Nghiên cứu ứng dụng dữ liệu lidar phục vụ công tác quản lý đất đai khu vực đô thị thuộc thành phố hà nội

Công nghệ LIDAR có những tính năng vượt trội có thể tạo DTM với hiệu suất cao, độ chính xác lớn, tốc độ nhanh.LIDAR có thể biểu diễn chi tiết địa hình bề mặt Trái Đất cả ở những vùng địa

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Trương Xuân Quyền

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG DỮ LIỆU LIDAR PHỤC VỤ CÔNG TÁC QUẢN LÝ ĐẤT ĐAI KHU VỰC ĐÔ THỊ THUỘC THÀNH PHỐ HÀ

NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội –2014

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Trương Xuân Quyền

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG DỮ LIỆU LIDAR PHỤC VỤ CÔNG TÁC QUẢN LÝ ĐẤT ĐAI KHU VỰC ĐÔ THỊ THUỘC THÀNH PHỐ HÀ

NỘI

Chuyên ngành: Bản đồ, viễn thám và Hệ thông tin địa lý

Mã số:60440214

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS Trần Anh Tuấn

Hà Nội –2014

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu riêng của tôi Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Trương Xuân Quyền

DANH MỤC HÌNH VẼ 6

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT 7

MỞ ĐẦU 8

1 Tính cấp thiết của đề tài 8

2 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu 9

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài 10

4 Dữ liệu sử dụng 10

5 Phương pháp nghiên cứu 10

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 11

7 Cấu trúc của luận văn 11

Chương 1: TỔNG QUAN ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ LIDARTRONG THÀNH LẬP BẢN ĐỒ 3D 12

1.1 Một số khái niệm cơ bản 12

1.2 Cơ sở lý thuyết công nghệ Lidar 13

1.2.1 Cấu trúc hệ thống Lidar 13

1.2.2 Nguyên lý hoạt động của Lidar 16

1.2.3 Cơ sở toán học xác định tọa độ của điểm Lidar 21

1.2.4 Độ chính xác xác định vị trí điểm Lidar 24

1.2.5 Nguồn sai số do mô hình toán học xây dựng DEM 27

1.2.6 Nguồn sai số do mật độ điểm quét laser 28

1.2.7 Nguồn sai số do mức độ phức tạp của địa hình 28

1.3 Khả năng ứng dụng của công nghệ tích hợp LiDAR và máy ảnh số trong lĩnh vực trắc địa bản đồ 29

1.3.1 Sự phụ thuộc của cường độ phản hồi của tín hiệu Lidar vào lớp phủ mặt đất 29

1.3.2 Khả năng ứng dụng ảnh cường độ phản hồi Lidar trong phân loại lớp phủ bề mặt 30

1.3.3 Khả năng ứng dụng của công nghệ tích hợp LiDAR và máy ảnh số trong lĩnh vực trắc địa bản đồ 32

1.4 Lịch sử ứng dụng Lidar trên thế giới và Việt nam 35

1.5 Các phương pháp nghiên cứu thành lập bản đồ 3D 37

Chương 2: PHƯƠNG PHÁP THÀNH LẬP BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH 3D TỪ DỮ LIỆU LIDAR 45

2.1 Dữ liệu sử dụng 45

2.1 Phương pháp triết xuất thông tin lớp phủ bề mặt từ dữ liệu Lidar 46

2.2.1 Lọc điểm và nắn ảnh trực giao 48

2.2.2 Lọc các đối tượng địa hình 48

2.2.3 Tái tạo mô hình mái nhà từ dữ liệu Lidar 50

2.2.3 Tái tạo mô hình bề mặt tường nhà 54

2.2.4 Dán ảnh bề mặt mái và tường nhà 54

2.2.6 Phân tích và lựa chọn mức độ chi tiết cho các đối tượng hiển thị 3D 55

Chương 3: ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ LIDAR THÀNH LẬP BẢN ĐỒ 3D HUYỆN THANH OAI, THÀNH PHỐ HÀ NỘI 58

3.1 Khái quát chung về khu vực thử nghiệm, hệ thống máy quét Lidar 58

3.2 Bay quét và xử lý dữ liệu Lidar 59

3.2.1 Công tác chuẩn bị 59

3.2.2 Bay quét Lidar 59

3.2.3 Xử lý dữ liệu Lidar 60

3.3 Kết quả xử lý dữ liệu Lidar và triết tách thông tin 3D 64

3.3.1 Tách thông tin DSM và DTM từ đám mây điểm 65

3.3.2 Nắn ảnh trực giao 66

3.3.3 Phủ ảnh trực giao trên nền mô hình số địa hình 67

3.3.5 Thể hiện các đối tượng khác trên bản đồ 72

3.4 Thảo luận 77

3.4.1 Độ chính xác thành lập mô hình 3D từ dữ liệu Lidar 77

3.4.2 Khả năng ứng dụng Lidar trong quản lý dữ liệu đất đai 3D 78

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 82

TÀI LIỆU THAM KHẢO 84

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Mô hình DSM và DTM 12

Hình 1.2 Cơ chế phát xung laser trong hệ thống quét Lidar 14

Hình 1.3 Mô hình hệ thống bay chụp Lidar 16

Hình 1.4 Dữ liệu Lidar trong một dải quét 17

Hình 1.5 Mức độ đâm xuyên và phản hồi của laser khi gặp các đối tượng 18

Hình 1.6: Đám mây điểm Lidar (a) Đám mây điểm của phản hồi đầu (b) Đám mây điểm của phản hồi cuối 19

Hình 1.7 Cơ sở toán học xác định tọa độ điểm Lidar 21

Hình 1.8 Vị trí hệ thống GPS, IMU, SBF (sensor) trên máy bay 25

Hình 1.9 Toạ độ điểm quét P và anten GPS trong mối quan hệ giữa các hệ toạ độ SBF, IBF, ECEF (A,B) 26

Hình 1.10: Chùm tia Laser và các xung phản hồi 32

Hình 1.11 Mô hình số địa hình DEM/DTM 33

Hình 1.12 Hiển thị dữ liệu theo tầng độ cao 33

Hình 1.13 Mô hình số bề mặt DSM_FE và DSM_LE 34

Hình 1.14 Nắn ảnh từ phép chiếu xuyên tâm về thẳng đứng 34

Hình 1.15 Xây dựng mô hình 3D (Sông Nhuệ – Hà Đông) 35

Hình 1.16: Mô hình 3D khu vực đô thị từ dữ liệu Lidar 39

Hình 1.17: Mô hình 3D được xây dựng từ dữ liệu đo trực tiếp tại thực địa 40

Hình 1.18: Bản đồ 3D thành lập từ phương pháp ảnh hàng không 41

Hình 1.19: Mô hình 3D thành lập từ bản đồ địa chính 42

Hình 1.20: Mô hình 3D sử dụng ảnh viễn thám 43

Hình 2.1: Quy trình công nghệ thành lập bản đồ 3D từ dữ liệu Lidar 48 Hình 2.2 Loại bỏ chênh cao giữa hai dải bay 48

Hình 2.3 Dữ liệu tập hợp điểm Lidar 48

Hình 2.4 Bóc tách đối tượng địa vật để tạo DTM 49

Hình 2.5 Tham số địa hình trong pháp lọc DTM từ DSM 50

Hình 2.6 Kết quả tạo mô hình số bề mặt (a) và mô hình số địa hình (b) 50

Hình 2.7 Sơ đồ tách lọc đối tượng nhà 51

Hình 2.8 Đối tượng nhà sau khi được tách lọc 53

Hình 2.9 Mô hình 3D được xây dựng bằng phần mềm Sketchup 54

Hình 2.10 Cấp độ chi tiết LoD đối với các đối tượng nhà, khối nhà 56

Hình 3.1 Vị trí địa lý thị trấn Kim Bài ………58

Hình 3.2 DSM tại khu vực nghiên cứu được nội suy từ đám mấy điểm Lidar 65

Hình 3.3 DTM sau khi được bóc các đối tượng trên bề mặt 66

Hình 3.4 Ảnh trực giao khu vực Thị trấn Kim lâm 67

Hình 3.5 Ảnh vệ tinh thị trấn Kim Bài 68

Hình 3.6 Triết tách đối tượng nhà từ DSM và DTM 70

Hình 3.7 Triết tách đối tượng cây độc lập và tập hợp khu vực có cây 70

Hình 3.8 Đối tượng nhà được chồng lên nền ảnh với basehight là DTM 71

Hình 3.9 Các khối nhà được thể hiện chi tiết bằng Sketchup 72

Hình 3.10 Mô hình nhà trên nền ảnh vệ tinh 76

Hình 3.11 Đối tượng cây độc lập ở tỷ lệ lớn thể hiện trên nền ảnh 77

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

2D: Two dimensions: Hai chiều

3D: Three dimension: Ba chiều

DEM: Digital Elevation Model: mô hình số độ cao

DSM: Digital Surface Model: mô hình số bề mặt

DSMFE: Digital surface model first echo: mô hình bề mặt ở lần phản xạ đầu tiên DSMLE: Digital surface model last echo: mô hình bề mặt ở lần phản xạ cuối DSMRGBI: mô hình bề mặt với 4 kênh phổ đỏ, lục, lam và cận hồng ngoại

