nghiệm Xây dựng DEM bằng công nghệ Lidar
Dữ liệu được thu thập bằng phương pháp lidar bay chụp hàng không độ phân giải 1m, thu thập được ở dạng đám mây điểm và nội suy sang DEM truyền thống.
Hình 3.42. Điểm kiểm tra dữ liệu quét laser mặt đất với lidar hàng khơng Trích dẫn số liệu của các điểm chung trên hai mơ hình theo khơng Trích dẫn số liệu của các điểm chung trên hai mơ hình theo bảng sau: Bảng 3.3. Bảng so sánh độ cao của hai phương pháp thành lập DEM
Tên Độ cao thu được từ quét Độ cao thu được từ quét Chênh
điểm Lidar hàng không (m) laser mặt đất (m) lệch (m)
1 22.255 22.722 0.467 2 22.363 22.119 -0.244 3 21.702 22.024 0.322 4 21.554 21.798 0.244 5 21.749 21.605 -0.144 6 21.825 21.963 0.138 7 16.009 16.348 0.339 8 22.406 22.731 0.325 9 22.417 22.051 -0.366 10 21.145 21.279 0.134 11 16.976 16.524 -0.452 12 22.433 22.176 -0.257 13 17.578 17.83 0.252 14 21.843 21.73 -0.113 15 21.479 21.661 0.182 16 20.986 20.678 -0.308 17 18.733 18.479 -0.254
Tên Độ cao thu được từ quét Độ cao thu được từ quét Chênh
điểm Lidar hàng không (m) laser mặt đất (m) lệch (m)
18 15.359 15.656 0.297 19 19.01 19.369 0.359 20 18.278 18.48 0.202 21 18.794 18.402 -0.392 22 15.385 15.536 0.151 23 16.323 15.991 -0.332 24 18.896 18.429 -0.467 25 15.081 15.243 0.162 26 15.19 15.027 -0.163 27 13.696 13.671 -0.025 28 14.647 14.872 0.225 29 13.656 13.64 -0.016 30 13.176 13.412 0.236 31 13.085 13.19 0.105 32 11.885 11.651 -0.234 33 13.37 13.154 -0.216 34 11.656 11.845 0.189 35 11.547 11.631 0.084 36 11.5 11.483 -0.017 37 9.555 9.753 0.198 38 11.315 11.452 0.137 39 10.426 10.179 -0.247 40 9.771 9.637 -0.134 41 9.752 9.582 -0.170 42 9.326 9.477 0.151 43 9.621 9.586 -0.035 44 9.791 9.577 -0.214 45 10.101 10.292 0.191 46 9.458 9.545 0.087 47 9.384 9.529 0.145 48 9.438 9.53 0.092 49 10.167 10.285 0.118 50 9.221 9.508 0.287 51 9.239 9.501 0.262
*Sai số trung phương độ cao:
ℎ = √
∑(∆ℎ)2 = ± 0.240 (m)(3.15)
ngày càng u cầu nhanh chóng, chính xác phục vụ phát triển kinh tế xã hội. Để làm chủ công nghệ quét laser 3D mặt đất đặc biệt giải quyết bài toán lọc đám mây điểm phục vụ xây dựng mơ hình số địa hình, tác giả đã đi sâu nghiên cứu và xây dựng chương trình lọc đám mây điểm với các modun tiện ích nhằm tăng khả năng tự động hóa, cùng với việc Việt hóa phục vụ biên tập đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật đồng thời phù hợp với điều kiện thực tiễn ở Việt Nam.
Chương trình xử lý dữ liệu đám mây điểm này có nhiều ưu điểm và lợi thế:
Là chương trình mã nguồn mở cho phép phát triển mở rộng với sự đóng góp của cộng đồng; đưa ra phương án giảm mật độ điểm trong dữ liệu đám mây điểm nhằm giảm khối lượng xử lý dữ liệu mà vẫn đảm bảo được độ chính xác cho dữ liệu gốc;
Phương pháp lọc địa hình tự động sử dụng thuật tốn bổ sung mơ hình hóa bề mặt và phát triển mơ hình TIN tăng cường bộ lọc cho phép giải quyết bài tốn lọc có độ tin cậy cao và tối ưu hóa dữ liệu đám mây điểm địa hình.
Đặc biết khi sử dụng phần mềm khơng có khóa cứng tạo điều kiện cho nhiều kỹ thuật viên được cùng lúc thao tác xử lý dữ liệu quét laser mặt đất.
3.5.2. Nhược điểm
Chương trình cịn nhiều hạn chế về giao diện và tính chuyên nghiệp trong cách thể hiện. Hiện tại nằm trong khuôn khổ của Luận án nên chương trình chưa có điều kiện thử nghiệm cho các vùng với đa dạng địa hình khác nhau.
