1.2.2. Thiết bị chụp ảnh trên UAV và công tác xử lý dữ liệu bay chụp
a. Máy chụp ảnh kỹ thuật số phổ thông
Máy chụp ảnh số phổ thông là loại máy ảnh số thông dụng trên thị trường phục vụ cho mục đích chính là chụp ảnh nghệ thuật. Đối với đo ảnh, các máy chụp ảnh loại này có các thuật ngữ gọi là: non-metric digital camera, amateur digital camera, unprofessional digital camera. Đó là các máy khơng chun dụng cho đo ảnh. Các loại máy này có độ phân giải ngày càng cao và giá thành rẻ, cơ động, dễ chụp và hiện đại [1].
Về đặc điểm cấu tạo, máy chụp ảnh số phổ thơng có các phần chính như: thân máy chứa các bộ phận cấu thành, hệ thống kính vật cùng bộ điều chỉnh chế độ thu phóng, bộ cảm biến CCD nhận ảnh, các vi mạch điện tử, thẻ nhớ lưu trữ hình ảnh chụp dạng số, các phím điều chỉnh các chức năng chụp theo phần mềm có trong máy. Ngồi ra, máy chụp ảnh số cịn có các bộ phận phụ trợ khác như: đèn Flash, màn hình hiển thị, pin sạc,…
b. Kiểm nghiệm máy chụp ảnh số phổ thông
Các sai số hệ thống trong đo ảnh sẽ gây nên sai lệch vị trí điểm ảnh nên cần được loại trừ, các loại sai số này bao gồm [1]:
- Sai số do biến dạng phim ảnh.
- Sai số do độ lệch các yếu tố định hướng trong. - Sai số do méo hình kính vật.
Đối với đo ảnh khoảng cách gần dùng máy chụp ảnh số phổ thông: sai số do chiết quang, độ cong trái đất chưa cần quan tâm vì khoảng cách chụp gần trong không gian hẹp. Sai lệch biến dạng phim ảnh là nói đến chụp ảnh truyền thống, sai số này hiệu chỉnh nhờ các mấu khung tọa độ tuy nhiên ảnh số của máy chụp ảnh số phổ thơng khơng có mấu khung tọa độ, ảnh số này được tạo nên nhờ mảng CCD. Công nghệ nano sắp xếp các tế bào quang điện tạo mảng CCD là rất chính xác, sự tạo ảnh trên CCD là gần như khơng có sai số, các sai số này sẽ được kiểm định và hiệu chỉnh tổng hợp cùng sai số méo hình. Hệ thống kính vật của máy chụp ảnh số phổ thơng tuy có thể đạt chất lượng cao, cho hình ảnh sắc nét nhưng ảnh số được tạo chỉ nhằm mục đích nghệ thuật, sự xê dịch vị trí điểm ảnh bởi méo hình kính vật rất lớn vì tính khơng chun dụng cho đo ảnh và chế độ thu phóng lúc chụp.
Như vậy, các thông số kiểm định ảnh của máy chụp ảnh số phổ thông là các yếu tố định hướng trong: tiêu cự, tọa độ điểm chính ảnh và các hệ số méo hình. Các thơng số này là một phần khơng thể thiếu của đo ảnh nói chung, nó phục vụ cơng tác định hướng trong khôi phục chùm tia xây dựng mơ hình, hiệu chỉnh sự xê dịch vị trí điểm ảnh nâng cao độ chính xác. Nếu khơng có các thơng số này ảnh phổ thơng chỉ có ý nghĩa “nghệ thuật” thuần túy. Khi nhà sản xuất cung cấp máy chụp ảnh số phổ thơng thì chỉ cung cấp khoảng cao tiêu cự dao động, không cung cấp tọa độ điểm chính ảnh, hệ số méo hình. Do vậy vấn đề kiểm định các thông số máy chụp ảnh số phổ thông là nhiệm vụ cần quan tâm hàng đầu.
c. Máy chụp ảnh kỹ thuật số chuyên dụng
Đặc điểm của máy chụp ảnh chuyên dụng trong bay chụp ảnh phục vụ viễn thám và công nghệ ảnh số là những máy có cấu tạo phức tạp, cồng kềnh, có trọng lượng lớn, năng lượng để hoạt động cũng lớn và điểm mấu chốt là giá thành rất cao nên khơng thể tích hợp được trên thiết bị bay khơng người lái có kích thước nhỏ.
