Luận án nghiên cứu công nghệ quét laser 3 chiều mặt đất trong lĩnh vực địa hình và phi địa hình ở việt nam

Cũng như phương pháp chụp ảnh mặt đất việc ứng dụng công nghệ quét laser 3D mặt đất được ứng dụng trong lĩnh vực địa hình và phi địa hình khác nhau như: - Thực hiện đo đạc địa hình vùng

mọi lĩnh vực hoạt động sản xuất nhằm giảm tối đa tác động của con người đối với sản phẩm tạo ra Quá trình vi xử lý kỹ thuật đóng vai trò rất quan trọng trong việc kết nối, tích hợp giữa các công đoạn và các công nghệ trong quá trình sản xuất nói chung Đặc biệt trong lĩnh vực thu nhận dữ liệu không gian mặt đất, việc tích hợp các công nghệ định vị vệ tinh GPS, công nghệ ảnh số, công nghệ laser trao đổi dữ liệu trên nền tảng Internet đang là xu thế phát triển hiện nay mà tiêu biểu là hệ thống quét laser nói chung và quét laser mặt đất nói riêng

Bản chất quá trình quét laser mặt đất là đo độ chính xác cao khoảng cách từ trạm quét tới điểm địa vật và ghi lưu các hướng quét tương ứng (theo góc quét đứng

và góc quét ngang), các đại lượng đo tương tự như toàn đạc điện tử Tuy nhiên, hệ thống quét laser mặt đất cho ra đồng thời một khối lượng tọa độ các điểm quét với hình ảnh quét 3 chiều (3D) rất lớn

Hệ thống quét laser 3D mặt đất chủ yếu ứng dụng trong lĩnh vực địa hình trên phạm vi không rộng lớn nhưng đòi hỏi độ chính xác cao Với những tính chất của những giá trị đo thừa cho phép tự động hóa cao quá trình thu nhận dữ liệu thông tin

về bề mặt thực địa Cũng như phương pháp chụp ảnh mặt đất việc ứng dụng công nghệ quét laser 3D mặt đất được ứng dụng trong lĩnh vực địa hình và phi địa hình khác nhau như:

- Thực hiện đo đạc địa hình vùng có mức độ địa vật dày đặc rất phức tạp;

- Lĩnh vực xây dựng và khai thác các công trình (kiểm tra, lập kế hoạch tối ưu, sửa chữa và khôi phục công trình, theo dõi biến dạng, lún và quan trắc trong quá trình xây dựng);

- Công nghiệp khai thác mỏ (xác định khối lượng khai thác và nghĩa vụ hoàn thổ, xây dựng mô hình số vùng khai thác lộ thiên, hầm mỏ với quan trắc lòng đất để xây dựng mô hình địa chất, khảo sát thiết kế phục vụ khoan và nổ mìn khai thác mỏ);

- Công nghiệp khai thác thăm dò dầu khí (xây dựng các mô hình số khu công nghiệp với công nghệ phức tạp trong quá trình lắp đặt thiết bị và quan trắc theo dõi hoạt động hệ thống);

- Lĩnh vực kiến trúc (khôi phục các tượng đài, công trình văn hóa lịch sử, thành lập các bản vẽ bề mặt kiến trúc);

- Tham gia lập các phương án xử lý giảm thiểu, khắc phục các tai biến xảy ra;

- Lĩnh vực y học (lập mô hình cơ thể con người nhằm giúp sản xuất khôi phục các bộ phận cơ thể);

Việc nghiên cứu một cách khoa học, đầy đủ và hệ thống để sớm đưa ứng dụng công nghệ quét laser 3D mặt đất phục vụ trong công tác địa hình và phi địa hình một cách rộng rãi đang là sự quan tâm của các nhà khoa học và các nhà quản lý Xuất phát

từ nhu cầu thực tiễn để đưa ra những giải pháp kỹ thuật, quy trình công nghệ phù hợp trong điều kiện hiện nay ở Việt Nam đang là nhu cầu cần thiết và cấp bách Vì vậy

tác giả đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu công nghệ quét Laser 3 chiều mặt đất trong lĩnh vực địa hình và phi địa hình ở Việt Nam” Đây là lĩnh vực công nghệ mới ở

nước ta, cho đến nay vẫn chưa có nhiều các nghiên cứu một cách đầy đủ và hệ thống

về các ứng dụng của công nghệ này

2 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

2.1 Mục tiêu

- Mục tiêu tổng quát: Xác lập cơ sở khoa học, ứng dụng công nghệ quét laser

3D mặt đất để thu thập, xử lý, hiển thị, phân tích, cập nhật số liệu khảo sát thực địa phục vụ xây dựng dữ liệu địa không gian trong đo vẽ hiện trạng địa hình và thể hiện các đối tượng phi địa hình

- Mục tiêu cụ thể:

1 Xây dựng các mô-đun, chương trình phụ trợ trong xử lý dữ liệu quét laser mặt đất, tính toán và hiển thị các nội dung dữ liệu: Đọc và lọc dữ liệu laser; giảm mật

độ điểm dữ liệu; tự động nội suy mô hình số địa hình độ chính xác cao

2 Xây dựng quy trình công nghệ quét laser 3D mặt đất cho một số đối tượng trong lĩnh vực phi địa hình

- Nghiên cứu công nghệ quét laser 3D mặt đất trong lĩnh vực địa hình và phi địa hình;

- Nghiên cứu một số thuật toán và tiến hành xây dựng công cụ, chương trình phụ trợ trong xử lý dữ liệu quét laser 3D mặt đất;

- Thực nghiệm để kiểm chứng kết quả nghiên cứu đối với một số khu vực có

sự đa dạng về địa hình và một số đối tượng phi địa hình như là công trình lịch sử văn hóa, tuyến phố cổ hay hang động đặc trưng phục vụ bảo tồn hay quảng bá và phát triển du lịch

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài giới hạn trong các vấn đề về ứng dụng công nghệ quét laser 3D mặt đất trong lĩnh vực địa hình: thành lập mô hình số địa hình ở các khu vực có địa hình đa dạng và tiến hành đánh giá độ chính xác Lĩnh vực phi địa hình: thành lập các mô hình 3D công trình hang động, tuyến phố cảnh quan, di tích lịch sử văn hóa từ đó mô hình hóa phục vụ phát triển kinh tế xã hội

3.2 Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu này được giới hạn trong phạm vi không gian đối tượng địa hình là khu vực địa hình tại khu vực làng Gia Phú xã Bình Dương huyện Gia Bình và khu vực đồi Lim thuộc thị trấn Lim huyện Tiên Du tỉnh Bắc Ninh Đối tượng phi địa hình

là hang Đầu Gỗ thuộc vịnh Hạ Long tỉnh Quảng Ninh; tuyến phố cổ Tạ Hiện, Đinh Liệt quận Hoàn Kiếm thành phố Hà Nội và chùa Bửu Long thành phố Hồ Chí Minh

và một số cổ vật của chùa Bút Tháp tỉnh Bắc Ninh

4 Phương pháp nghiên cứu

Luận án được thực hiện trên cơ sở các phương pháp nghiên cứu chính sau đây:

- Phương pháp thống kê: Tìm kiếm, thu thập, phân tích tài liệu và cập nhật các thông tin có liên quan đến luận án;

- Phương pháp phân tích, tổng hợp: Áp dụng trong quá trình phân tích, tổng hợp các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của công nghệ quét laser mặt đất; so sánh, chọn lọc các kết quả nghiên cứu có liên quan nhằm đưa ra các giải pháp có tính khoa học và thực tiễn cao;

- Phương pháp mô hình hóa: các mô hình kiến trúc mạng, mô hình dữ liệu, mô hình toán trong đồ họa máy tính;

- Phương pháp thực nghiệm: Tiến hành thực nghiệm và đánh giá kết quả thực nghiệm trên các đối tượng để chứng minh cơ sở lý thuyết, hoàn thiện quy trình, khẳng định tính khả thi và đi đến các kết luận khách quan, chính xác

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

5.1 Ý nghĩa khoa học

Xây dựng và hoàn thiện một cách đồng bộ, đầy đủ và khoa học về cơ sở lý thuyết của công nghệ quét laser 3D mặt đất và khả năng ứng dụng công nghệ quét laser 3D mặt đất ở nước ta trong công tác thu thập dữ liệu địa không gian

Đề xuất các giải pháp, quy trình công nghệ, chương trình phần mềm phụ trợ

để ứng dụng kỹ thuật quét laser 3D mặt đất trong việc thu thập và xử lý dữ liệu địa không gian phục vụ xây dựng mô hình số địa hình và một số ứng dụng lĩnh vực phi địa hình trong điều kiện thực tiễn ở nước ta

