Ứng dụng ảnh hàng không chụp từ máy bay không người lái (UX5) xây dựng MHS địa hình tỷ lệ 1trên10000 phục vụ quản lý công trình thủy lợi, thủy điện (Luận văn thạc sĩ)

Ứng dụng ảnh hàng không chụp từ máy bay không người lái (UX5) xây dựng MHS địa hình tỷ lệ 1trên10000 phục vụ quản lý công trình thủy lợi, thủy điện (Luận văn thạc sĩ)Ứng dụng ảnh hàng không chụp từ máy bay không người lái (UX5) xây dựng MHS địa hình tỷ lệ 1trên10000 phục vụ quản lý công trình thủy lợi, thủy điện (Luận văn thạc sĩ)Ứng dụng ảnh hàng không chụp từ máy bay không người lái (UX5) xây dựng MHS địa hình tỷ lệ 1trên10000 phục vụ quản lý công trình thủy lợi, thủy điện (Luận văn thạc sĩ)Ứng dụng ảnh hàng không chụp từ máy bay không người lái (UX5) xây dựng MHS địa hình tỷ lệ 1trên10000 phục vụ quản lý công trình thủy lợi, thủy điện (Luận văn thạc sĩ)Ứng dụng ảnh hàng không chụp từ máy bay không người lái (UX5) xây dựng MHS địa hình tỷ lệ 1trên10000 phục vụ quản lý công trình thủy lợi, thủy điện (Luận văn thạc sĩ)Ứng dụng ảnh hàng không chụp từ máy bay không người lái (UX5) xây dựng MHS địa hình tỷ lệ 1trên10000 phục vụ quản lý công trình thủy lợi, thủy điện (Luận văn thạc sĩ)Ứng dụng ảnh hàng không chụp từ máy bay không người lái (UX5) xây dựng MHS địa hình tỷ lệ 1trên10000 phục vụ quản lý công trình thủy lợi, thủy điện (Luận văn thạc sĩ)Ứng dụng ảnh hàng không chụp từ máy bay không người lái (UX5) xây dựng MHS địa hình tỷ lệ 1trên10000 phục vụ quản lý công trình thủy lợi, thủy điện (Luận văn thạc sĩ)Ứng dụng ảnh hàng không chụp từ máy bay không người lái (UX5) xây dựng MHS địa hình tỷ lệ 1trên10000 phục vụ quản lý công trình thủy lợi, thủy điện (Luận văn thạc sĩ)Ứng dụng ảnh hàng không chụp từ máy bay không người lái (UX5) xây dựng MHS địa hình tỷ lệ 1trên10000 phục vụ quản lý công trình thủy lợi, thủy điện (Luận văn thạc sĩ)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

ỨNG DỤNG ẢNH HÀNG KHÔNG CHỤP TỪ MÁY BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI (UX5) XÂY DỰNG MÔ HÌNH SỐ ĐỊA HÌNH TỶ LỆ 1: 10000 PHỤC VỤ QUẢN LÝ CÔNG TRÌNH THỦY LỢI, THỦY ĐIỆN (THÍ ĐIỂM CHO HỒ CHỨA THỦY LỢI IAM’LAH, HUYỆN KRÔNG PA, TỈNH GIA LAI)

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ

HOÀNG VIỆT HÙNG

HÀ NỘI, NĂM 2017

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

ỨNG DỤNG ẢNH HÀNG KHÔNG CHỤP TỪ MÁY BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI (UX5) XÂY DỰNG MÔ HÌNH SỐ ĐỊA HÌNH TỶ LỆ 1: 10000 PHỤC VỤ QUẢN LÝ CÔNG TRÌNH THỦY LỢI, THỦY ĐIỆN (THÍ ĐIỂM CHO HỒ CHỨA THỦY LỢI IAM’LAH, HUYỆN KRÔNG PA, TỈNH GIA LAI)

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

Cán bộ hướng dẫn chính: TS Nguyễn Bá Dũng

Cán bộ chấm phản biện 1: PGS TS Trần Xuân Trường

Cán bộ chấm phản biện 2: TS Nguyễn Tiến Thành

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại:

HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

Ngày tháng năm 2017

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nguyên cứu của riêng tôi.Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc công bố trong các công trình khác Nếu không đúng nhƣ đã nêu trên tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về

LỜI CẢM ƠN

Trước hết tôi xin gửi tới các thầy cô khoa Trắc địa – Bản đồ lời chào trân trọng, lời chúc sức khỏe và lời cảm ơn sâu sắc Với sự quan tâm, dạy dỗ, chỉ bảo tận tình chu đáo của thầy cô, đến nay tôi đã có thể hoàn thành luận văn, đề tài:“Ứng dụng ảnh hàng không chụp từ máy bay không người lái (UX5) xây dựng mô hình số địa hình tỷ lệ 1: 10000 phục vụ quản lý công trình thủy lợi, thủy điện (thí điểm cho

hồ chứa thủy lợi IAM’LAH, huyện KRông Pa, tỉnh Gia Lai)”

Đặc biệt tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS Nguyễn Bá Dũng đã quan tâm giúp đỡ, hướng dẫn tôi hoàn thành tốt luận văn này trong thời gian qua

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến lãnh đạo Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội, các phòng ban chức năng đã trực tiếp và gián tiếp giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu đề tài

Không thể không nhắc tới sự chỉ đạo và hướng dẫn của phân xưởng Bay chụp xử lý ảnh – Xí nghiệp Chụp ảnh Hàng không – Công ty TNHH MTV Trắc địa Bản đồ – Cục Bản đồ – Bộ Tổng Tham Mưu đã tạo điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn

Với điều kiện thời gian cũng như kinh nghiệm còn hạn chếcủa một học viên, luận văn này không thể tránh được những thiếu sót Tôi rất mong nhận được sự chỉ bảo, đóng góp ý kiến của cácthầy cô để tôi có điều kiện bổ sung, nâng cao ý thức của mình, phục vụ tốt hơn công tác thực tế sau này

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

THÔNG TIN LUẬN VĂN v

DANH MỤC VIẾT TẮT vi

DANH MỤC BẢNG vii

DANH MỤC HÌNH viii

MỞ ĐẦU 1

1 Cơ sở khoa học và tính thực tiễn của đề tài 1

2 Mục tiêu của đề tài 2

3 Phương pháp nghiên cứu 2

4 Nội dung nghiên cứu 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH SỐ ĐỊA HÌNH VÀ ẢNH HÀNG KHÔNG 4

1.1 Bản đồ địa hình 4

1.2 Mô hình số địa hình 4

1.2.1 Khái niệm về mô hình số địa hình 4

1.2.2 Các dạng thể hiện mô hình số địa hình 4

1.2.3 Tổng quan các phương pháp thành lập mô hình số địa hình 5

1.3 Tổng quan ảnh hàng không 9

1.3.1 Khái niệm 9

1.3.2 Đặc điểm của ảnh hàng không 10

1.3.3 Nguyên lý chụp ảnh hàng không 16

1.3.4 Ưu, nhược điểm và các lưu ý khi sử dụng ảnh hàng không 17

1.4 Tổng quan các thành tựu ứng dụng máy bay không người lái trên thế giới và Việt Nam 19

1.4.1 Khả năng ứng dụng trên thế giới 19

1.4.2 Khả năng ứng dụng tại Việt Nam 21

CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG ẢNH HÀNG KHÔNG CHỤP TỪ MÁY BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI (UX5) XÂY DỰNG MÔ HÌNH SỐ ĐỊA HÌNH 23

2.1 Giới thiệu tổng quan về máy bay không người lái UX5 23

2.2 Cấu tạo và đặc điểm kỹ thuật của hệ thống 24

2.2.1 Thân máy bay Trimble UX5 24

2.2.2 Máy ảnh 25

2.2.3 Trạm điều khiển mặt đất 26

2.2.4 Bệ phóng 27

2.2.5 Bộ dò tìm thiết bị 27

2.2.6 Giới thiệu một số phần mềm xử lý ảnh hàng không 27

2.3 Quy trình tiến hành bay chụp 31

2.3.1 Thu thập tài liệu 31

2.3.2 Thực hiện bay chụp 31

2.3.3 Đo nối khống chế ảnh 36

2.3.4 Xử lý dữ liệu 37

CHƯƠNG 3 THỰC NGHIỆM XÂY DỰNG MÔ HÌNH SỐ ĐỊA HÌNH PHỤC VỤ QUẢN LÝ HỒ CHỨA THỦY LỢI IAM’LAH HUYỆN KRÔNGPA, TỈNH GIA LAI 41

3.1 Khái quát khu vực thực nghiệm 41

3.1.1 Điều kiện tự nhiên 41

3.1.2 Quy mô, tính chất công trình 44

3.1.3 Vai trò của công trình 45

3.2 Mục đích nhiệm vụ và yêu cầu kỹ thuật 46

3.2.1 Mục đích của nhiệm vụ 46

3.2.2 Yêu cầu kỹ thuật 46

3.3 Thiết kế bay chụp 48

3.4 Tổ chức thực hiện bay chụp khống chế ảnh tại ngoại nghiệp 51

3.5 Tính toán, xử lý số liệu trên phần mềm Trimble Business Center 3.4 51

3.6 Kết quả kiểm tra và đánh giá độ chính xác 57

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 62

TÀI LIỆU THAM KHẢO 62

THÔNG TIN LUẬN VĂN

Họ và tên học viên: Hoàng Việt Hùng

Lớp: CH1TĐ Khóa: 1

Cán bộ hướng dẫn: TS Nguyễn Bá Dũng

Tên đề tài: Ứng dụng ảnh hàng không chụp từ máy bay không người lái (UX5) xây dựng mô hình số địa hình tỷ lệ 1: 10000 phục vụ quản lý công trình thủy lợi, thủy điện (thí điểm cho hồ chứa thủy lợi IAM’LAH Huyện Krông Pa, Tỉnh Gia Lai)

Luận văn trình bày cách xây dựng mô hình số địa hình tỷ lệ 1: 10000 từ ảnh hàng không chụp từ máy bay không người lái UX5 Kết quả nghiên cứu phục vụ cho công tác quản lý các công trình thủy lợi, thủy điện Đây là đề tài mang tính ứng dụng cao, bổ sung thêm nguồn tư liệu và công nghệ trong công tác thành lập bản đồ bằng công nghệ ảnh

DANH MỤC VIẾT TẮT

UX5

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Tính năng kỹ thuật chính của hệ thống 26

