Ứng dụng thiết bị bay không người lái (UAV) trong giám sát tiến độ thi công công trình tuyến metro số 1 Bến Thành Suối Tiên

|ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - oOo - * NGUYỄN HỮU NHẬT ỨNG DỤNG THIẾT BỊ BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI (UAV) TRONG GIÁM SÁT TIẾN ĐỘ THI CƠNG CƠNG TRÌNH TUYẾN METRO BẾN THÀNH - SUỐI TIÊN Chuyên ngành: Bản Đồ, Viễn Thám Và Hệ Thống Thông Tin Địa Lý Mã số: 60 44 02 14 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2016 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐHQG.HCM Cán hướng dẫn khoa học: PGS.TS Lê Trung Chơn Cán chấm nhận xét : TS Vũ Xuân Cường Cán chấm nhận xét : TS Phan Hiền Vũ Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 22 tháng 07 năm 2016 Thành phần Hội đồng đánh giả luận văn thạc sĩ gồm: PGS.TS Trần Trọng Đức - Chủ tịch Hội đồng TS Lê Thanh Hòa –Thư ký TS Vũ Xuân Cường - Phản biện TS Phan Hiền Vũ-Phản biện TS Trần Thị Vân-ủy viên Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau Luận văn sửa chữa CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA ĐẠI HỌC QUÓC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHÚ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN HỮU NHẬT MSHV: 13100998 Ngày, tháng, năm sinh: 04-10-1980 Nơi sinh: Thừa Thiên - Huế Chuyên ngành: Bản Đồ, Viễn Thám Và Hệ Thống Thông Tin Địa Lý Mã số: 60440214 I TÊN ĐỀ TÀI: “ứng dụng thiết bị bay không người lái (UAV) giám sát tiến độ thỉ cồng cồng trình tuyến Metro Bến Thành - Suối Tiên” II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: 1) Xây dựng quy trình vận hành khai thác hệ thống UAV Falcon 2) Xử lý ảnh sau bay chụp để tạo sản phẩm ảnh trực giao, mơ hình DSM xây dựng hiển thị mơ hình 3D 3) Đánh giá độ xác mặt sản phẩm ảnh sau xử lý dụa vào điểm khống chế mặt đất 4) Đánh giá so sánh độ cao mơ hình DSM với liệu LiDAR 5) Xây dựng chương trình hỗ trợ theo dõi tiến độ thi cơng cơng trình III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 11/01/2016 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 17/06/2016 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS Lê Trung Chơn Tp HCM, ngày 17 tháng 06 năm 2016 CÁN Bộ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) CHỦ NHIỆM Bộ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG (Họ tên chữ ký) Luận Văn Thạc Sĩ Lời Cám ơn Để có kiến thức nhát định cho việc hoàn thành Luận văn này, em nhận sụ đào tạo giúp đỡ tận tình q Thầy, Cơ thuộc Bộ môn Địa Tin Học, Trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM suốt q trình học tập vừa qua Đó kết quý giá trân trọng Thông qua Luận văn này, em xỉn chân thành cám ơn quý Thầy, Cô Bộ môn Địa Tin Học, truyền đạt kiến thức kinh nghiệm cho em suốt thời gian học tập