Báo cáo " THU NHẬN ẢNH BẰNG MÁY BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI PHỤC VỤ CÔNG TÁC THÀNH LẬP BẢN ĐỒ " pptx

GIỚI THIỆU Thuật ngữ Hệ thống bay không người lái UAS - Unmanned Vehicle Systems được thế giới sử dụng khá phổ biến để thể hiện việc ứng dụngcác thiết bị bay không người lái UAV- Unmann

HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011

THU NHẬN ẢNH BẰNG MÁY BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI

PHỤC VỤ CÔNG TÁC THÀNH LẬP BẢN ĐỒ

Phan Thị Anh Thư (1) , Lê Văn Trung (2) (1) Bộ môn Địa tin học – Trường Đại học Bách khoa Tp HCM (2) Trung tâm Địa tin học - Khu Công nghệ Phần mềm- ĐHQG Tp.HCM

Abstract: Unmanned Aerial Vehicles (UAV) photogrammtry for mapping is a new solution and

being utilized widely in some developed countries It is considered a high efficient method when mapping in comparison to the traditional photogrammetry This paper introduces a high resolution remote imaging system using model helicopter that is often used (vertical take-off and landing) and discuses about the results of testing the UAV that is navigated autonomously using differential GPS (DGPS) for mapping The primary results show that this UAV can flight

at low altitude changing (from 10m to 300m)and allow the high resolution image acquisition following the computed ‘waypoints’, due to its high manoeuvrability and its capability to navigate with high precision to the predefined acquisition points The proposed system is not only applied in the field of geomatics but also open a new way for increasing the range of its applications in the natural resource management and environmental monitoring

Keywords: Unmanned Aerial Photogrammatry, Falcom PARS, Small Format Photography

1 GIỚI THIỆU

Thuật ngữ Hệ thống bay không người lái (UAS - Unmanned Vehicle Systems) được thế giới sử dụng khá phổ biến để thể hiện việc ứng dụngcác thiết bị bay không người lái (UAV- Unmanned Aerial Vehicle) để giám sát bề mặt trái đất, thu nhận ảnh phục vụ công tác thành lập bản đồ[1] Ưu thế của công nghệ này chi phí thấp, hình ảnh thu được nhanh, thường xuyên với độ chính xác cao và dễ dàng tạo dữ liệu 3D đáp ứng đúng thời điểm yêu cầu thu nhận thông tin Những kết quả nghiên cứu trên thế giới cho thấy hệ thống viễn thám sử dụng máy bay trực thăng ở cao độ thấp từ 10m đến 300m là giải pháp tối ưu, thường được sử dụng phục

vụ công tác thành lập bản đồ [2]

Hiện nay, loại trực thăng mô hình 8 cánh quạt (UAV) có giá thành thấp và có thể bay cân bằng ở độ cao từ 10m đến 300m,dễ dàng thay đổi hướng bay theo yêu cầu thông qua tín hiệu radio của người điều khiểntừ mặt đất Nếu trực thăng mô hình được tích hợp với thiết bị định vị toàn cầu GPS/INS (Global Positioning System / Inertial Navigation System) và máy thu ảnh kỹ thuật số (Digital Camera) sẽ cho phép tạo thành hệ thống thu nhận ảnh độ phân giải cao Mô hình cơ bản của hệ thống đã được thử nghiệm áp dụng trong công tác khảo sát, thành lập bản đồ, tạo ảnh 3D phục vụ quản lý đô thị, giám sát môi trường, cứu hộ cứu nạn,…

và đã được đánh giá rất hiệu quả [3] do nhỏ gọn, linh hoạt, trực thăng có thể cất và hạ cánh trên một khu vực nhỏ hẹp, cho phép truyền hình ảnh trực tiếp về mặt đất với độ phân giải cao Hiện nay, ưu thế củaHệ thốngFalcom – PARS (Photogrammetry and Aerial Remote-sensing System) [4] đã được thể hiện bởi phát triển các chức năng phục vụ thành lập bản đồ khá hoàn chỉnh,bao gồm:bay theo chế độ thông thường thường hoặc chế độ lái tự động, cho phép chụp ảnh theo những vị trí đã biết trước tọa độ (waypoints);ảnh thu nhận được xử lý tự động đểtạo nhanh và chính xác ảnh trực giao, DSM,… phục vụ công tác thành lập bản đồ

2 THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG THU NHẬN ẢNH

HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011

2.1 Hệ thống UAV

Hệ thống được xây dựng trên cơ sở sử dụng loại trực thăng không người lái có sẵn trên thị trường AscTec Falcon 8, có giá thành thấp, bay ổn định và có thể mang được thiết bị chụp ảnh (nhập từ Cộng Hòa Liên Bang Đức) [7]