3.5.3. Định hướng phát triển
Với tiêu chí hàng đầu là làm chủ phần mềm xử lý dữ liệu quét laser mặt đất phục vụ cho dữ liệu địa hình vì vậy hướng phát triển là tiếp tục nghiên cứu, phát triển thuật toán tối ưu hơn cho mọi loại dữ liệu ở bất kỳ định dạng hay dung lượng lớn hơn.
Ngoài ra, do đây là chương trình có mã nguồn mở nên việc xây dựng phần mềm với quy mô lớn hơn, nhiều tiện ích hơn cũng đã được tính đến.
Từ các cơng cụ có sẵn, có thể phát triển thêm tùy chọn lọc theo địa hình với các góc khác nhau của nhiều loại địa hình, cho phép lựa chọn góc lọc từ 00 cho đến 1800 và có thể cho phép ứng dụng ở nhiều kiểu địa hình và nhiều kiểu dữ liệu hơn.
Trong tương lai có thể xây dựng mở rộng các bộ code AI đầy đủ hơn để giải quyết các bài tốn lớn hơn, xử lý đa nguồn dữ liệu (có thể từ Lidar bay chụp hàng không, Lidar UAV hay chỉ là dữ liệu ảnh UAV, ảnh viễn thám…) phục vụ xây dựng cơ sở dữ liệu điều tra cơ bản cho đa ngành trong nhiều lĩnh vực địa hình, địa chính, lâm nghiệp, nông nghiệp, xây dựng, giao thông…
Tiểu kết Chương 3
Tự động hóa trong q trình xử lý dữ liệu đám mây điểm thu được bằng thiết bị quét laser mặt đất là rất quan trọng, nhất là việc tách lọc điểm độ cao để xây dựng DEM vừa đảm bảo độ chính xác mơ hình vừa đáp ứng cho các bài tốn ứng dụng khác nhau phục vụ phát triển kinh tế xã hội.
Việc nghiên cứu các thuật tốn lọc điểm từ đó tổng hợp, lồng ghép đề xuất thuật toán tự động và bán tự động kết hợp với việc lựa chọn các tham số phù hợp để tạo DEM từ dữ liệu đám mây điểm mang tính thời sự, khoa học hiện đại và có tính thực tiễn cao..
Kết quả chính của chương này là đưa ra được chương trình hỗ trợ xử lý dữ liệu đám mây điểm và qua thực nghiệm đã khẳng định đáp ứng được yêu cầu đặt ra. Chương trình được Việt hóa, dễ sử dụng và đáp ứng được việc sản xuất đại trà. Từ đó giảm nhẹ, rút ngắn thời gian thực hiện công tác nội nghiệp và tiết kiệm chi phí.
bản vẽ 3D đường đồng mức, bản vẽ solid 3D và các mặt cắt tại các vị trí cụ thể. Đánh giá được ưu, nhược điểm của thiết bị quét đối với từng đối tượng cụ thể.
4.1. Quy trình cơng nghệ xây dựng mơ hình 3D các đối tượng phi địa hình bằng quét laser mặt đất
4.1.1. Quy trình cơng nghệ
Hình 4.1. Quy trình cơng nghệ khảo sát đối tượng phi địa hình
Ghi chú: + BS: Backsight – hướng ngắm phía sau
Đối tượng phi địa hình của quét laser mặt đất rất đa dạng. Các đối tượng có bề mặt phức tạp như các bức tượng hay cổ vật trong đình, chùa của các đối tượng di sản văn hóa thì u cầu đo vẽ đến từng chi tiết nhỏ phục vụ cho việc bảo tồn, phục dựng; các đối tượng hình tuyến như các tuyến đường, tuyến phố thì cần ghép chính xác các trạm đo để đảm bảo độ chính xác vị trí điểm, khoảng cách và mơ hình bề mặt đứng; đối tượng nằm trong lịng đất như là các hang, động thì cần đảm bảo mơ tả hiện trạng bề mặt... Để đạt mục tiêu theo từng yêu cầu cụ thể, tiếp cận được cách triển khai phù hợp với điều kiện sản xuất cần có sự khảo sát và linh hoạt xây dựng quy trình cơng nghệ phù hợp theo mục đích sử dụng, u cầu về mức độ chi tiết và độ chính xác. Các vấn đề về đảm bảo trong công tác thu thập số liệu đối với các đối tượng phi địa hình bằng quét laser mặt đất như: kiểm định hệ thống quét; đo nối khống chế; độ chính xác tọa độ...được áp dụng như trong quy định thành lập mơ hình số độ cao địa hình.
