XÂY DỰNG MÔ HÌNH SỐ BỀ MẶT VÀ BẢN ĐỒ TRỰC ẢNH SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ ĐO ẢNH MÁY BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI (UAV)

17 923 3
XÂY DỰNG MÔ HÌNH SỐ BỀ MẶT VÀ BẢN ĐỒ TRỰC ẢNH SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ ĐO ẢNH MÁY BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI (UAV)

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

Thông tin tài liệu

See discussions, stats, and author profiles for this publication at: https://www.researchgate.net/publication/305386563 Xây dựng mô hình số bề mặt và bản đồ trực ảnh sử dụng công nghệ đo ảnh máy bay không người lái (UAV) Conference Paper · July 2016 DOI: 10.13140/RG.2.1.4675.4803 CITATIONS READS 3,679 7 authors, including: Dieu Tien Bui Van Cam Nguyen University College of Southeast Norway Vietnam Academy of Science and Technology 93 PUBLICATIONS 1,423 CITATIONS 5 PUBLICATIONS 27 CITATIONS SEE PROFILE SEE PROFILE Hoàng Mạnh Hùng Nguyen Quang Minh 89 PUBLICATIONS 2,620 CITATIONS Hanoi University of Mining and Geology SEE PROFILE 15 PUBLICATIONS 196 CITATIONS SEE PROFILE Some of the authors of this publication are also working on these related projects: BIOMASS ESTIMATION OF MANGROVE SPECIES USING REMOTE SENSING DATA, MACHINE LEARNING AND FIELD MEASUREMENTS View project Flash Flood Detection and Modeling using SAR Images and Data mining in High-Frequency Tropical Cyclone Regionn View project All content following this page was uploaded by Dieu Tien Bui on 17 July 2016 The user has requested enhancement of the downloaded file Hội nghị Khoa học: Đo đạc Bản đồ với ứng phó biến đổi khí hậu XÂY DỰNG MÔ HÌNH SỐ BỀ MẶT VÀ BẢN ĐỒ TRỰC ẢNH SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ ĐO ẢNH MÁY BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI (UAV) TS Bùi Tiến Diệu1, TS Nguyễn Cẩm Vân2, Th.S Hoàng Mạnh Hùng3, TS Đồng Bích Phương4, TS Nhữ Việt Hà5, TS.Trần Trung Anh6, TS Nguyễn Quang Minh6 (1) Bộ môn Hệ Thông Tin Địa Lý – Trường Đại học Đông Nam Nauy (2) Viện Địa Lý – Viện Khoa Học Công Nghệ Việt Nam (3) Công ty TNHH MTV Trắc Địa-Bản Đồ, Cục Bản đồ Quân Đội (4) Phòng Nghiên cứu Bản đồ GIS - Viện Khoa Học Đo Đạc Bản Đồ (5) Bộ môn Địa chất Công trình, Khoa Khoa học Kỹ thuât Địa chất- Đại Học Mỏ Địa chất Hà Nội (6) Khoa Trắc Địa-Bản Đồ Quản lý Đất Đai- Đại Học Mỏ Địa chất Hà Nội Tóm tắt: Trên giới thành lập đồ công nghệ đo ảnh máy bay không người lái (UAV) máy ảnh thông thường ngày sử dụng rộng rãi ngành trắc địa- đồ, nhiên công nghệ tương đối Việt Nam Mục đích báo trình bày quy trình công nghệ sử dụng ảnh máy bay không người lái, xây dựng sản phẩm đồ (mô hình số bề mặt, mô hình số độ cao, đồ trực ảnh, đồ 3D) Nội dung cụ thể bao gồm: (1) Quy trình thiết kế bay chụp, tính toán độ cao máy bay, số đường bay, số ảnh chụp tổng thời gian bay chụp; (2) Các phần mềm mã nguồn mở phần mềm thương mại sử dụng cho công tác xử lý ảnh thu nhận; (3) Công tác thiết kế điểm khống chế mặt đất phục vụ cho công tác bay chụp; (4) Thực nghiệm bay chụp với máy bay Phantom Profressional trang bị máy ảnh kênh RGB Sony EXMOR; (5) Đánh giá độ xác, kết luận ưu nhược điểm công nghệ số giải pháp nâng cao độ xác Từ khóa: Công nghệ UAV,mô hình số bề mặt, đồ trực ảnh GIỚI THIỆU Hiện công nghệ sử dụng máy toàn đạc điện tử định vị vệ tinh (GNSS) sử dụng rộng rãi thu thập liệu mặt đất phục vụ cho công tác địa chính, trắc địa địa hình, xây dựng dân dụng thiết kế kiến trúc, độ xác cao, cm [1] Nhược điểm hai công nghệ giá thành cao tiêu tốn thời gian tương đối lớn Thêm nữa, hai công nghệ khó thực khu vực đo vẽ có địa hình phức tạp, điều kiện Hà Nội, tháng - 2016 Hội nghị Khoa học: Đo đạc Bản đồ với ứng phó biến đổi khí hậu môi trường khu đo gây nguy hiểm cho sức khỏe Do vậy, công nghệ quét Laser mặt đất (Terrestrial Laser Scanning -TLS) công nghệ bay quét LiDAR (Light Detection and Ranging) phát triển, sử dụng thay cho hai công nghệ nêu bên [2] Điểm thuận lợi công nghệ TLS việc sử dụng vận hành không phức tạp, phù