Ứng dụng trong kiến trúc, xây dựng và thiết kế công trình
Những năm trước đây để nhận thông tin về các công trình kiến trúc thường sử dụng phương pháp đo chụp ảnh mặt đất hoặc quay thực cảnh đo chọn lọc. Các phương pháp trên thực sự là khó khăn với khối lượng lớn công việc và hoàn toàn không thể thành lập đầy đủ chi tiết mô hình 3D của công trình. Các đài tưởng niệm kiến trúc, di
tích lịch sử văn hóa là một trong những lĩnh vực hàng đầu được áp dụng công nghệ quét laser 3D mặt đất. Phần lớn trong nhiều trường hợp các đặc tính của những địa vật có cấu trúc rất phức tạp mà không thể hiện mô tả được bằng các yếu tố hình học
[45]. Sự xuất hiện thiết bị quét laser 3D mặt đất trong lĩnh vực đo đạc bản đồ địa hình cho phép giảm đáng kể chi phí lao động cho công tác đo đạc cũng như tạo ra nhiều dạng sản phẩm với chất lượng cao.
a) Hình ảnh chụp cảnh quan tuyến phố b) Mô hình đám mây điểm - Point cloud
Hình 1.4. Mô hình 3D kiến trúc cảnh quan phố Tạ Hiện - Hoàn Kiếm - Hà Nội
a) Mô hình đám mây điểm -Point cloud b) Ảnh chụp từ máy ảnh số
Hình 1.5. Mô hình 3D trong thiết kế và xây dựng công trình nhà dân dụng [70]
Nhờ xây dựng mô hình 3D chi tiết có thể trùng tu, phục chế đầy đủ và chính
xác các yếu tố hình học của các cấu trúc công trình kiến trúc phức tạp. Đặc biệt mô hình 3D các công trình đô thị, nhà cao tầng trở nên ứng dụng rộng rãi trong quy hoạch
Trong trường hợp này xác định vị trí mặt phẳng địa vật trên bản đồ số, độ cao của chúng nhận được từ xử lý dữ liệu quét laser 3D mặt đất. Công nghệ mô hình hóa các công trình nhà cao tầng theo các bước sau:
- Quét laser 3D mặt đất;
- Chụp ảnh số mặt đất các địa vật;
- Vector hóa các đối tượng raster trên bản đồ ảnh số và phân loại theo các lớp chuyên đề;
- Xác định độ cao các công trình, các tòa nhà cao tầng theo dữ liệu quét laser 3D mặt đất;
- Chuyển đổi các đối tượng đường 2D về mô hình 3D địa vật theo kết quả độ cao của chúng;
- Mô tả đặc tính mô hình các công trình và các tòa nhà cao tầng.
Trong thiết kế xây dựng các công trình đô thị khi ứng dụng quét laser 3D mặt đất có thể thực hiện hiệu quả các dạng công việc như: quy hoạch tối ưu và kiểm tra sự dịch chuyển, lắp đặt và tháo dỡ các khối lớn và thiết bị; hiệu chỉnh thiết kế trong quá trình xây dựng; kiểm tra quá trình xây dựng; công việc lắp ghép và hiệu chỉnh; thực hiện đo vẽ trước và sau xây dựng công trình; giám sát quá trình khai thác công trình; tạo mặt cắt và xây dựng mô hình 3D chính xác; hiệu quả xác định khối lượng đào đắp… Quá trình thực hiện tương tự như thành lập mô hình số địa hình.
Đặc biệt mô hình xây dựng 3D này ứng dụng trong quá trình quan trắc biến dạng các công trình phức tạp lớn như: các cầu và công trình xây dựng lớn, đập thủy điện, nhà máy điện hạt nhân…. Cơ sở giám sát là đặt lưới các bộ cảm biến trên các
vị trí cố định của công trình có thể ghi lại sự chuyển dịch biến dạng tương đối của các thành phần theo các trục tọa độ X,Y,Z với độ chính xác 0,1mm. Dữ liệu từ bộ cảm biến liên tục truyền về máy chủ nhận thông tin để phân tích xử lý. Mục đích chính làm trùng lưới các bộ cảm ứng với mô hình 3D để quan trắc biến dạng công trình là hướng tự động hóa trong quá trình dự báo hiện trạng và có quyết định đúng hướng giải quyết [46, 47,53].
