Q trình truyền xung laser vào khơng gian rất phức tạp. Hàm tín hiệu vào có dạng chung như sau:
� (t)
= ∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆ [� (� − ) 2�(,(,(,(,(,(,(,(,(,(,(,(,(,(,(,
) � ( , � ) , � )]( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( d�. D� + η(t) (2.23)
�à� ∫∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆− ∆∆∫−∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆ ��
� � .��ℎ
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 quét 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 quét 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 thông 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 quét 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 quét 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 không thể nhận được trên dòng quét những chi tiết nhỏ của địa vật chỉ nhờ tính đến tăng độ phân giải quét.
a). Độ phân giải cực đại khi quét b) Độ phân giải cực tiểu khi qt 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 khơi 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 q trình qt 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 Cmáyqt tính tốn sẽ đạt tương đương như sai số đo thông thường. Việc đo khoảng cách nghiêng, đo hướng ngang và đo độ dài thiên đỉnh tương tự như đo toàn 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� = ± √2σℎ��
]
[��� (2.26)
�0−��
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:
σ�� = ±0.2� − sai số theo góc đứng (2.27) và
σ�ℎ = ±σ��nn nnnnnnnnnnnnnta − sai số theo góc ngang (2.28)
Ở đây � là bậc chia độ nhạy của ống bọt nước cân bằng máy quét hoặc bộ cân �
bằng tự động; � là giá trị đo góc đứng.
Độ chính xác định tâm quang học máy quét và tiêu quét
����� = ± √2σ��
]
[��� (2.29)
�0−��
Ở đây: σ��- là độ chính xác xác định tâm quang học (σ��= 0,5mm/m giới hạn)
Độ chính xác tìm điểm tiêu qt phản hồi (với ống kính phóng quang học)
���
= ±
60′′
�
(2.30)
Ở đây: � - là độ phóng đại của ống kính.
Trường hợp máy quét không được trang bị ống kính phóng đại quang học trong quá 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 0 σ2 + σ2 + σ2 0 C���= [ �ℎ ��� � ����� ] (2.31) 2 ��
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:
� = C + [R (�C)J( + C )JT[R (�)]T + σ2 ∂Xe (∂Xe (2.32) �� scanner ie inst set ie � ∂� ) ] ∂�
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 0
= � ∂�� ∂�� ∂�� ∂�� ∂�� [∂�� ∂�� ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ � ∂�� ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂� ∂�� ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂� ∂�� ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ � ∂�� ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂� ∂�� ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ � ] (2.34) Cinst = ����(σ2, σ2 + σ2, σ2 + σ2 ) (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 quét bằng thuật toán phần mềm xử lý dữ liệu quét trên máy tính [39].
Các tọa độ của tiêu quét được ghi theo các hướng xác định bằng giá trị trung bình trọng số: ∑� ��X� X =� � =1� (2.36) = � 1 ��
Ở đây: XC - là véc tơ tọa độ của tâm tiêu quét
XJ - là véc tơ tọa độ của tia thứ j phản hồi
IJ - là cường độ của chính tia phản hồi thứ j n - số lượng tia phản hồi (gần nhất n=4)
Đây là cơ sở để hồn thiện và hiện đại hóa chế tạo thiết bị hệ thống quét laser mặt đất như Leica HDS_2500
Việc xác định các tọa độ tâm tiêu quét được xử lý bằng phần mềm và máy vi tính sử dụng phương pháp bình sai số bình phương nhỏ nhất.
Ma trận hiệp phương sai ���của tâm các tia phản chiếu thể hiện như sau:
σ2 σ2 σ2 �� ���� ���� � = C� �� = [σ2 σσ22 ] (2.37) �� ins t ���� �� ���� σ2 σ2 σ2 ���� ���� �� Và tổng thể ma trận hàm hiệp thương ���sẽ có: ∑� �2C� ��� = =1 �� � � (2.38) = � 1 2 ��)
Việc lựa chọn ước tính độ chính xác phương sai σ�cho xác định tâm tiêu quét phản chiếu [25] được tính như sau:
σ�
= ± 2√∆
3 (2.39)
Ở đây ∆ là khoảng tái chia mẫu góc của tia quét, nó tương đương với định hướng cân bằng ngang và đứng máy quét. Ngoài giá trị σ�việc xác định vị trí tâm tiêu qt cịn phụ thuộc vào sai số xác định độ rộng của chùm tia quét σ���� và quan trắc tiếng ồn.
