UAV và kỹ thuật tạo lập DTM từ DSM bằng phần mềm Global Mapper và Pix4D

Bài viết trình bày kỹ thuật thủ công và tự động chiết xuất DTM từ DSM trên phần mềm Global Mapper và Pix4D cho phép tạo ra sản phẩm có chất lượng, đáp ứng đúng tiêu chuẩn kỹ thuật của ngành trắc địa bản đồ.

KHOA HC & CôNG NGHê UAV v k thut to lập DTM từ DSM phần mềm Global Mapper Pix4D The technique of making DTM from DSM by using Global Mapper and Pix4D software Lê Đại Ngọc, Nguyễn Mai Hạnh Tóm tắt Trong năm gần đây, cơng nghệ chụp ảnh thiết bị bay không người lái UAV phát triển phổ biến mang lại hiệu to lớn công tác khảo sát điều tra đo đạc địa hình địi hỏi độ xác cao DSM tạo từ liệu ảnh chụp UAV hồn tồn tự động với độ xác cao, đạt cỡ vài cm Tuy nhiên số toán ứng dụng thực tiễn, nhiều cần mơ hình số địa hình DTM để phục vụ tính tốn thiết kế cơng trình Bài báo trình bày kỹ thuật thủ cơng tự động chiết xuất DTM từ DSM phần mềm Global Mapper Pix4D cho phép tạo sản phẩm có chất lượng, đáp ứng tiêu chuẩn kỹ thuật ngành trắc địa đồ Từ khóa: thiết bị bay khơng người lái UAV; mơ hình số bề mặt DSM; mơ hình số địa hình DTM Abstract In recent years, the UAV imagery technology has been developed quickly and efficiently in high-accuracy surveying and mapping DSM was created from UAV imagery completely automated with very high accuracy, achieving a few centimeters However, in some situations of practical application, the DTM is used for construction design work This paper presents manual and automatic techniques for extracting DTM from DSM on Global Mapper and Pix4D software to create quality products that meet the technical standards of the surveying and mapping field Key words: UAV unmanned aerial vehicle; DSM digital surface model; DTM digital terrain model Ngày nay, công nghệ Viễn thám giới phát triển đa dạng, có nhiều thiết bị thu nhận hình ảnh có độ phân giải mặt đất từ vài cm đến hàng chục mét, chụp cự ly gần vài chục mét khoảng cách xa hàng trăm km Tuỳ thuộc vào cự ly chụp tính chất vật lý sóng chụp thiết bị thu nhận hình ảnh mà phân loại thành cơng nghệ như: chụp ảnh vệ tinh, chụp ảnh hàng không máy bay có người lái khơng người lái UAV; cơng nghệ quét Lidar Tuy nhiên việc thu thập liệu ảnh chụp vệ tinh quang học ảnh chụp hàng khơng có người lái có lúc khơng kịp thời bị ảnh hưởng lớn điều kiện thời tiết có mây Việt Nam nằm vùng khí hậu nhiệt đới, tỷ lệ diện tích lãnh thổ bị mây che phủ lên đến 70% nên hiệu suất có ảnh vệ tinh không mây thấp Như dễ thấy hạn chế ảnh chụp vệ tinh quang học ảnh hàng khơng có người lái giá thành cao, không kịp thời phụ thuộc nhiều vào điều kiện thời tiết, độ phân giải mặt đất thấp Để bổ sung cho thiếu hụt thu nhận liệu từ vệ tinh máy bay có người lái, cần nghiên cứu giải pháp chụp chụp ảnh địa hình độ cao thấp cách gắn thiết bị máy chụp ảnh máy quay video chuyên dụng lên thiết bị bay không người lái (máy bay mơ hình điều khiển thiết bị từ xa – UAV Unmanned Aerial Vehicle) phục vụ thu nhận ảnh cho công tác thành lập đồ địa hình tỷ lệ lớn (từ 1/2.000 lớn hơn) Tại Việt Nam, năm gần đây, công nghệ chụp ảnh thiết bị bay không người lái UAV phát triển phổ biến mang lại hiệu to lớn công tác khảo sát điều tra đo đạc địa hình địi hỏi độ xác cao Một ưu điểm vượt trội công nghệ cho phép tạo mô hình số bề mặt DSM hồn tồn