Phạm vi khảo sát:
+ Điểm đầu: Mép Quốc lộ 18 có lý trình Km30+300
+ Điểm cuối: Mép đường BTXM đã xây dựng ( Km1+749,82). - Đoạn tuyến có chiều dài L = 1749,82 m:
Địa điểm đầu tư: Phường Phả Lại và xã Cổ Thành, thị xã Chí Linh, tỉnh Hải
Dương.
4.1.2 Mục đích yêu cầu
Ứng dụng máy bay không người lái UAV để thành lập bản đồ địa hình dọc tuyến, xây dựng mặt cắt dọc, mặt cắt ngang phục vụ công tác khảo sát địa hình tuyến đường, so sánh với thành quả đã đo đạc theo phương pháp truyền thống, qua đó đánh giá khả năng áp dụng vào thực tiễn của phương pháp cho phù hợp với các giai đoạn của dự án.
4.1.3 Thiết bị sử dụng
Thiết bị sử dụng là máy bay không người lái Phantom 4 Professional của hãng DJI. Máy có tổng trọng lượng 1.388 kg, chiều cao là 185 mm và rộng của UAV và 350 mm (Hình 4.2). Với 04 mô tô điện, UAV có khả năng cất và hạ cánh thẳng đứng, ngồi ra UAV được tích hợp cả cơng nghệ GPS (Global Positioning System) and GLONASS (Global Navigation Satellite system). Theo đó vị trí và hướng bay được quản lý và điều chỉnh thông qua hệ thông Inertial Measuring Unit (IMU) và các cảm biến khí áp (barometric sensor). UAV được điều khiển thơng qua hệ thống Radio Control (RC), các thơng tin về tình trạng pin, tín hiệu GNSS (GPS and GLONASS), độ cao UAV và góc quay của máy ảnh được cập nhật về trạm điều khiển. Về mặt lý thuyết, tổng thời gian bay dài nhất của Phantom 4 Professional là 28 phút, tốc độ bay lớn nhất đạt được là 20m/s, chịu được sức cản của gió cao nhất là 10 m/s, và về lý thuyết có thể hoạt động trong điều kiện nhiệt độ từ 00 đến 400. Các thông tin chi tiết khác Phantom 4 Professional UAV có thể xem trong Dji [3]. UAV được tích hợp máy ảnh phổ thơng Sony EXMOR gồm 03 kênh Red, Green và Blue. Tiêu cự của máy ảnh là 3.61 mm với khẩu độ là f/2.8-f/11 và góc nhìn (field-
of-view, FOV) 840/24mm. Kích cỡ của cảm biến chụp là 6.30 x 4.72 mm, tương ứng với kích cỡ ảnh chụp là 4000 x 3000 pixels. Máy ảnh tích hợp sẵn Micro-SD cạc với dung lượng 64 GB và sử dụng định dạng FAT32/exFAT. Các ảnh chụp lưu trữ dưới dạng số, sử dụng chuẩn nén JPEG và DNG.
Máy bay Phantom 4 Professional
Máy ảnh Sony 20.1 MP Hình 4. 2:Máy bay khơng người lái Phantom 4 Pro.
4.2 CÔNG TÁC BAY CHỤP HIỆN TRƯỜNG VÀ XỬ LÝ ẢNH 4.2.1 Công tác chuẩn bị 4.2.1 Cơng tác chuẩn bị
- Căn cứ vào mục đích sử dụng tiến hành xin cấp phép bay; - Thu thập tài liệu (BĐĐH, điểm địa chính cơ sở…)
- Thiết kế bay chụp;
- Thiết kế, tiêu bay, điểm khống chế ảnh, phục vụ tăng dày, điểm kiểm tra… - Chuẩn bị trang thiết bị: thiết bị bay, máy toàn đạc điện tử, máy đo GPS….