Ứng dụng trong khảo cổ học
Khảo cổ học là một lĩnh vực khoa học lịch sử, nghiên cứu quá trình và quy luật phát triển xã hội loài người theo các nguồn gốc và di tích lịch sử. Việc nghiên cứu, tìm kiếm và làm sáng tỏ các nguồn gốc các vật cổ (đồ cổ, dụng cụ lao động, đồ sứ, vũ khí, đồ trang sức, các công trình văn hóa lịch sử…) ngoài thực địa nhằm làm rõ về vị trí, thành phần chất liệu và quá trình phát triển của nhân loại là lĩnh vực hoạt động của các nhà khảo cổ học. Mô hình 3D chi tiết sẽ là công cụ hiệu quả thể hiện cho khảo cổ và không gian học với các sự mô tả các thuộc tính bằng văn bản, ghi âm tiếng hoặc băng ghi hình tiếng giúp cho quá trình khai thác hiểu biết rõ ràng, sử dụng, nghiên cứu và bảo quản bền vững [34,54] cũng như khôi phục một cách tin cậy các công trình kiến trúc cổ đã bị phá hủy, hư hại trong suốt chiều dài phát triển lịch sử của xã hội loài người.
a) Mô hình đám mây điểm b) Mô hình 3D
a) Mô hình 3D b) Mô hình đám mây điểm Hình 1.7. Mô hình 3D di tích Nhà bát giác – Chùa Láng – Hà Nội
Ứng dụng trong lĩnh vực dầu khí
Lĩnh vực dầu khí vốn sẵn mang đến cả công trình với nhiều hệ thống phức hợp: hệ thống đường ống dẫn dầu, hệ thống cầu cảng, các nhà máy xử lý hóa dầu, các kho thùng dự trữ dầu… Để thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn, đặc biệt xây dựng mô hình 3D với độ chính xác cao rõ ràng ưu thế là áp dụng công nghệ quét laser 3D mặt đất [51].
Ứng dụng phương pháp quét laser 3D mặt đất trong lĩnh vực dầu khí cho phép giải quyết với mức độ chính xác và độ tin cậy cao đối với các nhiệm vụ như sau:
- Xác định chính xác trục đứng của các bể chứa dầu hình trụ;
- Xây dựng bản đồ chi tiết biến dạng thành của bể chứa;
- Xác định độ nghiêng của tấm thành tạo bể chứa so với trục đứng của bể;
- Tính toán được khối lượng chứa dầu;
- Xác định được độ nghiêng bề mặt của bể chứa so với mặt phẳng ngang. Ưu thế của phương pháp là việc đo đạc các đối tượng được thực hiện từ xa. Độ chính xác quét laser vào khoảng 2 lần cao hơn so với việc đo đơn tia laser.
a) Mô mình đám mây điểm b) Ảnh chụp từ máy ảnh số Hình 1.8. Mô hình 3D đường ống dẫn dầu nhà máy Lọc dầu [51]
Ứng dụng trong lĩnh vực y học
Trong lĩnh vực y học thường và cần thiết biết các tham số hình học của các bộ phận cơ thể con người để tạo các mẫu lắp ghép, thay thế…. Hiện nay trong lĩnh vực y học sử dụng các thiết bị có khả năng làm việc với các thông tin đo đạc để tạo ra các bộ phận giả nói trên trong không gian 3D. Vì vậy việc tạo lập mô hình thực 3D cơ thể con người sẽ làm tăng chất lượng sản xuất các thực thể thay thế bộ phận trong y học. Ứng dụng mô hình 3D của từng bộ phận con người cùng với sự hiểu biết về sinh lý học cho phép khả năng tạo ra đồng bộ linh hoạt và chính xác kích thước các thực thể nói trên.
Đặc biệt ứng dụng mô hình 3D cơ thể con người trong quá trình phẫu thuật tạo hình. Bằng mắt thường theo dõi giám sát trên màn hình để xử lý trong quá trình phẫu thuật. Quá trình quét bằng lưới tam giác quét laser tương tự như phương pháp đo xung và đo pha cho phép xác định chính xác tọa độ không gian các điểm của cơ thể với độ chính xác phần chục mm. Ứng dụng công nghệ quét laser 3D mặt đất trong y học cho phép nâng cao độ chính xác trong quá trình sản xuất các thực thể mẫu ghép.