UAV (AscTec Falcon 8) Bộ điều khiển từ xa Thiết bị GPS

Hình 1: Máy bay không người lái và các phụ kiện

Tổng trọng lượng cất cánh tối đa của máy bay là 1.8 kg, thời gian bay là 20 – 30 phút (giới hạn bởi dung lượng pin); có thể bay chụp ảnh trong điều kiện tốc độ gió đến 10m/s và tần số truyền hình ảnh từ máy bay về trạm mặt đất là 5.8 GHz và tín hiệu điều khiển máy bay

từ bộ điều khiển từ xa là 2.4 GHz.Giải pháp DGPS được áp dụng trong định vị UAV, cho phép xác định vị trí hình ảnh được thu nhận một cách chính xác Nhờ vào thiết bị này máy bay có thể tìm đến đúng vị trí đã được thiết kế sẵn (về mặt bằng và độ cao) để tiến hành giám sát và truyền ảnh và tạo ảnh trực giao theo yêu cầu.Để phục vụ giám sát mặt đất, người điều khiển sẽ đưa UAV đến vị trí thích hợp để thu thập dữ liệu ảnh cần thiết hoặc thiết lập chế độ

bay tự động dựa trên các thông số đã biết trước (các điểm waypoints).Công tác “thiết kế phi

vụ bay” bao gồmchuẩn bị các thông số cần thiết cho quá trình bay chụp Sử dụng bản đồ nền

dạng số có tỷ lệ nhỏ hơn tỷ lệ bản đồ cần thành lập để đưa vào chương trình làm cơ sở cho việc thiết kế như: khu vực cần bay chụp ảnh, độ cao bay, tọa độ những vị trí cần thu nhận ảnh (đã được tính toán trước) … Đây là cơ sở để chương trình điều khiển thiết bị UAV ghi nhận

hình ảnh tại vị trí đã thiết kế (thông qua định vị GPS)

Hình 2: Thiết kế phi vụ bay trên máy tính cá nhân

2.2 Thực nghiệm ứng dụng UAV phục vụ công tác thành lập bản đồ

Bản đồ của khu vực Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh được sử dụng để xác định khu vực cần tiến hành bay chụp, thiết kế tuyến bay và các thông số điều khiển để thiết bị có thể tự động bay thu nhận ảnh theo yêu cầu như sau:

- Số lượng dãi bay: 4

- Số lượng tờ ảnh: 38

- Độ cao bay chụp: 100m

HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011

- Tọa độ tâm ảnh (các điểm waypoints) UAV sẽ thực hiện chính xác thu nhận ảnh tự động theo tọa độ (định vị nhờ GPSkết hợp với bộcân bằng quán tính tự động IMU - Inertial Measurement Unit)sao cho đảm bảo độ phủ ngang (tạo ảnh 3D) và độ phủ dọc (tạo liên kết ảnh) Trạm base (GPS) được đặt tại một điểm đã biết trước tọa độ nhằm nâng cao độ chính xác định vị tâm ảnh (radio link đến thiết bị UAV) Quy trình thực nghiệm thu nhận ảnhđược thể hiện qua sơ đồ thể hiện trong hình 3:

Hình 3: Quy trình thu nhận ảnh sử dụng UAV

Hệ thống có thể vận hành theo 2 chế độ: (1) bay chụp tự động theo các điểm waypoints

đã được cài đặt sẵn, hoặc (2) bay chụp thông qua thiết bị điều khiển đặt trên mặt đất để thu nhận hình ảnh Trong chế độ tự động, chip GPS (gắn trong UAV) sẽ thu nhận tính hiệu từ các

vệ tinh đồng thời nhận được các số cải chính từ trạm base, để tự động điều chỉnh vị trí của thiết bị bay đúng toạ độ thiết kế thu nhận ảnh Quá trình này sẽ được thực hiện liên tục đến khi nào kết thúc các vị trí được yêu cầu, người sử dụng bộ điều khiển từ xa sẽ tác động (tín hiệu điều khiển là 2.4 GHz) đưa thiết bị đáp xuống theo vị trí xuất phát ban đầu Do giới hạn thời gian bay (20 phút/một pin cung cấp năng lượng để UAV hoàn tất nhiệm vụ), đối với khu

vực rộng cần tiến hành bay nhiều lần để thực hiện tiếp tục các tuyến bay còn lại theo thiết kế

Ảnh được thu nhận bởi máy ảnh Ricoh GX 200 dưới dạng các fileảnh riêng lẻcó có kích

thước 4000 x 3000 pixel với độ phân giải không gian là 3.3 cm

Thiết kế phi vụ bay Điều khiển từ mặt đất

Xử lý ảnh bằng phần mềm chuyên dụng Kiểm tra kết quả xử lý ảnh

Phạm vi khu vực bay

Sản phẩm: ảnh trực giao, mô hình DSM,

Đánh giá kết quả

Tham số bay

Tự động (waypoints)