DTM: Digital terrain model: mô hình số địa hình

GPS: Global Positioning System: Hệ thống định vị toàn cầu

GRID: Cấu trúc lươi đều của mô hình số độ cao

IFSAR: InterFerometric Synthetic Aperture Radar: Radar độ mở tổng hợp giao thoa INS: Inertial Navigation System: Hệ thống đạo hàng quán tính

LIDAR: Light Detection And Ranging: Công nghệ đo dài bằng laser

TIN: Triangulated Irregular Networks: Tam giác không đều

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay, với biến đổi khí hậu, tai biến cũng ngày càng nhiều hay như với cuộc sống ngày càng nâng cao, đô thị, giao thông cũng phát triển… để nghiên cứu các vấn đề về tai biến, hay qui hoạch… đều cần có một cơ sở dữ liệu về địa hình chính xác và chi tiết Nền dữ liệu địa hình càng chính xác và chi tiết sẽ giúp cho việc đánh giá, đưa ra các biện pháp tốt hơn.Với công nghệ ngày càng phát triển đã không ngừng cải thiện để có thể đưa ra được dữ liệu tốt nhất Công nghệ xây dựng các mô hình DEM, DTM cũng ngày càng phát triển.Từ những bản đồ mặt phẳng đơn thuần dần phát triển lên những bản đồ ba chiều (3D) để đưa đến cho mọi người xem, người nghiên cứu một cái nhìn trực quan hơn Các loại bản đồ 3D có thể ứng dụng trong các nghiên cứu ảnh hưởng của môi trường trong khu vực lòng hồ thủy điện, ngập lụt, hay nghiên cứu lớp phủ thực vật và các quá trình ngoại sinh liên quan, giúp cho xây dựng các phương án tìm kiếm cứu hộ, cứu nạn, chỉ huy tham mưu hay ngay trong cả vấn đề mô phỏng địa hình các công trình văn hóa, kiến trúc phục vụ quốc kế dân sinh… Công nghệ LIDAR có những tính năng vượt trội có thể tạo DTM với hiệu suất cao, độ chính xác lớn, tốc độ nhanh.LIDAR có thể biểu diễn chi tiết địa hình bề mặt Trái Đất cả ở những vùng địa hình khó khăn, cây phủ dày đặc và thực hiện trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt, cả ngày và đêm.Đặc biệt LIDAR có thể giúp thành lập bản đồ 3D thuận lợi hơn so với ảnh hàng không và ảnh viễn thám.(Molenaar 2008)

Công nghệ Lidar thể hiện sự tiến bộ vượt trội so với các công nghệ khác trong việc thành lập mô hình số địa hình, mô hình số bề mặt phục vụ công tác lập bản đồ địa hình, bản đồ không gian ba chiều (bản đồ 3D) và phục vụ cho xây dựng cơ sở

dữ liệu nền thông tin địa lý Nó cho phép đẩy nhanh tiến độ thi công một cách đáng

kể, giảm chi phí thi công và đạt độ chính xác cao

Bản đồ không gian ba chiều có rất nhiều ưu điểm so với bản đồ hai chiều (bản

đồ 2D), nó bao gồm nền mô hình số địa hình, các đối tượng địa hình và địa vật dạng vector được gắn kết với các thuộc tính và được hiển thị trong không gian ba

chiều.Bản đồ 3D có thể được thành lập từ nhiều nguồn dữ liệu khác nhau có khả năng mô phỏng cấu trúc cảnh quan đô thị phục vụ quy hoạch, xây dựng phát triển

đô thị, phục vụ giáo dục, quốc phòng, du lịch… Để có được độ chính xác cao cho các vị trí điểm trên bản đồ thì hiện nay nguồn dữ liệu thu nhận từ công tác bay quét Lidar đang thể hiện là tối ưu nhất

Ở Việt Nam, việc thành lập bản đồ địa hình 3D chủ yếu sử dụng ảnh máy bay như đề tài của viện nghiên cứu địa chính (2004) “Nghiên cứu và thử nghiệm thành lập bản đồ địa hình 3D” còn LIDAR còn mới chủ yếu được sử dụng để thành lập DEM/ DTM Trong khi trên thế giới, có nhiều nghiên cứu, ứng dụng LIDAR vào trong việc thành lập bản đồ địa hình 3D như “Building Extract - Lidar R&D Program for NASA/ICREST Studies Project” (09/16/01) của NASA/ ICREST (tách nhà- chương trình LIDAR R&D cho đề tài nghiên cứu NASA/ICREST); hay ở Trung Quốc cũng có đề tài nghiên cứu của (H.Lin 2008): “Fast reconstruction of three dimensional city model bases on airborn Lidar” ( Thiết lập nhanh mô hình thành phố 3D dựa vào LIDAR) ứng dụng cho khu vực thành phố Thượng Hải, Trung Quốc

Với những ưu thế và hiệu quả của việc xây dựng bản đồ không gian ba chiều

và các nhu cầu phát triển kinh tế xã hội, đặc biệt là tốc độ phát triển đô thị ở Việt Nam đang rất nhanh thì việc ứng dụng công nghệ Lidar để xây dựng bản đồ không gian ba chiều là rất cần thiết trong thời điểm hiện nay Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn

và khả năng đáp ứng của công nghệ, đề tài được lựa chọn với tiêu đề: “Nghiên cứu ứng dụng dữ liệu Lidar phục vụ công tác quản lý đất đai khu vực đô thị thuộc thành phố Hà Nội”

2 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

Để thực hiện được mục tiêu của đề tài luận văn, các nội dung nghiên cứu sau được thực hiện:

- Tổng quan tài liệu nghiên cứu ứng dụng Lidar trong việc xây dựng bản đồ 3D

- Nghiên cứu quy trình xây dựng bản đồ 3D bằng công nghệ lidar

- Xây dựng bản đồ 3D khu vực đô thị thành phố Hà Nội

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

Phạm vi khoa học: Công nghệ LIDAR đang ngày càng phổ biến trên thế giới

và cũng đã xuất hiện ở Việt Nam trong những năm gần đây Không những vậy, ngày nay công nghệ ngày càng phát triển, những yêu cầu bức thiết về việc mô phỏng lại thế giới thực ngày càng tăng Chính vì vậy giới hạn của nghiên cứu là từ

dữ liệu LIDAR thành lập bản đồ 3D, thí điểm tạithị trấn Kim Bài, Kim Lâm tại huyện Thanh Oai, Hà Nội Thành Phố Hà Nội

Khu vực thử nghiệm tại thị trấn Kim Bài, Kim Lâm tại huyện Thanh Oai, Hà Nội trong phạm vi:

5 Phương pháp nghiên cứu

Đê giải quyết các nhiệm vụ đề ra, đề tài đã thực hiện các phương pháp nghiên cứu chính sau đây:

- Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết, tài liệu: Tổng hợp các công trình đã được công bố trên các thế giới và ở Việt Nam để nắm được tình hình nghiên cứu, phân tích lý thuyết, tài liệu các cơ sở lý luận về bản đồ, bản đồ 3D và công nghệ LIDAR

- Phương pháp bản đồ: đây là một trong các phương pháp chính do mục tiêu của đề tài là thành lập bản đồ 3D từ dữ liệu LIDAR cho khu vực thực nghiệm

- Phương pháp khảo sát và đo đạc ngoài thực địa: Để có thể thực hiện được nhiệm vụ đánh giá được độ chính xác của kết quả, phương pháp này là cần thiết

Không những vậy, đề tài sử dụng còn phương pháp này để bổ sung thêm các yếu tố địa vật không giải đoán được trên ảnh hay không có thông tin từ dữ liệu LIDAR

- Phương pháp thống kê, phân tích toán học: để có thể đánh giá được độ chính xác, đề tài đã thống kê độ cao của một số nhà để so sánh và tính toán để ra được sai

số

- Phương pháp viễn thám: công nghệ LIDAR là một trong những công nghệ viễn thám chủ động Đề tài đã nghiên cứu về công nghệ LIDAR thì không thể thiếu phương pháp này

- Phương pháp hệ thông tin địa lý GIS: Bản đồ 3D không chỉ mang các yếu tố nhà mà cần có các đối tượng khác đưa lên như giao thông, cây cối… và các yếu tố này không chỉ được thể hiện trong không gian mà còn tích hợp thêm các thuộc tính giúp người sử dụng có khả năng truy vấn Vì vậy, phương pháp này là cần thiết trong việc giải quyết nhiệm vụ đề ra

