1.5. Tổng quan về các cơng trình nghiên cứu công nghệ quét laser mặt đất
1.5.1. Trên thế giới
Việc ứng dụng công nghệ quét laser 3D mặt đất trong lĩnh vực địa hình và phi địa hình đã được nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới quan tâm, chủ yếu nghiêng về lĩnh vực ứng dụng phi địa hình. Các thơng tin khoa học này được trình bày trong nhiều báo cáo khác nhau với nhiều ứng dụng cụ thể.
Các nghiên cứu, ứng dụng trong địa hình:
Năm 2014, tác giả Nora Tilly, cùng cộng sự đã đăng tải trong tạp chí Journal of Applied Remote một nghiên cứu cho thấy quét laser trên mặt đất để xây dựng các mơ hình bề mặt về cây trồng đa thời gian: đo chiều cao cây chính xác và ước tính sinh khối trên ruộng lúa và kết luận công nghệ này là phù hợp để chụp các vật thể nhỏ như cây trồng [30].
Năm 2011, Peter Schürch đã công bố nghiên cứu [31] về sự thay đổi bề mặt địa hình phức tạp sử dụng quét laser trên mặt đất: ứng dụng vào lưu lượng đá rơi vỡ kênh Illgraben. Tác giả đã sử dụng nhiều chu kỳ quét, tại nhiều thời điểm khác nhau và so sánh bề mặt địa hình thơng qua mơ hình số DTM và tính tốn khối lượng đất đá bị trượt lở.
Năm 2017, Andri Baltensweiler thuộc Viện nghiên cứu cảnh quan, tuyết và rừng liên bang Thụy Sĩ - WSL và các đồng tác giả đã nghiên cứu và đề xuất việc ứng dụng quét laser trên mặt đất cải thiện mơ hình số độ cao và mơ hình hóa độ pH của
đất ở các khu vực có địa hình phức tạp và cây cối rậm rạp. Đặc tính của DEM có nguồn gốc từ qt laser mặt đất (TLS) bao phủ vài ha trong môi trường khơng đồng nhất so với các mơ hình dựa trên qt laser hàng không (ALS) thông thường và ảnh hưởng của chúng đối với các sản phẩm gốc. Tác giả kết luận rằng ở độ phân giải cao (≈1m), DEM dựa trên TLS có độ chính xác cao hơn DEM dựa trên ALS. Do đó, việc sử dụng TLS cải thiện chất lượng của các thuộc tính địa hình, là nền tảng cho nhiều ứng dụng sinh thái và thủy văn.
Các nghiên cứu, ứng dụng trong lĩnh vực phi địa hình:
Một số tác giả sử dụng công nghệ quét laser mặt đất để nghiên cứu sự thay đổi lớp phủ bề mặt địa hình, đo đạc, kiểm kê hiện trạng rừng…Năm 2014, tạp chí Remote Sensing đã cơng bố cơng trình nghiên cứu sự thay đổi sinh khối cây bằng công nghệ quét laser trên mặt đất và mơ hình cấu trúc định lượng [36]. Phương pháp này cho phép lặp lại các phép đo theo các chu kỳ với số lượng mẫu lớn, nhanh chóng và hiệu quả để theo dõi sự tăng trưởng, tỷ lệ tử vong và sinh khối rừng trong mơ hình 3D.
Năm 2015, Glenn J. Newnham đã sử dụng quét laser trên mặt đất để đo đạc quy mô rừng [14]. Như một công cụ đo lường bao gồm cả sự phát triển của cả phương pháp xử lý dữ liệu phần cứng và phần mềm, cách tiếp cận mơ hình dữ liệu rộng về xác suất khoảng cách và mơ hình hình học cùng với lý thuyết cơ bản làm nền tảng cho phương pháp này. Triển vọng trong tương lai là tăng việc sử dụng quét laser trên mặt đất để đánh giá rừng theo quy mô từng lơ và giám sát rừng.