tự động với độ xác cao, đạt cỡ vài cm Tuy nhiên, số toán ứng dụng thực tiễn , lại cần mơ hình số địa hình DTM để phục vụ tính tốn thiết kế cơng trình, ví dụ Thành lập đồ độ dốc, hướng dốc, mặt cắt, trợ giúp nghiên cứu địa mạo đưa sơ đồ hướng dòng chảy, xác định hướng dốc lưu vực thoát nước bề mặt để mô dự báo khu vực ngập lụt; xói mịn, trượt lở đất, lũ lụt; Xác định cốt xây dựng cho thành phố; tính tốn thể tích đào đắp… Hiện kiểu dáng, chủng loại UAV đa dạng bao gồm: máy bay cánh bằng, máy bay trực thăng, thiết bị bay loại nhỏ với cánh quạt, khinh TS Lê Đại Ngọc Phòng Bản đồ Viễn thám, Cục Bản đồ/BTTM ThS Nguyễn Mai Hạnh Bộ môn Trắc địa Khoa Kỹ thuật hạ tầng & Môi trường đô thị ĐT: 0983289997 Email: nguyenmaihanh.td@gmail.com Ngày nhận bài: 18/03/2017 Ngày sửa bài: 02/06/2017 Ngày duyệt đăng: 22/10/2019 68 Hình Phân tầng thiết bị bay chụp ảnh độ phân giải mặt đất T„P CH KHOA HC KIƯN TRC - XY DẳNG Hỡnh Mô tả công cụ gán độ cao cho đối tượng vùng Hình Mơ tả cơng cụ làm phẳng địa hình khí cầu rơ bốt bay có hình dáng giống lồi trùng phục vụ chụp ảnh trinh sát địa hình, thành lập đồ tỷ lệ lớn mơ địa hình chiều, truyền hình ảnh video trực tuyến thời gian thực Hiện nay, số phần mềm thương mại Context Captue, Erdas, Agisoft cho phép tạo lập DSM từ liệu ảnh chụp UAV cung cấp giải pháp khác cho phép thành lập DTM từ DSM tự động bán tự động, kết chưa bảo đảm yêu cầu kỹ thuật mong muốn Bài báo trình bày kỹ thuật thủ cơng tự động chiết xuất DTM từ DSM phần mềm Global Mapper Pix4D cho phép tạo sản phẩm có chất lượng, đáp ứng tiêu chuẩn kỹ thuật hành tham số xử lý phù hợp sau thực văn phòng để tạo sản phẩm chất lượng có độ xác cao Việc xử lý ảnh UAV thường nặng tốn nhiều thời gian đặc biệt với dự án bay chụp có khối lượng ảnh chụp lớn Phần mềm Pix4Dmapper cho phép phân tách ảnh thành khu vực nhỏ để xử lý sau đó, ghép lại thành sản phẩm cuối phủ trùm toàn khu vực dự án Sau hồn thành quy trình xử lý, sản phẩm đầu bao gồm: đám mây điểm 3D, DSM/DTM & đường đồng mức ảnh ghép trực giao (Orthomosaic) khu vực bay chụp với độ xác cao Các liệu sản phẩm dễ dàng tích hợp vào GIS phần mềm CAD như: ArcGIS, GlobalMapper, Quantum GIS, Autocad Trong thực tế, việc xử lý liệu UAV với phần mềm Pix4Dmapper thực sơ thực địa trình bay chụp (nhằm có điều chỉnh kịp thời đảm bảo có ảnh chụp chất lượng với mức độ chồng phủ cao – thường 75%) Việc xử lý thức với Tạo lập DTM từ bề mặt DSM phần mềm Global Mapper Global Mapper phần mềm có khả tạo đồ, cơng cụ cho phép chỉnh sửa, tạo xóa thơng tin S¬ 36 - 2019 69 KHOA H“C & CôNG NGHê c bit Global Mapper giỳp chuyn đổi, chỉnh sửa, in ấn, theo dấu GPS tận dụng tối đa chức GIS liệu Global Mapper hỗ trợ nhiều định dạng như: loại Vector, Arc, tập tin ASCII, BMP, nhị phân, file GPS, AutoCAD, tập tin GIS, loại Raster Kết xuất trực tiếp sang định dạng Web như: Google maps, Virtual Earth, Các bước thao tác tạo lập bề mặt DTM cách làm phẳng bề mặt DSM phần mềm Global Mapper (GM) sau: B1 Mở file liệu DSM phần mềm Global Mapper: Kéo thả file liệu DSM vào môi trường GM để hiển thị B2 Bật công cụ số hóa: Digitizer Tool để tạo vùng bao quanh đối tượng có chiều cao (cột, thực vật, tịa nhà, cầu, xe ô tô ) Vùng tạo cần có kích cỡ lớn đối tượng nhằm loại bỏ hồn tồn đối tượng Q trình gọi làm phẳng yếu tố bề mặt địa hình B3 Nhấp phải chuột cửa sổ chọn Create Area/ Polygon Features > Area - Create New Area Feature để thực vẽ vùng bao quanh đối tượng B4 Nhấp phải chuột vùng vừa ra, chọn Analysis/ Measurement > Apply Elevation from Terrain Layers to Selected Feature(s) để gán độ cao cho tất đỉnh biên vùng từ file DSM B5 Nhấp phải chuột vùng vừa ra, chọn Analysis/ Measurement>Calculate Elevation/Slope Stats for Selected Feature(s) để cập nhật thơng tin thuộc tính tính tốn thống kê độ cao, độ dốc cho đối tượng vùng vừa tạo B6 Nhấp phải chuột vùng vừa chọn Advanced Feature Creation Options> Terrain - Create/Flatten Terrain from Selected Area Feature(s) để tạo bề mặt địa hình từ vùng chọn B7 Hộp thoại Elevation Grid Creation Options xuất thiết lập lựa chọn để tạo bề mặt DTM hình đây: Hình Thiết lập thơng số để tạo bề mặt địa hình DTM a) Trước loại bỏ nhà (DSM) c) Trước làm phẳng nhà 3D b) Sau loại bỏ nhà (DTM) d) Sau làm phẳng nhà 3D Hình Kết trước/sau loại bỏ nhà từ bề mặt DSM 70 T„P CH KHOA HC KIƯN TRC - XY DẳNG Hỡnh Minh họa tạo lập bề a) Bề mặt tạo Pix4D b) DTM tạo Hình DTM tạo từ DSM a) DSM trụ sở Cục Bản đồ b) DTM trụ sở Cục Bản đồ Hình Kết tạo lập DTM tự động S¬ 36 - 2019 71 KHOA HC & CôNG NGHê B8 Nhp OK hon tất q trình tạo DTM từ bề mặt DSM hồn tồn tự động từ DSM với độ xác cao mà không cần can thiệp thủ công B9 Tích hợp bề mặt DTM với bề mặt DSM cách nhấp chuột trái vào Analysis>Combile/Compare Terrain Layers… đặt lựa chọn hình đây, lưu ý mục Operation chọn Minimum Elevation: Trên cơng cụ thực đơn chính, lựa chọn Process > Generate DTM phần mềm tự động tính tốn để loại bỏ độ cao tất đối tượng địa vật (nhà cửa, cối ) bề mặt DSM để tạo bề mặt DTM Tạo lập DTM từ bề mặt DSM phần mềm Pix4Dmapper Như với kỹ thuật công nghệ tiên tiến việc xử lý liệu ảnh chụp từ UAV bước thao tác cụ thể tác giả tìm tịi, khai thác tính phần mềm xây dựng thành qui trình người dùng dễ dàng làm Kết thực nghiệm chứng minh kỹ thuật hồn tồn cho phép nhanh chóng tạo sản phẩm DSM, DTM có độ xác cao đáp ứng đầy đủ đòi hỏi chuyên ngành kỹ thuật hạ tầng, quy hoạch quản lý thực tiễn nay./ Pix4Dmapper phần mềm chuyên dụng việc xử lý phân tích liệu ảnh bay chụp từ thiết bị không người lái (UAV) dự án bay vẽ địa hình tỷ lệ lớn với độ xác cao hãng Pix4D (Thụy sỹ) phát triển cung cấp với mức sản phẩm: Pix4Dmapper Discovery (bản dùng thử) Pix4Dmapper Pro Để tạo DTM từ bề mặt DSM có phần mềm Pix4Dmapper trước tiên cần định nghĩa bề mặt Các bề mặt số hóa thủ cơng theo đối tượng dạng vùng, thơng thường bao quanh tòa nhà, vật thể kiến trúc, cối Các bước tạo bề mặt Surface phần mềm Pix4Dmapper sau: T¿i lièu tham khÀo Lê Đại Ngọc (2015), “Thiết bị bay UAV cánh Sensefly khả ứng dụng thành lập đồ 3D độ xác cao”, Kỷ yếu Hội thảo ứng dụng GIS toàn quốc 2015 – Trường ĐH Khoa học tự nhiên, 10/2015, tr 557-663, ISBN 978-604-82-1619-1 B1 Trên thực đơn nhấp chuột vào View > rayCloud B2 Trên thực đơn nhấp chuột vào rayCloud > New Surface Paparoditis, N., Boudet, L., Tournaire, O.: Automatic manmade object extraction and 3D scene reconstruction from geomatic-images is there still a long way to go? In: Urban Remote Sensing Joint Event (2007) B3 Trên cửa sổ 3D View, xuất điểm màu xanh bên cạnh trỏ Nhấp chuột trái để đánh dấu đỉnh bề mặt Tập hợp đỉnh tạo tạo thành bề mặt Champion, N., Matikainen, L., Rottensteiner, F., X Liang, J.H.: A test of 2D building change detection methods: Comparison, evaluation and perspectives International Archives of Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences 37 (2008) B4 Bấm chuột phải sau kết thúc điểm cuối để tạo thành bề mặt Eckstein, W., Munkelt, O.: Extracting objects from digital terrain models In: Remote Sensing and Reconstruction for Three-Dimensional Objects and Scenes, SPIE (1995) 43-51 B5 (Tùy chọn) Sau bề mặt tạo lập, cải thiện độ xác cho bề mặt cách tinh chỉnh vị trí đỉnh vertex khớp với hình ảnh cửa sổ 3D View Weidner, U., F orstner, W.: Towards automatic building extraction from highresolution digital elevation models ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing 50 (1995) 38 - 49 B6 Chạy lại bước tạo lập DSM, Orthomosaic and Index mơ hình DSM làm phẳng vùng vẽ Surface, đồng thời ảnh trực giao có biến dạng nhỏ khu vực Surface có thay đổi độ cao Henri Eisenbeiss, Thesis of Doctor of Sciences “UAV Photogrammetry”, Institute of Geodesy and Photogrammetry ETH Zurich, 2009 Tuy nhiên, phiên 3.1 Pix4Dmapper cải tiến thuật toán cho phép chiết suất DTM Ứng dụng công nghệ bay chụp ảnh UAV (tiếp theo trang 67) Nam EVN có liệu địa hình số có độ tin cậy cao đáp ứng kịp thời cho công tác thiết kế tuyến tải điện bước lập đề xuất dự án cơng tác lập dự tốn đền bù giải phóng mặt Kết dự án cách mạng đổi công nghệ khảo sát ngành điện, lãnh đạo ngành điện định công tác bay chụp ảnh UAV qui trình bắt buộc thực nhiệm vụ khảo sát tuyến truyền tải điện ta cần tập trung nghiên cứu ứng dụng lĩnh vực khảo sát phục vụ thiết kế giao thông, quy hoạch xây dựng kiểm sốt việc thực qui hoạch thị ứng dụng khoa học khác thuộc lĩnh vực địa không gian./ Hệ thống máy bay không người lái UAS (Unmanned Aircraft System) không bao gồm máy bay mà cịn bao gồm trạm kiểm sốt mặt đất số thiết bị, yếu tố khác Trước thiết bị bay không người lái chủ yếu ứng dụng lĩnh vực quân sự, nhiên ngày với phát triển khoa học cơng nghệ UAV giải pháp hữu ích ứng dụng hiệu nhiều lĩnh vực khác đời sống công nghiệp, nông nghiệp, lâm nghiệp, truyền hình Trong thời gian tới, chúng 72 T„P CH KHOA HC KIƯN TRC - XY DẳNG Ti liốu tham khÀo Lê Đại Ngọc (2012), “Ứng dụng thiết bị bay không người lái MicroDrone MD4-1000 thành lập đồ 3D độ xác cao”, Tạp chí Khoa học đo đạc đồ, (13), tr 43-50 Lê Đại Ngọc (2015), “Thiết bị bay UAV cánh Sensefly khả ứng dụng thành lập đồ 3D độ xác cao”, Kỷ yếu Hội thảo ứng dụng GIS toàn quốc 2015 – Trường ĐH Khoa học tự nhiên, 10/2015, tr 557-663, ISBN 978-604-821619-1 Henri Eisenbeiss, Thesis of Doctor of Sciences “UAV Photogrammetry”, Institute of Geodesy and Photogrammetry ETH Zurich, 2009  ... thành lập DTM từ DSM tự động bán tự động, kết chưa bảo đảm yêu cầu kỹ thuật mong muốn Bài báo trình bày kỹ thuật thủ công tự động chiết xuất DTM từ DSM phần mềm Global Mapper Pix4D cho phép tạo. .. Generate DTM phần mềm tự động tính tốn để loại bỏ độ cao tất đối tượng địa vật (nhà cửa, cối ) bề mặt DSM để tạo bề mặt DTM Tạo lập DTM từ bề mặt DSM phần mềm Pix4Dmapper Như với kỹ thuật công... nhà từ bề mặt DSM 70 TP CH KHOA HC KIƯN TRC - XY DẳNG Hình Minh họa tạo lập bề a) Bề mặt tạo Pix4D b) DTM tạo Hình DTM tạo từ DSM a) DSM trụ sở Cục Bản đồ b) DTM trụ sở Cục Bản đồ Hình Kết tạo