hợp cho dự án có diện tích vừa nhỏ Về lý thuyết, khoảng cách quét lên đến 6000 m [3] Đối với dự án đòi hỏi độ xác cao, độ xác điểm quét đạt đến mm (ví dụ cho máy Trimble TX5 Laser Scanning với khoảng cách quét 120 m) Do công nghệ TLS sử dụng tương đối rộng rãi Nauy nước Tây Âu Nhược điểm công nghệ TLS là, không thích hợp với dự án có diện tích lớn có địa hình phức tạp, phải di chuyển nhiều trạm máy quét bề mặt địa hình Do hạn chế ba công nghệ nêu trên, công nghệ bay quét LiDAR (sau gọi tắt công nghệ LiDAR) phát triển công nghệ thay cho công nghệ Điểm bất lợi LiDAR giá thành trang thiết bị cao (thấp khoảng 60,000 USD) Thực tế, công tác đo đạc đồ, yếu tố giá thành sản phẩm đóng vai trò quan trọng việc lựa chọn công nghệ sử dụng Do đó, việc thúc đẩy phát triển ứng dụng công nghệ với giá thành thấp cấp thiết Thời gian gần đây, với phát triển công nghệ định vị vệ tinh, công nghệ máy bay không người lái (Unmanned Aerial Vehicles-UAV), thuật toán tự động xử lý ảnh, khôi phục mô hình chiều (Structure-from-Motion, SfM), giá thành trang thiết bị cho công nghệ đo vẽ sử dụng UAV giảm xuống mạnh Khảo sát cho thấy công nghệ ứng dụng thành công rộng rãi nhiều lĩnh vực công tác đo đạc thành lập đồ [2, 4, 5], giao thông [6], sản xuất nông nghiệp [7, 8], nghiên cứu địa chất [9], nghiên cứu môi trường [6, 10] Ngoài việc giá thành tương đối thấp, công nghệ UAV với máy ảnh phổ thông dễ dàng thu nhận ảnh số với độ phân giải cao (mm, cm), điều kiện địa hình phức tạp, môi trường nguy hiểm Thêm nữa, phần mềm mã nguồn mở phần mềm thương mại tích hợp thuật toán SfM, cho phép gần hoàn toàn tự động xử lý ảnh, xây dựng sản phẩm đồ (mô hình số bề mặt, mô hình số độ cao, đồ trực ảnh, đồ 3D, video) Người sử dụng công nghệ không thiết phải có kiến thức sâu công nghệ đo ảnh truyền thống Chính công nghệ UAV hứa hẹn ứng dụng rộng rãi vào lĩnh vực khác Điểm cần bổ sung công nghệ này, quy trình tính toán, công nghệ thiết kế bay chụp UAV cho đạt độ xác mong muốn sản phẩm đồ, cho mục đích cụ thể Mục đích báo trình bày quy trình công nghệ thiết kế bay chụp, đo ảnh UAV phục vụ thành lập sản phẩm đồ mô hình số bề mặt, mô hình số độ cao, đồ trực ảnh, đồ 3D Các nội dung bao gồm: (1) Quy trình thiết kế bay chụp, tính toán độ cao máy bay, số đường bay, số ảnh chụp tổng thời gian bay chụp; (2) Các phần mềm mã Hà Nội, tháng - 2016 Hội nghị Khoa học: Đo đạc Bản đồ với ứng phó biến đổi khí hậu nguồn mở phần mềm thương mại sử dụng cho công tác xử lý ảnh thu nhận, thành lập sản phẩm đồ khác nhau; (3) Công tác thiết kế, xác định kích thước điểm khống chế mặt đất phục vụ cho công tác bay chụp; (4) Thực nghiệm bay chụp với máy bay Phantom Profressional, trang bị máy ảnh kênh RGB Sony EXMOR, khu vực trường Đại học Đông Nam Nauy Bø i Telemark; (5) Cuối cùng, công tác đánh giá độ xác, kết luận ưu nhược điểm công nghệ, thảo luận số giải pháp nâng cao độ xác QUY TRÌNH THIẾT KẾ BAY CHỤP Công tác thiết kế bay chụp bao gồm tính toán độ cao bay UAV, xác định độ phủ dọc độ phủ ngang ảnh, thiết kế tính toán số đường bay, ước tính tổng số ảnh cần chụp tổng dung lượng ảnh, tính tốc độ chụp tổng thời gian bay Chi tiết giải thích công tác thiết kế bay chụp ảnh nói chung, bạn đọc xem thêm tài liệu Morgan and Falkner [11] Các tham số cho công tác thiết kế bay chụp xác định tùy thuộc vào diện tích bay chụp độ xác sản phẩm đồ Sau đó, chúng nhập vào phần mềm quản lý thực bay chụp Pix4Dcapture, Mission Planner, Dji Ground Control Station, UgCS Thông tin đường dẫn để tải phần mềm trình bày Bảng 2.1 Thiết kế độ cao bay UAV dựa kích cỡ điểm ảnh cho trước Vì kích cỡ cảm biến thu nhận ảnh máy ảnh cố định, độ phân giải điểm ảnh (kích thước pixel) bị chi phối độ cao bay chụp Kích cỡ điểm ảnh ảnh hưởng đến độ xác sản phẩm đồ Mối quan hệ độ cao bay chụp độ phân giải điểm ảnh [12] thể công thức (1) đây: HBC  (imW*GSD*FL) / (SSw*100) (1) Với H BC độ cao bay thiết kế cho UAV (m); GSD (Ground Sample Distance) kích cỡ điểm ảnh cần chụp (cm); imW (image width) độ rộng ảnh chụp tính pixel; FL (focal length) độ dài tiêu cự máy ảnh; SSw (sensor width) chiều rộng cảm biến thu nhận ảnh máy ảnh Ví dụ: Nếu kích cỡ điểm ảnh thiết kế cho dự án cm UAV sử dụng máy ảnh Sony EXMOR có FL 3.6 mm, imW 4000 pixel, SSw 6.31 mm Độ cao bay UAV tính 68.46 m 2.2 Tính tổng số đường bay UAV Tổng số đường bay UAV phụ thuộc vào độ phủ ngang ảnh tính toán dựa công thức sau [11]: FStrip  WidthPr/ [M*SSh*((100  Q%) /100)] Hà Nội, tháng - 2016 (2) Hội nghị Khoa học: Đo đạc Bản đồ với ứng phó biến đổi khí hậu Với Fstrip tổng số đường bay cần tính; WidthPr độ rộng khu vực cần bay chụp; M mẫu số tỷ lệ ảnh (có thể tính công thức FL/ H BC ); SSh (Sensor height) chiều cao cảm biến thu nhận ảnh máy ảnh; Q độ phủ ngang ảnh (%) Ví dụ: Khu đo có kích cỡ 168 m dài x 156 m rộng; Độ phủ ngang ảnh 65%; SSh máy ảnh Sony EXMOR 4.72 mm; M 19000, tổng số đường bay đường bay (làm tròn) 2.3 Tính tổng số ảnh cần chụp tổng dung lượng ảnh số Tổng số ảnh cần chụp từ UAV phụ thuộc vào độ cao bay chụp (tỷ lệ ảnh) độ phủ dọc, tính toán công thức sau[11]: TSA  Length Pr/ (M*SSw*[(100  P%) /100] (3) Với TSA tổng số ảnh cần chụp khu đo; M mẫu số tỷ lệ ảnh; SSw chiều rộng cảm biến máy ảnh; P độ phủ dọc ảnh (%) Ví dụ: Độ dài khu chụp 168 m, P 80%, SSw máy ảnh Sony EXMOR 6.30 mm, M 19000, tổng số ảnh cho đường bay tính là ảnh (làm tròn) Cộng thêm hai ảnh đầu cuối đường bay để phủ trùm khu bay chụp, tổng số ảnh ảnh x đường bay 45 ảnh Tổng dung lượng ảnh 45 ảnh x Mb = 225 Mb (mỗi ảnh có dung lượng cho trước ≈ Mb) 2.4 Tính toán tốc độ chụp (shooting rate capture rate) Tốc độ chụp ảnh phụ thuộc vào vận tốc bay UAV tính theo công thức sau đây: vChup  ((imH / imW*GSD) /100)*((100  P%) /100) / v (4) Với vChup tốc độ chụp ảnh; imH imW chiều cao chiều rộng ảnh (tính theo đơn vị pixel); GSD kích cỡ điểm ảnh; P độ phủ dọc (%); v vận tốc bay UAV Vì chiều cao chiều rộng cảm biến thu nhận ảnh máy ảnh khác nhau, tốc độ chụp ảnh phụ thuộc vào việc máy ảnh đặt song song hay vuông góc với hướng bay (dễ dàng điều chỉnh), vậy, imH hay imW chọn Hình (a) Máy ảnh đặt vuông góc với hướng bay; (b) máy ảnh đặt song song với hướng bay (ảnh trích từ nguồn Pix4D ) Hà Nội, tháng - 2016 Hội nghị Khoa học: Đo đạc Bản đồ với ứng phó biến đổi khí hậu Ví dụ: Nếu máy ảnh Sony EXMOR đặt vuông góc với hướng bay, imH (3000 pixel ) sử dụng; GSD cm, độ phủ dọc 80%, tốc độ bay UAV 5m/s, tốc độ chụp tính 3.6s/ảnh PHẦN MỀM XỬ LÝ ẢNH CHỤP TỪ UAV Sona, Pinto [12] rằng, độ xác sản phẩm đồ thành lập từ công nghệ UAV phụ thuộc vào phần mềm thuật toán SfM (Structure-from-Motion) xử lý ảnh sử dụng Để lựa chọn phần mềm phù hợp, cần phải có thông tin chi tiết phần mềm xử lý ảnh chụp UAV Bảng trình bày thông tin đường dẫn tải phần mềm miễn phí phần mềm thương mại sử dụng rộng rãi Bảng tác giả thống kê cập nhật sở nghiên cứu Bemis, Micklethwaite [9] Đặc điểm phần mềm tích hợp thuật toán SfM trình xử lý ảnh thành lập sản phẩm đồ tự động mức cao Cơ chế hoạt động thuật toán SfM gồm bước sau: Bước 1, điểm “khóa” (key point features gọi tie point) ảnh tự động phát chiết xuất, sau sở liệu (3D point cloud) xây dựng; Bước 2, trình khớp ảnh tự động thực cặp ảnh, dựa vào điểm điểm “khóa” nằm phần phủ dọc phủ ngang [13]; Bước cuối trình bình sai khối tam giác ảnh không gian tiến hành để xác định tham số định hướng trong, định hướng ngoài, nội suy tọa độ 3D cho điểm ảnh [13-15] Bảng Danh sách tổng hợp phần mềm miễn phí, thương mại, phần mềm thiết kế bay chụp cho công nghệ đo ảnh UAV Stt Tên phần mềm Đường dẫn nguồn Các phần mềm miễn phí http://tacticalspace.org/archives/bundler-photogrammetry-package/ Bundler Photogrammetry Package SFMToolkit http://www.visual-experiments.com/demos/sfmtoolkit/ Python Photogrammetry http://code.google.com/p/osm-bundler/ Toolbox VisualSFM http://www.cs.washington.edu/homes/ccwu/vsfm 3DF Samantha http://www.3dflow.net/technology/ OpenDroneMap www.opendronemap.org SFM_georef http://www.lancaster.ac.uk/staff/jamesm/software/sfm_georef.htm Các phần mềm Websites dich vụ xử lý ảnh có trả phí Pix4D