện đồng bộ dữ liệu bản đồ 85

4.5 Tính toán hiệu chỉnh mô hình số bề mặt vùng có phủ thực vật từ dữ liệu UAVtrong thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn 87

4 5.1 Modul làm trơn mô hình số bề mặt thực phủ và xây dựng mô hình số địa hình874.5.2 Công tác thực nghiệm xây dựng mô hình số địa hình từ dữ liệu ảnh UAV khuvực có phủ thực vật 88

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 98

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 99

TÀI LIỆU THAM KHẢO 100

PHỤ LỤC 107

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Chữ viếttắt

Tên đầy đủ bằng tiếng AnhTên đầy đủ bằng tiếng Việt

GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầuGNSS Global Navigation Satellite

Systems

Hệ thống định vị vệ tinh

UAV Unmanned Aerial Vehicle Phương tiện bay không người

láiRTK Real Time Kinematic Đo tương đối động thời gian

thựcCORS Continuously operating Reference

NOAA National Oceanic and Atmospheric

GLONASS Globalnaya Navigatsionnaya

Sputnikovaya Sistema

Hệ thống vệ tinh dẫn đườngtoàn cầu của Nga

PPK Post-Processed Kinematic Đo động xử lý sauDGNSS Differential Global Navigation

Satellite System

Định vị vi phân toàn cầu

NMEA National Marine Electronics

Association

Giao thức truyền thông hiệphội điện tử hàng hải quốc giaMEO Medium Earth Orbit Quỹ đạo Trái Đất trung bìnhRTCM Radio Technical Commission Uỷ ban kỹ thuật vô tuyến

For Maritime Services điện về dịch vụ hàng hảiCDMA Code Division Multiple Access

Technique

Kỹ thuật truy cập phân chiatheo mã

SfM Structure-from-Motion Cấu trúc chuyển độngTLS Terrestrial Laser Scanning Quét laser trên mặt đấtIMU Inertial Measurement Unit Đơn vị đo lường quán tínhDOP Dilution of Precision Hệ số phân tản độ chính xácGDOP Geometric Dilution of Precision Hệ số phân tản độ chính xác

hình họcPDOP Position Dilution of Precising Hệ số phân tản độ chính xác

vị trí

bằng

NGS Nation Geodetic Survey Cơ quan Trắc đạc Hoa KỳITRF International Terrestrial Reference

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1 1 Nguyên lý định vị GNSS thông qua giao hội cạnh trong không gian 9

Hình 1 2 Cấu trúc hệ thống định vị vệ tinh GNSS 10

Hình 1 3 Số lượng trạm CORS trên lãnh thổ Việt Nam 16

Hình 1 4 Một số loại UAV, a UAV dùng bệ phóng, b UAV lên thẳng, c Kết hợp 18

Hình 1 5 UAV thường (a) và UAV có tích hợp GNSS động (b) 20

Hình 1 6 Chiều cao bay chụp 100 m và GSD đạt được thiết kế trên phần mềm DJIPilot 22

Hình 2 1 Trạm tham chiếu ảo trong công nghệ CORS 39

Hình 2 2 Mô hình một mạng lưới các trạm CORS 40

Hình 2 3 Đo thực nghiệm công nghệ GNSS/CORS tuyến Cát Linh - Hà Đông, Âucơ 42

Hình 2 4 Sơ đồ các điểm lưới đường chuyền Hạng II Cát Linh - Hà Đông và Âu Cơ

42

Hình 2 5 Sơ đồ lưới tọa độ và độ cao khu vực thành phố Hà Nội (500 km2) 43

Hình 2 6 Sơ đồ khối modul tính chuyển trị đo bằng công nghệ GNSS về hệ tọa độVN-2000 và độ cao thủy chuẩn 50

Hình 2 7 Xác nhận thông tin dữ liệu thực hiện 53

Hình 2 8 Sơ đồ khối thực hiện tính chuyển tọa độ điểm đo GNSS/CORS 54

Hình 2 9 Sơ đồ khối đồng bộ dữ liệu bản đồ GNSS/CORS và toàn đạc điện tử 57

Hình 3 1 Sơ đồ khối chương trình tự động xây dựng mô hình độ dầy lớp phủ thựcvật và xác định độ cao địa hình 64

Hình 3 2 Mô hình số DEM trong bài toán thực nghiệm 65

Hình 3 3 Mô hình chiều cao cây 66

Hình 3 4 Mô hình số địa hình DEM sau khi thực hiện modul chương trình 66

Hình 4.1 Modul tính chuyển trị đo bằng công nghệ GNSS về hệ tọa độ VN-2000 vàđộ cao thủy chuẩn 72

Hình 4 2 Khu vực thực nghiệm tại huyện Mù Cang Chải, tỉnh Yên Bái 73

Hình 4 3 Bình đồ dị thường độ cao xác định theo độ cao điểm thủy chuẩn khu vực

Mù Cang Chải 81

Hình 4 4 Mô hình số dị thường độ cao xác định theo độ cao điểm thủy chuẩn khuvực Mù Cang Chải 81

Hình 4 5 Modul tính chuyển tọa độ và độ cao các điểm đo bằng GNSS/CORS 82

Hình 4 6 Modul đồng bộ dữ liệu bản đồ đo bằng các công nghệ khác nhau 84

Hình 4 7 Lựa chọn các thông tin thực hiện 85

Hình 4 8 Dữ liệu bản đồ đo bằng công nghệ GNSS 85

Hình 4 9 Dữ liệu bản đồ đo hiện chỉnh bằng toàn đạc điện tử 86

Hình 4 10 Dữ liệu bản đồ sau khi ghép nối 86

Hình 4 11 Modul làm trơn mô hình số bề mặt thực phủ và xây dựng mô hình số địahình 87

Hình 4 12 Modul làm trơn mô hình số bề mặt DSM 87

Hình 4 13 Thông tin lựa chọn làm trơn mô hình số bề mặt DSM 87

Hình 4 14 Modul xác định mô hình số địa hình từ mô hình số bề mặt DSM 88

Hình 4 15 Thông tin lựa chọn xác định mô hình số địa hình 88

Hình 4 16 Máy bay UAV thực nghiệm tại Lạng Sơn 89

Hình 4 17 Sơ đồ dải bay 90

Hình 4 18 Sơ đồ điểm khống chế ảnh đo bằng GPS động(CORS) 91

Hình 4 19 Xác định tọa độ và độ cao điểm kiểm tra 91

Hình 4 20 Kết quả bay chụp 92

Hình 4 21 Ảnh bay chụp tại khu thực nghiệm Lạng Sơn 92

Hình 4 22 Mô hình số địa hình từ số liệu đo trực tiếp tại TP Lạng Sơn 92

Hình 4 23 Mô hình số bề mặt của lớp phủ thực vật DSM bằng công nghệ UAV 93

Hình 4 24 Mô hình DSM nhận được sau khi tiến hành làm trơn 94

Hình 4 25 Mô hình số địa hình nhận được từ dữ liệu DSM khu vực Lạng Sơn 95

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1 1 Kết quả tính toán yêu cầu về độ chính xác mặt bằng điểm địa vật 7

Bảng 1 2 Khoảng cao đều cơ bản đối với các loại bản đồ [2] 7

Bảng 1 3 Sai số trung phương đo vẽ dáng đất đối với các tỷ lệ bản đồ[2] 8

Bảng 1 4 Quan hệ giữa PDOP và chất lượng tọa độ điểm quan sát 15

Bảng 1 5 So sánh giữa ba loại UAV 18

Bảng 1 6 Độ phân giải ảnh cần thiết tương ứng với tỷ lệ bản đồ [42] 20

Bảng 2 1 Bảng tọa độ và độ cao các điểm lưới khu vực thành phố Hà Nội 43

Bảng 2 2 Kết quả đánh giá chất lượng điểm kiểm tra phục vụ đồng nhất dữ liệu 56

Bảng 3 1 Tọa độ và độ cao dữ liệu mô hình 65

Bảng 3 2 Độ chính xác xác định độ cao theo dữ liệu mô hình 67

Bảng 4 1 Độ chính xác đo GPS động (RTK) tại Cát Linh - Hà Đông, Âu Cơ 68

Bảng 4 2 Độ chính xác đo CORS (VRS) lưới Cát Linh-Hà Đông, Âu Cơ 69

Bảng 4 3 Số liệu thực nghiệm đo GPS (tọa độ địa tâm- XYZ) 74

Bảng 4 4 Tọa độ và độ cao các điểm thủy chuẩn hạng III Nhà nước và ĐCCS 75

Bảng 4 5 Số hiệu chỉnh độ cao GNSS về độ cao thủy chuẩn áp dụng trọng số, P=1 78

Bảng 4 6 Số hiệu chỉnh độ cao GNSS về độ cao thủy chuẩn áp dụng P=1/SS 79

Bảng 4 7 Độ chính xác đo GNSS (CORS) sau hiệu chỉnh 83

Bảng 4 8 Thông số chính của Phantom 3 Pro 90

Bảng 4 9 Tọa độ điểm lớp phủ thực vật DSM đo bằng công nghệ UAV 93

Bảng 4 10 Dữ liệu tọa độ DSM nhận được sau khi tiến hành làm trơn 94

Bảng 4 11 Tọa độ và độ cao điểm địa hình sau tách bỏ lớp phủ thực vật 96

Bảng 4 12 Độ chính xác xác định độ cao theo dữ liệu thực tế tại Lạng sơn 97

MỞ ĐẦU1.Tính cấp thiết của đề tài

Bản đồ địa hình tỷ lệ lớn biểu diễn đầy đủ và chính xác bề mặt đất trái và là tàiliệu quan trọng sử dụng trong nhiều lĩnh vực như giao thông, thủy lợi, khai tháckhoáng sản, xây dựng, quy hoạch Do đó, công tác thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớnluôn được nhiều tổ chức và cá nhân quan tâm nghiên cứu Bản đồ địa hình tỷ lệ lớnthường được sử dụng cho các mục đích thiết kế và triển khai các thiết kế ra thực địa.Ở Việt Nam bản đồ địa hình tỷ lệ lớn thường được thành lập bằng phương pháp đođạc trực tiếp Tuy nhiên, phương pháp này mất nhiều thời gian, công sức, chi phí caovà phụ thuộc vào điều kiện thời tiết và đôi khi không khả thi ở những khu vực khótiếp cận Đặc biệt, với những khu vực có địa hình khó khăn, phức tạp, sử dụng côngnghệ truyền thống có nguy cơ gây mất an toàn cho người lao động

