Thứ tự Tiêu chí so sánh Cơng nghệ đo vẽ ảnh Đo đạc trực tiếp Công nghệ quét laser 3D mặt đất 1 Giá thành Rẻ Đắt Đắt
2 Tiến độ (thời gian) Khá nhanh Chậm Nhanh 3 Thao tác sử dụng Phức tạp Chặt chẽ Dễ dàng
Thứ tự Tiêu chí so sánh Cơng nghệ đo vẽ ảnh Đo đạc trực tiếp Cơng nghệ qt laser 3D mặt đất 4 Độ chính xác của sản phẩm Chính xác Chính xác cao Rất chính xác 5 Tính phổ thơng Khá phổ biến Phổ biến Chưa phổ biến
6 Yêu cầu thiết bị xử
lý dữ liệu Cấu hình cao
Cấu hình bình
thường Cấu hình rất cao
7 Yêu cầu tay nghề
kỹ thuật viên Tay nghề cao
Tay nghề bình
thường Tay nghề rất cao
8 Phụ thuộc vào yếu
tố địa hình Khá phụ thuộc Rất phụ thuộc Khơng phụ thuộc Khó khăn thách thức khi áp dụng công nghệ quét laser mặt đất ở Việt Nam gồm có: Khó khăn trong tiếp cận mã nguồn của phần mềm thương mại; Yêu cầu về lưu trữ, xử lý dữ liệu rất lớn; Khó khăn trong việc tổ chức sản xuất khi sử dụng phần mềm đi đơi với khóa cứng nên hạn chế số lượng kỹ thuật viên cùng lúc xử lý dữ liệu.
Tiểu kết Chương 1
Trong chương này, tác giả đã nêu được lý do lựa chọn công nghệ quét Laser 3D mặt đất ứng dụng trong lĩnh vực địa hình và phi địa hình, đây là lĩnh vực cơng nghệ mới ở Việt Nam theo xu hướng cách mạng Cơng nghệ 4.0;
Chương này trình bày một số lĩnh vực ứng dụng cơng nghệ quét laser 3D mặt đất trong đo vẽ địa hình và phi địa hình. Trình bày tổng quan về tình hình nghiên cứu sử dụng cơng nghệ qt laser mặt đất ở trên thế giới và Việt Nam. Hiện tại ở nước ta mới có nghiên cứu và ứng dụng trong lĩnh vực địa hình, việc ứng dụng trong lĩnh vực phi địa hình cịn hạn chế. Từ đó, tác giả rút ra các vấn đề cịn tồn tại sẽ được giải quyết trong luận án;
Tác giả cũng đã có đánh giá so sánh sơ bộ ban đầu công nghệ quét laser mặt đất so với cơng nghệ khác trong lĩnh vực địa hình.
Chương 2.
CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ CÁC NGUỒN SAI SỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN KẾT QUẢ QUÉT LASER 3D MẶT ĐẤT
Chương này nghiên cứu bản chất của phương pháp quét laser mặt đất trong đó có nguyên lý hoạt động của hệ thống quét laser mặt đất bao gồm nguyên lý đo dài và ngun lý đo góc. Đồng thời phân tích các nguồn sai số ảnh hưởng đến kết quả quét laser mặt đất trên cơ sở đó giải quyết yêu cầu về chất lượng dữ liệu thu thập và lựa chọn thiết bị phù hợp khi thực hiện những mục đích cơng việc khác nhau. Phần thực nghiệm, đánh giá và bình luận sẽ được trình bày ở các chương tiếp theo.
2.1. Nguyên lý hoạt động của hệ thống quét laser mặt đất
Laser là tên những chữ cái đầu của thuật ngữ bằng tiếng Anh “Light
Amplification by Stimulated Emission of Radiation” có nghĩa là khuếch đại ánh
sáng bằng phát xạ kích thích. Nguyên lý hoạt động của laser dựa vào hiện tượng bức xạ cưỡng bức [4].
2.1.1. Nguyên lý chung
Hệ thống quét laser mặt đất bao gồm thiết bị quét và thiết bị máy tính chuyên ngành xử lý tốc độ cao được cài đặt phần mềm chuyên dụng [62]. Hệ thống thiết bị quét laser cấu tạo gồm khối thiết bị đo dài laser thích ứng làm việc với tần số cao và khối đầu quay thiết bị quét laser mặt đất (Hình 2.1).
1 – đo dài laser;
2 – tuyến nhận và truyền đo dài;
3 – gương quét (lăng kính); 4 – đầu quét của máy quét; 5 – dây dẫn máy quét laser với máy tính;
6 – máy tinh xách tay cùng phần mềm chuyên dụng;
7
8 – bộ lưu dữ liệu.