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Những kết quả nghiên cứu của đề tài có thể làm tài liệu tham khảo để xây dựng quy trình công nghệ xây dựng bản đồ 3D từ dữ liệu Lidar

7 Cấu trúc của luận văn

Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo luận văn được cấu trúc trong ba chương:

Chương 1 Tổng quan ứng dụng của công nghệ Lidar trong thành lập bản đồ 3D Chương 2 Nghiên cứu quy trình ứng dụng dữ liệu Lidar thành lập bản đồ 3D

Chương 3 Ứng dụng công nghệ hoặc dữ liệu Lidar thành lập bản đồ 3D huyện Thanh Oai, thành phố Hà Nội

Chương 1: TỔNG QUAN ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ LIDARTRONG

THÀNH LẬP BẢN ĐỒ 3D

1.1 Một số khái niệm cơ bản

Hiện nay trên thế giới, ngành bản đồ ngày càng phát triền về hai loại bản đồ

là bản đồ 3D và bản đồ động.Nghiên cứu về mô hình bản đồ địa hình 3D cần phân biệt một số khái niệm cơ bản về DEM, DTM, mô hình bản đồ 3D và mô hình bản

đồ địa hình 3D Trong đề tài “Nghiên cứu và thử nghiệm thành lập bản đồ địa hình 3D” của viện nghiên cứu địa chính (2004) cũng có đề cập giải thích các khái niệm này (VNCDC 2004)(Lương Chính Kế 2009)

 “Mô hình số độ cao DEM là mô hình số mô tả cả về mặt phẳng và độ cao của một số bề mặt

 Mô hình số địa hình DTM là mô hình số mô tả cả về mặt phẳng và độ cao của một bề mặt đất nhưng các vật thể trên đó chỉ mô tả về mặt phẳng không mô tả

về độ cao

 Mô hình số bề mặt DSM là mô hình số độ cao mô tả cả về mặt phẳng lẫn độ cao của bề mặt đất và bao gồm các cả các đối tượng vật thể trên đó như nhà cửa, cây, đường giao thông…” (VNCDC 2004)

Hình 1.1 Mô hình DSM và DTM

 “Mô hình bản đồ 3D (3D catorgraphic model- 3DCM) là mô hình bản đồ mô

tả khái quát một hay nhiều khía cạnh của thế giới thực

 Mô hình bản đồ địa hình 3D ( 3D topo-catorgraphic model 3DTCM) là mô hình bản đồ địa hình mô tả bề mặt trái đất bao gồm các đối tượng vật thẻ trên

đó được khái quát và ký hiệu hóa ở một mức độ nhất định theo nguyên tắc bản

đồ, phản ánh mặt phẳng, độ cao của các đối tượng một cách chọn lọc.” (Lương Chính Kế 2009)

 Cụm từ “mô hình” đi kèm với bản đồ địa hình 3D là do theo định nghĩa truyền thống về bản đồ đều có một khái niệm rõ ràng là “ bản đồ” được qui chiếu về mặt phẳng Tuy nhiên, với định nghĩa của Hội bản đồ thế giới 2005, khái niệm

về “ qui chiếu về mặt phẳng” không còn:

 “Bản đồ là hình ảnh của thực tế địa lý, được ký hiệu hóa, phản ánh các yếu tố hoặc các điểm một cách có chọn lọc, là kết quả của sự nỗ lực sáng tạo trong lực chọn của tác giả bản đồ và được thiết kế để sử dựng chủ yếu liên quan đến mối quan hệ không gian” (VNCDC 2004, Lương Chính Kế 2009)

Trong khi đó, bản đồ địa hình 3D mang đây đủ các đặc điểm của bản đồ 2D: phản ánh bề mặt trái đất, tuân theo qui tác toán học, khái quát hóa, kí hiệu hóa Chính vì vậy, trong đề tài này quan niệm “bản đồ địa hình 3D” và “mô hình bản đồ địa hình 3D” là một

1.2 Cơ sở lý thuyết công nghệ Lidar

1.2.1Cấu trúc hệ thống Lidar

Công nghệ quét laser từ máy bay (Airborne Laser Scanning) hay còn gọi là Lidar (Light Detection And Ranging) là một công nghệ mới được áp dụng tại Việt Nam Đây là công nghệ cho phép đo đạc độ cao chi tiết địa hình một cách nhanh chóng và chính xác với mật độ các điểm dày đặc

Hệ thống Lidar bao gồm bộ đầu quét (bộ cảm biến), hệ thống đo quán tính (IMU), hệ thống GPS, hệ thống quản lý bay, hệ thống camera số và hệ thống các thiết bị lưu trữ dữ liệu

Bộ máy quét laser (bộ cảm biến): được gắn chính xác vào bên dưới máy bay

có vai trò phát xung laser hẹp đến bề mặt trái đất trong khi máy bay di chuyển với một tốc độ nhất định Một máy thu gắn trên máy bay sẽ thu nhận phản hồi của những xung này khi chúng đập vào bề mặt trái đất và quay trở lại thiết bị thu trên máy bay Hầu hết các hệ thống Lidar đều sử dụng một gương quét để tạo ra một dải xung Sóng Laser nằm trong dải sóng cận hồng ngoại để phục vụ công tác đo đạc địa hình, bề mặt trên mặt đất, còn với laser dải sóng xanh lá cây phục vụ công tác

đo sâu dưới mặt nước Độ rộng của dải quét phụ thuộc vào góc dao động của gương, và mật độ điểm mặt đất phu thuộc vào các yếu tố như tốc độ máy bay và tốc

độ dao động gương Tốc độ dao động được xác định bằng cách tính toán tổng thời gian tia laser rời máy bay, đi đến mặt đất và trở lại bộ cảm biến

Hình 1.2 Cơ chế phát xung laser trong hệ thống quét Lidar

Hệ thống xác định quán tính IMU: Các giá trị góc xoay, góc nghiêng dọc,

nghiêng ngang, hướng bay quét của hệ thống Lidar được xác định chính xác bằng thiết bị đạo hàng, góc quay gương tức thời và các khoảng cách thu nhận và dữ liệu GPS được dùng để tính toán tọa độ ba chiều của các điểm Lidar

Hệ thống GPS: Dữ liệu Lidar được kết hợp với các thông tin vị trí chính xác

thu nhận từ thiết bị GPS và hệ thống thiết bị xác định các thông số định hướng góc xoay, góc nghiêng dọc, nghiêng ngang cùng đặt trên máy bay Khi tất cả các thông tin này được lưu trữ và xử lý, kết quả sẽ là một giá trị tọa độ (x,y,z) chính xác của mỗi điểm quét được trên mặt đất Hệ thống GPS cung cấp thông tin về vị trí và thời điểm thu nhận tín hiệu Lidar Hệ thống GPS bao gồm một máy thu đặt trên máy bay

và một máy thu đặt tại mặt đất quá trình xử lý dữ liệu này cho ra kết quả vị trí điểm

có độ chính xác cao

Ngoài các thiết bị chính, hệ thống Lidar còn bao gồm các thiết bị ngoại vi khác như hệ thống lưu trữ, giao diện điều khiển thiết bị, điều khiển bay, bộ cấp nguồn Một hệ thống Lidar thông thường được tích hợp một máy ảnh số kích thước trung bình, một số còn trang bị máy quay video để theo dõi vùng chụp và mây Khi được tích hợp với máy ảnh số cỡ trung bình, có thể tiến hành đồng thời quá trình quét Lidar và chụp ảnh số của một khu vực.Quy trình này giúp giảm chi phí bay chụp, thu được các sản phẩm: trực ảnh, mô hình số độ cao và có thể tạo được mô hình thành phố ba chiều

Hình 1.3 Mô hình hệ thống bay chụp Lidar

1.2.2 Nguyên lý hoạt động của Lidar

LIDAR gồm nhiều hệ thống liên kết với nhau, trong đó có thiết bị đo dài laser đặt trên máy bay, cho phép đo khoảng cách từ máy bay đến điểm địa vật hay địa hình Thiết bị laser quét tuyến địa hình với độ rộng từ vài chục mét tới vài trăm mét nhờ tấm gương quay Tấm gương gắn ở phần đầu thiết bị quét bẻ chum tia laser hướng về bề mặt địa hình, góc quét tới 70º theo chiều vuông góc với hướng bay của máy bay, (hình 1.2) Tia laser là loại sóng điện từ, có cường độ lớn gấp bội lần cường độ tia sáng nhiệt chính vì vậy, tia laser có khả năng đâm xuyên mạnh Khi gặp các đối tượng, tia laser sẽ có một phần sẽ phản hồi và tiếp tục đâm xuyên qua (Hình 1.6) Phần năng lượng phản hồi từ bề mặt địa hình hay địa vật qua hệ thống quang học được ghi và thu lại Trên cơ sở biết thời gian phản hồi của tín hiệu từ bề mặt địa hình về thiết bị ghi thu và tần số xung điện, ta có thể tính được khoảng cách

từ điểm địa hình hay địa vật đến máy bay tại thời điểm quét

Si=Ti*C/2

Si: Khoảng cách từ nguồn phát laser tới đối tượng

Ti: Khoảng thời gian từ thời điểm phát tia laser đến thời điểm nhận tia laser phản xạ