trường Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến PGS.TS Lê Trung Chơn, người thầy tận tình giảng dạy, giúp đỡ hướng dẫn trực tiếp em thực Luận văn Em xin chân thành cám ơn PGS.TS Trần Trọng Đức, người có góp ý chuyên môn cho Luận văn đợt báo cáo tiến độ thực Luận văn Đặc biệt, em xin gửi lời cám ơn chân thành đến PGS.TS Lê Văn Trung, Giám đốc Trung tâm Địa Tin Học - Đại học Quốc Gia Tp.HCM, quan nơi em công tác, tạo điều kiện tốt sở vật chất, trang thiết bị cho em theo đuổi trình học tập, nghiên cứu thực Luận văn Xin cám ơn cảc anh, chị, em đồng nghiệp Trung tâm Địa Tin Học đồng hành nhiệt tình giúp đỡ suốt thời gian vừa qua Cuối cùng, xin tỏ lòng biết ơn đến Ba, Mẹ người thân gia đình động viên, giúp đỡ suốt thời gian qua, tạo điều kiện tốt đề có thề tập trung học tập, nghiên cứu thực thành công Luận văn Xỉn kính dâng lên q Thầy, Cơ, Ba, Mẹ người thân kết nghiên cứu thay cho lời cám ơn chân thành nhất./ HVTH; NGUYỄN HỮU NHẬT MSHV: 13100998 CBHD: PGS.TS LÊ TRUNG CHƠN Luận Văn Thạc Sĩ TÓM TẮT UAV thiết bị bay khơng người lái Do ứng dụng UAV khơng ảnh xem công nghệ chụp ảnh hàng không, ứng dụng UAV trắc địa ảnh mở nhiều ứng dụng ửong lĩnh vực khác nhau, với chi phí thấp, giải pháp thay cho phương pháp trắc địa ảnh truyền thống Luận văn thực với đề tài: “Ứng dụng thiết bị bay không người lái (UAV) giám sát tiến độ thi cơng cơng trình tuyến Metro Bến Thành - Suối Tiên” Luận văn trình bày giải pháp việc giám sát tiến độ thi công cơng trình dự án đường sắt thị TP.HCM cách sử dụng hệ thống UAV thu nhận ảnh độ phân giải cao giai đoạn khác dự án Với hệ thống UAV AscTec Falcon hoạt động linh hoạt đạt hiệu cao việc chụp ảnh bề mặt đất với độ cao bay thấp Ngoài ra, sử dụng phần mềm Pix4Dmapper để xử lý ảnh tạo sản phẩm như: ảnh trực giao, mơ hình DSM, mơ hình 3D dựa độ phủ tờ ảnh Các điểm khống chế mặt đất GCPs liệu GIS sử dụng để so sánh, đánh giá độ xác đạt giải pháp ứng dụng UAV Thuật toán biến đổi Helmert sử dụng để cải thiện độ xác cho sản phẩm ảnh trực giao Nghiên cứu cho thấy tính khả thi việc ứng dụng hệ thống UAV việc chụp khơng ảnh có độ phân giải cao đưa kỹ thuật cho việc giám sát tiến độ thi cơng cơng trình theo thời gian HVTH: NGUYỄN HỮU NHẬT MSHV: 13100998 CBHD: PGS.TS LÊ TRUNG CHƠN Luận Văn Thạc Sĩ ABSTRACT UAVs are unmanned aerial vehicles Hence, UAV photogrammetry can be understood as a new technology for capture aerial images UAV photogrammetry opens various new applications in the difference domains, but also introduces low- cost alternatives to the classical manned aerial photogrammtery This thesis deals with the task: “Using Unmanned Aerial Vehicles (UA V) for mornitoring the construction progress of Metro Ben Thanh - Suoi Tien project” This