a) Mô hình 3D b) Mô hình đám mây điểm Hình 1.7. Mô 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 công 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 mô 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) Mô mình đám mây điểm b) Ảnh chụp từ máy ảnh số Hình 1.8. Mô 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 thông tin đo đạc để tạo ra các bộ phận giả nói trên trong không gian 3D. Vì vậy việc tạo lập mô 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 mô 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 mô 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 không gian các điểm của cơ thể với độ chính xác phần chục mm. Ứng dụng công nghệ quét laser 3D mặt đất trong y học cho phép nâng cao độ chính xác trong quá trình sản xuất các thực thể mẫu ghép.
Hình 1.9. Ứng dụng công 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 thông tin đo đạc về khu vực xảy ra. Khả năng duy nhất về thông tin đó chính là mô hình 3D mà trên đó thể hiện đầy đủ về vị trí, các thông tin cần thiết như hệ thống thông tin hạ tầng, tín hiệu cảnh báo (Phòng chống cháy nổ, An ninh bảo mật, … ). Nhờ mô 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. Mô 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 toàn 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 không người lái và cứu hộ trong điều kiện khó quan sát.
Ứng dụng mô 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 công trình có ý nghĩa chiến lược (nhà máy thủy điện, nhà máy điện hạt nhân, hệ thống tàu điện
30
ngầm…). Ngoài ra còn 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, công nghệ này đã có những đóng góp trong việc khảo sát bề mặt địa hình, thành lập mô hình số độ cao (DEM), mô hình số địa hình (DTM), xây dựng mô hình 3D phục vụ phân tích tổng hợp…Tuy nhiên, còn nhiều vấn đề tiếp cận khá khó khăn đối với công nghệ quét 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 hoàn chỉnh, đồng bộ và đầy đủ từ lý thuyết đến thực nghiệm nhất là trong lĩnh vực phi địa hình; chưa có công bố mang tính pháp quy cũng như chưa ban hành đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật, quy trình công nghệ, định mức – đơn giá thực hiện quét laser mặt đất cho việc xây dựng mô 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 ngoài còn nhiều bất cập, từ môi trường làm việc, việc định dạng của đầu ra sản phẩm, các công cụ không 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 công cụ chưa phù hợp, đặc biệt trong bài toán phân tích, lọc đám mây điểm phải vừa kết hợp thủ công vừa tự động hóa để đảm bảo độ chính xác của mô hình.
Đồng thời, nghiên cứu tích hợp các thuật toán, xây dựng mô-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 toán 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 toán, 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 công nghệ quét 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 công 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.
Bảng 1.2. Đánh giá so sánh công nghệ quét laser mặt đất so với công nghệ khác
Thứ tự Tiêu chí so sánh
1 Giá thành
2 Tiến độ (thời gian)
Thứ tự Tiêu chí so sánh
4 Độ chính xác của
sản phẩm
5 Tính phổ thông
6 Yêu cầu thiết bị xử
lý dữ liệu
7 Yêu cầu tay nghề
kỹ thuật viên
8 Phụ thuộc vào yếu
tố địa hình Khó khăn thách thức khi áp dụng công nghệ quét laser mặt đất ở Việt Nam gồm có: Khó khăn trong tiếp cận mã nguồn của phần mềm thương mại; Yêu cầu về lưu trữ, xử lý dữ liệu rất lớn; Khó khăn trong việc tổ chức sản xuất khi sử dụng phần mềm đi đôi với khóa cứng nên hạn chế số lượng kỹ thuật viên cùng lúc xử lý dữ liệu.
Tiểu kết Chương 1
Trong chương này, tác giả đã nêu được lý do lựa chọn công nghệ quét Laser 3D mặt đất ứng dụng trong lĩnh vực địa hình và phi địa hình, đây là lĩnh vực công nghệ mới ở Việt Nam theo xu hướng cách mạng Công nghệ 4.0;
Chương này trình bày một số lĩnh vực ứng dụng công nghệ quét laser 3D mặt đất trong đo vẽ địa hình và phi địa hình. Trình bày tổng quan về tình hình nghiên cứu sử dụng công nghệ quét laser mặt đất ở trên thế giới và Việt Nam. Hiện tại ở nước ta mới có nghiên cứu và ứng dụng trong lĩnh vực địa hình, việc ứng dụng trong lĩnh vực phi địa hình còn hạn chế. Từ đó, tác giả rút ra các vấn đề còn tồn tại sẽ được giải quyết trong luận án;
Tác giả cũng đã có đánh giá so sánh sơ bộ ban đầu công nghệ quét laser mặt đất so với công nghệ khác trong lĩnh vực địa hình.
Chương 2.
CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ CÁC NGUỒN SAI SỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN KẾT QUẢ QUÉT LASER 3D MẶT ĐẤT
Chương này nghiên cứu bản chất của phương pháp quét laser mặt đất trong đó có nguyên lý hoạt động của hệ thống quét laser mặt đất bao gồm nguyên lý đo dài và nguyên lý đo góc. Đồng thời phân tích các nguồn sai số ảnh hưởng đến kết quả quét laser mặt đất trên cơ sở đó giải quyết yêu cầu về chất lượng dữ liệu thu thập và lựa chọn thiết bị phù hợp khi thực hiện những mục đích công việc khác nhau. Phần thực nghiệm, đánh giá và bình luận sẽ được trình bày ở các chương tiếp theo.
2.1. Nguyên lý hoạt động của hệ thống quét laser mặt đất
Laser là tên những chữ cái đầu của thuật ngữ bằng tiếng Anh “Light
Amplification by Stimulated Emission of Radiation” có nghĩa là khuếch đại ánh
sáng bằng phát xạ kích thích. Nguyên lý hoạt động của laser dựa vào hiện tượng bức xạ cưỡng bức [4].