Ngày nay, hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu GNSS (Global NavigationSatellite System) đã và đang trở thành một công nghệ quan trọng, được ứng dụngphổ biến trong nhiều lĩnh vực như hàng không, giao thông, hàng hải, quản lý tàinguyên, đặc biệt là khảo sát, thành lập bản đồ Việc ứng dụng GNSS trong khảo sátđịa hình đem lại độ chính xác cao và tiết kiệm thời gian, nhân lực và chi phí Nhiềunước trên thế giới đã có những chiến lược ứng dụng công nghệ GNSS và kế hoạchphát triển hệ thống các trạm tham chiếu liên tục CORS (Continuously OperatingReference Station) với những giải pháp mới, hướng tới việc mở rộng khai thác cácứng dụng của hệ thống đầy tiềm năng này Những vấn đề trước đây bị hạn chế thìhiện nay đã hoàn toàn giải quyết được (thời tiết, tầm che khuất, khoảng cách đườngcơ sở, xử lý dữ liệu mạng trạm CORS) Ở nước ta, từ đầu những năm 90 đã ứngdụng công nghệ GNSS vào công tác đo đạc, thành lập mạng lưới tọa độ trắc địa cơbản, lưới trắc địa biển và một số công việc khác

Những năm gần đây, công nghệ máy bay không người lái UAV (UnmannedAerial Vehicles) là một trong những giải pháp thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn đãđược phát triển với ưu điểm giá thành thấp, thu thập và xử lý dữ liệu nhanh, tiệndụng, độ chính xác cao (do độ phân giải của máy chụp ảnh cao và UAV bay ở độ

cao thấp) và an toàn hơn so với các phương pháp đo vẽ trực tiếp Ngoài ra, phươngpháp này có thể thực hiện trên nhiều loại địa hình khác nhau Bên cạnh đó, thiết bịUAV hoạt động ổn định trong nhiều điều kiện môi trường khác nhau, do đó dữ liệuthu thập được có độ chính xác và độ tin cậy cao Tuy nhiên, công nghệ UAV sẽkhông thể thực hiện được tại các khu vực địa hình có địa vật bị che khuất Vì vậy,trong trường hợp này cần phải sử dụng thêm thiết bị truyền thống như máy toàn đạcđiện tử (TĐĐT) là loại thiết bị có thể hoạt động tốt trong nhiều điều kiện, kể cảnhững khu vực có tín hiệu GNSS yếu hoặc không có tín hiệu, để bổ sung dữ liệu ởnhững vị trí bị che khuất.

Tại Việt Nam, số lượng các trạm CORS có mật độ chưa cao và tập trung chủyếu ở các khu vực đô thị, đồng bằng Vì vậy công nghệ GNSS/CORS khi ứng dụngtại khu vực miền núi, vùng biên giới, ven biển và hải đảo sẽ đạt hiệu quả không cao.Việc sử dụng công nghệ máy bay không người lái cho công tác đo đạc bản đồ đãđược tập trung nghiên cứu và đưa vào sử dụng rộng rãi trong thực tế sản xuất, tuy vậyphương pháp đo vẽ bản đồ địa hình tỷ lệ lớn từ dữ liệu ảnh trong trường hợp địa hìnhbị che khuất cũng chưa được giải quyết triệt để Bên cạnh đó, công nghệ LiDAR cóthể thực hiện được việc tách bỏ lớp phủ thực vật nhưng thiết bị và công nghệ có giáthành cao nên chưa thực hiện được đại trà đối với các đơn vị sản xuất

Để nâng cao độ chính xác kết quả đo đạc thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớntrong trường hợp địa hình có thực phủ, tín hiệu GNSS có chất lượng thấp và trongđiều kiện trang thiết bị sử dụng đại trà ở Việt Nam, cần phải có một nghiên cứu toàndiện cả về lý thuyết và thực tiễn nhằm chứng minh tính ưu việt khi kết hợp nhữngthiết bị như máy bay không người lái phổ thông, công nghệ GNSS/CORS và côngnghệ đo đạc truyền thống

Với những lý do trên, luận án nghiên cứu: “Ứng dụng công nghệ GPS động

và máy bay không người lái thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn trong điều kiệnViệt Nam” là cần thiết, có tính thời sự và thực tế cao.

2.Mục đích của luận án

Đề xuất giải pháp đồng bộ dữ liệu trong thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn

khi ứng dụng công nghệ GNSS/CORS kết hợp phương pháp sử dụng máy baykhông người lái (UAV).

Khắc phục nhược điểm của dữ liệu đo bằng công nghệ UAV trong trườnghợp địa hình, địa vật bị thảm thực vật che phủ

Xây dựng modul chương trình tự động xử lý dữ liệu mặt bằng và độ cao củađiểm địa hình trong công tác đo đạc hiện chỉnh bản đồ địa hình tỷ lệ lớn khi ứngdụng công nghệ mới kết hợp công nghệ truyền thống

3.Phương pháp nghiên cứu chính của luận án

Luận án sẽ được thực hiện trên cơ sở phương pháp tiếp cận quy nạp, theo đósẽ đi từ nghiên cứu lý luận và kết quả thực tiễn công nghệ để khái quát hoá và tạolập cơ sở khoa học và phương pháp luận ứng dụng công nghệ máy bay không ngườilái (UAV) và công nghệ GNSS/CORS trong thành lập bản đồ tỷ lệ lớn.

- Phân tích và tổng hợp dữ liệu: Nghiên cứu lý thuyết về nguyên lý hoạt độngcủa trạm CORS và máy bay không người lái UAV Nghiên cứu các yêu cầu kỹ thuậtcủa bản đồ tỷ lệ lớn trong điều kiện Việt Nam như phủ thực vật khu vực trung du vàmiền núi, khu vực thành phố có mật độ xây dựng lớn

- Phương pháp thống kê: Ứng dụng phương pháp và mô hình thống kê trongnội dung phân tích, xử lý, đánh giá độ chính xác từ các kết quả đo đạc thực địa;

- Phương pháp tin học: Nghiên cứu ngôn ngữ lập trình VB 6.0 để xây dựngmodul phần mềm tự động hiệu chỉnh các điểm địa hình dựa vào các điểm kiểm trađể nâng cao độ chính xác bản đồ địa hình tỷ lệ lớn

- Phương pháp thực nghiệm: Kết quả nghiên cứu lý thuyết và modul chươngtrình đã được xây dựng để thực nghiệm và kiểm chứng

4.Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Công nghệ máy bay không người lái (UAV) và công nghệ GNSS.- Bản đồ địa hình tỷ lệ lớn thành lập bằng công nghệ GNSS/CORS và UAV.- Đo đạc và tính toán thực nghiệm tại các hệ thống lưới khống chế mặt bằngvà độ cao khu vực Hà Nội, huyện Mù Cang Chải, khu vực thực tập trắc địa tại LạngSơn của Trường Đại học Mỏ - Địa chất

5.Nội dung nghiên cứu của luận án

1 Tổng quan về tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước.2 Đề xuất giải pháp nâng cao độ chính xác mặt bằng và độ cao điểm địahình khi sử dụng công nghệ GNSS và UAV để thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớnkhu vực có thực phủ

3 Đề xuất bài toán đồng bộ hóa dữ liệu UAV, GNSS/CORS, Toàn đạc điệntử và dữ liệu bản đồ hệ HN-72 với VN-2000 trong điều kiện Việt Nam

4 Xây dựng modul chương trình hiệu chỉnh mặt bằng và độ cao nhằm nângcao độ chính xác điểm địa hình trong thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn

6.Các luận điểm bảo vệ

Luận điểm 1: Hiệu chỉnh độ cao địa hình đo bằng công nghệ GNSS trên cơsở nội suy theo mô hình đa thức có tính tới trọng số, có độ tin cậy cao hơn trườnghợp không tính tới trọng số

Luận điểm 2: Các giải pháp xử lý số liệu GNSS/CORS kết hợp công nghệtruyền thống trong hệ toạ độ VN-2000 góp phần nâng cao độ chính xác mặt bằngphục vụ thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn đảm bảo yêu cầu kỹ thuật hiện hành

Luận điểm 3: Thuật toán đề xuất và modul phần mềm thành lập mô hình số địahình từ dữ liệu ảnh UAV khu vực địa hình phức tạp và có phủ thực vật, đạt độ chínhxác theo yêu cầu của quy phạm thành lập bản đồ số địa hình tỷ lệ lớn

7.Các điểm mới của luận án

1 Đồng bộ hoá dữ liệu GNSS/CORS và công nghệ truyền thống trong thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn

2 Xây dựng thuật toán và modul chương trình tự động ghép nối dữ liệu bản đồ khi đo bằng công nghệ GNSS/CORS kết hợp với toàn đạc điện tử

3 Xây dựng thuật toán và modul chương trình tự động hiệu chỉnh độ cao cácđiểm địa hình xác định từ ảnh UAV khu vực thực phủ

8.Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Ý nghĩa khoa học: Hệ thống các giải pháp khẳng định về lý thuyết cũng

như thực tiễn về việc ứng dụng và kết hợp các công nghệ tiên tiến hiện nay trong

thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn.