C: Tốc độ ánh sáng (3.108 m/s)

Với thông tin về thời gian phản hồi của xung và tính được tọa độ dựa vào GPS, và độ cao của máy bay có thể tính được độ cao của các đối tượng trên bề mặt

Độ cao của đối tương= độ cao máy bay- Si

Chiều cao của đối tượng= độ cao đối tượng-độ cao của mặt đất

Thiết bị đo dài laser hoạt động trong dải phổ hồng ngoại, cận hồng ngoại Trên đường đi, các tia laser có khả năng đâm xuyên mạnh, khi gặp chướng ngại vật như cây cối, nhà cửa… sẽ phản hồi lại một phần về hệ thống, và một phần sẽ tiếp tục đâm xuyên (nếu có thể) qua chướng ngại vật và phản hồi lại, (hình 1.6) Hệ thống LIDAR có thể ghi nhận tới 5 mức của tín hiệu phản xạ của từng tia laser Mỗi mức phản xạ thường là của một tầng đối tượng mà tia laser đi qua Mỗi mức là có một cường độ tín hiệu laser phản xạ mà phần mềm sẽ xử lý và tạo được hình ảnh tương ứng với đối tượng trên mặt đất

Hình 1.4 Dữ liệu Lidar trong một dải quét Đồng thời với thiết bị laser, hệ thống GPS đặt trên máy bay và dưới đất sẽ giúp xác định vị trí không gian X, Y, Z của thiết bị laser trên máy bay tại thời điểm quét, còn hệ thống INS thực hiện các phép đo gia tốc các hướng X,Y và Z, đo các góc định hướng của tia quét laser đồng thời thực hiện xử lý số liệu và điều khiển

Xung laser

(Dải quét)

hoạt động đồng bộ và chính xác của toàn hệ thống LIDAR Tổ hợp thiết bị đạo hàng quán tính, định vị toàn cầu GPS/INS dựa trên nguyên lý con quay và máy gia tốc để giải các bài toán về đạo hàng

Hình 1.5 Mức độ đâm xuyên và phản hồi của laser khi gặp các đối tượng

a Dữ liệu quét LIDAR

Dữ liệu thu được trong công nghệ này cần đưa ra để xử lý gồm số liệu GPS,

số liệu INS và số liệu quét LIDAR

Dữ liệu LIDAR thu được là các đám mây điểm Mỗi tia laser phản hồi lại đều có các thông tin về X, Y, Z Hai dữ liệu chính là dữ liệu điểm lần đầu phản hồi

và lần cuối (hình 1.5) cùng hệ thống thu nhận được tín hiệu laser phản hồi lại Dữ liệu lần đầu tiên phản hồi lại thường chứa các thông tin về độ cao của đối tượng địa vật hoặc của bề mặt đất nếu trên đường xuống bề mặt không có địa vật Còn dữ liệu phản xạ cuối cùng mà hệ thống thu được thường chứa thông tin về bề mặt đất hoặc

về độ cao của đối tượng lần cuối phản xạ lại Với các đám mây điểm đó, ta có thể lấy được các thông tin về độ cao của địa hình và của địa vật

Hình 1.6: Đám mây điểm Lidar (a) Đám mây điểm của phản hồi đầu (b) Đám

mây điểm của phản hồi cuối Các hệ thống Lidar áp dụng trong đo vẽ địa hình có nguồn phát ánh sáng laser với bước sóng trong khoảng từ 1040 đến 1060 nm Ánh sáng laser xanh với bước sóng vào khoảng 532 nm được sử dụng trong các hệ thống Lidar đo sâu tại các vùng nước trong và có thể sâu tới 50 m Lidar là một hệ thống viễn thám chủ động do nó

phát năng lượng dưới dạng xung laser và thu nhận tín hiệu phản hồi của các xung này Tín hiệu phản hồi này được chuyển ngay sang dạng số và được lưu giữ trong máy tính Do là hệ thống viễn thám chủ động cho nên việc bay quét Lidar không phụ thuộc vào ánh sáng mặt trời, có thể được triển khai cả ngày lẫn đêm

Với mỗi xung phát ra có thể có tới 5 tín hiệu phản hồi Các tín hiệu phản hồi này có thể thuộc các tầng khác nhau của thực phủ như: tán lá, cành cây hay mặt đất phía dưới tán cây; hoặc mép mái nhà và bề mặt mặt đất Xung phản hồi thứ nhất có nhiều khả năng là các điểm nằm trên bề mặt tán cây còn xung phản hồi cuối cùng có nhiều khả năng là các điểm mặt đất Do vậy xung phản hồi đầu tiên thường được sử dụng trong nắn trực ảnh và các ứng dụng liên quan tới quản lý và kiểm kê rừng Xung phản hồi cuối cùng thường được dùng để thành lập mô hình số độ cao của bề mặt mặt đất (Lohani 2008)

Hệ thống quét Lidar tạo ra dữ liệu gồm tập hợp các điểm, mỗi điểm có các giá trị tọa độ và độ cao, có thể được xem như là đám mây dữ liệu điểm 3D được phân

bố bán ngẫu nhiên Đám mây dữ liệu điểm này có thể chứa nhiều thông tin hơn là một mô hình bề mặt 2.5D, trong đó tại mỗi vị trí điểm có tọa độ X và Y chỉ có duy nhất một giá trị độ cao Z Trong dữ liệu Lidar tại mỗi vị trí điểm có tọa độ X và Y

có thể có nhiều giá trị độ cao Z khác nhau, chẳng hạn trên một bức tường thẳng đứng Các điểm nằm dưới tán lá cây cũng có thể được đo Dữ liệu độ cao có thể được thu thập với các thuộc tính khác nhau tùy thuộc vào các ứng dụng và hệ thống Lidar sử dụng Một số thuộc tính ảnh hưởng tới các thuật toán lọc và mô hình hóa là:

 Mật độ điểm;

 Thu nhận nhiều xung phản hồi;

 Cường độ xung phản hồi

Mật độ điểm phụ thuộc vào độ cao bay quét và vào một số yếu tố của hệ thống như tốc độ máy bay, góc quét, tần số xung và tần số quét Mật độ điểm được thiết

kế và điều chỉnh phù hợp với từng ứng dụng Cho các ứng dụng liên quan đến mô hình hóa, chẳng hạn mô hình 3D thành phố hay khảo sát đường dây tải điện yêu cầu

về mật độ điểm rất khác, cao hơn nhiều so với nhiệm vụ thành lập DEM với khoảng cách mắt lưới 5-10 m

Thuộc tính thứ hai, với mỗi xung phát đi có đa xung phản hồi.Điều này có thể

là quan trọng trong các thuật toán lọc điểm và mô hình hóa liên quan tới thực phủ,

tách bề mặt mặt đất với bề mặt của tán cây hay tính toán thể tích tán cây trong các ứng dụng liên quan đến quản lý rừng.Hiện tựợng đa xung có thể còn được ghi nhận tại các cạnh của nhà, cho ta thấy sự thay đổi rất nhanh về độ cao của các điểm Lidar

Thuộc tính thứ ba là cường độ phản hồi của xung Lidar cung cấp các thông tin

về bức xạ của bề mặt khảo sát Sự phản hồi này có thể được xem như một "bức ảnh" trong một kênh phổ rất hẹp Cường độ phản hồi này có thể được dùng trong các thuật toán phân loại, chẳng hạn như phân biệt vùng đường có lát gạch hay bê tông với đất có cỏ

1.2.3 Cơ sở toán học xác định tọa độ của điểm Lidar

Hình 1.7 Cơ sở toán học xác định tọa độ điểm Lidar Việc xác định tọa độ của các điểm Lidar được tiến hành bằng cách xác định tọa độ điểm Lidar trong hệ tọa độ của máy quét, sau đó xác định chính xác tọa độ của điểm Lidar trong một hệ tọa độ không gian lựa chọn Sơ đồ vector sau minh họa việc xác định tọa độ của điểm Lidar:

G: điểm GPS mặt đất trong hệ tọa độ lựa chọn

A: Anntena của máy GPS trên máy bay

S: điểm đặt máy quét Lidar

P: điểm phạn xạ tia laser tại mặt đất

Ở đây ta có hai hệ tọa độ:

- Hệ tọa độ thứ nhất: là hệ tọa độ được lựa chọn GXYZ

- Hệ tọa độ thứ hai: là hệ tọa độ đặt máy quét Lidar Suvt

Do vậy cần thiết phải tính chuyển tọa độ từ hệ tọa độ đặt máy quét Lidar sang

hệ tọa độ đã được lựa chọn theo công thức sau:

S

A d

g   (1.2)

Để xác định vector g từ điểm G đến điểm P (điểm phản xạ của các tia laser) cần phải xác định vector d, ma trận chuyển vị A và vector b như hình trên ta có:

b A D

d Trong đó:

Vector D: luôn luôn xác định được bằng cách đo động GPS

S: khoảng cách từ máy quét tới điểm phản xạ P

b: khoảng cách đo trực tiếp từ Anten đến máy quét

A: ma trận chuyển vị từ hệ tọa độ Lidar sang hệ tọa độ lựa chọn

13 12 11

13 12 11

c c c

b b b

a a a

sinsin

sincoscossinsinsin

sincos

coscos

12 12 11 11 11

cos sin sin

sin cos

sin sin cos

sin cos

sin cos

13 13 13 12

(1.4)

, 2

Thay vào công thức (1.3) vào công thức (1.2):

A D

g    (1.5) Viết dưới dạng ma trận:

A Z Z

Y Y

X X

Z Z

Y Y

X X

a a a

P P

0 0

0

(1.6)

Trong đó:

0 0

0,Y,Z

X : Toạ độ điểm G (điểm toạ độ GPS mặt đất)

p p p a a

X , , , , , : toạ độ ăngten A và toạ độ điểm P cần tìm

Từ công thức (1.6) có thể xác định toạ độ điểm P:

A Z Y X

Z Y X

i i i

Pi Pi

Trên cơ sở công thức (1.7) tìm được toạ độ Xp, Yp, Zp

Như vậy trên cơ sở nguyên lý này sẽ xác định được tập hợp các điểm có toạ

độ, độ cao trên mặt đất Tiến hành phân loại và lọc được các dữ liệu quét bằng tia laser bao gồm:

- Dữ liệu mặt đất (các điểm nằm trên mặt đất) sử dụng để thành lập mô hình số địa hình (DTM)

- Dữ liệu các điểm không nằm trên mặt đất như các điểm nằm trên cây, mái nhà, dây điện… Các điểm này được sử dụng để thành lập mô hình số bề mặt (DSM)

- Dữ liệu ảnh cường độ phản xạ của tia laser cho phép nhận dạng địa vật một cách tương đối rõ nét

1.2.4 Độ chính xác xác định vị trí điểm Lidar

Dựa trên cấu trúc hệ thống và nguyên lý hoạt động của công nghệ Lidar, chúng ta có thể nhận thấy độ chính xác xác định vị trí điểm Lidar chủ yếu phụ thuộc vào độ chính xác của hệ thống quét laser, độ chính xác xác định các thông số định hướng giữa hệ thống IMU và điểm đặt anntena trên máy bay, độ chính xác cơ sở trắc địa.(Lộc 2004)

Độ chính xác của hệ thống quét Lidar bao gồm độ chính xác đo chiều dài của tia laser và độ chính xác của thiết bị đo GPS, thiết bị đo quán tính IMU Các thiết bị trên luôn tồn tại sai số hệ thống và có thể thay đổi giá trị theo thời gian sử dụng như các sai số do chuyển động quay của gương quét laser, sai số của hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu GPS, sai số của thiết bị đo quán tính IMU Để giảm thiểu các sai số này hay nói cách khác là đảm bảo cho chúng tồn tại trong hạn sai cho phép thì trong thực tế chúng ta phải tiến hành kiểm định các thiết bị trên một cách định kỳ trong các điều kiện nhất định nhằm xác định các thông số hiệu chỉnh thiết bị

Độ chính xác xác định các thông số định hướng giữa hệ thống IMU và điểm đặt anntena GPS trên máy bay về bản chất là xác định chính xác các vector tính chuyển giữa hệ tọa độ của hệ thống IMU và hệ tọa độ được sử dụng để thành lập bản đồ 3D Hệ thống IMU thường được lắp đặt trùng hợp với hệ thống quét laser một cách ổn định và chính xác Truy nhiên, hệ thống GPS trên máy bay thường được lắp đặt tại vị trí thông thoáng, có khả năng thu tín hiệu tốt nhất Do đó, độ chính xác xác định thông số định hướng giữa hệ thống IMU và tâm anntena GPS càng chính xác càng tốt, thông thường độ chính xác này nhỏ hơn 1cm

Để xác định các nguồn sai số ảnh hưởng đến toạ độ điểm thực địa (P) xác định bằng công nghệ LiDAR, ta xét mối quan hệ toạ độ của các hệ thống thiết bị trong quá trình bay quét laser

Hình 1.8Vị trí hệ thống GPS, IMU, SBF (sensor) trên máy bay

Đầu quét laser LRF (Laser Range finder) hay còn gọi là sensor SBF (Sensor Body Frame) gắn cùng thiết bị đo hàng hướng quán tính IMU (Inertial Measurement Unit) Dữ liệu đo của IMU trong hệ toạ độ vật thể b-frame (SXYZ-IBF) khi chuyển sang hệ toạ độ địa phương l-frame (hay n-frame) sẽ xác định các góc nghiêng, xoay của máy bay: Nghiêng ngang , nghiêng dọc  và góc xoay  (Hình 1.8) Khi liên kết hai hệ thống SBF (SXYZ-SBF) và IMU (SXYZ-IBF), các hướng trục của hai hệ thống này bị lệch nhau, tạo thành các góc nghiêng xoay giữa hai hệ trục toạ độ của SBF và IMU.Các giá trị góc lệch này được xác định thông qua kiểm định hệ thống

Trong hệ thống tích hợp LiDAR với máy ảnh số có 5 hệ toạ độ liên kết chặt chẽ với nhau trong một thể thống nhất Hệ toạ độ của IMU (b-frame) là IBF (IMU Body Frame), hệ toạ độ của sensor là SBF (Sensor Body Frame), hệ toạ độ của máy ảnh (C-xyz), hệ toạ độ trắc địa địa phương (l-frame) và hệ toạ độ địa tâm trái đất ECEF (của GPS)

Đầu quét laser và máy ảnh là hai thiết bị độc lập nhau và tương tự về mặt quan

hệ hình học trong hệ thống tích hợp này và để đơn giản trong trình bày, nên ở mục này chỉ đề cập tới 3 hệ toạ độ là IBF, SBF và ECEF

Thông qua quan hệ chuyển đổi toạ độ giữa các hệ thống trên ta có:

,

SBF A SBF P I L F S I L ECEF A ECEF

XA SBF

YA SBF

Z-SBF X-SBF Y-SBF

Z-IBF Y-IBF

X-IBF

- X P : Toạ độ thực địa điểm quét laser (P) trong hệ trục toạ độ trắc địa ECEF, X P ECEF (x P ECEF,y P ECEF,z P ECEF)

- ECEF

A

X : Toạ độ tâm angten GPS trong hệ toạ độ trắc địa ECEF ký hiệu là:

),,( A ECEF A ECEE ECEF A

P SBF P SBF

( SBF A A SBF SBF A

SBF

Hình 1.9Toạ độ điểm quét P và anten GPS trong mối quan hệ giữa các hệ toạ

độ SBF, IBF, ECEF (A,B)

- R L F,I L,S,I: Ma trận quay tổng hợp từ hệ toạ độ SBF của sensor về hệ toạ độ trắc địa ECEF qua hệ thống IBF của IMU; bao gồm ma trận quay từ hệ thống SBF về hệ thống IBF (b-frame), ma trận quay IBF của IMU về hệ toạ độ địa phương L (l-frame) với các góc ,  và  , sau đó là ma trận quay từ ma trận địa phương L về

hệ toạ độ ECEF

- R : Ma trận quay góc quét của chùm tia laser Góc quét này được hiệu chỉnh 

sai số tỉ lệ và giá trị lệch tâm đỉnh của góc quét thông qua kiểm định

- r P: Véc tơ độ dài từ điểm thực địa P đến đầu quét laser

Mô hình độ chính xác xác định toạ độ thực địa điểm quét laser (P) của LiDAR

ZPECEF

XOSBF

P XP SBF

YP SBF

XP ECEF

XA ECEF

Z-ECEF Y-ECEF

được đánh giá nhờ ma trận hiệp phương sai:

T P SBF P P T I I I ECEF A ECEF

C : Ma trận hiệp phương sai vị trí angten GPS ở hệ toạ độ ECEF

- C P SBF: Ma trận hiệp phương sai vị trí điểm LiDAR trong hệ thống SBF của

- C I: Ma trận hiệp phương sai các góc ,  và  của hệ thống IMU

- J , I J P: Jacobian của các góc ,  và  hệ thống IMU và Jacobian của điểm quét LiDAR trong hệ thống SBF của sensor