4.1.2. Khảo sát thực địa
Giai đoạn khảo sát thực địa trước khi thi cơng đóng vai trị quan trọng, nhằm xác định mục đích, xác định hình dáng, hình thù tương đối và đưa ra phương án thi công tối ưu nhất. Các cơng đoạn chính của q trình khảo sát thực địa bao gồm:
Thứ nhất là công tác chuẩn bị: Thu thập tài liệu, dữ liệu (bản đồ các loại,
điểm khống chế tọa độ, độ cao quốc gia...); Lập phương án sơ bộ trong phòng (lập sơ đồ xác định giới hạn thu nhận dữ liệu, sơ đồ vị trí các điểm đặt trạm máy trên nền bản đồ hiện có); Chuẩn bị trang thiết bị (máy tính, thiết bị quét và các phụ kiện kèm theo), tiến hành kiểm nghiệm thiết bị cần thiết phục vụ trong q trình thi cơng và chuẩn bị phương tiện di chuyển.
Thứ hai là tiến hành khảo sát tại khu vực thi công: Giao nhận khu vực thi
cơng ngồi thực địa; Khảo sát địa hình, địa vật khu vực thi cơng (đo đạc sơ bộ và phác họa hình dạng, kích thước của đối tượng, đánh giá mức độ phức tạp của địa hình khu vực); Tìm điểm tọa độ, độ cao quốc gia phục vụ đo nối lưới khống chế.
Thứ ba là lập thiết kế sơ bộ phục vụ thiết kế chi tiết: Trên cơ sở yêu cầu sản
ghép các mơ hình.
Phương án đặt tiêu: Việc bố trí tiêu phải đảm bảo u cầu kỹ thuật đó là quy
định khoảng cách từ tiêu đo đến máy quét; tiêu được đặt ở vị trí chắc chắn, ổn định và các tiêu không được đặt quá sát nhau.
Thành lập lưới tọa độ: Lưới khống chế phục vụ quét laser mặt đất được
thành lập bằng các công nghệ đo đạc đảm bảo độ chính xác tương đương với lưới cơ sở cấp 1 cho điểm trạm máy; quy cách, kích thước và độ chính xác mốc đặt trạm máy theo thơng tư số 68/2015/TT-BTNMT ngày 22/12/2015 của Bộ trưởng Bộ Tài nguyên và Môi trường.
Phương án ánh sáng và thiết bị bổ sung: Đối với những khu vực thiếu ánh sáng
như hang động, các địa vật nằm trong các đình, chùa thì cần phải bố trí thiết bị có đèn chiếu sáng hoặc bổ sung đèn chiếu sáng đảm bảo mức độ chi tiết, đầy đủ của địa vật. Đồng thời bố trí các thiết bị bổ sung nếu cần như máy
định vị vệ tinh cầm tay, máy đo khoảng cách và góc bằng laser,...
Lưu ý: Trong điều kiện khí hậu Việt Nam do ảnh hưởng của yếu tố khí tượng
bao gồm: độ ẩm, sương mù,… cũng ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả. Do đó phải lựa chọn thời điểm thi công cho phù hợp
4.1.4. Thu nhận dữ liệu
Đặt máy quét tại vị trí tối ưu: Thiết bị quét phải được định tâm và cân bằng
chính xác, đặt tại vị trí đảm bảo tối đa số lượng điểm quét thu thập được. Sử dụng phương pháp đo hướng ngắm phía sau và hướng ngắm phía trước để liên kết giữa các trạm đo.
Đặt tiêu ghép trạm, xác định tọa độ tiêu đo: Tiêu đo phải được định tâm, cân
bằng chính xác, đo độ cao tiêu. Xác định tọa độ, độ cao của tiêu đo tại các điểm trạm máy liền kề.
Trong quá trình qt tại thực địa phải ln theo dõi hoạt động của thiết bị quét,
tại mỗi trạm máy phải ghi nhật ký (thời gian quét, chế độ quét, vẽ sơ đồ vị trí và số hiệu điểm trạm máy, số hiệu tiêu đo.
4.1.5. Kiểm tra dữ liệu tại thực địa
Kiểm tra mức độ đầy đủ của dữ liệu đám mây điểm; kiểm tra nhiễu do những nguyên nhân như phương tiện giao thông hay con người đi lại tại mỗi trạm quét dẫn đến thiếu dữ liệu tại một số vị trí; kiểm tra chất lượng màu sắc dữ liệu; kiểm tra tiêu liên kết giữa các trạm quét.
4.1.6. Xử lý dữ liệu nội nghiệp
Trút dữ liệu vào máy tính: Xử lý lọc điểm vượt quá giới hạn; Ghép dữ liệu
đám mây điểm; Loại bỏ đối tượng không cần thiết; Phân loại dữ liệu.
