Nghiên cứu ứng dụng công nghệ lidar thành lập bản đồ 3d

Công nghệ quét laser từ máy bay (Airborne Laser Scanning) hay còn gọi là Lidar (Light Detection And Ranging) là công nghệ mới được áp dụng tại Việt Nam, cho phép đo đạc độ cao chi tiết địa hình một cách nhanh chóng và chính xác. Hệ thống Lidar bao gồm bộ đầu quét (bộ cảm biến), hệ thống đo quán tính (IMU), hệ thống GPS, hệ thống quản lý bay, hệ thống camera số và hệ thống các thiết bị lưu trữ dữ liệu. Bộ máy quét laser (bộ cảm biến): gồm hai bộ phận được gắn vào bên dưới máy bay: một bộ phận có vai trò phát xung laser hẹp đến bề mặt trái đất trong khi máy bay di chuyển với tốc độ nhất định. Một máy thu gắn trên máy bay sẽ thu nhận phản hồi của những xung này khi chúng đập vào bề mặt trái đất và quay trở lại thiết bị thu trên máy bay. Hầu hết các hệ thống Lidar đều sử dụng một gương quét để tạo ra một dải xung. Sóng Laser nằm trong dải sóng cận hồng ngoại để phục vụ công tác đo đạc địa hình, bề mặt trên mặt đất, còn với laser dải sóng xanh lá cây phục vụ công tác đo sâu dưới mặt nước. Độ rộng của dải quét phụ thuộc vào góc dao động của gương, và mật độ điểm mặt đất phu thuộc vào các yếu tố như tốc độ máy bay và tốc độ dao động gương. Tốc độ dao động được xác định bằng cách tính toán tổng thời gian tia laser rời máy bay, đi đến mặt đất và trở lại bộ cảm biến.

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Trong năm gần đây, việc ứng dụng công nghệ lĩnh vực đồ viễn thám GIS có bước tiến vượt bậc tạo sản phẩm có chất lượng cao Công nghệ Laser ứng dụng hiệu nhiều lĩnh vực, đo có lĩnh vực đo đạc đồ Trước đây, lĩnh vực đo đạc đồ, công nghệ Laser sử dụng máy đo dài, định tuyến Hiện nay, nhiều nước giới khu vực ứng dụng công nghệ Laser kết hợp với hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu, hệ thống xác định quán tính để lập mô hình số địa hình, mô hình số bề mặt phục vụ thành lập đồ địa hình, đồ dải ven biển, đồ không gian ba chiều xây dựng sở liệu thông tin địa lý Việc thành lập mô hình số địa hình, đặc biệt mô hình số bề mặt thực địa có độ xác cao công nghệ ảnh hàng không phương pháp đo đạc trực tiếp khác trước gặp nhiều khó khăn, chi phí cao, tốn nhiều thời gian để hoàn thành sản phẩm Công nghệ Lidar kết hợp với công nghệ khác định vị vệ tinh, xác định quán tính, bay chụp ảnh số cỡ trung bình cho phép xác định xác bền mặt địa hình bền mặt thực địa theo hệ tọa độ không gian xác định Sản phẩm công nghệ Lidar giúp xây dựng mô hình số địa mô hình số bề mặt có độ xác cao, mật độ liệu điểm lớn, chí lớn đảm bảo tính chi tiết địa hình thực tế Dữ liệu Lidar thu nhận tập hợp điểm có giá trị mặt độ cao (đám mây điểm) hệ tọa độ xác định Từ liệu đám mây điểm Lidar, cho phép tiến hành lọc điểm, biên tập xây dựng nên mô hình số địa hình mô hình số bề mặt dựng mô hình 3D công trình xây dựng, từ xây dựng đồ không gian ba chiều khu vực đô thị cách nhanh chóng, xác Công nghệ Lidar có tiến vượt trội so với công nghệ trước 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) xây dựng sở liệu thông tin địa lý Nó cho phép đẩy nhanh tiến độ thi công cách đáng kể, giảm chi phí thi Với ưu 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 lựa chọn với tiêu đề:: “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ Lidar thành lập đồ 3D khu vực đô thị” Mục tiêu nội dung nghiên cứu * Mục tiêu đề tài: Nghiên cứu, xây dựng quy trình thành lập đồ 3D khu vực đô thị dựa nguồn liệu Lidar * Nội dung nghiên cứu: Để thực mục tiêu đề tài luận văn, nội dung nghiên cứu sau 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 Bắc Giang Cấu trúc luận văn Ngoài phần mở đầu, kết luận tài liệu tham khảo luận văn cấu trúc ba chương: Chương Cơ sở lý luận phương pháp nghiên cứu Chương Quy trình ứng dụng công nghệ Lidar thành lập đồ 3D Chương Ứng dụng công nghệ liệu Lidar thành lập đồ 3D thành phố Bắc Giang CHƯƠNG CỞ SỞ LÝ LUẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1.1 