5.2 Ý nghĩa thực tiễn

Tự động hóa tối đa về thu thập và xử lý dữ liệu, phát huy ưu thế của công nghệ quét laser 3D mặt đất đáp ứng được các yêu cầu về kỹ thuật, chất lượng cũng như kinh phí;

Đáp ứng tức thời nhu cầu đa dạng hóa các lĩnh vực ứng dụng của công nghệ quét laser 3D mặt đất như phục vụ việc quản lý, giám sát và quảng bá các công trình lịch sử, văn hóa du lịch ;

Phát huy tinh thần độc lập, tự chủ trong nắm bắt lý thuyết và làm chủ công nghệ Đưa ra chương trình lọc điểm và ứng dụng thành công trong việc xử lý dữ liệu quét laser 3D mặt đất phù hợp với điều kiện thực tiễn ở nước ta Thúc đẩy ứng dụng công nghệ mới, phục vụ mục tiêu hiện đại hóa ngành đo đạc bản đồ

cũng như hiệu quả trong việc thành lập mô hình số địa hình

Luận điểm 2: Đề xuất quy trình công nghệ quét laser 3D mặt đất phục vụ xây

dựng mô hình 3D cho các đối tượng phi địa hình khác nhau một cách linh hoạt, đồng

bộ, đảm bảo được yêu cầu kỹ thuật về độ chính xác nhằm đáp ứng yêu cầu phát triển kinh tế xã hội ở Việt Nam

7 Các điểm mới của luận án

- Xây dựng chương trình phụ trợ trong xử lý dữ liệu quét laser 3D mặt đất dựa

trên thuật toán lọc dữ liệu quét bằng bổ sung mô hình hóa bề mặt và phát triển mô hình TIN tăng cường bộ lọc để thể hiện chính xác mô hình số địa hình (DTM) phù

hợp với yêu cầu hiện tại ở Việt Nam

- Đề xuất được quy trình công nghệ quét laser 3D mặt đất xây dựng mô hình 3D cho một số đối tượng phi địa hình

8 Cấu trúc và nội dung luận án

Cấu trúc luận án gồm ba phần:

Phần mở đầu: Giới thiệu tổng quan về luận án, tính cấp thiết, mục đích, ý

nghĩa và tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước về những vấn đề liên quan đến nội dung của luận án Từ đó hình thành phương pháp, nội dung nghiên cứu, đồng thời đưa ra các luận điểm bảo vệ và điểm mới của luận án

Phần nội dung nghiên cứu chính của luận án được trình bày trong 4 chương:

Chương 1: Tổng quan về tình hình nghiên cứu công nghệ quét laser 3D mặt

đất trong lĩnh vực địa hình và phi địa hình

Chương 2: Cơ sở khoa học và các nguồn sai số ảnh hưởng đến kết quả quét

laser 3D mặt đất

Chương 3: Xây dựng chương trình xử lý dữ liệu quét laser 3D mặt đất trong

lĩnh vực địa hình

Chương 4: Xây dựng quy trình công nghệ quét laser 3D mặt đất cho việc khảo

sát một số đối tượng phi địa hình

Phần kết luận và kiến nghị: Tổng hợp lại các vấn đề nghiên cứu trong luận

án, đưa ra kết luận khẳng định kết quả nghiên cứu về công tác tách lọc xử lý dữ liệu đám mây điểm thu thập bằng quét laser 3D mặt đất, đề xuất quy trình công nghệ quét laser 3D mặt đất cho việc khảo sát từng đối tượng phi địa hình cụ thể Từ các kết quả nghiên cứu đạt được, đưa ra các kiến nghị cần quan tâm giải quyết có nội dung liên quan đến đề tài

(Mobile Laser Scanning hay MLS) và công nghệ quét laser trên trạm cố định (Terrestrial Laser Scanning hay TLS) Trong phạm vi của Luận án này tác giả chỉ tập chung nghiên cứu về công nghệ quét laser trên trạm cố định hay được gọi là Công nghệ quét laser 3D mặt đất

Chương này trình bày tổng quan về các công nghệ, thiết bị quét laser 3D mặt đất, một số lĩnh vực ứng dụng công 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 công nghệ quét laser 3D mặt đất ở trên thế giới và Việt Nam Từ đó, tác giả rút ra các vấn đề còn tồn tại sẽ được giải quyết trong luận án

1.1 Sơ lược về công nghệ quét laser

1.1.1 Công nghệ quét Laser cố định

Công nghệ Lase được hình thành và phát triển từ những năm 1960 bởi nhà khoa học Theodore H.Maiman trên cơ sở lý thuyết của Charles Hard Towner và Asthur Leonard Schawlow [76] Ngày nay công nghệ laser đã, đang phát triển mạnh

mẽ và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật điều tra cơ bản, y tế, xây dựng, giao thông v.v… Công nghệ quét Lase 3D mặt đất (TLS 3D) là một cuộc cách mạng trong thu thập dữ liệu mặt đất phục vụ cho các như cầu ứng dụng 3D Việc ứng dụng để thu thập thông tin dữ liệu đối tượng mặt đất được thực hiện từ những điểm cố định trên thực địa (điểm gốc trắc địa, điểm khống chế hoặc đo nối khống chế) đang được ngày càng quan tâm và phát triển Về nguyên tắc hoạt động của TLS 3D giống như cơ chế hoạt động của các thiết bị máy đo toàn đạc điện tử thế hệ mới là sử dụng tốc độ ánh sáng với thời gian tín hiệu từ nguồn phát đến đối tượng và phản hồi lại nguồn thu để tính khoảng cách Sự khác biệt cơ bản trong bước sóng tia laser, số lượng và tốc độ ghi nhận dữ liệu các điểm đo (đám mây điểm), các thao tác ngoài thực địa và quá trình xử lý dữ liệu đo Việc mô tả, trình bày cơ sở khoa học, lý thuyết và phân tích

đầy đủ về công nghệ quét Lase 3D cố định mặt đất sẽ được tác giả trình bày chi tiết trong chương 2 của Luận án này

1.1.2 Công nghệ quét laser di động

Công nghệ quét laser di động (Mobile Laser Scanning hay MLS) đã được phát triển từ cuối những năm 1980 Hệ thống MLS cho phép thu thập dữ liệu 3D của các đối tượng chi tiết hơn so với các phương pháp thu thập truyền thống như chụp ảnh hay sử dụng máy toàn đạc điện tử Do đó, MLS đã trở thành một trong những công nghệ chủ đạo để thu thập dữ liệu không gian 3D hiện nay MLS đã được sử dụng trong rất nhiều các ứng dụng như khảo sát đô thị, khảo sát cơ sở hạ tầng giao thông, khảo sát cơ sở hạ tầng đường cao tốc, lập bản đồ đô thị 3D, xây dựng đường bộ và đường sắt, các ứng dụng khảo sát ven biển và nhiều ứng dụng khác [45,50]

Một hệ thống MLS bao gồm một phương tiện mang hệ thống laser, các cảm biến điều hướng và (các) máy quét laser Hệ thống quét laser có thể được đặt trên các phương tiện chuyên chở khác nhau và được sử dụng cho các ứng dụng khác nhau Ví

dụ, phương tiện chuyên chở có thể là một chiếc ô tô thông thường [49], một chiếc xe bảo dưỡng đường đua [53] hoặc một chiếc thuyền [45] Các cảm biến điều hướng thường là bộ thu GNSS kết hợp với Hệ thống dẫn đường quán tính/Đơn vị đo lường quán tính (INS/IMU), được sử dụng để cung cấp vị trí và quỹ đạo của phương tiện mang hệ thống laser, cụ thể hơn là vị trí của máy quét laser tại từng thời điểm đo Ngày nay, trên thị trường có rất nhiều hệ thống MLS (không bao gồm phương tiện chuyên chở) được cung cấp bởi các hãng nổi tiếng như: IP-S2, TRIMBLE MX8, LYNX Mobile Mapper, ROAD-SCANNER, STREETMAPPER, VMX-250 - RIEGL, RIEGL VQ-450, MDL Dynascan M250, MDL Dynascan S250 Các hệ thống MLS khác nhau có thể có các thông số kỹ thuật khác nhau Hệ thống MDL Dynascan S250 được thể hiện ở trong hình 1.1

Hình 1.1 Hệ thống MDL Dynascan S250 được đặt trên ôtô [49]

Dữ liệu thu được từ hệ thống MLS là các dữ liệu dạng đám mây điểm 3D có tham chiếu địa lý Vị trí của một điểm trong đám mây điểm được xác định theo vĩ độ, kinh độ và độ cao Tùy thuộc vào hệ thống MLS, dữ liệu thu được cũng có thể bao gồm giá trị cường độ năng lượng của tia laser phản xạ lại (intensity) của từng điểm được thu thập và màu sắc của các điểm dữ liệu nếu hệ thống MLS được trang bị thêm camera ảnh số