Ý nghĩa thực tiễn: Các nghiên cứu về lý thuyết, modul chương trình tạo

điều kiện thuận lợi cho thực tế sản xuất thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn khi kếthợp các kỹ thuật mới hiện nay, đảm bảo độ chính xác và hiệu quả kinh tế cao

9.Bố cục của luận án

Nội dung của luận án được trình bày trong bốn chương và phần mở đầu, kết luận:

Chương 1: Tổng quan về công nghệ GNSS và UAV ứng dụng trong thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn

Chương 2: Giải pháp nâng cao độ chính xác mặt bằng và độ cao ứng dụng công nghệ GNSS/CORS trong thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn

Chương 3: Thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn khu vực có thực phủ từ dữ liệu ảnh UAV

Chương 4: Tính toán thực nghiệm

10.Lời cảm ơn

Trong quá trình học tập và thực hiện luận án, NCS đã nhận được sự giúp đỡtận tình của thầy giáo hướng dẫn khoa học GS.TSKH Hoàng Ngọc Hà và TS.Dương Thành Trung, người thầy đã tận tình dạy bảo, định hướng cho NCS để hoànthành Luận án của mình

Trong quá trình học tập, NCS xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy, côthuộc khoa Trắc địa - Bản đồ và Quản lý đất đai, Phòng đào tạo sau đại học, Đảngủy và Ban giám hiệu Trường Đại học Mỏ -Địa chất đã tạo điều kiện thuận lợi, giúpđỡ NCS hoàn thành Luận án

NCS cũng trân trọng cảm ơn sự ủng hộ của bạn bè, đồng nghiệp và sự độngviên của gia đình đã tạo điều kiện để tập trung nghiên cứu và hoàn thành Luận ánnày

CHƯƠNG 1TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ GNSS VÀ UAV ỨNG DỤNG TRONG

THÀNH LẬP BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH TỶ LỆ LỚN1.1 Bản đồ địa hình

1.1.1 Bản đồ địa hình

Bản đồ là hình ảnh thu nhỏ mô tả khái quát một khu vực hoặc không gian cụthể Thông qua bản đồ, chúng ta có thể biểu thị thông tin địa lý, địa hình và vị trícủa các yếu tố khác nhau trên Trái Đất hoặc trong các khu vực khác Bản đồ có thểtồn tại dưới nhiều hình thức khác nhau, từ bản đồ giấy truyền thống đến bản đồ số.Bản đồ địa hình là loại bản đồ địa lý chung, trên đó thể hiện các thông tin về cácyếu tố tự nhiên và kinh tế - văn hoá - xã hội như địa hình, thủy văn, đường xá cầucống, địa giới hành chính, …

Cùng với sự phát triển của công nghệ tin học, bản đồ số đã xuất hiện và ngàynay đã trở nên phổ biến và tồn tại song hành cùng với bản đồ truyền thống Bản đồsố là một tập hợp các điểm, đường, vùng được sắp xếp có tổ chức và lưu trữ trêncác thiết bị như máy vi tính, bản đồ số có ưu điểm là khả năng phân tích các lớpthông tin và triết xuất thông tin nhanh chóng Bản đồ số có thể hiển thị dưới dạnghình ảnh trên các thiết bị điện tử hoặc in ra giấy sử dụng như bản đồ truyền thống

1.1.2 Độ chính xác bản đồ địa hình

Độ chính xác của bản đồ địa hình vừa mang ý nghĩa về kỹ thuật và cả kinh tếkhi phải đảm bảo đáp ứng được nhu cầu công việc với mức chi phí đầu tư đo vẽ hợplý Độ chính xác vị trí mặt bằng các điểm địa vật đặc trưng bởi sai số trung phươngvị trí của chúng so với điểm khống chế trắc địa gần nhất Theo quy định tại Thôngtư 68/2015/TT-BTNMT của Bộ Tài nguyên và Môi trường năm 2015, sai số nàykhông lớn quá 0,5 mm trên bản đồ đối với địa vật rõ nét và 0,7mm trên bản đồ đốivới địa vật không rõ nét

Độ cao của một điểm địa hình được nội suy từ độ cao các đường đồng mức.Các điểm này phải đảm bảo sai số trung phương không vượt quá 1/4 khoảng caođều đường đồng mức khi độ dốc địa hình dưới 2 độ; 1/3 khoảng cao đều khi độ dốcđịa hình từ 2 độ đến 6 độ và 1/2 khoảng cao đều khi độ dốc lớn hơn 6 độ

1.1.3 Yêu cầu kỹ thuật thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn

1.1.3.1 Sai số vị trí mặt bằng

Sai số điểm khống chế đo vẽ được quy định tính theo tỷ lệ bản đồ khôngvượt quá 0,2 mm Điểm địa vật rõ nét không vượt quá 0,5 mm, địa vật không rõ nétkhông vượt quá 0,7 mm so với điểm khống chế gần nhất Kết quả tính toán cho cácloại tỷ lệ bản đồ lớn cụ thể Bảng 1.1 [1], [2], [3]

Bảng 1 1 Kết quả tính toán yêu cầu về độ chính xác mặt bằng điểm địa vật

Tỷ lệ bảnđồ

Độ chính xác điểm khống chế cấp cuối cùng

Độ chính xác điểm đo chi tiếtĐịa vật rõ nét Địa vật không rõ nét

1.1.3.2 Sai số xác định độ cao điểm địa hình

Cũng theo Thông tư 68/2015/TT-BTNMT, mức độ thể hiện địa hình xácđịnh qua khoảng cao đều quy định trong trường hợp địa hình dốc và tỷ lệ bản đồ đovẽ theo Bảng 1.2 [2]

Bảng 1 2 Khoảng cao đều cơ bản đối với các loại bản đồ [2]

Độ dốc địa hình Khoảng cao đều cơ bản (m) đối với các tỷ lệ bản đồ

Vùng đồng bằng có độ dốcnhỏ hơn 2°

0,250,5

0,250,5

0,51,0

0,51,0Vùng đồi thấp có độ dốc từ 2°

0,51,0

1,02,5

1,02,5

5,0

5,0

Bảng 1 3 Sai số trung phương đo vẽ dáng đất đối với các tỷ lệ bản đồ[2]

1.2.1 Nguyên lý đo trong định vị vệ tinh GNSS

Hệ thống định vị vệ tinh GNSS đã trở thành một phần thiết yếu của xã hội hiện

đại và được ứng dụng rộng rãi trên toàn thế giới Thuật ngữ định vị được định nghĩalà ngành khoa học về việc đưa một phương tiện hoặc người từ nơi này đến nơi khác

[49] Công việc định vị hiện diện trong các công việc hàng ngày cũng như nhiều lĩnh

vực ứng dụng khác nhau, từ khảo sát trắc địa đến dẫn đường cho máy móc và phươngtiện nông nghiệp chính xác và nhiều lĩnh vực khác Trước năm 2000, chỉ có một hệthống định vị vệ tinh duy nhất hoạt động đầy đủ, đó là Hệ thống Định vị Toàn cầuGPS (Global Positioning System) được xây dựng bởi Hoa Kỳ Ngày nay, chúng ta cóbốn hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu, bao gồm GPS (Hoa Kỳ), GLONASS (Nga),Bắc Đẩu (BeiDou, Trung Quốc), Galileo (Liên minh Châu Âu), cũng như hai hệthống định vị vệ tinh khu vực là IRNSS/NavIC (Ấn Độ) và QZSS (Nhật Bản) Về cơbản các hệ thống kể trên có sự khác biệt, tuy nhiên, các nguyên tắc cơ bản của định vịvẫn không thay đổi

Hệ thống Định vị Vệ tinh Toàn cầu GNSS là khái niệm chung được sử dụngđể nhận diện các hệ thống cho phép định vị người dùng dựa trên tập hợp các vệ tinh.Các hệ thống này giúp xác định vị trí của điểm trong không gian thông qua cáckhoảng cách đo được giữa các vệ tinh và thiết bị thu Các khoảng cách này được tínhtoán bằng cách đo đạc khoảng thời gian lan truyền tín hiệu từ vệ tinh đến thiết bị thu.Thời gian lan truyền sóng sau đó được nhân với tốc độ lan truyền của tín hiệu, nghĩalà tốc độ ánh

𝑟sáng, để có được khoảng cách từ vệ tinh đến thiết bị thu Bằng cách đo thời gian lantruyền của tín hiệu phát sóng từ nhiều vệ tinh, người dùng có thể xác định được vị trí

của máy thu Quy trình này được gọi là giao hội cạnh trong không gian [43, 83]

Như đã trình bày ở trên, máy thu GNSS ước lượng khoảng thời gian 𝜏𝑠 cầnthiết để tín hiệu GNSS truyền từ ăng - ten vệ tinh (𝑠) đến ăng - ten thiết bị thu (𝑟) Vìtín hiệu di chuyển với tốc độ ánh sáng 𝑐, thời gian truyền tín hiệu có thể được chuyểnđổi thành khoảng cách thông qua công thức (1.1) như sau:

- Đoạn điều khiển bao gồm một mạng lưới các trạm điều khiển trung tâm, cáctrạm truyền tải dữ liệu và các trạm giám sát trên mặt đất Đoạn này chịu tráchnhiệm

cho việc giám sát và vận hành đoạn không gian, đồng thời bao gồm các mạng lướitheo dõi dân sự cung cấp cho người dùng các thông tin liên quan đến các trạm thamchiếu và cập nhật thông tin đạo hàng Ngoài ra, đoạn điều khiển còn có thể cung cấpcác số hiệu chỉnh vị trí cho đoạn người sử dụng.

