Nhận dạng vị trí TD1 TD2 TD3 TD4 TD5 TD6 TD7 TD8 TD9 TD10
*Sai số trung phương độ cao:
Đánh giá độ chính xác giữa phương pháp quét laser với phương pháp UAV ℎ =
- n là tổng số điểm kiểm tra
Từ kết quả so sánh giá trị chênh cao của các điểm trùng tên theo 2 phương pháp thành lập DEM cũng như kết quả sai số trung phương theo công thức (3.14) của các điểm địa vật đặc trưng cho thấy sai số trung phương độ cao ℎ luôn nhỏ hơn 1/4 khoảng cao đều. Điều đó minh chứng chương trình lọc đám mây điểm khi qt laser mặt đất thì sẽ đảm bảo độ chính xác của mơ hình số độ cao tỷ lệ 1/500 với khoảng cao đều h=0,5m.
3.4.2.2. Đối với khu vực đồi Lim thị trấn Lim huyện Tiên Du tỉnh Bắc Ninh Thu thập và xử lý dữ liệu quét laser khu vực thực nghiệm:
Dữ liệu được thu thập bằng máy quét laser FARO S350 plus và được nắn ghép từ khoảng 80 trạm quét. Dữ liệu tập trung vào khu vực trung tâm núi Lim thuộc khơng gian chùa Lim.
Hình 3.36. Số liệu đám mây điểm thu thập bằng phương pháp quét laser mặt đất
97
Mặt bằng tổng thể khu vực đồi có vị trí chùa Lim
Hình 3.37. Dữ liệu thu thập bằng phương pháp quét laser tại vị trí trạm qt
Hình 3.38. Mật độ điểm máy quét thu được
Mơ hình pointcloud thu được sẽ được nắn ghép thành mơ hình tổng thể và được lọc đối tượng phi địa hình để ra pointcloud địa hình bề mặt
Hình 3.39. Tổng thể mơ hình đám mây điểm khu vực thực nghiệm
Sau khi xử lý ra mơ hình đám mây điểm địa hình khu vực quét, sử dụng phần mềm nội suy ra mơ hình số độ cao của khu vực. Với mật độ điểm tương đối dầy mơ hình số độ cao được nội suy thể hiện chi tiết hơn rất nhiều phương pháp truyền thống.
Hình 3.40. Mơ hình số độ cao địa hình khu vực quét thực nghiệm Xây dựng DEM bằng công nghệ Lidar nghiệm Xây dựng DEM bằng công nghệ Lidar
Dữ liệu được thu thập bằng phương pháp lidar bay chụp hàng không độ phân giải 1m, thu thập được ở dạng đám mây điểm và nội suy sang DEM truyền thống.
Hình 3.41. Dữ liệu địa hình đồi Lim bằng phương pháp Lidar hàng khơng
99
So sánh độ chính xác giữa hai loại dữ liệu:
Sau khi hình thành DEM của 2 phương pháp thu thập số liệu. Tiến hành so sánh kết quả sử dụng 51 điểm đặc trưng trải đều trên khu vực có số liệu chung.
Hình 3.42. Điểm kiểm tra dữ liệu quét laser mặt đất với lidar hàng khơng Trích dẫn số liệu của các điểm chung trên hai mơ hình theo bảng khơng Trích dẫn số liệu của các điểm chung trên hai mơ hình theo bảng
sau: Bảng 3.3. Bảng so sánh độ cao của hai phương pháp thành lập
DEM Tên điểm 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
100 Tên điểm 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51
*Sai số trung phương độ cao:
ℎ =
Ở đây: - ∆ℎ là chênh lệch độ cao; n là tổng số điểm kiểm tra (n = 51)
Từ kết quả so sánh giá trị chênh cao của các điểm trùng tên theo 2 phương pháp thành lập DEM cũng như kết quả sai số trung phương theo công thức (3.15) của các điểm địa vật đặc trưng cho thấy sai số trung phương độ cao ℎ luôn nhỏ hơn 1/4 khoảng cao đều. Điều đó minh chứng chương trình lọc đám mây đảm bảo độ chính xác của mơ hình số độ cao tỷ lệ 1/2.000 với khoảng cao đều h=1m.
