NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG QUY TRÌNH THÀNH LẬP BẢN ĐỒ 3D BẰNG THIẾT BỊ ĐO LASER P20

Bản đồ 3D có những ưu điểm sau: cung cấp cho người dùng khả năng chủ động chọn vị trí quan sát ảo trong bản đồ, cho phép nhận biết và tìm hiểu các dữ liệu không gian cũng như các thông t

TRƯỜNG ĐẠI H

KHOA TR

SINH VIÊN

NGHIÊN C THÀNH LẬP BẢ

I HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ N

KHOA TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ

SINH VIÊN: NGUYỄN THÀNH CÔNG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG QUY TRÌNH

ẢN ĐỒ 3D BẰNG THIẾT BỊ ĐO LASER P20

Hà Nội - 2015

NG HÀ NỘI

NG QUY TRÌNH

O LASER P20

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TR

KHOA TR

SINH VIÊN

NGHIÊN C THÀNH LẬP BẢ

Chuyên ngành: Tr

Mã ngành:

C TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ N

KHOA TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ

SINH VIÊN: NGUYỄN THÀNH CÔNG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG QUY TRÌNH

ẢN ĐỒ 3D BẰNG THIẾT BỊ ĐO LASER P20

Chuyên ngành: Trắc Địa - Bản Đồ ngành:D520503

1

LỜI CAM ĐOAN

Trong đồ án này đã có sự tham khảo các tài liệu trong nước và ngoài nước, đã được ghi chú, chú thích đầy đủ Tôi xin đảm bảo đây là kết quả của quá trình nghiên cứu do chính bản thân tôi thực hiện

Hà Nội, ngày 10 tháng 6 năm 2015

Tác giả đồ án

Nguyễn Thành Công

2

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH, ĐỒ THỊ

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA BẢN ĐỒ3D 3

1.1 Khái niệm bản đồ 3D 3

1.2 Đặc điểm của bản đồ 3D 3

1.2.1 Tính trực quan 4

1.2.2 Tính đo được 4

1.2.3 Tính thông tin của bản đồ 5

1.3 Cấu trúc bản đồ 3D 5

1.4 Cơ sở toán học, độ chính xác của bản đồ 3D 6

1.5 Các đối tượng hiển thị trên bản đồ 3D 7

1.6 Mô hình số độ cao của bản đồ 3D 11

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ ĐO LASER MẶT ĐẤT 14

2.1 Nguyên lý hoạt động công nghệ đo Laser mặt đất 14

2.2 Đặc tính ưu việt của máy quét laser mặt đất 19

2.3 Giới thiệu một số hệ thống Laser mặt đất 22

Phần mềm Microstation – MGE 26

Phần mềm ArcScene – ArcGIS 8.2 27

2.5 Ứng dụng máy quét Laser mặt đất 28

3

CHƯƠNG 3: QUY TRÌNH THÀNH LẬP BẢN ĐỒ 3D BẰNG THIẾT BỊ

ĐO LASER P20……….33

3.1 Công tác chuẩn bị, khảo sát thiết kế 33

3.2 Công tác ngoại nghiệp 33

3.3 Số hóa bản đồ 3D - Giao nộp sản phẩm 34

CHƯƠNG 4: THỬ NGHIỆM THÀNH LẬP MÔ HÌNH 3D 41

4.1 Công tác chuẩn bị 41

4.2 Đo tọa độ, độ cao điểm khống chế, quét địa hình địa vật trên tuyến phố 42

4.3 Tính toán – XLSL – biên tập 43

KẾT LUẬN - KIẾN NGHỊ 66

1 Kết luận 66

2 Kiến nghị 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO 68

4

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

LoD : Level of Detail – Cấp độ chi tiết

DEM : Digital Elevation Model - Mô hình số độ cao TLS 3D : Terrestrial Laser Scanning - Công nghệ quét laser 3 chiều mặt đất TIN : Triangulated Irregular Networks - Mạng tam giác

không đều

6

DANH MỤC CÁC HÌNH, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Các n ội dung chính của mô hình Mô hình địa hình 3D 5

Hình 1.2 C ấp độ chi tiết LoD đối với các đối tượng nhà, khối nhà 10

Hình 2.1 Nguyên lý ho ạt động của các máy quét TLS 3D “Phase Based” và “Time of Flight” 16

Hình 2.2 Nguyên lý ho ạt động của các máy quét STLS 3D “Waveform Processing” 18

Hình 2.3 Đám mây điểm sau khi quét 3D và đám mây điểm chuyển sang 19

ph ần mềm CAD 19

Hình 2.4 Máy scan laser Leica P20 22

Hình 2.5 Mô hình 3D tuy ến đường giao thông tái dựng bằng đám mây điểm thu được từ máy quét laser 3D 28

