• Hang động Việt Nam bao gồm hệ thống các hang và các động trên địa bàn Việt Nam, chủ yếu nằm ở nửa phía bắc của đất nước do tập trung nhiều dãy núi đá vôi.
•
• Nhiều hang động ở Việt Nam hiện là danh lam thắng cảnh quan trọng của du lịch. Việc giữ gìn và quảng bá hình ảnh của hang động đang là việc làm cấp thiết hiện nay. Vì vậy, công nghệ quét 3D tạo một triển vọng công nghệ mới giúp cho việc bảo tồn và phát triển hơn trong lĩnh vực du lịch.
• Một trong những khó khăn lớn nhất đó chính là hệ thống thạch nhũ phong phú trong hang động đã tạo ra những bức tường tự nhiên ngăn cản tia laser tiếp cận. Theo đó, để có được dữ liệu chi tiết thì số lượng các trạm máy cũng phải tăng lên một cách đáng kể. Ngoài ra các yếu tố khác như độ ẩm, điều kiện ánh sáng yếu, sự hiếu kỳ của khách thăm quan,… cũng có khả năng gây ảnh hưởng tới chất lượng dữ liệu [70].
4.2.2. Phạm vi và đối tượng hang động tiến hành thực nghiệm
• Đó là hang Đầu Gỗ trên hòn Đầu Gỗ trong vịnh Hạ Long, thành phố Hạ Long tỉnh Quảng Ninh. Hang thuộc dạng Karst trong khối núi đá vôi. Hang Đầu Gỗ là một trong những đẹp nhất Việt Nam, nằm cách Cảng tàu du lịch Bãi Cháy khoảng 6 km. Hang Đầu Gỗ rộng khoảng 5000 m2, cửa hang rộng 17 m và cao 12 m. Hang • Đầu Gỗ nằm ở độ cao 27m so với mực nước biển, cùng độ tuổi tạo thành với động Thiên Cung - thời Pleistocen muộn cách ngày nay khoảng 2 triệu năm. Hang Đầu Gỗ như tập trung được một quần thể kiến trúc cổ xưa.
4.2.3. Khảo sát địa hình, địa vật
• Do hệ thống hang động là nơi nguy hiểm nên cần đảm bảo hiệu quả cao nhất, tiết kiệm thời gian. Tiến hành khảo sát, đánh giá hình dạng, kích thước của đối tượng và mức độ phức tạp của địa hình khu vực. Lập sơ đồ khu vực quét đảm bảo di chuyển thuận lợi, an toàn về thiết bị và con người.
• Các trang thiết bị cần thiết phục vụ cho công tác khảo sát thực địa cần có: - Máy đo khoảng cách và góc bằng Laser: Xác định nhanh các kích thước các công trình, từ tổng thể và chi tiết bố trí các các địa hình địa vật; Lập sơ đồ mặt bằng khu vực quét.
- Máy định vị vệ tinh cầm tay: Xác định tọa độ các đối tượng, lưu trữ thông tin địa lý và vẽ sơ đồ sơ bộ mặt bằng và các tuyến đo; Dẫn đường tới các đối tượng trên thực địa khi cần thiết.
- -
- Các trang thiết bị phụ trợ khác: Bảo hộ lao động, sổ sách, bút viết, phương tiện di chuyển.
- Bổ sung thêm thiết bị có gắn Camera để đảm bảo thu nhận hình ảnh một cách trực quan.
4.2.4. Phương án đặt trạm máy và tiêu
- Kiểm tra thiết bị
- Việc kiểm tra và chuẩn bị luôn đóng vai trò quan trọng cho một ca làm việc thực địa thu thập số liệu, giúp đảm hiệu quả làm việc, thuận tiện. Đối với công tác thu thập số liệu quét 3D bằng máy FARO Focus S350 cần đảm bảo mang theo đầy đủ các trang thiết bị và phụ kiện như hình 4.2 [69].
-
- Hình 4.2. Trang thiết bị, phụ kiện cần kiểm tra khi đặt trạm máy và tiêu [70]
- Thiết lập cấu hình máy
- Tùy thuộc vào mức độ chi tiết, dạng đối tượng hay địa hình, địa vật và độ sáng tối của không gian làm việc khác nhau mà cần điều chỉnh cấu hình quét phù hợp nhất nhằm đảm bảo chất lượng số liệu đạt yêu cầu, dữ liệu thu nhận được có dung lượng không quá lớn sẽ gây khó khăn trong quá trình xử lý số liệu tại văn phòng như mật độ điểm quá nhiều sẽ làm quá tải bộ xử lý và bộ nhớ máy tính gây nên hiện tượng treo máy thường xuyên, hay ảnh quá tối hoặc quá sáng sẽ làm giảm mức độ trực quan của đối tượng làm việc.