- Đoạn người sử dụng bao gồm các thiết bị thu nhận tín hiệu từ các vệ tinh vàtính toán vị trí trong không gian ba chiều của người dùng Các thiết bị này rất đa dạngtừ điện thoại thông minh đến các thiết bị thu chuyên dụng được sử dụng cho các ứngdụng khảo sát và thành lập bản đồ

Hình 1 2 Cấu trúc hệ thống định vị vệ tinh GNSS.

1.2.3 Cấu trúc tín hiệu GNSS

Đối với hầu hết các hệ thống định vị vệ tinh, mô hình tín hiệu chung bao gồm

tín hiệu phổ lan truyền trực tiếp - tuần tự (Direct-Sequence Spread Spectrum - DS-SS)

[44], được truyền đồng bộ bởi tất cả các vệ tinh trong hệ thống Các hệ thống tín hiệuphổ thường được sử dụng trong lĩnh vực viễn thông vì chúng có khả năng chống lạicác cuộn sóng Trong hệ thống GNSS, phổ DS-SS cho phép lan truyền tín hiệu dạngCDMA (Code Division Multiple Access) Trong đó, tín hiệu của vệ tinh được liên kếtvới các mã khác nhau, bao gồm tín hiệu lan truyền từ vệ tinh và tín hiệu thu nhận bởimáy thu

1.2.3.1 Tín hiệu lan truyền từ vệ tinhTín hiệu GNSS lan truyền từ vệ tinh bao gồm ba thành phần chính, đó là mã

𝑐nhiễu giả ngẫu nhiên (Pseudo-Random Noise - PRN), thông tin đạo hàng và tín hiệusóng mang Tín hiệu được phát từ vệ tinh thứ 𝑖 được biểu diễn như sau:

1.2.3.2 Tín hiệu tại máy thuKhi được truyền từ vệ tinh, tín hiệu GNSS được lan truyền qua một kênh bằngcách thay đổi biên độ, pha, tần số và độ trễ Trong đó, tín hiệu lan truyền bị ảnhhưởng bởi nhiều nguồn sai số do lan truyền tín hiệu trong khí quyển, ảnh hưởng củahiệu ứng thuyết tương đối và hiện tượng đa đường dẫn [49] Trong đó, có ảnh hưởngcủa hiệu ứng Doppler - tên gọi được đặt theo nhà phát minh C Doppler, người đãphát hiện ra hiệu ứng Doppler vào giữa thế kỷ 19 Hiệu ứng Doppler là do chuyểnđộng tương đối của tín hiệu giữa máy phát và máy thu, gây ra sự dịch chuyển về tầnsố trong tín hiệu nhận so với tín hiệu truyền

Thông tin tín hiệu Doppler có nhiều ứng dụng rộng rãi trong xử lý tín hiệu sốvà truyền thông Trong các ứng dụng GNSS, tín hiệu Doppler được sử dụng để phânbiệt các tín hiệu từ các vệ tinh GNSS khác nhau, từ đó đánh giá độ chính xác của trịđo tốc độ lan truyền tín hiệu GNSS để giám sát tính toàn vẹn của tín hiệu và pháthiện tín hiệu GNSS giả mạo Tuy nhiên, ứng dụng quan trọng nhất của nó là để xácđịnh vectơ tốc độ của người dùng thông qua tần số sóng mang nhận được

1.2.4 Các nguồn sai số trong định vị GNSS

Tín hiệu GNSS có công suất rất thấp, do đó dễ bị ảnh hưởng bởi nhiều nguồnnhiễu và sai số khác nhau Khoảng cách đo được bởi máy thu GNSS bị ảnh hưởng bởi

các nguồn nhiễu và sai số, do đó nó được gọi là khoảng cách giả Phương trình trị đo

khoảng cách tổng quát được biểu diễn như sau:

𝑟𝑃𝑠 = 𝜌𝑠 + c(𝑑𝑡 − 𝑑𝑇𝑠) + 𝐼𝑠 + 𝑇𝑠 + 𝜀𝑠,

(ionosphere), 𝑇𝑠 là độ trễ tín hiệu do ảnh hưởng của tầng đối lưu (troposphere), 𝜀𝑠

là

ảnh hưởng kết hợp của các nguồn sai số đa đường và nhiễu của máy thu

Trong phần này, các nguồn sai số GNSS sẽ được phân loại dựa trên bản chấtcủa các nguồn sai số đó, bao gồm sai số liên quan đến đồng hồ (vệ tinh và máy thu),sai số trong quá trình truyền tín hiệu (liên quan tới khí quyển, sai số đa đường dẫn vàảnh hưởng của chuyển động tương đối giữa vệ tinh và máy thu)

1.2.4.1.Sai số liên quan tới đồng hồMáy thu tạo ra các trị đo chủ yếu dựa trên việc đo thời gian [34] Vì vậy, thờigian là yếu tố trung tâm của các hệ thống định vị GNSS Các vệ tinh GNSS đượctrang bị các đồng hồ rất chính xác và do đó rất đắt tiền Mặc dù vậy, các đồng hồ vệtinh vẫn có độ sai lệch nhỏ so với hệ thống thời gian GNSS Vì lý do giá cả và kíchthước, đồng hồ của máy thu thường rẻ hơn nhiều; do đó, chúng bị sai lệch một lượnglớn so với hệ thống thời gian GNSS Sự sai lệch này dẫn đến sai số lớn trong các trịđo khoảng cách giả Do đó, việc hiệu chỉnh cho các sai số về thời gian trong tín hiệuGNSS là rất quan trọng

Sai số liên quan tới đồng hồ sẽ bao gồm Sai số đồng hồ vệ tinh, Sai số đồng hồmáy thu và sai lệch đồng hồ giữa các hệ thống định vị GNSS Các máy thu GNSSđược trang bị đồng hồ tinh thể rẻ tiền, có độ chính xác thấp hơn nhiều so với đồng hồvệ tinh Kết quả là sai số đồng hồ của máy thu lớn hơn nhiều so với sai số đồng hồ vệtinh

1.2.4.2.Sai số lan truyền tín hiệuTrong quá trình lan truyền tín hiệu từ vệ tinh tới máy thu, Trái Đất quay dẫnđến sự dịch chuyển tương đối giữa vị trí vệ tinh và máy thu vào thời điểm phát vàthời điểm thu tín hiệu Khoảng cách tương đối này được gọi là hiệu ứng Sagnac, sẽgây ra sai số trong khoảng cách đo được Ngoài ra, tín hiệu GNSS đi qua một quãngđường dài trong không gian giữa vệ tinh và bộ thu Phần đầu và dài nhất của hànhtrình tín hiệu

GNSS là đi qua không gian, nơi tín hiệu giữ nguyên các đặc tính ban đầu của nó vàquan trọng nhất là tốc độ không đổi Tuy nhiên, ở độ cao thấp hơn, tín hiệu sẽ gặpphải các sự thay đổi, ví dụ như tác động của tầng điện ly (ionosphere) và tầng đối lưu(troposphere) Thêm vào đó, trong phần cuối của đường đi tín hiệu GNSS đến trựctiếp tại máy thu hoặc thông qua phản xạ một lần hoặc nhiều lần từ các đối tượng xungquanh, được gọi là hiệu ứng đa đường dẫn Hiện tượng này có thể làm giảm đáng kểchất lượng tín hiệu và do đó độ chính xác của khoảng cách đo được Như vậy sai sốlan truyền tín hiệu là do ảnh hưởng của hiệu ứng Sagnac, ảnh hưởng của tầng điện ly,tầng đối lưu và hiện tượng đa đường dẫn.

1.2.4.3.Các nguồn sai số hệ thốngCác nguồn sai số hệ thống baogồm:

Sai số quỹ đạo vệ tinh: Máy thu tính toán vị trí vệ tinh dựa trên thông tin đạohàng liên quan tới lịch vệ tinh ephemeris Các thông số lịch vệ tinh này được tínhtoán bởi đoạn điều khiển và sau đó được tải lên vệ tinh Các vệ tinh phát dữ liệuephemeris xuống máy thu và được cập nhật sau mỗi 2 giờ Sau đó các thông số nàyđược tính toán chi tiết hơn bằng cách nội suy quỹ đạo vệ tinh, do đó gây ra sai số sovới quỹ đạo thực tế [64]

Nhiễu máy thu: Nhiễu máy thu là nguồn sai số phức tạp phát sinh tại máy thutrong quá trình thu tín hiệu vệ tinh, bao gồm nhiều loại nhiễu khác nhau, ví dụ bức xạsóng ngắn thu nhận bởi anten nhưng không liên quan đến tín hiệu GNSS, các nhiễugây ra bởi các thành phần khác nhau của hệ thống máy thu như anten, cáp, bộ khuếchđại và nhiễu lượng tử hóa tín hiệu [77] Nhiễu của máy thu được xem như là nhiễutrắng, do đó không thể loại trừ hoàn toàn Tuy nhiên, với công nghệ của các máy thuhiện đại, nguồn sai số này có thể được giảm xuống còn khoảng 0.1–1% chu kỳ trongpha sóng tải và tương ứng với một vài cm trong các trị đo khoảng cách giả

1.2.4.4.Các nguồn sai số cố ýCác nguồn sai số cố ý bao gồm: Nhiễu cố ý, tín hiệu nhiễu giao thoa cố ý vàtín hiệu giả Trong đó nhiễu cố ý (Selective Availability) là nguồn nhiễu chỉ tồn tạitrong hệ thống định vị GPS của Mỹ, là việc làm giảm chất lượng tín hiệu GPS mộtcách cố ý

do chính phủ Mỹ thực hiện vì lý do an ninh quốc gia Số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinhtrong thông tin đạo hàng được phát đi đã bị cố ý làm suy giảm độ chính xác với cácứng dụng dân sự xuống mức đạt độ chính xác tầm 100 m cho vị trí mặt bằng [44].