Xu hướng phát triển hệ thống bay chụp khơng người lái, ngồi yếu tố đảm bảo kỹ thuật còn phải đảm bảo được hiệu quả kinh tế so với các hệ thống bay chụp truyền thống nên việc áp dụng máy chụp ảnh chuyên dụng là điều khơng thể. Lấy ví dụ như máy chụp ảnh số Vexel UltraCamXp ở dưới có kích thước và khối lượng rất lớn, có thể lên đến hơn 100kg cho đầy đủ một hệ thống máy chụp.
Hình 1.9. Máy chup ạ ̉nh hàng không kỹ thuật số khổ lớn Vexcel UltraCamXp d. Công tác xử lý dữ liệu bay chụp
Một số vấn đề chính trong xử lý dữ liệu từ bay chụp ảnh bằng máy bay không người lái như sau:
- Sau mỗi ca bay cần kiểm tra ngay tại thực địa về số lượng ảnh chụp được có đủ với yêu cầu thiết kế hay chưa, nếu chưa thì cần bay bù ngay.
- Để đưa ra được kết quả tính tốn theo u cầu của sản phẩm thì cần đồng bộ tất cả các nguồn dữ liệu đầu vào về một hệ tọa độ thống nhất trước khi xử lý như: điểm khống chế, tọa độ tâm ảnh,...
1.2.3. Nghiên cứu ứng dụng máy bay không người lái trong thành lập bản đồ
Hiện nay, trên thế giới đang rất quan tâm chú ý đến nghiên cứu ứng dụng máy bay không người lái trong thành lập bản đồ. Có rất nhiều hãng cơng nghệ tham gia vào mảng nghiên cứu ứng dụng ảnh chụp từ thiết bị UAV để xây dựng nhiều loại bản đồ khác nhau như: hiện trạng sử dụng đất, mơ hình 3D độ chính xác cao, bản đồ địa hình tỷ lệ lớn, bình đồ ảnh trực giao, mơ hình số độ cao DEM,…
Một vài hãng cơng nghệ nổi tiếng đã và đang nghiên cứu công nghệ này như: Trimble của Mỹ, SenseFly của Thụy Sĩ, MosaicMill Oy của Phần Lan, Racurs của Nga, Microdrones GmbH của Đức, QuestUAV Ltd của Anh,… Tuy nhiên mỗi hãng lại có những hướng nghiên cứu riêng cho ra các sản phẩm khác nhau; hãng thì chỉ tập trung nghiên cứu phần mềm hỗ trợ xử lý ảnh chụp từ UAV, có hãng cho ra cả một hệ thống bay chụp ảnh bằng UAV kèm theo bộ phần mềm xử lý chuyên dụng được tối ưu với chính hệ thống họ tạo ra.
Các hãng nghiên cứu hiện nay chủ yếu tạo ra những thiết bị bay không người lái được thiết kế chuyên dụng trong chụp ảnh trên không bằng việc sử dụng máy ảnh kỹ thuật số phổ thơng có giá thành tương đối rẻ. Thiết bị bay chuyên dụng này được thiết kế tối ưu nhất cho cân bằng áp suất cũng như độ ổn định của máy bay nhằm giảm thiểu sai số bay chụp. Bên cạnh đó thì kích thước, trọng lượng của thiết bị cũng được chú trọng làm sao để có thể cơ động trong sử dụng và thời lượng bay chụp được lâu nhất. Bộ thu GPS độ chính xác cao cũng được tích hợp để phục vụ cho dẫn đường và định vị vị trí tâm ảnh bay chụp; hai phương pháp đo được sử dụng là định vị độc lập và đo pha động thời gian thực RTK.
