Ảnh hưởng này có thể dẫn đến biến dạng lớn trong quá trình đo dài khoảng cách [63] Sự biến đổi ngẫu nhiên pha gắn với sự không đồng nhất pha của bức xạ biến đổi và theo kết quả khảo sát [59,60] dẫn đến sai số đo khoảng cách khoảng 1 - 2mm Do ảnh hưởng độ rung cách trạm quét laser mặt đất đến đối tượng từ 20 – 30 mét chỉnh sai sẽ tăng 40–50% so với trường hợp không bị rung Cách khoảng cách 60 – 70 mét chỉnh sai tăng đến 3 – 4 lần Trong khoảng cách 80 – 90 mét sai số đạt từ 10 đến 15 cm Ảnh hưởng độ rung luôn làm tăng độ dài khoảng cách đo [63]
Hầu như tất cả các yếu tố nêu trên ảnh hưởng đến độ chính xác qt thực tiễn khơng được khử khi thực hiện đo vẽ laser mặt đất Như vậy dẫn đến làm giảm các đặc tính đo của máy quét
2 2 3 2 Sai số do các đặc tính của các đối tượng quét tạo nên
Các đặc tính của đối tượng quét ảnh hưởng đến kết quả quét laser mặt đất có thể kể đến là kích thước, hướng qt, cấu trúc, màu
Ảnh hưởng đến kết quả quét laser mặt đất cho thấy những tính chất cơ bản của đối tượng quét là: hình dáng và khả năng phản xạ, trong đó được xác định bằng cấu tạo vật chất và màu Ảnh hưởng của đối tượng đo vẽ đến độ chính xác nhận được thơng tin khơng gian, trong đó chủ yếu xuất hiện về độ sai của các khoảng cách đo
Trong quá trình đo khoảng cách bằng phương pháp đo xung hình dáng tín hiệu laser trong phần lớn các trường hợp tương ứng với đường cong phân bố chuẩn Gauss với độ rộng nhất định Độ dài của xung laser cho điôt được sử dụng trong các máy quét hiện đại thay đổi trong giới hạn từ hàng chục pico giây đến một vài nano giây, vì vậy trong thực tế để xác định khoảng cách từ máy quét đến địa vật và ngược lại
cần phải đo thời gian truyền tín hiệu giữa hai hàm cực đại (xem hình 2 12), tương ứng tín hiệu điện từ đầu ra (điểm gốc) và tín hiệu điện từ đầu vào (điểm đo)
Hình 2 12 Thời gian truyền xung trong khơng gian [63]
Tương tự như vậy xác định khoảng cách bằng phương pháp đo pha, giống như đo chia đều độ dài nửa bước sóng giống như phương pháp đo xung Sử dụng thiết bị đo pha số ghi các xung ngắn nhất thời, mỗi một xung tương ứng với pha nhất định của dòng ánh sáng bức xạ hoặc hấp thụ Xung ngắn nhất thời được tạo nên từ tín hiệu điện tích hình sin được chuyển sang thiết bị đo pha
Trong quá trình quét laser mặt đất ảnh hưởng đến kết quả tìm hai hàm cực đại gồm: sự hiện có tiếng ồn trong tín hiệu điện từ, lỗ tín hiệu ra laser, độ phân tán tia laser, khoảng cách đến địa vật, hình dáng địa vật và khả năng phản xạ của mục tiêu
Giả thiết rằng đối tượng để chúng ta đo khoảng cách có hình dáng là hình cầu với bán kính R bằng khoảng cách từ nguồn quét laser đến mục tiêu địa vật Lúc đó thời gian truyền tín hiệu laser đến các điểm khác nhau của địa vật và ngược lại đến bộ thu (tính trùng với nguồn bức xạ laser) sẽ là đại lượng khơng đổi (xem hình 2 13) Trong trường hợp này độ rộng của xung ra và xung vào sẽ trùng nhau và khoảng cách sẽ được xác định với độ chính xác cao nhất Tuy nhiên trong thực tế trường hợp như vậy không thể xảy ra
cầu với bán kính R [63]
Giả sử mục tiêu đến là mặt phẳng, lúc này tín hiệu vào sẽ rộng hơn tín hiệu ra, trong trường hợp này mức độ sai lệch phụ thuộc vào việc định vị mặt phẳng đối với vector truyền tia laser (độ sai lệch nhỏ nhất khi mặt phẳng vng góc với tia (xem hình 2 14) Như vậy độ chính xác xác định khoảng cách trường hợp A cao hơn trường hợp B
Hình 2 14 Sự phụ thuộc độ rộng của xung vào định vị mặt phẳng địa vật [63]