1.2 Một số hệ thống thiết bị quét laser 3D mặt đất và đặc điểm chính

Ngày nay có khá nhiều hãng trên thế giới chế tạo ra hệ thống quét laser mặt đất điển hình là: hãng Trimble (Mỹ) và Leica (Thụy Sỹ), ngoài ra hãng Riegl (Áo), I –Site (Úc), Zoller& Frohlich (Đức)… Các hãng đó đưa ra thị trường các máy quét cho các mục đích khác nhau và có những đặc tính kỹ thuật khác nhau [18]

Hình 1.2 Các hệ thống quét Laser mặt đất phổ biến hiện nay [72,73,74,75,76]

Việc đánh giá hệ thống quét laser mặt đất dựa vào các đặc tính kỹ thuật gồm

[36]:

 Độ chính xác đo khoảng cách và đo góc ngang, góc đứng;

 Độ phân giải cực đại khi quét;

 Cự ly quét tối đa;

 Tốc độ quét, góc quét;

 Độ phân tán của tia laser;

 Mức độ an toàn sử dụng laser;

 Mức độ gọn nhẹ, dễ thao tác và vận chuyển

Bảng 1.1 Đặc tính kỹ thuật chính của một số loại hệ thống quét laser mặt đất

Loại máy Góc quét Phạm vi

TRIMBLE SX10 360° x 300° 700 260.000 2, 5mm/5” LEICA RTC360 360° x 300° 0, 5 – 130 2.000.000 3mm/18”

RIEGL VZ - 6000 360° x 60° 6000 220.000 10mm/12” FARO Focus S 350 360° x 300° 0.6 - 350 976.000 3, 5mm/18” GEOMAX SPS

GS 200 cùng lúc xác định luôn tọa độ không gian (X, Y, Z) điểm quét địa vật và chụp video camera số cho ra các ảnh màu các đối tượng quét Video camera tự động thay đổi tiêu cự ống kính vật và chương trình tự động khôi phục hiện lại hình ảnh [5,10,31]

khả năng điều tiết tiêu cự tự động và nguồn bức xạ laser mạnh tương ứng với tín hiệu phản xạ lại của sóng điện từ [27]

1.3 Các tiêu chí phân loại thiết bị quét laser mặt đất

Phân loại thiết bị quét laser mặt đất dựa trên các chức năng sau:

 Thiết bị đo góc;

 Thiết bị đo chiều dài cạnh;

 Thiết bị đo cao và chênh cao;

 Thiết bị đo vẽ phối hợp;

 Thiết bị chuyên dụng (chiếu đứng, công trình )

 Các thiết bị phụ trợ: dọi tâm, mia, tiêu ngắm, gương phản xạ…

Phân loại thiết bị quét laser mặt đất theo lĩnh vực ứng dụng:

 Theo độ chính xác;

 Độ bền vững và ổn định thiết bị;

 Tính đặc biệt của kết cấu thiết bị

Qua việc phân tích trên cho thấy các thiết bị quét laser mặt đất đưa ra các kết quả trong quá trình đo không thống nhất Ngoài ra mục đích quét laser mặt đất cho ra sản phẩm phục vụ các yêu cầu khác nhau Ở tất cả các loại thiết bị có chung một phương pháp là đo quét laser và lưu trữ dữ liệu thông tin điện tử và không thể phân loại theo các dấu hiệu đó Vì vậy, trên cơ sở tổng quan các trạm quét laser mặt đất và theo cách phân loại các thiết bị trắc địa đưa ra phân cấp theo các tiêu chí sau:

1 Theo phương pháp áp dụng đo khoảng cách (đo xung, đo pha, đo lưới tam giác của máy quét);

2 Theo độ chính xác xác định tọa độ không gian của điểm đối tượng quét (độ chính xác thấp với sai số trên 10mm, độ chính xác trung bình với sai số từ 3mm đến 10mm và độ chính xác cao với sai số dưới 3mm);

3 Theo vật dụng để thu nhận thông tin màu tự nhiên của địa vật (videocamera số; camera số được đặt trên máy quét; bộ cảm biến nhận thông tin màu từ xung phản xạ);

4 Giới hạn khoảng cách xa khi thực hiện quét (quét gần với khoảng cách dưới

30 mét, quét trung bình với khoảng cách từ 30 đến 70 mét và quét xa với khoảng cách trên 70 mét);

5 Theo trường quan trắc của máy quét (nhỏ, trung bình và rộng);

6 Phân loại theo độ an toàn (nguồn phát laser)

Các tiêu chí nêu trên mà đặc biệt là độ chính xác xác định tọa độ không gian

và khoảng cách khi thực hiện quét luôn liên quan đồng bộ và rất cần thiết được tính đến bởi độ chính xác đó luôn phụ thuộc vào khoảng cách từ trạm quét tới điểm quét địa vật

Ngoài ra, còn phân loại máy quét laser mặt đất theo mức độ an toàn Các máy quét laser mặt đất hiện nay được phân thành 4 loại mức độ an toàn Mức độ I không gây ảnh hưởng gì, song mức độ IV có khả năng cắt đứt tấm kim loại dày Vì vậy việc chế tạo máy quét phải được ghi rõ và cảnh báo mức độ an toàn Laser ở mức độ I nguồn phát bảo đảm an toàn cao sử dụng trong chế tạo CD–ROM, thiết bị thăm dò địa chất, thiết bị phân tích phòng thí nghiệm Laser ở mức độ II nguồn phát công suất

thấp làm việc an toàn trong giải phổ quang học (0,38–0,8 μkm), bảo đảm chế tạo các

thiết bị đo dài khoảng cách tiếp xúc quan trắc với tia quét laser an toàn, tuy nhiên quan trắc (trên 15 phút) có thể ảnh hưởng thương tổn tới mắt Không nên nhìn trực tiếp vào tia laser hoặc qua thiết bị ống kính quang học [77] Laser ở mức độ IIIa với thiết bị có bức xạ điện từ liên tục có công suất từ 1 đến 5mW được sử dụng trong thiết bị quét laser hướng tiếp xúc trực tiếp vào mắt sẽ nguy hiểm, kể cả việc quan trắc qua thiết bị kính quang học sẽ tăng thêm tác hại [77] Laser ở mức độ IIIb với thiết bị

có bức xạ điện từ liên tục có công suất từ 5 đến 500mW sử dụng cho thiết bị đo phổ, thiết bị in Litô nổi, khi tiếp xúc cần phải dùng thiết bị bảo vệ mắt [77] Nhìn chung khi thực hiện quét laser không nên tiếp xúc trực tiếp với tia quét ngay cả khi thiết bị laser có mức độ an toàn I

hãng Trimble, Leica, FARO, …ở trên có thể nhận thấy như sau:

 Máy quét Leica ScanStation P50 của hãng Leica Geosystems sử dụng công nghệ “Waveform Processing”, đây là công nghệ tiên tiến nhất với khả năng phát và thu tín hiệu nhanh nhất (tới hàng triệu điểm/giây) Ngoài sử dụng công nghệ “time-of-flight” để tính khoảng cách, nó còn cho phép xử lý hình dạng sóng ở chế độ thời gian thực để xác định đa phản xạ của cùng một xung phát

ra Nó cho phép xác định được các đối tượng trung gian trên đường di chuyển trước khi chạm bề mặt đất, với khoảng cách đo 1000 m, tốc độ đo tới 1 triệu điểm/giây Vì vậy đây là dòng sản phẩm tốt để khảo sát các đối tượng trung gian (lớp thực phủ, đường dây điện, ) ngoài bề mặt địa hình Dòng sản phẩm này có giá thành cao, vì vậy nếu nguồn kinh phí cho phép thì đây là các thiết

bị cho độ chính xác và tin cậy cao

 Máy quét Trimble SX10 của hãng Trimble sử dụng công nghệ flight” để xác định khoảng cách, với khoảng cách đo 700 m và tốc độ 260 nghìn điểm/giây, độ chính xác ±2, 5 mm Là sản phẩm tầm trung của hãng Trimble, đã được bán và ứng dụng tại Việt Nam Đây là lựa chọn tốt để đo quét các mỏ có diện tích vừa và lớn

“Time-of- Máy quét FARO Focus3D S350 được hãng FARO đưa vào giới thiệu tại thị trường Việt Nam từ năm 2019, là thiết bị sử dụng công nghệ “phase shift” để xác định khoảng cách, với khoảng đo 350 m, tốc độ đo tới 976.000 điểm/giây

và độ chính xác ±3,5 mm Ngoài ra, đây là dòng sản phẩm được tích hợp camera có độ phân giải tới 70 megapixel, có chế độ chụp ảnh HD cùng thiết

bị có kích thước gọn nhẹ nhất trong các sản phẩm có tính năng tương đương (kích thước: 240x200x100 mm, cân nặng: 5,2 kg) cùng giá cả tương đối phù

hợp và đã được sử dụng khá phổ biến và thích hợp trong lĩnh vực di sản văn hóa tại Việt Nam