Dưới đây là vài ví dụ về các thành quả nghiên cứu của các hãng công nghệ lớn:
- Hệ thống bay chụp ảnh eBee cùng bộ phần mềm xử lý ảnh sau bay chụp Postflight Terra 3D của hãng SenseFly.
Hình 1.10. Thiết bị bay chụp không người lái eBee
- Hệ thống bay chụp ảnh MD4-1000 của hãng Microdrones GmbH.
Hình 1.11. Thiết bị bay chụp không người lái MD4-1000
- Hệ thống bay chụp ảnh Q-200 của hãng QuestUAV Ltd.
1.2.4. Giới thiệu về hệ thống bay chụp ảnh không người lái UX5
Hệ thống bay chụp ảnh không người lái UX5 do hãng Trimble chế tạo và sản xuất.
Hình 1.13. Hệ thống Trimble UX5 a. Thân máy bay Trimble UX5 a. Thân máy bay Trimble UX5
Thân máy bay Trimble UX5 bao gồm hai bộ phận chính là thân vỏ và eBox. eBox được coi là bộ não của hệ thống với các vi mạch xử lý và trình điều khiển bay, eBox kết nối với anten GPS và anten radio kết nối với trạm điều khiển mặt đất để điều khiển máy bay. Thân máy bay có khung được ghép bởi các thanh Cacbon chịu lực, còn phần vỏ được cấu tạo bởi loại xốp EPP composite siêu nhẹ nên trọng lượng của máy bay chỉ khoảng 2,5kg. Chất liệu này có khả năng chịu nhiệt và chịu lực tốt giúp cho máy bay hạ cánh bằng bụng an toàn hơn.
Sải cánh máy bay dài 1m và diện tích cánh là 0,34m2 giúp máy bay lượn và
cân bằng áp suất tốt hơn khi thực hiện bay chụp.
Cấu tạo chi tiết từng thành phần trong thân máy bay được thể hiện trong hình 1.14 và 1.15 dưới đây.
1- Thân máy bay 6- eBox 10- Cổng cáp trút dữ liệu
2- Gờ trước cánh máy bay 7- Bộ đo áp suất khơng khí 11- Càng điều khiển cánh lái ngoài 3- Ngăn chứa thiết bị kĩ thuật 8- Anten GPS 12- Cánh lái trong
4- Pin 9- Nút điều khiển 13- Cánh lái ngồi
5- Máy ảnh
Hình 1.14. Cấu tạo mặt trên của Trimble UX5 [14]
1- Lỗ ống kính chụp ảnh 3- Động cơ máy bay 5- Cánh quạt 2- Mấu kết nối với bệ phóng 4- Đai giữ cánh quạt máy bay 6- Cánh nhỏ
b. Máy ảnh
Trimble đặt hàng riêng với hãng Sony để sản xuất máy ảnh kỹ thuật số Sony NEX-5R có cảm biến APS – C với độ phân giải là 16,1 MP.
Hình 1.16. Máy ảnh Sony NEX-5R
Sony NEX-5R có hệ thống ống kính quang học tiêu cự cố định (15 mm - fixed optics voigtlander lens). Trường ống kính mở rộng hơn so với các hệ thống
máy ảnh được gắn trên các hệ thống máy bay khác (76,15o). Việc này giúp tăng độ
phủ giữa các tấm ảnh, giảm thiểu tuyến bay và nâng cao hiệu quả trong công tác bay chụp xử lý ảnh. Kích thước ảnh chụp là 3264×4912 pixel.
Dưới đây là bảng đánh giá khả năng hoạt động của hệ thống UX5.
