Đầu năm 2010 một nhóm sinh viên Trƣờng ĐH Bách Khoa TPHCM đã chế tạo thành công máy bay không ngƣời lái bằng vật liệu composite, sải cánh 2,5 m, tổng trọng lƣợng 12 kg. Máy bay có vận tốc trung bình 85 km/giờ, chở đƣợc vật nặng 4 kg, có thể mang camera quay phim, chụp ảnh trên không, thiết bị đo nhiệt độ, áp suất khơng khí...,UAV này đƣợc thiết kế với mục đích phục vụ cơng tác quản lý môi trƣờng và tài nguyên thiên nhiên (Thanh Lê, 2010).
Hình 2.3 UAV do một nhóm sinh viên Trƣờng ĐH Bách Khoa TPHCM thiết kế
Ngay từ năm 2008, Viện Công nghệ Không gian (VAST) đã bắt đầu triển khai đề tài “Nghiên cứu chế tạo tổ hợp máy bay không ngƣời lái phục vụ nghiên cứu khoa học”. Tới tháng 5 năm 2013, 2 trong số 5 mẫu UAV mà VAST nghiên cứu chế tạo, đã đƣợc bay thử nghiệm thành công. Sự kiện này đánh dấu bƣớc tiến lớn trong sự phát triển máy bay không ngƣời lái tại Việt
29
Nam (Đõ, Đào, Trần, & Trần, 2014). Dựa trên những thành công này các nhà khoa học của VAST đang tiếp tục nghiên cứu để thiết kế và chế tạo những UAV hồn thiện hơn (VAST, 2013).
Hình 2.4 Một mẫu UAV của Viện công nghệ không gian chuẩn bị cất cánh
2.1.3 Các thành phần cơ bản của một hệ thống UAV
Một hệ thống UAV thƣờng bao gồm 6 thành phần cơ bản: 1. Con ngƣời; 2. Thiết bị bay không ngƣời lái; 3. Trạm điều khiển; 4. Hệ thống liên lạc, trao đổi dữ liệu; 5. Thiết bị mang theo; 6. Hệ thống phóng và thu hồi (Barnhart, Hottman, Marshall, & Shappee, 2012).
- Con ngƣời: là thành phần quan trọng nhất của một hệ thống UAV, để một hệ thống UAV có thể hoạt động cần phải có ngƣời điều khiển, thiết đặt các thơng số cần thiết. Tùy vào loại UAV mà thành phần này có thể gồm 1 ngƣời hoặc nhiều hơn.
- Phƣơng tiện bay không ngƣời lái: khái niệm về UAV đã đƣợc trình bày ở trên, UAV sẽ đƣợc lựa chọn tùy thuộc vào yêu cầu nhiệm vụ.
- Trạm điều khiển: là hệ thống bao gồm các thiết bị để điều khiển UAV, hệ thống này có thể đặt trên mặt đất, trên máy bay có ngƣời lái, hoặc trên tàu. Hệ thống điều khiển này có nhiều loại với kích thƣớc khác nhau, tùy thuộc
30
vào độ phức tạp của UAV. Đối với các UAV cỡ nhỏ, hệ thống điều khiển rất nhỏ gọn, có thể cầm tay (xem hình 5).
Hình 2.5 Bộ điều khiển của UVA DJI Inspire 2 (nguồn http://www.dji.com)
- Hệ thống liên lạc, trao đổi dữ liệu: là hệ thống có nhiệm vụ gửi và nhận thông tin, dữ liệu giữa UAV và trạm điều khiển và ngƣợc lại.
- Thiết bị mang theo: tùy vào nhiệm vụ, tùy loại UAV, UAV có thể mang theo nhiều loại thiết bị khác nhau nhƣ: máy chụp ảnh kỹ thuật số, camera hồng ngoại, máy đo laze, và nhiều loại cảm biến khác.