3.5. Đánh giá ưu, nhược điểm chương trình xử lý dữ liệu đám mây điểm
3.5.1. Ưu điểm
Trong giai đoạn mà yêu cầu về chuyển đổi số rất cấp bách việc ứng dụng công nghệ số trong công tác thu thập và xử lý dữ liệu khơng gian địa hình đang ngày càng u cầu nhanh chóng, chính xác phục vụ phát triển kinh tế xã hội. Để làm chủ công nghệ quét laser 3D mặt đất đặc biệt giải quyết bài toán lọc đám mây điểm phục vụ xây dựng mơ hình số địa hình, tác giả đã đi sâu nghiên cứu và xây dựng chương trình lọc đám mây điểm với các modun tiện ích nhằm tăng khả năng tự động hóa, cùng với việc Việt hóa phục vụ biên tập đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật đồng thời phù hợp với điều kiện thực tiễn ở Việt Nam.
Chương trình xử lý dữ liệu đám mây điểm này có nhiều ưu điểm và lợi thế: Là chương trình mã nguồn mở cho phép phát triển mở rộng với sự đóng góp
của cộng đồng; đưa ra phương án giảm mật độ điểm trong dữ liệu đám mây điểm nhằm giảm khối lượng xử lý dữ liệu mà vẫn đảm bảo được độ chính xác cho dữ liệu gốc;
Phương pháp lọc địa hình tự động sử dụng thuật tốn bổ sung mơ hình hóa bề mặt và phát triển mơ hình TIN tăng cường bộ lọc cho phép giải quyết bài tốn lọc có độ tin cậy cao và tối ưu hóa dữ liệu đám mây điểm địa hình. Đặc biết khi sử dụng phần mềm khơng có khóa cứng tạo điều kiện cho nhiều
kỹ thuật viên được cùng lúc thao tác xử lý dữ liệu quét laser mặt đất.
3.5.2. Nhược điểm
Chương trình cịn nhiều hạn chế về giao diện và tính chuyên nghiệp trong cách thể hiện. Hiện tại nằm trong khn khổ của Luận án nên chương trình chưa có điều kiện thử nghiệm cho các vùng với đa dạng địa hình khác nhau.
102
3.5.3. Định hướng phát triển
Với tiêu chí hàng đầu là làm chủ phần mềm xử lý dữ liệu quét laser mặt đất phục vụ cho dữ liệu địa hình vì vậy hướng phát triển là tiếp tục nghiên cứu, phát triển thuật toán tối ưu hơn cho mọi loại dữ liệu ở bất kỳ định dạng hay dung lượng lớn hơn.
Ngồi ra, do đây là chương trình có mã nguồn mở nên việc xây dựng phần mềm với quy mơ lớn hơn, nhiều tiện ích hơn cũng đã được tính đến.
Từ các cơng cụ có sẵn, có thể phát triển thêm tùy chọn lọc theo địa hình với các góc khác nhau của nhiều loại địa hình, cho phép lựa chọn góc lọc từ 00 cho đến 1800 và có thể cho phép ứng dụng ở nhiều kiểu địa hình và nhiều kiểu dữ liệu hơn.
Trong tương lai có thể xây dựng mở rộng các bộ code AI đầy đủ hơn để giải quyết các bài tốn lớn hơn, xử lý đa nguồn dữ liệu (có thể từ Lidar bay chụp hàng khơng, Lidar UAV hay chỉ là dữ liệu ảnh UAV, ảnh viễn thám…) phục vụ xây dựng cơ sở dữ liệu điều tra cơ bản cho đa ngành trong nhiều lĩnh vực địa hình, địa chính, lâm nghiệp, nơng nghiệp, xây dựng, giao thơng…
Tiểu kết Chương 3
Tự động hóa trong q trình xử lý dữ liệu đám mây điểm thu được bằng thiết bị quét laser mặt đất là rất quan trọng, nhất là việc tách lọc điểm độ cao để xây dựng DEM vừa đảm bảo độ chính xác mơ hình vừa đáp ứng cho các bài toán ứng dụng khác nhau phục vụ phát triển kinh tế xã hội.
Việc nghiên cứu các thuật tốn lọc điểm từ đó tổng hợp, lồng ghép đề xuất thuật toán tự động và bán tự động kết hợp với việc lựa chọn các tham số phù hợp để tạo DEM từ dữ liệu đám mây điểm mang tính thời sự, khoa học hiện đại và có tính thực tiễn cao..
Kết quả chính của chương này là đưa ra được chương trình hỗ trợ xử lý dữ liệu đám mây điểm và qua thực nghiệm đã khẳng định đáp ứng được yêu cầu đặt ra. Chương trình được Việt hóa, dễ sử dụng và đáp ứng được việc sản xuất đại trà. Từ đó giảm nhẹ, rút ngắn thời gian thực hiện công tác nội nghiệp và tiết kiệm chi phí.
103
Chương 4.