http://pix4d.com/ Autodesk 123D Catch http://www.123dapp.com/catch/ 10 My3DScanner http://www.my3dscanner.com/ 11 CMP SfM Web service http://ptak.felk.cvut.cz/sfmservice/ 12 Arc3D http://www.arc3d.be/ 13 Photosynth http://photosynth.net/ Các phần mềm thương mại Hà Nội, tháng - 2016 Hội nghị Khoa học: Đo đạc Bản đồ với ứng phó biến đổi khí hậu 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Agisoft PhotoScan http://www.agisoft.ru/products/photoscan Acute3D http://www.acute3d.com/ PhotoModeler http://www.photomodeler.com 3DF Zephyr Pro http://www.3dflow.net/ The Ortho-Engine the PCI http://www.pcigeomatics.com/software/geomatica/education V10.0 software DroneMapper http://dronemapper.com/ SimActive Correlator3D http://www.simactive.com/en/uav Các phần mềm thiết kế thực bay chụp Mission Planner http://ardupilot.com/downloads/?did=82 Dji Ground Control Station http://www.dji.com/product/phantom-3-pro Software UgCS http://www.ugcs.com/en/page/download Pix4Dcapture https://pix4d.com/product/pix4dcapture-app/ PHẦN THỰC NGHIỆM Phần thực nghiệm tiến hành Phantom Professional UAV trang bị máy ảnh Sony EXMOR Khu vực bay chụp khuôn viên Đại học Đông Nam Nauy (59o24’30’’Bắc, 0o03’33’’Đông) Khu vực chọn có sẵn số điểm khống chế trắc địa, phục vụ cho việc đánh giá độ xác Độ rộng khu đo 168 x 156 m độ cao so với mực nước biển 78 m (được đo từ Google Earth) Để thuận lợi khôi phục mô hình chiều từ ảnh, độ phủ dọc độ phủ ngang ảnh chọn 80% Theo quy định hành Nauy UAV có trọng lượng nhỏ 2.5 kg, độ cao cao phép bay 120 m so với mặt đất Tốc độ tối đa phép bay 30 m/s Các UAV phép bay tầm mắt nhìn thấy Do điểu kiện thời tiết, chọn thời gian bay 12 h trưa Hình Phantom Professional UAV máy ảnh Sony EXMOR (chụp Bùi Tiến Diệu tháng 5/2016) Hà Nội, tháng - 2016 Hội nghị Khoa học: Đo đạc Bản đồ với ứng phó biến đổi khí hậu 4.1 Các thông số Phantom Professional UAV máy ảnh Sony EXMOR Phantom Professional UAV nhỏ có tổng trọng lượng 1.28 kg, chiều cao 185 mm rộng UAV 289 mm (Hình 2) Với 04 mô tô điện, UAV có khả cất hạ cánh thẳng đứng, UAV tích hợp công nghệ GPS (Global Positioning System) and GLONASS (Global Navigation Satellite system) Theo vị trí hướng bay quản lý điều chỉnh thông qua hệ thông Inertial Measuring Unit (IMU) cảm biến khí áp (barometric sensor) UAV điều khiển thông qua hệ thống Radio Control (RC), thông tin tình trạng pin, tín hiệu GNSS (GPS and GLONASS), độ cao UAV góc quay máy ảnh cập nhật trạm điều khiển Về mặt lý thuyết, tổng thời gian bay dài Phantom Professional 23 phút, tốc độ bay lớn đạt 16m/s, chịu sức cản gió cao 20 m/s, lý thuyết hoạt động điều kiện nhiệt độ từ 0o đến 40o[16] Các thông tin chi tiết khác Phantom Professional UAV xem Dji [17] UAV tích hợp máy ảnh phổ thông Sony EXMOR gồm 03 kênh Red, Green Blue Tiêu cự máy ảnh 3.61 mm với độ f/2.8 góc nhìn (field-of-view, FOV) 94o Kích cỡ cảm biến chụp 6.30 x 4.72 mm, tương ứng với kích cỡ ảnh chụp 4000 x 3000 pixels Máy ảnh tích hợp sẵn Micro-SD cạc với dung lượng 16 GB sử dụng định dạng FAT32/exFAT Các ảnh chụp lưu trữ dạng số, sử dụng chuẩn nén JPEG DNG 4.2 Thiết kế đo đạc tọa độ điểm khống chế mặt đất Vì sản phẩm đồ từ công nghệ UAV cần thể hệ tọa độ quy chiếu quốc gia (hệ quy chiếu EUREF89 Nauy), công tác chuyển đổi tọa độ bắt buộc Công tác thực thông qua hai phương pháp: (i) chuyển đổi trực tiếp dựa tham số máy ảnh tọa độ GPS UAV (ii) dựa vào điểm khống chế mặt đất GPS, cung cấp cho phần mềm xử lý ảnh Turner, Lucieer [18] rằng, phương pháp thứ hai cho độ xác cao hơn, lựa chọn cho thực nghiệm Hình Kích cỡ điểm khống chế mặt đất phục vụ công tác bay chụp công nghệ UAV Hà Nội, tháng - 2016 Hội nghị Khoa học: Đo đạc Bản đồ với ứng phó biến đổi khí hậu Vì điểm khống chế mặt đất thể thành pixel ảnh chụp từ UAV, kích thước điểm khống chế phải đủ lớn để đọc ảnh Tuy nhiên kích cỡ lớn gây khó khăn xác định tọa độ tâm điểm Theo Morgan and Falkner [11], tùy theo tỷ lệ ảnh, kích thước điểm khống chế ảnh mặt đất tính theo công thức sau: W  M*0.002;L  10*W (5) Với W độ rộng, L độ dài điểm khống chế ảnh; M mẫu số tỷ lệ ảnh (Hình 3) Trong thực nghiệm này, thiết lập tổng số 06 điểm khống chế Các điểm đo phương pháp đo GNSS động (Real Time Kinematic GSNN) sử dụng máy Topcon HiPer GNSS (sau gọi tắt Topcon) Máy Topcon coi trạm đo động (Rover) kết nối với trạm Base (đã nhà nước thiết lập sẵn) toàn quốc (Nauy) thông qua gói cung cấp dịch vụ có tên CPOS từ Cục đồ Nauy (StatensKartverk) Độ xác trung bình cho điểm khống chế GPS nói khoảng 2-3 cm cho mặt khoảng cm cho độ cao Phân bố điểm GPS trình bày Hình 4b Cần giải thích thêm trạm Base GNSS thiết lập phủ trùm toàn quốc quản lý Cục đồ Nauy (độc giả xem thêm http://www.kartverket.no/en/Positioning/) Cục đồ Nauy cung cấp gói dịch vụ định vị cho dân sự, theo thuê bao trả hàng năm có tên DPOS (độ xác decimet), CPOS ( độ xác centimet), MPOS (độ xác mm) Một trạm đo động (Rover) kết nối gói dịch vụ, số cải theo thời gian thực tọa độ gửi trực tiếp trạm Rover, giúp xác định độ xác điểm đo đến dm, cm, mm, tùy theo gói dịch vụ Độ xác sản phẩm đồ nên đánh giá điểm không tham gia trình xử lý ảnh, điểm khống chế độc lập (Fastmerke, FM) sẵn có khu đo dùng cho công tác kiểm tra Các điểm nằm mạng lưới điểm khống chế trắc địa mặt độ cao sẵn có khu vực 4.3 Thiết kế thực trình bay chụp ảnh Quá trình thiết kế bay chụp thực phần mềm Microsoft Excel 2013, sở công thức mục nói Các tham số sau nhập vào phần mềm thiết kế quản lý bay Pix4Dcapture Đây phần mềm miễn phí, chọn cài đặt máy tính bảng, hệ điều hành iOS (với iPhone, iPad) hệ điều hành Android OS (ví dụ Samsung Galaxy Tab) Nhược điểm Pix4Dcapture cho phép thiết kế tối đa đường bay Trong thực nghiệm này, Pix4Dcapture cài iPad mini sử dụng (Hình 4a) Hà Nội, tháng - 2016 Hội nghị Khoa học: Đo đạc Bản đồ với ứng phó biến đổi khí hậu Hình (a) Sơ đồ đường bay cho khu vực nghiên cứu site; (b) Sơ đồ phân bố điểm khống chế mặt đất GPS điểm kiểm tra FM Hình 5: (a) Ảnh chụp cho khu vực thực nghiệm; (b) Cơ sở liệu điểm đám mây (3D point cloud) Các tham số khu đo thiết kế sau: Khu đo có kích cỡ 168 m dài x 156 m rộng, độ phân giải điểm ảnh cm, độ phủ dọc ngang 80%, độ cao bay chụp 60 m so với mặt đất Chế độ bay Safe Mode chọn, giúp trình tự động cất cánh, chụp, hạ cánh hoàn toàn tự động Tổng số 05 đường bay (flight lines) thực với 45 ảnh (Hình 5a) Tổng dung lượng ảnh 225 MB, 06 điểm GPS sử dụng cho khống chế ảnh, 03 điểm độc lập (FM) dùng cho công tác kiểm tra (Bảng 2) Hà Nội, tháng - 2016 Hội nghị Khoa học: Đo đạc Bản đồ với ứng phó biến đổi khí hậu Hình 6: (a) Vị trí máy ảnh chụp, độ phủ ảnh; (b) Phân bố sai số kiểm định máy ảnh Sony EXMOR Quá trình bay chụp thực chế độ bay an toàn (Safe mode), cho phép UAV tự động bay theo chương trình thiết kế, bao gồm tự động cất cánh, bay đến điểm giải bay, dừng lại tiến hành chụp ảnh, sau tự động bay đến điểm khác để chụp theo thiết kế tính toán nạp vào phần mềm Một ảnh cuối chụp xong, UAV tự động bay hạ cánh điểm xuất phát Trong trình bay chụp, số hoạt động UAV máy ảnh liên tục gửi trạm điều khiển, tùy vào độ an toàn UAV (ví dụ tình trạng lượng pin, nguy va chạm với vật thể, động vật không) người điều khiển dừng trình bay tự động để UAV hạ cánh Khi trình bay chụp kết thúc, ảnh chuyển từ Micro-SD cạc máy ảnh vào máy tính để xử lý phần mềm Agisoft PhotoScan Dựa tọa độ thông tin sơ bay chụp, phần mềm xếp ảnh theo trình tự (Hình 5a 6a) Tiếp theo, tổng số 168320 điểm “khóa” (key point features tie points) ảnh tự động phát Cộng thêm 06 điểm GPS mặt đất, sở liệu điểm (3D point cloud) xây dựng phục vụ cho trình khớp ảnh tự động (Hình 5b) Bước tiếp trình tự động xử lý tam giác ảnh không gian AAT (Automatic Aerial Triangulation) tiến hành bao gồm công đoạn xử lý : (i) Tính toán tham số định hướng dựa sở liệu điểm bước trên; (ii) Thực bình sai khối theo phương pháp số bình phương nhỏ (least squares block adjustment) Bước tiếp, trình nội suy (building mesh) tiến hành để xây dựng mô hình số bề mặt (Hình 7a) đồ trực ảnh (Hình 7b) 4.4 Đánh giá độ xác Hà Nội, tháng - 2016 