Năm 2013, tạp chí ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing đã xuất bản một nghiên cứu của Francesco Pirotti [13] về việc lọc mặt đất và lập bản đồ thực vật bằng cách sử dụng chức năng quét laser mặt đất đa hướng phản xạ trở lại, tạo ra một mơ hình số địa hình (DTM), một mơ hình số bề mặt (DSM), bản đồ mật độ thực vật và mơ hình chiều cao tán cây. Những sản phẩm này có tầm quan trọng đối với nhiều ứng dụng từ lâm nghiệp đến thủy văn và địa mạo. Cũng trong năm này, tác giả Mathieu Dassot cùng cộng sự đã cơng bố trong tạp chí Computers and Electronics in Agriculture [27] cũng đã nghiên cứu đánh giá tiềm năng của quét laser trên mặt đất để đánh giá khối lượng gỗ rắn (tức là đường kính thân và nhánh lớn hơn 7cm) của cây thẳng đứng trưởng thành trong môi trường rừng.
16
Một số nhóm tác giả thì nghiên cứu cơng nghệ qt laser mặt đất trong khảo sát hang động, theo dõi thay đổi bề mặt địa hình, xây dựng các mơ hình 3D trong lĩnh vực xây dựng… Năm 2016, Mohammed Oludare Idrees sau khi nghiên cứu một thập kỷ khảo sát hang động hiện đại với máy quét laser trên mặt đất: Tổng quan về cảm biến, phương pháp và phát triển ứng dụng cung cấp khả năng tuyệt vời về độ chính xác, tốc độ quét và mật độ điểm cho bản đồ địa hình tỷ lệ nhỏ và vừa, của môi trường mở và khép kín. Năm 2013, Soohee Han đã trình bày phương pháp tự động và hiệu quả để chiết xuất các đoạn đường hầm sử dụng dữ liệu quét trên mặt đất bằng laser [39]. Hiệu suất của phương pháp được đề xuất đã được đánh giá bởi áp dụng nó vào một đường hầm thực tế và so sánh kết quả với phương pháp thơng thường sử dụng máy tồn đạc. Trong kết quả nghiên cứu, các mặt cắt được chiết xuất tại các trạm tương ứng với phương pháp thông thường. Phương pháp được đề xuất đã chứng minh rằng nó mang lại lợi thế, bao gồm mô tả chi tiết và nâng cao hiệu quả khảo sát và xử lý dữ liệu.
Năm 2007, Yusuf Arayici đã sử dụng một cách tiếp cận mơ hình hóa dữ liệu thế giới thực với máy quét laser mặt đất 3D cho môi trường xây dựng. Sử dụng hệ thống qt bằng cơng nghệ laser 3D, có được dữ liệu điểm mật độ cao một cách chính xác, nhanh chóng. Bên cạnh đó, máy qt có thể số hóa tất cả thơng tin 3D liên quan với một đối tượng thế giới thực như tịa nhà, cây cối và địa hình xuống đến chi tiết milimet. Do đó, nó có thể mang lại lợi ích cho q trình nâng cấp trong tái tạo trong mơi trường xây dựng [40]. Một loạt các bản quét ngồi và trong cho phép mơ hình 3D chính xác của tịa nhà được xây dựng. Mơ hình này có thể được chia cắt thông qua các mặt khác nhau để xây dựng độ chính xác 2D và độ cao. Cơng nghệ mới này cải thiện hiệu quả và chất lượng của các dự án xây dựng, chẳng hạn như bảo trì các tịa nhà hoặc nhóm tịa nhà sẽ được cải tạo cho các dịch vụ mới trong môi trường xây dựng. Ngồi ra, cơng nghệ qt laser có thể được sử dụng trong tích hợp với GPS vi phân cho mơ hình địa hình để phân tích và kiểm tra cấu trúc địa hình một cách chính xác.