 Máy quét SPS Zoom 300 của hãng GEOMAX được giới thiệu và cung cấp ra thị trường từ năm 2014 sử dụng công nghệ “time-of-flight” để xác định khoảng cách Khoảng cách quét từ 2.5-300m độ chính xác ±10mm ở khoảng cách 100m Tích hợp 2 máy ảnh kỹ thuật số với độ phân giải 5 megapixels

Trên cơ sở tổng hợp, phân tích, so sánh đặc điểm, tính năng của thiết bị quét laser mặt đất của các hãng ở trên và tùy theo mức độ của dự án, mức độ chi tiết, độ chính xác, khả năng kinh phí để lựa chọn thiết bị hợp lý

1.5 Tổng quan về các công trình nghiên cứu công nghệ quét laser mặt đất

1.5.1 Trên thế giới

Việc ứng dụng công nghệ quét laser 3D mặt đất trong lĩnh vực địa hình và phi địa hình đã được nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới quan tâm, chủ yếu nghiêng về lĩnh vực ứng dụng phi địa hình Các thông tin khoa học này được trình bày trong nhiều báo cáo khác nhau với nhiều ứng dụng cụ thể

 Các nghiên cứu, ứng dụng trong địa hình:

Năm 2014, tác giả Nora Tilly, cùng cộng sự đã đăng tải trong tạp chí Journal

of Applied Remote một nghiên cứu cho thấy quét laser trên mặt đất để xây dựng các

mô hình bề mặt về cây trồng đa thời gian: đo chiều cao cây chính xác và ước tính sinh khối trên ruộng lúa và kết luận công nghệ này là phù hợp để chụp các vật thể nhỏ như cây trồng [30]

Năm 2011, Peter Schürch đã công bố nghiên cứu [31] về sự thay đổi bề mặt địa hình phức tạp sử dụng quét laser trên mặt đất: ứng dụng vào lưu lượng đá rơi vỡ kênh Illgraben Tác giả đã sử dụng nhiều chu kỳ quét, tại nhiều thời điểm khác nhau

và so sánh bề mặt địa hình thông qua mô hình số DTM và tính toán khối lượng đất

đá bị trượt lở

Năm 2017, Andri Baltensweiler thuộc Viện nghiên cứu cảnh quan, tuyết và rừng liên bang Thụy Sĩ - WSL và các đồng tác giả đã nghiên cứu và đề xuất việc ứng dụng quét laser trên mặt đất cải thiện mô hình số độ cao và mô hình hóa độ pH của

(≈1m), DEM dựa trên TLS có độ chính xác cao hơn DEM dựa trên ALS Do đó, việc

sử dụng TLS cải thiện chất lượng của các thuộc tính địa hình, là nền tảng cho nhiều ứng dụng sinh thái và thủy văn

 Các nghiên cứu, ứng dụng trong lĩnh vực phi địa hình:

Một số tác giả sử dụng công nghệ quét laser mặt đất để nghiên cứu sự thay đổi lớp phủ bề mặt địa hình, đo đạc, kiểm kê hiện trạng rừng…Năm 2014, tạp chí Remote Sensing đã công bố công trình nghiên cứu sự thay đổi sinh khối cây bằng công nghệ quét laser trên mặt đất và mô hình cấu trúc định lượng [36] Phương pháp này cho phép lặp lại các phép đo theo các chu kỳ với số lượng mẫu lớn, nhanh chóng và hiệu quả để theo dõi sự tăng trưởng, tỷ lệ tử vong và sinh khối rừng trong mô hình 3D

Năm 2015, Glenn J Newnham đã sử dụng quét laser trên mặt đất để đo đạc quy mô rừng [14] Như một công cụ đo lường bao gồm cả sự phát triển của cả phương pháp xử lý dữ liệu phần cứng và phần mềm, cách tiếp cận mô hình dữ liệu rộng về xác suất khoảng cách và mô hình hình học cùng với lý thuyết cơ bản làm nền tảng cho phương pháp này Triển vọng trong tương lai là tăng việc sử dụng quét laser trên mặt đất để đánh giá rừng theo quy mô từng lô và giám sát rừng

Năm 2013, tạp chí ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing đã xuất bản một nghiên cứu của Francesco Pirotti [13] về việc lọc mặt đất và lập bản đồ thực vật bằng cách sử dụng chức năng quét laser mặt đất đa hướng phản xạ trở lại, tạo ra một mô hình số địa hình (DTM), một mô hình số bề mặt (DSM), bản đồ mật

độ thực vật và mô hình chiều cao tán cây Những sản phẩm này có tầm quan trọng đối với nhiều ứng dụng từ lâm nghiệp đến thủy văn và địa mạo Cũng trong năm này, tác giả Mathieu Dassot cùng cộng sự đã công bố trong tạp chí Computers and Electronics in Agriculture [27] cũng đã nghiên cứu đánh giá tiềm năng của quét laser trên mặt đất để đánh giá khối lượng gỗ rắn (tức là đường kính thân và nhánh lớn hơn 7cm) của cây thẳng đứng trưởng thành trong môi trường rừng

Một số nhóm tác giả thì nghiên cứu công nghệ quét laser mặt đất trong khảo sát hang động, theo dõi thay đổi bề mặt địa hình, xây dựng các mô hình 3D trong lĩnh vực xây dựng… Năm 2016, Mohammed Oludare Idrees sau khi nghiên cứu một thập

kỷ khảo sát hang động hiện đại với máy quét laser trên mặt đất: Tổng quan về cảm biến, phương pháp và phát triển ứng dụng cung cấp khả năng tuyệt vời về độ chính xác, tốc độ quét và mật độ điểm cho bản đồ địa hình tỷ lệ nhỏ và vừa, của môi trường

mở và khép kín Năm 2013, Soohee Han đã trình bày phương pháp tự động và hiệu quả để chiết xuất các đoạn đường hầm sử dụng dữ liệu quét trên mặt đất bằng laser [39] Hiệu suất của phương pháp được đề xuất đã được đánh giá bởi áp dụng nó vào một đường hầm thực tế và so sánh kết quả với phương pháp thông thường sử dụng máy toàn đạc Trong kết quả nghiên cứu, các mặt cắt được chiết xuất tại các trạm tương ứng với phương pháp thông thường Phương pháp được đề xuất đã chứng minh rằng nó mang lại lợi thế, bao gồm mô tả chi tiết và nâng cao hiệu quả khảo sát và xử

lý dữ liệu

Năm 2007, Yusuf Arayici đã sử dụng một cách tiếp cận mô hình hóa dữ liệu thế giới thực với máy quét laser mặt đất 3D cho môi trường xây dựng Sử dụng hệ thống quét bằng công nghệ laser 3D, có được dữ liệu điểm mật độ cao một cách chính xác, nhanh chóng Bên cạnh đó, máy quét có thể số hóa tất cả thông tin 3D liên quan với một đối tượng thế giới thực như tòa nhà, cây cối và địa hình xuống đến chi tiết milimet Do đó, nó có thể mang lại lợi ích cho quá trình nâng cấp trong tái tạo trong môi trường xây dựng [40] Một loạt các bản quét ngoài và trong cho phép mô hình 3D chính xác của tòa nhà được xây dựng Mô hình này có thể được chia cắt thông qua các mặt khác nhau để xây dựng độ chính xác 2D và độ cao Công nghệ mới này cải thiện hiệu quả và chất lượng của các dự án xây dựng, chẳng hạn như bảo trì các tòa nhà hoặc nhóm tòa nhà sẽ được cải tạo cho các dịch vụ mới trong môi trường xây dựng Ngoài ra, công nghệ quét laser có thể được sử dụng trong tích hợp với GPS vi phân cho mô hình địa hình để phân tích và kiểm tra cấu trúc địa hình một cách chính xác

tin 3D rõ ràng từ điểm đám mây để tự động phát hiện các đối tượng và cấu trúc có trong hiện trường Các đối tượng được phát hiện sau đó được sử dụng làm mục tiêu

để đăng ký dựa trên mô hình, có thể được tự động hóa bằng cách tìm kiếm các đối tượng tương ứng [12]

 Các nghiên cứu, ứng dụng các thuật toán lọc điểm:

Năm 2012 L.Monika Moskal và Guang Zheng đã trình bày thuật toán cắt đám mây điểm để tăng quá trình thu thập dữ liệu đám mây điểm từ quét laser trên mặt đất [18], sau đó thử nghiệm công cụ này để áp dụng kiểm kê các khu rừng không đồng nhất trong đô thị

Cũng trong năm 2012, J.Susaki đã nghiên cứu thuật toán lọc độ dốc thích ứng của dữ liệu Lidar hàng không thành lập mô hình số địa hình khu vực đô thị [38] Thuật toán được đề xuất sử dụng các tính năng bề mặt phẳng và khả năng kết nối với các điểm thấp nhất cục bộ để cải thiện việc khai thác các điểm trên mặt đất (GPs: ground points) Thông số độ dốc được sử dụng trong thuật toán đề xuất được cập nhật sau khi ước tính ban đầu của DTM và do đó thông tin địa hình địa phương có thể được đưa vào Kết quả là, thuật toán được đề xuất có thể trích xuất GPs từ các khu vực xen kẽ các mức độ biến đổi độ dốc khác nhau Cụ thể, dọc theo các con đường

và đường phố, GPs được lấy ra từ các khu vực đô thị, từ các khu vực đồi núi như rừng

và từ khu vực bằng phẳng như bờ sông Việc xác thực bằng cách sử dụng dữ liệu tham chiếu cho thấy rằng, so với phần mềm lọc thương mại, thuật toán được đề xuất trích xuất GPs với độ chính xác cao hơn Do đó, thuật toán lọc được đề xuất tạo ra hiệu quả DTM, ngay cả đối với các khu vực đô thị dày đặc, từ dữ liệu Lidar hàng không [39]

 Nghiên cứu và phát triển các phần mềm thương mại:

Về mặt công nghệ quét 3D mặt đất thì tùy từng hãng sẽ phát triển và sử dụng các hệ thống phần mềm khác nhau Hãng TRIMBLE đã giới thiệu hệ thống quét

Trimble SX10 trong đó sử dụng phần mềm thực địa Trimble Access cho phép có thể

nhìn cùng một lúc cả bản đồ hoặc hình ảnh và màn hình được khoanh vùng Đồng thời

sử dụng phần mềm nội nghiệp là Trimble Business Center; Trimble Realworks và Trimble Edgewise giúp tích hợp dữ liệu hoàn chỉnh (tự động gắn màu, đăng ký đám mây, bình sai mạng lưới…) góp phần quản lý dữ liệu đám mây điểm 3D hiệu quả [72]

Hãng LEICA giới thiệu hệ thống quét laser Leica RTC360 trong đó sử dụng bộ phần

mềm gồm Leica Cyclone, Leica Cyclone Cloud, Leica Cloudworx và Leica Truview [73] Đây là một nhóm các mô-đun phần mềm hoàn chỉnh cung cấp tập hợp các tùy chọn quy trình làm việc rộng nhất cho các dự án quét laser 3D trong kỹ thuật, khảo sát, xây dựng và các ứng dụng liên quan Nó cũng có các mô-đun riêng để tạo ra các sản phẩm từ báo cáo đến bản đồ và mô hình 3D, phim/hình hoạ và các định dạng dữ liệu 3D dung lượng thấp có thể được phân phối tự do trên web Hãng RIEGL giới thiệu hệ

thống quét laser mặt đất Riegl VZ – 6000 trong đó sử dụng hệ thống phần mềm xử lý

dữ liệu là RiSCAN PRO 2.0, RiMINING 2.0 và RiSOLVE 2.0 với chức năng tối ưu hóa, đơn giản hóa và tự động hóa quy trình xử lý dữ liệu [74] Nâng cao khả năng tương thích hoàn toàn với thu thập, đăng ký và đánh dấu dữ liệu quét 3D ngoài trời Hãng

FARO đưa ra hệ thống quét FARO Focus S350 với phần mềm quản lý và xử lý dữ

liệu đám mây điểm 3D toàn diện cho người dùng chuyên nghiệp là Faro SCENE 7.0

Nó được thiết kế đặc biệt cho xem, quản trị và làm việc với dữ liệu quét 3D mở rộng thu được từ máy quét laser 3D độ phân giải cao như FARO Focus X Phần mềm SCENE 7.0 xử lý và quản lý dữ liệu được quét cả hiệu quả cao và dễ dàng bằng cách cung cấp một loạt các chức năng và công cụ như lọc, nhận dạng đối tượng tự động, đăng ký quét, cũng như quét tự động và đánh dấu màu Với SCENE WebShare Cloud, các dự án quét sau đó có thể được xuất bản trên Internet và được xem với một Internet tiêu chuẩn trình duyệt Tuy nhiên, tất cả các hệ thống phần mềm này cơ bản là đóng kín, không thể can thiệp hay tác động vào được [75]

thành hai nhóm nguồn sai số: Sai số thiết bị tạo nên bởi chất lượng chế tạo lắp ráp và hiệu chỉnh các bộ phận quang học, cơ học, điện tử của trạm quét; Sai số phương pháp

mà chính các đại lượng đo do phương pháp xác định bằng thiết bị quét laser mặt đất Các nguồn sai số này sẽ ảnh hưởng đến sự đồng nhất chất lượng số liệu quét giữa tất

cả các trạm máy đồng thời ảnh hưởng tới độ chính xác tối ưu cho các sản phẩm chuyển giao và các mô hình ứng dụng cuối cùng

Nhìn chung, các vấn đề về công nghệ quét laser mặt đất hiện tại khá đầy đủ Tuy nhiên trong các trình bày này tác giả chỉ chú trọng đến thông tin khoa học, chưa đưa ra quy trình công nghệ cụ thể và cũng chưa đi sâu phân tích thuật toán chi tiết Tham khảo những báo cáo khoa học này gần như chỉ là thông tin cơ sở, chủ yếu tập trung vào các ứng dụng cụ thể, thường khá rời rạc, khó tiếp thu và triển khai

Khi ứng dụng một hệ thống quét laser mặt đất cần nắm bắt rõ bản chất và áp dụng đúng quy trình công nghệ Hiện nay các tác giả lại chưa có công bố pháp lý về quy trình công nghệ thực hiện quét laser mặt đất cho mục đích xây dựng mô hình 3D cho các đối tượng phi địa hình Quy trình công nghệ là công đoạn quan trọng trong quá trình tiến hành xây dựng định mức kinh tế kỹ thuật thực hiện các hạng mục công việc để hoàn thiện sản phẩm Đây chính là nội dung cần giải quyết của luận án này

1.5.2 Trong nước

Việc sử dụng công nghệ quét 3D mặt đất trong lĩnh vực địa hình và phi địa hình ở nước ta đã được các nhà khoa học nước nhà khá quan tâm, trong đó nhiều tác giả đã đề cập đến trong các nghiên cứu khác nhau

Trong năm 2020, tác giả Nguyễn Viết Nghĩa và các cộng sự đã thực hiện việc thành lập bản đồ mỏ than với độ chính xác cao ứng dụng công nghệ quét laser mặt đất Bản đồ mỏ lộ thiên và mỏ hầm lò thường được thiết lập bằng các khảo sát thông thường như máy toàn đạc; tuy nhiên, mật độ điểm thấp thường dẫn đến các bản đồ có

độ chính xác thấp Nghiên cứu này đánh giá tính khả thi ứng dụng quét laser mặt đất

để thiết lập bản đồ độ chính xác cao tại một số mỏ than của Việt Nam với các điều kiện bất lợi ảnh hưởng đến kết quả đo Độ chính xác được đánh giá khi so sánh với kết quả đo từ dữ liệu máy toàn đạc Từ kết quả nghiên cứu điển hình tại mỏ than lộ thiên Cọc Sáu và hầm lò Khe Chàm (Việt Nam) cho thấy độ chính xác tọa độ là 0,6

÷ 6,7 mm trong phạm vi 4 đến 75m tại mỏ lộ thiên Cọc Sáu và 0,8 ÷ 3,6 mm trong phạm vi từ 4 đến 25m tại mỏ hầm lò Khe Chàm Tác giả khẳng định việc thành lập bản đồ trong phạm vi nhỏ, hẹp độ chính xác cao với các mỏ than ứng dụng quét laser mặt đất là rất phù hợp và có hiệu quả kinh tế cao

Năm 2019, Bộ Tài nguyên và Môi trường đã ban hành Thông tư BTNMT “Quy định kỹ thuật thành lập mô hình số độ cao bằng công nghệ quét LiDAR mặt đất trên trạm cố định”, trong đó quy định về cơ sở toán học, quy định về độ chính xác của mô hình số độ cao, quy trình thành lập mô hình số độ cao bằng công nghệ quét LiDAR mặt đất trên trạm cố định (Công tác chuẩn bị; Khảo sát khu vực thi công; Lập thiết kế quét LiDAR mặt đất; Đo nối khống chế; Thu nhận dữ liệu; Xử lý dữ liệu; Điều tra, đối soát ngoại nghiệp và đo đạc bổ sung; Thành lập mô hình số độ cao; Kiểm tra, thẩm định, nghiệm thu chất lượng sản phẩm; Giao nộp sản phẩm)