Hội nghị Khoa học: Đo đạc Bản đồ với ứng phó biến đổi khí hậu Đánh giá độ xác sản phẩm đồ khâu quan trọng, thiếu công tác này, sản phẩm đồ ý nghĩa sử dụng, kết nghiên cứu ý nghĩa khoa học Độ xác đồ đánh giá sở sử dụng công thức sau [11]: RMSE  E2 / n;E2   i 1 ei2 ;e  vmap  vtest n (6) Với vmap tọa độ x, tọa độ y, tọa độ z đồ; vtest tọa độ x, tọa độ y, tọa độ z điểm khống chế; RMSE sai số trung phương; n tổng số điểm kiểm tra Bảng Đánh giá độ xác mô hình số bề mặt khu vực thực nghiệm Tên điểm khống chế GPS1 GPS3 GPS4 GPS5 GPS8 GPS9 FM8 FM18 FM14 Độ cao đo GPS (m) 72.317 71.883 74.474 73.975 76.82 74.538 71.339 73.122 73.691 Cao độ mô hình số bề mặt (m) 72.387 71.954 74.465 73.859 76.786 74.505 71.203 72.999 73.726 Sai số (cm) -7.0 -7.1 0.9 11.6 3.4 3.3 13.6 12.3 -3.5 Trong thực nghiệm này, sai số cao độ đánh giá Chi tiết sai số 06 điểm khống chế mặt đất GPS điểm kiểm tra FM (Fastmerke) trình bày Bảng Theo công thức (6), sai số trung phương cho điểm GPS, RMSE = 6.57 cm Sai số trung phương cho điểm kiểm tra độc lập FM, RMSE =10.76 cm Hà Nội, tháng - 2016 Hội nghị Khoa học: Đo đạc Bản đồ với ứng phó biến đổi khí hậu Hình 7: (a) Mô hình số bề mặt khu vực thực nghiệm; (b) Bản đồ trực ảnh cho khu vực thực nghiệm BÀN LUẬN VÀ KẾT LUẬN Bài báo trình bày chi tiết quy trình sử dụng thiết bị máy bay không người lái (UAV) để chụp ảnh mặt đất, thành lập sản phầm đồ (mô hình số bề mặt, đồ trực ảnh, đồ 3D) Thực nghiệm tiến hành khu đo tương đối nhỏ 168 x 156 m khuôn viên trường Đại học Đông Nam Nauy, sử dụng Phantom Professional UAV với máy ảnh thông thường Sony EXMOR Tính toán thiết kế thông số bay chụp phần mềm Microsoft Excel 2013, chuyển tham số vào phần mềm quản lý điều khiển bay Pix4Dcapture cài đặt máy tính bảng iPad Từ nghiên cứu này, rút số điểm sau: (i) Công nghệ UAV rõ ràng có ưu điểm giá thành sản phẩm thấp (khoảng 1000 USD cho Drone Phantom profesonal camera), thời gian sản phẩm nhanh, trình xử lý ảnh thành lập đồ không phức tạp, phần lớn tự động, hạn chế sai sót can thiệp người Công nghệ phù hợp cho vùng địa hình khó tiếp cận khu vực có môi trường nguy hiểm Trong thực nghiệm này, tổng thời gian bay khoảng 10 phút, khoảng 15-phút để thiết lập, đo đạc điểm khống chế ảnh mặt đất (ii) Độ xác đồ thành lập từ công nghệ UAV thấp so với phương pháp đo đạc truyền thống, phương pháp đo đạc máy toàn đạc điện tử công nghệ đo GPS Độ xác độ cao tương đương với công nghệ bay quét LiDAR, thấp so với phương pháp sử dụng máy quét Laser mặt đất [2] Uysal, Toprak [4] sai số trung phương độ cao (RMSE) cho mô hình số độ cao từ công nghệ UAV khoảng 6.62 cm Thực nghiệm từ nghiên cứu cho thấy RMSE =10.76 cm Thực tế, RMSE bị ảnh hưởng nhiều nhân tố [19]: (i) thông số máy ảnh sử dụng; (ii) mật độ phân bố điểm khống chế mặt đất; (iii) tính chất địa hình khu đo Tuy nhiên nghiên cứu tiến hành khu đo nhỏ, nên thông số (i) (ii) nguyên nhân định trị số RMSE Liên quan đến mật độ phân bố điểm khống chế mặt đất, Gómez-Candón, LópezGranados [20] dùng 80 điểm/ 80 kết luận rằng, việc tăng số lượng điểm khống chế mặt đất giúp tăng độ xác sản phẩm đồ Tuy nhiên Gómez-Candón, De Castro [21] việc tăng số điểm khống chế không thiết tăng độ xác đồ (họ dùng 45 điểm/ha) Do vậy, điểm khống chế tối ưu cho khu đo câu hỏi cần nghiên cứu thêm Phân tích phân bố sai số qua 03 điểm kiểm tra độc lập thực nghiệm cho thấy, sai số điểm FM14 thấp, hai điểm FM8 FM18 lại cao Đó điểm GPS1, GPS5, GPS3 dùng cho đăng lý tọa độ ảnh có sai số độ cao lớn (từ 5-6 cm) so với Hà Nội, tháng - 2016 Hội nghị Khoa học: Đo đạc Bản đồ với ứng phó biến đổi khí hậu điểm GPS khác Nguyên nhân điểm nằm gần khối nhà, nên việc nhận tín hiệu vệ tinh số cải từ trạm base nhà nước bị ảnh hưởng Cần lưu ý điểm GPS đo phương pháp RTK CPOS (đã giải thích mục 4.2) Do sai số mô hình khu vực quanh điểm lớn khu vực khác (iii) Độ xác mặt đồ lập từ công nghệ UAV bị ảnh hưởng độ phân giải điểm ảnh, vậy, điều chỉnh độ cao bay chụp (xem công thức 1) để tăng độ phân giải ảnh, giúp tăng độ xác đồ Độ cao bay chụp