Cơ sở lý thuyết công nghệ Lidar 1.1.1 Cấu trúc hệ thống Lidar Công nghệ quét laser từ máy bay (Airborne Laser Scanning) hay gọi Lidar (Light Detection And Ranging) công nghệ áp dụng Việt Nam, cho phép đo đạc độ cao chi tiết địa hình cách nhanh chóng xác Hệ thống Lidar bao gồm đầu quét (bộ cảm biến), hệ thống đo quán tính (IMU), hệ thống GPS, hệ thống quản lý bay, hệ thống camera số hệ thống thiết bị lưu trữ liệu Bộ máy quét laser (bộ cảm biến): gồm hai phận gắn vào bên máy bay: phận có vai trò phát xung laser hẹp đến bề mặt trái đất máy bay di chuyển với tốc độ định Một máy thu gắn máy bay thu nhận phản hồi xung chúng đập vào bề mặt trái đất quay trở lại thiết bị thu máy bay Hầu hết hệ thống Lidar sử dụng gương quét để tạo dải xung Sóng Laser nằm dải sóng cận hồng ngoại để phục vụ công tác đo đạc địa hình, bề mặt mặt đất, với laser dải sóng xanh phục vụ công tác đo sâu mặt nước Độ rộng dải quét phụ thuộc vào góc dao động gương, mật độ điểm mặt đất phu thuộc vào yếu tố tốc độ máy bay tốc độ dao động gương Tốc độ dao động xác định cách tính toán tổng thời gian tia laser rời máy bay, đến mặt đất trở lại cảm biến Hệ thống xác định quán tính IMU: Các giá trị góc xoay, góc nghiêng dọc, nghiêng ngang, hướng bay quét hệ thống Lidar xác định xác thiết bị đạo hàng, góc quay gương tức thời khoảng cách thu nhận liệu GPS dùng để tính toán tọa độ ba chiều điểm Lidar Hệ thống GPS: Dữ liệu Lidar kết hợp với thông tin vị trí xác thu nhận từ thiết bị GPS hệ thống thiết bị xác định thông số định hướng góc xoay, góc nghiêng dọc, nghiêng ngang đặt máy bay Các thông tin lưu trữ xử lý, để xác định giá trị tọa độ (x,y,z) xác điểm mặt đất Hệ thống GPS cung cấp thông tin vị trí thời điểm thu nhận tín hiệu Lidar Hệ thống GPS bao gồm máy thu đặt máy bay máy thu đặt mặt đất trình xử lý liệu cho kết vị trí điểm có độ xác cao Hình 1.1: Tổng quan hệ thống bay quét Lidar Hệ thống quản lý bay: Cho phép lập kế hoạch, thiết kế tuyến bay theo dõi trình bay quét Lidar Ngoài thiết bị chính, hệ thống Lidar bao gồm thiết bị ngoại vi khác hệ thống lưu trữ, giao diện điều khiển thiết bị, điều khiển bay, cấp nguồn Một hệ thống Lidar thông thường tích hợp máy ảnh số kích thước trung bình, số trang bị máy quay video để theo dõi vùng chụp mây Khi tích hợp với máy ảnh số cỡ trung bình, tiến hành đồng thời trình quét Lidar chụp ảnh số khu vực quy trình giúp giảm chi phí bay chụp, thu sản phẩm: trực ảnh, mô hình số độ cao tạo mô hình thành phố ba chiều 1.1.2 Nguyên lý hoạt động Lidar Hệ thống Lidar xác định tọa độ điểm không gian ba chiều X,Y, Z) cách đo độ D dài tia laser, xác định góc phương vị tia quét (dựa vào góc xoay thiết bị góc quay gương quét xác định hệ thống IMU) hệ tọa độ GPS lựa chọn thời điểm quét laser Thiết bị Lidar có độ rộng dải quét từ vài chục mét đến hàng trăm mét phụ thuộc vào chiều cao bay đặc biệt nhờ vào góc quay gương đước gắn vào đầu thiết bị phát tia laser hướng phía bề mặt địa hình Tia laser hoạt động theo nguyên lý xung điện có tần số lớn tới vài Khz Sau phát, lượng phản hồi từ địa hình, địa vật qua hệ thống quang học tới đầu thu thiết bị xung điện Dựa vào khoảng chênh lệch thời gian T tín hiệu phát tín hiệu thu về, xác định chiều dài D tia laser thời điểm quét theo công thức (1.1): Di =Ti C (1.1) Trong đó: Di: Chiều dài tia laser Ti: Thời gian từ thời điểm phát tia laser đến thời điểm nhận tín hiệu phản hồi C: Vận tốc ánh sáng Thiết bị Lidar hoạt động dải phổ cận hồng ngoại với bước sóng khoảng 1504nm cho phép xác định chiều dài D với độ xác cao với sai số khoảng ± 1cm Các tia laser quét liên tục với góc quét lên tới 150 theo hướng vuông góc với hướng bay máy bay Tần suất phát thiết bị Lidar lê tói 100000 điểm giây nên tùy theo tính chất, đặc điểm bề mặt địa hình độ cao bay chụp mà ta thu nhận liệu với mật độ lên tới hàng triệu điểm km2 tương đương từ 0.3m đến 1m có điểm 1.1.3 Cơ sở toán học xác định tọa độ điểm Lidar Việc xác định tọa độ điểm Lidar tiến hành cách xác định tọa độ điểm Lidar hệ tọa độ máy quét, sau xác định xác tọa độ điểm Lidar hệ tọa độ không gian lựa chọn Sơ đồ vector (1.2) minh họa việc xác định tọa độ điểm Lidar: Hình 1.2: Cơ sở toán học xác định vị trí điểm Lidar Trong đó: G: điểm GPS mặt đất hệ tọa độ lựa chọn A: Anntena máy GPS máy bay S: điểm đặt máy quét Lidar P: điểm phạn xạ tia laser mặt đất Ở ta có hai hệ tọa độ: - Hệ tọa độ thứ nhất: hệ tọa độ lựa chọn GXYZ - Hệ tọa độ thứ hai: hệ tọa độ đặt máy quét Lidar Suvt Do cần chuyển tọa độ từ hệ tọa độ máy quét Lidar sang hệ tọa độ lựa chọn theo công thức sau: (1.2) g =d+AS Để xác định vector g từ điểm G đến điểm P (điểm phản xạ tia laser) cần phải xác định vector d, ma trận chuyển vị A vector b hình (1.2) ta có: d =D-Ab Trong đó: Vector D: luôn xác định cách đo động GPS S: khoảng cách từ máy quét tới điểm phản xạ P b: khoảng cách đo trực tiếp từ Anten đến máy quét A: ma trận chuyển vị từ hệ tọa độ Lidar sang hệ tọa độ lựa chọn Ma trận có dạng: a11a12a13 (1.3) A= b11b12b13 Łc11c12c13 ł Trong đó: a11 = cosg cosw b11 = cosg sinw c11 = sing a12 = sin b sing cosw-cosb sinw b12 = sin b sing sinw+cosb cosw c12 = cosg sin b a13 = cosb sin g cosw + sin b sinw (1.4) b13 = cos b sin g sinw - sin b cosw c13 = cosg cos b p p g - ,, g : bay Ł2 w Góc nghiêng ngang máy 2ł (0,2p), w : b: Ł2 Góc xoay máy bay p p b - , , Góc nghiêng dọc máy bay 2ł Thay vào công thức (1.3) vào công thức (1.2): ( ) (1.5) g =D+A S-b Viết dạng ma trận: X P -X0 X a -X0 ( ) YP -Y0 = Ya -Y0 ŁZP -Z0 ł ŁZa -Z0 ł +A S-b (1.6) Trong đó: X 0,Y0,Z0 : Toạ độ điểm G (điểm toạ độ GPS mặt đất) X a ,Ya ,Za , X p ,Yp ,Z p : toạ độ ăngten A toạ độ điểm P cần tìm Từ công thức (1.6) xác định toạ độ điểm P: ØDX Pi ø ØDXi ø Œ DYPi ( ) œ Œ œ œ=Œ DYi œ+ A S-b (1.7) Œ ŒºDZPi œß ŒºDZi œß Trên sở công thức (1.7) tìm toạ độ Xp, Yp, Zp Như sở nguyên lý xác định tập hợp điểm có toạ độ, độ cao mặt đất Tiến hành phân loại lọc liệu quét tia laser bao gồm: - Dữ liệu mặt đất (các điểm nằm mặt đất) sử dụng để thành lập mô hình số địa hình (DTM) - Dữ liệu điểm không nằm mặt đất điểm nằm cây, mái nhà, dây điện… Các điểm sử dụng để thành lập mô hình số bề mặt (DSM) - Dữ liệu ảnh cường độ phản xạ tia laser cho phép nhận dạng địa vật cách tương đối rõ nét Như việc phân loại để xử lý liệu đo thông qua modul chương trình phần mềm hệ thống để mục đích bóc tách loại liệu thông qua phép lọc 1.1.4 Độ xác xác định vị trí điểm Lidar Dựa cấu trúc hệ thống nguyên lý hoạt động công nghệ Lidar, nhận thấy độ xác xác định vị trí điểm Lidar chủ yếu phụ thuộc vào độ xác hệ thống quét laser, độ xác xác định thông số định hướng hệ thống IMU điểm đặt anntena máy bay, độ xác sở trắc địa Độ xác hệ thống quét Lidar bao gồm độ xác đo chiều dài tia laser độ xác thiết bị đo GPS, thiết bị đo quán tính IMU Các thiết bị tồn sai số hệ thống thay đổi giá trị theo thời gian sử dụng sai số chuyển động quay gương quét laser, sai số hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu GPS, sai số thiết bị đo quán tính IMU Để giảm thiểu sai số hay nói cách khác đảm bảo cho chúng tồn hạn sai cho phép thực tế phải tiến hành kiểm định thiết bị cách định kỳ điều kiện định nhằm xác định thông số hiệu chỉnh thiết bị Độ xác xác định thông số định hướng hệ thống IMU điểm đặt anntena GPS máy bay chất xác định xác vector tính chuyển hệ tọa độ hệ thống IMU hệ tọa độ sử dụng để thành lập đồ 3D Hệ thống IMU thường lắp đặt trùng hợp với hệ thống quét laser cách ổn định xác Truy nhiên, hệ thống GPS máy bay thường lắp đặt vị trí thông thoáng, có khả thu tín hiệu tốt Do đó, độ xác xác định thông số định hướng hệ thống IMU tâm anntena GPS xác tốt, thông thường độ xác nhỏ 1cm Việc thu nhận xử lý kết đo GPS hệ thống GPS máy bay mặt đất đặc biệt quan trọng, sở để xác định tọa độ điểm Lidar hệ tọa độ cần thành lập đồ 3D