Nghiên cứu các phương pháp lọc điểm đo trong công nghệ lidar

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT LÊ THANH NGHỊ NGHIÊN CỨU CÁC PHƢƠNG PHÁP LỌC ĐIỂM ĐO TRONG CÔNG NGHỆ LIDAR LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – 2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT LÊ THANH NGHỊ NGHIÊN CỨU CÁC PHƢƠNG PHÁP LỌC ĐIỂM ĐO TRONG CÔNG NGHỆ LIDAR Chuyên ngành: Bản đồ, viễn thám hệ thống thông tin địa lý Mã số: 60.44.76 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS Trần Đình Trí HÀ NỘI – 2012 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu kết sử dụng, trình bày luận văn trung thực chưa công bố cơng trình trước Hà Nội, ngày 15 tháng 10 năm 2012 Tác giả luận văn Lê Thanh Nghị MỤC LỤC Trang phụ bìa trang Lời cam đoan Mục lục Danh mục hình vẽ Danh mục bảng biểu MỞ ĐẦU Chương – TỔNG QUAN VỀ CƠNG NGHỆ LIDAR 1.1 Khái niệm cơng nghệ LiDAR 1.2 Cơ sở vật lý, sở toán học toán xử lý số liệu LiDAR 1.2.1 Cơ sở vật lý 1.2.1.1 Tia laser 1.2.1.2 Đo dài laser công nghệ LiDAR 10 1.2.2 Cơ sở toán học 17 1.2.3 Nguyên lý hoạt động sở toán lý hệ thống GPS/INS 20 1.2.3.1 Một số hệ tọa độ dùng hệ thống tích hợp GPS/INS 21 1.2.3.2 Hệ thống GPS 23 1.2.3.3 Hệ thống INS 28 1.2.3.4 Tích hợp hệ thống GPS/INS 33 Chương - QUÁ TRÌNH BAY QUÉT VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU LIDAR 37 2.1 Các công đoạn q trình qt LiDAR 37 2.2 Nội dung cơng việc 39 2.2.1 Công tác chuẩn bị lập thiết kế kỹ thuật 39 2.2.2 Đo nối khống chế ngoại nghiệp 39 2.2.3 Bay qt LiDAR 40 2.2.4 Tính tốn, bình sai hiệu chỉnh toạ độ điểm phản hồi xung 42 2.2.5 Lọc điểm, phân loại xây dựng DEM 43 2.2.5.1 Phân loại tự động 43 2.2.5.2 Phân loại thủ công 43 2.2.5.3 Chỉnh sửa kết phân loại 43 2.2.5.4 Chuyển đôỉ định dạng xây dựng DEM theo mơ hình TIN hay GRID 2.3 Cơng nghệ tích hợp LiDAR máy ảnh số 44 44 Chương - CÁC PHƢƠNG PHÁP LỌC ĐIỂM TRONG CÔNG NGHỆ LIDAR 3.1 Các ứng dụng công nghệ LiDAR 49 49 3.1.1 Thành lập mơ hình số độ cao bề mặt địa hình cơng nghệ LiDAR 49 3.1.2 Ứng dụng công nghệ LiDAR đo vẽ đồ biển vùng nước nông 50 3.1.2.1 Nguyên lý đo sâu Laser từ máy bay 50 3.1.2.2 Ưu, nhược điểm công nghệ 51 3.1.2.3 Một số thiết bị đo sâu 52 3.2 Quy trình lọc điểm cơng nghệ LiDAR 53 3.2.1 Khái niệm quy trình lọc điểm cơng nghệ LiDAR 53 3.2.2 Một số mơ hình tốn học lọc điểm cơng nghệ LiDAR 54 3.2.2.1 Mơ hình tốn lọc điểm theo “độ chênh cao cực đại” 54 3.2.2.2 Mơ hình tốn học lọc điểm theo “độ võng cục bộ” 56 3.2.2.3 Mơ hình tốn học lọc điểm theo “cực tiểu tuyệt đối” 57 Chương - THỰC NGHIỆM LỌC ĐIỂM ĐO TRONG CÔNG NGHỆ LIDAR 59 4.1 Mô tả kết đo công nghệ LiDAR 59 4.2 Thực nghiệm lọc điểm 65 4.2.1 Mơ hình tốn học sử dụng cho thực nghiệm 65 4.2.2 Khu vực thực nghiệm 67 4.2.3 Chương trình lọc điểm 68 4.2.4 Kết thực nghiệm lọc điểm 70 4.2.5 Đánh giá sau trình lọc điểm 78 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO 81 PHỤ LỤC 82 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Mơ hình hoạt động hệ thống LiDAR Hình 1.2 Q trình phát xạ kích thích Hình 1.3 Nguyên tắc đo khoảng cách laser 11 Hình 1.4 Đo dài sóng laser liên tục 12 Hình 1.5 Đo dài xung laser 13 Hình 1.6 Đồ thị Gaussion xung 14 Hình 1.7 Chùm tín hiệu phản hồi từ 15 Hình 1.8 Số hóa dạng sóng phản hồi xung 17 Hình 1.9 Sơ đồ vecto hình học cơng nghệ LiDAR 18 Hình 1.10 Hệ tọa độ ECI, ECEF b-frame 21 Hình 1.11 Hệ tọa độ ECI, ECEF n-frame 22 Hình 1.12 Đo khoảng cách giả Ri từ vệ tinh tới máy thu 24 Hình 1.13 Mơ hình đo góc nghiêng máy đo gia tốc 29 Hình 1.14 Các góc quay tương ứng với trục X, Y, Z b-frame IMU gắn với thân vật mang (máy bay) 32 Hình 1.15 Sơ đồ cấu trúc tích hợp hệ thống GPS/INS 34 Hình 1.16 Sơ đồ xử lý tích hợp lọc Kalman (LKF, EKF) GPS/INS 36 Hình 2.1 Sơ đồ tổng quan quy trình quét LiDAR 38 Hình 2.2 Cơng nghệ tích hợp LiDAR máy ảnh số 44 Hình 3.1 Ngun lý lọc điểm theo mơ hình “độ chênh cao cực đại” 54 Hình 3.2 Nguyên lý lọc điểm theo mơ hình “cực tiểu tuyệt đối” 58 Hình 4.1 Tách lớp liệu theo thứ tự phản hồi xung laser 59 Hình 4.2 Điểm đo LiDAR xung laser quét qua lùm 60 Hình 4.3 Điểm đo LiDAR xung laser quét qua độc lập 61 Hình 4.4 Điểm đo LiDAR xung laser quét qua quà 61 Hình 4.5 Điểm đo LiDAR xung laser quét qua đường dây điện 62 Hình 4.6 Điểm đo LiDAR xung laser quét qua ô tơ 63 Hình 4.7 Điểm đo LiDAR xung laser qt qua rừng 64 Hình 4.8 Mơ hình TIN dựng xung laser quét qua rừng 65 Hình 4.9 Ngun lý lọc điểm theo mơ hình “cực tiểu tuyệt đối” 66 Hình 4.10 Nguyên lý lọc điểm ô vuông theo mô hình “cực tiểu tuyệt đối” 66 Hình 4.11 Hình ảnh tồn khu vực thực nghiệm 67 Hình 4.12 Mật độ điểm dày đặc quét LiDAR qua khu vực 67 Hình 4.13 File số liệu qua xử lý đổi định dạng 68 Hình 4.14 Chương trình lọc điểm đo 69 Hình 4.15 Chọn độ rộng mắt lưới vng lọc điểm 69 Hình 4.16 File số liệu thu sau lọc điểm 70 Hình 4.17a Mật độ điểm thu độ rộng mắt lưới 5m 71 Hình 4.17b Mật độ điểm thu độ rộng mắt lưới 10m 72 Hình 4.17b Mật độ điểm thu độ rộng mắt lưới 10m 73 Hình 4.18 Mơ hình TIN thành lập từ file số liệu gốc chưa lọc điểm 74 Hình 4.19a Mơ hình TIN thành lập sau lọc điểm với vng 5m 75 Hình 4.19b Mơ hình TIN thành lập sau lọc điểm với ô vuông 10m 76 Hình 4.19c Mô hình TIN thành lập sau lọc điểm với ô vuông 20m 77 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 3.1 Các tiêu kĩ thuật số thiết bị đo sâu 52 Bảng 3.2 Kết lọc theo tiêu chuẩn kết hợp với trường hợp 56 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Công nghệ LiDAR công nghệ tiên tiến hàng đầu hệ thống công nghệ thu thập liệu không gian giới Trong lĩnh vực quản lí tài ngun mơi trường, đặc biệt lĩnh vực trắc địa đồ, công nghệ LiDAR (Light Detection And Ranging) nghiên cứu phát triển ứng dụng có hiệu Cơng nghệ LiDAR thực chức đo đạc, hiển thị độ cao