thesis describes a new approach for monitoring construction progress of the Urban Railway Construction Project by using Unmanned Aerial Vehicles (UAV) to capture high resolution imagery at different stages of the project The advantage of the UAV AscTec Falcon systems lies in their high flexibility and efficiency in capturing the surface of an area from a low flight altitude In addition, Pix4Dmapper image processing software can permit to create ortho-images, DSM model and 3D model based upon overlapped images The Ground Control Points (GCPs) and GIS data were used to compare the achieved accuracy of UAV method The Helmert transformation algorithm were used to to improve accuracy for the ortho-images This study shows the feasibility of using an UAV system for acquiring the high resolution aerial images and the new opportunities for momitoring the construction progress over time LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nghiên cứu nêu Luận văn trung thực chưa công bố ửong cơng trình khác Tác giả Luận vãn Học viên HVTH: NGUYỄN HỮU NHẬT MSHV: 13100998 CBHD: PGS.TS LÊ TRUNG CHƠN Luận Văn Thạc Sĩ NGUYỄN HỮU NHẬT MỤC LỤC BẢNG VIẾT TẮT I DANH MỤC HÌNH II DANH MỤC BẢNG V PHẦN MỞ ĐẦU 1 SỰ CẰN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGỒI NƯỚC 1.1.1 Tĩnh hĩnh nghiên cứu nước 1.1.2 Tĩnh hĩnh nghiên cứu nước 10 1.1.3 Kết luận 12 1.2 1.3 GIỚI THIỆU MỘT SỐ HỆ THỐNG UAV ỨNG DỤNG TRONG KHÔNG ẢNH CƠ SỞ PHÁP LÝ CHO ỨNG DỤNG UAV Ở VIỆT NAM 15 1.3.1 Thành phần hồ sơ cấp giấy phép bay 15 1.3.2 Trình tự thực cap giấy phép 16 1.3.3 Thấm quyền cap phép hoạt động bay 16 1.3.4 Thời hạn cap giấy phép hoạt động 16 1.4 TỐNG QUAN DỰ ÁN ĐƯỜNG SẮT ĐÔ THỊ TP.HCM [1] 17 1.4.1 Quy hoạch phát triển dự án đường sắt đô thị TP.HCM 17 1.4.2 Giới thiệu tuyến metro so Ben Thành - Suối Tiên 19 HVTH: NGUYỄN HỮU NHẬT MSHV: 13100998 CBHD: PGS.TS LÊ TRUNG CHƠN 13 Luận Vẳn Thạc Sĩ CHƯƠNG 21 XÂY DỰNG QUY TRÌNH VẬN HÀNH VÀ KHAI THÁC HỆ THỐNG UAV FALCON 21 2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 21 2.1.1 Mối quan hệ độ cao bay, tiêu cự độ phân giải không gian 21 2.1.2 Mối quan hệ độ cao bay, tỉ lệ ảnh độ phủ tờ ảnh 23 2.1.2.1 Tính khoảng cách điểm waypoints 24 2.1.2.2 Tính thời gian cho chuyến bay .27 2.2 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG UAV FALCON [14] 28 2.2.1 Thông sổ kỹ thuật UAVFalcon 28 2.3 XÂY DỰNG QUY TRÌNH VẬN HÀNH VÀ KHAI THÁC UAV FALCON 30 2.3.1 Sơ đồ quy trình vận hành UAVFalcon 30 2.3.2 Mô tả chi tiết bước quy trình 30 2.3.2.1 Khảo sát thực địa 30 2.3.2.2 Thiết kế tuyến bay 31 2.3.2.3 Kiểm tra hệ thống 32 2.3.2.4 Tiến hành bay chụp 32 2.3.2.5 Kết thúc phi vụ bay 33 2.3.2.6 2.4 Xử lý ảnh 33 2.3.2.7 Kiểm tta kết 33 2.3.2.8 Sản phẩm 33 BAY CHỤP