- C , A J A: Ma trận hiệp phương sai và Jacobian trị đo góc quét ,độ dài r

- ,R: Phương sai trị đo góc quét và độ dài

1.2.5 Nguồn sai số do mô hình toán học xây dựng DEM

Trong thực tế ứng dụng, thuật toán xây dựng DEM phải đơn giản, dễ ứng dụng trong tự động hoá Hiện nay, có nhiều mô hình toán học để biểu diễn bề mặt địa hình và nội suy thành lập DEM, như hàm phi tuyến, hàm tuyến tính, hàm đa phương, hàm diện tích, hàm song tuyến DEM được xây dựng phổ biến nhất là dựa trên lưới ô vuông GRID hoặc lưới tam giác TIN, vì hai loại lưới này có thuật toán đơn giản, dễ thực hiện Độ cao của DEM nội suy trên cơ sở lưới GRID thường bằng hàm song tuyến có dạng sau:

Z = a o + a 1 X + a 2 Y + a 3 XY (3) hoặc dựa vào lưới TIN:

Mô hình sai số độ cao điểm nội suy của DEM thể hiện bằng phương saiDEM

có dạng sau (đối với lưới GRID) [4]:

với:

S

v d r

P( ) Trong đó: d là độ dài cạnh mắt lưới ô vuông GRID, v là chu vi ô vuông (v = 4d), S là diện tích ô vuông (d2), nod là phương sai độ cao mắt lưới ô vuông, K là hệ

số phụ thuộc tính chất địa hình (Kmax = 4),  là góc nghiêng trung bình của địa hình

Trong (5), phương sai độ cao của DEM DEM chứa thành phần sai số là sai số

độ cao điểm mắt lưới ô vuông nod, mà điểm mắt lưới ô vuông là điểm được nội suy

từ hàm toán học xây dựng DEM

Như vậy, độ chính xác của DEM phụ thuộc một phần vào hàm toán học xây dựng và nội suy DEM

1.2.6 Nguồn sai số do mật độ điểm quét laser

Trong (5), độ chính xác của DEM DEM chịu ảnh hưởng của mật độ điểm (d) Cạnh d của lưới ô vuông càng nhỏ (mật độ điểm cao), phương sai DEM sẽ nhỏ và ngược lại Để đảm bảo độ chính xác của DEM và đồng thời không lãng phí kinh phí thì mối quan hệ giữa mật độ điểm quét laser và độ chính xác DEM cần được xem xét, tính toán cho hợp lý

Mô hình sai số độ cao của DEM trong mối quan hệ với mật độ điểm quét laser (n), được mô tả theo công thức (5):

Trong đó:

A(n): Tham số và là hàm số biến của n, với n là mật độ điểm quét laser

B: Hệ số phụ thuộc vào tính chất (góc nghiêng  ) của địa hình

Công thức (5) rất có ý nghĩa thực tiễn, nó cho phép xác định mật độ điểm quét cần thiết để đảm bảo độ chính xác của DEM Từ mật độ điểm quét sẽ tính được các thông số phù hợp cài đặt cho máy quét và xác định độ cao bay quét laser một cách hợp lý

1.2.7 Nguồn sai số do mức độ phức tạp của địa hình

Tính chất phức tạp của địa hình có thể thống kê trên 3 yêú tố sau:

- Mức độ gồ ghề của địa hình,

- Góc nghiêng địa hình,

- Địa vật phủ trên bề mặt địa hình

Các công nghệ thành lập DEM khác nhau đều tìm các giải pháp giải quyết 3 yếu tố này, nhằm nâng cao độ chính xác bằng cách tăng độ chính xác và tăng mật

độ của điểm đo Công nghệ LiDAR giải quyết 3 yếu tố này có ưu thế hơn các phương pháp khác, bởi lẽ độ chính xác của từng điểm quét rất cao (đến cm) và mật

độ điểm quét rất lớn (có thể tăng mật độ điểm quét từ vài cm tới 10 m với tần suất quét lên tới 240.000 điểm quét trong một giây)

Công thức (6), với mỗi loại địa hình, ứng với góc nghiêng địa hình và mật độ điểm quét thì có thể ước tính được độ chính xác của DEM cần lập

1.3 Khả năng ứng dụng của công nghệ tích hợp LiDAR và máy ảnh số trong lĩnh vực trắc địa bản đồ

1.3.1 Sự phụ thuộc của cường độ phản hồi của tín hiệu Lidar vào lớp phủ mặt đất

Các đối tượng trên mặt đất có cấu tạo vật chất khác nhau và có các tính chất phổ không giống nhau Thông thường nguồn ánh sáng laser dùng trong các hệ thống Lidar nằm trong dải hồng ngoại của sóng điện từ bao gồm các dải năng lượng từ hồng ngoại (infrared) cho đến hồng ngoại sóng ngắn (short-wave length infrared) với bước sóng từ 900 nm đến1550 nm Trong dải phổ này cường độ phản xạ của các điểm laser trên tán lá cây thường lớn, do đó trên ảnh cường độ phản xạ cây thường

có màu sáng đồng nghĩa với giá trị độ xám trên ảnh cường độ phản hồi cao Ngược lại đất hay hắc ín có màu tối hoặc mặt nước hấp thụ sóng hồng ngoại nên cũng có màu tối, đồng nghĩa với độ xám thấp

Bảng 1.1 trình bày về hệ số phản xạ của một số loại lớp phủ mặt đất đối với

tín hiệu Lidar ở bước sóng  = 900 nm Có thể thấy rằng một số đối tượng mặt đất

sẽ có độ phản xạ tương đương như nhau trên cùng một ảnh cường độ phản hồi của Lidar dẫn đến việc phân loại các lớp phủ nếu chỉ dựa trên ảnh cường độ phản hồi sẽ gặp khó khăn Bảng (1.1) biểu diễn hệ số phản xạ của một số đối tượng vật chất cơ

bản thuộc các khu vực đô thị và các khu vực ngoài đô thị đối với sóng điện từ ở các vùng khác nhau (Armand 1991, Barretta 1992)

Bảng 1.1: Hệ số phản xạ của một số đối tượng vật chất

viễn thám độ phân giải cao hiện nay như IKONOS, Quickbird, v.v đều không có các kênh ảnh ở bước sóng nói trên

Mặt khác, ảnh cường độ phản hồi của Lidar khác ảnh viễn thám về mặt tính chất của chùm tia Mỗi giá trị độ xám của các điểm ảnh trên ảnh viễn thám là năng lượng của toàn bộ lớp vật chất nằm trong một điểm ảnh ở một giải sóng điện từ nhất định mà bộ cảm của hệ thống viễn thám thu được Các chùm tia của hệ thống Lidar thường có độ rộng (footprint) nhỏ và giá trị độ xám của mỗi điểm ảnh (pixel) là giá trị nội suy từ các giá trị cường độ phản hồi thu được của các điểm lân cận điểm ảnh

đó trong đám mây các điểm (point clound) Như vậy, giá trị độ xám của mỗi điểm ảnh trên ảnh cường độ phản hồi của Lidar không nhất thiết là đại diện cho giá trị phản hồi của toàn bộ vật chất nằm trong một điểm ảnh mà chỉ là giá trị cường độ phản hồi của một phần vật chất nhất định nằm trong điểm ảnh Và việc phân loại lớp phủ bằng ảnh cường độ phản hồi bản thân nó đã chứa một số sai số nhất định Tuy nhiên, nếu so sánh với ảnh viễn thám, ảnh cường độ phản hồi Lidar có một số ưu điểm nhất định Chùm tia Lidar cho phép quét xuyên qua các tán cây đồng nghĩa với việc ảnh cường độ phản hồi tạo ra từ dữ liệu đám mây điểm (point clound) chứa đựng cả những thông tin về bề mặt vật chất ở dưới tán cây Ưu điểm này cho phép ảnh cường độ phản hồi có thể sử dụng để xác định các đối tượng phía dưới tán cây.Với mỗi xung phát ra có thể có tới 5 tín hiệu phản hồi Các tín hiệu phản hồi này có thể thuộc các tầng khác nhau của thực phủ như: tán lá, cành cây hay mặt đất phía dưới tán cây; hoặc mép mái nhà và bề mặt mặt đất (Hình 1.10) Xung phản hồi thứ nhất có nhiều khả năng là các điểm nằm trên bề mặt tán cây còn xung phản hồi cuối cùng có nhiều khả năng là các điểm mặt đất Do vậy dữ liệu cường độ phản hồi của Lidar có thể ứng dụng trong nghiên cứu rừng và sự phát triển của cây

Với tầm bay thấp và số lượng điểm đo lớn, dữ liệu Lidar cho phép đạt được độ phân giải cao hơn so với các hệ thống thám Nếu mật độ điểm quét lớn, có thể đạt được ảnh cường độ phản hồi với độ phân giải lên tới 0.2m trong khi các hệ thống viễn thám thương mại cao nhất hiện nay mới cho độ phân giải mặt đất tới 0.5m với