Bảng 1.1. Khả năng hoạt động của hệ thống UX5 [14]
Độ cao bay chụp (mét) Độ phân giải (cm) Khả năng bay (km2) của một chuyến bay (50 phút)
Khả năng bay trung bình (km2) một ngày (tính từ 10h đến 16h) Tương ứng với độ chồng phủ Tương ứng với độ chồng phủ
70% 80% 90% 70% 80% 90% 75 2,4 1,1 0,8 0,4 6,85 4,5 2,3 100 3,2 1,8 1,2 0,6 10,8 7,2 3,6 150 4,8 3,1 2,1 1,0 18,7 12,5 6,2 200 6,4 4,4 3,0 1,5 26,6 17,8 8,9 250 8,0 5,8 3,8 1,9 34,6 23,1 11,5 300 9,6 7,1 4,7 2,4 42,5 18,3 14,2 400 12,8 9,7 6,4 3,2 58,0 38,7 19,3 500 16,0 12,4 8,2 4,1 74,2 49,5 24,7 750 24,0 19,0 12,7 6,3 113,9 75,9 38,0 c. Trạm điều khiển mặt đất
Trạm điều khiển mặt đất GCS (Ground Control Station) được sử dụng để điều khiển máy bay UX5 từ mặt đất. Nó bao gồm một máy tính bảng cầm tay cài đặt phần mềm thiết kế, quản lý bay Aerial Imaging và một thiết bị phát radio được kết nối với máy tính bảng bằng cổng USB để bắt tín hiệu kết nối điều kiển máy bay (phạm vi bán kính điều khiển tối đa là 5 km).
d. Bộ dị tìm thiết bị
Bộ dị tìm thiết bị (Tracker) là thiết bị thu, phát tín hiệu bao gồm một thiết bị phát tín hiệu được đặt trong thân máy bay và một thiết bị nhận tín hiệu. Hai thiết bị này được cài đặt và kết nối với nhau bởi một tần số chung là 433 MHz.
Hình 1.19. Bộ dị tìm thiết bị e. Bệ phóng
Bệ phóng là thiết bị dùng để phóng máy bay UX5 theo hướng xác định trước. Kết hợp với càng đỡ hình chữ V giúp bệ phóng tạo với mặt đất một góc nghiêng
300. Hệ thống bệ phóng bao gồm các bộ phận như trên hình 1.20.
f. Khả năng ứng dụng của hệ thống UX5 hiện nay
Hình 1.21 là biểu đồ về các lĩnh vực ứng dụng của hệ thống máy bay Trimble UX5.
1- Bệ phóng 3- Giá đỡ máy bay 5- Tay quay
2- Càng đỡ hình chữ V 4- Chốt an tồn
Hình 1.20. Bệ phóng của UX5
Hình 1.21. Cơ cấu các lĩnh vực ứng dụng Trimble UX5 [14]
Nhìn vào hình ảnh biểu đồ trên có thể thấy khả năng ứng dụng của hệ thống Trimble UX5 rất rộng. Đặc biệt trong lĩnh vực trắc địa bản đồ chiếm tỷ lệ lớn nhất tới 43%, điều đó cho thấy rằng tầm quan trọng của việc phát triển nghiên cứu hệ thống này rất cần thiết. Ví dụ về một số ứng dụng thực tế của UX5:
- Các nhà khoa học của trường Đại học Bắc Dakota – Mỹ đã thực hiện quá trình nghiên cứu ảnh hưởng tác động của cảnh quan môi trường đến đời sống hoang
1% 1% 2% 4% 4% 4% 7% 10% 10% 14% 43%
Nông nghiệp Đào đắp, nạo vét Quản lý của chính phủ
Năng lượng và mơi trường Lâm nghiệp Qn sự
Kỹ thuật xây dựng Khai thác mỏ Khảo sát, NCKH
dã của loài ngỗng tuyết tại bờ biển vịnh Hudson, thuộc Vườn quốc gia Wapusk – Canada, trong khuôn khổ hợp tác nghiên cứu giữa Mỹ và Canada [14].