chi tiết địa hình tạo ảnh nắn cường độ xám, cách xác, nhanh có mật độ điểm dày đặc công nghệ trắc địa đồ Tuy nhiên Việt Nam, công nghệ LiDAR biết đến thời gian ngắn, việc nghiên cứu, phát triển ứng dụng công nghệ LiDAR điều kiện Việt Nam hạn chế Các phần mềm xử lý số liệu bay quét LiDAR có phần mềm thương mại với giá đắt đỏ, việc nghiên cứu áp dụng sản phẩm công nghệ LiDAR cho chuyên ngành lại Xuất phát từ thực tiễn trên, luận văn “Nghiên cứu phƣơng pháp lọc điểm đo công nghệ LiDAR” mong muốn tìm hiểu chi tiết công nghệ LiDAR phương pháp lọc điểm đo ứng dụng, phục vụ công tác nghiên cứu phát triển công nghệ LiDAR thời gian tới Mục tiêu nghiên cứu Góp phần thúc đẩy phát triển ứng dụng công nghệ Việt Nam, quảng bá rộng rãi kiến thức công nghệ LiDAR, bổ sung tài liệu tham khảo cho học giả tiếp cận áp dụng công nghệ LiDAR sản xuất thực tế điều kiện Việt Nam, tạo tiền đề cho việc nghiên cứu, ứng dụng sản phẩm công nghệ LiDAR cho ngành kinh tế, kỹ thuật khác Hình 4.19b Mơ hình TIN thành lập sau lọc điểm với ô vuông 10m Hình 4.19c Mơ hình TIN thành lập sau lọc điểm với ô vuông 20m 4.2.5 Đánh giá sau trình lọc điểm Việc chọn độ rộng mắt lưới vuông phụ thuộc vào nhiều yếu tố độ phức tạp địa hình địa vật khu vực Do độ rộng khơng mặc định chương trình chạy mà người tiến hành chạy chương trình nhập vào, q trình lọc điểm hồn tồn linh hoạt Và việc chọn độ rộng lưới ô vuông hợp lý khu vực bay quét nên có bãi kiểm định xác để kiểm tra kết lọc điểm KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Sau thời gian học tập, nghiên cứu lý thuyết tiến hành thực nghiệm đề tài: ”Nghiên cứu phƣơng pháp lọc điểm đo công nghệ LiDAR”, tác giả luận văn xin rút số kết luận kiến nghị sau: Kết luận Công nghệ LiDAR với khả thu thập liệu không gian không phụ thuộc thời tiết, ngày đêm nguồn tư liệu có giá trị cho cơng tác theo dõi, giám sát tài nguyên thiên nhiên bảo vệ môi trường, nước nằm vùng nhiệt đới có nhiều mây Việt Nam Công nghệ LiDAR công nghệ đại, hoạt động gắn liền công nghệ thông tin, mang tính tự động hóa cao, có độ tin cậy sản phẩm hiệu kinh tế - kỹ thuật cao công nghệ truyền thống Sản phẩm công nghệ liệu lý tưởng mô tả địa hình sử dụng cho mục đích khác Kết nghiên cứu tổng quan toàn diện cách khoa học cở sở lý thuyết, lý luận cơng nghệ LiDAR Đây tài liệu dùng để tham khảo nghiên cứu, học tập ứng dụng thực tiễn sản xuất Xây dựng phần mềm trợ giúp khai thác hệ thống LiDAR thành lập mơ hình số độ cao cơng cụ tiện ích công tác thiết kế, tác nghiệp kỹ thuật góp phần tăng suất lao động áp dụng cơng nghệ LiDAR nước ta Mơ hình số độ cao từ cơng nghệ LiDAR có chất lượng cao, đáp ứng yêu cầu thành lâọ CSDL thơng tin địa lý đồ địa hình Cơng nghệ LiDAR mở thời kỳ phát triển ngành trắc địa đồ Kiến nghị Mặc dù cơng nghệ LiDAR có nhiều mạnh việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ Việt nam hạn chế Đề