- Hệ thống phóng và thu hồi: hệ thống này giúp hỗ trợ UAV cất cánh, và hạ cánh sau khi hoàn thành nhiệm vụ. Tùy vào loại UAV mà hệ thống phóng và thu hồi có thể khác nhau. Các UAV cất hạ cánh thẳng đứng thì khơng cần thêm hệ thống phóng và thu hồi, một số UAV cỡ lớn cần đƣờng băng để cất và hạ cánh, một số khác lại có thể phóng bằng tay hoặc bằng thiết bị phóng riêng, thu hồi bằng lƣới, hoặc hạ cánh trên thảm cỏ v.v…
31
2.1.4 Ứng dụng của UAV trong trắc địa-bản đồ
Ảnh UAV cung cấp nhiều thơng tin hữu ích cho các ứng dụng khác nhau, đặc biệt là các ứng dụng yêu cầu mật độ điểm dày, ảnh trực giao, mơ hình số độ cao. Đây cũng là những dữ liệu chính trong cơng tác thành lập bản đồ, vì vậy ngày nay UAV đang đƣợc sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực trắc địa bản đồ.
Trên thế giới, dữ liệu UAV thƣờng đƣợc sử dụng để lập bản đồ 3D khu vực khảo cổ, ví dụ nhƣ: năm 2011, các nhà khảo cổ đã sử dụng UAV MD4- 1000 bay chụp khu vực Đền vua thủy tề (Neptune Temple) ở khu vực khảo cổ Paestum, Italia. Dữ liệu này cùng với các ảnh chụp mặt đất đã đƣợc sử dụng để xây dựng lại mơ hình 3D khu vực đền để làm dữ liệu lƣu trữ và phục vụ mục đích minh họa trực quan (Fiorillo, Jimenez Fernandez-Palacios, Remondino, & Barba, 2012). UAV có thể đƣợc ứng dụng trong đo đạc một khu vực đô thị nhỏ để thành lập bản đồ địa chính hoặc bản đồ chuyên đề. Hình 2.6 minh họa một khu vực dân cƣ đông đúc ở Bandung, Indonesia. Mơ hình DSM đƣợc xây dựng dựa trên ảnh UAV chụp ở độ cao 150m đƣợc sử dụng để ƣớc lƣợng dân số và thành lập bản đồ (Nex & Remondino, 2014).
Hình 2.6 Mơ hình DSM ở chế độ đám mây điểm của một khu vực dân cƣ ở Bandung, Indonesia
32
Một ví dụ khác: năm 2014 UAV MD4-200 đã đƣợc sử dụng để chụp ảnh một khu vực nhỏ ở Povo, Trento, Italy. UAV bay ở độ cao khoảng 100- 125m chụp ảnh với độ phân giải 3cm, do vậy DSM xây dựng từ dữ liệu này có độ chi tiết rất cao. DSM cùng với ảnh trực giao đƣợc sử dụng để tách ranh giới nhà phục vụ việc cập nhật bản đồ địa chính và xây dựng mơ hình 3D khu đơ thị (Hình 2.7) (Nex & Remondino, 2014).
Hình 2.7 Mơ hình 3D khu đơ thị Povo, Trento, Italy
Ở Việt Nam, trong vài năm gần đây, UAV đang bắt đầu đƣợc sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực trắc địa bản đồ. Trong lĩnh vực thành lập bản đồ, những ứng dụng đầu tiên của UAV ở nƣớc ta xuất hiện từ khoảng năm 2011. Ths. Phan thị Anh Thƣ, Bộ môn Địa tin học-Trƣờng Đại học Bách khoa Tp.HCM và PGS.TS. Lê Văn Trung, Giám đốc Trung tâm địa tin học-Khu Công nghệ Phần mềm-ĐHQG TP.HCM đã trình bày nghiên cứu thu nhận ảnh bằng máy bay không ngƣời lái phục vụ công tác thành lập bản đồ tại Hội thảo Ứng dụng GIS toàn quốc 2011. Lê Đại Ngọc và cộng sự (2014) đã sử dụng UAV-MicroDrone (MD4-1000) để thành lập bản đồ 3D với độ chính xác cao khu vực Mỹ Đình và Thái Nguyên. Bùi Ngọc Qúy và Phạm Văn Hiệp (2017) sử dụng phần mềm Pix4Dmapper xử lý dữ liệu chụp bằng UAV để tạo bản đồ 3D thực khu vực bờ đập hồ Suối Hai, huyện Ba Vì, thành phố Hà Nội. Ngoài ra, các cơ quan đo đạc lớn trong nƣớc nhƣ Cục bản đồ bộ tổng tham mƣu, Công Ty SAMCOM cũng đã và đang triển khai nhiều dự án bay chụp ảnh UAV để ứng dụng trong thành lập bản đồ, giám sát tài nguyên, v.v…
33
Một số ứng dụng của UAV trong cơng tác lập bản đồ địa chính sẽ đƣợc trình bày chi tiết ở phần sau.
