Nghiên cứu ứng dụng dữ liệu lidar phục vụ công tác quản lý đất đai khu vực đô thị thuộc thành phố hà nội

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Trương Xuân Quyền NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG DỮ LIỆU LIDAR PHỤC VỤ CÔNG TÁC QUẢN LÝ ĐẤT ĐAI KHU VỰC ĐÔ THỊ THUỘC THÀNH PHỐ HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội –2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Trương Xuân Quyền NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG DỮ LIỆU LIDAR PHỤC VỤ CÔNG TÁC QUẢN LÝ ĐẤT ĐAI KHU VỰC ĐÔ THỊ THUỘC THÀNH PHỐ HÀ NỘI Chuyên ngành: Bản đồ, viễn thám Hệ thông tin địa lý Mã số:60440214 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Trần Anh Tuấn Hà Nội –2014 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết luận văn trung thực chƣa đƣợc công bố công trình khác Tác giả luận văn Trương Xuân Quyền DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu nội dung nghiên cứu Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu đề tài 10 Dữ liệu sử dụng 10 Phƣơng pháp nghiên cứu 10 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Error! Bookmark not defined Cấu trúc luận văn Error! Bookmark not defined Chƣơng 1: TỔNG QUAN ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ LIDARTRONG THÀNH LẬP BẢN ĐỒ 3D Error! Bookmark not defined 1.1 Một số khái niệm Error! Bookmark not defined 1.2 Cơ sở lý thuyết công nghệ Lidar Error! Bookmark not defined 1.2.1 Cấu trúc hệ thống Lidar Error! Bookmark not defined 1.2.2 Nguyên lý hoạt động Lidar Error! Bookmark not defined 1.2.3 Cơ sở toán học xác định tọa độ điểm Lidar Error! Bookmark not defined 1.2.4 Độ xác xác định vị trí điểm Lidar Error! Bookmark not defined 1.2.5 Nguồn sai số mô hình toán học xây dựng DEM Error! Bookmark not defined 1.2.6 Nguồn sai số mật độ điểm quét laser Error! Bookmark not defined 1.2.7 Nguồn sai số mức độ phức tạp địa hình Error! Bookmark not defined 1.3 Khả ứng dụng công nghệ tích hợp LiDAR máy ảnh số lĩnh vực trắc địa đồ Error! Bookmark not defined 1.3.1 Sự phụ thuộc cƣờng độ phản hồi tín hiệu Lidar vào lớp phủ mặt đất Error! Bookmark not defined 1.3.2 Khả ứng dụng ảnh cƣờng độ phản hồi Lidar phân loại lớp phủ bề mặt Error! Bookmark not defined 1.3.3 Khả ứng dụng công nghệ tích hợp LiDAR máy ảnh số lĩnh vực trắc địa đồ Error! Bookmark not defined 1.4 Lịch sử ứng dụng Lidar giới Việt nam Error! Bookmark not defined 1.5 Các phƣơng pháp nghiên cứu thành lập đồ 3D Error! Bookmark not defined Chƣơng 2: PHƢƠNG PHÁP THÀNH LẬP BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH 3D TỪ DỮ LIỆU LIDAR Error! Bookmark not defined 2.1 Dữ liệu sử dụng Error! Bookmark not defined 2.1 Phƣơng pháp triết xuất thông tin lớp phủ bề mặt từ liệu Lidar Error! Bookmark not defined 2.2.1 Lọc điểm nắn ảnh trực giao Error! Bookmark not defined 2.2.2 Lọc đối tƣợng địa hình Error! Bookmark not defined 2.2.3 Tái tạo mô hình mái nhà từ liệu Lidar Error! Bookmark not defined 2.2.3 Tái tạo mô hình bề mặt tƣờng nhà Error! Bookmark not defined 2.2.4 Dán ảnh bề mặt mái tƣờng nhà Error! Bookmark not defined 2.2.6 Phân tích lựa chọn mức độ chi tiết cho đối tƣợng hiển thị 3D Error! Bookmark not defined Chƣơng 3: ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ LIDAR