Tín hiệu nhiễu giao thoa cố ý là một nguồn sai số đáng kể trong tín hiệu GNSStrong nhiều trường hợp Tín hiệu nhiễu giao thoa cố ý gây ra do việc phát sóng các tínhiệu độc hại ở dải tần số radio nhằm ngăn chặn các máy thu GNSS trong khu vựctheo dõi tín hiệu GNSS [49] Các hệ quả trực tiếp của nguồn nhiễu này là làm dịchchuyển tần số tín hiệu và giảm công suất tín hiệu Những tác động này có thể gây racác sai số nghiêm trọng trong quá trình tính toán vị trí, vận tốc và thời gian, thậm chícó thể làm đóng băng hoàn toàn bộ thu, dẫn đến việc từ chối dịch vụ

Tín hiệu GNSS giả là việc tạo ra một tín hiệu GNSS giả mạo giống như tínhiệu thật thu nhận ở bộ thu GNSS Tín hiệu giả nguy hiểm hơn so với nhiễu giao thoacố ý vì nó không dễ dàng bị phát hiện Bộ thu có thể bị lừa gạt bởi tín hiệu giả mạo,làm ảnh hưởng đến lời giải định vị Hơn nữa, việc sử dụng các kỹ thuật tương quanđể phát hiện tín hiệu giả là việc làm không khả thi vì tín hiệu nhận được có tươngquan thống kê với tín hiệu GNSS thật, khác với trường hợp nhiễu giao thoa cố ý [45]

1.2.4.5 Hệ số phân tản độ chính xácMột tham số đặc trưng cho độ chính xác vị trí đo đạc bằng GNSS đó là hệ sốphân tán độ chính xác DOP (Dilution of Precision) Hệ số này phụ thuộc vào đồ hìnhhình học của các vệ tinh nhìn thấy, với đồ hình hình học càng vững thì giá trị DOPcàng nhỏ, do đó, lời giải vị trí có độ tin cậy hơn Hệ số DOP được sử dụng để lựachọn các vệ tinh được sử dụng trong quá trình tính toán vị trí Một máy thu lý tưởngsẽ chỉ chọn tập hợp các vệ tinh có hệ số DOP tối thiểu [47] DOP là hệ số không cóđơn vị và việc tính toán giá trị của hệ số DOP chỉ yêu cầu phải biết vị trí của máy thuvà các vệ tinh, mà không yêu cầu có trị đo khoảng cách [47] Do đó, DOP có thể đượctính toán trước để lập kế hoạch cho việc đo đạc tín hiệu GNSS

Hệ số phân tản độ chính xác DOP hoặc hệ số phân tản độ chính xác hình học(Geometric DOP - GDOP) là thuật ngữ chung để mô tả đồ hình hình học của các vệtinh trong không gian ba chiều Hệ số này sau đó còn được chia thành nhiều loại hệ số

khác nhau, bao gồm độ phân tản độ chính xác mặt bằng (Horizontal DOP - HDOP),độ phân tản độ chính xác độ cao (Vertical DOP - VDOP) và độ phân tản độ chính xácvị trí (Position DOP - PDOP) Độ chính xác của lời giải vị trí thu được từ hệ thốngGPS được biểu thị như là tích của sai số khoảng cách giả EURE (User EquivalentRange Error) và hệ số đồ hình hình học vệ tinh DOP [49] Ví dụ, sai số khoảng cáchgiả 9 m với hệ số HDOP là 1.4 gây ra sai số mặt bằng 12.6 m.

Bảng 1 4 Quan hệ giữa PDOP và chất lượng tọa độ điểm quan sát

Ở Việt Nam Dự án “Xây dựng mạng lưới trạm định vị toàn cầu bằng vệ tinhtrên lãnh thổ Việt Nam” được xây dựng với 65 trạm CORS Trong đó, trạm xử lý,điều khiển trung tâm được đặt tại Hà Nội có chức năng quản lý, giám sát, thu nhận,xử lý và cấp phát số liệu từ các trạm trên

Vị trí địa lý của các trạm CORS trên lãnh thổ Việt nam, Ban hành kèm theo

Thông tư số 03/2020/TT-BTNMT ngày 29 tháng 5 năm 2020 của Bộ trưởng Bộ Tài nguyên và Môi trường, phân bố cụ thể trên Hình 1.3 [13].

Hình 1 3 Số lượng trạm CORS trên lãnh thổ Việt Nam

Việc xây dựng hệ thống trạm định vị vệ tinh sẽ làm thay đổi một cách cơ bảnhệ thống hạ tầng cơ sở về đo đạc và bản đồ của Việt Nam Việc thu nhận số liệu,cấp phát số liệu cho đo lưới khống chế trắc địa, cung ứng dịch vụ cho đo đạc chi tiết

bản đồ trên phạm vi rộng bằng công nghệ định vị vệ tinh theo phương thức mới sẽhướng công nghệ đo đạc và bản đồ theo hướng hiện đại, phù hợp với sự phát triểncủa công nghệ thông tin, kỹ thuật truyền dẫn số liệu cũng như những bước tiến mớicủa các hệ thống định vị toàn cầu bằng vệ tinh trên thế giới.

Phương pháp trạm tham chiếu ảo VRS (Virtual Reference Station) đã được đềxuất và áp dụng nhằm nâng cao độ chính xác và khoảng cách từ trạm cơ sở đến trạmđo đạc trong đo GNSS động xử lý tức thời RTK Trong phương pháp này, các trạmtham chiếu thường trực CORS (Continuously Operating Reference Station) được kếtnối với nhau tạo thành một mạng lưới và khi đó máy chủ đồng thời thu nhận dữ liệutừ các trạm CORS thực để tính toán, tạo ra một trạm tham chiếu ảo gần với trạm đođạc nhất nhằm khắc phục sự suy giảm độ chính xác và thời gian giải số nguyên đa trịdo ảnh hưởng của khoảng cách từ trạm cơ sở đến trạm đo đạc

1.3 Công nghệ bay chụp UAV trong thành lập bản đồ địa hình

1.3.1 Khái niệm

Máy bay không người lái UAV “Unmanned Aerial Vehicle” là thiết bị bay màkhông có người điều khiển ở trên máy bay, quá trình vận hành được thực hiện thôngqua điều khiển từ xa Các máy bay bay ở độ cao thấp, khoảng cách bay không xathường được điều khiển bằng sóng radio, đối với các loại máy bay UAV tầm xa đượcđiều khiển thông qua các vệ tinh trung gian

Trong thập kỷ vừa qua, thế giới đã chứng kiến sự phát triển mạnh mẽ của cáckỹ thuật chụp ảnh hàng không, với việc thu nhận ảnh được thực hiện từ các máy ảnhgắn trên UAV [41] Mặc dù vẫn tồn tại nhược điểm đó là thời gian xử lý ảnh lớnnhưng UAV đã trở thành một sự thay thế hợp lý cho công nghệ đắt đỏ như LiDAR[66, 70] Gần đây, UAV đã được ứng dụng khá phổ biến trong lĩnh vực đo đạc thànhlập bản đồ địa hình

1.3.2 Phân loại UAV

Việc phân loại UAV được thực hiện dựa trên nhiều tiêu chí khác nhau nhưkích cỡ, phương pháp vận hành, phạm vi hoạt động và đặc điểm cấu tạo Tuy nhiên,trong lĩnh vực Trắc địa - Bản đồ, đa số sử dụng các loại máy bay nhỏ, tầm bay thấp.Đối với

máy bay này phân loại dựa vào nguyên lý cất, hạ cánh của chúng và gần đây UAV đãđược nghiên cứu tích hợp định vị GNSS động để nâng cao độ chính xác định vị tâmảnh Do vậy, ngoài việc phân loại theo nguyên lý cất, hạ cánh thì UAV có thể đượcchia thành hai loại theo phương pháp định vị tâm chụp.

a) Phân loại UAV theo nguyên lý cất hạ cánh

UAV được chia làm ba loại: dùng bệ phóng, lên thẳng và kết hợp (Hình 1.4).Đặc điểm của từng loại được mô tả trong Bảng 1.5 Trong điều kiện thực tế hiện naytại Việt Nam, việc đo đạc chủ yếu được thực hiện bằng máy bay cánh quạt cất cánhthẳng đứng do giá thành hợp lý, vận hành đơn giản Máy bay có thể hoạt động trongkhông gian nhỏ hẹp mà vẫn đảm bảo an toàn Tuy nhiên loại này bị hạn chế về thờigian bay do giới hạn về dung lượng pin

Hình 1 4 Một số loại UAV: a UAV dùng bệ phóng; b UAV lên thẳng; c Kết

hợp Bảng 1 5 So sánh giữa ba loại UAV

Cách thứccất cánh/ hạ cánh

Dài (70÷90 phút)Diện tích bay

Độ phân giảimặt đất

Có thể đạt1.5 cm/pixel

Có thể đạt0.1 cm/pixcel

Có thể đạt1.5 cm/pixel

Cách thứccất cánh/

Cao (40÷90 km/h)Công việc Thành lập bản đồ

khu vực rộng

Thành lập bản đồ khu

vực nhỏ

Thành lập bản đồ khu vực rộng

Ứng dụng

Khảo sát, nôngnghiệp, GIS, môi trường, xây dựng

Quay phim, chụp ảnh, khảo sát, xây dựng

Khảo sát, nôngnghiệp, GIS, môi trường, xây dựng

b) Phân loại theo phương pháp định vị tâm ảnh

UAV không có RTK: đây là các UAV sử dụng thiết bị thu GNSS một tần số(single-frequency) cho mục đích dẫn đường (navigation), thiết bị GNSS cung cấp tọađộ tâm ảnh theo phương pháp định vị tuyệt đối, các thông số này được lưu trong fileEXIF metadata được tạo ra trong quá trình bay chụp Do tọa độ tâm chụp được đotrong hệ tọa độ GNSS (hệ tọa độ quốc tế WGS84) và độ chính xác định vị tâm ảnh làvài mét nên khi sử dụng các loại máy bay này cần có một số lượng điểm khống chếảnh mặt đất nhất định để đưa các ảnh về đúng vị trí trong hệ tọa độ địa phương, đồngthời hiệu chỉnh các sai số để có được các mô hình DSM và ảnh trực giao đạt độ chínhxác theo yêu cầu