Kiểm tra sai số ghép nối: Ghép nối để tạo ra một mơ hình đám mây điểm
3D cho tồn bộ khu vực. Trong q trình nắn ghép các trạm, công đoạn quan trọng nhất là việc xác định các tiêu mốc nối giữa các trạm, kết hợp với các điểm, bề mặt đặc trưng lấy đó làm điểm chung để nối khung hình dữ liệu các trạm quét về đúng vị trí thực tế. Độ chính xác của mơ hình đám mây điểm phụ thuộc rất nhiều vào các tiêu mốc và điểm chung. Theo quy định độ lệch tương đối giữa các điểm tiêu đo cùng tên không vượt quá hai lần sai số cho phép của điểm quét.
4.1.7. Trích xuất các sản phẩm
Xây dựng các sản phẩm ứng dụng cho nhiều mục đích, cơ bản là cơ sở dữ liệu đám mây điểm 3D, mơ hình 3D, địa hình bề mặt, bản vẽ 3D đường đồng mức, bản vẽ solid 3D và các mặt cắt tại các vị trí cụ thể.
4.2. Thực nghiệm quét laser 3D mặt đất đối với đối tượng hang động
Hang động Việt Nam bao gồm hệ thống các hang và các động trên địa bàn Việt
đáng kể. Ngoài ra các yếu tố khác như độ ẩm, điều kiện ánh sáng yếu, sự hiếu kỳ của khách thăm quan,… cũng có khả năng gây ảnh hưởng tới chất lượng dữ liệu [70].
4.2.1. Phạm vi và đối tượng hang động tiến hành thực nghiệm
Đó là hang Đầu Gỗ trên hịn Đầu Gỗ trong vịnh Hạ Long, thành phố Hạ Long tỉnh Quảng Ninh. Hang thuộc dạng Karst trong khối núi đá vôi. Hang Đầu Gỗ là một trong những đẹp nhất Việt Nam, nằm cách Cảng tàu du lịch Bãi Cháy khoảng 6 km.
Hang Đầu Gỗ rộng khoảng 5000 m2, cửa hang rộng 17 m và cao 12 m. Hang Đầu Gỗ nằm ở độ cao 27m so với mực nước biển, cùng độ tuổi tạo thành với động Thiên Cung - thời Pleistocen muộn cách ngày nay khoảng 2 triệu năm. Hang Đầu Gỗ như tập trung được một quần thể kiến trúc cổ xưa.
4.2.2. Khảo sát địa hình, địa vật
Do hệ thống hang động là nơi nguy hiểm nên cần đảm bảo hiệu quả cao nhất, tiết kiệm thời gian. Tiến hành khảo sát, đánh giá hình dạng, kích thước của đối tượng và mức độ phức tạp của địa hình khu vực. Lập sơ đồ khu vực quét đảm bảo di chuyển thuận lợi, an toàn về thiết bị và con người.
Các trang thiết bị cần thiết phục vụ cho cơng tác khảo sát thực địa cần có: - Máy đo khoảng cách và góc bằng Laser: Xác định nhanh các kích thước các cơng trình, từ tổng thể và chi tiết bố trí các các địa hình địa vật; Lập sơ đồ mặt bằng khu vực quét.
- Máy định vị vệ tinh cầm tay: Xác định tọa độ các đối tượng, lưu trữ thông tin địa lý và vẽ sơ đồ sơ bộ mặt bằng và các tuyến đo; Dẫn đường tới các đối tượng trên thực địa khi cần thiết.
- Các trang thiết bị phụ trợ khác: Bảo hộ lao động, sổ sách, bút viết, phương tiện di chuyển.
-Bổ sung thêm thiết bị có gắn Camera để đảm bảo thu nhận hình ảnh một cách
trực quan.
4.2.3. Phương án đặt trạm máy và tiêuKiểm tra thiết bị Kiểm tra thiết bị
Việc kiểm tra và chuẩn bị ln đóng vai trị quan trọng cho một ca làm việc thực địa thu thập số liệu, giúp đảm hiệu quả làm việc, thuận tiện. Đối với công tác thu thập số liệu quét 3D bằng máy FARO Focus S350 cần đảm bảo mang theo đầy đủ các trang thiết bị và phụ kiện như hình 4.2 [69].
Hình 4.2. Trang thiết bị, phụ kiện cần kiểm tra khi đặt trạm máy và tiêu [70]
Thiết lập cấu hình máy
Tùy thuộc vào mức độ chi tiết, dạng đối tượng hay địa hình, địa vật và độ sáng tối của không gian làm việc khác nhau mà cần điều chỉnh cấu hình quét phù hợp nhất nhằm đảm bảo chất lượng số liệu đạt yêu cầu, dữ liệu thu nhận được có dung lượng khơng q lớn sẽ gây khó khăn trong q trình xử lý số liệu tại văn