2.1.1. Nguyên lý chung
Hệ thống quét laser mặt đất bao gồm thiết bị quét và thiết bị máy tính chuyên ngành xử lý tốc độ cao được cài đặt phần mềm chuyên dụng [62]. Hệ thống thiết bị quét laser cấu tạo gồm khối thiết bị đo dài laser thích ứng làm việc với tần số cao và khối đầu quay thiết bị quét laser mặt đất (Hình 2.1).
1 – đo dài laser;
2 – tuyến nhận và truyền đo dài;
3 – gương quét (lăng kính); 4 – đầu quét của máy quét; 5 – dây dẫn máy quét laser với máy tính;
6 – máy tinh xách tay cùng phần mềm chuyên dụng; 7 – bộ lưu dữ liệu.
Hình 2.1. Thành phần và sơ đồ nguyên lý của hệ thống quét laser mặt đất [62]
Nguyên lý hoạt động của thiết bị quét laser mặt đất là thu nhận được tọa độ tự
34
động trên cơ sở đo khoảng cách và các góc đo hướng từ trạm quét đến đối tượng. Sự khác biệt cơ bản với quét laser hàng không bởi cấu tạo máy quét và trong quá trình hoạt động thiết bị quét laser mặt đất ở trạng thái tĩnh.
Hình 2.2. Chức năng, thành phần cấu tạo chính thiết bị quét laser mặt đất [62]1 - khối đo dài; 2 - khối thiết bị quang cơ đầu quay laser; 3 - đường truyền dẫn – 1 - khối đo dài; 2 - khối thiết bị quang cơ đầu quay laser; 3 - đường truyền dẫn – thu tín hiệu đo dài; 4 - kênh truyền dữ liệu vào máy tính; 5 - máy tính chuyên dụng.
Trong đó:
Điểm mi - điểm phản xạ của bức xạ laser; giá trị đo góc đứng Ɵi; giá trị đo góc ngang i ; Ri – khoảng cách đo từ điểm trạm quét tới đối tượng điểm quét.
Chức năng của những thành phần chính cấu tạo của hệ thống quét laser mặt đất là:
Khối đo dài với chức năng đo khoảng cách từ trạm quét đến đối tượng nằm trên đường dẫn thu và truyền tải tín hiệu đo dài. Nguồn bức xạ được sử dụng là laser bán dẫn. Khoảng cách được xác định bằng khoảng thời gian truyền và thu tín hiệu (phương pháp đo xung) hoặc theo sự dịch chuyển pha (phương pháp đo pha) của tín hiệu phản xạ;
Khối thiết bị quang - cơ laser với chức năng làm trùng đường truyền và thu tín hiệu đo dài, định vị ghi các góc hướng bức xạ bằng hệ thống quang cơ bởi lăng kính gương và đường dẫn. Việc quay chiều đứng của khối đầu thiết bị quang-cơ laser nhờ trợ giúp lăng kính phẳng hoặc lăng kính nhiều mặt, quay chiều ngang bằng cách xoay
khối quang cơ quanh trục đứng Z của thiết bị. Quá trình dịch chuyển đường truyền và đường thu tín hiệu đo dài thực hiện ở chế độ theo bước hoặc ở chế độ xoay liên tục.
Kênh truyền dữ liệu vào máy tính với những module phần mềm chuyên dụng để liên kết ngược lại với hệ thống quét laser.
Trong quá trình quét được định vị ghi hướng truyền tia laser và khoảng cách từ trạm quét tới đối tượng địa vật. Kết quả sau khi quét nhận được là hình ảnh raster với các giá trị pixel của vector gồm các thành phần: độ dài khoảng cách đo; cường độ tín hiệu phản xạ và đặc tính màu của điểm đo (màu đỏ, màu xanh lục, màu xanh lam). Giá trị tọa độ dòng và cột của mỗi pixel raster phản ánh giá trị đo góc đứng Ɵi
và góc ngang i. Tại mỗi điểm của mô hình quét laser mặt đất đều mang tính chất màu thực nhờ gắn máy ảnh kỹ thuật số đồng bộ với thiết bị quét laser mặt đất.
Kết quả quét laser mặt đất còn được lưu ở dạng khác bằng mật độ đám mây điểm phản xạ laser của các đối tượng địa vật trong trường quan sát của thiết bị quét laser mặt đất với 5 đặc tính bao gồm: ba tọa độ không gian (X, Y, Z); cường độ tín hiệu và màu thực [5].
a) Ảnh cường độ b) Ảnh màu thực c) Đám mây điểm
Hình 2.3. Kết quả quét laser mặt đất [70]
Với kết quả đo dài khoảng cách và hướng tia quét chúng ta tính được tọa độ không gian của điểm địa vật trong hệ tọa độ thiết bị quét theo công thức sau [19,20,21], (Hình 2.4):
X = R cos sin
Y = R sin φ sin (2.1) Z = R cos
Ở đây: R - là khoảng cách đo từ điểm trạm thiết bị quét laser đến đối tượng
36 điểm địa vật quét;
φ – góc đo hướng ngang tia quét laser véc tơ R;
– góc đo hướng đứng tia quét laser, được tính theo trục Z đến hướng véc tơ R - (khoảng cách thiên đỉnh hướng tia quét laser).
Hình 2.4. Hệ tọa độ điểm trạm quét laser mặt đất [20]
Công thức (2.1) là công thức rút gọn để chuyển từ hệ tọa độ cực về hệ tọa độ không gian vuông góc (Đề các).
Đối với từng thiết bị quét laser mặt đất cụ thể, công thức trên sẽ có dạng phù hợp để tính đến các yếu tố không trùng giữa nguồn phát bức xạ laser với đầu thu, độ