không ảnh hưởng nhiều đến độ xác độ cao [21] Thông thường, độ xác mặt đạt cao khoảng 1-2 lần kích cỡ điểm ảnh, 1-3 lần kích cỡ điểm ảnh cho độ xác độ cao (iv) Độ xác đồ phụ thuộc vào phần mềm thuật toán xử lý ảnh sử dụng Sona, Pinto [12] sau so sánh độ xác đồ xử lý với phần mềm ảnh khác nhau, kết luận rằng, phần mềm Agisoft PhotoScan cho độ xác cao nhất, khoảng 1.1 lần độ phân giải điểm ảnh, với mặt độ cao Trong phần mềm EyeDEA cho độ xác thấp nhất, khoảng 2.2 lần độ phân giải điểm ảnh cho mặt bằng, 4.3 lần độ phân giải điểm ảnh với độ cao Như vậy, cần xem xét cân nhắc lựa chọn phần mềm xử lý ảnh (v) Điểm hạn chế công nghệ UAV thời gian bay bị giới hạn tùy thuộc vào loại UAV (đối với Phantom Professional, thời gian bay dài lý thuyết 23 phút) Do vậy, dự án có diện tích lớn, phải chia thành nhiều phần nhỏ để tiến hành bay chụp Do quy định điều kiện bay Nauy, UAV phép bay khu vực người điều khiển theo dõi (Line of Sight, LOS), xấp xỉ khoảng km2 từ điểm trung tâm [2] Do thiết phải chia nhỏ khu đo, diện tích bay chụp lớn (v) Cuối cùng, điểm hạn chế lớn quan trọng khác công nghệ UAV mô hình số địa hình (DTM) xây dựng từ ảnh chụp từ UAV có sai số lớn, lớn, khu vực bay chụp có mật độ thực phủ cao, trường hợp này, công nghệ bay quét LiDAR nên xem xét Ngoài yếu tố thời tiết tốc độ gió mưa ảnh hưởng lớn đến trình bay chụp LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu tài trợ Bộ môn Hệ Thông Tin Địa lý (GIS), Trường Đại Học Đông Nam Nauy (USN), Bø i Telemark, No-3800, Norway TÀI LIỆU THAM KHẢO Barry, P and R Coakley, Accuracy of UAV photogrammetry compared with network RTK GPS Int Arch Photogramm Remote Sens., XL-1 W, 2013 2: p 27-31 Hà Nội, tháng - 2016 Hội nghị Khoa học: Đo đạc Bản đồ với ứng phó biến đổi khí hậu 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Hugenholtz, C.H., et al., Earthwork volumetrics with an unmanned aerial vehicle and softcopy photogrammetry Journal of Surveying Engineering, 2014 141(1): p 06014003 RIEGL Terrestrial scanning http://www.riegl.com/nc/products/terrestrialscanning/produktdetail/product/scanner/33/ 2016 Uysal, M., A Toprak, and N Polat, DEM generation with UAV Photogrammetry and accuracy analysis in Sahitler hill Measurement, 2015 73: p 539-543 Siebert, S and J Teizer, Mobile 3D mapping for surveying earthwork projects using an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) system Automation in Construction, 2014 41: p 114 Díaz-Vilariño, L., et al., Determining the limits of unmanned aerial photogrammetry for the evaluation of road runoff Measurement, 2016 85: p 132-141 McNeil, B.E., et al., Measuring leaf angle distribution in broadleaf canopies using UAVs Agricultural and Forest Meteorology, 2016 218: p 204-208 Salamí, E., C Barrado, and E Pastor, UAV flight experiments applied to the remote sensing of vegetated areas Remote Sensing, 2014 6(11): p 11051-11081 Bemis, S.P., et al., Ground-based and UAV-based photogrammetry: A multi-scale, high-resolution mapping tool for structural geology and paleoseismology Journal of Structural Geology, 2014 69: p 163-178 Haas, F., et al., Quantification and analysis of geomorphic processes on a recultivated iron ore mine on the Italian island Elba using long-time ground-based LIDAR and photogrammetric data by an UAV Natural Hazards and Earth System Sciences Discussions, 2015 3: p 6271-6319 Morgan, D and E Falkner, Aerial mapping: methods and applications 2001: CRC Press Sona, G., et al., Experimental analysis of different software packages for orientation and digital surface modelling from UAV images Earth Science Informatics, 2014 7(2): p 97-107 Snavely, N., S.M Seitz, and R Szeliski, Modeling the world from internet photo collections International Journal of Computer Vision, 2008 80(2): p 189-210 Clapuyt, F., V Vanacker, and K Van Oost, Reproducibility of UAV-based earth topography reconstructions based on Structure-from-Motion algorithms Geomorphology, 2015 Gini, R., et al., UAV photogrammetry: Block triangulation