Hình 2.1. Thành phần và sơ đồ nguyên lý của hệ thống quét laser mặt đất [62]
động trên cơ sở đo khoảng cách và các góc đo hướng từ trạm quét đến đối tượng. Sự khác biệt cơ bản với quét laser hàng không bởi cấu tạo máy quét và trong quá trình hoạt động thiết bị quét laser mặt đất ở trạng thái tĩnh.
Hình 2.2. Chức năng, thành phần cấu tạo chính thiết bị quét laser mặt đất [62] 1 - khối đo dài; 2 - khối thiết bị quang cơ đầu quay laser; 3 - đường truyền dẫn 1 - khối đo dài; 2 - khối thiết bị quang cơ đầu quay laser; 3 - đường truyền dẫn –
thu tín hiệu đo dài; 4 - kênh truyền dữ liệu vào máy tính; 5 - máy tính chun dụng.
Trong đó:
Điểm mi - điểm phản xạ của bức xạ laser; giá trị đo góc đứng Ɵi; giá trị đo góc ngang �i ; Ri – khoảng cách đo từ điểm trạm quét tới đối tượng điểm quét.
Chức năng của những thành phần chính cấu tạo của hệ thống quét laser mặt đất là:
Khối đo dài với chức năng đo khoảng cách từ trạm quét đến đối tượng nằm trên đường dẫn thu và truyền tải tín hiệu đo dài. Nguồn bức xạ được sử dụng là laser bán dẫn. Khoảng cách được xác định bằng khoảng thời gian truyền và thu tín hiệu (phương pháp đo xung) hoặc theo sự dịch chuyển pha (phương pháp đo pha) của tín hiệu phản xạ;
Khối thiết bị quang - cơ laser với chức năng làm trùng đường truyền và thu tín hiệu đo dài, định vị ghi các góc hướng bức xạ bằng hệ thống quang cơ bởi lăng kính gương và đường dẫn. Việc quay chiều đứng của khối đầu thiết bị quang-cơ laser nhờ trợ giúp lăng kính phẳng hoặc lăng kính nhiều mặt, quay chiều ngang bằng cách xoay
khối quang cơ quanh trục đứng Z của thiết bị. Quá trình dịch chuyển đường truyền và đường thu tín hiệu đo dài thực hiện ở chế độ theo bước hoặc ở chế độ xoay liên tục.
Kênh truyền dữ liệu vào máy tính với những module phần mềm chuyên dụng để liên kết ngược lại với hệ thống quét laser.
Trong quá trình quét được định vị ghi hướng truyền tia laser và khoảng cách từ trạm quét tới đối tượng địa vật. Kết quả sau khi quét nhận được là hình ảnh raster với các giá trị pixel của vector gồm các thành phần: độ dài khoảng cách đo; cường độ tín hiệu phản xạ và đặc tính màu của điểm đo (màu đỏ, màu xanh lục, màu xanh lam). Giá trị tọa độ dòng và cột của mỗi pixel raster phản ánh giá trị đo góc đứng Ɵi và góc ngang �i. Tại mỗi điểm của mơ hình qt laser mặt đất đều mang tính chất màu thực nhờ gắn máy ảnh kỹ thuật số đồng bộ với thiết bị quét laser mặt đất.
Kết quả quét laser mặt đất còn được lưu ở dạng khác bằng mật độ đám mây điểm phản xạ laser của các đối tượng địa vật trong trường quan sát của thiết bị quét laser mặt đất với 5 đặc tính bao gồm: ba tọa độ khơng gian (X, Y, Z); cường độ tín hiệu và màu thực [5].
a) Ảnh cường độ b) Ảnh màu thực c) Đám mây điểm Hình 2.3. Kết quả quét laser mặt đất [70]
Với kết quả đo dài khoảng cách và hướng tia qt chúng ta tính được tọa độ khơng gian của điểm địa vật trong hệ tọa độ thiết bị quét theo công thức sau [19,20,21], (Hình 2.4):
X = R cos � sin �
Y = R sin φ sin � (2.1) Z = R cos �
điểm địa vật quét;
φ – góc đo hướng ngang tia quét laser véc tơ R;
� – góc đo hướng đứng tia quét laser, được tính theo trục Z đến hướng véc tơ R - (khoảng cách thiên đỉnh hướng tia quét laser).
Hình 2.4. Hệ tọa độ điểm trạm quét laser mặt đất [20]
Công thức (2.1) là công thức rút gọn để chuyển từ hệ tọa độ cực về hệ tọa độ khơng gian vng góc (Đề các).