Hình 1.9. Ứng dụng công nghệ quét laser 3D trong phẫu thuật tạo hình [70]
Ứng dụng trong dự báo các thảm họa nguy hiểm
Kinh nghiệm cho thấy tính hiệu quả khi triển khai các biện pháp xử lý thảm họa nguy hiểm khi được biết chính xác và đầy đủ thông tin đo đạc về khu vực xảy ra. Khả năng duy nhất về thông tin đó chính là mô hình 3D mà trên đó thể hiện đầy đủ về vị trí, các thông tin cần thiết như hệ thống thông tin hạ tầng, tín hiệu cảnh báo (Phòng chống cháy nổ, An ninh bảo mật, … ). Nhờ mô hình 3D cho phép giải quyết các nhiệm vụ sau:
- Thiết kế các phương án xử lý thảm họa xảy ra. Tạo ra hệ thống tự động hóa tiếp nhận và quyết định xử lý thảm họa nguy hiểm xảy ra;
- Thiết kế các hệ thống đảm bảo an toàn và thiết yếu cho con người với mục đích hiệu quả khai thác chúng;
- Tìm kiếm và khắc phục các thiết bị hư hỏng. Mô hình hóa và dự báo phát triển các tính huống xảy ra như (hỏa hoạn, nổ hóa chất, sự cố tai nạn…);
- Thiết kế tuyến đường vận chuyển thiết bị khi cần thiết (trong đường hầm);
- Thiết kế khoanh vùng bảo toàn khu dân cư. Thiết kế các vị trí đặt thiết bị theo dõi thảm họa khi xảy ra. Xây dựng hệ thống thiết bị bay không người lái và cứu hộ trong điều kiện khó quan sát.
Ứng dụng mô hình 3D chi tiết bằng phương pháp quét laser 3D mặt đất với hệ thống giám sát theo dõi cho phép trong chế độ trực tuyến online để đánh giá chi tiết quá trình xử lý khắc phục thảm họa, sự cố xảy ra đặc biệt đối với các công trình có ý nghĩa chiến lược (nhà máy thủy điện, nhà máy điện hạt nhân, hệ thống tàu điện
ngầm…). Ngoài ra còn nâng cao tính linh hoạt và hiệu quả điều hành quyết định trên hiện trường khi sự cố thảm họa xảy ra.
Hình 1.10. Ứng dụng trong theo dõi, dự báo, giám sát thảm họa khai thác mỏ [4] 1.7. Những vấn đề được phát triển trong luận án
Từ khi các hệ thống quét laser 3D mặt đất du nhập vào nước ta, công nghệ này đã có những đóng góp trong việc khảo sát bề mặt địa hình, thành lập mô hình số độ cao (DEM), mô hình số địa hình (DTM), xây dựng mô hình 3D phục vụ phân tích tổng hợp…Tuy nhiên, còn nhiều vấn đề tiếp cận khá khó khăn đối với công nghệ quét laser 3D mặt đất như: Hiểu bản chất nguyên lý hoạt động của hệ thống; nguyên lý làm việc khối đo dài; các phương pháp đo góc của máy quét; các nguồn sai số trong kết quả quét laser mặt đất…kể cả vấn đề lý thuyết và thực hành đều chưa có nghiên cứu cơ bản để triển khai rõ ràng, cụ thể.
Hơn nữa, hiện nay chưa có một nghiên cứu hoàn chỉnh, đồng bộ và đầy đủ từ lý thuyết đến thực nghiệm nhất là trong lĩnh vực phi địa hình; chưa có công bố mang tính pháp quy cũng như chưa ban hành đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật, quy trình công nghệ, định mức – đơn giá thực hiện quét laser mặt đất cho việc xây dựng mô hình địa hình số độ cao đối với các đối tượng phi địa hình. Từ đó làm cơ sở để triển khai rộng rãi trong thực tế sản xuất.
Yếu tố khai thác, sử dụng phần mềm thương mại của nước ngoài còn nhiều bất cập, từ môi trường làm việc, việc định dạng của đầu ra sản phẩm, các công cụ không được Việt hóa gây khó khăn cho người sử dụng. Hơn nữa do điều kiện thực tiễn ở nước ta là các yếu tố đặc trưng địa hình và địa vật rất đa dạng do đó phần mềm
Do đó, luận án tập trung giải quyết và phát triển các vấn đề cốt lõi sau đây:
- Nghiên cứu cơ sở khoa học của công nghệ quét laser 3D mặt đất về mặt lý luận cũng như thực tiễn sản xuất.
- Tích hợp các thuật toán, xây dựng chương trình phụ trợ trong xử lý dữ liệu quét laser mặt đất phù hợp với điều kiện hiện tại của nước ta.
- Xây dựng quy trình công nghệ quét 3D mặt đất đối với một số đối tượng phi
địa hình.