Hình 1.22. Các nghiên cứu viên của Đại học Dakota và một phần bãi biển chụp được bằng Trimble UX5
- Mùa thu năm 2014, các chuyên gia của Trimble cùng với chính phủ Pêru đã tiến hành bay chụp thành phố cổ của người Inca là Machu Picchu thuộc thung lũng Urubamba của Pêru ở độ cao 2.430m. Sản phẩm bay chụp này được tạo ra nhằm giúp cho các nhà khảo cổ và chính phủ Pêru đánh giá được tác động của thời tiết cũng như kinh doanh du lịch tại đây nhằm đưa ra các giải pháp bảo tồn tốt nhất cho di sản thế giới được UNESCO bình chọn.
CHƯƠNG 2: THỬ NGHIỆM THÀNH LẬP BẢN ĐỒ ĐỊA CHÍNH XÃ VẬT LẠI TỪ ẢNH CHỤP BẰNG MÁY BAY
KHÔNG NGƯỜI LÁI TRIMBLE UX5
2.1. Giới thiệu về địa bàn thử nghiệm
2.1.1. Điều kiện tự nhiên
Xã Vật Lại, huyện Ba Vì nằm ở phía Tây TP. Hà Nội, cách trung tâm huyện 1,5km, cách trung tâm TP. Hà Nội khoảng 50 km. Diện tích tự nhiên của xã là 1.443,05 ha.
Về địa hình, xã Vật Lại nằm ở nơi chuyển tiếp giữa vùng đồi gò bán sơn địa và vùng đồng bằng. Địa hình khơng bằng phẳng, đất đai có 2 vùng rõ rệt là vùng trũng và vùng đồi gò. Đồng thời, xã cũng thuộc vùng lòng chảo chứa nước của 6 xã phía tây huyện Ba Vì.
Hình 2.1. Vị trí xã Vật Lại (nguồn Google Map, khung màu đỏ là khu vực bay chụp thử nghiệm thực tế) khung màu đỏ là khu vực bay chụp thử nghiệm thực tế)
2.1.2. Điều kiện kinh tế - xã hội
Dân số toàn xã năm 2015 là 14.414 người. Mật độ dân cư toàn xã không được cao và chủ yếu tập trung vào thành các thơn làng nhỏ, hình thành các cụm điểm dân cư thưa thớt.
Kinh tế của xã Vật Lại chủ yếu là sản xuất nơng nghiệp, hoạt động chính là trồng cây ăn quả, cây lương thực và chăn nuôi. Do xã có diện tích đất nơng lâm nghiệp lớn nên kinh tế chủ yếu là làm nông lâm nghiệp có tỷ trọng lớn chiếm khoảng 95%.
Mạng lưới giao thông liên thôn, liên xã tại địa phương đang dần được nâng cấp nên đi lại tương đối thuận lợi. Đời sống nhân dân ngày càng được nâng cao, xuất hiện nhiều nhà kiên cố, ranh giới tường vây tương đối rõ ràng.
Tuy nhiên, Vật Lại là vùng trũng của Ba Vì lại khơng bằng phẳng nên có nhiều ao, hồ, đầm,... do đó địa hình bị cắt xẻ mạnh kèm theo các gị, đồi thấp. Chính điều kiện tự nhiên như vậy mà cơng tác làm nông lâm nghiệp tại đây không được tập trung mà bị manh mún, rời rạc thành các khu khác nhau.
2.1.3. Các tài liệu thu thập được
- Bản đồ địa hình mảnh Tây Đằng, số hiệu: 6051-II, tỷ lệ 1:50.000. - Bản đồ giải thửa mảnh Yên Bồ, tỷ lệ 1:1000, thành lập năm 1988.
- Khối ảnh chụp bằng hệ thống Trimble UX5 một phần của xã Vật Lại; bao gồm Công viên Vĩnh Hằng, thơn n Bồ và một phần diện tích đất nơng nghiệp của