Đối với từng thiết bị quét laser mặt đất cụ thể, công thức trên sẽ có dạng phù hợp để tính đến các yếu tố khơng trùng giữa nguồn phát bức xạ laser với đầu thu, độ lệch tâm giữa trục quay ngang và trục quay đứng xoay quanh thiết bị quét và các tham số khác theo kết quả kiểm định thiết bị quét laser mặt đất [19,20,21,33].
Từ những phân tích nguyên lý hoạt động của thiết bị quét laser mặt đất cho thấy: những đặc tính đo của các tia quét laser được xác định bằng độ chính xác làm việc của khối đo dài và khối quay của tia laser. Những nguyên lý đo dài và đo góc sẽ được trình bày chi tiết ở những mục sau.
2.1.2. Nguyên lý hoạt động khối đo dài của thiết bị quét laser mặt đất
Đo dài khoảng cách trong các thiết bị quét laser mặt đất được thực hiện nhờ sóng điện từ trong dải sóng quang học (dải hồng ngoại hoặc dải nhìn thấy). Tín hiệu được truyền đi từ nguồn phát trong khối thiết bị quang - cơ quay hướng, đi qua quãng đường tới đối tượng địa vật và phản xạ lại vào nguồn thu. Trong khoảng thời gian đó tín hiệu đi qua hai lần khoảng cách 2D đến điểm quét. Như vậy giá trị khoảng cách cần xác định là D sẽ bằng một nửa đường đi của tia bức xạ. Việc xác định độ dài
khảng cách 2D trong hệ thống thiết bị quét laser có thể thực hiện bằng 3 phương pháp: Đo xung; Đo pha và đo tam giác laser.
2.1.2.1. Xác định độ dài khoảng cách bằng phương pháp đo xung
Khi xác định độ dài khoảng cách bằng phương pháp đo xung thì việc xác định thời gian tia bức xạ đi qua quãng đường 2D rất quan trọng. Khi chúng ta đã biết được vận tốc truyền sóng điện từ V thì hồn tồn có thể xác định được khoảng cách [59].
V. t2D
D = (2.2)
2
Ở đây: + t2D là thời gian được tính từ thời điểm truyền xung lên Diot laser và thời điểm thu nhận tín hiệu trở lại. Như vậy tín hiệu đi qua khoảng cách 2D;
+ V là vận tốc truyền sóng điện từ.
Hình 2.5. Nguyên lý phương pháp đo xung xác định độ dài khoảng cách [59]
Để xác định độ dài khoảng cách bằng phương pháp đo xung, thường sử dụng những xung ngắn, tức là nguồn phát chỉ làm việc trong khoảng ngắn thời gian. Để nhận được giá trị đơn trị của đại lượng D thì chu kỳ khảo sát xung cần phải lớn hơn thời gian t2D. Những yếu tố cơ bản xác định độ chính xác của phương pháp đo xung chính là độ chính xác xác định đo thời gian (ghi đếm xung). Đánh giá sai số xác định độ dài khoảng cách bằng phương pháp đo xung được tính theo cơng thức:
Mt2D. V MD =
2
(2.3) Ở đây: M�2D - là sai số đo thời gian �2D
dài khoảng cách với độ chính xác 1mm. Một trong những yếu tố khác ảnh hưởng đến độ chính xác đo dài khoảng cách trong phương pháp đo xung này là dạng của xung phản xạ lại. Dạng xung này phụ thuộc vào sự kéo dài xung, đặc tính phản xạ của xung, cấu trúc đối tượng vật phản xạ, bề mặt hứng phản xạ và mơi trường khí quyển truyền xung. Trường hợp gặp dạng xung bị tán sẽ dẫn đến không thể ghi đếm được xung [55].
Ưu điểm của phương pháp đo xung xác định độ dài khoảng cách bằng thiết bị quét laser mặt đất là đo được xa khi công suất phát xung không cao. Kết quả nhận được là đơn trị (độ dài khoảng cách tỷ lệ thuận với thời gian truyền xung). Nhược điểm của phương pháp đo xung này là độ chính xác khơng cao so với phương pháp đo pha, bị giới hạn tần số xung theo khoảng cách từ nguồn phát đến đối tượng vật quét.