THÀNH LẬP BẢN ĐỒ 3D HUYỆN THANH OAI, THÀNH PHỐ HÀ NỘI Error! Bookmark not defined 3.1 Khái quát chung khu vực thử nghiệm, hệ thống máy quét Lidar Error! Bookmark not defined 3.2 Bay quét xử lý liệu Lidar Error! Bookmark not defined 3.2.1 Công tác chuẩn bị Error! Bookmark not defined 3.2.2 Bay quét Lidar Error! Bookmark not defined 3.2.3 Xử lý liệu Lidar Error! Bookmark not defined 3.3 Kết xử lý liệu Lidar triết tách thông tin 3D Error! Bookmark not defined 3.3.1 Tách thông tin DSM DTM từ đám mây điểm Error! Bookmark not defined 3.3.2 Nắn ảnh trực giao Error! Bookmark not defined 3.3.3 Phủ ảnh trực giao mô hình số địa hình Error! Bookmark not defined 3.3.5 Thể đối tƣợng khác đồ Error! Bookmark not defined 3.4 Thảo luận Error! Bookmark not defined 3.4.1 Độ xác thành lập mô hình 3D từ liệu Lidar Error! Bookmark not defined 3.4.2 Khả ứng dụng Lidar quản lý liệu đất đai 3D Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO 11 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Mô hình DSM DTM Error! Bookmark not defined Hình 1.2 Cơ chế phát xung laser hệ thống quét Lidar Error! Bookmark not defined Hình 1.3 Mô hình hệ thống bay chụp Lidar Error! Bookmark not defined Hình 1.4 Dữ liệu Lidar dải quét Error! Bookmark not defined Hình 1.5 Mức độ đâm xuyên phản hồi laser gặp đối tƣợng Error! Bookmark not defined Hình 1.6: Đám mây điểm Lidar (a) Đám mây điểm phản hồi đầu (b) Đám mây điểm phản hồi cuối Error! Bookmark not defined Hình 1.7 Cơ sở toán học xác định tọa độ điểm Lidar Error! Bookmark not defined Hình 1.8 Vị trí hệ thống GPS, IMU, SBF (sensor) máy bay Error! Bookmark not defined Hình 1.9 Toạ độ điểm quét P anten GPS mối quan hệ hệ toạ độ SBF, IBF, ECEF (A,B) Error! Bookmark not defined Hình 1.10: Chùm tia Laser xung phản hồi Error! Bookmark not defined Hình 1.11 Mô hình số địa hình DEM/DTM Error! Bookmark not defined Hình 1.12 Hiển thị liệu theo tầng độ cao Error! Bookmark not defined Hình 1.13 Mô hình số bề mặt DSM_FE DSM_LE Error! Bookmark not defined Hình 1.14 Nắn ảnh từ phép chiếu xuyên tâm thẳng đứng Error! Bookmark not defined Hình 1.15 Xây dựng mô hình 3D (Sông Nhuệ – Hà Đông) Error! Bookmark not defined Hình 1.16: Mô hình 3D khu vực đô thị từ liệu Lidar Error! Bookmark not defined Hình 1.17: Mô hình 3D đƣợc xây dựng từ liệu đo trực tiếp thực địa Error! Bookmark not defined Hình 1.18: Bản đồ 3D thành lập từ phƣơng pháp ảnh hàng không Error! Bookmark not defined Hình 1.19: Mô hình 3D thành lập từ đồ địa Error! Bookmark not defined Hình 1.20: Mô hình 3D sử dụng ảnh viễn thám Error! Bookmark not defined Hình 2.1: Quy trình công nghệ thành lập đồ 3D từ liệu Lidar Error! Bookmark not defined Hình 2.2 Loại bỏ chênh cao hai dải bay Error! Bookmark not defined Hình 2.3 Dữ liệu tập hợp điểm Lidar Error! Bookmark not defined Hình 2.4 Bóc tách đối tƣợng địa vật để tạo DTM Error! Bookmark not defined Hình 2.5 Tham số địa hình pháp lọc DTM từ DSM Error! Bookmark not defined Hình 2.6 Kết tạo mô hình số bề mặt (a) mô hình số địa hình (b) Error! Bookmark not defined Hình 2.7 Sơ đồ tách lọc đối tƣợng nhà Error! Bookmark not defined Hình 2.8 Đối tƣợng nhà sau đƣợc tách lọc Error! Bookmark not defined Hình 2.9 Mô hình 3D đƣợc xây dựng phần mềm Sketchup Error! Bookmark not