UAV/RTK: ngoài các tính năng như UAV không có RTK, UAV/RTK đượctích hợp thêm 01 thiết bị đo GNSS đa tần (Hình 1.5) Thiết bị thu GNSS đa tần có thểthu tín hiệu từ nhiều hệ thống khác nhau như GPS, GLONASS, Galieo và Compass.Khi tích hợp GNSS lên máy bay các hãng sản xuất đã đưa ra các giải pháp nhằmđồng bộ giữa thời gian chụp ảnh của máy bay, thời gian GNSS định vị tâm ảnh đểcho phép xác định tâm ảnh với độ chính xác đến cm

(a)(b)Hình 1 5 UAV thường (a) và UAV có tích hợp GNSS động (b)

1.3.3 Yêu cầu về độ phân giải ảnh chụp trong lập bản đồ

Để đạt được độ chính xác theo yêu cầu thành lập bản đồ theo Quy phạm, khibay chụp UAV cần tính toán các thông số bay chụp để đạt được độ phân giải khônggian của ảnh phù hợp Về yêu cầu độ phân giải mặt đất của ảnh chụp từ thiết bị baykhông người lái, theo kinh nghiệm của K Jacobsen, độ phân giải mặt đất (GSD) đượcxác định trong khoảng từ 0.05 mm đến 0.1 mm so với tỷ lệ bản đồ cần thành lập, đểđảm bảo đồng thời yếu tố kỹ thuật và kinh tế, độ phân giải mặt đất có kích thướcpixel không vượt quá: 0.1 mm x Mbd (Mbd là mẫu số tỷ lệ bản đồ) [46] Trong mộtnghiên cứu khác của tác giả Jing He và đồng nghiệp, độ phân giải ảnh được xác địnhnhư sau:

Bảng 1 6 Độ phân giải ảnh cần thiết tương ứng với tỷ lệ bản đồ [42]

Độ chính xác mô hình số bề mặt được đánh giá qua các điểm mốc khống chế ảnh mặtđất Các điểm này có thể được coi là các điểm khống chế đo vẽ khi đo bằng phươngpháp toàn đạc sử dụng máy toàn đạc điện tử Do vậy, độ chính xác của các điểm nàycần cao hơn 1 cấp Với sai số vị trí mặt bằng của điểm yếu nhất trên bản đồ địa hìnhcần đạt được là 0,2xMbđ và độ cao 1/3 khoảng cao đều (địa hình mỏ độ dốc 6o ÷15o),vậy sai số mặt bằng tại các điểm khống chế ảnh cần đạt được là 0.1xMbđ và độ cao là1/4 khoảng cao đều [18].

- Đối với tỷ lệ 1:500 cần thực hiện bay chụp UAV để thu nhận ảnh ở phân giảimặt đất ≤ 5 cm; tương tự đối với tỷ lệ 1:1000 và 1:2000 cần thực hiện bay chụp UAVđể thu nhận ảnh ở phân giải mặt đất tại điểm yếu nhất trên bản đồ lần lượt ≤ 10 cm và≤ 20 cm

- Yêu cầu đo vẽ bản đồ địa hình tỷ lệ 1:500, sai số vị trí điểm mặt phẳng chođiểm khống chế ảnh cần đạt là 0.1 mm x 500 = 5 cm; lấy GSD = Mxy/2 = 2.5 cm;mặt khác yêu cầu thành lập khoảng cao đều là 0.5 m, với sai số độ cao cho điểmkhống chế là MH = 1/4 x 0.5 m = 12.5 cm, thì ước tính GSD = MH/3 = 12.5/3 = 4.2cm; Vậy với tỷ lệ 1:500 cần đạt được độ phân giải ảnh mặt đất GSD = 2.5 cm Tươngtự như vậy, với tỷ lệ bản đồ 1:1000 và 1:2000 thì độ phân giải ảnh mặt đất của ảnhcần đạt được lần lượt là GSD = 5 cm và 10 cm

- Để đạt được độ phân giải nêu trên, chiều cao bay chụp cần phải nhỏ hơnchiều cao bay chụp mà độ phân giải ảnh mặt đất cần phải đạt được Độ cao bay chụpđược tính theo công thức:

- Với máy bay giá thành thấp và máy ảnh thông thường với máy ảnh có độphân giải 20 mb/pixel, độ dài tiêu cự máy ảnh FL bằng 2.4 mm, độ rộng ảnh imWbằng 4864, độ rộng sensor SSw bằng 3.20 mm, tính được chiều cao bay chụpkhoảng 91.2

m Như vậy, đối với máy bay có máy ảnh cùng thông số kỹ thuật, để đạt được độchính xác thành lập bản đồ tỷ lệ 1:500, 1:1000 và 1:2000 thì chiều cao bay chụp cầnthỏa mãn ≤ 100 m, 200 m và 350 m

Hình 1 6 Chiều cao bay chụp 100 m và GSD đạt được thiết kế trên phần mềm DJI Pilot

1.4 Tổng quan về tích hợp công nghệ UAV, GNSS/CORS và toàn đạc điện tửtrong thành lập bản đồ địa hình

1.4.1 Tổng quan các nghiên cứu trên thế giới

Trong những năm gần đây, máy bay không người lái UAV (Unmanned AerialVehicle) đang nổi lên như một công nghệ có khả năng cung cấp thông tin với độ phângiải không gian cũng như thời gian cao và chi phí thấp Thiết bị bay không người láilà nguồn dữ liệu có giá trị cho các vấn đề kiểm tra, giám sát, lập bản đồ, lập mô hình3D và có thể được coi là giải pháp thay thế chi phí thấp cho phương pháp chụp ảnhhàng không có người lái truyền thống [60] Trên thế giới, nhiều nhà khoa học đãnghiên cứu để đưa ra cái nhìn tổng quan về ứng dụng của công nghệ này trong côngtác khảo sát, thành lập bản đồ Trong [63], các tác giả đã nghiên cứu một cách có hệthống về tổng quan các tài liệu trong ứng dụng máy bay không người lái UAV phụcvụ thành lập bản đồ địa hình Những kinh nghiệm trong việc vận hành hệ thống UAVnhằm mục đích lập bản đồ đã được trình bày trong nghiên cứu [56], trong đó, các tácgiả đã giới thiệu chi tiết về phương tiện bay không người lái, các thành phần tổng thểcủa hệ thống như lái tự động, trạm mặt đất, lập kế hoạch và kiểm soát nhiệm vụ baycũng như quá trình xử lý ảnh Kết quả thu được đã chứng minh rằng UAV có khảnăng thành lập bản đồ với độ chính xác đáng tin cậy

Trong [63], các tác giả đã đưa ra cái nhìn tổng quan về UAV và cấu trúc xácđịnh từ chuyển động (Structure from Motion - SfM), thảo luận các yếu tố chính ảnhhưởng đến độ chính xác và trình bày tổng hợp các nghiên cứu công bố có liên quangần đây, từ đó chứng minh tính chính xác và hạn chế của phương pháp khảo sát địahình và

lập bản đồ dựa trên UAV và SfM Trong [68], các tác giả đã chỉ ra tiềm năng của việcsử dụng thiết bị UAV để cung cấp dữ liệu phục vụ công tác xây dựng bản đồ kỹ thuậtsố Nghiên cứu [60] đưa ra cái nhìn tổng quan về các loại UAV được sử dụng phổbiến trong lĩnh vực địa tin học đồng thời giới thiệu quy trình thu thập và xử lý dữ liệuđể thành lập bản đồ 3D Nghiên cứu [48] thực hiện khảo sát đánh giá về yêu cầu kỹthuật, các ứng dụng và khó khăn khi lập bản đồ 3D bằng thiết bị không người láiUAV Cũng liên quan đến việc đánh giá ứng dụng của UAV trong thành lập bản đồ,nghiên cứu

[37] đã tiến hành phân tích các ưu, nhược điểm và đề xuất xu hướng phát triển trongtương lai của phương pháp này Kết quả thu được chỉ ra rằng công nghệ UAV giúpcải thiện đáng kể hiệu quả và an toàn của hoạt động khảo sát trong kỹ thuật khảo sátvà lập bản đồ, đảm bảo độ chính xác của việc thu thập dữ liệu, đặc biệt trong điềukiện địa hình phức tạp

Bên cạnh đó, các hệ thống UAV giá rẻ đã được thừa nhận là một công nghệphù hợp để thu thập dữ liệu không gian địa lý Tuy nhiên, vẫn còn thiếu những yếu tốcần thiết để nó trở thành một công cụ lập bản đồ đáp ứng được yêu cầu trong nhiềulĩnh vực khác nhau Do đó, trong [52] các tác giả đã phân tích các khó khăn thườnggặp trong khi sử dụng hệ thống UAV giá rẻ để lập bản đồ và giới thiệu các giải phápđể giải quyết những vướng mắc này để tạo ra bản đồ có độ chính xác cao Tương tựnhư vậy, nghiên cứu [80] đã khẳng định công nghệ UAV đóng vai trò quan trọngtrong công tác khảo sát địa hình, xử lý dữ liệu một cách hiệu quả, từ đó nâng cao độchính xác tổng thể Việc sử dụng công nghệ UAV và GNSS cũng được đánh giá làphương pháp đem lại hiệu quả trong việc lập bản đồ khu vực khai thác khoáng sảnnhờ tận dụng ưu thế của cả hai phương pháp Trong [61], các tác giả đã cung cấp mộtđánh giá toàn diện nhằm mở rộng kiến thức và nhận biết các ứng dụng của UAVtrong khảo sát và lập bản đồ tại các khu vực mỏ

Ngoài ra, sự phổ biến và ngày càng hiện đại của các thiết bị bay không ngườilái UAV cùng với sự cải thiện về độ phân giải không gian ngày càng cao, cũng nhưtính linh hoạt của thiết bị, trong những năm gần đây đã mở ra nhiều cơ hội mới choviệc lập các bản đồ chuyên đề Theo [36], UAV được đánh giá như một hệ thốngthu thập dữ liệu nhanh chóng, chi phí thấp và linh hoạt, có tính khả thi cao để ứng

dụng trong lập bản đồ địa chính phục vụ việc xác định ranh giới tài sản Các tác giảđã thực hiện đánh giá tổng quan về việc triển khai các phương pháp phù hợp nhấttrong quy trình lập bản đồ địa chính dựa trên UAV và thảo luận về ưu điểm vànhược điểm của từng phương pháp.