-
- Do hang động cần độ chính xác cao trong xử lý nội nghiệp vì vậy yêu cầu là phải sử dụng trực tiếp ảnh của máy quét do khi nắn ghép ảnh chụp kỹ thuật số vào có thể làm tăng thêm sai số do nắn ghép.
- Cụ thể, trong điều kiện môi trường làm việc bình thường đã triển khai tại tại các khu vực hang động, nhóm kỹ thuật đã thiết lập một cấu hình tiêu chuẩn có thể tham khảo như bên dưới đây:
- Project Name: Hangdong. - Scan file name: Hangdong_.
- Profiles: Indoor 10m; Resolution: 1/5; Quality: 4x; - Thiết lập vị trí tiêu đo
- Về nguyên lý, các trạm quét ghép nối với nhau dựa vào các tiêu đo. Số lượng tiêu đo yêu cầu giữa 2 trạm quét là 5 điểm tiêu.
- -
- Hình 4.3. Bố trí trạm quét và tiêu cầu trên thực địa tại hang Đầu Gỗ
- Các yêu cầu kỹ thuật đối với việc đặt tiêu đo: - Khoảng cách tiêu đến máy là dưới 15m
- Các tiêu không đặt quá sát nhau
- -
- hợp lý, tại vị trí chắc chắn, không bị trơn, trượt để rơi tiêu - Các tiêu tránh thẳng hàng
- Trong trường hợp khó khăn quá, ít nhất là 3 bóng cần nhận diện
-
-Hình 4.4. Bố trí vị trí tiêu cầu (Spherical targets) ngoài thực địa
4.2.5. Thu thập số liệu
- Đặt máy quét tại vị trí tối ưu, đặt tiêu, ghép trạm xác định tọa độ của tiêu. Nếu điều kiện ánh sáng của hang động không phải quá tốt, chủ yếu là ánh sáng do các đèn chiếu sáng từ khoảng cách xa. Đối với các vị trí ánh sáng quá yếu hoặc không có. Máy quét sẽ chụp ảnh với màu tối hoặc không có màu.
- Việc bổ sung thêm ánh sáng rất quan trọng trong việc thu thập số liệu hang động. Việc đánh giá chất lượng màu sắc chỉ ở mức vừa phải. Tuy nhiên việc các đối tượng cản trở như khách du lịch, người đi qua lại có thể gây nhiễu khá nhiều cho trạm quét. Cần có đánh giá chi tiết độ nhiễu để quét lại tránh thiếu số liệu vị trí quan trọng trong hang.
- Việc sử dụng các máy quét có hỗ trợ HDR cao hoặc chụp ở chế độ Darkmode có thể góp phần tăng chất lượng số liệu thu thập [11].
- -
-
- Hình 4.5. Hình ảnh 3600 trích xuất từ một trạm quét laser mặt đất
4.2.6. Kiểm tra sai số ghép nối
- Số liệu sau khi đi thu thập về được lưu ra máy tính, sử dụng phần mềm nắn ghép dựa vào tiêu đo. Sai số nắn ghép thể hiện chi tiết trên phần mềm và được lưu trữ lại để đánh giá cụ thể [22].
- Các bước chủ yếu của quá trình xử lý nắn ghép:
- Nắn ghép các trạm quét (nhập dữ liệu, tìm các tiêu điểm liên kết trạm, nắn ghép tự động/thủ công, kiểm tra độ chính xác);
- Tăng chất lượng số liệu và tối ưu hóa đối tượng hiển thị; - Khai báo tọa độ địa lý /GPS;
- Màu hóa dữ liệu;
- Tạo dữ liệu mô phỏng 3D Webshare phục vụ trình chiếu, giới thiệu sản phẩm; - Lưu trữ và sao lưu dữ liệu.