2.2. Ứng dụng UAV trong lập bản đồ địa chính
2.2.1 Trên thế giới
Với sự phát triển mạnh của công nghệ UAV, những năm gần đây UAV đƣợc sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực trắc địa bản đồ. Trên thế giới việc ứng dụng UAV trong các công tác quản lý đất đai cũng đang dần đƣợc mở rộng. Từ những dữ liệu thu đƣợc từ UAV nhƣ ảnh trực giao độ phân giải cao, ranh giới các thửa đất có thể dễ dàng phát hiện đƣợc bằng mắt thƣờng hoặc đƣợc số hóa. Trên thế giới đã có một số nghiên cứu thử nghiệm công nghệ UAV trong lập bản địa chính (Manyoky và nnk, 2011; Volkmann và Barnes, 2014). Rokhmana và nnk (2010) đã đƣa ra nhận định rằng sai số xác định ranh giới ruộng lúa tách từ ảnh UAV có thể thỏa mãn quy định về độ chính xác bản đồ địa chính của Indonesia. Rijsdilk và nnk (2013) đã sử dụng UAV để xác định tính pháp lý của chủ sử dụng đất, trong khi đó Mumbone (2015) cũng đã tiến hành nghiên cứu để đánh giá xem có thể sử dụng UAV để khắc phục những nhƣợc điểm của công nghệ đo đạc truyền thống trong lĩnh vực thành lập bản đồ địa chính hay khơng. Manyoky và nnk (2011) đã thử nghiệm lập bản đồ địa chính một số khu vực nhỏ ở Thụy Sỹ từ ảnh chụp UAV, bản đồ địa chính này đã đƣợc so sánh với số liệu đo GNSS, nghiên cứu này đã kết luận rằng bản đồ địa chính thành lập từ dữ liệu UAV hồn tồn thỏa mãn yêu cầu độ chính xác bản đồ địa chính của Thụy Sỹ. Năm 2015, Ngân hàng thế giới và Cơ quan quản lý bản đồ địa chính của Kosovo cũng đã sử dụng UAV để hỗ trợ chƣơng trình lập bản đồ địa chính tồn quốc (Meha và nnk, 2016). Kết quả cho thấy rằng, so với phƣơng pháp đo đạc trực tiếp, việc sử dụng UAV giúp rút ngắn thời gian đo đạc nhƣng vẫn đảm bảo độ chính xác theo yêu cầu của Cơ quan đo đạc địa chính Kosovo (Meha và nnk, 2016). Ở một số nƣớc phát triển, UAV thƣờng đƣợc sử dụng để cập nhật biến
34
động sử dụng đất của một khu vực nhỏ hơn là lập bản đồ địa chính mới. Ở những nƣớc này, luật quản lý không phận chặt chẽ là vấn đề lớn nhất giới hạn ứng dụng của UAV ở quy mô lớn. Ngày nay, một số cơ quan đo đạc bản đồ quốc gia ở Châu Âu đã nghiên cứu tích hợp cũng nhƣ ứng dụng UAV trong cơng tác lập bản đồ địa chính (Cramer và nnk, 2013).
2.2.2 Ở Việt Nam
Ở nƣớc ta, trong vài năm gần đây, bên cạnh những ứng dụng lập bản đồ địa hình, khảo sát các tuyến đƣờng dây điện, lập bản đồ 3D, thì UAV cũng đã bắt đầu đƣợc ứng dụng trong thành lập bản đồ địa chính. Từ năm 2014, các công ty đo đạc lớn nhƣ SAMCOM đã đầu tƣ nhiều phƣơng tiện bay không ngƣời lái hiện đại của các hãng Trimble, Geoscan, …, để ứng dụng trong các công tác trắc địa bản đồ, trong đó có lập bản đồ địa chính. Ngồi ra, các trƣờng đại học chuyên về trắc địa bản đồ nhƣ Đại học Mỏ địa chất, Đại học tài nguyên môi trƣờng cũng đã tiến hành những nghiên cứu ở quy mô nhỏ để thử nghiệm UAV trong lập bản đồ địa chính, tuy nhiên những nghiên cứu này chủ yếu ở dạng hƣớng dẫn sinh viên đại học làm đồ án tốt nghiệp, chƣa đƣợc cơng bố chính thức trên các tạp chí khoa học. Năm 2015, tác giả Đỗ Trọng Tuấn cũng đã thử nghiệm thành lập bản đồ địa chính xã Vật Lại, huyện Ba Vì, thành phố Hà Nội từ ảnh chụp bằng UAV.