Hình 2.6 Mô ph ỏng 3D lắp ráp các hợp phần mới vào các hợp phần hiện có c ủa nhà máy với kích thước thực thu được bằng máy quét laser 3D 29

Hình 2.7 Thi ết kế bổ sung thiết bị cho cơ sở hạ tầng dầu khí, được thực hiện và t ối ưu hoá hoàn toàn trên mô hình đám mây điểm 3D do máy quét laser 3D cung c ấp 31

Hình 3.1 Quy trình thành l ập bản đồ 3D bằng thiết bị đo Laser 33

Hình 3.2 C ấp độ chi tiết LoD đối với các đối tượng nhà 40

Hình 4.1 B ộ thiết bị máy quét Laser 3D mặt đất 42

Hình 4.2 S ơ đồ quy trình thực hiện 43

Hình 4.3 Nh ập dữ liệu quét của máy vào phần mềm Cyclone 9.0 45

Hình 4.4 C ửa sổ hiển thị dữ liệu đã được nhập 46

Hình 4.5 T ạo và mở ModelSpase View 46

Hình 4.7 T ạo Registration (ghép nối các khối dữ liệu với nhau) 47

Hình 4.8 C ửa sổ hiện thị ScanWorlds 48

Hình 4.9 C ửa sổ hiển thị câu lệnh 48

7

Hình 4.10 T ạo Project từ các dữ liệu trạm quét 49

Hình 4.11 L ệnh đặt trạm làm cố định 49

Hình 4.12 Tr ạm quét 1 50

Hình 4.13 Tr ạm quét 2 50

Hình 4.14 Tr ạm quét 3 51

Hình 4.15 Tr ạm quét 4 51

Hình 4.16 Hình ảnh Modelspace trước khi gộp khối dữ liệu của trạm 1 và 2 52 Hình 4.17 C ửa sổ hiện thị thuật toán gộp khối dữ liệu 52

Hình 4.18 Tr ạm 1 và 2 trước khi gộp 53

Hình 4.22 Tr ạm 3 và 4 trước khi gộp 55

Hình 4.24 C ửa sổ hiển thị bước làm ghi dữ liệu 56

Hình 4.25 C ửa sổ hiển thị bước làm 56

Hình 4.26 Mô hình sau khi g ộp 4 trạm đo được mở trong ModelSpace View 57 Hình 4.27 Nh ập độ cao cho các tiêu đo 100, 101, 102 theo đường dẫn Create object/ Fit to cloud/ Black and white target 57

Hình 4.28 Nh ập độ cao của tiêu đo 100 58

Hình 4.29 Nh ập độ cao của tiêu đo 101 58

Hình 4.30 Nh ập độ cao của tiêu đo 102 59

Hình 4.32 Nh ập tọa độ của các tiêu đo 100, 101, 102 được đo bằng GPS trong h ệ tọa độ VN-2000 theo đường dẫn Day3/ Import/ Vietnam coordinate 60

Hình 4.35 Hình ảnh Modelspace View của khối dữ liệu đã gộp 62

Hình 4.36 C ửa sổ hiện thị tọa độ các điểm sau khi được gán hệ tọa độ 62

Hình 4.37 Hình ảnh các đối tượng được quét sau khi màu hóa dữ liệu 63

Hình 4.38 Hình ảnh các đối tượng được quét sau khi màu hóa dữ liệu 63

8

Hình 4.39 Hình ảnh các đối tượng được quét sau khi màu hóa dữ liệusau khi

màu hóa d ữ liệu các đối tượng này có thể ứng dụng để đo đạc và thiết kết trực

ti ếp trên mô hình 64

Hình 4.40 Các y ếu tố trong mô hình 3D có thể tính toán trực tiếpđinh dạng

c ủa mô hình được Export ra nhiều dạng để phù hợp mới mục đích sử dụng 64

Hình 4.41 Hình ảnh bản đồ 2D của cục Bản đồ bộ Tổng tham mưu 65

Hình 4.42 Hình ảnh đám mây điểm Cục đo đạc Bản đồ Bộ Tổng tham mưu 65

đồ 3D, khảo sát địa hình, thiết kế và thi công công trình dân dụng, công nghiệp, bảo tồn di tích lịch sử, mô phỏng địa hình, phục vụ công tác điều tra

hiện trường

Một trong những sản phẩm của công nghệ quét Laser mặt đất là Bản đồ 3D Bản đồ 3D có những ưu điểm sau: cung cấp cho người dùng khả năng chủ động chọn vị trí quan sát ảo trong bản đồ, cho phép nhận biết và tìm hiểu các dữ liệu không gian cũng như các thông tin thuộc tính liên quan đến các đối tượng địa hình chính xác hơn, chất lượng của các sản phẩm cũng được trực quan và chính xác hơn