Để nâng cao độ chính xác xác định tâm tiêu quét cần tăng số lượng điểm tia quét phản hồi mà việc ước tính giá trị ∆ cho trước là nhỏ. Việc nghiên cứu khảo sát những yếu tố sai số của các tia phản chiếu trong đám mây điểm để đưa ra các giải pháp xử lý. Khi thực hiện chuyển đổi tọa độ dữ liệu sẽ góp phần nâng cao chất lượng và làm phong phú hơn cơ sở lý thuyết về quét laser mặt đất.
2.2.3.5. Sai số trong q trình chuyển đổi khn dạng dữ liệu
Cũng như các quy trình xử lý số liệu đồ họa khác, việc chuyển đổi (export hoặc import) số liệu quét laser 3D đến hoặc đi từ các phần mềm khác nhau cũng có khả năng gây ra những sai số hoặc làm thay đổi chất lượng dữ liệu bởi mỗi phần mềm ứng dụng có những phương thức, định dạng và cơ chế hoạt động khác nhau.
Tới thời điểm hiện tại, số liệu đám mây điểm thường có các định dạng chuẩn như e57, ptx, pts, fls, lfc… đặc biệt mỗi hãng sản xuất máy quét lại tạo ra một định dạng chuẩn cho riêng mình, các phần mềm xử lý số liệu của nhà sản xuất thứ ba muốn sử dụng số liệu bắt buộc phải thực hiện quy trình chuyển đổi, theo đó sẽ có những ảnh hưởng nhất định tới chất lượng cũng như tính tồn vẹn của cả khối số liệu đám mây điểm tổng thể đã tạo ra. Đây cũng là điểm cần hết sức lưu ý trong quá trình xử lý và trao đổi dữ liệu giữa các phần mềm ứng dụng.
Tiểu kết Chương 2
Công nghệ quét laser mặt đất hoạt động trên nền tảng của khoa học kỹ thuật và cơng nghệ tin học phát triển, nó khẳng định sự vượt trội so với các công nghệ truyền thống khác và góp phần tăng cường, hiện đại hóa ngành đo đạc, bản đồ và thông tin địa lý;
Nội dung nghiên cứu của chương này góp phần bổ sung, hồn thiện một số vấn đề về cơ sở lý thuyết của quét laser mặt đất phục vụ việc giảng dạy, nghiên cứu khoa học cũng như phát triển những ứng dụng vào thực tiễn sản xuất ở nước ta;
Thơng qua việc phân tích, đánh giá các nguồn sai số ảnh hưởng đến kết quả quét laser mặt đất nhận thấy sai số trong q trình thực hiện chuyển đổi tham số dữ liệu có ảnh hưởng lớn và mang tính hệ thống đến độ chính xác của đám mây điểm. Từ đó làm cơ sở đưa ra giải pháp xử lý yêu cầu về chất lượng dữ liệu thu thập và lựa chọn thiết bị phù hợp khi thực hiện những mục đích cơng việc khác nhau.
Dữ liệu thu được từ quá trình quét laser mặt đất lớn và đa dạng, để phục vụ cho mục đích địa hình và phi địa hình thì cần phải có chương trình phụ trợ cho phép tự động hóa q trình xử lý dữ liệu đám mây điểm, đảm bảo chất lượng mơ hình. Vấn đề này được giải quyết ở chương tiếp theo.
Chương 3.
XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH XỬ LÝ DỮ LIỆU QUÉT LASER 3D MẶT ĐẤT TRONG LĨNH VỰC ĐỊA HÌNH
Trong chương này, trình bày cơng tác thành lập mơ hình số độ cao (DEM) bằng công nghệ quét laser 3D mặt đất theo quy định đã ban hành, ở đây tác giả chú