comparisons Int Arch Photogram Remote Sens Spat Inf Sci, 2013 Janssen, S., Assessing the perception of drones in the construction industry 2015 Dji, Phantom Professional Quick Start Guide V1.0 2016 Turner, D., A Lucieer, and C Watson, An automated technique for generating georectified mosaics from ultra-high resolution unmanned aerial vehicle (UAV) imagery, based on structure from motion (SfM) point clouds Remote Sensing, 2012 4(5): p 1392-1410 Hà Nội, tháng - 2016 Hội nghị Khoa học: Đo đạc Bản đồ với ứng phó biến đổi khí hậu 19 Vericat, D., et al., Accuracy assessment of aerial photographs acquired using lighter‐than‐air blimps: low‐cost tools for mapping river corridors River Research and Applications, 2009 25(8): p 985-1000 Gómez-Candón, D., et al., Geo-referencing remote images for precision agriculture using artificial terrestrial targets Precision Agriculture, 2011 12(6): p 876-891 Gómez-Candón, D., A De Castro, and F López-Granados, Assessing the accuracy of mosaics from unmanned aerial vehicle (UAV) imagery for precision agriculture purposes in wheat Precision Agriculture, 2014 15(1): p 44-56 20 21 CONSTRUCTION OF DIGITAL SURFACE MODEL AND ORTHOPHOTO USING UAV PHOTOGRAMMETRY TECHNOLOGY Assoc.Prof.Dr Dieu Tien Bui1, Assoc.Prof.Dr Nguyen Cam Van2, Msc Hoang Manh Hung3, Dr Dong Bich Phuong4, Dr Nhu Viet Ha5, Dr.Tran Trung Anh6, Assoc.Prof.Dr Nguyễn Quang Minh6 (1) Geographic Information System group, University College of Southeas Norway, Bø i Telemark, NO-3800, Norway (2) Institute of Geography, Vietnam Academy of Science and Technology, Hanoi, Vietnam (3) Survey and Aerial Mapping One Member Limited Liability Company (SAMCOM Co.Ltd) (4) Department of Cartography GIS – Vietnam Institute of Geodesy and Cartography (5) Department of Engineering Geology, Faculty of Geoscience and Geoengineering, Hanoi University of Mining and Geology (6) Faculty of Geomatics and Land Administration, Hanoi University of Mining and Geology Abstract: UAV photogrammetry technology has widely applied for making maps in the field of surveying and mapping around the world, however this is still a quite new technology in Vietnam The main objective of this study is to propose detailed steps for making map productions (digital surface model, digital elevation model, orthophoto, and 3D map) for this technology The detailed contents are: (1) Designation of the flying height and the flying lines, calculation of total captured images, estimation of total flying time ;(2) Information about free softwares and commertial softwares that could be used for processing of the captured images; (3) Designation of ground control points; (4)Performing an experiment of the psoposed steps of the UAV photogrammetry technology using Phantom Profressional and RGB Sony EXMOR camera; (5) Accuracy assessment, conclusions on advantages and disvantages of the UAV photogrammetry technology, and some suggestions that may help to increase the accuracy of the map productions Hà Nội, tháng - 2016 Hội nghị Khoa học: Đo đạc Bản đồ với ứng phó biến đổi khí hậu Key words: Photogrammetry, UAV, Digital surface model, Digital elevation model, Orthophoto, 3D map Hà Nội, tháng - 2016 View publication stats ...Hội nghị Khoa học: Đo đạc Bản đồ với ứng phó biến đổi khí hậu XÂY DỰNG MÔ HÌNH SỐ BỀ MẶT VÀ BẢN ĐỒ TRỰC ẢNH SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ ĐO ẢNH MÁY BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI (UAV) TS Bùi Tiến Diệu1, TS... nhiên công nghệ tương đối Việt Nam Mục đích báo trình bày quy trình công nghệ sử dụng ảnh máy bay không người lái, xây dựng sản phẩm đồ (mô hình số bề mặt, mô hình số độ cao, đồ trực ảnh, đồ 3D)... lý ảnh, xây dựng sản phẩm đồ (mô hình số bề mặt, mô hình số độ cao, đồ trực ảnh, đồ 3D, video) Người sử dụng công nghệ không thiết phải có kiến thức sâu công nghệ đo ảnh truyền thống Chính công

Ngày đăng: 11/10/2017, 15:08

Từ khóa liên quan

Tài liệu cùng người dùng

  • Đang cập nhật ...

Tài liệu liên quan