Ở Việt Nam, việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ quét Laser mặt đất phục vụ cho thành lập bản đồ 3D vẫn còn mới mẻ và còn hạn chế Chính vì những lý do trên, việc nghiên cứu ứng dụng quy trình thành lập bản đồ 3D bằng thiết bị đo Laser là cần thiết và cấp bách

Đồ án tốt nghiệp “Nghiên cứu ứng dụng quy trình thành lập bản đồ 3D bằng thiết bị đo Laser P20” do em thực hiện Đồ án gồm có 4 chương bao gồm: Chương I: Tổng quan về bản đồ 3D giới thiệu khái quát bản đồ 3D và các ứng dụng của nó Chương II: Tổng quan công nghệ đo Laser mặt đất, nghiên nguyên lý hoạt động và phạm vi ứng dụng Chương III: Quy trình thành lập bản đồ 3D Chương IV: Thực nghiệm, đi sâu vào quy trình xử lý dữ liệu đám mây điểm bằng phần mềm Cyclone 9.0

Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, em đã nhận được nhiều sự giúp

đỡ, đóng góp ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của các thầy cô giáo trong bộ môn

2

và Ths Trần Quốc Vinh - Cán bộ của Cục Bản đồ Bộ Tổng tham mưu, người

đã trực tiếp hướng dẫn thực hiện đồ án trên Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo và Th.s Trần Quốc Vinh đã giúp em hoàn thành đồ án tốt nghiệp

2 Cơ sở tài liệu:

- Số liệu quét đám mây điểm, ảnh quét của máy quét Laser P20

3. Nơi thực hiện đồ án:

- Cục đo đạc Bản đồ - Bộ Tổng Tham mưu

Hà N ội, ngày 10 tháng 6 năm 2015

Tác giả đồ án

Nguyễn Thành Công

gian của chúng.(Hà Nhật Bình, (2011), “Thành lập bản đồ 3D tỷ lệ lớn trên

c ơ sở kết hợp công nghệ Viễn thám, hệ thông tin địa lý và bản đồ số”, Trường

Đại học Khoa học Tự nhiên, Khoa Địa lý)

và sai số biến dạng của bản đồ tùy theo phép chiếu được lựa chọn

- Các đối tượng và hiện tượng (nội dung bản đồ) được biểu thị theo một phương pháp lựa chọn và khái quát nhất định (tổng quát hoá bản đồ)

- Các đối tượng và hiện tượng được biểu thị bằng ngôn ngữ bản đồ

- Ngoài ra, bản đồ số còn có một số đặc điểm riêng như:

- Mọi thông tin của bản đồ số được ghi ở dạng số (mã nhị phân - binary)

- Thông tin của bản đồ số được cấu trúc theo kiểu raster hoặc vector, có kèm theo topology, tổ chức thành các file bản đồ riêng, hoặc liên kết thành thư mục, được lưu trong hệ thống máy tính hoặc thiết bị ghi thông tin có khả năng đọc bằng máy tính

4

- Ngoài thông tin đồ họa, bản đồ số còn chứa đựng những dữ liệu mà bản đồ truyền thống không liên kết trực tiếp được

- Khối lượng dữ liệu lớn hơn

- Tỷ lệ của bản đồ số mang tính điều kiện

- Bản đồ 3D sẽ có rất nhiều ưu điểm Nó có thể cung cấp cho người dùng khả năng chủ động chọn vị trí quan sát ảo trong bản đồ, cho phép nhận biết và tìm hiểu các dữ liệu không gian cũng như các thông tin thuộc tính liên quan đến các đối tượng địa hình chính xác hơn, có thể cập nhật thông tin và lưu trữ một cách an toàn

1.2.1 Tính trực quan

Được biểu hiện ở chỗ là bản đồ cho ta khả năng bao quát và tiếp thu nhanh chóng những yếu tố chủ yếu và quan trọng nhất của nội dung bản đồ Một trong những tính chất ưu việt của bản đồ là khả năng bao quát, biến cái không nhìn thấy thành cái nhìn thấy được.Bản đồ tạo ra mô hình trực quan của lãnh thổ, nó phản ánh các tri thức về các đối tượng hoặc các hiện tượng được biểu thị.Bằng bản đồ, người sử dụng có thể tìm ra đựơc những quy luật của sự phân bố các đối tượng và hiện tượng trên bề mặt trái đất