ảnh toàn sắc và 2m với ảnh phổ Hơn nữa do là nguồn viễn thám chủ động và bước sóng của tín hiệu nên dữ liệu cường độ phản hồi Lidar có thể thu được vào ban đêm

và có thể có bất cứ lúc nào cần thu dữ liệu

Hình 1.10: Chùm tia Laser và các xung phản hồi

(Nguồn www.lidarcomm.com)

Một ưu điểm của ảnh cường độ phản hồi là ảnh được xác định từ đám mây các điểm với mật độ cao bằng các thiết bị bay tầm thấp và không sử dụng ánh sáng nhìn thấy được nên không bị hiện tượng bóng của đối tượng như đối với ảnh viễn thám và ảnh hàng không Ưu điểm này cho phép có thể sử dụng ảnh cường độ phản hồi để bổ sung cho những vùng dữ liệu còn thiếu khi phân loại bằng ảnh viễn thám

độ phân giải cao

1.3.3 Khả năng ứng dụng của công nghệ tích hợp LiDAR và máy ảnh số trong lĩnh vực trắc địa bản đồ

Công nghệ LiDAR đã và đang được ứng dụng trong các nước phát triển rất có hiệu quả về kinh tế và kỹ thuật.Mô hình số độ cao DEM là một sản phẩm quan trọng nhất trong công nghệ LiDAR Hầu như tất cả các ngành kinh tế và đặc biệt là các ngành tài nguyên & môi trường, giao thông, thuỷ lợi, xây dựng, quy hoạch có

nhu cầu rất lớn trong sử dụng mô hình số độ cao

Hình 1.11Mô hình số địa hình DEM/DTM Trong phần mềm xử lý dữ liệu Lidar có những công cụ lọc, dùng để loại bỏ các điểm độ cao của các đối tượng không nằm trên mặt đất để tạo mô hình số địa hình (DTM).Công nghệ LiDAR tạo và xây dựng mô hình số độ cao (DEM) dầy đặc, với mật độ có thể tới hàng cm khi độ cao bay là 500m Độ cao bay của LiDAR trong khoảng 500m đến 4000m, độ chính xác tương ứng xác định độ cao là 13-30cm và mặt phẳng là 11-46cm

Hình 1.12Hiển thị dữ liệu theo tầng độ cao Công nghệ LiDAR có khả năng đặc biệt là xây dựng mô hình số độ cao (DEM) theo từng tầng ứng với từng loại đối tượng (ví dụ như có thể tạo DEM theo tầng ngọn cây, DEM theo tầng công trình dân dụng, DEM cho hệ thống dây và cột điện )

Một sản phẩm đặc dụng sau quá trình xử lý của LiDAR là tạo ảnh trực chiếu

(orthophoto) cường độ xám, ảnh nổi.ảnh cường độ xám có thể hiển thị theo nhiều tầng và có thể tách hiển thị theo từng loại đối tượng cùng chất liệu

Hình 1.13Mô hình số bề mặt DSM_FE và DSM_LE Công nghệ LiDAR tạo ra được sản phẩm mô hình số bề mặt DSM rất thực, rất

lý tưởng để nắn trực ảnh, xây dựng mô hình 3D và cho nhiều mục đích ứng dụng khác

Hình 1.14Nắn ảnh từ phép chiếu xuyên tâm về thẳng đứng

Bình đồ ảnh số trong công nghệ tích hợp LiDAR với máy ảnh số là một sản phẩm rất hữu dụng trong thành lập bản đồ địa hình, địa chính, bản đồ chuyên đề, bản đồ 3D và là một lớp thông tin cơ bản trong cơ sở dữ liệu thông tin địa lý Sản phẩm bình đồ ảnh số dạng trueorthophoto là một sản phẩm ảnh màu đã được nắn thẳng đứng, rất lý tưởng cho công tác điều vẽ, số hoá và biên tập các đối tượng địa

lý trên mặt đất trong quá trình tạo cơ sở dữ liệu GIS hay nội dung bản đồ

Hiện nay thế giới đã xây dựng được một số phần mềm đoán đọc ảnh rất tiện ích Kèm theo hệ thống phần mềm giải đoán ảnh là các module phần mềm véctơ hoá tự động rất linh hoạt và thông minh Kèm theo hệ thống LiDAR có các phần mềm xử lý, biên tập, hiển thị dữ liệu, truy và xuất dữ liệu, giao diện với người dùng

Hình 1.15Xây dựng mô hình 3D (Sông Nhuệ – Hà Đông)

Hệ thống LiDAR ngoài xây dựng mô hình số địa hình (DTM), tạo ảnh ortho

để thành lập bản đồ địa hình, cung cấp dữ liệu cho GIS, còn được ứng dụng rất có hiệu quả trong công tác quản lý, đánh giá rừng; theo dõi, quản lý các công trình kinh tế kỹ thuật; xây dựng bản đồ chuyên đề; nghiên cứu vùng ven biển và hệ thống sông ngòi; thành lập, cập nhật bản đồ lũ lụt; xây dựng kịch bản biến đổi khí hậu; lập quy hoạch đa lĩnh vực; thiết kế giao thông, thuỷ lợi; viễn thông, theo dõi khai thác mỏ; nghiên cứu tổng hợp vùng thành thị; sử dụng trong mục đích quân sự; đánh giá

và dự đoán các thảm hoạ

1.4 Lịch sử ứng dụng Lidar trên thế giới và Việt nam

Lịch sử của công nghệ LIDAR được áp dụng và phát triển từ đầu những năm

90 của thế kỉ trước Cơ quan Hàng không Vũ trụ NASA (Mỹ), hay ở các nước tiên tiến như Anh, Thụy Điển đã áp dụng công nghệ này thành lập mô hình số độ cao,

đo vẽ địa hình, mô hình số bề mặt trên đất liền và thậm chí dọc bờ biển tới độ sâu 50m

Tới những năm cuối của thế kỉ trước và những năm đầu thế kỉ 21, các hãng Optech (Canada), Leica (Thụy Sỹ), Toposys (Đức) đã cho sản xuất các thiết bị và công nghệ LIDAR Trong các thiết bị LIDAR, hệ thống máy quét của hãng Optech ALTM 3100-EA đáng chú ý nhất vì nó là thế hệ máy laser mới nhất với các ưu điểm vượt trội về tần số phát tới 100.000 tia laser trong một giây, độ phản xạ của các tia laser đạt tới 85% đến 95% Mật độ điểm đạt tới 2 điểm/m2.(Lê Minh 2007)(G Prisestnall 2007)

Ở Mĩ, nhiều quận ở các bang đã tiến hành ứng dụng Lidar để xây dựng bản

đồ địa hình với khoảng cao đều từ 0,5m như tháng 2/2002 đã thực hiện dự án “ Beauty County, South Carolina (752 square miles) Lidar 1’ Interval Contour Mapping” (Quận Beauty, bang South Carolina (752 square miles) bản đồ với đường bình độ 1’) do LMSI thực hiện với hệ thống của Optech, LMSI cũng đã thực hiện các dự án khác như vậy ở các quận khác: “Genesee County, Michigan (820 square miles) LIDAR 2’ Interval Contour Mapping” (3/2002) (Quận Genesee, bang Michigan (820 square miles) bản đồ với đường bình độ 2’); “Marion County, Indiana (490 square miles) LIDAR 2’ Interval Contour Mapping” (5/2003) (Quận Marion, bang Indiana (490 square miles) bản đồ với đường bình độ 2’)… (Armin Gruen 2006)Ở Trung Quốc, Nhật Bản ứng dụng nhiều trong nghiên cứu phòng chống thiên tai Ở Liên bang Nga, ngoài thành lập DEM các thành phố còn dùng DEM để khảo sát các tuyến đường điện cao thế, phân loại cây rừng, đường cao tốc, khu vực sạt lở đất, các lưu vực sông trong việc phòng chống lũ…

Trên thế giới có rất nhiều đề tài nghiên cứu vể LIDAR Ví dụ như: Đề tài nghiên cứu về “Coastal & Nearshore Mapping with Scanning Airborne Laser (Lidar)” (Bản đồ bờ biền và khu vực gần bở với LIDAR) (1998) được USGS,

NASA và NOAA cùng hợp tác nghiên cứu, đề tài nghiên cứu “Building Extract - Lidar R&D Program for NASA/ICREST Studies Project” (09/16/01) của NASA/ ICREST (tách nhà- chương trình LIDAR R&D cho đề tài nghiên cứu NASA/ICREST); hay ở Trung Quốc cũng có đề tài nghiên cứu của (H.Lin 2008):