Bảng 3.1 Tọa độ mặt phẳng và độ cao của các điểm kiểm tra 57

Bảng 3.2 Tọa độ mặt phẳng và độ cao của các điểm kiểm tra trích ra từ bình đồ 57

Bảng 3.3 Bảng sai số tại các điểm kiểm tra 58

Bảng 3.4 Bảng sai số chích khống chế ảnh KCA_01 58

Bảng 3.5 Bảng sai số chích khống chế ảnh KCA_04 59

Bảng 3.6 Bảng sai số chích khống chế ảnh KCA_05 59

Bảng 3.7 Bảng sai số chích khống chế ảnh KCA_06 60

Bảng 3.8 Bảng sai số chích khống chế ảnh KCA_07 60

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Ảnh chụp trên khinh khí cầu chụp vùng Booston, tác giả James Wallace

Black vào 13 tháng 10 năm 1860 ( Thomas) 9

Hình 1.2 Độ phủ của tấm ảnh 10

Hình 1.3 Hình chuẩn để kiểm tra độ phân giải 12

Hình 1.4 Ảnh hưởng độ lệch địa hình 13

Hình 1.5 Kiểm tra khả năng nhìn lập thể (A) với các hình có vị trí sắp xếp khác nhau theo chiều thẳng đứng (trên dưới) 14

Hình 1.6 Chụp ảnh theo nguyên tắc khung (B) và phân tích hiệu ứng lập thể(C) 15

Hình 1.7 Một số kiểu kính soi khác nhau 16

Hình 1.8 Nguyên lý hoạt động của ống kính 17

Hình 1.9 Hệ thống UAV Falcon-PARS 20

Hình 1.10 Máy ảnh RCD30 và TC-1235 UAV 20

Hình 1.11 Hệ thống UAS Skate Small của Mỹ 21

Hình 2.1 Hệ thống Trimble UX5 23

Hình 2.2 Cấu tạo mặt trên Trimble UX5 24

Hình 2.3 Cấu tạo mặt dưới Trimble UX5 25

Hình 2.4 Máy ảnh Sony NEX-5T 25

Hình 2.5 Góc chụp và diện tích 1 tấm ảnh chụp 25

Hình 2.6 Trạm điều khiển mặt đất 26

Hình 2.7 Bệ phóng 27

Hình 2.8 Bộ dò tìm thiết bị 27

Hình 2.9 Quy trình tiến hành bay chụp 31

Hình 2.10 Hướng thiết kế tuyến bay 33

Hình 2.11 Hướng cất cánh và hạ cánh 33

Hình 2.12 Thông số máy chụp ảnh 34

Hình 2.13 Bệ phóng máy bay 35

Hình 2.14 Phần mềm Trimble Business Center 3.4 38

Hình 3.1 Ảnh một phần khu vực hồ thủy điện IAM’LAH 42

Hình 3.2 Lựa chọn phạm vi bay chụp ca bay 1 và thông số kỹ thuật 48

Hình 3.3 Lựa chọn phạm vi bay chụp ca bay 2 và thông số kỹ thuật 49

Hình 3.4 Lựa chọn vị trí và hướng cất hạ cánh ca bay 1 49

Hình 3.5 Lựa chọn vị trí và hướng cất hạ cánh ca bay 2 50

Hình 3.6 Bố trí vị trí các điểm khống chế ảnh 50

Hình 3.7 Đưa 2 file dữ liệu bay “jxl” 51

Hình 3.8 Gộp 2 ca bay tạo thành một Block để xử lý 52

Hình 3.9 Bình sai khối ảnh với các điểm liên kết 53

Hình 3.10 Thể hiện các bước xử lý 53

Hình 3.11 Chấp nhận kết quả bình sai từ các điểm liên kết 53

Hình 3.12 Báo cáo bình sai bay chụp 54

Hình 3.13 Đám mây điểm khu vực hồ 54

Hình 3.13 Mô hình số địa hình khu vực hồ IAM’LAH 55

Hình 3.14 Bình đồ ảnh khu vực hồ IAM’LAH 56

MỞ ĐẦU

1 Cơ sở khoa học và tính thực tiễn của đề tài

Trước đây, các công nghệ sử dụng máy toàn đạc điện tử và định vị vệ tinh (GNSS) đang được sử dụng rộng rãi trong thu thập dữ liệu mặt đất phục vụ cho công tác địa chính, trắc địa địa hình, xây dựng dân dụng và thiết kế kiến trúc, với độ chính xác cao, đạt được dưới 5 cm Tuy nhiên, hai công nghệ trên có nhược điểm là giá thành cao và tiêu tốn thời gian tương đối lớn Thêm nữa, hai công nghệ trên có thể khó thực hiện đối với khu vực đo vẽ có địa hình phức tạp, hoặc khi điều kiện môi trường khu đo gây nguy hiểm cho sức khỏe cho con người khi tiếp xúc trực tiếp Do vậy, công nghệ quét Laser mặt đất và công nghệ bay quét LiDAR được phát triển, sử dụng thay thế cho hai công nghệ đã nêu bên trên Điểm thuận lợi của công nghệ quét Laser là việc sử dụng và vận hành không phức tạp, phù hợp cho các

dự án có diện tích vừa và nhỏ Về lý thuyết, khoảng cách quét có thể lên đến 6000m Đối với các dự án đòi hỏi độ chính xác cao, độ chính xác của điểm được quét có thể đạt đến 2 mm (ví dụ cho máy Trimble TX5 Laser Scanning với khoảng cách quét dưới 120 m) Do vậy công nghệ quét Laser được sử dụng tương đối rộng rãi hiện nay tại nhiều nước trên thế giới và Việt Nam Nhược điểm của công nghệ này đó là có thể không thích hợp với các dự án có diện tích lớn có địa hình phức tạp, do phải di chuyển nhiều trạm máy quét trên bề mặt địa hình Từ các hạn chế đó, công nghệ bay quét LiDAR (sau đây gọi tắt là công nghệ LiDAR) được phát triển như một công nghệ thay thế cho các công nghệ trên Điểm bất lợi hiện tại của LiDAR là giá thành trang thiết bị cao Thực tế, trong công tác đo đạc thành lập mô hình số địa hình phục vụ công tác thành lập bản đồ, quản lý công trình thủy lợi, thủy điện, yếu tố giá thành sản phẩm đóng vai trò rất quan trọng trong việc lựa chọn công nghệ sử dụng Do đó, việc thúc đẩy phát triển và ứng dụng các công nghệ mới với giá thành thấp hơn là hết sức cấp thiết