defined Hình 2.10 Cấp độ chi tiết LoD đối tƣợng nhà, khối nhà Error! Bookmark not defined Hình 3.1 Vị trí địa lý thị trấn Kim Bài ……………………………………………Error! Bookmark not defined Hình 3.2 DSM khu vực nghiên cứu đƣợc nội suy từ đám điểm Lidar .Error! Bookmark not defined Hình 3.3 DTM sau đƣợc bóc đối tƣợng bề mặt Error! Bookmark not defined Hình 3.4 Ảnh trực giao khu vực Thị trấn Kim lâm Error! Bookmark not defined Hình 3.5 Ảnh vệ tinh thị trấn Kim Bài Error! Bookmark not defined Hình 3.6 Triết tách đối tƣợng nhà từ DSM DTM Error! Bookmark not defined Hình 3.7 Triết tách đối tƣợng độc lập tập hợp khu vực có câyError! Bookmark not defined Hình 3.8 Đối tƣợng nhà đƣợc chồng lên ảnh với basehight DTM Error! Bookmark not defined Hình 3.9 Các khối nhà đƣợc thể chi tiết Sketchup Error! Bookmark not defined Hình 3.10 Mô hình nhà ảnh vệ tinh Error! Bookmark not defined Hình 3.11 Đối tƣợng độc lập tỷ lệ lớn thể ảnh Error! Bookmark not defined DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT 2D: Two dimensions: Hai chiều 3D: Three dimension: Ba chiều DEM: Digital Elevation Model: mô hình số độ cao DSM: Digital Surface Model: mô hình số bề mặt DSMFE: Digital surface model first echo: mô hình bề mặt lần phản xạ DSMLE: Digital surface model last echo: mô hình bề mặt lần phản xạ cuối DSMRGBI: mô hình bề mặt với kênh phổ đỏ, lục, lam cận hồng ngoại DTM: Digital terrain model: mô hình số địa hình GPS: Global Positioning System: Hệ thống định vị toàn cầu GRID: Cấu trúc lƣơi mô hình số độ cao IFSAR: InterFerometric Synthetic Aperture Radar: Radar độ mở tổng hợp giao thoa INS: Inertial Navigation System: Hệ thống đạo hàng quán tính LIDAR: Light Detection And Ranging: Công nghệ đo dài laser TIN: Triangulated Irregular Networks: Tam giác không MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Ngày nay, với biến đổi khí hậu, tai biến ngày nhiều hay nhƣ với sống ngày nâng cao, đô thị, giao thông phát triển… để nghiên cứu vấn đề tai biến, hay qui hoạch… cần có sở liệu địa hình xác chi tiết Nền liệu địa hình xác chi tiết giúp cho việc đánh giá, đƣa biện pháp tốt hơn.Với công nghệ ngày phát triển không ngừng cải thiện để đƣa đƣợc liệu tốt Công nghệ xây dựng mô hình DEM, DTM ngày phát triển.Từ đồ mặt phẳng đơn dần phát triển lên đồ ba chiều (3D) để đƣa đến cho ngƣời xem, ngƣời nghiên cứu nhìn trực quan Các loại đồ 3D ứng dụng nghiên cứu ảnh hƣởng môi trƣờng khu vực lòng hồ thủy điện, ngập lụt, hay nghiên cứu lớp phủ thực vật trình ngoại sinh liên quan, giúp cho xây dựng phƣơng án tìm kiếm cứu hộ, cứu nạn, huy tham mƣu hay vấn đề mô địa hình công trình văn hóa, kiến trúc phục vụ quốc kế dân sinh… Công nghệ LIDAR có tính vƣợt trội tạo DTM với hiệu suất cao, độ xác lớn, tốc độ nhanh.LIDAR biểu diễn chi tiết địa hình bề mặt Trái Đất vùng địa hình khó khăn, phủ dày đặc thực điều kiện thời tiết khắc nghiệt, ngày đêm.Đặc biệt LIDAR giúp thành lập đồ 3D thuận lợi so với ảnh hàng không ảnh viễn thám.