Chính do có tinh chất này mà bản đồ được dùng làm cơ sở để xây dựng các mô hình toán học của các hiện tượng địa lý và để giải quyết nhiều vấn đề khoa học và thực tiễn sản xuất

5

1.2.3 Tính thông tin của bản đồ

Đó là khả năng lưu trữ và truyền đạt cho người đọc những tin tức khác nhau về các đối tượng và các hiện tượng

1.3 Cấu trúc bản đồ 3D

Cấu trúc cơ bản của Bản đồ không gian ba chiều (Mô hình địa hình 3D) được thể hiện bao gồm 2 thành phần chính là mô hình số độ cao DEM và các đối tượng địa lý trên đó

Hình 1.1 Các nội dung chính của mô hình Mô hình địa hình 3D

Mô hình độ cao DEM: được xây dựng chủ yếu từ nguồn bản đồ địa hình do vậy cần tiến hành đo vẽ bổ xung trên trạm đo vẽ ảnh số các đối tượng như: đường bình độ khoảng cao đều 5m, 2.5m, các điểm độ cao chi tiết, các đường mô tả địa hình để thể hiện chi tiết các biến đổi địa hình, các mặt sườn,

vách trượt, các bờ xẻ, các đứt gãy địa hình,…

Các đối tượng địa hình 3D

Các đối tượng nằm ngay trên bề mặt DEM: Nhóm đối tượng này bao gồm các đối tượng dạng đường, vùng, điểm không có thể tích nằm ngay trên

bề mặt DEM như đường giao thông, bãi cỏ, điểm khống chế…

6

Các đối tượng nằm nổi trên bề mặt DEM: Nhóm này bao gồm nhà, các công trình xây dựng, tường rào, các loại dây dẫn, các đối tượng thực vật… có chiều cao tương đối lớn so với bề mặt DEM

1.4 Cơ sở toán học, độ chính xác của bản đồ 3D

Theo qui định của Bộ Tài nguyên và Môi trường, hệ tọa độ VN 2000 được áp dụng cho khối bản đồ địa hình Việc chọn lựa cơ sở toán học cho Mô hình địa hình 3D phải thống nhất với các qui định về cơ sở toán học đang được sử dụng cho Mô hình địa hình 2D cùng loại để đảm bảo tính thống nhất của các khối dữ liệu tương đồng, tăng hiệu quả sử dụng của dữ liệu Cơ sở toán học của Mô hình địa hình 3D phải tuân theo qui định như đối với Mô hình địa hình 2D tỷ lệ tương ứng tại Thông tư 973/2001/TT-TCĐC về

“Hướng dẫn áp dụng hệ qui chiếu và hệ tọa độ quốc gia VN-2000” Trong ArcGis, các thông số của hệ qui chiếu được qui định bởi một file *.PRJ Các

dữ liệu được gắn với hệ qui chiếu thông qua file *.PRJ này

Mô hình địa hình 3D cũng được thành lập theo từng mảnh với kích thước và cách chia mảnh giống như Mô hình địa hình 2D Phiên hiệu cũng lấy theo đúng như phiên hiệu của Mô hình địa hình 2D Tuy việc chia dữ liệu địa

lý theo đơn vị tờ nhiều khi làm mất tính liên tục của dữ liệu theo các nguyên tắc GIS nhưng trong giới hạn của đề tài chưa tìm cách giải quyết vấn đề này

mà tạm thời chỉ áp dụng các qui định hiện thời của dữ liệu đồ họa 2D

Khung trong và khung ngoài đối với Mô hình địa hình 3D vẫn là yếu tố khá quan trọng.Nó có thể giúp xác định vị trí và định hướng một cách tương đối trong môi trường 3D của Scene.Khung và lưới được tạo trong môi trường

đồ họa 2D và sau đó đưa vào hiển thị trong ArcScene cùng với các yếu tố khác của bản đồ Khung, các ghi chú ngoài khung, các ghi chú tọa độ địa lý

và tọa độ vuông góc trên khung được tạo theo đúng mẫu Mô hình địa hình 2D, không dùng các mẫu đường đặc biệt mà chỉ dùng lực nét để thể hiện

7

đường viền khung đậm ArcScene không nhập được các ghi chú đồ họa dạng text (annotation) nên các ghi chú được tạo trong MicroStation sẽ được đập (drop) thành dạng vùng cho mục đích hiển thị.Khung ngoài được thể hiện ở