17/2019/TT-Năm 2017, tác giả Trần Quốc Vinh và các cộng sự đã nghiên cứu kết hợp dữ liệu của máy bay không người lái và máy quét laser mặt đất thành lập bản đồ 3D khu vực đô thị [7], nghiên cứu này đã trình bày việc thành lập bản đồ 3D đô thị từ dữ liệu quét mặt đất 3D hoặc từ ảnh chụp của máy bay không người lái Nhược điểm của máy quét mặt đất là không thu được dữ liệu phần mái của nhà cao tầng Vấn đề này lại là thế mạnh của chụp ảnh từ máy bay không người lái Nghiên cứu này kết hợp dữ liệu thu được từ máy quét laser mặt đất và dữ liệu chụp từ máy bay không người lái thành lập bản đồ 3D khu vực đô thị có thể khắc phục nhược điểm của mỗi loại công nghệ Việc sử dụng bộ dữ liệu kết hợp đã chứng minh có thể thành lập được bản đồ 3D tỉ lệ 1:1000 khu vực đô thị theo tiêu chuẩn hiện hành Ngoài ra khi sử dụng công nghệ này, còn có thể thu được dữ liệu của địa vật với độ chính xác cao, có thể khai thác để phục vụ nhiều mục đích khác nhau trong lĩnh vực quản lý đô thị

đo 6 giờ và sai số vị trí điểm sau ghép mô hình ±3mm Số liệu thu được cho phép xử

lý nhiều mục đích khác nhau phục vụ các công tác trắc địa của mỏ Qua các kết quả nghiên cứu cho thấy máy quét laser GeoMax Zoom 300 hoàn toàn đáp ứng yêu cầu trong công tác thành lập bản đồ mỏ lộ thiên tại Việt Nam

Năm 2015, tác giả Vũ Quốc Lập đã chủ trì đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ quét laser mặt đất nâng cao chất lượng dữ liệu địa không gian nhằm tăng cường năng lực quản lý Nhà nước trong hoạt động khoáng sản” [4] Trong đó ứng dụng công nghệ quét laser mặt đất cho phép xây dựng các bản đồ hiện trạng, các mô hình số độ cao, mô hình số địa hình là các sản phẩm thông tin địa không gian cần thiết cho công tác tính khối lượng đất bóc và khoáng sản, lập và điều chỉnh kế hoạch khai thác, xây dựng hộ chiếu khoan nổ mìn v.v một cách nhanh chóng, giảm thời gian và công sức Trong điều kiện khai thác xuống sâu, hiện tượng dịch chuyển đất đá và trượt lở

bờ mỏ xảy ra liên tục Công nghệ quét laser mặt đất với khả năng tổ chức sản xuất đơn giản, cung cấp nhanh các kết quả quan trắc hiện trạng bờ mỏ giữa các chu kỳ, cho phép dự báo chính xác hiện tượng trượt lở bờ mỏ góp phần điều khiển hiệu quả

ổn định bờ mỏ Trong điều kiện hệ thống hầm lò chật hẹp, thiếu ánh sáng, điều kiện

đo đạc khó khăn v.v , công nghệ quét laser mặt đất là công cụ hiệu quả nhất trong công tác đo vẽ hiện trạng các hệ thống hầm lò Các dữ liệu và mô hình địa không gian cho phép nhanh chóng xác định khối lượng khai thác, nghiên cứu biến dạng áp lực v.v trong quá trình tổ chức sản xuất, quản lý và kiểm tra hoạt động khoáng sản trong hầm lò Kết quả nghiên cứu và đo thực nghiệm đề tài đã được nghiệm thu tốt góp phần xây dựng và hoàn thiện được các quy trình công nghệ nhằm đáp ứng được yêu cầu cấp bách về đưa công nghệ quét laser mặt đất, một công nghệ mới hiện đại áp dụng vào Việt Nam nhằm tăng cường năng lực quản lý Nhà nước trong hoạt động khoáng sản, đồng thời góp phần vào sự phát triển chung của ngành đo đạc bản đồ, quản lý đất đai [4]

Năm 2012, tác giả Hoàng Kim Quang và các cộng sự trong Công ty TNHH

An Thi Việt Nam đã xây dựng bộ tài liệu “Ứng dụng công nghệ quét laser 3D trong thu thập – xử lý – hiển thị - phân tích, lưu trữ và cập nhật số liệu phục vụ công nghiệp khai khoáng” [70] Tài liệu này giới thiệu, phân tích, đánh giá khả năng ứng dụng phương pháp quét bề mặt bằng công nghệ laser 3D Giới thiệu tổng quan về các hãng cung cấp máy quét laser 3D trên thế giới Tài liệu cũng đưa ra những cơ hội triển khai, áp dụng công nghệ quét laser 3D ở Việt Nam trong tất cả các lĩnh vực và phân tích sâu vào ngành công nghiệp khai khoáng Đưa ra những đánh giá về tiềm năng cũng như cơ hội trong việc nghiên cứu, ứng dụng hệ thống thiết bị phần cứng và giải pháp phần mềm hoàn chỉnh công nghệ quét laser 3D tại Việt Nam

Năm 2012, Vũ Thị Hằng và nhóm tác giả đã thực hiện đề tài khoa học cấp Bộ:

“Nghiên cứu cơ sở khoa học xác định quy luật dịch chuyển đất đá và biến dạng bãi thải mỏ lộ thiên bằng phương pháp địa tin học phục vụ hoàn thiện quy định về cải tạo phục hồi môi trường trong khai thác khoáng sản” [2], trong đó nghiên cứu các

phương pháp địa tin học bao gồm GNSS, GIS, kỹ thuật laser v.v trong công tác nghiên cứu dịch chuyển đất đá và biến dạng bãi thải với điều kiện thực tế ở vùng than Quảng Ninh

Có thể nói việc ứng dụng công nghệ quét laser mặt đất vào mục đích địa hình

và phi địa hình không còn xa lạ ở nước ta, tuy nhiên còn chưa hệ thống và đại trà Mặc dù đã có các nghiên cứu và đưa công nghệ quét Lidar hàng không vào ứng dụng trong thành lập mô hình số độ cao (DEM), mô hình số địa hình (DTM) Công nghệ quét laser mặt đất và công nghệ Lidar hàng không về cơ bản đều dựa trên nguyên lý

đo khoảng cách bằng tia laser, tuy nhiên lại khác nhau cơ bản về cách thức thu thập

dữ liệu và xử lý dữ liệu So với công nghệ quét Lidar thì công nghệ quét laser mặt đất

có độ chính xác cao hơn và tổ chức sản xuất đơn giản hơn, phù hợp hơn công nghệ Lidar hàng không khi tổ chức triển khai ở quy mô vừa và nhỏ

1.6 Một số ứng dụng công nghệ quét laser 3D mặt đất

1.6.1 Đo vẽ và đánh giá biến động địa hình

Ứng dụng công nghệ quét laser 3D mặt đất trong lĩnh vực địa hình bao gồm:

Đo vẽ thành lập bản đồ địa hình; Xây dựng mô hình số địa hình; Đo đạc xác định mặt

tinh là năng suất cao hơn Kinh nghiệm thực tiễn cho thấy rằng phương pháp quét laser 3D mặt đất ứng dụng cho mục đích bản đồ không chỉ cho những vùng thưa thớt địa vật mà còn cho cả những vùng địa vật dày đặc với mức độ cao Thế mạnh chính của phương pháp là chuyển khối lượng công việc khi thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn vào công tác nội nghiệp Như vậy khối lượng công tác ngoại nghiệp sẽ giảm nhiều lần Tuy nhiên đối với những vùng có độ thực phủ dày đặc (cỏ cao trên 40cm) thì việc ứng dụng phương pháp quét laser 3D mặt đất sẽ không hiệu quả, khi đó lại ứng dụng phương pháp truyền thống toàn đạc và đo định vị vệ tinh

a) Mô hình đám mây điểm b) Mô hình DTM

Hình 1.3 Khảo sát địa hình mỏ đất tại huyện Lạng Giang – tỉnh Bắc Giang

Trên cơ sở thực tiễn việc ứng dụng phương pháp quét laser 3D mặt đất để thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn tùy theo điều kiện địa hình cụ thể để lựa chọn công nghệ một cách linh hoạt nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế

1.6.2 Ứng dụng trong lĩnh vực phi địa hình

 Ứng dụng trong kiến trúc, xây dựng và thiết kế công trình

Những năm trước đây để nhận thông tin về các công trình kiến trúc thường sử dụng phương pháp đo chụp ảnh mặt đất hoặc quay thực cảnh đo chọn lọc Các phương pháp trên thực sự là khó khăn với khối lượng lớn công việc và hoàn toàn không thể thành lập đầy đủ chi tiết mô hình 3D của công trình Các đài tưởng niệm kiến trúc, di

tích lịch sử văn hóa là một trong những lĩnh vực hàng đầu được áp dụng công nghệ

quét laser 3D mặt đất Phần lớn trong nhiều trường hợp các đặc tính của những địa

vật có cấu trúc rất phức tạp mà không thể hiện mô tả được bằng các yếu tố hình học