Để đảm bảo độ xác cần thiết, tọa độ điểm đặt máy GPS mặt đất (điểm trạm Base) cần phải xác định xác, từ xác định xác tọa độ điểm đặt máy GPS máy bay trình bay phương pháp xử lý liệu GPS Ở đây, sau xác định xác vị trí điểm Lidar công nghệ GPS IMU, cần đặc biệt quan tâm tới độ xác mô hình Geoid địa phương (mô hình Geoid khu phạm vi bay quét Lidar) Nếu sử dụng kết đo GPS đơn xác định xác giá trị độ cao H điểm Lidar (giá trị độ cao bề mặt Ellipsoid hệ tọa độ sử dụng để thành lập đồ 3D) Do phải sử dụng mô hình Geoid địa phương có độ xác đảm bảo để có giá trị dị thường độ cao N khu vực bay quét Lidar, từ xác định xác giá trị độ cao thủy chuẩn h điểm Lidar khu vực Dựa điểm Lidar có tọa độ xác mặt độ cao thủy chuẩn, tiến hành xây dựng mô hình 3D khu vực bay quét 1.1.5 Sản phẩm trực tiếp công nghệ Lidar Mô hình số địa hình(DTM): mô hình số miêu tả bề mặt mặt đất không bao gồm đối tượng vật thể Dữ liệu thu nhận từ trình bay quét Lidar bao gồm tập hợp điểm có giá trị mặt giá trị độ cao tạo mô hình số địa hình dạng Raster với mắt lưới lên đến 0.5m, độ xác độ cao đạt tới 0.15m Mô hình số bề mặt(DSM): mô hình số độ cao miêu tả bề mặt mặt đất bao gồm đối tượng vật thể nhà cửa, cây cối, đường dây điện, đường giao thông Cũng mô hình số độ cao, mô hình số bền mặt tạo dạng Raster với kích thước mắt lưới Grid đạt tới 0,5m độ xác độ cao lên tới 0,2m Ảnh cường độ xám (intensity): sản phẩm thu trình thu nhận liệu Lidar Dựa cường độ tín hiệu phản hồi tia laser thu được, tiến hành nội suy tạo ảnh cường độ xám Trên bề mặt thực địa bao gồm đối 10 a Hình ảnh b Hình ảnh 3D c Hình ảnh 3D d Hình ảnh 3D thực địa khái quát hóa phủ ảnh hàng chi tiết không lên DSM Hình 3.8: Các khối nhà thể chi tiết d Thể đối tượng khác đồ - Thuỷ hệ đối tượng liên quan Sông hai nét thể đối tượng vùng đồ 2D Trong đồ địa hình 3D, đối tượng vùng phủ lên mặt DTM sử dụng công cụ Baseheight tô màu xanh nước biển nhạt Ngoài đường viền sông hai nét thể mặt DEM màu nước biển sẫm với mục đích làm bật đường bờ nước Sông nét thể nằm mặt DEM ký hiệu dạng đường liên tục màu nước biển sẫm Sông suối chảy theo mùa thể hai ký hiệu Một ký hiệu dạng đường chạy liên tục màu nước biển nhạt Thuộc tính đối tượng gắn vào đường Ký hiệu thứ hai dùng cho mục đích hiển thị drop từ dạng đường nét đứt sông suối chảy theo mùa đồ 2D, thể màu nước biển đậm nằm đường chạy liên tục màu nước biển nhạt nói Cả hai ký hiệu nằm mặt DTM Đê thể theo nguyên tắc tương tự Các chi tiết độ chênh cao đê bổ sung vào DTM dựa số liệu có đê vị trí mặt đê, vị trí chân đê, độ cao mặt đê, tỷ cao đê Con trạch mặt đê có thể đối tượng dạng đường, thuộc tính tỷ cao trạch 60 lưu trữ dùng cho công cụ Extrusion để dựng đường lên vuông góc với mặt đê (lúc bổ sung vào mặt DTM) đặc điểm trạch thực tế Cống thể đoạn thẳng đặt vuông góc với kênh mương màu đen Các thông tin tên kênh mương, tên cống, thiết bị điều tiết nước có gắn vào bảng thuộc tính cống - Giao thông đối tượng liên quan Các đối tượng dạng điểm liên quan trạm ghi, cột đèn hiệu, cột tín hiệu, cột số, biển đường có dựng lên công cụ Plan tree mặt DTM dùng hình ảnh tự thiết kế dạng *.BMP gần giống với hình ảnh thực Độ cao đối tượng tuân theo qui định chuẩn ngành giao thông Đường ô tô yếu tố quan tâm nhiều người dùng đồ Chúng thể đối tượng dạng vùng nằm mặt DTM Phần trải mặt đường thể ảnh thực loại chất liệu: bêtông nhựa, đá, đất màu đơn giản Trục phân tuyến, vỉa hè có đủ rộng để thể dạng vùng theo tỷ lệ đồ trải mặt chất liệu thực tế cỏ thấp hay gạch Nếu trục phân tuyến dạng đường dùng Extrusion dựng chúng lên thành dải ngăn cách chạy liên tục Đường đất nhỏ đường mòn thể đường nét chạy liên tục mặt DTM Để phân biệt, hai loại đường đường đất nhỏ thể nét đen đậm, đường mòn màu xám Ký hiệu nét đứt đường mòn chuẩn bị môi trường đồ họa hiển thị lên đường mòn màu xám nhạt, chay liên tục Đường ô tô gắn thuộc tính: tên đường, chất liệu rải mặt, độ rộng