1.8. Đánh giá ban đầu về hiệu quả khi sử dụng công nghệ quét laser 3D mặt đấttrong lĩnh vực địa hình trong lĩnh vực địa hình
Khi ứng dụng công nghệ quét laser 3D mặt đất trong công tác lập mô hình số địa hình (DTM) mặc dù chưa có những so sánh đối chiếu cụ thể với một số phương pháp khác như phương pháp đo đạc trực tiếp (sử dụng máy toàn đạc điện tử, RTK,..) hay phương pháp đo vẽ ảnh nhưng dựa trên kinh nghiệm và kết quả nghiên cứu trên thế giới cho thấy có thể đánh giá một số tiêu chí ban đầu về hiệu quả của việc ứng dụng công nghệ quét laser 3D mặt đất như trong bảng 1.2 dưới đây.
Bảng 1.2. Đánh giá so sánh công nghệ quét laser mặt đất so với công nghệ khác
Thứ tự Tiêu chí so sánh Công nghệ đo Đo đạc Công nghệ quét
vẽ ảnh trực tiếp laser 3D mặt đất
1 Giá thành Rẻ Đắt Đắt
2 Tiến độ (thời gian) Khá nhanh Chậm Nhanh
Thứ tự Tiêu chí so sánh Công nghệ đo Đo đạc Công nghệ quét
vẽ ảnh trực tiếp laser 3D mặt đất
4 Độ chính xác của Chính xác Chính xác cao Rất chính xác sản phẩm
5 Tính phổ thông Khá phổ biến Phổ biến Chưa phổ biến 6 Yêu cầu thiết bị xử Cấu hình cao Cấu hình bình Cấu hình rất cao
lý dữ liệu thường
7 Yêu cầu tay nghề Tay nghề cao Tay nghề bình Tay nghề rất cao
kỹ thuật viên thường
8 Phụ thuộc vào yếu Khá phụ thuộc Rất phụ thuộc Không phụ thuộc tố địa hình
Khó khăn thách thức khi áp dụng công nghệ quét laser mặt đất ở Việt Nam gồm có: Khó khăn trong tiếp cận mã nguồn của phần mềm thương mại; Yêu cầu về lưu trữ, xử lý dữ liệu rất lớn; Khó khăn trong việc tổ chức sản xuất khi sử dụng phần mềm đi đôi với khóa cứng nên hạn chế số lượng kỹ thuật viên cùng lúc xử lý dữ liệu.
Tiểu kết Chương 1
Trong chương này, tác giả đã nêu được lý do lựa chọn công nghệ quét Laser 3D mặt đất ứng dụng trong lĩnh vực địa hình và phi địa hình, đây là lĩnh vực công nghệ mới ở Việt Nam theo xu hướng cách mạng Công nghệ 4.0;
Chương này trình bày một số lĩnh vực ứng dụng công nghệ quét laser 3D mặt đất trong đo vẽ địa hình và phi địa hình. Trình bày tổng quan về tình hình nghiên cứu sử dụng công nghệ quét laser mặt đất ở trên thế giới và Việt Nam. Hiện tại ở nước ta mới có nghiên cứu và ứng dụng trong lĩnh vực địa hình, việc ứng dụng trong lĩnh vực phi địa hình còn hạn chế. Từ đó, tác giả rút ra các vấn đề còn tồn tại sẽ được giải quyết trong luận án;
Tác giả cũng đã có đánh giá so sánh sơ bộ ban đầu công nghệ quét laser mặt đất so với công nghệ khác trong lĩnh vực địa hình.
chọn thiết bị phù hợp khi thực hiện những mục đích công việc khác nhau. Phần thực nghiệm, đánh giá và bình luận sẽ được trình bày ở các chương tiếp theo.
2.1. Nguyên lý hoạt động của hệ thống quét laser mặt đất
Laser là tên những chữ cái đầu của thuật ngữ bằng tiếng Anh “Light
Amplification by Stimulated Emission of Radiation” có nghĩa là khuếch đại ánh
sáng bằng phát xạ kích thích. Nguyên lý hoạt động của laser dựa vào hiện tượng bức xạ cưỡng bức [4].
2.1.1. Nguyên lý chung
Hệ thống quét laser mặt đất bao gồm thiết bị quét và thiết bị máy tính chuyên ngành xử lý tốc độ cao được cài đặt phần mềm chuyên dụng [62]. Hệ thống thiết bị quét laser cấu tạo gồm khối thiết bị đo dài laser thích ứng làm việc với tần số cao và khối đầu quay thiết bị quét laser mặt đất (Hình 2.1).
1 – đo dài laser;
2 – tuyến nhận và truyền đo dài;
3 – gương quét (lăng kính); 4 – đầu quét của máy quét; 5 – dây dẫn máy quét laser với máy tính;
6 – máy tinh xách tay cùng phần mềm chuyên dụng;