35
3. CHƢƠNG 3. PHƢƠNG PHÁP TÁCH RANH GIỚI THỬA ĐẤT BÁN TỰ ĐỘNGTỪ ẢNH CHỤP UAV
4. BẰNG CÔNG CỤ MÃ NGUỒN MỞ
3.1. Giới thiệu phần mềm mã nguồn mở QGIS và công cụ mã nguồn mở BoundaryDelineation tách đƣờng biên đối tƣợng BoundaryDelineation tách đƣờng biên đối tƣợng
QGIS (trƣớc kia gọi là Quantum GIS) là một phần mềm GIS mã nguồn mở cho phép hiển thị, chỉnh sửa và phân tích dữ liệu địa lý dƣới dạng raster, vector, và cơ sở dữ liệu (https://www.qgis.org/en/site/). Dự án phát triển QGIS đƣợc khởi động từ năm 2002 và từ đó QGIS ngày càng đƣợc hoàn thiện hơn, phiên bản mới nhất hiện nay là QGIS 3.2.0 (tính đến tháng 7 năm 2018). QGIS có khả năng tích hợp với nhiều gói phần mềm GIS mã nguồn mở khác nhƣ PostGIS, Geoserver từ đó nó có thể tạo ra nhiều cơng cụ mở rộng. QGIS hỗ trợ nhiều định dạng dữ liệu khác nhau bao gồm cả vector, raster và CSDL nhƣ: shapefile, WMS, WFS, PostGIS, GeoTiff, JPG, PNG, v.v… (Agrawal và Gupta, 2014). Đặc biệt, chức năng của QGIS có thể đƣợc mở rộng dễ dàng thơng qua các cơng cụ tích hợp thêm đƣợc viết trên ngơn ngữ Python hoặc C++. Các cơng cụ mở rộng này có thể dễ dàng download trên kho ứng dụng mã nguồn mở của QGIS, trong số đó có có cơng cụ “BoundaryDelineation” là công cụ cho phép tách ranh giới thửa đất bán tự động từ ảnh UAV.
Công cụ “BoundaryDelineation” đƣợc viết trên ngơn ngữ Python và có thể đƣợc tải về dễ dàng từ kho ứng dụng QGIS bằng cách tìm từ khóa “BoundaryDelineation” (xem Hình 3.1). Mã nguồn chƣơng trình gồm 1 bộ 7 tệp đƣợc viết trên ngôn ngữ MATLAB và Python, và dữ liệu chạy thử đƣợc cung cấp miễn phí qua trang GitHub theo đƣờng link https://github.com/SCromm-elinck/Delineation-Tool.
36
Hình 3.1 Cài đặt cơng cụ BoundaryDlineation trên QGIS
Cơng cụ tích hợp này cho phép kết hợp các đƣờng đẳng trị gPb tạo thành đƣờng biên của đối tƣợng. Hơn nữa, nó cho phép ngƣời dùng hoàn thiện các đƣờng biên đã tách đƣợc tạo thành ranh giới thửa đất bằng cách nối các pixel đƣợc phân loại vào lớp đƣờng biên. Quy trình hoạt động của cơng cụ gồm 2 phần: (1) Gán xác suất cho các đƣờng SLIC; (2) Các đỉnh của đƣờng biên cuối cùng đƣợc lựa chọn thông qua bƣớc bán tự động. Cả 2 phần đƣờng thực hiện trên công cụ QGIS với giao diện nhƣ hình.