đường, độ rộng phần trải mặt Địa hình đắp cao xẻ sâu đường bổ sung thể mặt DTM - Các đối tượng kinh tế, văn hoá xã hội 61 Trên đồ 3D, mức độ chi tiết cao thể đối tượng kinh tế, văn hóa xã hội mô hình 3D thực đối tượng chuẩn bị sẵn môi trường đồ họa Ở mức độ chi tiết thấp hơn, đối tượng văn hóa, kinh tế, xã hội thể công cụ Plant tree sử dụng ảnh lấy từ ký hiệu mẫu đồ địa hình 2D Cách thể nghiêng xu hướng ký hiệu hóa Các đối tượng văn hóa, kinh tế, xã hội sau dựng lên lưu lại thành file *.LYR dùng để hiển thị, ký hiệu điểm gốc với thuộc tính tên riêng đối tượng giữ lại nhằm cung cấp thông tin cần truy vấn - Đường dây điện đường dây thông tin Đường dây điện đường dây thông tin thể độc lập hai loại đối tượng Thứ đối tượng dạng điểm thể cột, chúng gắn thông tin thuộc tính chiều cao cột, cột cao hay hạ điều tra từ thực địa Có hai nguyên tắc thể đối tượng dạng điểm Ở tỷ lệ nhỏ, cột thể với độ chi tiết – LoD thấp cách hiển thị điểm mặt DTM với công cụ Baseheight sau extrude điểm lên từ mặt DTM sử dụng trường độ cao riêng cột Cách thứ hai phù hợp với tỷ lệ lớn, cột dựng lên mặt DTM sử dụng công cụ Plant Tree Ảnh cột chuẩn bị sẵn dạng *.BMP dựng lên với độ cao lưu trữ sẵn trường thuộc tính điểm Đường dây tải điện đối tượng dạng đường đơn giản gắn thuộc tính loại đường: cao thế, hạ thế; độ cao trung bình đường dây; điện áp có Đường dây dạng 2D tính chuyển thành đường 3D dựa độ cao DTM công cụ Convert features to 3D ArcGis 3D Analyst, kết đường 3D bổ sung thêm nhiều đỉnh khoảng đỉnh gốc tức cột Sau chuyển đường dây 3D môi trường đồ họa bỏ tất đỉnh 62 phát sinh cột Sau đưa đường dây vào thể ArcScene tọa độ X, Y, H thực không phụ thuộc vào DTM với khoảng offset lấy từ thuộc tính chiều cao dây Một đối tượng có nhiều điểm tương tự với loại dây dẫn ống dẫn Ống dẫn thể dạng đường, màu xám sẫm, gắn thuộc tính: tỷ cao, đường kính ống, vật liệu làm ống, chất dẫn ống Nếu ống đặt trụ cao nguyên tắc thể tương tự loại dây dẫn thể trụ đỡ kèm theo Trường hợp ống dẫn nằm mặt đất hay ống dẫn ngầm cần thể đường ống dẫn dạng 2D theo mặt DTM với giá trị offset âm dựa thuộc tính độ sâu ống Các giếng kiểm tra thể điểm extrude giá trị âm chìm mặt DTM khoảng độ sâu ống Với độ - transparency DTM 50% - 70% cho phép quan sát tương đối rõ đối tượng chạy ngầm đất - Dáng đất, chất đất Dáng đất thể mô hình số độ cao DTM đường bình độ Nhưng ký hiệu nét đứt bình độ phụ ArcScene nên bình độ phụ có thể đường nét liền màu nhạt Các yếu tố đưa với mục đích bổ trợ cho DTM việc thể địa hình nên thể với độ - transperancy 50% Điểm độ cao thể đối tượng dạng điểm Không ghi độ cao đường bình độ điểm độ cao, cần ngưới dùng truy cứu thông tin công cụ Info Các thông tin chất đất thể đối tượng dạng vùng phủ lên mặt DTM màu đơn giản công cụ Picture fill symbol Các dạng bề mặt cát, sỏi, đá, cồn cát, bãi đá khác có sẵn thư viện ArcGis Các đối tượng đầm lầy thể cách phủ vùng lên mặt DTM tô màu vùng ảnh đầm lầy gồm nét đứt chạy song song tương tự đồ 2D 63 - Thực vật Cách nhìn vào đối tượng thuộc nhóm thực vật cách phân nhóm chúng cho đồ địa hình 3D phải có số điểm khác biệt so với đồ địa hình 2D độ cao riêng h đối tượng yếu tố để phân loại định cách thể Các đối tượng thực vật có độ cao riêng thấp cỏ, lúa, hoa màu thể đối tượng dạng vùng phủ lên mặt DTM công cụ Baseheight tô màu công cụ Picture fill symbol với ảnh chụp bề mặt thực đối tượng màu đơn giản Ở tỷ lệ lớn, đối tượng thực vật có độ cao riêng lớn rừng, hàng cây, độc lập thể đối tượng dạng điểm Đối với rừng hàng dựa vào thông số mật độ để xác định vị trí tương đối điểm Các đối tượng gắn thuộc tính độ cao loại Thông tin lấy từ nội dung đồ địa hình có điều vẽ thực địa Sau dùng công cụ Plan Tree ArcScene để dựng lên từ đối tượng dạng điểm DTM sử dụng ảnh tương ứng độ cao lấy từ trường thuộc tính điểm Công cụ Plant Tree áp dụng với loại cây, kết lưu thành file *.LYR dùng để thị ArcScene SHP file chứa