1.6.1. Đo vẽ và đánh giá biến động địa hình
Ứng dụng công nghệ quét laser 3D mặt đất trong lĩnh vực địa hình bao gồm: Đo vẽ thành lập bản đồ địa hình; Xây dựng mơ hình số địa hình; Đo đạc xác định mặt
cắt, thể tích; Giám sát đánh giá biến động địa hình;…Trong lĩnh vực đo vẽ thành lập bản đồ truyền thống thì lĩnh vực đầu tiên là ứng dụng quét laser 3D mặt đất vào cơng tác đo đạc địa hình. Ưu thế cơ bản của phương pháp quét laser 3D mặt đất so với phương pháp truyền thống đo toàn đạc điện tử và kể cả phương pháp đo định vị vệ tinh là năng suất cao hơn. Kinh nghiệm thực tiễn cho thấy rằng phương pháp quét laser 3D mặt đất ứng dụng cho mục đích bản đồ khơng chỉ cho những vùng thưa thớt địa vật mà còn cho cả những vùng địa vật dày đặc với mức độ cao. Thế mạnh chính của phương pháp là chuyển khối lượng cơng việc khi thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn vào cơng tác nội nghiệp. Như vậy khối lượng công tác ngoại nghiệp sẽ giảm nhiều lần. Tuy nhiên đối với những vùng có độ thực phủ dày đặc (cỏ cao trên 40cm) thì việc ứng dụng phương pháp quét laser 3D mặt đất sẽ khơng hiệu quả, khi đó lại ứng dụng phương pháp truyền thống toàn đạc và đo định vị vệ tinh.
a) Mơ hình đám mây điểm b) Mơ hình DTM
Hình 1.3. Khảo sát địa hình mỏ đất tại huyện Lạng Giang – tỉnh Bắc Giang
Trên cơ sở thực tiễn việc ứng dụng phương pháp quét laser 3D mặt đất để thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn tùy theo điều kiện địa hình cụ thể để lựa chọn cơng nghệ một cách linh hoạt nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế.
1.6.2. Ứng dụng trong lĩnh vực phi địa hình
Ứng dụng trong kiến trúc, xây dựng và thiết kế cơng trình
Những năm trước đây để nhận thơng tin về các cơng 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 cơng việc và hồn tồn khơng thể thành lập đầy đủ chi tiết mơ hình 3D của cơng trình. Các đài tưởng niệm kiến trúc, di
24
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 khơng thể hiện mơ 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 cơng tác đo đạc cũng như tạo ra nhiều dạng sản phẩm với chất lượng cao.
a) Hình ảnh chụp cảnh quan tuyến phố b) Mơ hình đám mây điểm - Point cloud Hình 1.4. Mơ hình 3D kiến trúc cảnh quan phố Tạ Hiện - Hồn Kiếm - Hà Nội
a) Mơ hình đám mây điểm -Point cloud b) Ảnh chụp từ máy ảnh số Hình 1.5. Mơ hình 3D trong thiết kế và xây dựng cơng trình nhà dân dụng [70]
Nhờ xây dựng mơ hình 3D chi tiết có thể trùng tu, phục chế đầy đủ và chính xác các yếu tố hình học của các cấu trúc cơng trình kiến trúc phức tạp. Đặc biệt mơ hình 3D các cơng trình đơ thị, nhà cao tầng trở nên ứng dụng rộng rãi trong quy hoạch
thiết kế phát triển đơ thị, đặc biệt cho cái nhìn tổng quan của tồn thành phố, tổ hợp của từng khu vực từ các góc độ quan sát khác nhau. Chính vì vậy trong q trình thiết kế xây dựng mới sẽ không phá vỡ quy hoạch chung của thành phố [49]. Ứng dụng mơ hình này trong thiết kế quy hoạch đô thị rất hiệu quả nhờ công nghệ quét laser 3D mặt đất. Trong thiết kế xây dựng các cơng trình riêng biệt trong khu đơ thị tốt hơn cả là nên lập đồng bộ bản đồ địa hình tỷ lệ 1:500 hoặc 1:1.000 bằng sử dụng công nghệ quét laser 3D mặt đất.
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. Cơng nghệ mơ hình hóa các cơng 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 cơng trình, các tịa nhà cao tầng theo dữ liệu quét laser 3D mặt đất;
- Chuyển đổi các đối tượng đường 2D về mơ hình 3D địa vật theo kết quả độ cao của chúng;
- Mô tả đặc tính mơ hình các cơng trình và các tịa nhà cao tầng.