(Molenaar 2008) Công nghệ Lidar thể tiến vƣợt trội so với công nghệ khác việc thành lập mô hình số địa hình, mô hình số bề mặt phục vụ công tác lập đồ địa hình, đồ không gian ba chiều (bản đồ 3D) phục vụ cho xây dựng sở liệu thông tin địa lý Nó cho phép đẩy nhanh tiến độ thi công cách đáng kể, giảm chi phí thi công đạt độ xác cao Bản đồ không gian ba chiều có nhiều ƣu điểm so với đồ hai chiều (bản đồ 2D), bao gồm mô hình số địa hình, đối tƣợng địa hình địa vật dạng vector đƣợc gắn kết với thuộc tính đƣợc hiển thị không gian ba chiều.Bản đồ 3D đƣợc thành lập từ nhiều nguồn liệu khác có khả mô cấu trúc cảnh quan đô thị phục vụ quy hoạch, xây dựng phát triển đô thị, phục vụ giáo dục, quốc phòng, du lịch… Để có đƣợc độ xác cao cho vị trí điểm đồ nguồn liệu thu nhận từ công tác bay quét Lidar thể tối ƣu Ở Việt Nam, việc thành lập đồ địa hình 3D chủ yếu sử dụng ảnh máy bay nhƣ đề tài viện nghiên cứu địa (2004) “Nghiên cứu thử nghiệm thành lập đồ địa hình 3D” LIDAR chủ yếu đƣợc sử dụng để thành lập DEM/ DTM Trong giới, có nhiều nghiên cứu, ứng dụng LIDAR vào việc thành lập đồ địa hình 3D nhƣ “Building Extract - Lidar R&D Program for NASA/ICREST Studies Project” (09/16/01) NASA/ ICREST (tách nhà- chƣơng trình LIDAR R&D cho đề tài nghiên cứu NASA/ICREST); hay Trung Quốc có đề tài nghiên cứu (H.Lin 2008): “Fast reconstruction of three dimensional city model bases on airborn Lidar” ( Thiết lập nhanh mô hình thành phố 3D dựa vào LIDAR) ứng dụng cho khu vực thành phố Thƣợng Hải, Trung Quốc Với ƣu hiệu việc xây dựng đồ không gian ba chiều nhu cầu phát triển kinh tế xã hội, đặc biệt tốc độ phát triển đô thị Việt Nam nhanh việc ứng dụng công nghệ Lidar để xây dựng đồ không gian ba chiều cần thiết thời điểm Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn khả đáp ứng công nghệ, đề tài đƣợc lựa chọn với tiêu đề: “Nghiên cứu ứng dụng liệu Lidar phục vụ công tác quản lý đất đai khu vực đô thị thuộc thành phố Hà Nội” Mục tiêu nội dung nghiên cứu Để thực đƣợc mục tiêu đề tài luận văn, nội dung nghiên cứu sau đƣợc thực hiện: - Tổng quan tài liệu nghiên cứu ứng dụng Lidar việc xây dựng đồ 3D - Nghiên cứu quy trình xây dựng đồ 3D công nghệ lidar - Xây dựng đồ 3D khu vực đô thị thành phố Hà Nội Đối tượng phạm vi nghiên cứu đề tài Phạm vi khoa học: Công nghệ LIDAR ngày phổ biến giới xuất Việt Nam năm gần Không vậy, ngày công nghệ ngày phát triển, yêu cầu thiết việc mô lại giới thực ngày tăng Chính giới hạn nghiên cứu từ liệu LIDAR thành lập đồ 3D, thí điểm tạithị trấn Kim Bài, Kim Lâm huyện Thanh Oai, Hà Nội Thành Phố Hà Nội Khu vực thử nghiệm thị trấn Kim Bài, Kim Lâm huyện Thanh Oai, Hà Nội phạm vi: Từ 20050'37,5” đến 21051'37,5” độ vĩ Bắc Từ 105045’37,5” đến 1050 47'00” độ kinh Đông Khu vực thử nghiệm nằm phạm vi mảnh mảnh đồ địa hình tỷ lệ 1/2.000, có phiên hiệu mảnh F-48-80-(73-[d,e,f,g,h,k] ) Dữ liệu sử dụng Dữ liệu LIDAR thu đƣợc từ hệ thống tích hợp máy ảnh số LIDAR Harrier 56/G3 Phương pháp nghiên cứu Đê giải nhiệm vụ đề ra, đề tài thực phƣơng pháp nghiên cứu sau đây: - Phƣơng pháp phân tích tổng hợp lý thuyết, tài liệu: Tổng hợp công trình đƣợc công bố giới Việt Nam để nắm đƣợc tình hình nghiên cứu, phân tích lý thuyết, tài liệu sở lý luận đồ, đồ 3D công nghệ LIDAR - Phƣơng pháp đồ: phƣơng pháp mục tiêu đề tài thành lập đồ 3D từ liệu LIDAR cho khu vực thực nghiệm - Phƣơng pháp khảo sát đo đạc thực địa: Để thực đƣợc nhiệm vụ đánh giá đƣợc độ xác kết quả, phƣơng pháp cần thiết 10 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Anh Armand, K (1991) "Guarding the water