THỰC ĐỊA TUYẾN METRO SÓ 34 2.4.1 Yêu cầu 34 2.4.2 số liệu thiết kế tuyến bay 34 2.4.3 Tiến độ bay chụp thực tế 35 2.4.1 Thiết kế vùng không gian bay chụp 36 HVTH: NGUYỄN HỮU NHẬT MSHV: 13100998 CBHD: PGS.TS LÊ TRUNG CHƠN Luận Vẳn Thạc Sĩ CHƯƠNG 38 XỬ LÝ ẢNH BẰNG PHẦN MỀM PIX4DMAPPER 38 3.1 YÊU CẰU CHUNG VỀ XỬ LÝ ẢNH 38 3.2 GIỚI THIỆU PHẰN MỀM PIX4DMAPPER [15] 39 3.2.1 Dữ liệu đầu vào cho Pix4Dmapper 39 3.2.2 Chức xử lý ảnh 41 3.2.3 Yêu cầu cấu hình cài đặt Pix4Dmapper 42 3.3 QUY TRÌNH XỬ LÝ ẢNH CHỤP BẰNG CÔNG NGHỆ UAV 43 3.3.1 Dữ liệu ảnh bay chụp 44 3.3.2 Kiểm tra kết trình bay chụp chất lượng ảnh chụp 44 3.3.3 Xác định yếu tố định hướng ảnh 45 3.3.4 Tạo liệu đầu vào cho trình xử lý 47 3.3.5 Xử lý ảnh phần mềm Pix4Dmapper 48 3.3.6 Kiểm tra sản phẩm sau xử lý 49 3.3.7 Đóng gói sản phẩm 50 CHƯƠNG 51 PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 51 4.1 CƠ SỞ ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC 51 4.1.1 Xác định điểm khổng chế mặt đẩt 51 4.1.2 Xác định tọa độ điểm khổng chế mặt đẩt ảnh trực giao 52 4.1.3 Công thức Gauss [17] 54 4.1.4 Giới thiệu thuật toán biến đối Helmert [19] 54 4.1.5 Các phương ản đảnh giả độ xác 58 4.2 ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC MẶT BẰNG 59 4.2.1 Ảnh xử lý Pix4Dmapper không sử dụng điểm GCP 59 4.2.2 Ảnh xử lý Pix4Dmapper cố sử dụng điểm GCP 61 4.2.3 Sử dụng thuật toán biến đối Helmert 62 HVTH: NGUYỄN HỮU NHẬT MSHV: 13100998 CBHD: PGS.TS LÊ TRUNG CHƠN Luận Vẳn Thạc Sĩ 4.2.3.1 Chuyển đổi kinh tuyến trung ương múi chiếu 62 4.2.3.2 Chọn điểm trùng cho thuật toán Helmert 63 4.2.3.3 Tìm tham số chuyển đổi 64 4.2.3.4 Đánh giá độ xác ảnh trực giao sử dụng thuật toán Helmert 68 4.2.4 Biểu diễn độ lệch điểm khống chế ảnh so với thực địa 69 4.3 ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC VỀ ĐỘ CAO 71 4.3.1 Dữ liệu đầu vào 71 4.3.2 Xử lý liệu 72 4.3.3 Đánh giá so sánh giá trị độ cao 73 4.3.3.1 So sánh độ cao LiDAR với độ cao toàn đạc 73 4.3.3.2 So sánh độ cao mơ hình DSM với độ cao tồn đạc 75 4.3.3.3 So sánh độ cao mô hình DSM với độ cao LiDAR 76 CHƯƠNG 79 XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH THEO DÕI TIẾN ĐỘ THI CƠNG CƠNG TRÌNH TUYẾN METRO BẾN THÀNH - SUỐI TIÊN 79 5.1 5.2 MỤC ĐÍCH - YÊU CẲU 79 XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU .79 5.2.1 Cơ sở liệu dạng raster 80 5.2.2 Cơ sở liệu dạng vector 80 5.2.2.1 Thiết kế cấu trúc liệu 80 5.2.2.2 Chuyển đổi dịnh dạng liệu 83 5.3 XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH 83 5.3.1 Giới thiệu chương trình 83 5.3.2 Cẩu trúc chương trình 84 5.3.3 Các chức chinh chương trình 86 HVTH: NGUYỄN HỮU NHẬT MSHV: 13100998 CBHD: PGS.TS LÊ TRUNG CHƠN Luận Vẳn Thạc Sĩ 58 tọa độ VN-2000 tham số Bộ TNMT cung cấp