Năm 2013, Tahir Rabbani Shah nghiên cứu sử dụng dữ liệu đám mây điểm và hình ảnh thu được từ quét laser mặt đất để tự động khôi phục, tái tạo các cơ sở công nghiệp [12]. Các đối tượng, chi tiết thiết bị trong nhà máy được quét và nhận dạng tự động thơng qua các thuật tốn mơ hình hóa dạng hình trụ. Mục tiêu là sử dụng thơng tin 3D rõ ràng từ điểm đám mây để tự động phát hiện các đối tượng và cấu trúc có trong hiện trường. Các đối tượng được phát hiện sau đó được sử dụng làm mục tiêu để đăng ký dựa trên mơ hình, có thể được tự động hóa bằng cách tìm kiếm các đối tượng tương ứng [12].
Các nghiên cứu, ứng dụng các thuật toán lọc điểm:
Năm 2012 L.Monika Moskal và Guang Zheng đã trình bày thuật tốn cắt đám mây điểm để tăng quá trình thu thập dữ liệu đám mây điểm từ quét laser trên mặt đất [18], sau đó thử nghiệm cơng cụ này để áp dụng kiểm kê các khu rừng không đồng nhất trong đô thị.
Cũng trong năm 2012, J.Susaki đã nghiên cứu thuật tốn lọc độ dốc thích ứng của dữ liệu Lidar hàng khơng thành lập mơ hình số địa hình khu vực đơ thị [38]. Thuật tốn được đề xuất sử dụng các tính năng bề mặt phẳng và khả năng kết nối với các điểm thấp nhất cục bộ để cải thiện việc khai thác các điểm trên mặt đất (GPs: ground points). Thông số độ dốc được sử dụng trong thuật tốn đề xuất được cập nhật sau khi ước tính ban đầu của DTM và do đó thơng tin địa hình địa phương có thể được đưa vào. Kết quả là, thuật tốn được đề xuất có thể trích xuất GPs từ các khu vực xen kẽ các mức độ biến đổi độ dốc khác nhau. Cụ thể, dọc theo các con đường và đường phố, GPs được lấy ra từ các khu vực đô thị, từ các khu vực đồi núi như rừng và từ khu vực bằng phẳng như bờ sông. Việc xác thực bằng cách sử dụng dữ liệu tham chiếu cho thấy rằng, so với phần mềm lọc thương mại, thuật tốn được đề xuất trích xuất GPs với độ chính xác cao hơn. Do đó, thuật tốn lọc được đề xuất tạo ra hiệu quả DTM, ngay cả đối với các khu vực đô thị dày đặc, từ dữ liệu Lidar hàng không [39].
18
Nghiên cứu và phát triển các phần mềm thương mại:
Về mặt cơng nghệ qt 3D mặt đất thì tùy từng hãng sẽ phát triển và sử dụng các hệ thống phần mềm khác nhau. Hãng TRIMBLE đã giới thiệu hệ thống quét
Trimble SX10 trong đó sử dụng phần mềm thực địa Trimble Access cho phép có thể
nhìn cùng một lúc cả bản đồ hoặc hình ảnh và màn hình được khoanh vùng. Đồng thời sử dụng phần mềm nội nghiệp là Trimble Business Center; Trimble Realworks và Trimble Edgewise giúp tích hợp dữ liệu hồn chỉnh (tự động gắn màu, đăng ký đám mây, bình sai mạng lưới…) góp phần quản lý dữ liệu đám mây điểm 3D hiệu quả [72]. Hãng LEICA giới thiệu hệ thống quét laser Leica RTC360 trong đó sử dụng bộ phần mềm gồm Leica Cyclone, Leica Cyclone Cloud, Leica Cloudworx và Leica Truview [73]. Đây là một nhóm các mơ-đun phần mềm hồn chỉnh cung cấp tập hợp các tùy chọn quy trình làm việc rộng nhất cho các dự án quét laser 3D trong kỹ thuật, khảo sát, xây dựng và các ứng dụng liên quan. Nó cũng có các mơ-đun riêng để tạo ra