Nếu chú ý tới sự đối xứng đường cong Gauss, thì có thể thay tìm các hàm cực đại bằng việc xác định vị trí tâm khối của nó theo trục thời gian Khi đó thời gian truyền tín hiệu từ nguồn bức xạ đến đối tượng địa vật và ngược lại đến bộ thu sẽ được tính theo cơng thức: �0 = � 1 � 1 (2 22) Ở đây: + f (t) – là hàm của tín hiệu đầu vào;
∫� � ��(�)�� ∫� � �(�)��
+ t1 , tn - thời điểm thời gian ghi tín hiệu vào ban đầu và tín hiệu vào cuối cùng (Hình 2 14), thể hiện giới hạn tích phân
Mặc dù vậy cần thiết ghi nhận rằng, tính đối xứng của tín hiệu phản xạ sẽ bị phá vỡ bởi phụ thuộc vào hình dáng của mục tiêu, định vị của nó đối với tia quét laser cũng như hàm vô hướng về khả năng phản xạ của địa vật khi tia quét đến
Trong trường hợp khi tia laser quét đến ranh giới hai địa vật (xem hình 2 15), hàm tín hiệu phản xạ sẽ có hai cực đại Nếu khơng tính đến trường hợp này, thì thời gian tính theo cơng thức (2 22), tiếp theo khoảng cách nhận được theo công thức (2 2) và (2 4) sẽ tương ứng một số điểm M (xem hình 2 15), mà hồn tồn khơng thuộc điểm qt vật thể
Hình 2 15 Hình dáng tín hiệu vào khi tia laser đến ranh giới hai đối tượng [63]
Giải quyết sự khơng đồng nhất có thể trong điều kiện nếu như xác định được vị trí hai hàm cực đại tín hiệu đầu vào Chất lượng giải quyết bài toán này phụ thuộc vào sự kéo dài của xung laser và khoảng cách giữa hai đối tượng địa vật A và B (xem hình 2 15) Khoảng cách giữa hai đối tượng cực tiểu, trong đó có thể chia tách một hàm cực đại với hàm kia có thể gọi là phương pháp giải quyết tách đôi hai đối tượng, phụ thuộc vào sự kéo dài xung của nguồn laser
Cấu tạo và màu của đối tượng quét trực tiếp ảnh hưởng đến độ mạnh của tín hiệu phản xạ, từ đó dẫn đến thay đổi hình dáng của hàm tín hiệu phản xạ Ví dụ hình 2 16 chỉ rõ, khi qt đối tượng phẳng, phần có màu trắng, phần khác có màu đen, kết quả chụp quét sẽ có thành phần nhiễu ồn lớn tại ranh giới hai màu
dạng chung như sau:
∆� ∆� 2�(,)
� ) ��ℎ �� (, ) (, )]d D + η(t) (2 23) Ở đây: Fvào (t) – là hàm tín hiệu vào;
D (φ, υ) – là hàm mô tả thay đổi từ nguồn phát laser đến các điểm khác nhau của đối tượng địa vật (phản ảnh hình dáng địa vật);
Kph xa (φ, υ) – là hàm mang đặc tính hệ số phản xạ tín hiệu từ các điểm khác nhau của địa vật;
ψ (φ, υ) - là hàm mơ tả phân bố tín hiệu trong khơng gian, đại lượng phân tán tia laser;
ɳ(t) - là hàm mang đặc tính thành phần nhiễu ồn của kết quả quét Sử dụng cơng thức (2 23) có thể thực hiện mơ hình hóa tốn học q trình chụp qt laser và nghiên cứu ảnh hưởng của các đặc tính đối tượng địa vật như hình dáng, cấu trúc, màu tới độ chính xác nhận được những đặc tính đó
Kinh nghiệm thực tiễn chụp quét laser cho thấy, sai số đo khoảng cách liên quan đến các tính chất đo của đối tượng địa vật, có thể tới hàng mét (nếu sự phân tán tia laser lớn hơn 3,5 phút), thường trung bình đạt khoảng 1–3 cm
Như vậy phần lớn các vấn đề liên quan đến sự ảnh hưởng của cấu trúc, hình dáng, định vị và màu sắc của đối tượng địa vật đều ảnh hưởng đến kết quả quét Có thể tránh nếu chúng ta giảm độ phân tán tia laser, tức là làm tăng mức độ chuẩn hội tụ, tốt nhất là tăng chất lượng đặc tính đo của quét laser
Việc tăng độ chính xác quét laser mặt đất đối với các đối tượng địa vật giải quyết tốt nhất bằng các phương pháp tính tốn mơ hình hóa q trình chụp qt laser đối với đối tượng cụ thể với việc sử dụng công thức (2 23)
2 2 3 3 Ảnh hưởng các tham số quét và các đặc tính máy quét đến độ chính xác kết quả đo vẽ
