2.2. Các nguồn sai số ảnh hưởng đến kết quả quét laser mặt đất
2.2.3. Các sai số phương pháp khi quét laser mặt đất
2.2.3.1. Ảnh hưởng của môi trường xung quanh tạo nên khi quét laser mặt đất
Bao gồm ảnh hưởng của các yếu tố (khí quyển, khúc xạ, sóng điện từ suy giảm, độ rung của thiết bị….). Các đại lượng được đo bằng trạm quét laser mặt đất (khoảng cách, góc đứng, góc ngang, cường độ điểm, màu thực bề mặt đối tượng địa vật, tín hiệu được phản xạ lại từ chúng) cho thấy đều bị ảnh hưởng khơng được thuận lợi từ khí quyển, đặc biệt lớp gần bề mặt đất. Tại đây thay đổi đáng kể mật độ khơng khí, sự di chuyển và dao động khối khơng khí dẫn tới làm giảm tốc độ truyền ánh sáng và thay đổi hướng bức xạ (hiện tượng khúc xạ) cũng như làm giảm mật độ tín hiệu phản xạ, sai truyền màu sắc thường gọi là hiệu ứng mờ [59].
Kết quả ảnh hưởng khúc xạ tia sáng, khối đo khoảng cách đo độ dài bước sóng
quang học vượt với đo độ dài hình học. Ngồi ra khí quyển làm thay đổi các tham số bức xạ bởi sự tắt dần (cường độ yếu đi) bởi sự khuếch tán và tắt dần năng lượng sóng trong khí quyển. Biến đổi ngẫu nhiên các tham số sóng bởi sự biến đổi nhiễu loạn khơng khí trong khơng trung.
Tắt dần biến động sóng điện từ bởi khí quyển, đặc biệt mang đặc tính đối với dải sóng quang học được sử dụng trong tất cả các trạm quét laser mặt đất. Trước hết làm giảm khả năng đo xa khi quét và làm giảm độ tin cậy xác định khả năng phản xạ của các đối tượng địa vật trong đo vẽ laser mặt đất.
Các biến đổi ngẫu nhiên do nhiễu loạn khơng khí dẫn tới sự dao động biên độ (cường độ), pha, tần số, phân cực, hướng truyền sóng và góc bị phân tán. Ngồi ra ảnh hưởng đó cịn làm tăng mật độ phổ, cơng suất tiếng ồn về bộ thu, kết quả làm giảm quan hệ tín hiệu/ tiếng ồn [59]. Sự nhiễu loạn xuất hiện mạnh khi đo tại giải quang học. Để loại trừ các ảnh hưởng trên tốt nhất lựa chọn điều kiện thuận lợi khi đo mà trong thực tiễn thường gọi là thời gian (ảnh yên tĩnh).
Ảnh hưởng lên sai số trong việc xác định vận tốc ánh sáng do nhiều yếu tố gây nên. Một trong độ sai lớn là xác định giá trị trung bình hệ số khúc xạ trên đoạn từ máy quét tới điểm địa vật. Thường vận tốc ánh sáng trong chân không xác định với sai số tương đối 10-9, hầu như không ảnh hưởng tới sai số chung xác định vận tốc ánh sáng trong khí quyển. Sai số hệ số khúc xạ khí quyển phụ thuộc vào thành phần tán sắc và sai số xác định thông số khí tượng dọc theo tia quét. Việc sử dụng nguồn tín hiệu laser giải phổ bước sóng ngắn trong thiết bị đo dài và quét laser cho phép tránh được sai số tán sắc.
Hệ số khúc xạ n cho điều kiện môi trường cụ thể là hàm của mật độ khí quyển, để xác định dùng máy đo áp kế và đo tức thời áp suất khí quyển, nhiệt độ và độ ẩm khơng khí. Ngun lý đo khoảng cách bằng máy đo dài và trạm quét laser mặt đất tương tự như nhau, để xác định hệ số khúc xạ của các sóng điện từ có tính đến các số liệu khí tượng khi qt vật thể có thể sử dụng cơng thức [61]:
= 1 +
56
Ở đây: α - là hằng số khí và bằng 1/273, 16;
P - là áp suất khí quyển, đo mm cột thủy ngân; E - độ ẩm tuyệt đối khơng khí, đơn vị đo gram/m3 ; T - nhiệt độ khơng khí, đơn vị đo Kelvin;
nG - hệ số khúc xạ chuẩn khí quyển tính theo cơng thức [61]:
( – 1). 107 = 2876, 04 +
λ – độ dài bước sóng bức xạ.