các sản phẩm từ báo cáo đến bản đồ và mơ hình 3D, phim/hình hoạ và các định dạng dữ liệu 3D dung lượng thấp có thể được phân phối tự do trên web. Hãng RIEGL giới thiệu hệ thống quét laser mặt đất Riegl VZ – 6000 trong đó sử dụng hệ thống phần mềm xử lý dữ liệu là RiSCAN PRO 2.0, RiMINING 2.0 và RiSOLVE 2.0 với chức năng tối ưu hóa, đơn giản hóa và tự động hóa quy trình xử lý dữ liệu [74]. Nâng cao khả năng tương thích hồn tồn với thu thập, đăng ký và đánh dấu dữ liệu quét 3D ngoài trời. Hãng FARO đưa ra hệ thống quét FARO Focus S350 với phần mềm quản lý và xử lý dữ liệu đám mây điểm 3D toàn diện cho người dùng chuyên nghiệp là Faro SCENE 7.0. Nó được thiết kế đặc biệt cho xem, quản trị và làm việc với dữ liệu quét 3D mở rộng thu được từ máy quét laser 3D độ phân giải cao như FARO Focus X. Phần mềm SCENE 7.0 xử lý và quản lý dữ liệu được quét cả hiệu quả cao và dễ dàng bằng cách cung cấp một loạt các chức năng và công cụ như lọc, nhận dạng đối tượng tự động, đăng ký quét, cũng như quét tự động và đánh dấu màu. Với SCENE WebShare Cloud, các dự án quét sau đó có thể được xuất bản trên Internet và được xem với một Internet tiêu chuẩn trình duyệt. Tuy nhiên, tất cả các hệ thống phần mềm này cơ bản là đóng kín, khơng thể can thiệp hay tác động vào được [75].
Ngồi ra, vấn đề về độ chính xác qt Laser mặt đất cũng được các nhà khoa học trên thế giới quan tâm giải quyết. Nhóm tỏc gi J.-Angelo Beraldin, Franỗois Blais, Uwe Lohr [16], hay nhóm tác giả Balzani, M., Pellegrinelli, A., Perfetti, N., Uccelli, F. [10], đều đã chỉ ra tất cả các đại lượng đo khi quét laser mặt đất được chia thành hai nhóm nguồn sai số: Sai số thiết bị tạo nên bởi chất lượng chế tạo lắp ráp và hiệu chỉnh các bộ phận quang học, cơ học, điện tử của trạm quét; Sai số phương pháp mà chính các đại lượng đo do phương pháp xác định bằng thiết bị quét laser mặt đất. Các nguồn sai số này sẽ ảnh hưởng đến sự đồng nhất chất lượng số liệu quét giữa tất cả các trạm máy đồng thời ảnh hưởng tới độ chính xác tối ưu cho các sản phẩm chuyển giao và các mơ hình ứng dụng cuối cùng.
Nhìn chung, các vấn đề về công nghệ quét laser mặt đất hiện tại khá đầy đủ. Tuy nhiên trong các trình bày này tác giả chỉ chú trọng đến thông tin khoa học, chưa đưa ra quy trình cơng nghệ cụ thể và cũng chưa đi sâu phân tích thuật tốn chi tiết. Tham khảo những báo cáo khoa học này gần như chỉ là thông tin cơ sở, chủ yếu tập trung vào các ứng dụng cụ thể, thường khá rời rạc, khó tiếp thu và triển khai.
Khi ứng dụng một hệ thống quét laser mặt đất cần nắm bắt rõ bản chất và áp dụng đúng quy trình cơng nghệ. Hiện nay các tác giả lại chưa có cơng bố pháp lý về quy trình cơng nghệ thực hiện qt laser mặt đất cho mục đích xây dựng mơ hình 3D cho các đối tượng phi địa hình. Quy trình cơng nghệ là cơng đoạn quan trọng trong quá trình tiến hành xây dựng định mức kinh tế kỹ thuật thực hiện các hạng mục công việc để hồn thiện sản phẩm. Đây chính là nội dung cần giải quyết của luận án này.