phần mềm ArcGIS Từ đó, xác định tọa độ điểm khống chế ảnh hệ VN2000, kết hợp với tọa độ toàn đạc ngồi thực địa để đánh giá độ xác 2) Ảnh trực giao tạo sau trình xử lý phần mềm Pix4Dmapper, có sử dụng 10 điểm GCP (hình vng màu vàng - hình 4.1), hệ tọa độ VN2000 Từ đó, tiến hành đánh giá độ xác tương tự phương án 3) Ảnh trực giao tạo sau trình xử lý phần mềm Pix4Dmapper, không sử dụng điểm GCP, hệ tọa độ WGS-84, múi chiếu 6°, kinh tuyến trung ương 105°00’ Trong phần mềm GeocTools, sử dụng chức Change Zone (CZone) để chuyển tọa độ điểm khống chế ảnh múi chiếu 3°, kinh tuyến trung ương 105°45’ Sau sử dụng thuật tốn biến đổi Helmert để chuyển từ hệ tọa độ WGS-84 sang hệ tọa độ VN-2000 múi chiếu 3°, kinh tuyến trung ương 105°45’ Từ đánh giá độ xác tương tự phương án Quy trình đánh giá độ xác ảnh trực giao theo phương án ttên thể sơ đồ sau: HVTH: NGUYỄN HỮU NHẬT MSHV: 13100998 CBHD: PGS.TS LÊ TRUNG CHƠN Luận Vẳn Thạc Sĩ HVTH: NGUYỄN HỮU NHẬT MSHV: 13100998 59 CBHD: PGS.TS LÊ TRUNG CHƠN Luận Vẳn Thạc Sĩ HVTH: NGUYỄN HỮU NHẬT MSHV: 13100998 60 CBHD: PGS.TS LÊ TRUNG CHƠN Luận Vẳn Thạc Sĩ HVTH: NGUYỄN HỮU NHẬT MSHV: 13100998 61 CBHD: PGS.TS LÊ TRUNG CHƠN Luận Vẳn Thạc Sĩ HVTH: NGUYỄN HỮU NHẬT MSHV: 13100998 62 CBHD: PGS.TS LÊ TRUNG CHƠN Luận Vẳn Thạc Sĩ HVTH: NGUYỄN HỮU NHẬT MSHV: 13100998 63 CBHD: PGS.TS LÊ TRUNG CHƠN Luận Vẳn Thạc Sĩ HVTH: NGUYỄN HỮU NHẬT MSHV: 13100998 64 CBHD: PGS.TS LÊ TRUNG CHƠN Luận Vẳn Thạc Sĩ HVTH: NGUYỄN HỮU NHẬT MSHV: 13100998 65 CBHD: PGS.TS LÊ TRUNG CHƠN Luận Vẳn Thạc Sĩ HVTH: NGUYỄN HỮU NHẬT MSHV: 13100998 66 CBHD: PGS.TS LÊ TRUNG CHƠN Luận Vẳn Thạc Sĩ HVTH: NGUYỄN HỮU NHẬT MSHV: 13100998 67 CBHD: PGS.TS LÊ TRUNG CHƠN Luận Vẳn Thạc Sĩ HVTH: NGUYỄN HỮU NHẬT MSHV: 13100998 68 CBHD: PGS.TS LÊ TRUNG CHƠN Luận Vẳn Thạc Sĩ HVTH: NGUYỄN HỮU NHẬT MSHV: 13100998 69 CBHD: PGS.TS LÊ TRUNG CHƠN Luận Vẳn Thạc Sĩ HVTH: NGUYỄN HỮU NHẬT MSHV: 13100998 70 CBHD: PGS.TS LÊ TRUNG CHƠN Luận Vẳn Thạc Sĩ HVTH: NGUYỄN HỮU NHẬT MSHV: 13100998 71 CBHD: PGS.TS LÊ TRUNG CHƠN Luận Vẳn Thạc Sĩ HVTH: NGUYỄN HỮU NHẬT MSHV: 13100998 72 CBHD: PGS.TS LÊ TRUNG CHƠN ... Mã số: 60440 214 I TÊN ĐỀ TÀI: ứng dụng thi t bị bay không người lái (UAV) giám sát tiến độ thỉ cồng cồng trình tuyến Metro Bến Thành - Suối Tiên II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: 1) Xây dựng quy trình. .. dụng thi t bị bay không người lái (UAV) giám sát tiến độ thi cơng cơng trình tuyến Metro Bến Thành - Suối Tiên Luận văn trình bày giải pháp việc giám sát tiến độ thi công công trình dự án đường... độ xác độ cao cách so sánh với độ cao từ liệu LiDAR kiểm chứng 1. 2 Giói thi u số hệ thống UAV ứng dụng không ảnh Thi t bị bay không người lái - ƯAV thi t bị bay mà việc điều khiển, trì hoạt động