đối tượng dạng điểm sau dựng lên thành không hiển thị lưu giữ Scene đồ địa hình 3D để phục vụ cho mục đích truy cập thông tin 64 Hình 3.9: Hình ảnh cối thể công nghệ 3D plant tree Nếu thể ảnh thực ảnh tạo từ ảnh chụp thực tế Tuy nhiên để phục vụ cho mục đích truy cứu thông tin, rừng hàng lưu trữ dạng vùng đường gắn thông tin thuộc tính loại cây, mật độ cây, chiều cao cây, đường kính thân Hai lớp thông tin nằm nội dung đồ địa hình 3D không hiển thị mà để cần cung cấp thông tin cho truy vấn - Ranh giới 65 Ranh giới hành cấp, ranh giới khu cấm, ranh giới sử dụng đất thể mặt DTM hai ký hiệu Một ký hiệu tạo từ linestyle phục vụ mục đích hiển thị Ký hiệu thứ hai thể đường đơn giản chạy liên tục, gắn thuộc tính loại ranh giới, tên đơn vị hành cấp nằm hai bên, tên khu vực cấm để phục vụ cho mục đích truy vấn thông tin Ngoài đối tượng ranh giới hành thể dạng đường, đơn vị hành thể dạng vùng Polygon gắn thuộc tính mã hành chính, tên riêng số số liệu thống kê quan trọng đơn vị hành Dù thể polygon hay linestring chúng gắn thuộc tính chiều cao Dựa thuộc tính này, với công cụ Extrusion tường thành dạng polygon dựng lên thành khối, hàng rào nhỏ dạng đường dựng lên thành mặt thẳng đứng mặt DTM môi trường lập thể ArcScene phù hợp với chất tự nhiên đối tượng Thuộc tính chất liệu như: đất, đá, bê tông, song sắt, lưới thép, tre gỗ gắn với đối tượng ArcScene chưa cung cấp công cụ hiển thị để thể hình ảnh thật tường hàng rào, dựa thuộc tính chất liệu, đối tượng thể màu sắc khác - Ghi Một số ghi dạng số sử dụng để xác định kích thước hay vị trí hình học đối tượng Ngoài thuộc tính truy cập công cụ query hay info ArcScene Hơn đối tượng địa hình dựng lên môi trường lập thể dày đặc nên số ghi quan trọng chọn để thể Scene ArcScene Do hạn chế công cụ 3D label chưa hỗ trợ tiếng Việt nên ghi tên riêng hiển thị dạng tiếng Việt không dấu 3.3 Đánh giá kết sản phẩm 3.3.1 Đánh giá độ xác 66 Đánh giá độ xác mô hình số bề mặt, mô hình số địa hình mô hình nhà cửa 3D thực thông qua hạn sai sau: - Sai số tiếp biên mảnh DTM không vượt 1/2 độ xác yêu cầu DTM - Sai số tuyệt đối DTM đánh giá thông qua điểm đo kiểm tra thực địa Độ lệch trung phương giá trị độ cao tập hợp điểm kiểm tra độ cao đo so với độ cao nội suy từ DTM không vượt độ xác DTM theo thiết kế - Độ xác mô hình số địa hình (DTM) đạt tới 0.2 m độ cao cỡ vài cm mặt phẳng - Các mô hình nhà cửa sau xây dựng đạt độ xác khoảng 0.3m độ cao khoảng 0.2m mặt 3.3.2 So sánh với số phương pháp Một số ưu điểm công nghệ Lidar so với công nghệ khác: - Lidar thu nhận liệu địa hình xác bay độ cao lớn so với hệ thống bay chụp ảnh hàng không thực Độ xác liệu trắc địa ảnh tỷ lệ nghịch với độ cao bay chụp, độ xác Lidar giảm không đáng kể tăng độ cao bay chụp - Lidar cần xung laser gần thẳng đứng để xuyên qua cối đo địa hình mặt đất, trắc địa ảnh cần tới hai tia khác điểm tên mặt đất từ hai ảnh chụp khác - Dựa vào bước xử lý sau kiểm tra chất lượng Lidar khả thu nhận xung phản hồi cuối cùng, với từ 5000-33000 xung giây công nghệ Lidar xây dựng mô hình độ cao tán mô hình độ cao mặt đất với liệu có mật độ lớn độ xác cao Dữ liệu Lidar thu nhận vào ban ngày lẫn ban đêm, trắc địa ảnh thu nhận vào ban ngày góc tới mặt trời tốt 67 - Dữ liệu Lidar tập hợp điểm có gía trị mặt độ cao, có nhiều lợi để phục vụ xây dựng mô hình 3D nhà cửa khu đô thị - Công nghệ Lidar đưa trực tiếp mô hình số bề mặt (DSM) tạo điều kiện thuận lợi cho việc xây dựng mô hình nhà cửa trực quan, dễ dàng - Dữ liệu Lidar đảm bảo độ xác cao so với công nghệ khác công nghệ ảnh hàng không, ảnh vệ tinh, radar Tuy nhiên, so với số phương pháp khác, Lidar có nhược điểm sau: - Đối với xung Lidar dùng đo đạc địa hình đất liền thường bị hấp thụ bới nước, phản hối từ nước không đáng tin cậy Sẽ khó phân biệt ranh giới sông hồ dùng liệu Lidar - Dữ liệu Lidar không thích hợp cho việc xác định đường phân thủy tụ thủy Ví dụ, xung Lidar có khoảng