Khi thực hiện quét laser mặt đất cần thiết phải lựa chọn thiết bị, các thơng số kỹ thuật và quy trình cơng nghệ để cho phép xây dựng mơ hình số địa hình và mơ hình bề mặt theo u cầu về độ chính xác cũng như mức độ chi tiết
Xác định các đặc tính của trạm quét laser mặt đất bao gồm: - Độ phân giải quét đứng và quét ngang cực đại;
- Độ dài sóng bức xạ laser;
- Độ chính xác đo cạnh, đo các góc đứng và ngang; - Độ phân tán của tia laser
Nếu tiến hành với các hệ thống qt chụp laser mặt đất thì ba đặc tính đầu tiên nêu trên sẽ xác định độ chính xác hình học của dịng qt, đặc tính sau sẽ là độ phân giải của hệ thống, chính đại lượng này cho thấy kích thước nhỏ nhất của địa vật khi ở khoảng cách xa định trước từ máy qt để tìm được hàm tín hiệu ra cực đại duy nhất Độ phân giải của hệ thống ở mức độ thấp phụ thuộc vào độ phân giải quét, càng tránh phân tán tia laser, hơn nữa trong khi giảm giá trị góc của bước qt thì vùng phủ giữa hai đối tượng quét sẽ được tăng lên theo hình 2 17 [9]
Như vậy độ phân giải máy quét laser cơ bản phụ thuộc vào độ phân tán tia laser Từ hình 2 17 có thể thấy rằng độ phân giải góc có giá trị nhỏ hơn là độ phân tán tia laser Điều này có nghĩa là khi định trước độ phân tán tia laser trong máy quét cụ thể khơng thể nhận được trên dịng qt những chi tiết nhỏ của địa vật chỉ nhờ tính đến tăng độ phân giải quét
Hình 2 17 Phân tích độ phân giải trạm quét laser mặt đất [9]
Từ kiến thức vật lý cho thấy các loại vật liệu khác nhau sẽ phản xạ khác nhau từ bức xạ cùng độ dài của sóng Vì vậy máy qt sẽ ghi lại từng cường độ phản xạ tín hiệu trong độ dài sóng nhất định Điều này chứng tỏ về các biên độ khác nhau và các trường sóng của các tín hiệu nhận được Trong trường hợp phụ thuộc vào độ dốc của trường sóng, theo nguyên tắc có thể đặt thời điểm thời gian đầu tiên và cuối cùng xung của laser đến bộ thu, điều này sẽ ảnh hưởng trực tiếp tới sai số đo khoảng cách
Theo kết quả quét laser mặt đất cho thấy việc khôi phục mơ hình 3D bề mặt địa hình, để mơ tả đúng nó thì mỗi địa vật qt chụp cần phản xạ càng nhiều xung laser, số lượng xung này phụ thuộc vào độ phân giải của quá trình quét
2 2 3 4 Các sai số trong quá trình thực hiện chuyển đổi tham chiếu dữ liệu
Ở các tiểu mục trên đã nêu ra các nhóm sai số gây ra trong quá trình quét laser mặt đất Tuy nhiên khi triển khai ngoài thực địa, ngoài việc cố định các trạm máy quét để giảm thiểu tối đa sự rung của máy trong quá trình quét, thì các sai số liên quan đến việc thu nhận, phản hồi dữ liệu của tia quét từ các địa vật ở dạng đám mây điểm để quy về hệ tham chiếu trắc địa Các yếu tố ảnh hưởng này sẽ được mô tả khá chi tiết đến chất lượng dữ liệu [25] bao gồm:
1 Độ chính xác xác định tọa độ điểm quét và tín hiệu phản hồi của tia quét: Giống như với tồn đạc điện tử được mơ tả và xử lý qua ma trận hàm hiệp phương sai của máy quét Cmáyquét và của tín hiệu phản hồi CBS (Backsight) Ma trận Cmáyquét được xử lý trên máy tính bằng hai cách, phụ thuộc vào vị trí của máy quét được xác định như thế nào Nếu trường hợp máy quét đặt trên tâm điểm đã có tọa độ
trắc địa và độ cao máy quét được đo bằng thước dây, ma trận Cmáyquét có thể được thể hiện ở dạng như sau:
Cmáyquét = C0 + CH (2 24)
Ở đây C0 - là ma trận hàm hiệp phương sai của các tọa độ điểm trạm quét được định tâm, CH - là ma trận hàm hiệp phương sai của vị trí độ cao của tâm máy quét so với điểm gốc trạm quét
C� = ����(0, 0, σ2� ) (2 25)
Ở đây: σH - là sai số xác định độ cao của tâm máy quét đo bằng thước