XÂY DỰNG QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ QT LASER 3D MẶT ĐẤT CHO VIỆC KHẢO SÁT MỘT SỐ ĐỐI TƯỢNG PHI ĐỊA HÌNH
Trong chương này nghiên cứu đề xuất quy trình cơng nghệ và thực nghiệm việc khảo sát một số đối tượng phi địa hình khác nhau bao gồm hang động, cảnh quan tuyến phố cổ và đối tượng di sản văn hóa bằng phương pháp quét laser 3D mặt đất. Sản phẩm được tạo ra bao gồm: cơ sở dữ liệu đám mây điểm 3D, mơ hình 3D, địa hình bề mặt, bản vẽ 3D đường đồng mức, bản vẽ solid 3D và các mặt cắt tại các vị trí cụ thể. Đánh giá được ưu, nhược điểm của thiết bị quét đối với từng đối tượng cụ thể.
4.1. Quy trình cơng nghệ xây dựng mơ hình 3D các đối tượng phi địa hình bằngquét laser mặt đất quét laser mặt đất
4.1.1. Quy trình cơng nghệ
Hình 4.1. Quy trình cơng nghệ khảo sát đối tượng phi địa hình
Ghi chú: + BS: Backsight – hướng ngắm phía sau
+ FS: Foresight – hướng ngắm phía trước
Đối tượng phi địa hình của qt laser mặt đất rất đa dạng. Các đối tượng có bề mặt phức tạp như các bức tượng hay cổ vật trong đình, chùa của các đối tượng di sản văn hóa thì yêu cầu đo vẽ đến từng chi tiết nhỏ phục vụ cho việc bảo tồn, phục dựng; các đối tượng hình tuyến như các tuyến đường, tuyến phố thì cần ghép chính xác các trạm đo để đảm bảo độ chính xác vị trí điểm, khoảng cách và mơ hình bề mặt đứng; đối tượng nằm trong lòng đất như là các hang, động thì cần đảm bảo mơ tả hiện trạng bề mặt... Để đạt mục tiêu theo từng yêu cầu cụ thể, tiếp cận được cách triển khai phù hợp với điều kiện sản xuất cần có sự khảo sát và linh hoạt xây dựng quy trình cơng nghệ phù hợp theo mục đích sử dụng, yêu cầu về mức độ chi tiết và độ chính xác. Các vấn đề về đảm bảo trong cơng tác thu thập số liệu đối với các đối tượng phi địa hình bằng quét laser mặt đất như: kiểm định hệ thống quét; đo nối khống chế; độ chính xác tọa độ...được áp dụng như trong quy định thành lập mơ hình số độ cao địa hình.
4.1.2. Khảo sát thực địa
Giai đoạn khảo sát thực địa trước khi thi cơng đóng vai trị quan trọng, nhằm xác định mục đích, xác định hình dáng, hình thù tương đối và đưa ra phương án thi cơng tối ưu nhất. Các cơng đoạn chính của q trình khảo sát thực địa bao gồm:
Thứ nhất là công tác chuẩn bị: Thu thập tài liệu, dữ liệu (bản đồ các loại,
điểm khống chế tọa độ, độ cao quốc gia...); Lập phương án sơ bộ trong phòng (lập sơ đồ xác định giới hạn thu nhận dữ liệu, sơ đồ vị trí các điểm đặt trạm máy trên nền bản đồ hiện có); Chuẩn bị trang thiết bị (máy tính, thiết bị quét và các phụ kiện kèm theo), tiến hành kiểm nghiệm thiết bị cần thiết phục vụ trong q trình thi cơng và chuẩn bị phương tiện di chuyển.
Thứ hai là tiến hành khảo sát tại khu vực thi công: Giao nhận khu vực thi
cơng ngồi thực địa; Khảo sát địa hình, địa vật khu vực thi cơng (đo đạc sơ bộ và phác họa hình dạng, kích thước của đối tượng, đánh giá mức độ phức tạp của địa hình khu vực); Tìm điểm tọa độ, độ cao quốc gia phục vụ đo nối lưới khống chế.
Thứ ba là lập thiết kế sơ bộ phục vụ thiết kế chi tiết: Trên cơ sở yêu cầu sản
phẩm, mục đích cơng việc, lập sơ đồ điểm trạm qt và tuyến di chuyển.
105
4.1.3. Lập phương án thi công
Phương án thi công đưa ra phải đảm bảo phạm vi quét phủ kín khu vực thi cơng, cấu trúc bề mặt và bên trong của đối tượng cần quét; đảm bảo độ chính xác và tiết kiệm chi phí nhất.
