Loại máy TRIMBLE SX10 LEICA RTC360 LEICA P50 RIEGL VZ - 6000 FARO Focus S 350 GEOMAX SPS Zoom 300
Ngồi ra, độ chính xác cịn suy giảm theo khoảng cách từ máy đến đối tượng quét. Đây là các hãng chuyên cung cấp các thiết bị phục vụ trong lĩnh vực đo đạc bản đồ, đặc biệt các thiết bị ứng dụng công nghệ quét laser để phục vụ khảo sát các đối tượng từ xa. Ngoài ra hãng Mensi cùng thương hiệu Trimble đưa ra thị trường hệ thống quét laser mặt đất Trimble GX. Với các trạm quét 3D laser mặt đất GS 100 và GS 200 cùng lúc xác định luôn tọa độ không gian (X, Y, Z) điểm quét địa vật và chụp video camera số cho ra các ảnh màu các đối tượng quét. Video camera tự động thay đổi tiêu cự ống kính vật và chương trình tự động khơi phục hiện lại hình ảnh [5,10,31].
Các trạm máy quét laser Mensi S10, S25 và Soisic được cấu tạo đặc biệt để chụp quét các đối tượng địa vật có kích thước rất nhỏ, trong chế tạo các thiết bị với độ chính xác rất cao (tới 0, 1mm) xác định tọa độ không gian của điểm địa vật, việc đo khoảng cách thực hiện theo phương pháp lưới tam giác. Thiết bị camera số này có khả năng điều tiết tiêu cự tự động và nguồn bức xạ laser mạnh tương ứng với tín hiệu phản xạ lại của sóng điện từ [27].
1.3. Các tiêu chí phân loại thiết bị quét laser mặt đất
Phân loại thiết bị quét laser mặt đất dựa trên các chức năng sau:
Thiết bị đo góc;
Thiết bị đo chiều dài cạnh; Thiết bị đo cao và chênh cao; Thiết bị đo vẽ phối hợp;
Thiết bị chuyên dụng (chiếu đứng, cơng trình...)
Các thiết bị phụ trợ: dọi tâm, mia, tiêu ngắm, gương phản xạ…
Phân loại thiết bị quét laser mặt đất theo lĩnh vực ứng dụng:
Theo độ chính xác;
Độ bền vững và ổn định thiết bị; Tính đặc biệt của kết cấu thiết bị.
Qua việc phân tích trên cho thấy các thiết bị quét laser mặt đất đưa ra các kết quả trong quá trình đo khơng thống nhất. Ngồi ra mục đích qt laser mặt đất cho ra sản phẩm phục vụ các yêu cầu khác nhau. Ở tất cả các loại thiết bị có chung một phương pháp là đo quét laser và lưu trữ dữ liệu thông tin điện tử và không thể phân loại theo các dấu hiệu đó. Vì vậy, trên cơ sở tổng quan các trạm quét laser mặt đất và theo cách phân loại các thiết bị trắc địa đưa ra phân cấp theo các tiêu chí sau:
1. Theo phương pháp áp dụng đo khoảng cách (đo xung, đo pha, đo lưới tam giác của máy quét);
2. Theo độ chính xác xác định tọa độ khơng gian của điểm đối tượng quét (độ chính xác thấp với sai số trên 10mm, độ chính xác trung bình với sai số từ 3mm đến 10mm và độ chính xác cao với sai số dưới 3mm);
12
3. Theo vật dụng để thu nhận thông tin màu tự nhiên của địa vật (videocamera số; camera số được đặt trên máy quét; bộ cảm biến nhận thông tin màu từ xung phản xạ);
4. Giới hạn khoảng cách xa khi thực hiện quét (quét gần với khoảng cách dưới 30 mét, quét trung bình với khoảng cách từ 30 đến 70 mét và quét xa với khoảng cách trên 70 mét);
5. Theo trường quan trắc của máy quét (nhỏ, trung bình và rộng); 6. Phân loại theo độ an tồn (nguồn phát laser).
Các tiêu chí nêu trên mà đặc biệt là độ chính xác xác định tọa độ không gian và khoảng cách khi thực hiện quét luôn liên quan đồng bộ và rất cần thiết được tính đến bởi độ chính xác đó ln phụ thuộc vào khoảng cách từ trạm quét tới điểm quét địa vật.