2.1.2.2. Xác định độ dài khoảng cách bằng phương pháp đo pha
Nguyên lý xác định độ dài khoảng cách bằng phương pháp đo pha được thể hiện qua hình 2.6. Nguyên lý này bao gồm việc xác định số lượng giá trị nguyên của độ dài bước sóng giữa máy phát laser và đối tượng vật được quét tới cùng với hiệu pha bức xạ sóng gửi đi và nhận lại qua tín hiệu bộ điều biến giao động. Ở đây độ rộng của dải băng tần truyền sóng đến 10Hz khi sử dụng Diod laser mới hiện nay. Việc bức xạ đi xa phải u cầu liên tục sẽ địi hỏi làm tăng cơng suất bức xạ laser phát ra so với phương pháp đo xung. Ưu điểm chính của phương pháp đo pha là cho độ chính xác cao đạt đến 0,4mm. Để đạt được độ chính xác đó giữa nguồn phát và đối tượng quét cần thiết:
1. Xác định số lượng giá trị nguyên độ dài bước sóng bộ điều biến N truyền dẫn đi qua trên khoảng cách đó
2. Xác định được hiệu pha ∆� giữa sóng nhận về và sóng gốc phát đi và đánh giá được khoảng cách phụ tương ứng với sóng cuối cùng phản hồi về khơng đầy đủ.
Hình 2.6. Sơ đồ xác định độ dài khoảng cách bằng phương pháp đo pha [55]
Đo chiều dài cạnh bằng phương pháp đo pha dựa trên cơ sở xác định hiệu pha gửi đi và nhận lại qua tín hiệu của bộ điều biến. Trong trường hợp này độ dài khoảng cách được tính theo cơng thức [59]:
D = φ4π. f2R. v (2.4)
Ở đây: + đại lượng �2R là hiệu pha giữa tín hiệu tại điểm gốc trạm quét và tín hiệu tại điểm quét đối tượng địa vật;
+ f là tần số của bộ điều biến.
Cơng thức (2.4) �2R có thể triển khai ra thành phần nguyên và thành phần phân số. Nếu các giá trị N và ∆� được xác định thì độ dài khoảng cách sẽ tính theo cơng thức:
Δφ
D = Nλ + λ (2.5)
2π
Ở đây: λ - là độ dài bước sóng của bộ điều biến (λ = ν/2 ).
N- số lượng trị nguyên độ dài bước sóng bộ điều biến truyền dẫn trên khoảng cách D
Công thức đơn giản trên cho phép đủ làm sáng tỏ về độ chính xác cao xác định độ dài khoảng cách bằng phương pháp đo pha. Độ chính xác của đại lượng λ được xác định ổn định tần số của máy phát điều biến giao động. Trong điều kiện hiện nay các tham số của thiết bị điều biến giao động này được xác định với độ chính xác rất cao. Ngồi ra đại lượng ∆� cũng có thể xác định đủ độ chính xác cao. Độ chính xác này phụ thuộc vào loại máy quét laser. Đại lượng ∆� có thể xác định bằng phương pháp đo bằng thiết bị đo pha hoặc tín hiệu nhận ở dạng số được ghi lưu trên băng từ
và phân tích pha bằng các module phần mềm chuyên dụng. Trong mọi trường hợp đều xác định được ∆� với độ chính xác cao bởi các lý do sau:
Áp dụng quy luật hình Sin của bộ điều biến, mà độ rộng phổ của tín hiệu đầu vào và đầu ra rất nhỏ. Về mặt lý thuyết có thể nói là nhỏ vơ cực của dải phổ hẹp hay về tần số được rời rạc hóa duy nhất.
C
ω = (2.6)
λ
Ở đây:C–Tốc độ ánh sáng trong chân không; ω–Tần số rời rạc hóa duy nhất Điều quan trọng là bức xạ vào và ra có thể khác nhau về cường độ (theo biên độ sóng của bộ điều biến) và khơng theo tần số ω. Đây chính là điều kiện đáp ứng về hiệu quả và về độ chính xác cao của phương pháp số hiệu chỉnh để tính tốn tìm giá trị hiệu pha ∆�.
Phương pháp đo pha khác với phương pháp đo xung là nhận được nhiều giá trị đo và cho phép đánh giá độ chính xác và độ tin cậy khi xác định độ dài khoảng cách từ kết quả phân tích mối quan hệ hàm số hiệu chỉnh bức xạ truyền đi và nhận về với độ chính xác nhỏ hơn giá trị ngưỡng cho phép.
Xác định độ dài khoảng cách bằng phương pháp đo pha bằng thiết bị quét laser mặt đất cho năng suất cao, với số lượng đo dài trong thời gian giây và đáp ứng cả độ chính xác và đem đến kết quả có độ tin cậy cao.
2.1.2.3. Xác định độ dài khoảng cách bằng phương pháp đo tam giác quét laser
Bản chất của phương pháp đo chiều dài khoảng cách bằng phương pháp tam giác quét laser là nhờ ống phóng tia laser cơng suất thấp, lệch so với hướng ban đầu. Góc Ɵ1 được tạo bởi đường đáy thiết bị quét và tia qt laser, giá trị góc tính theo vị