Nếu vị trí của máy quét được xác định với độ chính xác tương đương như tồn đạc điện tử thì ma trận Cmáyquét tính tốn sẽ đạt tương đương như sai số đo thơng thường Việc đo khoảng cách nghiêng, đo hướng ngang và đo độ dài thiên đỉnh tương tự như đo tồn đạc điện tử trong hệ tọa độ vng góc
2 Độ chính xác đo góc phương vị (K) từ trạm quét tới tiêu quét phản hồi:
σ� = ± √2σ ℎ���0−�� [���] (2 26)
Ở đây: σhor - là độ chính xác của tọa độ phẳng của máy quét và tọa độ điểm tiêu quét phản hồi là như nhau
�0−�� - là khoảng cách từ điểm trạm quét tới điểm tiêu quét phản hồi
Khoảng cách này được tính giá trị trung bình và chưa được hiệu chỉnh Độ chính xác đo góc phương vị tính theo đơn vị Radian
3 Những sai số cài đặt thiết bị quét:
Việc cân bằng thiết bị quét theo chiều ngang và chiều đứng phải đảm bảo các sai số cho phép theo công thức sau:
Cân bằng máy quét:
và
σ�� = ±0 2� − sai s theo góc đ ngố ứ
σ�ℎ = ±σ�� tan − sai s theo góc ngangố
(2 27)
(2 28)
Ở đây: � - là độ phóng đại của ống kính
Trường hợp máy qt khơng được trang bị ống kính phóng đại quang học trong q trình tìm điểm quét thì việc xác định điểm quét sẽ hiện lên trong quá trình quét Sai số này (tìm điểm quét) được bổ sung xử lý trong quá trình định hướng phẳng ngang trong chuyển đổi tham chiếu
Ma trận hàm hiệp phương sai Cset các sai số cài đặt thiết bị máy quét được biểu thị như sau [25] 0 0 0 C��� 0 0 2 2 2 0 ] σ2�� (2 31)
Ở đây các thành phần đường chéo chính là các giá trị phương sai của biên độ giá trị đo (coi như khơng có các sai số gốc cài đặt máy) cân bằng hướng, góc đứng, định tâm, tìm điểm tương ứng Tổng độ chính xác khi trực tiếp thực hiện biến đổi tham chiếu trong các điểm thuộc đám mấy điểm được thực hiện mô tả theo ma trận hàm hiệp phương sai:
��� = Cscanner + [Rie(�)J(Cinst + Cset)JT[Rie(�)]T + σ2� ∂� ∂� ( ) ] (2 32) Ma trận Rie(�) là ma trận quay giữa hai hệ thống, xác định theo công thức:
Xe = X máy quét + Rie(�)Xi (2 33)
Trong đó: X máy quét là tọa độ gốc của trạm quét trong hệ tọa độ trắc địa; Xe là tọa độ của tiêu quét trong hệ tọa độ trắc địa; còn Xi là tọa độ của tiêu quét trong hệ tọa độ trạm quét Và:
= [0 σ�ℎ + σ���� + σ�����
∂ � � ∂�� ∂ � � ∂�� ∂ � � ∂�� � = ∂ �∂�� � ∂ � � [∂�� ∂ � � ∂� ∂ � � ∂� ∂ � � ∂� ∂ � � ∂�] (2 34) Cinst 2 2 2 (2 35)
Trong đó: �� ; �� ; �� là các giá trị biên độ đo khoảng cách, góc ngang, góc đứng
đối với điểm j tương ứng của đám mây điểm Tương ứng với giá trị σ2� ; σ2�; σ2� là phương sai của các trị đo tương ứng Các giá trị này đạt được tới hạn theo yêu cầu kĩ thuật sản xuất của thiết bị Theo các hãng và riêng σ���� là giá trị phương sai của trị đo chùm tia thu nhận được quy về sai số trong quá trình thực hiện biến đổi tham chiếu dữ liệu
Nếu định hướng tia quét được xác định rõ trong quá trình quét tiêu phản hồi thì vấn đề xác định tâm của tiêu phản hồi xảy ra, bởi tọa độ của tâm sẽ được ước tính từ số lượng của các tia laser phản xạ về từ bề mặt của tiêu quét
Việc thu nhỏ tiêu quét phẳng đưa ra 3 hướng giải quyết xác định tâm của
tiêu quét [39], đó là:
- Định vị nơi tín hiệu cực đại (max)/ khỏe (mạnh) nhất của tần số phản xạ - Phương pháp radio xác định tâm của tất cả tia phản xạ
- Phương pháp xác định 4 tia phản xạ mạnh nhất
Tất cả các hướng giải quyết trên đều được dựa trên cơ sở là cường độ cực đại được ghi tại tâm tiêu phản xạ Điều này đã được hãng Leica thiết kế và sản xuất giải quyết vấn đề trên Ngồi ra có thể tự động hóa nhận biết tiêu qt bằng thuật tốn