độ cao 0m trong Scene

Phần khung trong của Mô hình địa hình 2D bao gồm các dấu chữ thập (cross) thể hiện các giao điểm lưới tọa độ.Trong ArcScene, các dấu chữ thập này rất khó phát hiện giữa các đối tượng địa hình được dựng lập thể lên cho nên trong Mô hình địa hình 3D, thay vì các dấu chữ thập này, dùng lưới tọa

độ phủ lên mặt DEM phù hợp hơn Lưới này được thể hiện bằng 2 màu khác nhau, các lưới ngang ( theo hướng đông - tây) một màu, các lưới dọc (theo hướng bắc - nam) thể hiện bằng một màu khác Cách thể hiện này có thể giúp

sẽ giúp xác định vị trí và định hướng tốt hơn khi quan sát trong môi trường 3D của Scene

Độ chính xác của Mô hình địa hình 3D bao gồm: độ chính xác về vị trí mặt phẳng của đối tượng, độ chính xác của bề mặt DEM và độ chính xác xác định độ cao riêng của các đối tượng nằm nổi trên mặt DEM Nói chung, dữ liệu của Mô hình địa hình 3D được xây dựng với yêu cầu về độ chính xác như đối với Mô hình địa hình 2D tỷ lệ tương ứng.Trong một số trường hợp đặc biệt độ cao riêng của các đối tượng như nhà, khối nhà có thể phải xác định với

độ chi tiết cao hơn là cho Mô hình địa hình 2D, các yêu cầu này sẽ được đề cập cụ thể khi cần cho từng nhóm nội dung

1.5 Các đối tượng hiển thị trên bản đồ 3D

Các đối tượng nằm ngay trên mặt DEM dạng đường như sông, suối, đường giao thông, dạng điểm như các điểm khống chế có thể được mô tả bằng các dữ liệu 2D hoặc 3D.Đối với dữ liệu 3D chúng có thể được thể hiện độc lập và chính xác vị trí của mình trong môi trường không gian ba chiều, không phụ thuộc vào dữ liệu DEM làm nền cho chúng Trường hợp nếu các

8

đối tượng này chỉ có tọa độ X, Y chúng cũng có thể được bổ sung tọa độ Z từ

mô hình DEM bằng một phép chiếu vuông góc đơn giản Các đối tượng dạng vùng như các bãi cát, bãi cỏ, sân thường chỉ có tọa độ X, Y Để thể hiện trong không gian ba chiều chúng sẽ được đẩy lên mặt DEM và được thể hiện bằng các ký hiệu tương ứng

Các đối tượng nằm nổi trên mặt DEM có độ cao riêng gồm nhóm các đối tượng dạng vùng như nhà và các công trình xây dựng, các đối tượng dạng đường như hàng rào, tường vây, các loại đường dây truyền tải, các đối tượng dạng điểm như cột điện, cây cối Các đối tượng này có cấu trúc phức tạp hơn

Để mô tả chúng ngoài tọa độ X, Y cần có các giá trị độ cao: giá trị Z là độ cao của mặt DEM tại vị trí đối tượng và giá trị h là độ cao riêng của đối tượng so với mặt DEM hoặc độ cao thực H của đối tượng trong không gian ba chiều Trên các Mô hình địa hình 3D, chi tiết của các khu đô thị, nhà và các khối nhà là nhóm đối tượng được quan tâm rất nhiều về cách thể hiện.Nhóm đối tượng này khá đa dạng về cấu trúc hình học.Chúng có thể được thể hiện chi tiết bằng các mô hình 3D thực mà mỗi nút đều mang giá trị X, Y, H hoặc được khái quát hoá ở các mức độ khác nhau phụ thuộc vào LoD (level of detail) Một cách thể hiện đơn giản là nhà được đẩy lên từ đường viền đáy nhà nằm trên mặt DEM một khoảng bằng chiều cao riêng h của nhà thành một hình hộp

Cấp độ chi tiết (LoD) của Mô hình địa hình 3D

Quá trình xây dựng Mô hình địa hình 3D có thể chia thành hai bước chính cũng tương tự như khi làm sa bàn, đầu tiên phải tạo khung, sau đó mới phủ lên trên các lớp màu và gắn thêm các đối tượng khác Cụ thể là:

Bước 1: Xây dựng mô hình hình học (modeling) bao gồm xây dựng DEM và mô hình hoá các đối tượng địa hình 3D

Bước 2: Hiển thị trực quan (visualistion) các đối tượng của mô hình