cách trung bình điểm 5m, khó xác định vị trí đường phân tụ thủy nắm khoảng 5m, đặc biệt liệu nằm trực tiếp dòng suối không đáng tin cậy - Trong hệ thống đường bình độ đo vẽ tay với công nghệ trắc địa ảnh thường trơn phản ảnh quy luật dòng chảy sông suối, Đường bình độ tự động tạo từ mô hình số độ cao Lidar thường gồ ghề thường xuất dị thường gần dòng chảy - Ngoài ra, Lidar yêu cầu phải có trạm GPS tĩnh; hạn chế độ xác đo vẽ vùng cấm có tranh chấp; yêu cầu độ cao bay không cao gây khó khăn số trường hợp cấm bay thấp 3.3.3 Đánh giá khả ứng dụng hiệu quả: Khả ứng dụng công nghệ Lidar: 68 Công nghệ Lidar bước đột phá lĩnh vực đo đạc đồ Việc áp dụng công nghệ Lidar để lập mô hình số độ địa hình (DTM) lập đồ không gian chiều (3D) độ xác cao phục vụ quản lý đô thị, khảo sát giao thông, đánh giá trữ lượng tài nguyên thiên nhiên phòng chống lũ lụt, thiên tai, xây dựng sở liệu thông tin địa lý áp dụng hiệu nhiều nước giới số nước khu vực Lidar tạo xây dựng mô hình số địa hinh với mật độ điểm dày đặc Đặc biệt Lidar xây dựng mô hình số theo tầng ứng với loại đối tượng Trong phần mềm xử lý liệu có công cụ lọc, dùng để loại bỏ điểm độ cao đối tượng không nằm mặt đất để tạo mô hình số địa hình (DTM) Một sản phẩm đặc dụng sau trình xử lý Lidar tạo ảnh trực chiếu cường độ xám Khi hệ thống Lidar tích hợp với máy chụp ảnh số ảnh màu trueorthophoto tạo nhờ mô hình số bề mặt DSM thông số định hướng xác ảnh chụp Sản phẩm trueorthophoto sản phẩm ảnh màu lý tưởng cho công tác điều vẽ, số hoá biên tập đối tượng địa vật mặt đất trình tạo sở liệu GIS hay nội dung đồ Ở Việt Nam, Lidar số đơn vị trực thuộc Bộ Tài nguyên Môi trường (Công ty đo đạc ảnh địa hình, Trung tâm viễn thám) kết hợp với đơn vị nước có thiết bị Lidar nghiên cứu ứng dụng thử nghiệm Cần thơ, Bắc Ninh, Bắc Giang, Nam Định, Thái Bình, Hưng Yên, Phủ Lý Qua kết thử nghiệm Việt Nam cho thấy công nghệ Lidar có tính vượt trội rõ rệt so với công nghệ truyền thống Lidar tạo DTM với hiệu suất cao, độ xác độ cao tốt, tốc độ nhanh Lidar biểu diễn chi tiết địa hình bề mặt trái đất vùng địa hình khó khăn, phức tạp, che phủ thực điều kiện thời tiết khắc nghiệt, ngày đêm Hệ thống Lidar hữu hiệu, đem lại lợi ích đặc biệt thi công vùng sâu, 69 vùng xa, vùng khó khăn giao thông, địa hình phức tạp cần thời gian cực ngắn Tóm lại, khả ứng dụng công nghệ Lidar lớn có hiệu đặc biệt việc xây dựng, thành lập đồ 3D khu vực đô thị Việc ứng dụng công nghệ Lidar đem lại hiệu lớn nhiều lĩnh vực: Việc ứng dụng công nghệ Lidar góp phần đẩy nhanh tiến độ thực dự án, công trình thành lập đồ, xây dựng sở liệu, góp phần nâng cao hiệu kinh tế, nâng cao chất lượng sản phẩm, cung cấp thông tin, sản phẩm phục vụ đa mục đích sản phẩm phục vụ an ninh, quốc phòng Trang bị công nghệ Lidar giúp tiếp cận với công nghệ tiên tiến giới, góp phần nâng cao trình độ khoa học công nghệ lĩnh vực đo đạc đồ Độ xác công nghệ Lidar lập mô hình số độ cao với độ xác từ 0.15m – 0.5m Dùng công nghệ Lidar có giá thành rẻ từ 1.5 - lần so với công nghệ truyền thống, thời gian hoàn thành sản phẩm nhanh gấp - lần có khả nămg thực khu vực diện tích lớn Công nghệ Lidar phục vụ nhiều nhiệm vụ mà khó khăn sử dụng công nghệ khác khảo sát, đánh giá số lượng rừng, khảo sát lập tuyến tải điện cao thế, đường ống dẫn dầu, đường cao tốc, khảo sát đánh giá tuyến đê bao, khu vực ngập lụt phục vụ phòng chống lũ lụt… Công nghệ Lidar phát huy rõ rệt hiệu kinh tế chất lượng phục vụ kịp thời cho công việc như: - Lập DTM độ xác 0.15m – 0.20m phục vụ phòng chống lũ lụt thuộc dự án đồng Nam Bộ, đồng Bắc Bộ, dải ven biển miền Trung dự án phòng chống trượt lở đất khu vực miền núi Lập DTM đồ 3D phục vụ xây dựng sở liệu địa lý độ xác cao cho đô thị, thành phố Việt Nam 70 - Ứng dụng công nghệ Lidar để thành lập sở liệu địa lý độ xác cao phục vụ GIS thành lập đồ địa hình tỷ lệ lớn (1/1000, 1/2.000) vùng đô thị với mục đích giảm giá thành