Ngồi ra, cịn phân loại máy quét laser mặt đất theo mức độ an toàn. Các máy quét laser mặt đất hiện nay được phân thành 4 loại mức độ an toàn. Mức độ I khơng gây ảnh hưởng gì, song mức độ IV có khả năng cắt đứt tấm kim loại dày. Vì vậy việc chế tạo máy quét phải được ghi rõ và cảnh báo mức độ an toàn. Laser ở mức độ I nguồn phát bảo đảm an toàn cao sử dụng trong chế tạo CD–ROM, thiết bị thăm dò địa chất, thiết bị phân tích phịng thí nghiệm. Laser ở mức độ II nguồn phát cơng suất thấp làm việc an tồn trong giải phổ quang học (0,38–0,8 μkm), bảo đảm chế tạo các thiết bị đo dài khoảng cách tiếp xúc quan trắc với tia quét laser an toàn, tuy nhiên quan trắc (trên 15 phút) có thể ảnh hưởng thương tổn tới mắt. Khơng nên nhìn trực tiếp vào tia laser hoặc qua thiết bị ống kính quang học [77]. Laser ở mức độ IIIa với thiết bị có bức xạ điện từ liên tục có cơng suất từ 1 đến 5mW được sử dụng trong thiết bị quét laser hướng tiếp xúc trực tiếp vào mắt sẽ nguy hiểm, kể cả việc quan trắc qua thiết bị kính quang học sẽ tăng thêm tác hại [77]. Laser ở mức độ IIIb với thiết bị có bức xạ điện từ liên tục có cơng suất từ 5 đến 500mW sử dụng cho thiết bị đo phổ, thiết bị in Litô nổi, khi tiếp xúc cần phải dùng thiết bị bảo vệ mắt [77]. Nhìn chung khi thực hiện quét laser không nên tiếp xúc trực tiếp với tia quét ngay cả khi thiết bị laser có mức độ an tồn I.
1.4. Đánh giá một số loại máy quét laser mặt đất đang sử dụng ở Việt Nam
Hiện nay có một số doanh nghiệp, trường đại học, viện nghiên cứu, đơn vị hành chính sự nghiệp…ở nước ta đã sử dụng máy quét laser 3D trong nghiên cứu và sản xuất. Qua phân tích các tính năng kỹ thuật các thiết bị quét laser mặt đất của các hãng Trimble, Leica, FARO, …ở trên có thể nhận thấy như sau:
Máy quét Leica ScanStation P50 của hãng Leica Geosystems sử dụng công nghệ “Waveform Processing”, đây là công nghệ tiên tiến nhất với khả năng phát và thu tín hiệu nhanh nhất (tới hàng triệu điểm/giây). Ngồi sử dụng cơng nghệ “time-of-flight” để tính khoảng cách, nó cịn cho phép xử lý hình dạng sóng ở chế độ thời gian thực để xác định đa phản xạ của cùng một xung phát ra. Nó cho phép xác định được các đối tượng trung gian trên đường di chuyển trước khi chạm bề mặt đất, với khoảng cách đo 1000 m, tốc độ đo tới 1 triệu điểm/giây. Vì vậy đây là dịng sản phẩm tốt để khảo sát các đối tượng trung gian (lớp thực phủ, đường dây điện,...) ngoài bề mặt địa hình. Dịng sản phẩm này có giá thành cao, vì vậy nếu nguồn kinh phí cho phép thì đây là các thiết bị cho độ chính xác và tin cậy cao.
Máy quét Trimble SX10 của hãng Trimble sử dụng công nghệ “Time-of- flight” để xác định khoảng cách, với khoảng cách đo 700 m và tốc độ 260 nghìn điểm/giây, độ chính xác ±2, 5 mm. Là sản phẩm tầm trung của hãng Trimble, đã được bán và ứng dụng tại Việt Nam. Đây là lựa chọn tốt để đo quét các mỏ có diện tích vừa và lớn.
Máy quét FARO Focus3D S350 được hãng FARO đưa vào giới thiệu tại thị trường Việt Nam từ năm 2019, là thiết bị sử dụng công nghệ “phase shift” để xác định khoảng cách, với khoảng đo 350 m, tốc độ đo tới 976.000 điểm/giây và độ chính xác ±3,5 mm. Ngồi ra, đây là dịng sản phẩm được tích hợp camera có độ phân giải tới 70 megapixel, có chế độ chụp ảnh HD cùng thiết bị có kích thước gọn nhẹ nhất trong các sản phẩm có tính năng tương đương (kích thước: 240x200x100 mm, cân nặng: 5,2 kg) cùng giá cả tương đối phù
14
hợp và đã được sử dụng khá phổ biến và thích hợp trong lĩnh vực di sản văn hóa tại Việt Nam.
Máy quét SPS Zoom 300 của hãng GEOMAX được giới thiệu và cung cấp ra thị trường từ năm 2014 sử dụng công nghệ “time-of-flight” để xác định khoảng cách. Khoảng cách quét từ 2.5-300m độ chính xác ±10mm ở khoảng cách
100m. Tích hợp 2 máy ảnh kỹ thuật số với độ phân giải 5 megapixels.
Trên cơ sở tổng hợp, phân tích, so sánh đặc điểm, tính năng của thiết bị quét laser mặt đất của các hãng ở trên và tùy theo mức độ của dự án, mức độ chi tiết, độ chính xác, khả năng kinh phí để lựa chọn thiết bị hợp lý.
1.5. Tổng quan về các cơng trình nghiên cứu cơng 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 quét laser mặt đất (TLS) bao phủ vài ha trong môi trường không đồng nhất so với các mơ hình dựa trên qt laser hàng khơng (ALS) thơng 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 cơng nghệ qt 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 lô 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 mơi trường rừng.
16
Một số nhóm tác giả thì nghiên cứu cơng nghệ quét 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 mơi 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 qt 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 môi trường xây dựng [40]. Một loạt các bản qt ngồi và trong cho phép mơ hình 3D chính xác của tịa nhà được xây dựng. Mơ hình này có thể được chia cắt thơng 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 thông qua các thuật tốn mơ hình hóa dạng hình trụ. Mục tiêu là sử dụng thông 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.