Tốc độ truyền dao động sóng điện từ trong mơi trường khơng khí, từ cơng thức (2.14) và (2.19) phụ thuộc vào tính chất vật lý của mơi trường và độ dài sóng điện từ. Hệ số khúc xạ của sóng điện từ trong mơi trường bình thường đối với bước sóng cụ thể có thể được tính theo cơng thức:
(n - 1) x 10-8 = A +
Ở đây: A, B, C, D, E, F, K là các hệ số. Các hệ số do các tác giả khảo sát đưa ra riêng của mình đối từng vùng.
δ – đại lượng nghịch đảo độ dài sóng trong chân khơng, đơn vị µkm-1. Để giải quyết vấn đề khử ảnh hưởng của điều kiện khí quyển đến kết quả đo dài trên cơ sở bức xạ sóng điện từ có nhiều giải pháp khác nhau, trong đó có giải pháp hiệu quả nhất là tán xạ tính tích phân trung bình hệ số khúc xạ theo cơng thức (2.21). Hiện thực hóa phương pháp này bằng cách thường ứng dụng hai nguồn bức xạ có tần số khác nhau [58].
Về ý nghĩa vật lý chiết quang ngang là hàm của hệ số khúc xạ sóng điện từ tại các lớp khí quyển khác nhau. Sự phụ thuộc của hàm này mô tả đặc biệt phức tạp bằng tốn học cho cả vùng khí quyển khơng đồng nhất. Trong thực tiễn để khử chiết quang ngang sử dụng cơng thức tích phân chỉ số của khí quyển (nhiệt độ, áp suất, và độ ẩm). Theo khảo sát của các chuyên gia khác nhau [64] cho thấy biến dạng khá lớn khi đo hướng do chiết quang mơi trường xung quanh các cơng trình xây dựng tạo ra (thậm chí đến 20 giây đo góc ngang khi tia đi qua cách cơng trình đến 1,5 mét). Nghiên cứu sâu từ các hiện tượng ảnh hưởng tới chiết quang đứng là nhiệt độ và áp suất khí quyển.
57
Ảnh hưởng độ rung của trạm quét laser mặt đất với tần số không dưới 50hz dẫn đến sai số đo cả góc và cả đo cạnh. Độ rung dẫn tới sự chuyển dịch thiết bị dọc theo đường thẳng đo cũng như làm sai lệch vng góc với các mặt phẳng ngang và mặt phẳng đứng. Độ rung ảnh hưởng cơ bản nhất đến đo dài, nó dẫn đến sự dịch chuyển hỗn loạn chùm tia laser so với hướng định trước tới điểm quét và dẫn đến biến điệu ngẫu nhiên biên độ và pha. Ảnh hưởng ngẫu nhiên biến đổi biến điệu tín hiệu biên độ do độ rung thiết bị tỷ lệ tương xứng với sự tác động đa chiều của nhiễu. 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 quét, cấu trúc, màu...
Ảnh hưởng đến kết quả quét laser mặt đất cho thấy những tính chất cơ bản của đối tượng qt 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.
59
Hình 2.13. Khoảng cách từ nguồn laser đến các điểm khác nhau của địa vật hình 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 (2.22)
∫ 1 ( )
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 qt laser cũng như hàm vơ 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.
61
Hình 2.16. Ảnh hưởng của cấu tạo và màu sắc đối tượng đến kết quả quét [70]
Quá trình truyền xung laser vào khơng gian rất phức tạp. Hàm tín hiệu vào có dạng chung như sau:
∆
à (t) =∫
−∆ 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.
62
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 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 yêu 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 quét 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 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 quét