Trong thiết kế xây dựng các cơng trình đơ 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 q trình xây dựng; cơng việc lắp ghép và hiệu chỉnh; thực hiện đo vẽ trước và sau xây dựng cơng trình; giám sát q trình khai thác cơng trình; tạo mặt cắt và xây dựng mơ hình 3D chính xác; hiệu quả xác định khối lượng đào đắp… Quá trình thực hiện tương tự như thành lập mơ hình số địa hình.
Đặc biệt mơ hình xây dựng 3D này ứng dụng trong quá trình quan trắc biến dạng các cơng trình phức tạp lớn như: các cầu và cơng 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
26
vị trí cố định của cơng 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 thơng tin để phân tích xử lý. Mục đích chính làm trùng lưới các bộ cảm ứng với mơ hình 3D để quan trắc biến dạng cơng trình là hướng tự động hóa trong q 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 cơng trình văn hóa lịch sử…) ngồi thực địa nhằm làm rõ về vị trí, thành phần chất liệu và q trình phát triển của nhân loại là lĩnh vực hoạt động của các nhà khảo cổ học. Mơ hình 3D chi tiết sẽ là cơng cụ hiệu quả thể hiện cho khảo cổ và không gian học với các sự mơ 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 cơng trình kiến trúc cổ đã bị phá hủy, hư hại trong suốt chiều dài phát triển lịch sử của xã hội lồi người.
a) Mơ hình đám mây điểm b) Mơ hình 3D
Hình 1.6. Mơ hình 3D “Ngói gắn lá đề” - Hồng thành Thăng Long- Hà Nội [70]
a) Mơ hình 3D b) Mơ hình đám mây điểm Hình 1.7. Mơ 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 cơng 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 mơ 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.
28
a) Mơ mình đám mây điểm b) Ảnh chụp từ máy ảnh số Hình 1.8. Mơ 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 thơng tin đo đạc để tạo ra các bộ phận giả nói trên trong khơng gian 3D. Vì vậy việc tạo lập mơ 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 mơ 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 mơ 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 khơng gian các điểm của cơ thể với độ chính xác phần chục mm. Ứng dụng cơng nghệ quét laser 3D mặt đất trong y học cho phép nâng cao độ chính xác trong q trình sản xuất các thực thể mẫu ghép.
Hình 1.9. Ứng dụng cơng 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 thơng tin đo đạc về khu vực xảy ra. Khả năng duy nhất về thơng tin đó chính là mơ hình 3D mà trên đó thể hiện đầy đủ về vị trí, các thơng tin cần thiết như hệ thống thơng tin hạ tầng, tín hiệu cảnh báo (Phịng chống cháy nổ, An ninh bảo mật, … ). Nhờ mơ 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. Mơ 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 tồn 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 khơng người lái và cứu hộ trong điều kiện khó quan sát.
Ứng dụng mơ 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 cơng trình có ý nghĩa chiến lược (nhà máy thủy điện, nhà máy điện hạt nhân, hệ thống tàu điện
30
ngầm…). Ngồi ra cịn 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 [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, cơng nghệ này đã có những đóng góp trong việc khảo sát bề mặt địa hình, thành lập mơ hình số độ cao (DEM), mơ hình số địa hình (DTM), xây dựng mơ hình 3D phục vụ phân tích tổng hợp…Tuy nhiên, cịn nhiều vấn đề tiếp cận khá khó khăn đối với cơng nghệ qt 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 hồn chỉnh, đồng bộ và đầy đủ từ lý thuyết đến thực nghiệm nhất là trong lĩnh vực phi địa hình; chưa có cơng bố mang tính pháp quy cũng như chưa ban hành đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật, quy trình cơng nghệ, định mức – đơn giá thực hiện quét laser mặt đất cho việc xây dựng mơ 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 ngồi cịn nhiều bất cập, từ môi trường làm việc, việc định dạng của đầu ra sản phẩm, các công cụ khơng 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
thương mại có những cơng cụ chưa phù hợp, đặc biệt trong bài tốn phân tích, lọc đám mây điểm phải vừa kết hợp thủ cơng vừa tự động hóa để đảm bảo độ chính xác của mơ hình.
Đồng thời, nghiên cứu tích hợp các thuật tốn, xây dựng mơ-đun chương trình phụ trợ trong xử lý dữ liệu quét laser mặt đất phù hợp với điều kiện thực tiễn ở Việt Nam cụ thể trong đó có việc tính tốn và hiển thị các nội dung dữ liệu; đọc dữ liệu laser; tách lọc và chuyển đổi dữ liệu tự động với độ chính xác cao cần phải được quan tâm.
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 tốn, 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 cơng nghệ qt 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 cơng 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.