environment with GIS London: Taylor and Francis." Armin Gruen, S K., L.Zang and D.Poli (2006) "3D City Modeling from Highresolution Satellite Images." International Archives of Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, Vol 36, Part 1/W41 Barretta, E C., & Curtis, L F (1992) "Introduction to Environmental Remote Sensing 3rd Edition London: Chapman & Hall." ESRI (2013) ArcGIS for 3D cities: Introduction G Prisestnall, J J., and A Duncan (2007) "Extraction of Urban Features from Lidar Digital Surface Models." Computers, Environment $ Urban Systems, Vol 24, pp.65-78 H.Lin, H T J., L.P Zhang (2008) "Fast reconstruction of three dimensional city model bases on airborn Lidar." The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, vol.XXXVII, part B1, pp 453-457, Beijing Hristo Stanchev, A P., Margarita Stancheve (2009) "3D Gis Model for Flood Risk Assessent of Varna Bay Due to Extreme Sea Level Rise." Journal of Coastal Research, Special Issue 56, pp.1597-1601 Lohani, B (2008) "Airborne Altimetric LiDAR Tutorial: Principle, Data collection, Processing and Applications." Molenaar, M., A (2008) Formal Data Structure for Three Dimensional Vector Maps Proceedings, 4th International Symposium on Spatial Data handling, Zỹrich, Vol 2, pp 830-843 10 Soininen, A (2004) TerraScan User’s Guide, Terrasolid Tài liệu tiếng Việt Lê Minh, H N L., Nguyễn Tuấn Anh (2007) Ứng dụng công nghệ lidar Việt Nam, Trung tâm viễn thám Lộc, P V (2004) "Tự động hóa đo ảnh." Bài giảng cho NCS HVCH, Đại học Mỏ - Địa chất, Hà Nội Lƣơng Chính Kế (2009) "Thành lập DTM công nghệ Lidar." Tạp chí Viễn thám địa tin học, Tr.20-27 Quyên, T X (2007) Báo cáo kết ứng dụng hệ thống tích hợp ảnh số LIDAR Harrier56 Việt Nam, Công ty đo đạc ảnh địa hình, Hà nội VNCDC (2004) Nghiên cứu thử nghiệm thành lập đồ địa hình 3D 11 [...]... ảnh." Bài giảng cho NCS và HVCH, Đại học Mỏ - Địa chất, Hà Nội 3 Lƣơng Chính Kế (2009) "Thành lập DTM bằng công nghệ Lidar. " Tạp chí Viễn thám và địa tin học, Tr.20-27 4 Quyên, T X (2007) Báo cáo kết quả ứng dụng hệ thống tích hợp ảnh số và LIDAR Harrier56 tại Việt Nam, Công ty đo đạc ảnh địa hình, Hà nội 5 VNCDC (2004) Nghiên cứu và thử nghiệm thành lập bản đồ địa hình 3D 11 ... Altimetric LiDAR Tutorial: Principle, Data collection, Processing and Applications." 9 Molenaar, M., A (2008) Formal Data Structure for Three Dimensional Vector Maps Proceedings, 4th International Symposium on Spatial Data handling, Zỹrich, Vol 2, pp 830-843 10 Soininen, A (2004) TerraScan User’s Guide, Terrasolid Tài liệu tiếng Việt 1 Lê Minh, H N L., Nguyễn Tuấn Anh (2007) Ứng dụng công nghệ lidar ở...TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Anh 1 Armand, K (1991) "Guarding the water environment with GIS London: Taylor and Francis." 2 Armin Gruen, S K., L.Zang and D.Poli (2006) "3D City Modeling from Highresolution Satellite... for 3D cities: Introduction 5 G Prisestnall, J J., and A Duncan (2007) "Extraction of Urban Features from Lidar Digital Surface Models." Computers, Environment $ Urban Systems, Vol 24, pp.65-78 6 H.Lin, H T J., L.P Zhang (2008) "Fast reconstruction of three dimensional city model bases on airborn Lidar. " The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences,