Đề xuất phương pháp cập nhật cơ sở dữ liệu gis quân sự tỷ lệ lớn dựa trên ảnh chụp bằng máy bay khôn người lái (uav) hỗ trợ tham mưu, chỉ huy tác chiến

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT BÙI THỊ HỒNG HẠNH ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP CẬP NHẬT CƠ SỞ DỮ LIỆU GIS QUÂN SỰ TỶ LỆ LỚN DỰA TRÊN ẢNH CHỤP BẰNG MÁY BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI (UAV) HỖ TRỢ THAM MƯU, CHỈ HUY TÁC CHIẾN Ngành: Bản đồ viễn thám hệ thông tin địa lý Mã số : 60440214 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Tóm tắt NGƯỜI luận vănHƯỚNG DẪN KHOA HỌC Tóm tắt luận văn TS Vũ Huấn Những đột phá lớn công nghệ thông tin, viễn thông thơng tin đóng vai HÀ NỘI - 2015 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu sử dụng kết phân tích, trình bày luận án trung thực, chưa công bố cơng trình trước Tác giả luận án Bùi Thị Hồng Hạnh MỤC LỤC MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Mục đích nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Nội dung nghiên cứu 10 Phương pháp nghiên cứu 10 Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận văn 11 Lời cảm ơn 11 Chương 12 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH 12 NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ 12 1.1 Tình hình nghiên cứu ứng dụng TTĐL giới 12 1.2 Tình hình nghiên cứu ứng dụng TTĐL Việt Nam 14 1.3 Sự cần thiết Nghiên cứu khả thu thập liệu GIS từ ảnh chụp máy bay không người lái (UAV) đề xuất phương pháp cập nhật CSDL GIS quân tỷ lệ lớn dựa ảnh UAV hỗ trợ tham mưu huy tác chiến 15 Chương 16 CƠ SỞ KHOA HỌC ĐỂ NGHIÊN CỨU, 16 CẬP NHẬT CƠ SỞ DỮ LIỆU GIS QUÂN SỰ TỶ LỆ LỚN 16 2.1 Hệ thống thông tin 16 2.1.1 Khái niệm 16 2.1.2 Các đặc trưng hệ thống thông tin tổ chức hoạt động 16 2.2 Hệ thống thông tin địa lý 18 2.2.1 Định nghĩa 18 2.2.2 Cấu trúc HTTĐL 18 2.2.3 Người điều hành 18 2.2.4 Phần cứng (máy tính thiết bị ngoại vi) 19 2.2.5 Phần mềm 19 2.2.6 Dữ liệu 19 2.2.6.1 Cơ sở liệu 19 2.2.6.2 CSDL chuyên ngành 21 2.2.6.3 Cơ sở liệu không gian 21 2.2.6.4 Cơ sở liệu thuộc tính 22 2.2.7 Các mơ hình cấu trúc CSDL 22 2.2.7.1 Khái quát chung 22 2.2.7.2 Cấu trúc liệu Raster 23 2.2.7.3 Cấu trúc liệu dạng Vector 26 2.2.7.4 Mơ hình cấu trúc liệu cung điểm nút (area-node) 28 2.2.7.5 Mơ hình mạng (network model) 32 2.2.7.6 Chuyển đổi khuôn dạng liệu 33 2.3 Hệ thống máy bay chụp ảnh không người lái TRIMBLE UX5 34 2.3.1 Giới thiệu chung 34 2.3.2 Các thành phần Hệ thống TRIMBLE UX5 bao gồm: 35 2.3.2.1 Máy bay TRIMBLE UX5 35 2.3.2.2 Camera 35 2.3.2.3 Trạm điều khiển mặt đất 35 2.3.2.4 Bệ phóng 35 2.3.2.5 Tracker/Bộ phận phát nhận tín hiệu dị tìm máy bay hạ cánh khơng vị trí thiết kế: 36 Chương 37 CẬP NHẬT CƠ SỞ DỮ LIỆU GIS QUÂN SỰ TỶ LỆ LỚN 37 DỰA TRÊN ẢNH CHỤP BẰNG MÁY BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI (UAV) 37 3.1 Giới thiệu số loại hình cơng nghệ 37 3.1.1 Công nghệ ảnh số 37 3.1.1.1 Chuẩn bị cho nhiệm vụ bay chuyến bay: 39 3.1.1.2 Thiết kế bay chụp ảnh 40 3.1.1.3 Thiết kế mốc khống chế ảnh: 44 3.1.1.4 Thiết kế khống chế ảnh theo khối bay: 45 3.1.1.5 Thiết kế khu bay gồm nhiều khối bay: 46 3.1.1.6 Thực chuyến bay thực địa 46 3.1.1.7 Phân tích xuất liệu bay chụp ảnh: 47 3.1.1.8 Xử lý số liệu nội nghiệp phần mềm TBC 48 3.1.2 Công nghệ xây dựng sở liệu địa lý 52 3.2 Lựa chọn giải pháp công nghệ 54 3.2.1 Một số khái niệm 54 3.2.1.1 Đối tượng nội dung đồ 54 3.2.1.2 Đối tượng địa lý (Feature) 54 3.2.1.3 Cơ sở liệu địa lý (CSDL ĐL) 55 3.2.1.4 Cơ sở liệu thông tin địa lý 55 3.2.1.5 Mơ hình số độ cao (Digital Elevation Model, viết tắt DEM) 55 3.2.1.6 Mô hình số địa hình (Digital Terrain Model, viết tắt DTM) 55 3.2.1.7 Chuẩn thông tin địa lý sở quốc gia 55 3.2.1.8 Siêu liệu (Metadata) 55 3.2.1.9 Thuộc tính đối tượng địa lý (Feature attribute) 56 3.2.1.10 Danh mục đối tượng địa lý (Feature catalogue) 56 3.2.1.11 Quan hệ đối tượng địa lý (Feature association) 56 3.2.1.12 Hệ quy chiếu tọa độ (Coordinate reference system) 56 3.2.2 Các cơng nghệ áp dụng 56 3.2.3 Nguyên tắc chung xây dựng sở liệu thông tin địa lý 56 3.2.3.1 Thành lập sở liệu thông tin địa lý: 57 3.2.3.2 Biên tập đồ địa hình: 58 Chương 59 THỰC NGHIỆM THU THẬP DỮ LIỆU GIS 59 BẰNG MÁY BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI UAV VÀ CẬP NHẬT CSDL NỀN ĐỊA LÝ QUÂN SỰ TỶ LỆ 1:2.000 TRÊN ĐỊA BÀN QUÂN KHU 59 4.1 Khái quát đặc điểm tình hình khu đo 59 4.1.1 Vị trí địa lý, phạm vi khu vực thi công 59 4.1.2 Đặc điểm địa lý tự nhiên 59 4.1.2.1 Đặc điểm địa hình 59 4.1.2.2 Đặc điểm địa vật 59 4.1.2.3 Khí hậu, thủy văn 59 4.1.2.4 Hệ thống đường đường thủy 59 4.1.3 Đặc điểm dân cư, kinh tế, xã hội 60 4.2 Hiện trạng thông tin tư liệu 60 4.2.1 Các điểm tọa độ, độ cao nhà nước: 60 4.2.2 Tư liệu ảnh 60 4.2.3 Hiện trạng tư liệu đồ, CSDL 60 4.3 Kết cập nhật CSDL địa lý quân tỷ lệ 1/2000 từ ảnh hàng không UAV61 4.3.1 Công tác chuẩn bị: 61 4.3.1.1 Trang thiết bị: 61 4.3.1.2 Khảo sát, lựa chọn vị trí hạ cất cánh: 61 4.3.1.3 Thiết kế, chọn điểm KCA 61 4.3.1.4 Rải tiêu đo 62 4.3.1.5 Đo nối lưới khống chế ảnh GPS 62 4.3.1 Bay chụp ảnh máy bay không người lái UX5 63 4.3.3 Tăng dày khống chế ảnh, tạo DSM, DEM, bình đồ ảnh phần mềm chuyên dụng Trimble Business Center 64 4.3.5 Đo vẽ cập nhật đối tượng địa lý máy PC 66 4.3.6 Điều tra ngoại nghiệp thơng tin thuộc tính đối tượng địa lý 68 4.3.6.1 Mục đích, yêu cầu, nội dung công việc 68 4.3.6.2 Điều tra TTĐL 68 4.3.7 Biên tập liệu địa lý gốc 73 4.3.8 Xây dựng CSDL địa lý tỷ lệ 1/2000 73 4.3.8.1 Kiểm tra đồ gốc số 74 4.3.8.2 Tách lọc liệu 75 4.3.8.3 Chuẩn hóa liệu khơng gian 76 4.3.8.4 Kiểm tra, tiếp biên liệu không gian 80 4.3.8.5 Nhập liệu thuộc tính 80 4.3.8.6 Kiểm tra, tiếp biên liệu thuộc tính 84 4.3.8.7 Tích hợp vào CSDL địa lý theo mảnh đồ 85 4.3.8.8 Tích hợp mơ hình số độ cao vào CSDL 85 4.3.8.9 Tích hợp bình đồ ảnh vào CSDL 85 4.3.8.10 Tạo siêu liệu 85 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 88 TÀI LIỆU THAM KHẢO 89 PHỤ LỤC 90 Phụ lục 1: Bản thiết kế lược đồ ứng dụng UML liệu địa lý đất quốc phòng 90 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT TIẾNG VIỆT VÀ TIẾNG ANH Tiếng Việt CSDL CNTT TTĐL Tiếng Anh DGN GIS GPS PC Topology UML Cơ sở liệu Công nghệ thông tin Thông tin địa lý Định dạng tệp đồ họa phần mềm MicroStation Geographic Information System: Hệ thống TTĐL Global Positioning System: Hệ thống định vị tồn cầu Personal Computer: Máy tính cá nhân Thuật ngữ sử dụng để mối quan hệ không gian đối tượng địa lý Unified Modeling Language: Ngơn ngữ mơ hình hóa thống dùng để thiết kế Danh mục bảng Bảng 2.2 Bảng thống kê thuộc tính cung AAT 30 Bảng 3.1 Bảng thiết lập độ phân giải mặt đất 41 Bảng 3.2 Bảng thiết lập kích thước tiêu mốc 45 Danh mục hình vẽ Hình 2.1 Mơ hình phân cấp hệ thống thơng tin 17 Hình 2.2 Mơ hình tổ chức HTTĐL 18 Hình 2.3 Mơ hình tổ chức HTTĐL 22 Hình 2.4 Một đường tổ chức cấu trúc Vector (A) Raster (B) 24 Hình 2.5 Mơ cách thể khoanh vi theo cấu trúc Raster 26 Hình 2.6 Cấu trúc liệu vecter 27 Hình 2.7 So sánh cấu trúc Raster Vector 28 Hình 2.8 Cấu trúc polygon đơn giản mơ hình cung điểm nối 29 Hình 2.9 chuyển đổi Raster véctơ 34 Hình 2.10: Hệ thống TRIMBLE UX5 35 Hình 3.1: Hình ảnh tiêu mốc lựa chọn 45 Hình 4.1: Sơ đồ thiết kế bay chụp ảnh 63 Hình 4.2: Thao tác bay chụp thực địa 64 Hình 4.3: Tăng dày khối TGAKG theo nguyên lý chùm tia 64 Hình 4.4: Sản phẩm Point Cloud, DTM, Ortho photo 66 Danh mục sơ đồ Sơ đồ 4.1: Quy trình cơng nghệ xây dựng CSDL địa lý tỷ lệ 1/2000 74 Sơ đồ 4.2: Quy trình cơng nghệ tách lọc liệu địa lý tỷ lệ 1/2000 75 Sơ đồ 4.3: Quy trình cơng nghệ Nhập siêu liệu vào CSDL 86 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Thơng tin giữ vai trị quan trọng cơng tác quản lý, sở cho việc đề xuất sách phù hợp lập kế hoạch hợp lý cho nhà quản lý phân bổ nguồn lực việc định liên quan đến đầu tư phát triển kinh tế, hỗ trợ lãnh đạo, huy tham mưu, tác chiến quân Ngày nay, việc sản xuất cung cấp TTĐL có vai trị lớn phát triển kinh tế xã hội bảo đảm an ninh quốc phịng, ln mục tiêu nghiên cứu chiến lược nhiều quốc gia Sự phát triển mạnh mẽ CNTT, cho phép ta ứng dụng để giải vấn đề phức tạp thực tiễn sống, đặc biệt công tác tự động hóa q trình sản xuất, có công tác bay chụp ảnh, đo vẽ đồ thành lập CSDL địa lý Thuật ngữ Hệ thống bay không người lái (UAS - Unmanned Vehicle Systems) giới sử dụng phổ biến để thể việc ứng dụng thiết bị bay không người lái (UAVUnmanned Aerial Vehicle) để giám sát bề mặt trái đất, thu nhận ảnh phục vụ công tác thành lập đồ Ưu cơng nghệ chi phí thấp, hình ảnh thu nhanh, thường xuyên với độ xác cao dễ dàng tạo liệu 3D đáp ứng thời điểm yêu cầu thu nhận thông tin Những kết nghiên cứu giới cho thấy hệ thống viễn thám sử dụng máy bay không người lái cao độ thấp từ 75m đến 750m giải pháp tối ưu, thường sử dụng phục vụ công tác thành lập đồ Hiện nay, Công ty TNHH MTV Trắc địa Bản đồ Cục Bản đồ/Bộ Tổng Tham mưu đầu tư, tiếp nhận chuyển giao công nghệ 02 UAV (Trimble UX5) từ nhà sản xuất vận hành thành công hệ thống bay chụp ảnh, xử lý liệu cho kết bình đồ ảnh; mơ hình số mặt đất, mơ hình số độ cao Qua đo đạc, kiểm tra đánh giá cho thấy độ xác khả quan, ứng dụng vào q trình sản xuất, ngồi sử dụng UAV để bay chụp diễn tập thực binh cứu hộ, cứu nạn nước ASIAN Ba Vì, Hà Nội Máy bay chụp ảnh hàng không TRIMBLE UX5, loại máy bay không người lái UA (UA=Unmanned Aircraft) Một máy bay không người lái loại máy bay hoạt động mà khơng có phi công Kiểu máy bay thường gọi máy bay điều khiển từ xa (RPARemotely Piloted Aircraft) Máy bay TRIMBLE UX5 lập trình trước chuyến bay, cất cánh, trình bay, hạ cánh mà giảm thiểu tối đa can thiệp người Nếu có can thiệp đội điều khiển mặt đất thay đổi hướng bay hạ cánh Trong vài trường hợp ví dụ thơng tin liên lạc bị gián đoạn tín hiệu GPS chương trình lập trình tự động kết nối lại tín hiệu bị kết thúc chuyến bay sớm hạ cánh an toàn Máy bay TRIMBLE UX5 có lắp Camera để chụp ảnh hàng khơng khu vực xác định Camera có nhiệm vụ chụp ảnh suốt chuyến bay Với độ phân giải cao 16.1 megapixel sử dụng cảm biến ASP-C cho độ nét cao chi tiết Dải màu chuẩn RGB bao gồm lọc UV HAZE Lựa chọn dải cận hồng ngoại sử dụng cho mục đích đặc biệt Giá trị GSD (ground sample distance – tạm gọi độ phân giải mặt đất) tab Mission độ cao bay chụp tương ứng có mối liên hệ với Độ cao bay chụp máy bay cao pixel ảnh thể khoảng cách thực đất lớn Độ cao bay chụp tối thiểu, tối đa độ phân giải tương ứng sau: Độ cao bay chụp tối thiểu 75 m tương đương đội phân giải mặt đất 2,4 cm Độ cao bay chụp tối đa 750 m tương đương đội phân giải mặt đất 23,9 cm Trong chuyến bay, tất ảnh chụp độ cao xác định, dọc theo tuyến với độ chồng phủ ảnh Trong thời điểm, thơng tin vị trí ảnh ghi lại cho trình xử lý sau phần mềm ví dụ Trimble Business Center Từ vấn đề trên, thấy cần thiết phải “Nghiên cứu khả thu thập liệu GIS từ ảnh chụp máy bay không người lái (UAV) đề xuất phương pháp cập nhật CSDL GIS quân tỷ lệ lớn dựa ảnh chụp máy bay không người lái (UAV) hỗ trợ tham mưu, huy tác chiến” Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu quy trình bay chụp UAV, khả thu thập liệu GIS phương pháp cập nhật CSDL địa lý tỷ lệ lớn ảnh UAV khu vực đô thị, công nghiệp khu kinh tế trọng điểm hỗ trợ lãnh đạo, huy tham mưu tác chiến quân Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là: Các tổ chức đơn vị sử dụng CSDL GIS quân tỷ lệ lớn toàn quân Phạm vi nghiên cứu luận án bao gồm vấn đề liên quan đến lý thuyết CSDL, nguyên lý Hệ thống địa lý GIS, mơ hình quản trị, phân tích, đánh giá 10 chất lượng khai thác liệu; tiêu chuẩn liệu địa lý TC211; xây dựng mơ hình khn mẫu để qui nạp tất liệu đồ tỷ lệ lớn Nội dung nghiên cứu - Tìm hiểu thực trạng phương pháp xây dựng CSDL địa lý tỷ lệ lớn nước ta - Nghiên cứu qui trình bay chụp ảnh máy bay khơng người lái (UAV), đề xuất phương pháp cập nhật CSDL GIS quân tỷ lệ lớn dựa ảnh chụp máy bay không người lái (UAV) hỗ trợ tham mưu, huy tác chiến” - Thực nghiệm thu thập liệu GIS UAV cập nhật CSDL địa lý quân tỷ lệ 1:2.000 thuộc khu vực Quân khu  Bay chụp ảnh máy bay không người lái TRIMBLE UX5  Đo khống chế ảnh GPS  Tăng dày khống chế ảnh phần mềm chuyên dụng Trimble Business Center  Tạo lập bình đồ ảnh, DSM, DEM phần mềm chuyên dụng Trimble Business Center  Đo vẽ (thu thập) đối tượng địa lý bình đồ ảnh  Điều tra TTĐL quân  Cập nhật CSDL địa lý quân Phương pháp nghiên cứu Kết hợp ba phương pháp để nghiên cứu đề tài là: Phương pháp định tính, phương pháp báo cáo thống kê kết thực nghiệm phương pháp xử lý số liệu biểu diễn kết Trong phương pháp định tính cho nội dung điều tra thu thập, vấn phân tích tài liệu, văn pháp lý, phần mềm, công trình khoa học có liên quan đến vấn đề xây dựng CSDL để tìm thơng tin trả lời cho vấn đề đặt đề tài Phương pháp báo cáo thống kê kết thực nghiệm: thử nghiệm lấy số liệu thực tế làm sáng tỏ sở lý thuyết đưa 85 + Hai đối tượng tiếp biên mặt khơng gian số thuộc tính không giống + Hai đối tượng tiếp biên mặt khơng gian giá trị thuộc tính khác Dùng tính kiểm tra chương trình trình ETMAGIS kết hợp với kiểm tra thủ cơng để sửa triệt để lỗi nêu 4.3.8.8 Tích hợp vào CSDL địa lý theo mảnh đồ Tích hợp liệu địa lý chuẩn hoá MicroStation vào Personal Geodatabase theo đơn vị mảnh Sử dụng chương trình ConvertData để tích hợp liệu địa lý từ định dạng DGN vào Personal Geodatabase Quá trình chuyển đổi font chữ sang Unicode nhập thông tin vào trường thông tin chung Personal Geodatabase thực kết hợp với việc tích hợp liệu chương trình ConvertData 4.3.8.9 Tích hợp mơ hình số độ cao vào CSDL Sử dụng chương trình ArcCatalog để tích hợp mơ hình số độ cao vào CSDL 1/2000 - Dữ liệu đầu vào (Input Raster) DEM cắt theo mảnh đồ - Đích đến (Target Raster) Raster Dataset GeoDatabase với thông số (Cellsize=5; Hệ tọa độ VN-2000; Number of Bands=1) 4.3.8.10 Tích hợp bình đồ ảnh vào CSDL Sử dụng chương trình ArcCatalog tiến hành load ảnh vệ tinh vào CSDL 1/2000 - Sử dụng bình đồ ảnh trực giao định dạng Geotiff - Tạo Raster Dataset GeoDatabase với thông số (Cellsize=0,3m; Hệ tọa độ VN-2000; Number of Bands=3) 4.3.8.11 Tạo siêu liệu Siêu liệu phải lưu hai file File thứ định dạng *.xml bình thường chương trình VMPEDITOR File thứ hai copy file thứ theo chuẩn 19139 Siêu liệu phải nhập vào CSDL 86 Xác định loại siêu liệu địa lý cần xây dựng Thu thập tư liệu phục vụ xây dựng siêu liệu Tạo tài liệu siêu liệu Nhập thông tin siêu liệu Kiểm tra tài liệu siêu liệu Nhập siêu liệu vào CSDL Sơ đồ 4.3: Quy trình cơng nghệ Nhập siêu liệu vào CSDL a Xác định loại siêu liệu địa lý cần xây dựng Siêu liệu mô tả CSDL địa lý 1/2000 b Thu thập tư liệu phục vụ xây dựng siêu liệu Căn vào yêu cầu thông tin siêu liệu, vào hướng dẫn lập siêu liệu địa lý 1/2000, tiến hành thu thập tư, tài liệu làm nguồn thông tin để đưa vào siêu liệu c Tạo tài liệu siêu liệu Sử dụng phần mềm VMP Editor để tạo tài liệu siêu liệu d Nhập thơng tin siêu liệu - Nhập theo nhóm thơng tin siêu liệu, sau nhập hết cho nhóm thơng tin chuyển sang nhóm thơng tin - Sử dụng tư liệu thu thập để lấy thông tin đưa vào siêu liệu e Kiểm tra tài liệu siêu liệu Theo yêu cầu chuẩn siêu liệu địa lý, thông tin siêu liệu chia thành loại loại sau: - Loại thơng tin bắt buộc phải có tài liệu siêu liệu - Loại thông tin bắt buộc phải có thoả mãn điều kiện định - Loại thông tin không bắt buộc 87 Việc kiểm tra thực nhằm đảm bảo yêu cầu nêu f Nhập siêu liệu vào CSDL Siêu liệu sau nhập định dạng *.xml chương trình VMP Editor cần chuyển sang chuẩn 19139 để chuyển vào CSDL địa lý 1/2000 cho mảnh 88 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Khả thu thập liệu GIS từ ảnh chụp máy bay không người lái (UAV) để cập nhật CSDL GIS quân tỷ lệ lớn dựa ảnh chụp UAV hỗ trợ tham mưu huy tác chiến cần thiết cấp bách ngành Trắc địa đồ nói chung Bộ Quốc phịng nói riêng giai đoạn trước mắt lâu dài, phù hợp với yêu cầu chung “Xây dựng quân đội nhân dân cách mạng, quy, tinh nhuệ, bước đại” Hệ thống UAV có độ xác cao, tự động hóa tất thao tác quy trình thu thập xử lý ảnh thu nhận Công tác tăng dày KCA dựa phần mềm Viện nghiên cứu Stuttgart Đức theo nguyên lý tăng dày chùm tia, tự động nhận dạng điểm ảnh tên liên kết khối, độ phủ lớn từ 70% đến 90% cho phép tạo khối tăng dày vững chắc, xác cao (chính xác mặt phẳng độ cao đến cm); đáp ứng yêu cầu thành lập đồ tỷ lệ lớn cực lớn (Bản đồ địa hình tỷ lệ 1/200 khoảng cao