4.2.2 Thiết kế tuyến bay
- Độ cao bay chụp : 120m; - Diện tích khu bay : 30.1 ha ; - Số đường bay : 4 đường ; - Độ phân giải : 3.3 cm/pixel ; - Độ phủ dọc và ngang : 70x70
Hình 4. 3: Tuyến bay thiết kế dự kiến Tuyến bay được thiết kế bằng ứng dụng GPS. Tuyến bay được thiết kế bằng ứng dụng GPS.
4.2.2 Đo khống chế ảnh
Các điểm khống chế ảnh
4.2.2.1 Đo tăng dày khống chế ảnh
- Tiêu bay sẽ được đánh dấu tại thực địa theo sơ đồ thiết kế trước, để đảm bảo đủ mật độ ca bay và liên kết khối bay, và ln đảm bảo hồn thành trước khi bay và tồn tại trong suốt thời gian bay.
- Tuy nhiên khi bố trí tiêu ngồi thực địa cần chọn vị trí bằng phẳng, thông thống, ngồi ra đối với địa hình đồi dóc, địa hình thay đổi lớn, cần phải bố trí tiêu bay những nơi địa hình thay đổi để đảm bảo khi tăng dày chặc chẽ khối ảnh.
- Ngồi ra cũng có thể dùng phương pháp chọn chít ảnh, chọn chít vị trí rõ nét trên ảnh và ngoài thực địa để đo KCA và tăng dày (với phương pháp này thì cần bay chụp ảnh trước).
- Đo khống chế ảnh được sử dụng bằng toàn đạc điện tử, GPS RTK và máy thủy bình dựa vào cơ sở các điểm mốc khống chế đã xây dựng. Điểm khởi tính là các điểm hạng III nhà nước đã được thu thập trong khu vực thực hiện. Thông thường trên thực tế việc đánh dấu tiêu bay và đo khống chế ảnh được thực hiện cùng lúc trước khi tiến hành bay.
Hình 4. 4: Cơng tác đánh dấu mốc các điểm khống chê ảnh
Bảng 4. 1: Tọa độ các điểm khống chế ảnh, Hệ tọa độ VN2000, Kinh tuyến trục 1050 30’ 00’’, múi chiếu 30
TT Tọa độ và độ cao Ghi chú
X(m) Y(m) H(m) M1 2335335.247 586293.939 4.947 Điểm KCA M2 2335312.816 586406.282 4.892 Điểm KCA M3 2334817.986 586097.421 4.711 Điểm KCA M4 2334806.702 586205.109 4.179 Điểm KCA M5 2334300.320 585956.151 2.403 Điểm KCA M6 2334314.357 585983.125 2.290 Điểm KCA M7 2334273.234 586015.750 2.486 Điểm KCA M8 2333743.828 585612.675 3.279 Điểm KCA
4.2.2.2 Công tác bay chụp ảnh ngoài thực địa
- Căn cứ theo phương án bay đã được thiết kế trước ở 4.2.2, chọn vị trí bay sao cho máy cất cánh khơng bị vướng các vật cản phía trên, đồng thời quãng đường bay đến điểm bắt đầu chụp của dải bay là ngắn nhất.
- Kết nối điều khiển bay với máy bay và phần mềm lập kế hoạch bay, kiểm tra các điều kiện an toàn và chọn Start để mays bay cất cánh.
- Theo phương án bay đã lập, máy bay sẽ bay theo các dải bay và tiến hành chụp ảnh. Tổng số ảnh chụp được trong phạm vi khảo sát là 145 ảnh.
Hình 4. 5:Một số hình ảnh trong q trình bay chụp
4.2.3 Cơng tác xử lý ảnh
Add Photos… Đưa ảnh vào phần mềm
Align Photos… Ghép ảnh và tạo khối ảnh
Build Dense Cloud… Tạo đám mây điểm
Build Mesh… Tạo bề mặt
Build Texture… Tạo ảnh Build Tiled Model…
Tạo mơ hình
Build DEM… Tạo mơ hình số độ cao
Build Orthomosaic… Tạo ảnh trực giao
Hình 4. 6: Sơ đồ quy trình xử lý ảnh cơ bản
- Khởi động phần mềm Agisoft PhotoScan 1.4, giao diện như hình 4.7
- Bước 1. Đưa ảnh vào phần mềm (Add Photos)
Xoá những ảnh chụp dưới đất, chỉ giữ lại những ảnh chụp khi máy bay đã vào tuyến bay.