[45] Sự xuất hiện thiết bị quét laser 3D mặt đất trong lĩnh vực đo đạc bản đồ địa hình

cho phép giảm đáng kể chi phí lao động cho công tác đo đạc cũng như tạo ra nhiều

dạng sản phẩm với chất lượng cao

a) Hình ảnh chụp cảnh quan tuyến phố b) Mô hình đám mây điểm - Point cloud

Hình 1.4 Mô hình 3D kiến trúc cảnh quan phố Tạ Hiện - Hoàn Kiếm - Hà Nội

a) Mô hình đám mây điểm -Point cloud b) Ảnh chụp từ máy ảnh số

Hình 1.5 Mô hình 3D trong thiết kế và xây dựng công trình nhà dân dụng [70]

Nhờ xây dựng mô hình 3D chi tiết có thể trùng tu, phục chế đầy đủ và chính

xác các yếu tố hình học của các cấu trúc công trình kiến trúc phức tạp Đặc biệt mô

hình 3D các công trình đô thị, nhà cao tầng trở nên ứng dụng rộng rãi trong quy hoạch

mặt đất Trong thiết kế xây dựng các công trình riêng biệt trong khu đô thị tốt hơn cả

là nên lập đồng bộ bản đồ địa hình tỷ lệ 1:500 hoặc 1:1.000 bằng sử dụng công nghệ quét laser 3D mặt đất

Trong trường hợp này xác định vị trí mặt phẳng địa vật trên bản đồ số, độ cao của chúng nhận được từ xử lý dữ liệu quét laser 3D mặt đất Công nghệ mô hình hóa các công trình nhà cao tầng theo các bước sau:

- Mô tả đặc tính mô hình các công trình và các tòa nhà cao tầng

Trong thiết kế xây dựng các công trình đô thị khi ứng dụng quét laser 3D mặt đất có thể thực hiện hiệu quả các dạng công việc như: quy hoạch tối ưu và kiểm tra

sự dịch chuyển, lắp đặt và tháo dỡ các khối lớn và thiết bị; hiệu chỉnh thiết kế trong quá trình xây dựng; kiểm tra quá trình xây dựng; công việc lắp ghép và hiệu chỉnh; thực hiện đo vẽ trước và sau xây dựng công trình; giám sát quá trình khai thác công trình; tạo mặt cắt và xây dựng mô hình 3D chính xác; hiệu quả xác định khối lượng đào đắp… Quá trình thực hiện tương tự như thành lập mô hình số địa hình

Đặc biệt mô hình xây dựng 3D này ứng dụng trong quá trình quan trắc biến dạng các công trình phức tạp lớn như: các cầu và công trình xây dựng lớn, đập thủy điện, nhà máy điện hạt nhân… Cơ sở giám sát là đặt lưới các bộ cảm biến trên các

vị trí cố định của công trình có thể ghi lại sự chuyển dịch biến dạng tương đối của các thành phần theo các trục tọa độ X,Y,Z với độ chính xác 0,1mm Dữ liệu từ bộ cảm biến liên tục truyền về máy chủ nhận thông tin để phân tích xử lý Mục đích chính làm trùng lưới các bộ cảm ứng với mô hình 3D để quan trắc biến dạng công trình là hướng tự động hóa trong quá trình dự báo hiện trạng và có quyết định đúng hướng giải quyết [46, 47,53]

 Ứng dụng trong khảo cổ học

Khảo cổ học là một lĩnh vực khoa học lịch sử, nghiên cứu quá trình và quy

luật phát triển xã hội loài người theo các nguồn gốc và di tích lịch sử Việc nghiên cứu, tìm kiếm và làm sáng tỏ các nguồn gốc các vật cổ (đồ cổ, dụng cụ lao động, đồ

sứ, vũ khí, đồ trang sức, các công trình văn hóa lịch sử…) ngoài thực địa nhằm làm

rõ về vị trí, thành phần chất liệu và quá trình phát triển của nhân loại là lĩnh vực hoạt động của các nhà khảo cổ học Mô hình 3D chi tiết sẽ là công cụ hiệu quả thể hiện cho khảo cổ và không gian học với các sự mô tả các thuộc tính bằng văn bản, ghi âm tiếng hoặc băng ghi hình tiếng giúp cho quá trình khai thác hiểu biết rõ ràng, sử dụng, nghiên cứu và bảo quản bền vững [34,54] cũng như khôi phục một cách tin cậy các công trình kiến trúc cổ đã bị phá hủy, hư hại trong suốt chiều dài phát triển lịch sử của xã hội loài người

a) Mô hình đám mây điểm b) Mô hình 3D

Hình 1.6 Mô hình 3D “Ngói gắn lá đề” - Hoàng thành Thăng Long- Hà Nội [70]

a) Mô hình 3D b) Mô hình đám mây điểm Hình 1.7 Mô hình 3D di tích Nhà bát giác – Chùa Láng – Hà Nội

 Ứng dụng trong lĩnh vực dầu khí

Lĩnh vực dầu khí vốn sẵn mang đến cả công trình với nhiều hệ thống phức hợp: hệ thống đường ống dẫn dầu, hệ thống cầu cảng, các nhà máy xử lý hóa dầu, các kho thùng dự trữ dầu… Để thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn, đặc biệt xây dựng mô hình 3D với độ chính xác cao rõ ràng ưu thế là áp dụng công nghệ quét laser 3D mặt đất [51]

Ứng dụng phương pháp quét laser 3D mặt đất trong lĩnh vực dầu khí cho phép giải quyết với mức độ chính xác và độ tin cậy cao đối với các nhiệm vụ như sau:

- Xác định chính xác trục đứng của các bể chứa dầu hình trụ;

- Xây dựng bản đồ chi tiết biến dạng thành của bể chứa;

- Xác định độ nghiêng của tấm thành tạo bể chứa so với trục đứng của bể;

- Tính toán được khối lượng chứa dầu;

- Xác định được độ nghiêng bề mặt của bể chứa so với mặt phẳng ngang

Ưu thế của phương pháp là việc đo đạc các đối tượng được thực hiện từ xa

Độ chính xác quét laser vào khoảng 2 lần cao hơn so với việc đo đơn tia laser

a) Mô mình đám mây điểm b) Ảnh chụp từ máy ảnh số

Hình 1.8 Mô hình 3D đường ống dẫn dầu nhà máy Lọc dầu [51]

 Ứng dụng trong lĩnh vực y học

Trong lĩnh vực y học thường và cần thiết biết các tham số hình học của các

bộ phận cơ thể con người để tạo các mẫu lắp ghép, thay thế… Hiện nay trong lĩnh vực y học sử dụng các thiết bị có khả năng làm việc với các thông tin đo đạc để tạo

ra các bộ phận giả nói trên trong không gian 3D Vì vậy việc tạo lập mô hình thực 3D

cơ thể con người sẽ làm tăng chất lượng sản xuất các thực thể thay thế bộ phận trong

y học Ứng dụng mô hình 3D của từng bộ phận con người cùng với sự hiểu biết về sinh lý học cho phép khả năng tạo ra đồng bộ linh hoạt và chính xác kích thước các thực thể nói trên

Đặc biệt ứng dụng mô hình 3D cơ thể con người trong quá trình phẫu thuật tạo hình Bằng mắt thường theo dõi giám sát trên màn hình để xử lý trong quá trình phẫu thuật Quá trình quét bằng lưới tam giác quét laser tương tự như phương pháp đo xung và đo pha cho phép xác định chính xác tọa độ không gian các điểm của cơ thể với độ chính xác phần chục mm Ứng dụng công nghệ quét laser 3D mặt đất trong y học cho phép nâng cao độ chính xác trong quá trình sản xuất các thực thể mẫu ghép

Hình 1.9 Ứng dụng công nghệ quét laser 3D trong phẫu thuật tạo hình [70]

 Ứng dụng trong dự báo các thảm họa nguy hiểm

Kinh nghiệm cho thấy tính hiệu quả khi triển khai các biện pháp xử lý thảm họa nguy hiểm khi được biết chính xác và đầy đủ thông tin đo đạc về khu vực xảy ra Khả năng duy nhất về thông tin đó chính là mô hình 3D mà trên đó thể hiện đầy đủ

về vị trí, các thông tin cần thiết như hệ thống thông tin hạ tầng, tín hiệu cảnh báo (Phòng chống cháy nổ, An ninh bảo mật, … ) Nhờ mô hình 3D cho phép giải quyết các nhiệm vụ sau:

- Thiết kế các phương án xử lý thảm họa xảy ra Tạo ra hệ thống tự động hóa tiếp nhận và quyết định xử lý thảm họa nguy hiểm xảy ra;

- Thiết kế các hệ thống đảm bảo an toàn và thiết yếu cho con người với mục đích hiệu quả khai thác chúng;

- Tìm kiếm và khắc phục các thiết bị hư hỏng Mô hình hóa và dự báo phát triển các tính huống xảy ra như (hỏa hoạn, nổ hóa chất, sự cố tai nạn…);

- Thiết kế tuyến đường vận chuyển thiết bị khi cần thiết (trong đường hầm);

- Thiết kế khoanh vùng bảo toàn khu dân cư Thiết kế các vị trí đặt thiết bị theo dõi thảm họa khi xảy ra Xây dựng hệ thống thiết bị bay không người lái và cứu

hộ trong điều kiện khó quan sát

Ứng dụng mô hình 3D chi tiết bằng phương pháp quét laser 3D mặt đất với hệ thống giám sát theo dõi cho phép trong chế độ trực tuyến online để đánh giá chi tiết quá trình xử lý khắc phục thảm họa, sự cố xảy ra đặc biệt đối với các công trình có ý nghĩa chiến lược (nhà máy thủy điện, nhà máy điện hạt nhân, hệ thống tàu điện

ngầm…) Ngoài ra còn nâng cao tính linh hoạt và hiệu quả điều hành quyết định trên hiện trường khi sự cố thảm họa xảy ra

Hình 1.10 Ứng dụng trong theo dõi, dự báo, giám sát thảm họa khai thác mỏ [4]

1.7 Những vấn đề được phát triển trong luận án

Từ khi các hệ thống quét laser 3D mặt đất du nhập vào nước ta, công nghệ này

đã có những đóng góp trong việc khảo sát bề mặt địa hình, thành lập mô hình số độ cao (DEM), mô hình số địa hình (DTM), xây dựng mô hình 3D phục vụ phân tích tổng hợp…Tuy nhiên, còn nhiều vấn đề tiếp cận khá khó khăn đối với công nghệ quét laser 3D mặt đất như: Hiểu bản chất nguyên lý hoạt động của hệ thống; nguyên lý làm việc khối đo dài; các phương pháp đo góc của máy quét; các nguồn sai số trong kết quả quét laser mặt đất…kể cả vấn đề lý thuyết và thực hành đều chưa có nghiên cứu cơ bản để triển khai rõ ràng, cụ thể

Hơn nữa, hiện nay chưa có một nghiên cứu hoàn chỉnh, đồng bộ và đầy đủ từ

lý thuyết đến thực nghiệm nhất là trong lĩnh vực phi địa hình; chưa có công bố mang tính pháp quy cũng như chưa ban hành đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật, quy trình công nghệ, định mức – đơn giá thực hiện quét laser mặt đất cho việc xây dựng mô hình địa hình số độ cao đối với các đối tượng phi địa hình Từ đó làm cơ sở để triển khai rộng rãi trong thực tế sản xuất

Yếu tố khai thác, sử dụng phần mềm thương mại của nước ngoài còn nhiều bất cập, từ môi trường làm việc, việc định dạng của đầu ra sản phẩm, các công cụ không được Việt hóa gây khó khăn cho người sử dụng Hơn nữa do điều kiện thực tiễn ở nước ta là các yếu tố đặc trưng địa hình và địa vật rất đa dạng do đó phần mềm

phụ trợ trong xử lý dữ liệu quét laser mặt đất phù hợp với điều kiện thực tiễn ở Việt Nam

cụ thể trong đó có việc tính toán và hiển thị các nội dung dữ liệu; đọc dữ liệu laser; tách lọc và chuyển đổi dữ liệu tự động với độ chính xác cao cần phải được quan tâm

Do đó, luận án tập trung giải quyết và phát triển các vấn đề cốt lõi sau đây:

- Nghiên cứu cơ sở khoa học của công nghệ quét laser 3D mặt đất về mặt lý luận cũng như thực tiễn sản xuất

- Tích hợp các thuật toán, xây dựng chương trình phụ trợ trong xử lý dữ liệu quét laser mặt đất phù hợp với điều kiện hiện tại của nước ta

- Xây dựng quy trình công nghệ quét 3D mặt đất đối với một số đối tượng phi địa hình

1.8 Đánh giá ban đầu về hiệu quả khi sử dụng công nghệ quét laser 3D mặt đất trong lĩnh vực địa hình

Khi ứng dụng công nghệ quét laser 3D mặt đất trong công tác lập mô hình số địa hình (DTM) mặc dù chưa có những so sánh đối chiếu cụ thể với một số phương pháp khác như phương pháp đo đạc trực tiếp (sử dụng máy toàn đạc điện tử, RTK, ) hay phương pháp đo vẽ ảnh nhưng dựa trên kinh nghiệm và kết quả nghiên cứu trên thế giới cho thấy có thể đánh giá một số tiêu chí ban đầu về hiệu quả của việc ứng dụng công nghệ quét laser 3D mặt đất như trong bảng 1.2 dưới đây

Bảng 1.2 Đánh giá so sánh công nghệ quét laser mặt đất so với công nghệ khác

Thứ tự Tiêu chí so sánh Công nghệ đo

vẽ ảnh

Đo đạc trực tiếp

Công nghệ quét laser 3D mặt đất

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 Công nghệ đo

vẽ ảnh

Đo đạc trực tiếp

Công nghệ quét laser 3D mặt đất

4 Độ chính xác của

sản phẩm Chính xác Chính xác cao Rất chính xác

5 Tính phổ thông 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 Không 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 đôi 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 công nghệ mới ở Việt Nam theo xu hướng cách mạng Công nghệ 4.0;

Chương này trình bày một số lĩnh vực ứng dụng công 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 công nghệ quét 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 còn hạn chế Từ đó, tác giả rút ra các vấn đề còn 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 công nghệ khác trong lĩnh vực địa hình

có nguyên lý hoạt động của hệ thống quét laser mặt đất bao gồm nguyên lý đo dài và nguyên 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 công 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 – bộ lưu dữ liệu

Hình 2.1 Thành phần và sơ đồ nguyên lý của hệ thống quét laser mặt đất [62]

Nguyên lý hoạt động của thiết bị quét laser mặt đất là thu nhận được tọa độ tự

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 – thu tín hiệu đo dài; 4 - kênh truyền dữ liệu vào máy tính; 5 - máy tính chuyên dụng

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

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 𝜑i. Tại mỗi điểm của mô hình quét 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 không 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 quét chúng ta tính được tọa độ không gian của điểm địa vật trong hệ tọa độ thiết bị quét theo công thức sau [19,20,21], (Hình 2.4):

điểm địa vật quét;

φ – góc đo hướng ngang tia quét laser véc tơ R;

𝜃 – 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 không gian vuông 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 không 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

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 hoàn toàn có thể xác định được khoảng cách [59]

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 công thức:

MD =Mt2D V

2 (2.3)

Ở đây: M𝑡2D - là sai số đo thời gian 𝑡2D

Thiết bị đo xung hiện nay ghi đếm xung với độ chính xác 10-12 cho phép đo

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 môi 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 không 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 yêu cầu liên tục sẽ đòi hỏi làm tăng công 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 ∆𝜑 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 không 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 công thức [59]:

D =φ2R v4π f (2.4)

Ở đây: + đại lượng 𝜑2R 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

Công thức (2.4) 𝜑2R có thể triển khai ra thành phần nguyên và thành phần phân

số Nếu các giá trị N và ∆𝜑 được xác định thì độ dài khoảng cách sẽ tính theo công thức:

D = Nλ +Δφ

2πλ (2.5)

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 Ngoài ra đại lượng ∆𝜑 cũng có thể xác định đủ độ chính xác cao Độ chính xác này phụ thuộc vào loại máy quét laser Đại lượng ∆𝜑 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 ∆𝜑 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 vô cực của dải phổ hẹp hay

về tần số được rời rạc hóa duy nhất

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 công suất thấp, lệch so với hướng ban đầu Góc Ɵ1 được tạo bởi đường đáy thiết bị quét và tia quét laser, giá trị góc tính theo vị trí tâm hình ảnh của vệt quét laser trên máy thu của thiết bị tích nạp liên kết camera

1 Góc Ɵ2 được tạo bởi trục (đường đáy) thiết bị quét và véc tơ lan truyền tín hiệu phản xạ từ đối tượng quét được ghi đếm trên thiết bị tích nạp liên kết camera 2 Với tiêu đề thuật ngữ phương pháp tam giác quét laser được hiểu tương tự như bài toán giao hội thuận đo góc: với đại lượng đo Ɵ1, Ɵ2 và d để xác định khoảng các từ trạm quét đến đối tượng quét [48, 52]