Theo [54], hệ thống UAV LiDAR (Light Detection and Ranging) có lợi thếrõ ràng về phạm vi bao phủ mặt đất rộng và đồng đều trên các môi trường địa mạokhác nhau, cùng với mật độ điểm cao hơn và khả năng xuyên qua thảm thực vật đểxác định các điểm bên dưới tán cây Do đó, các tác giả đã sử dụng công nghệ này đểlập bản đồ môi trường ven biển phục vụ mục đích theo dõi sự thay đổi đường bờtrên hai bãi biển cát đang bị xói mòn Ngoài ra, thiết bị UAV đang ngày càng trởnên phổ biến ở lĩnh vực nghiên cứu địa chất, địa mạo Trong [40], các tác giả đã sửdụng ảnh UAV để thành lập bản đồ địa mạo ở Iceland và nghiên cứu [78] đã trìnhbày một nghiên cứu điển hình về lập bản đồ cấu trúc địa chất của khu vực ven biểnđược thực hiện bằng hai loại UAV với cánh cố định và hexacopter Trong [67], cáctác giả đã tiến hành kiểm tra khả năng ứng dụng của máy bay không người lái đacảm biến để lập bản đồ và giám sát các loại tai biến địa chất khác nhau Dữ liệu thuđược cho phép lập bản đồ các khu vực sạt lở đất ở nước Ý với độ chính xác cao

Với mục đích nghiên cứu quá trình trượt lở đất, trong [57] các tác giả đã sửdụng UAV để chụp ảnh khu vực nghiên cứu ở Parit, Perak, Malaysia, đồng thờiphương pháp định vị vệ tinh GNSS động thời gian thực (Real-time Kinematic -RTK) cũng được sử dụng để xác định vị trí các điểm khống chế Kết quả thu đượccho thấy các mô hình số độ cao, mô hình độ dốc, ảnh trực giao, bản đồ có thể thuđược bằng quy trình và phương pháp kết hợp UAV và GNSS với độ chính xác đápứng yêu cầu Trong nghiên cứu [81], các tác giả đã chỉ ra rằng việc sử dụng UAVđược đánh giá là hiệu quả với chi phí thấp, tốn ít thời gian, dễ vận hành và có thểthu thập được lượng dữ liệu lớn trong khoảng thời gian ngắn để lập bản đồ Do đó,bằng cách sử dụng thiết bị bay không người lái và phần mềm thương mại, các thôngtin quan trọng của sườn dốc bao gồm chu vi, diện tích và thể tích sẽ được xác địnhtrên bản đồ độ dốc

Bản đồ 3D thành lập dựa trên ảnh UAV và công nghệ GNSS cũng được nhiều

nhà khoa học công bố trong các nghiên cứu Có thể kể đến nghiên cứu [59] sử dụngthiết bị UAV giá rẻ để lập bản đồ với độ chính xác tổng thể thu được là 20 cm;Nghiên cứu [69] tiến hành xây dựng bản đồ bằng ảnh UAV phục vụ việc xác địnhkhối lượng đào đắp trên các công trình xây dựng; Nghiên cứu [65] xác định vùng bờbiển và lập bản đồ ven biển 3D bằng dữ liệu không gian UAV Ngoài ra, bằng cáchtích hợp máy quét laser nhỏ đa cảm biến, thiết bị đo quán tính INS (Inertial NavigationSystem) và hệ thống GNSS cùng với thiết bị UAV, bản đồ 3D được thành lập phục vụcác nghiên cứu về thảm họa thiên nhiên như sạt lở đất hoặc trong các ứng dụng nhưgiám sát, quản lý hệ thống dòng chảy [58].

Nghiên cứu [39] đã triển khai hệ thống UAV LiDAR chi phí thấp, bao gồm cảhệ thống phần cứng và hệ thống phần mềm, để thu thập và xử lý dữ liệu để lập bản đồmôi trường sống 3D trong ba hệ sinh thái rừng trên khắp Trung Quốc phục vụ chonghiên cứu đa dạng sinh học Một nghiên cứu khác, Tong và cộng sự đã tích hợpphương pháp chụp ảnh dựa trên UAV và quét laser trên mặt đất (Terrestrial LaserScanner - TLS) để lập bản đồ ba chiều và giám sát các khu vực mỏ lộ thiên bao gồmlập kế hoạch bay, thu thập hình ảnh, xử lý hình ảnh, đám mây điểm TLS và tích hợphình ảnh UAV và phân loại lớp phủ mặt đất [76]

Ngoài việc thành lập bản đồ chuyên đề, công nghệ UAV và GNSS còn đượcứng dụng để xây dựng bản đồ địa hình Theo [82], hệ thống UAV giúp thu đượchình ảnh quang học và kỹ thuật số có độ phân giải cao một cách nhanh chóng vàlinh hoạt và bằng cách kết hợp sử dụng phần mềm xử lý ảnh tự động có thể hỗ trợđể lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn Tiềm năng của việc sử dụng UAV để tạo, cập nhậtbản đồ địa hình và quy trình thực hiện được giới thiệu trong nghiên cứu [50] cùngthực nghiệm được tiến hành ở Rwanda với ảnh UAV được thu thập bằng máy baybốn cánh DJI Phantom 2 Vision Plus, 6 điểm khống chế mặt đất và 7 điểm kiểm trađược xác định bằng GNSS RTK với độ chính xác xấp xỉ 2 cm Nghiên cứu [74] môtả quá trình xử lý dữ liệu UAV để thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn, tuy nhiên, đểđảm bảo độ chính xác cần thiết về độ cao, việc xử lý ảnh phải được hỗ trợ bởi dữliệu của các điểm khống chế ảnh Do đó, 8 điểm khống chế được xác định bằng

phương pháp đo GNSS tĩnh và 31 điểm được chọn là điểm kiểm tra độc lập để phụcvụ mục đích đánh giá độ chính xác độ cao trong nghiên cứu này.

Cũng liên quan đến việc xử lý dữ liệu, nghiên cứu [75] đã trình bày quy trìnhvà đánh giá độ chính xác của phương pháp xử lý số liệu UAV để thành lập bản đồtỷ lệ lớn Trong [51], các tác giả đã tiến hành nghiên cứu phương pháp hiển thị địahình bằng bản đồ thành lập từ ảnh chụp từ thiết bị bay UAV ở độ cao thấp Với mụcđích tương tự, một thiết bị bay UAV có trọng lượng nhẹ và máy ảnh kỹ thuật sốNikon Coolpix được sử dụng để thu thập dữ liệu mô phỏng địa hình khu vực nghiêncứu [72] Kết quả thu được đã khẳng định hệ thống UAV có thể được sử dụng đểlập bản đồ tỷ lệ lớn trong thời gian ngắn đặc biệt đối với khu vực có diện tích nhỏ[72] Nhận định tương tự đã được kết luận trong nghiên cứu [33], với bản đồ địahình tỷ lệ lớn được tạo ra từ dữ liệu thu được bởi UAV cánh cố định và máy ảnh kỹthuật số Canon S100 đáp ứng được độ chính xác yêu cầu

Để thu thập thông tin và xử lý nhanh dữ liệu phục vụ thành lập bản đồ tỷ lệlớn, nghiên cứu [38] đã sử dụng thiết bị bay không người lái siêu nhỏ UX5HP bay ởđộ cao thấp để khảo sát những khu vực có địa hình đơn giản và tương đối bằngphẳng Kết quả thu được cải thiện nhiều so với phương pháp truyền thống đồng thờirút ngắn thời gian sản xuất và giảm nhân lực lao động Theo [55], việc thu thập dữliệu không gian nhanh chóng với chi phí thấp để lập bản đồ là cần thiết Để đạt đượcđiều này, các tác giả đã sử dụng thiết bị bay DJI Phantom 2 Vision Plus quadcopterđể chụp ảnh với độ phân giải 3.3 cm và ở độ cao bay chụp 50 m Kết quả thu đượcđã chứng minh UAV là một công cụ hữu ích để thu được hình ảnh trên không có độphân giải cao phục vụ thành lập và cập nhật bản đồ có độ chính xác đảm bảo yêucầu Việc tích hợp hệ thống GPS RTK vào một UAV làm cho UAV trở thành mộtthiết bị khảo sát hoàn chỉnh hơn, công việc hiệu quả hơn, đơn giản hóa mọi hoạtđộng với độ chính xác cao hơn Trong nghiên cứu [73], các tác giả đã sử dụngphương pháp này để thành lập bản đồ ở Johor, Malaysia Bên cạnh đó, phương phápUAV còn có thể được hỗ trợ bởi GNSS để thành lập bản đồ cung cấp thông tin choquy hoạch không gian, tạo điều kiện thuận lợi cho việc quản lý trong tương lai [71]

Ngoài ra, việc thành lập bản đồ tại các khu vực khai thác khoáng sản là côngviệc cần thiết và không thể thiếu được để thực hiện các dự án về khai thác mỏ Theo[53], kỹ thuật truyền thống sử dụng phương pháp định vị toàn cầu vi phân(Differential GPS - DGPS) kết hợp với ảnh vệ tinh CartoSAT/LISS IV và bản đồ địachính có thể cung cấp thông tin địa hình khu vực nghiên cứu Tuy nhiên, có thể gặpkhó khăn và nguy hiểm khi tiến hành công tác khảo sát bằng DGPS hoặc máy toànđạc do phần lớn mỏ có địa hình dốc Do đó, các tác giả đã kết hợp quy trình làm việcđể tạo ra dữ liệu không gian địa lý có độ chính xác cao cho các mỏ thông qua sự tíchhợp của UAV và kỹ thuật khảo sát truyền thống So với khảo sát truyền thống,phương pháp đề xuất trong nghiên cứu này cho kết quả có độ chính xác cao, đồng thờitiết kiệm chi phí, thời gian và nhân lực [53].