- Bước 2. Ghép các ảnh thành khối (Align Photos)
Các ảnh được chụp rời rạc sẽ được ghép thành khối ảnh.
- Bước 3. Nắn ảnh (Reference image)
Các ảnh được chụp với tâm ảnh trong hệ tọa độ WGS84, cần phải đưa về hệ tọa độ VN2000 hoặc hệ tọa độ khu vực thông qua các điểm khống chế ảnh. Trong phạm vi thực nghiệm, tác giả sử dụng 8 điểm khống chế ảnh, có tên từ M1-M8.
Hình 4. 9: Vị trí điểm khống chế ảnh khu vực đầu tuyến
- Bước 5. Xây dựng lưới bề mặt (Build Mesh)
- Bước 6. Tạo mơ hình DEM (Build Dem)
a. Mơ hình DEM khu vực đầu tuyến
b. Mơ hình DEM cả tuyến
- Bước 7. Tạo ảnh bằng (Build Orthosaic)
Hình 4. 11: Ảnh bằng của khu vực khảo sát
4.2.4 Kiểm tra độ chính xác ảnh và mơ hình DEM
Sau khi thu được ảnh bằng và mơ hình số độ cao (DEM), tiến hành đánh giá độ chính xác của ảnh và mơ hình DEM so với các điểm kiểm tra đo bằng TĐĐT.
Bảng 4. 2: So sánh kết quả đo kiểm tra trên mơ hình và đo bằng TĐĐT
T.Điểm
Tọa độ và độ cao đo bằng máy toàn
đạc điện tử Tọa độ và độ cao đo trên mơ hình
x(m) x(m) h(m) x(m) x(m) h(m)
KT1 2335095.201 586276.493 3.510 2335095.230 586276.517 3.528
KT2 2334797.925 586174.941 3.537 2334797.919 586174.926 3.566
KT3 2334725.506 586150.664 3.385 2334725.497 586150.559 3.459
KT5 2334288.025 585991.226 3.379 2334288.042 585991.297 3.313
KT6 2333921.405 585764.644 3.295 2333921.381 585764.568 3.070
KT7 2333734.852 585649.224 3.520 2333734.841 585649.240 3.553
Bảng 4. 3: Độ chênh lệch tọa độ và độ cao các điểm kiểm tra
T.Điểm Độ chênh lệch Ghi chú
Dx(m) Dy(m) Dh(m) KT1 -0.029 -0.024 -0.018 KT2 0.006 0.015 -0.029 KT3 0.009 0.105 -0.044 KT4 -0.056 0.011 -0.060 KT5 -0.017 -0.071 0.016 KT6 0.024 0.076 0.025 KT7 0.011 -0.016 -0.033 Nhận xét đánh giá:
Theo tư 68/2015/TT-BTNMT của Bộ Tài nguyên Môi trường, quy định sai số trung phương xác định vị trí mặt phẳng điểm địa vật cố định, rõ nét so với điểm khống chế đo vẽ gần nhất không quá ±0,3mm trong tỷ lệ bản đồ, đối với điểm địa vật không rõ ràng không quá ±0,5mm trong tỷ lệ bản đồ. Trong thành phố và khu công nghiệp, sai số tương hỗ giữa các địa vật cố định, quan trọng không được lớn hơn ±0,3mm trong bản đồ. Như vậy độ chính xác vị trí điểm mặt bằng theo tỷ lệ bản đồ được tính và thể hiện trong bảng 4.4.