4.2.7. Trích xuất các sản phẩm 3D thực nghiệm
- Trên cơ sở số liệu đám mây điểm (Point Cloud) tổng thể của khu vực khảo sát, chúng ta có thể tạo ra rất nhiều các sản phẩm dẫn xuất khác nhau. Đối với sản phẩm của hang động, chúng ta có thể tạo ra một số sản phẩm dẫn xuất điển hình như dưới đây:
- Cơ sở dữ liệu đám mây điểm 3D thể hiện chi tiết toàn bộ khu vực khảo sát đã qua xử lý nhiễu và nắn ghép các trạm quét rời rạc:
- -
- -
- Hình 4.6. Dữ liệu đám mây điểm khu vực thực nghiệm
- Sơ đồ hang chi tiết:
-
-Hình 4.7. Sơ đồ khu vực thực nghiệm hang Đầu Gỗ
- Mô hình 3D từ ảnh toàn cảnh 360 độ chia sẻ qua Internet phục vụ báo cáo trực tiếp hoặc đo đạc đơn giản khi có yêu cầu:
-
-
- Địa hình bề mặt hang động:
-
- Hình 4.9. Sản phẩm mô hình địa hình khu vực thực nghiệm từ phần mềm
-
- Hình 4.10. Sản phẩm đường đồng mức khu vực thực nghiệm từ phần mềm
- Các bản vẽ solid 3D:
-
- -
- Các mặt cắt tại các vị trí cụ thể:
-
- Hình 4.12. Sản phẩm các mặt cắt địa hình của khu vực thực nghiệm
- Cuối cùng là các báo cáo đánh giá tình trạng hiện thời của các đối tượng trong khu vực khảo sát.
4.3. Thực nghiệm ứng dụng quét laser 3D mặt đối với tuyến phố cổ
4.3.1. Khu vực các tuyến phố tiến hành thực nghiệm thu thập dữ liệu
- Thực nghiệm tiến hành thu thập dữ liệu bằng công nghệ quét laser mặt đất đối với 02 tuyến phố là Tạ Hiện và Đinh Liệt – quận Hoàn Kiếm thành phố Hà Nội.
- Phố Tạ Hiện trong thời kỳ Pháp thuộc có tên là phố Rue Géraud được gộp lại từ những đoạn phố cũ nhưng người dân quen gọi là ngõ Quảng Lạc. Trải qua bao năm thăng trầm, con phố vẫn giữ được vẻ đẹp của Hà Nội cổ xưa. Những ngôi nhà 2 tầng liền kề được xây dựng theo kiến trúc kiểu Pháp tạo nên vẻ đẹp trầm mặc, quý phái. Khách nước ngoài thường ví phố Tạ Hiện như khu phố Khaosan nổi tiếng ở Thái Lan.
-
- Hình 4.13. Đầu tuyến phố Tạ Hiện, quận Hoàn Kiếm, Hà Nội
- Phố Đinh Liệt dài 180m, nay thuộc phường Hàng Bạc, quận Hoàn Kiếm, Hà Nội, cách Hồ Gươm chừng 70m về hướng bắc. Phố chạy theo hướng bắc - nam, đoạn đầu nối phố Tạ Hiện tại ngã tư Hàng Bạc, cắt ngang ngõ Trung Yên và phố Gia Ngư rồi kết thúc ở ngã ba Cầu Gỗ.
-
-
- Hình 4.14. Tuyến phố Đinh Liệt – phường Hàng Bạc, quận Hoàn Kiếm, Hà Nội
- Đối với đối tượng phi địa hình là các tuyến phố thì áp dụng quy trình công nghệ theo các bước cũng giống như đối tượng hang động, tuy nhiên chúng ta cần bổ sung và chú ý đến một số khác biệt sau:
4.3.2. Khảo sát thực địa
- Đối với đối tượng phi địa hình là tuyến phố, việc khảo sát dọc tuyến trước khi thi công đóng vài trò quan trọng trong việc xây dựng cách thức thi công hợp lý.
- Đây là đối tượng phức tạp, cần rõ yêu cầu thực tế như lên toàn bộ số liệu mặt phố hay chỉ thu thập theo dạng tuyến. Đối với mỗi yêu cầu, chúng ta cần lên phương án thi công cụ thể. Thêm vào đó việc quá nhiều xe cộ đi lại hay không cũng ảnh hưởng đến số liệu đo.
- - Lập sơ đồ tuyến:
-
- Hình 4.15. Sơ đồ khu vực thực nghiệm tuyến phố Đinh Liệt
- Đối với dữ liệu dạng tuyến, cần sử dụng phương pháp đo quét dạng tuyến. Chú ý việc di chuyển đảm bảo an toàn về phương tiện và con người.
4.3.3. Phương án đặt máy quét và thi công thu thập số liệu
S1 S2 S3 S4 -
-
- cả dự án. Việc này rất quan trọng trong việc nắn ghép và cập nhật chính xác vị trí nếu cần cập nhật dữ liệu, khu vực mới. Ngoài ra việc này giúp cho việc tính toán hoàn công chính xác sau nhiều lần cập nhật khác nhau [17].