Thời gian gần đây, cùng với sự phát triển của công nghệ định vị vệ tinh, công nghệ máy bay không người lái (Unmanned Aerial Vehicles – UAV), các thuật toán

tự động xử lý ảnh, xây dựng mô hình 3 chiều (Structure – from – Motion, SFM), giá

thành trang thiết bị cho công nghệ đo vẽ sử dụng UAV đã giảm xuống rất mạnh Khảo sát cho thấy công nghệ này đang được ứng dụng thành công, rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như công tác đo đạc thành lập bản đồ, giao thông, sản xuất nông nghiệp, nghiên cứu địa chất và nghiên cứu môi trường Ngoài việc giá thành tương đối thấp, công nghệ UAV với các máy ảnh phổ thông dễ dàng thu nhận các ảnh số với độ phân giải rất cao ( mm, cm), trong điều kiện địa hình phức tạp, khó tiếp cận môi trường nguy hiểm Thêm nữa, các phần mềm mã nguồn mở và phần mềm thương mại đều tích hợp các thuật toán SFM, cho phép gần như hoàn toàn tự động

xử lý ảnh, xây dựng các sản phẩm bản đồ ( mô hình số bề mặt, mô hình số địa hình,

mô hình số độ cao, bản đồ trực ảnh, bản đồ 3D, video) Người sử dụng công nghệ này không nhất thiết phải có kiến thức quá sâu về công nghệ đo ảnh truyền thống [1] Chính vì thế công nghệ UAV đang rất hứa hẹn được ứng dụng rộng rãi hơn nữa vào các lĩnh vực khác nhau

Chính vì vậy, việc sử dụng máy chụp ảnh số gắn trên máy bay không người lái phục vụ trong công tác thành lập mô hình số địa hình bằng phương pháp đo ảnh là một đề tài nghiên cứu mang tính ứng dụng cao, bổ su

ng thêm nguồn tư liệu và công nghệ trong công tác thành lập bản đồ bằng công nghệ ảnh Được sự hỗ trợ từ nhà nghiên cứu đề tài cấp bộ “ Nghiên cứu ứng dụng công nghệ địa tin học nâng cao chất lượng dữ liệu không gian phục vụ công tác điều tra quy hoạch tài nguyên nước”, mã số 2015.02.12 đề tài luận văn thạc sĩ:

“Ứng dụng ảnh hàng không chụp từ máy bay không người lái UX5 xây dựng mô hình số địa hình tỷ lệ 1: 10000 phục vụ quản lý công trình thủy lợi, thủy điện (thí điểm cho hồ chứa thủy lợi IAM’LAH, huyện KRông Pa, tỉnh Gia Lai)" đã được thực hiện

2 Mục tiêu của đề tài

Sử dụng được ảnh hàng không chụp từ máy bay không người lái UX5 để xây dựng được mô hình số địa hình tỷ lệ 1:10000 phục vụ quản lý công trình thủy lợi thủy điện

3 Phương pháp nghiên cứu

– Về lý thuyết:

+ Phương pháp thu thập tài liệu, số liệu: Tham khảo các tài liệu như các bài giảng, luận văn, luận án tốt nghiệp, mạng internet về ứng dụng máy bay không người lái

+ Phương pháp xử lý số liệu: gồm các công việc thống kê, tổng hợp, phân tích

so sánh độ chính xác của các số liệu tài liệu và kết quả nghiên cứu

– Về thực nghiệm:

+ Phương pháp tin học: sử dụng phần mềm để xây dựng mô hình số địa hình phục vụ quản lý công trình thủy lợi, thủy điện cho hồ chứa thủy lợi IAM’LAH, huyện Krông Pa, tỉnh Gia Lai

+ Phương pháp điều tra: điều tra bổ sung ngoại nghiệp thông tin đối tượng địa lý

4 Nội dung nghiên cứu

– Quy trình chụp ảnh bằng máy bay không người lái;

– Quy trình thành lập mô hình số địa hình bằng ảnh máy bay không người lái; – Sử dụng ảnh hàng không chụp từ máy bay không người lái để xây dựng mô hình số địa hình phục vụ quản lý công trình thủy lợi, thủy điện (thí điểm cho hồ chứa thủy lợi IAM’LAH huyện KRông Pa, tỉnh Gia Lai)

* Bố cục luận văn

Luận văn có bố cục như sau:

MỞ ĐẦU

Chương 1 Tổng quan về mô hình số địa hình và ảnh hàng không

Chương 2 Ứng dụng ảnh hàng không chụp từ máy bay không người lái (UX5) xây dựng mô hình số địa hình

Chương 3 Thực nghiệm xây dựng mô hình số địa hình phục vụ quản lý

hồ chứa thủy lợi IAM’LAH, huyện KrongPa, Tỉnh Gia Lai

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH SỐ ĐỊA HÌNH VÀ

ẢNH HÀNG KHÔNG

1.1 Bản đồ địa hình

Khái niệm bản đồ địa hình:

Bản đồ địa hình là biểu thị thunhỏ một phần hay toàn bộ bề mặt Trái Đất dựa trên một quy định toán học nhất định Nội dung trên bản đồ được thể hiện bằng ký hiệu quy định, những ký hiệu đó được gọi là ngôn ngữ bản đồ và đã thông qua một quá trình tổng kết hóa nhằm phản ánh sự phân bố các tính chất, các mối quan hệ, sự biến đổi các đối tượng và các hiện tượng tự nhiên, kinh tế xã hội phù hợp với mục đích sử dụng

Bản đồ địa hình thuộc loại bản đồ địa lý chung Nội dung bản đồ địa hình bao gồm các yếu tố sau: cơ sở toán học, thủy hệ, giao thông, dáng đất, ranh giới, dân cư, thực vật Mức độ đầy đủ, tỉ mỉ của nội dung phải phù hợp với mục đích sử dụng của bản đồ và đặc điểm khu vực

Bản đồ địa hình cần phải rõ ràng, dễ đọc, cho phép định hướng dễ dàng, nhanh chóng ngoài thực địa Các yếu tố thể hiện trên bản đồ cần phải đầy đủ, chính xác, cho phép người đọc xác định được định tính, định lượng của vùng địa hình

1.2 Mô hình số địa hình

1.2.1 Khái niệm về mô hình số địa hình

Mô hình số địa hình DTM ( Digital Terrain Model) là sự biểu diễn dáng đất hữu hạn thông qua số lượng điểm xác định, thành phần của mô hình số địa hình là các điểm trên bề mặt đất được cho bởi tọa độ ( X, Y, Z) trong hệ tọa độ nào đấy Các vị trí này được bố trí tùy theo dáng địa hình có thể là điểm nút hoặc mắt lưới của mạng kèm theo hàm toán học mô phỏng bề mặt địa hình giữa các điểm nút lưới đó [2]

1.2.2 Các dạng thể hiện mô hình số địa hình

– Dạng GRID: Là một lưới ô vuông được phủ trùm lên khu vực địa hình cần nghiên cứu vị trí và độ cao của lưới ô vuông sẽ được đo trực tiếp bằng phương pháp

đo lập thể hoặc có thể nội suy Kích thước của lưới ô vuông quyết định đến độ

chính xác của mô hình cần thành lập Lưới ô vuông là lưới dễ thực hiện nhưng độ chính xác thể hiện địa hình là không cao

– Dạng TIN: Là lưới gồm các tam giác liên kết lại với nhau và được phủ trùm lên bề mặt địa hình khu vực nghiên cứu Lưới TIN thể hiện xác thực nhất địa hình khu vực nghiên cứu tuy nhiên khó xây dựng, vị trí và độ cao của các mắt lưới TIN

sẽ được xác định thông qua phương pháp đo lập thể hoặc nội suy Thông thường

lưới TIN được nội suy trên cơ sở lưới GRIT [2]

1.2.3 Tổng quan các phương pháp thành lập mô hình số địa hình

1.2.3 1 Thành lập mô hình số địa hình bằng phương pháp đo trực tiếp ngoài thực địa

a Các bước tiến hành

– Khảo sát, thiết kế, xây dựng luận chứng kinh tế – kỹ thuật

– Lập lưới khống chế trắc địa (lưới khống chế đo vẽ) làm cơ sở tọa độ để vẽ chi tiết, đảm bảo cho việc xác định vị trí của bản đồ trong hệ tọa độ nhà nước, bao gồm các công việc: gắn mốc ngoài thực địa trên các điểm đã thiết kế, đo nối tọa độ của các điểm với các điểm cấp cao đã có tọa độ trong hệ tọa độ nhà nước, tính toán bình sai kết quả đo, chuyển tọa độ của các điểm lưới lên bản vẽ

– Đo đạc chi tiết ngoài thực địa: đặt máy đo đạc lần lượt tại vị trí các điểm của lưới khống chế đo vẽ để tiến hành đo vẽ chi tiết các đối tượng xung quanh điểm đặt máy Các kết quả đo cùng dữ liệu có liên quan được tự động ghi vào bộ nhớ của máy – Nhập số liệu máy tính, tiền xử lý kết quả đo, xác định tọa độ của các điểm

đo chi tiết, phân lớp đối tượng, dựng hình (nối các đối tượng dạng đường và ranh giới các đối tượng vùng) Kiểm tra chất lượng đo, đo bù hoặc đo bổ sung nếu đo sai hoặc thiếu

+ Năng suất lao động không cao do đó chỉ thực hiện công việc đo vẽ trên khu vực có diện tích nhỏ

– Ứng dụng:

+ Phục vụ đo vẽ bản đồ địa hình, địa chính tỉ lệ lớn trên quy mô diện tích không quá lớn, chủ yếu thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn ở các vùng dân cư, đặc biệt là khu vực đô thị có mật độ dân cư đông đúc, công trình nhiều

+ Đo vẽ bổ sung, kết hợp với các phương pháp thành lập bản đồ khác

+ Phục vụ thực hiện các công việc đo vẽ cho bản đồ chuyên đề và các công tác đo đạc khác

1.2.3.2 Thành lập mô hình số địa hình từ ảnh hàng không

a Các bước tiến hành

– Khảo sát, thiết kế, xây dựng luận chứng kinh tế – kỹ thuật

– Chụp ảnh hàng không: ảnh được chụp từ máy chụp ảnh chuyên dụng đặt trong máy bay