tăng độ xác sản phẩm Tuy nhiên để đầu tư công nghệ Lidar có hiệu cao nhất, phù hợp với mục đích đặt đòi hỏi phải nghiên cứu ứng dụng cách thận trọng cụ thể hệ thống Lidar 71 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Công nhệ Lidar phục vụ cho công tác lập mô hình số địa hình (DTM) đồ không gian (3D) độ xác cao bước đột phá việc ứng dụng công nghệ kỹ thuật tiên tiến để tạo lập sản phẩm có chất lượng độ xác cao đáp ứng yêu cầu nhiệm vụ phát triển kinh tế bảo vệ an ninh quốc phòng giai đoạn Ứng dụng công nghệ Lidar lập đồ không gian 3D mang lại hiệu kinh tế cao, đảm bảo độ xác nâng cao suất lao động, nâng cao chất lượng sản phẩm Hệ thống công nghệ quét Laser mặt đất Lidar thiết bị đặc biệt chuyên ngành có vài nhà sản xuất giới cung cấp Do thực cần dựa tình hình thực tế để áp dụng hệ thống Lidar cho phù hợp với yêu cầu, mục đích Công nghệ LIDAR có ưu công nghệ khác lập đồ 3D khu vực đô thị, đặc biệt trường hợp cần xây dựng mô hình đô thị thời gian ngắn bao gồm mô hình bề mặt mặt đất mô hình nhà cửa với hình dạng chi tiết Trong ứng dụng dạng này, người ta thường kết hợp liệu lidar với tài liệu khác trình thành lập đồ 3D như: liệu GIS có sẵn khối nhà, ảnh hàng không vệ tinh để đạt kết tốt Bản đồ 3D thành lập từ liệu Lidar đem lại hiệu cao nhiều mặt đạt chất lượng tốt Đề nghị nghiên ứu, ứng dụng rộng rãi Việt Nam Ngoài cần nghiên cứu, ứng dụng công nghệ tự động xây dựng khối nhà 3D từ liệu Lidar để xây dựng đồ 3D hiệu Bản đồ 3D khu vực thử nghiệm thành phố Bắc Giang thành lập dựa nguồn liệu Lidar năm 2007 nguồn tài liệu bổ trợ đồ địa bình đồ ảnh trực giao hàng không tỷ lệ 1/2000… thể hiện, mô 72 đối tượng 3D cách trực quan, rõ ràng đặc biệt đối tượng nhà cửa, đảm bảo thông tin thuộc tính độ cao nhà, chu vi, diện tích nhà Tuy nhiên để thể đối tượng nhà cửa mức độ chi tiết cao hơn, gán với hình ảnh thật thực địa điều tra bổ sung thông tin thuộc tính kiểu nhà, số tầng nhà… đòi hỏi nhiều công sức thời gian mà phạm vi đề tài này, tác giả chưa thể mô toàn 1474 nhà 3D có gán hình ảnh thật Ngoài ra, ký hiệu cối, thực vật nói chung cần nhiều thời gian, công sức để lấy hình ảnh thật phục vụ việc thể đối tượng đồ 3D thể hiệu Mặc dù vậy, sản phẩm đáp ứng toàn nội dung đồ 3D cần thể mức độ khái quát Kiến nghị Với số ưu điểm vượt trội công nghệ Lidar so với công nghệ khác nay, đề nghị ứng dụng rộng rãi công nghệ việc thành lập đồ 3D khu vực đô thị Ngoài ra, đồ 3D sản phẩm mang lại hiệu sử dụng cao cho nhiều ứng dụng khác nhau, đặc biệt cho công tác quản lý, quy hoạch phát triển đô thị, cần nghiên cứu hoàn thiện quy trình phục vụ phát triển kinh tế xã hội Đối với quy trình thành lập đồ 3D nay, việc thể khối nhà chủ yếu dựa vào ranh giới vẽ (số hóa) từ ảnh hàng không trực giao từ đồ địa để dựng nên khối nhà, cần nghiên cứu hoàn thiện việc nhận dạng vector hóa tự động mô hình hóa tự động khối nhà 3D Qua sản phẩm thử nghiệm mảnh đồ 3D tỷ lệ 1/2000 thành phố Bắc Giang, tác giả nhận thấy sản phẩm đảm bảo độ xác theo yêu cầu tỷ lệ đồ cần thành lập Ngoài ra, sản phẩm đồ 3D có ý nghĩa sử dụng thực tế, sản phẩm giúp cho nhà quản lý đô thị phân tích, đưa 73 phương án quy hoạch cách chi tiết hiệu nhiều so với việc sử dụng đồ 2D truyền thống Do đó, dựa nguồn liệu Lidar, đồ địa tư liệu ảnh hàng không có, nên thành lập đồ 3D cho toàn thành phố để nâng cao hiệu công tác quản lý, quy hoạch phát triển đô thị thành phố Bắc 74 ... pháp nghiên cứu Chương Quy trình ứng dụng công nghệ Lidar thành lập đồ 3D Chương Ứng dụng công nghệ liệu Lidar thành lập đồ 3D thành phố Bắc Giang CHƯƠNG CỞ SỞ LÝ LUẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU... nội dung nghiên cứu sau 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. .. để thành lập đồ 3D hiệu quả, đồ tỷ lệ lớn, đòi hỏi độ xác cao 1.3.3 Các phương pháp nghiên cứu thành lập đồ 3D Có nhiều phương pháp áp dụng để thành lập đồ 3D: sử dụng ảnh máy bay; thành lập