Phương án đặt trạm máy: Các trạm máy phải bao trùm toàn bộ các bề mặt
đối tượng cần quét trong khu vực; Các điểm đặt trạm máy phải thông hướng và cùng ngắm chung được tối thiểu 5 tiêu cố định, đảm bảo độ chính xác ghép các mơ hình.
Phương án đặt tiêu: Việc bố trí tiêu phải đảm bảo yêu cầu kỹ thuật đó là quy
định khoảng cách từ tiêu đo đến máy quét; tiêu được đặt ở vị trí chắc chắn, ổn định và các tiêu không được đặt quá sát nhau.
Thành lập lưới tọa độ: Lưới khống chế phục vụ quét laser mặt đất được
thành lập bằng các cơng nghệ đo đạc đảm bảo độ chính xác tương đương với lưới cơ sở cấp 1 cho điểm trạm máy; quy cách, kích thước và độ chính xác mốc đặt trạm máy theo thông tư số 68/2015/TT-BTNMT ngày 22/12/2015 của Bộ trưởng Bộ Tài nguyên và Môi trường.
Phương án ánh sáng và thiết bị bổ sung: Đối với những khu vực thiếu ánh sáng
như hang động, các địa vật nằm trong các đình, chùa thì cần phải bố trí thiết bị có đèn chiếu sáng hoặc bổ sung đèn chiếu sáng đảm bảo mức độ chi tiết, đầy đủ của địa vật. Đồng thời bố trí các thiết bị bổ sung nếu cần như máy
định vị vệ tinh cầm tay, máy đo khoảng cách và góc bằng laser,...
Lưu ý: Trong điều kiện khí hậu Việt Nam do ảnh hưởng của yếu tố khí tượng
bao gồm: độ ẩm, sương mù,… cũng ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả. Do đó phải lựa chọn thời điểm thi công cho phù hợp
4.1.4. Thu nhận dữ liệu
Đặt máy quét tại vị trí tối ưu: Thiết bị quét phải được định tâm và cân bằng
chính xác, đặt tại vị trí đảm bảo tối đa số lượng điểm quét thu thập được. Sử dụng phương pháp đo hướng ngắm phía sau và hướng ngắm phía trước để liên kết giữa các trạm đo.
Đặt tiêu ghép trạm, xác định tọa độ tiêu đo: Tiêu đo phải được định tâm, cân
bằng chính xác, đo độ cao tiêu. Xác định tọa độ, độ cao của tiêu đo tại các điểm trạm máy liền kề.
Trong quá trình quét tại thực địa phải luôn theo dõi hoạt động của thiết bị quét, tại mỗi trạm máy phải ghi nhật ký (thời gian quét, chế độ quét, vẽ sơ đồ vị trí và số hiệu điểm trạm máy, số hiệu tiêu đo.
4.1.5. Kiểm tra dữ liệu tại thực địa
Kiểm tra mức độ đầy đủ của dữ liệu đám mây điểm; kiểm tra nhiễu do những nguyên nhân như phương tiện giao thông hay con người đi lại tại mỗi trạm quét dẫn đến thiếu dữ liệu tại một số vị trí; kiểm tra chất lượng màu sắc dữ liệu; kiểm tra tiêu liên kết giữa các trạm quét.
4.1.6. Xử lý dữ liệu nội nghiệp
Trút dữ liệu vào máy tính: Xử lý lọc điểm vượt quá giới hạn; Ghép dữ liệu
đám mây điểm; Loại bỏ đối tượng không cần thiết; Phân loại dữ liệu.
Kiểm tra sai số ghép nối: Ghép nối để tạo ra một mơ hình đám mây điểm
3D cho toàn bộ khu vực. Trong q trình nắn ghép các trạm, cơng đoạn quan trọng nhất là việc xác định các tiêu mốc nối giữa các trạm, kết hợp với các điểm, bề mặt đặc trưng lấy đó làm điểm chung để nối khung hình dữ liệu các trạm quét về đúng vị trí thực tế. Độ chính xác của mơ hình đám mây điểm phụ thuộc rất nhiều vào các tiêu mốc và điểm chung. Theo quy định độ lệch tương đối giữa các điểm tiêu đo cùng tên không vượt quá hai lần sai số cho phép của điểm quét.
4.1.7. Trích xuất các sản phẩm
Xây dựng các sản phẩm ứng dụng cho nhiều mục đích, cơ bản là cơ sở dữ liệu đám mây điểm 3D, mơ hình 3D, địa hình bề mặt, bản vẽ 3D đường đồng mức, bản vẽ solid 3D và các mặt cắt tại các vị trí cụ thể.
4.2. Thực nghiệm quét laser 3D mặt đất đối với đối tượng hang động