Bảng 4. 4: Yêu cầu độ chính xác vị trí điểm mặt bằng
Loại sai số Tỷ lệ bản đồ
1/500 1/1000 1/2000 1/5000
Sai số điểm địa vật rõ nét (m) 0.15 0.30 0.60 1.50
Sai số điểm địa vật không rõ
ràng (m) 0.25 0.50 1.00 2.50
máy toàn đạc điện tử và các điểm đo trên mơ hình, nhận thấy độ lệch tọa độ theo phương x lớn nhất là 0.105m, theo phương y là -0.056m, về mặt độ cao là -0.060m. Theo bảng 4.4, sai số điểm địa vật đối với tỷ lệ bản đồ 1/500 với điểm địa vật rõ nét <0.15m, điểm địa vật khơng rõ nét <0.25m. Như vậy có thể khẳng định độ chính xác của cơng nghệ UAV với thiết bị bay Phantom 4, cùng với quy trình bay chụp và xử lý ảnh mà tác giả thực nghiệm hồn tốn đáp ứng được cơng tác thành lập bản đồ địa hình tuyến đường từ tỷ lệ 1/500 trở lên.
Vậy dựa vào mơ hình DEM xây dựng nên cơ tuyến, nhập số liệu các cọc như phương pháp truyền thống.
Hình 4. 13: Mặt cắt dọc đoạn đầu tuyến
4.2.5 Một số ứng dụng từ mơ hình DEM
1. Vẽ mặt cắt địa hình
Hình 4. 15: Vẽ mặt cắt trên mơ hình DEM
2. Vẽ đường đồng mức
Trong phạm vi thực nghiệm của tuyến, độ chênh cao địa hình khơng lớn vì vậy để khảo sát xây dựng đường đồng mức từ mơ hình DEM được xây dựng từ ảnh UAV. Tác giả đã lấy mơ hình DEM được xây dựng tại khu vực Bãi Đá Cổ thuộc thị xa SaPa bằng phần mềm Global Mapper. Kết quả cho ra đường đồng mức như trong hình 4.16:
4.3 ĐÁNH GIÁ ƯU NHƯỢC ĐIỂM THÀNH LẬP BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH BẰNG CƠNG NGHỆ UAV CƠNG NGHỆ UAV
4.3.1 Ưu điểm
Hệ thống gọn nhẹ, thuận tiện cho việc di chuyển và thao tác ngoài thực địa.Hệ thống cho ta kết quả chính xác, nhanh chóng và trực quan giúp cho nhà thiết kế có được những thơng tin cần thiết và nhanh chóng lựa chọn được phương án tuyến tối ưu.
Hệ thống có tính tự động hóa cao, thuận tiện cho người sử dụng.
Có thể khảo sát địa hình tới những nơi có địa hình khó khăn, nguy hiểm mà khó tiếp cận bằng phương pháp truyền thống.
Có hệ thống GPS/IMU nên chụp được ảnh đúng tiêu chuẩn thành lập bản đồ; Không chịu nhiều ảnh hưởng của thời tiết;
Chi phí cho cơng tác bay chụp tốn kém khơng đáng kể.
Dữ liệu ảnh hoàn tồn tương thích với các phần mềm đo vẽ lập thể chuyên dụng như Intergraph, Leica, Photomod ... hiện đang được trang bị thông dụng trong các đơn vị.
4.3.2 Nhược điểm
Hình ảnh chụp tại các khu vực có nhà cao tầng bị đổ nghiêng lớn có thể che khuất các địa vật liền kề có độ cao thấp hơn. Để khắc phục hiện tượng này cần tăng độ phủ khi thiết kế bay chụp và đồng nghĩa với việc tăng số lượng ảnh chụp, tăng số giờ bay.