-
-Hình 4.16. Đánh dấu điểm tiêu trực tiếp trên thiết bị để nắn ghép
- Quá trình này cần sự chính xác của máy toàn đạc. Các vị trí mốc dẫn tới vị trí máy quét đo bằng máy toàn đạc cần có độ sai số thấp. Yêu cầu 1 lần cập nhật cần có tối thiểu 4 điểm đặt máy có tọa độ chi tiết.
-
- Hình 4.17. Tên trạm máy sử dụng
- Việc đo bằng máy quét cũng dựa vào phương pháp đo toàn đạc, sử dụng phương pháp đo Backside và ForeSide
- -
- Hình 4.18. Vị trí đặt tiêu so với vị trí máy quét
- Chọn tiêu quét
- Theo mặc định, có thể chỉ cần 3 điểm trên 2 trạm là có thể nắn chỉnh được, tuy nhiên để chính xác cao, chúng ta cần thêm 2 điểm phụ nữa trên trạm quét vì vậy cần ít nhất 5 tiêu quét để quá trình ghép hoàn chỉnh.
-
- Khi cần tạo thêm điểm phụ chúng ta sử dụng phương pháp chọn thủ công các điểm trùng giữa 2 trạm quét.
- Sau đó trước khi sang trạm tiếp theo cần Export và import các tọa độ của các tiêu để dùng cho trạm tiếp.
- Đo trạm tiếp theo
- Di chuyển máy sang trạm S2, lúc này S2 sẽ làm điểm Station, S1 làm điểm BackSight. Và sẽ có một điểm mới S3 làm điểm ForeSight
-
- -
- Hình 4.19. Cách thức di chuyển trạm máy quét
- Đầu tiên tạo một New Station để có thể đo trạm tiếp theo, nhập độ cao máy và Station ID là S2.
- Tiến hành chụp ảnh cho trạm này.
- Với 2 trạm đo một sẽ có 1 phần Registration để liên kết 2 trạm với nhau, ví dụ để đo lưới đường truyền kín gồm 8 điểm đặt máy thì cần 8 cái Registration nhưng đo lưới gồm 8 điểm không kín thì chỉ cần 7 cái Registration
-
-Hình 4.20. Sơ đồ vị trí đặt trạm máy trên tuyến phố
4.3.4. Kiểm tra đánh giá độ chính xác và sai số nắn ghép
- Đối với đối tượng dạng tuyến, lựa chọn máy quét phù hợp là ưu tiên hàng đầu. - Quét dạng tuyến sử dụng phương pháp Traverse để thực
hiện.
- -
- Bảng 4.1. Thông số thiết bị quét laser 3D mặt đất – Faro Focus S350
-
- Da
nh mục -Thiết bị quét Laser
- Loại - Xung
- Phạm vi hoạt động - 0,6 m - 350 m - Độ chính xác của phép đo đơn
lẻ
- Tối thiểu 1 – 50 m; Vị trí điểm: 4 mm; Khoảng cách: 2 mm
- Độ chính xác khi đo góc - Góc ngang: 6 giây; Góc đứng: 6 giây - Cảm biến cân bằng - Cảm biến nghiêng bù theo 2 trục
- Tuỳ chỉnh hoạt động, độ chính xác 1 giây
- Mật độ quét - 976.000 điểm/giây
- Một điểm hết sức quan trọng đó là việc độ chính xác ± 5mm chỉ có thể đạt được với một điều kiện tiên quyết đó là khoảng cách quét giữa các trạm quét liên tục chỉ nằm trong giới hạn từ 10m đến 15m và chỉ như vậy mới có thể đảm bảo được yêu cầu đặt ra. Tuy nhiên việc rút ngắn khoảng cách quét giữa các trạm liên tiếp cũng đồng nghĩa với việc số lượng các trạm quét tăng lên và thời gian thu thập số liệu sẽ kéo dài hơn.
- Để hỗ trợ việc kiểm tra ngẫu nhiên và đảm bảo độ chính xác số liệu quét laser 3D thu được từ máy quét, tác giả sẽ sử dụng máy toàn đạc điện tử để kiểm tra, đánh giá độ chính xác. Đồng thời cũng sẽ sử dụng phần mềm chuyên dụng có khả năng kiểm soát sai số của từng trạm quét trong quá trình nắn ghép.
-
- Hình 4.21. Sai số dữ liệu quét theo tuyến
4.3.5. Trích xuất sản phẩm 3D thực nghiệm