Bƣớc (1), các đoạn SLIC đƣợc chuyển vào một mạng lƣới với các điểm nút ở các điểm giao cắt giữa các đƣờng SLIC, các điểm nút này sẽ đƣợc hiển thị lên màn hình. Ở bƣớc (2), ngƣời dùng đƣợc yêu cầu chọn 2 hoặc nhiều nút thuộc đƣờng biên của thửa đất. Những đỉnh này sau đó tự động kết nối dựa trên phƣơng pháp cây Steiner (Hwang và nnk, 1992). Phƣơng pháp này tìm kiếm đƣờng ngắn nhất trong số những đƣờng SLIC giữa các đỉnh mà ngƣời dùng lựa chọn. Sau đó độ gấp khúc của các đƣờng đƣợc tính để cung cấp cho ngƣời dùng một chỉ số mà dựa vào đó ngƣời dùng có thể quyết định
37
nên sử dụng đƣờng nào. Độ gấp khúc là tỷ số giữ khoảng cách Euclid giữa 2 điểm và chiều dài của đƣờng. Độ gấp khúc giao động trong khoảng giá trị từ [0, 1]. Nó tƣơng đƣơng với việc chia thành 3 phần để đánh dấu mầu cho đƣờng theo hệ thống đƣờng giao thông Đỏ, Vàng, Xanh. Đƣờng đƣợc hiển thị theo khả năng sử dụng. Sau đó, ngƣời dùng tạo đƣờng biên dựa trên phƣơng pháp Douglas-Peucker (Saalfeld, 1999). Thuật tốn này đơn giản hóa đƣờng bằng cách tạo ra các đƣờng cong dựa trên một chuỗi các điểm, sau đó giảm số lƣợng điểm từ từ. Ngƣời dùng sau đó có thể sửa các đỉnh của đƣờng biên bằng phƣơng pháp thủ công. Tiếp theo, ngƣời dùng có thể chấp nhận đƣờng đã tạo hoặc xóa nó. Nếu chọn chấp nhận, chƣơng trình sẽ yêu cầu chọn tập hợp điểm nút mới để kết nối.
3.2 Phƣơng pháp tách ranh giới thửa đất bán tự động từ ảnh chụp bằng UAV UAV
Phƣơng pháp tách ranh giới thửa đất bán tự động sử dụng công cụ “BoundaryDelineation” bao gồm 7 bƣớc chính nhƣ minh họa trong Hình 3.2. Trong đó, có 3 bƣớc phải thực hiện thủ công là: (3) Gán nhãn cho đƣờng SLIC; (5) Lựa chọn đỉnh; và (7) Lựa chọn ranh giới thửa đất.
38
Hình 3.2 Quy trình tách đƣờng biên đối tƣợng bằng cơng cụ BoundaryDelineation
3.2.1. Tìm kiếm đƣờng đẳng trị gPb
Tìm kiếm đƣờng đẳng trị tức là tìm ra các đƣờng ranh giới khép kín giữa các đối tƣợng hoặc mảnh ảnh. Trong số các phƣơng pháp phát hiện ranh giới sơ bộ của đối tƣợng thì phƣơng pháp “Phát hiện đƣờng ranh giới dựa trên xác suất toàn cầu” (gPb) đƣợc coi là phƣơng pháp gần nhƣ tối ƣu. Quy trình hoạt động của phƣơng pháp này đƣợc minh họa trong Hình 3.3, chi tiết nguyên lý hoạt động của phƣơng pháp đƣợc trình bày trong Arbeláez và nnk (2011). Mục đích của phƣơng pháp là tìm các đƣờng khép kín giữa các đối tƣợng hoặc các mảnh trong một ảnh thơng qua việc kết hợp thuật tốn phát
Xác định đường biên sơ bộ bằng phương pháp gPB
Ảnh trực giao UAV/DSM
Siêu pixel SLIC Gán nhãn cho
đường SLIC Phân loại RF Lựa chọn đỉnh
Đơn giản hóa đường biên sơ bộ Lựa chọn ranh giới
thửa đất Tự động Thủ công Tự động Tự động Thủ công Thủ công
39
hiện cạnh và phân mảnh ảnh phân cấp, đồng thời tích hợp thơng tin hình ảnh về kết cấu, màu sắc và độ sáng trên cả quy mơ cục bộ và tồn cầu.
Trong bƣớc đầu tiên, các vector độ sáng, màu sắc và kết cấu đƣợc tính trên hai nửa phân cách bởi đƣờng biên. Các dữ liệu sau đó đƣợc phân loại bằng phƣơng pháp phân loại hồi quy logistic với kết quả là xác suất thuộc về lớp đƣờng biên của một đƣờng, tức là trọng số trên mỗi pixel. Thơng tin hình ảnh cục bộ đƣợc kết hợp thông qua các kỹ thuật học tập với thơng tin hình