4.4 ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ UAV 4.4.1 Khả năng triển khai và độ chính xác đạt được 4.4.1 Khả năng triển khai và độ chính xác đạt được
Việc ứng dụng công nghệ mới vào thực tiễn địi hỏi q trình nghiên cứu thử nghiệm chuyên sâu và đội ngũ lao động cũng cần có một trình độ nhất định để có thể vận hành hệ thống một cách thuận lợi, chính xác và tiết kiệm. Tuy nhiên, hệ thống Phantom 4 Professional khơng địi hỏi trình độ chun mơn q cao, chỉ cần
nắm vững một số kiến thức cơ bản về ảnh số, về khống chế ảnh ngoại nghiệp và thao tác kỹ thuật bay là có thể thực hiện được. Vì thế mà việc áp dụng rộng rãi hệ thống này vào thực tiễn khơng mấy khó khăn và nhanh chóng.
Kết quả thử nghiệm trong đề tài này cho thấy độ chính xác của sản phẩm tạo ra đáp ứng được các quy định hiện hành. Sai số trung phương vị trí điểm khống chế ảnh sau bình sai đạt cỡ 5cm−10cm theo mặt bằng và 5cm−10cm theo độ
cao và có thể tốt hơn tùy thuộc vào độ chính xác của điểm khống chế. Với sai số này và kết quả tính được ở thực nghiệm trên có thể đáp ứng được yêu cầu độ chính xác cho thành lập bản đồ tỷ lệ 1:500 hoặc nhỏ hơn.
4.4.2 Ưu nhược điểm của công nghệ UAV
4.4.2.1 Hiệu quả kinh tế
Khi áp dụng phương pháp này vào thành lập bản đồ địa hình rõ ràng đem lại hiệu quả kinh tế rất cao. Cụ thể là:
Giảm thiểu nguồn nhân lực: đội ngũ kỹ thuật bay và xử lý số liệu sau bay chụp chỉ cần tối thiểu 2 người là có thể thực hiện tốt mọi cơng việc trong quy trình cơng nghệ đưa ra của hệ thống cho thành lập bản đồ địa hình.
Giảm thiểu phương tiện máy móc đo đạc: hệ thống Phantom 3 Professional rất gọn nhẹ dễ di chuyển.
Giảm thời gian thi cơng: qua q trình thử nghiệm thực tế cho thấy thời gian thi công rất nhanh bởi công việc chủ yếu được thực hiện nội nghiệp (trong phòng), thời gian đi ngoại nghiệp chỉ chiếm một phần không lớn dành cho bay chụp, đo khống chế và đối chiếu hiện trường.
Nâng cao năng suất lao động: nhận định này rất dễ hiểu bởi cùng một khối lượng công việc như nhau nhưng với công nghệ mới này đã giảm thời gian thi cơng, giảm nguồn nhân lực kéo theo đó là năng suất của người lao động được nâng cao.
Chi phí mua thiết bị và đào tạo nhân lực ban đầu thấp: các phương pháp truyền thống cần đến nhiều người lao động, nhiều trang thiết bị kỹ thuật kèm theo, chi phí đào tạo bỏ ra cũng lớn. Ngược lại, hệ thống bay chụp khơng người lái này chỉ cần ít
người lao động nên chi phí chuyển giao công nghệ giảm rõ dệt trang thiết bị cần có rất ít và gọn nhẹ.
4.4.2.2 Những thuận lợi và khó khăn khi áp dụng UAV khảo sát tuyến
Việc áp dụng ảnh chụp bằng máy bay không người lái vào thành lập bản đồ địa hình tuyến có rất nhiều thuận lợi nổi bật đó là:
- Cơng nghệ dễ chuyển giao.
- Độ phân giải của ảnh cao, dễ giải đốn địa hình, địa vật khi hoàn thiện nội
nghiệp.
- Tính đáp ứng nhanh và tính cập nhật cao.
- Ảnh chụp có thể được sử dụng với nhiều mục đích khác nhau như: lựa chọn
phương án tuyến, trình diễn báo cáo, xây dựng mơ hình số địa hình và địa vật, phân tích dự báo lưu lượng xe ...
- Hệ thống gọn nhẹ, thuận tiện cho việc di chuyển và thao tác ngoài thực địa. - Hệ thống cho ta kết quả chính xác, nhanh chóng và trực quan giúp cho nhà