nghị cần tăng cường công tác nghiên cứu ứng dụng công nghệ LiDAR phục vụ theo dõi giám sát tài nguyên thiên nhiên bảo vệ môi trường Việt Nam Nếu có điều kiện cho phép đề nghị tiến hành thử nghiệm với nhiều loại địa hình khác có độ phức tạp bề mặt địa địa vật khác để hồn thiện cơng nghệ khẳng định thêm khả ưu khai thác công nghệ LiDAR Mỗi hệ thống LiDAR có đặc điểm ưu giá thành khác Đầu tư công nghệ LiDAR có hiệu cao nhất, phù hợp mục đích đặt đòi hỏi cấp quản lý doanh nghiệp lĩnh vực trắc địa đồ phải nghiên cứu ứng dụng, xem xét, đánh giá, cân nhắc cách thận trọng tính thực tế hệ thống LiDAR TÀI LIỆU THAM KHẢO Lương Chính Kế (2006), “Thành lập DEM/DTM DSM cơng nghệ LiDAR”, Viễn thám Địa tin học, Trung tâm viễn thám – Bộ Tài nguyên Môi trường, Hà Nội, (số 1-2006) Lê Minh, Lương Chính Kế (2008), “Cơ sở đánh giá độ xác DEM thành lập công nghệ LiDAR”, Viễn thám Địa tin học, Trung tâm Viễn thám quốc gia – Bộ Tài nguyên Môi trường, Hà Nội (số 4) Lê Minh, Hồng Ngọc Lâm, Nguyễn Tuấn Anh (2006), “Ứng dụng cơng nghệ LiDAR Việt Nam”, Viễn thám Địa tin học, Trung tâm Viễn thám – Bộ Tài nguyên Môi trường, Hà Nội (số 1-2006) Cáp Xuân Tú (2004), “Công nghệ LiDAR ứng dụng trắc địa đồ”, Tạp chí Tài ngun Mơi trường – Bộ Tài nguyên Môi trường, Hà Nội (số 8-2004) Cáp Xuân Tú (2006), “Công nghệ LiDAR ứng dụng lĩnh vực Tài nguyên Môi trường”, Tuyển tập báo cáo hội nghị khoa học lần thứ 17 – Đại học Mỏ Địa Chất, 5, tháng 10-2006 PHỤ LỤC [1] Mã code chƣơng trình lọc điểm $debug $large c program chuong trinh loc diem implicit real*8(a-h,o-z) dimension x(15000),y(15000),h(15000), ndiem(15000),idiem(15000) character ff*50,ff1*30,ff2*30,ff3*30 write(*,1) format(///) write(*,*)' ÉÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍ»' write(*,*)' º CHUONG TRINH LOC DIEM DO TRONG CN LIDAR write(*,*)' º write(*,*)' º write(*,*)' º write(*,*)' º º' write(*,*)' º º' write(*,*)' ÈÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍͼ' º' Design by LE THANH NGHI º' ======***************====== write(*,2) format(///) write(*,'(a\)')' Nhap ten file so lieu:' read(*,'(a)') ff1 open(1,file=ff1,status='old') write(*,'(a\)')' Nhap ten file ket qua:' read(*,'(a)') ff2 º' º' open(4,file=ff2,status='new') c open(1,file='sl1.sl',status='old') c open(4,file='kq.kq',status='new') write(*,'(a\)')' Nhap rong o vuong tinh toan (m): ' read(*,*) nrong write(*,*) write(*,*) ' please wait ' write(*,*) c DOC SO LIEU TU FILE SO LIEU DAU VAO read(1,*) nd nchan = int(nd/15000) nle = mod(nd,15000) c write (*,*) nchan, nle ni=0 nlap=1 if(nchan.eq.0) goto 62 61 ndd=15000 goto 69 62 ndd=nle 69 write(*,*) nlap, nchan 10 i=1, ndd read (1,*) ndiem(i), x(i), y(i), h(i) 10 continue c TIM XMIN XMAX YMIN YMAX xmin = 10000000000.123 ymin = 10000000000.123 xmax = ymax = 20 i=1, ndd if (x(i).lt.xmin) xmin = x(i) if (y(i).lt.ymin) ymin = y(i) if (x(i).gt.xmax) xmax = x(i) if (y(i).gt.ymax) ymax = y(i) 20 continue write(*,*) xmin, ymin c TINH SO O VUONG TRONG LUOI nx= int((xmax-xmin)/nrong) ny= int((ymax-ymin)/nrong) c LOC DIEM DO 30 j=1,nx x1=xmin + ((j-1)*nrong) x2=xmin + (j*nrong) 31 k=1,ny ii=0 y1=ymin +((k-1)*nrong) y2=ymin +(k*nrong) hmin=123456.123 open(6,file='tam.tam',status='new') 32 i=1,ndd x0=x(i) y0=y(i) h0=h(i) if(x0.ge.x2.or.x0.lt.x1) goto 32 if(y0.ge.y2.or.y0.lt.y1) goto 32 ii=ii+1 write(6,34) i, x(i), y(i) 34 format(i7, 2f14.3)) 32 continue if(ii.eq.0) goto 31 close(6) open(8,file='tam.tam',status='old') 35 jj=1,ii read(8,*) idiem(jj) 35 continue 36 jj=1, ii ia=idiem(jj) if(h(ia).ge.hmin) goto 36 hmin=h(ia) 36 continue 37 jj=1, ii ia=idiem(jj) if(h(ia).ne.hmin) goto 37 ib=ia 37 continue ni=ni+1 write(4,33) ni,x(ib), y(ib), h(ib) 33 format(i7, 3f14.3) 31 continue ii=0 y1=ymin +(ny*nrong) y2=ymax hmin=123456.123 open(6,file='tam.tam',status='new') 40 i=1,ndd x0=x(i) y0=y(i) h0=h(i) if(x0.ge.x2.or.x0.lt.x1) goto 40 if(y0.ge.y2.or.y0.lt.y1) goto 40 ii=ii+1 write(6,41) i, x(i), y(i) 41 format(i7, 2f14.3)) 40 continue if(ii.eq.0) goto 30 close(6) open(8,file='tam.tam',status='old') 42 jj=1,ii read(8,*) idiem(jj) 42 continue 43 jj=1, ii ia=idiem(jj) if(h(ia).ge.hmin) goto 43 hmin=h(ia) 43 continue 44 jj=1, ii ia=idiem(jj) if(h(ia).ne.hmin) goto 44 ib=ia 44 continue ni=ni+1 write(4,45) ni,x(ib), y(ib), h(ib) 45 format(i7, 3f14.3) 30 continue ii=0 x1=xmin + (nx*nrong) x2=xmax y1=ymin +(ny*nrong) y2=ymax hmin=123456.123 open(6,file='tam.tam',status='new') 50 i=1,ndd x0=x(i) y0=y(i) h0=h(i) if(x0.ge.x2.or.x0.lt.x1) goto 50 if(y0.ge.y2.or.y0.lt.y1) goto 50 ii=ii+1 write(6,51) i, x(i), y(i) 51 format(i7, 2f14.3)) 50 continue if(ii.eq.0) goto 60 close(6) open(8,file='tam.tam',status='old') 52 jj=1,ii read(8,*) idiem(jj) 52 continue 53 jj=1, ii ia=idiem(jj) if(h(ia).ge.hmin) goto 53 hmin=h(ia) 53 continue 54 jj=1, ii ia=idiem(jj) if(h(ia).ne.hmin) goto 54 ib=ia 54 continue ni=ni+1 write(4,55) ni,x(ib), y(ib), h(ib) 55 format(i7, 3f14.3) close(8,status='delete') 60 nlap=nlap+1 if(nlap.eq.(nchan+2)) goto 70 if(nlap.eq.(nchan+1)) goto 62 goto 61 70 write(*,*) ' Chuc ban gap nhieu may man!' write(*,*) pause stop end ... tƣợng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu đề tài vấn đề liên quan đến lý thuyết công nghệ LiDAR, phương pháp lọc điểm đo công nghệ LiDAR, thuật tốn lập trình xây dựng phần mềm lọc điểm đo Nội dung nghiên. .. điểm đo Nội dung nghiên cứu Tìm hiểu công nghệ LiDAR phương pháp lọc điểm đo cơng nghệ LiDAR Viết chương trình phần mềm thử nghiệm lọc điểm đo Phƣơng pháp nghiên cứu Phương pháp thống kê, phân tích:... phẩm công nghệ LiDAR cho chuyên ngành lại Xuất phát từ thực tiễn trên, luận văn ? ?Nghiên cứu phƣơng pháp lọc điểm đo cơng nghệ LiDAR? ?? mong muốn tìm hiểu chi tiết công nghệ LiDAR phương pháp lọc điểm