Bên cạnh sử dụng công nghệ GNSS để hỗ trợ UAV trong thành lập bản đồ thìmáy toàn đạc điện tử cũng được dùng để bổ sung thêm dữ liệu trong trường hợp haithiết bị trên không thu thập được thông tin, ví dụ do ảnh hưởng của tín hiệu vệ tinhyếu, địa hình có thực phủ dày đặc Trong nghiên cứu [31], hệ thống máy bay khôngngười lái siêu nhỏ, bao gồm UAV cánh cố định và cánh quay, kèm theo máy ảnh kỹthuật số độ phân giải cao để chụp ảnh nhanh chóng trong thời gian ngắn đã được sửdụng Đồng thời, điểm khống chế mặt đất và điểm kiểm tra được thiết lập bằng cáchsử dụng hệ thống GNSS và máy toàn đạc điện tử [34] Kết luận của bài báo cho thấyviệc tích hợp UAV siêu nhỏ với các công nghệ nêu trên có thể thu thập dữ liệu nhanhchóng, chính xác, với chi phí thấp, phù hợp với lập bản đồ khu vực có diện tích nhỏ[34]

1.4.2 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu ở Việt Nam

Hiện nay, ở Việt Nam việc ứng dụng công nghệ UAV kết hợp với GNSS trongthành lập bản đồ địa hình cũng như một số loại bản đồ chuyên đề đã bước đầu đượcnghiên cứu và ứng dụng Để giám sát và quản lý hệ thống đường bờ của sông Hồngvà sông Đuống, trong nghiên cứu [10] tác giả đề xuất giải pháp ứng dụng công nghệUAV để thành lập các bản đồ tỷ lệ 1/10.000 bao trùm các bãi bồi ven sông, khu vựchai bên bờ sông, hệ thống đê dọc hai bên bờ sông Tác giả thực hiện xây dựng cácbản đồ chuyên đề như: bản đồ sạt lở bờ sông; bản đồ sử dụng lòng sông, bãi sông;bản đồ vi

phạm hành lang bảo vệ đê; các sơ đồ thể hiện hiện trạng mặt đê Công nghệ UAVcũng được sử dụng trong lĩnh vực quản lý đất đai Với nghiên cứu [7] các tác giả đãtiến hành nghiên cứu khả năng ứng dụng của thiết bị UAV chi phí thấp trong đo đạcthành lập bản đồ Các tác giả đã đề xuất quy trình tổng quát thành lập bản đồ chuyênđề ngành quản lý đất đai bằng công nghệ UAV Ngoài ra, kết quả thực nghiệm cònkhẳng định phương pháp này thích hợp để cập nhật bản đồ hiện trạng, thành lập bảnđồ địa chính khu vực đất nông nghiệp, thành lập bản đồ địa hình khu vực có điều kiềukiện địa hình thông thoáng Tương tự, với nghiên cứu [14], tác giả đã ứng dụng UAVkết hợp GNSS trong thành lập bản đồ địa chính khu vực đất thổ canh Nhóm nghiêncứu đã sử dụng phương pháp định vị vệ tinh GNSS/RTK để xác định tọa độ và độcao các điểm khống chế ảnh Kết quả nghiên cứu thực nghiệm cho thấy bản đồ đất thổcanh được thành lập từ dữ liệu ảnh chụp UAV có thể đáp ứng tốt yêu cầu về độ chínhxác trong đo vẽ bản đồ địa chính Cũng cùng mục đích, nghiên cứu [35] tác giả đãcông bố kết quả đo đạc bản đồ địa chính (khu vực đất thổ canh) và đánh giá độ chínhxác cũng như khả năng ứng dụng của thiết bị UAV và GNSS/RTK trong công tác đođạc bản đồ đất thổ canh thuộc xã Sơn Tình, huyện Cẩm Khê, tỉnh Phú Thọ.

Hiện nay, việc sử dụng các thiết bị bay không người lái để bay chụp ảnh phụcvụ thành lập bản đồ không gian 3 chiều (3D) đã và đang được ứng dụng đạt hiệu quảcao ở Việt Nam Trước khi bay chụp, các điểm khống chế ảnh và điểm kiểm tra đượcxác định bằng công nghệ GNSS Năm 2012, trong [21] đã trình bày kết quả nghiêncứu về khả năng ứng dụng của thiết bị UAV - MicroDrone để thành lập bản đồ 3Dvới độ chính xác cao Trong nghiên cứu [20], một thiết bị bay không người lái tíchhợp hệ thống định vị vệ tinh GNSS, máy ảnh số độ phân giải cao, đồng thời kết hợpvới các phần mềm có thuật toán xử lý ảnh SfM (Structure-from-Motion) tự động tínhtoán để phục hồi lại mô hình 3D, từ đó thành lập bản đồ 3D một cách tự động Theonghiên cứu [22], máy bay UAV giá rẻ mang lại một tiềm năng lớn cho công tác thuthập dữ liệu địa hình phục vụ công tác thành lập bản đồ, đặc biệt là các bản đồ hiệntrạng, bản đồ 3D tỷ lệ lớn cho những khu vực có diện tích nhỏ Trong khi [17] nghiêncứu các giải pháp xây dựng cơ sở dữ liệu và bản đồ 3D công trình ngầm khu vực đôthị (trong đó có

giới thiệu phương pháp UAV) thì [30] đã chứng minh có thể thành lập được bản đồ3D tỷ lệ 1:1000 khu vực đô thị theo tiêu chuẩn hiện hành dựa vào kết hợp dữ liệu thuđược từ máy quét laser mặt đất và dữ liệu ảnh chụp từ UAV.

Ngoài việc sử dụng phương pháp UAV và GNSS trong lập bản đồ chuyên đềvà bản đồ 3D thì ở Việt Nam công nghệ này còn được áp dụng trong xây dựng bảnđồ địa hình Quy trình thành lập bản đồ tỷ lệ lớn ở Việt Nam đã được [16] giới thiệutừ năm 2013 Theo đó, tác giả đã sử dụng thiết bị bay MD4 -1000 và sự trợ giúp củahệ thống định vị GPS dẫn đường, quá trình bay chụp ảnh được thực hiện cùng lúcvới công tác đo đạc khống chế ảnh ngoại nghiệp bằng máy GPS 2 tần, kết quảnghiên cứu đã cho thấy khả năng thực hiện của quy trình thành lập bản đồ địa hìnhtỷ lệ lớn dựa vào ảnh chụp từ hệ thống thiết bị chụp ảnh số phổ thông đặt trên UAVđạt yêu cầu kỹ thuật Ở nghiên cứu khác, Viện Khoa học Đo đạc và Bản đồ Việt

Nam thực hiện đề tài mã số TNMT.2017.07.02 “Nghiên cứu tích hợp thiết bị thu

nhận dữ liệu trạm tham chiếu ảo (VRS) trên thiết bị không người lái (UAV) phục vụtự động hóa công tác thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn từ ảnh UAV”, đã thực

nghiệm thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn 1:500, 1:1000, 1:2000 và 1:5000 đảmbảo yêu cầu về kỹ thuật theo quy phạm [3] Cũng ứng dụng trong thành lập bản đồtỷ lệ lớn, [25] đã giới thiệu kết quả nghiên cứu sử dụng dữ liệu ảnh chụp từ UAVtrong công tác thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ 1:1000 khu vực xã Tân Triều, huyệnThanh Trì, thành phố Hà Nội, công tác đo đạc khống chế ảnh được thực hiện bằngthiết bị đo GPS R3 của hãng Trimbe, tổng cộng có 10 điểm khống chế trong đó có 8điểm được sử dụng để nắn ảnh và 2 điểm để đánh giá độ chính xác của mô hình.Sản phẩm thu được khắc phục những nhược điểm của phương pháp chụp ảnh bằngmáy bay truyền thống khi thực hiện đo vẽ bản đồ tỷ lệ lớn đối với những khu vực códiện tích nhỏ Không thể phủ nhận được việc xác định các yếu tố định hướng ngoàicủa ảnh chính xác là một trong những yếu tố quyết định đến độ chính xác của bảnđồ địa hình cần thành lập Vì vậy, để xác định các yếu tố định hướng ngoài của ảnhvới độ chính xác đảm bảo thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn, trong nghiên cứu [6]tác giả đã tích hợp thiết bị GNSS/IMU trên thiết bị UAV kết hợp với công nghệ