“Fast reconstruction of three dimensional city model bases on airborn Lidar” ( Thiết lập nhanh mô hình thành phố 3D dựa vào LIDAR) ứng dụng cho khu vực thành phố Thượng Hải, Trung Quốc…Không những vậy, các phần mềm hỗ trợ phân tích LIDAR cũng ngày càng được phát triển như: ENVI, Arcgis, TopPIT Harrier, Erdas, LP360…(Hristo Stanchev 2009)

Việt Nam cũng thực hiện nhiều chuyến bay chụp bằng LIDAR như ở Hải Phòng, Cần Thơ, Đồng Nai, Bắc Giang, Bắc Ninh, Hưng Yên… để lập các mô hình DEM, các cơ sở dữ liệu địa hình với độ chính xác cao Ví dụ: Trung tâm Viễn thám

đã phối hợp với Liên doanh giữa công ty Credent và công ty AAMHatch (Úc) tiến hành thành lập DEM với độ chính xác 20cm khu vực Cần Thơ trong Dự án: “ Xây dựng cơ sở dữ liệu Địa hình- Thủy văn cơ bản phục vụ phòng chống lũ lụt và phát triển kinh tế vùng đồng bằng sông Cửu Long” Dự án thực hiện với hện thông LIDAR ALTM 3100C (Lê Minh 2007) Ngoài ra, công ty Đo đạc ảnh địa hình đã ứng dụng thành công hệ thống LIDAR ALTM 3100 của Optech tại khu vực Đồng Nai năm 2006 để thành lập DTM tương ứng với bình độ 5m Và công ty Đo dạc ảnh địa hình đề ra mục tiêu thực hiện ứng dụng công nghệ LIDAR Harrier 56 để thành lập DEM có độ chính xác cao 0,15-0,20m.(Quyên 2007) Như vậy, Việt Nam cũng bắt đầu làm quen với công nghệ LIDAR, tiến hành nhiều nghiên cứu công nghệ mới này.Đây là bước đi phát triển của công nghệ trắc địa bản đồ nước ta trong việc hội nhập với khoa học công nghệ tiên tiến thế giới

1.5Các phương pháp nghiên cứu thành lập bản đồ 3D

Có nhiều phương pháp có thể áp dụng để thành lập bản đồ 3D: sử dụng ảnh máy bay; thành lập từ các nguồn số liệu viễn thám khác; thành lập sử dụng bản đồ địa hình 2D có sẵn hay thành lập bằng phương pháp đo đạc thực địa

Mỗi phương pháp thành lập bản đồ 3D có các ưu điểm và nhược điểm riêng,

phù hợp với các tỷ lệ hay độ chi tiết khác nhau Việc thu thập các dữ liệu chi tiết cho bản đồ 3D rất tốn công, chỉ với một yêu cầu tăng thêm về độ chi tiết của một nhóm đối tượng có thể dẫn đến chi phí thành lập bản đồ tăng rất cao Nên bước đầu tiên mà dù theo phương pháp thành lập nào cũng cần tiến hành là thiết kế nội dung bản đồ trong đó một trong những chi tiết quan trọng cần phải quyết định là hình thức thể hiện nhà và các công trình xây dựng trong khu dân cư Tùy vào mục đích

sử dụng, yêu cầu mà đưa ra tỷ lệ và phương pháp thành lập Tuy nhiên có thể điểm

ra các bước chính áp dụng cho mọi phương pháp thành lập bản đồ địa hình 3D như sau:

- Thiết kế nội dung: xác định nội dung, chọn lựa và qui định cách thể hiện cụ thể cho từng đối tượng bản đồ 3D của khu đo

- Tạo dữ liệu đồ họa nền 2D tương tự như bản đồ địa hình truyền thống

- Tạo dữ liệu 3D bằng các phương pháp đo vẽ lập thể, đo vẽ thực địa, Lidar…

- Thu thập các thông tin thuộc tính từ các nguồn tài liệu có sẵn hoặc thông qua điều vẽ ngoại nghiệp

- Gắn kết các thông tin thuộc tính với dữ liệu đồ họa

- Hiển thị các nội dung bản đồ 3D dựa trên nền mô hình số địa hình, các dữ liệu đồ họa 3D và các dữ liệu thuộc tính của đối tượng theo các nguyên tắc nhất định

- Phương pháp Lidar

Giải pháp công nghệ quét laser đặt trên máy bay - Airborne Laser Scanning (ALS) hay còn gọi là LIDAR phục vụ cho công tác nghiên cứu địa hình bắt đầu vào những năm thập niên 90 của kỷ nguyên XX Dữ liệu Lidar có thể thành lập DTM với độ chính xác rất cao từ 0.15m – 0.50 m

Cơ chế hoạt động của một hệ thống Lidar: thông thường bao gồm một máy quet laser (bộ cảm biến) được gắn chính xác vào bên dưới máy bay có vai trò phát xung laser hẹp đến bề mặt trái đất trong khi máy bay di chuyển với một tốc độ nhất định Một máy thu gắn trên máy bay sẽ thu nhận phản hồi của những xung này khi chúng đập vào bề mặt trái đất và quay trở lại thiết bị thu trên máy bay Hầu hết các

hệ thống Lidar đều sử dụng một gương quét để tạo ra một dải xung Các giá trị tọa

độ và độ cao chính xác đo được bằng thiết bị đạo hàng, góc quay gương tức thời và các khoảng cách thu nhận được dùng để tính toán tọa độ ba chiều của các điểm độ cao Dữ liệu Lidar được kết hợp với các thông tin vị trí chính xác thu nhận từ thiết

bị GPS và hệ thống thiết bị xác định các thông số định hướng trong (INS) cùng đặt trên máy bay Khi tất cả các thông tin này được lưu trữ và xử lý, kết quả sẽ là một giá trị tọa độ (x,y,z) chính xác của mỗi điểm quét được trên mặt đất Khi được tích hợp với máy ảnh số khổ trung bình, có thể tiến hành đồng thời quá trình quét Lidar

và chụp ảnh số của một khu vực quy trình này giúp giảm chi phí bay chụp, thu được các sản phẩm: trực ảnh, mô hình số độ cao và có thể tạo được mô hình thành phố ba chiều

Với khả năng thành lập cả mô hình số địa hình (DTM) lẫn mô hình số bề mặt (DSM) công nghệ LIDAR đặc biệt tỏ ra hữu ích khi được ứng dụng tại các vùng mà các phương pháp khác tỏ ra kém hiệu quả, chẳng hạn các vùng rừng, vùng cửa sông, đụn cát, vùng đất ngập nước hay quản lý vùng bờ và đặc biệt là có mức độ chi tiết cao để thực hiện xây dựng bản đồ 3D khu vực đô thị Đặc biệt trong trường hợp cần xây dựng mô hình đô thị trong một thời gian ngắn bao gồm cả mô hình bề mặt mặt đất và cả mô hình nhà cửa với hình dạng chi tiết của mái nhà (roof shape)

Hình 1.16: Mô hình 3D khu vực đô thị từ dữ liệu Lidar

Trong các ứng dụng dạng này, người ta thường kết hợp dữ liệu Lidar với các tài liệu khác trong quá trình thành lập bản đồ 3D như: các dữ liệu GIS có sẵn về khối nhà, ảnh hàng không và vệ tinh để có thể đạt được kết quả tốt nhất Thông

thường, phương pháp Lidar được áp dụng đạt hiệu quả cao trong việc thành lập bản

đồ 3D tỷ lệ lớn cho các khu vưc đô thị

- Phương pháp đo vẽ trực tiếp thực địa

Phương pháp đo vẽ trực tiếp ngoài thực địa rất tốn kém về thời gian và kinh phí, phương pháp này đòi hỏi rất nhiều công sức của con người Để xây dựng bản

đồ 3D, người ta cần đo đạc trực tiếp ngoài thực địa các đối tượng địa hình, địa vật, cây cối, đường dây, công trình xây dựng, giao thông như đối với bản đồ 2D truyền thống Ngoài ra còn phải trực tiếp đo độ cao cho các đối tượng này để tiến hành mô hình hóa ba chiều và gán các dữ liệu thuộc tính cho chúng Trên thực tế, vì đỏi hỏi quá nhiều thời gian và công sức nên người ta hầu như không sử dụng phương pháp này để xây dựng bản đồ 3D mà chỉ áp dụng để xác định vị trí và kích thước của một

số đối tượng phục vụ cho công tác bổ trợ cho các phương pháp khác

Hình 1.17: Mô hình 3D được xây dựng từ dữ liệu đo trực tiếp tại thực địa

- Phương pháp do vẽ ảnh hàng không

Tùy thuộc vào tỷ lệ bản đồ cần thành lập, chọn tỷ lệ ảnh cho phù hợp Tiến hành đo điểm khống chế, quét phim và tăng dày; vẽ lập thể các nội dung đặc trưng địa hình như đường phân thủy, tụ thủy Thành lập mô hình số độ địa hình DTM và nắn ảnh trực giao