3 Đ

bởi

sát

Bản

Hình 4: Ản

ĐÁNH GIÁ

So với ph

i sự ảnh hưởn

bề mặt trái đ

1) Nhờ kh

vị trí ba

giải phá

làm chủ

là ảnh m

sản phẩ

giám sá

địa hình

Thủ tục

(nhỏ, gọ

đất là 5

tần số đ

ng 1: So sán

Kế h

Độ c

Phạm

Độ p

Thu

2) Ứng dụ

trong gi

kiện địa

khó tiếp

ra các s

phù hợp

HỘ

R102

nh thu nhận

Á KẾT QUẢ

hương phápt

ng của các đ đất, thu nhận

hả năng bay

ay đã được x

áp tối ưu cho

ủ công nghệ màu dạng số

ẩm chuyên đ

át môi trườn

h, địa chính v

c pháp lý ch

ọn, nhẹ, độ c 8 GHz và t được phép sử

nh đặc điểm g

hoạch bay cao bay

m vi thu nhận phân giải ảnh

u nhận ảnh

ụng hệ thống iám sát và th

a hình và rất

p cận Chươn sản phẩm nh

p theo yêu cầ

ỘI THẢO ỨN

24490

tại Khu công

Ả THỬ NGH

truyền thống điều kiện thờ

n ảnh phục vụ cân bằng tại xác định trư

o việc giám trinh sát và ố,rất thuận lợ

đề, ảnh 3D p

ng, cứu hộ cứ

và trinh sát t

ho việc ứng cao thấp <30 tín hiệu điều

ử dụng phổ b

giữa phương

Phươ

Bán tự

1 – 10

n ảnh >1km

Bán tự

g máy bay k

hu nhận nhan

t hiệu quả tr

ng trình xử l

hư ảnh trực g

ầu ứng dụng

NG DỤNG GIS

g nghệ phần

HIỆM HỆ T

g (tốn rất nhi

ời tiết)việc ứn

ụ công tác th

i một điểm v ước theo tọa sát, thu nhậ thu ảnh ở độ

ợi trong việc phục vụ quản

ứu nạn,… đ trong quân s dụng hệ th 00m) có tần

u khiển máy biến hiện nay

g pháp truyề

ơng pháp truy

ự động

0 km

m 2

m

ự động

không người

nh thông tin rong giám s

lý ảnh tự độ giao, mô hìn

g

S TOÀN QUỐ

n mềm - Đại

THỐNG TH

iều thời gian

ng dụng thiết hành lập bản

và có thể di

độ, nên loạ

ận hình ảnh m

ộ cao thấp từ

c giải đoán ả

n lý đô thị,

ặc biệt là ứn

sự

ống khá đơn

số truyền hì bay từ bộ đ

y

ền thống và s

yền thống

T

m T

i lái đã tạo r với giá thàn

át các khu v

ng cho phép

nh DSM, ảnh

ỐC 2011

R1024491

học Quốc gi

HU NHẬN Ả

n và chi phí c

t bị bay khôn

đồ có nhiều chuyển theo

ại trực thăng mặt đất khu

ừ 10m đến 30

nh, tạo ảnh t quản lý tài n

ng dụng tron

n giản, vì là ình ảnh từ m điều khiển từ

sử dụng UAV

Ứng dụng

Tự động

10 - 300 m 1m 2 - km 2

mm

Tự động - bán

ra một giải p

nh thấp, linh vực và đối tư

p liên kết nha

h 3D cho mộ

ia (29/03/20

ẢNH

cũng như bị

ng người lái

ưu thế như s

o mọi hướng

g không ngư

u vực nhỏ (g 00m) Ảnh th trực giao, tạ nguyên thiên

ng thành lập

à máy bay m máy bay về tr

ừ xa là 2.4 G

V

g UAV

n tự động

pháp công n hoạt trong m ượng mà co anh các ảnh

ột khu vực rộ

010)

hạn chế

để giám

sau:

g từ một ười lái là

óp phần

hu được

ạo ra các

n nhiên,

p bản đồ

mô hình rạm mặt GHz là 2

nghệmới mọi điều

on người đơn tạo ộng hơn

(a)

cất

phâ

với

nhậ

thủ

phụ

nạn

4 K

thấp

3D

Mô hình DS

3) Để đánh

côngtác

so sánh

hiện trê

Vmap: tọ

Vtest: tọ

Tổng bì

Trong đ

• ei: sai

• en: sa

Sai số tru

Tương t

Kết quả t

và hạ cánh t

ân giải cao v

i độ chính x

ận ảnh sử dụ

ủy sinh, phân

ục vụ quản

n,… đặc biệ

KẾT LUẬN

Hệ thống

p, cho phép

, chắc chắn

HỘ

SM Khu CN

Hình 5 Ảnh

h giá thử ngh

c thành lập b

h sự sai lệch

ên ảnh

ọa độ thực củ

a độ điểm tư ình phương

đó:

i số tọa độ củ

ai số tọa độ c ung phương t

tự sai số trun

thực nghiệm trên một khu

và có thể ph

ác cao (<3cm ụng trực thăn

n loại cây tr

lý đô thị, qu

ệt là ứng dụn

N

g thu nhận ản thu nhận ản

n sẽ mở ra m

ỘI THẢO ỨN

NPM (b) Ả

h nhà điều hà

hiệm ban đầ bản đồ tỉ lệ l (e) giữa giá

ủa điểm cho ương ứng ng sai lệch của

ủa điểm thứ của điểm thứ theo tọa độ c

mmb = ±

ng phương v

mđc = = ±

m ban đầu ch

u vực nhỏ hẹ

ục vụ hiệu q

m cho mặt b

ng không ng rồng, xác đin uản lý tài n

ng trong trinh

nh sử dụng

nh nhanh, thư một khả năng

NG DỤNG GIS

Ảnh 3D

ành Khu Cô

ầu ứng dụng lớn, ảnh sau

á trị thực trê

trên bản đồ goài thực tế các điểm kiể

1

ứ n cho trường h n

2

E

= ±

về độ cao đạt 13

493 , 0

= ±

o thấy hệ th

ẹp, cho phép quả trong cô bằng và <20 gười lái sẽ á

nh nhanh vị nguyên thiên

h sát và diễn trực thăng k ường xuyên

g mới trong

S TOÀN QUỐ

(c)

ng Nghệ Phầ

hệ thống má

u khi xử lýđư

ên mặt đất v

thành lập từ

ểm tra như s

hợp thử nghi 13

4 , 94

= ± 2,7

t được như s

± 19,5 cm ống thu nhận

p truyền hình ông tác thành 0cm cho độ c

áp dụng rất t

ị trí và mức

n nhiên, giá

n tập quân sự không người với độ chính phục vụ giám

ỐC 2011

) Ảnh trực gi

ần Mềm – Đ

áy bay khôn ược đánh giá

và các đặc tr

ừ ảnh sau:

iệm 13 điểm

7 cm sau:

n ảnh sử dụn

h ảnh trực tiế

h lập bản đồ cao) công ng tốt trong ngh

độ rạch bị s

ám sát môi t

ự

i lái có ưu th

h xác cao và

m sát, thu th

(1)

(2)

iao

ĐHQG-HCM

ng người lái

á theo phươn rưng không g

m:

ng trực thăn

ếp về mặt đấ

ồ tỉ lệ lớn N ghệ giám sá hiên cứu: đậ san lấp, tạo trường, cứu

hế chi phi v

à dễ dàng tạo hập dữ liệu v

M

phục vụ

ng pháp gian thể

ng có thể

ất với độ Ngoài ra,

át và thu

ập chắn, ảnh 3D

hộ cứu

vận hành

o dữ liệu

và hỗ trợ

HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011

công tác thành lập bản đồ tại Việt Nam.Mặc dù hệ thống được áp dụng khá linh hoạt trong mọi điều kiện địa hình và rất hiệu quả trong giám sát các khu vực có môi trường độc hại, nhưng còn hạn chế thời gian bay (<30 phút) phạm vi giám sát trong bán kính < 500m (tính từ trạm điều khiển mặt đất) Hệ thống thu nhận ảnh sử dụng UAV đang ngày một hoàn thiện nhằm góp phần làm chủ công nghệ viễn thám ở độ cao thấp từ 10m đến 300m tạo ra khả năng ứng dụng rất lớn trong nhiều lĩnh vực phục vụ phát triển kinh tế-xã hội và an ninh quốc phòng

Tài liệu tham khảo

[1] Eisenbeiss, H 2008, The autonomous mini helicopter: a powerful platform for mobile mapping The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information

Sciences Vol XXXVII Part B1, Beijing

[2] Eisenbeiss, H., 2011, The potential of Unmanned Aerial Vehicles for mapping, Institute for Photogrammetry: Germany p 135-144

[3] Henri Eisenbeiβ, 2009, UAV photogrametry, Zurich, 203 pages

[4] James S.Aber, 2010, Small Format Aerial Photography, 1st edition, Elsevier, 261 pages

[5] Remondino, F., et al, 2011, UAV photogrammetry for mapping and 3D modeling – current status and future perspectives – in International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences Switzerland

[6] Information & Science Techno-System Co., Ltd,http://www.bizworks.co.jp/UAV/Top_E.htm,

09/2011

[7] Information & Science Techno-System Co., Ltd http://www.ists.co.jp/doc/FalconPARS_en.pdf, 09/2011