– Lập lưới khống chế ảnh ngoại nghiệp Các tờ ảnh sau khi bay chụp cần được xác định chính xác vị trí của nó trong hệ tọa độ mặt phẳng (x, y) và trong hệ

độ cao nhà nước, nhờ lưới khống chế ảnh Các điểm của lưới khống chế ảnh là những điểm được thiết kế, đánh dấu mốc trên mặt đất, và được nhận biết rõ trên ảnh Tọa độ của những điểm này hoặc là đã có hoặc được xác định nhờ đo nối với điểm đã có tọa độ (gọi là đo nối khống chế ảnh ngoại nghiệp)

– Tăng dày khống chế ảnh nội nghiệp Để phục vụ cho quá trình đo vẽ trên ảnh và nắn ảnh thì các điểm khống chế ảnh được xác định ngoài thực địa như trên là không đủ Cần tiến hành tăng dày các điểm khống chế ảnh, tính toán tọa độ mặt phẳng và độ cao của những điểm này ở trong phòng nhờ những thiết bị đo vẽ ảnh – Điều vẽ ảnh: trong phương pháp thành lập bản đồ hàng không các đối tượng địa hình mặt đất được nhận biết và đo vẽ lên bản đồ chủ yếu dựa vào cơ sở giải đoán và đo vẽ hình ảnh trên ảnh Quá trình xét đoán hình ảnh trên ảnh để nhận dạng đối tượng được gọi là điều vẽ ảnh Điều vẽ ảnh được được tiến hành trong

phòng trước, sau đó tiến hành điều vẽ ngoài trời để xác định tính đúng đắn của quá trình giải đoán trong phòng

– Đo vẽ ảnh: được tiến hành theo các phương pháp

+ Phương pháp lập thể: ảnh chụp có độ phủ cùng hai tờ ảnh cùng hàng liền kề

sẽ tạo thành một mô hình lập thể, phương pháp này được sử dụng cho mọi khu vực, mọi điều kiện địa hình

+ Phương pháp tổng hợp bình đồ ảnh: phần địa vật được vẽ trên cơ sở bình

đồ ảnh, phần dáng đất có thể đo vẽ trực tiếp trên thực địa, trên bình đồ địa vật + Phương pháp đo vẽ ảnh số: đây là phương pháp công nghệ tiên tiến nhất hiện nay Địa vật và địa hình đều được đo vẽ lập thể trên cơ sở ảnh đã chuyển sang dạng số, trên trạm đo ảnh số

=> Mô hình số địa hình DTM

b Ưu, nhược điểm và khả năng ứng dụng

– Ưu điểm:

+ Loại bỏ khó khắn, vất vả của công tác ngoại nghiệp

+ Cùng một lúc có thể đo vẽ được vùng rộng lớn, rút ngắn thời hạn sản xuất,

1.2.3.3 Thành lập mô hình số địa hình bằng phương pháp mới sử dụng các hệ thống viễn thám chủ động như Radar độ mở tổng hợp giao thoa (IFSAR)

Ứng dụng quan trọng nhất của ảnh Radar là tạo mô hình số địa hình độ chi tiết trung bình và độ chính xác từ vài mét đến hàng trăm mét cho một vùng rộng lớn

trong một thời gian ngắn Ngoài ra còn có các hệ thống Radar độ mở tổng hợp giao thoa đặt trên máy bay, chẳng hạn như hệ thống Intermap STAR 3i dùng băng X có thể cho phép thành lập mô hình số địa hình với độ chính xác từ 0,5 m đến 3 m Ảnh Radar không thể hiện hình ảnh tự nhiên của bề mặt mặt đất nên không dùng làm nền

để số hóa hay điều vẽ ngoại nghiệp được Để xây dựng các đối tượng địa vật thì phải kết hợp với các nguồn ảnh quang học Các ảnh này có thể là ảnh máy bay hay các loại ảnh vệ tinh quang học khác Sự kết hợp này tận dụng được ưu thế của cả hai loại ảnh Tuy nhiên với độ chính xác của mô hình số địa hình tạo từ ảnh Radar như trên thì phương pháp này cũng chỉ có thể áp dụng để thành lập bản đồ 3D tỷ lệ 1:10000 và nhỏ hơn

1.2.3.4 Thành lập mô hình số địa hình từ các nguồn ảnh viễn thám khác

Ngoài ảnh máy bay thường dùng (ảnh quang học chụp từ các máy ảnh truyền thống dùng phim và gần đây là các máy ảnh số), ảnh viễn thám rất đa dạng, có thể phân loại thành hai nhóm chính là các loại ảnh vệ tinh và ảnh laser với đầu thu đặt trên máy bay Thông thường, ảnh được sử dụng làm nền để số hóa các dữ liệu vector, các thông tin chi tiết về hình dạng và tính chất của các đối tượng nằm trên mặt địa hình, ảnh trực giao để phủ lên mô hình số địa hình tạo ảnh thực bề mặt mặt đất Độ phân giải của các loại ảnh viễn thám thay đổi từ vài dm đối với ảnh laser chụp từ máy bay đến trên dưới 1m với các ảnh vệ tinh quang học panchromatic độ phân giải cao; các ảnh vệ tinh quang học đa phổ và ảnh Radar có độ phân giải kém hơn, từ vài mét đến vài trăm mét Độ phân giải cũng như 29 khả năng đo vẽ lập thể là các yếu tố quyết định các ảnh này có thể dùng để thành lập mô hình số địa hình tỷ lệ nào và sử dụng như thế nào Với sự đa dạng về đặc điểm cũng như khả năng ứng dụng của từng loại ảnh viễn thám cũng như tỷ lệ mô hình số địa hình cần thành lập, khó có thể đưa

ra một qui trình chính xác và chi tiết Ngoài ra, có thể kết hợp với khu vực có sẵn mô hình số địa hình và dữ liệu vector thì ảnh vệ tinh quang học đa phổ có thể được nắn trực giao sử dụng mô hình số địa hình và dùng làm ảnh phủ bề mặt

Đối với ảnh vệ tinh quang học độ phân giải cao như Ikonos, Quickbird hay Spot5, độ phân giải trên dưới 1m, độ che phủ lớn và có thể đo vẽ lập thể thì qui trình thành lập mô hình số địa hình tương tự như phương pháp dùng ảnh máy bay

1.3 Tổng quan ảnh hàng không

1.3.1 Khái niệm

Thuật ngữ không ảnh là một khái niệm khoa học được sử dụng cho các ảnh được chụp bằng phim ảnh trên các phương tiện hàng không như máy bay, kinh khí cầu và các phương tiện khác trên không và được thực hiện với các loại máy ảnh khác nhau Như vậy là, khi nói đến không ảnh, không có nghĩa hẹp là chỉ nói tới ảnh chụp từ máy bay Còn khi nói ảnh thu từ máy bay chính là một trong những phương pháp thu dữ liệu không ảnh Viễn thám hàng không là nghiên cứu đối tượng không gian và các quá trình xẩy ra trên mặt đất qua không ảnh – các dữ liệu ảnh chụp trong ngành hàng không Như vậy, lịch sử phát triển của khoa học viễn thám bắt đầu bằng việc chụp ảnh và tách lọc thông tin về một vật trên các bức ảnh được chụp bằng phim ảnh [3]

Hình 1.1 Ảnh chụp trên khinh khí cầu chụp vùng Booston, tác giả James Wallace

Black vào 13 tháng 10 năm 1860 ( Thomas)

1.3.2 Đặc điểm của ảnh hàng không

Tỷ lệ của ảnh hàng không ( S) đƣợc tính bằng bằng tỷ số của khoảng cách đo trên ảnh ( L) chia cho khoảng cách thực trên mặt đất (D) [4]:

S = L/D (1.1)

Khoảng cách này có thể xác định theo bản đổ Nếu một bản đổ cùng một khu vực với ảnh thì tỷ lệ của ảnh có thể tính bằng cách đo khoảng cách giữa hai điểm trên bản đổ và trên ảnh, tỷ lệ ảnh sẽ đƣợc tính theo công thức:

S = khoảng cách trên ảnh/ khoảng cách trên bản đổ/ tỷ lệ bản đổ

Nếu khoảng cách của hai điểm trên bản đổ bằng khoảng cách hai điểm trên ảnh thì tỷ lệ của bản đổ và của ảnh bằng nhau

– Tỷ lệ ảnh sẽ dao động từ điểm này đến điểm khác tùy thuộc vào độ cao của vật trên mặt đất Độ cao càng lớn thì tỉ lệ ảnh càng lớn

– Thông thường tỷ lệ của ảnh có thể xác định bằng tỉ lệ của độ dài tiêu cự máy ảnh so với độ cao của máy bay so với mặt đất = f/H

Trong đó: f là tiêu cự; H độ cao của máy bay so với mặt đất

– Nếu ta dùng mặt nước biển làm mốc độ cao để tính độ cao của đường bay thì tỷ lệ của một ảnh hàng không được xác định:

3 Phân loại theo mức độ chi tiết

Ảnh hàng không có thể phân chia theo mức độ chi tiết như sau :

Tỷ lệ của ảnh = tiêu cự máy ảnh/ độ cao địa hình

Độ cao trên địa hình là H’ = độ cao bay chụp (H) – độ cao địa hình (h) là độ cao trung bình của địa hình so với mặt nước biển

Như vậy, cùng một độ cao bay chụp song độ cao địa hình khác nhau sẽ có tỉ

lệ ảnh khác nhau

1.3.2.3 Độ phân giải của ảnh hàng không

Là khái niệm dùng để xác định khả năng phân biệt đối tượng mặt đất Độ

phân giải không gian phụ thuộc vào nhiều yếu tố: độ phân giải của phim ảnh, năng

lực của ống kính, đặc điểm hình ảnh lúc chụp, điều kiện khí quyển, điều kiện in tráng phim ảnh Độ phân giải của phim, người ta sử dụng khái niệm khả năng phân biệt số cặp đường trên 1 mm Thông thường phim có độ phân giải là 100 cặp đường/ mm Đối với chụp ảnh máy bay, người ta cũng dùng khái niệm độ phân giải mặt đất là khả năng phân biệt số cặp đường trên khoảng cách 1 m ở dưới mặt đất Tuy nhiên để so sánh, người ta hay dùng khái niệm độ phân giải không gian: là khoảng cách tối thiểu để phân biệt hai đối tượng để gần nhau, hoặc là độ lớn tối thiểu của một

đối tượng trên mặt đất mà có thể phân biệt được trên ảnh ( tính bằng mét)

\\\

Hình 1.3 Hình chuẩn để kiểm tra độ phân giải

Độ phân giải không gian của ảnh phụ thuộc vào nhiều yếu tố và tỷ lệ thuận với: 1) Độ tương phản giữa đối tượng và mầu

2) Tỷ số giữa chiều dài trên chiều rộng

3) Tính cân đối về hình dạng của vật

4) Số lượng của vật trên mẫu phân giải

so với thực tế Độ lệch đó do những yếu tố: độ cao tuyệt đối của đối tƣợng và vị trí đối tƣợng so với điểm cơ bản – hay tâm ảnh

Hình 1.4 Ảnh hưởng độ lệch địa hình

Quy luật chung của hiện tượng là độ lệch sẽ tăng dần từ trung tâm đối tượng ra phía xa hơn ( tỏa tia) theo quy luật tỉ lệ thuận Độ lệch của đối tượng tỉ lệ nghịch với

độ cao tuyệt đối của máy ảnh so với đối tượng

1.3.2.5 Hiệu ứng lập thể của ảnh hàng không

Con người có khả năng quan sát lập thể các đối tượng trước mặt, tức là xem chúng không chỉ về chiều dài, chiều rộng mà cả chiều dày nữa Có được khả năng

đó là do con người có hai mắt được bố trí trên mặt để có thể cùng nhìn một lúc vào một vật thể duy nhất Không phải động vật nào cũng có khả năng đó Ở những người bình thường, hai mắt chỉ có thể nhìn đổng thời vào một vật duy nhất và đó là cách nhìn lập thể Hai mắt cho ta hai ảnh chụp cùng một vật, nhưng ghi nhận từ hai góc nhìn hơi khác nhau tạo ra hai ảnh gần giống nhau Khi nguời ta nhìn, hai ảnh đuợc chập làm một, tạo ra một ấn tuợng về độ dày của vật thể Tuy nhiên, để nhìn lập thể phải có sự luyện tập khả năng điều tiết của mắt Hình 1.5 giới thiệu phương pháp luyện tập cho người mới sử dụng kính lập thể

Hình 1.5 Kiểm tra khả năng nhìn lập thể (A) với các hình có vị trí sắp xếp khác

nhau theo chiều thẳng đứng (trên dưới)

Hình 1.6 Chụp ảnh theo nguyên tắc khung (B) và phân tích hiệu ứng lập thể(C)

Trong viễn thám, phần chồng phủ cùng xuất hiện trên hai tấm ảnh kề nhau được chụp trên cùng một tuyến bay tạo ra một cặp ảnh lập thể Quan sát lập thể bất

cứ đối tượng nào trên không ảnh cũng cần phải có cặp ảnh lập thể của đối tượng đó

Để quan sát lập thể các không ảnh, người ta không chỉ cần có cặp ảnh lập thể ( đối tượng quan sát) mà còn phải có kính lập thể ( phương tiện quan sát) Kính lập thể là một dụng cụ đơn giản gổm hai kíp lúp ( thường chỉ phóng đại cỡ 2,5 – 3 lần

để có tiêu cự đủ xa) gắn trên một khung thép phẳng có thể dịch chuyển chút ít ra xa hoặc gần lại nhau sao cho khoảng cách giữa hai tâm điểm của hai thấu kính bằng khoảng cách giữa hai đổng tử của mắt người quan sát Khung thép này dựa lên một

bộ càng chắc chắn có thể gập được ít nhiều để điều chỉnh khoảng cách của hai mặt kính so với mặt phẳng ảnh, có như vậy nhà quan sát mới nhìn được ảnh rõ nét

Hình 1.7 Một số kiểu kính soi khác nhau:a) steoreocope thấu kính; b) Steoreoscope gương; c) Steoreos cope gương bỏ túi; d) interpreterscope ( Theo Wild Heerbrugg)

Sau khi điều chỉnh xong kính lập thể, nguời ta đặt mỗi tấm ảnh duới một mắt kính sao cho các điểm chính và điểm chính kép của hai ảnh phải nằm trên một đuờng thẳng và diện chổng phủ phải huớng vào nhau Đẩy từ hai tấm ảnh lại gần nhau và liên tục quan sát ảnh qua kính cho đến khi duới kính, hình ảnh của cùng một đối tượng trên hai tấm ảnh hoàn toàn trùng khớp nhau Khi đó ta có hình ảnh lập thể của đối tuợng đó Dù rằng duới kính, hai ảnh của cùng một đối tuợng trên hai tấm ảnh là trùng nhau, nhưng trên thực tế chúng vãn cách nhau một khoảng cách nhất định Hiện tượng đó là do mắt người điều tiết để tạo nên khả năng quan sát lập thể Một số nhà nghiên cứu cho rằng độ lớn của khoảng cách giữa hai mắt phản ánh mức độ tiến hoá của con người vì làm tăng khả năng quan sát lập thể

1.3.3 Nguyên lý chụp ảnh hàng không

Nguyên lý hoạt động cơ bản của máy ảnh được tuân thủ theo hoạt động của một thấu kính lồi Hình ảnh của một vật được ánh sáng ghi nhận và truyền qua thấu kính lồi ghi lại trên một mặt phẳng nằm sau thấu kính Trên mặt phẳng này được bố trí cho phim chạy qua Sơ đồ của một máy ảnh đơn giản nhất được minh họa như hình 1.8

Hình 1.8 Nguyên lý hoạt động của ống kính

Máy ảnh sử dụng cho viễn thám là thiết bị chính xác Hợp phần chính của nó bao gồm một thấu kính lồi và phim ghi nhận hình ảnh đặt đằng sau thấu kính Máy ảnh được chia ra làm 4 loại chính:

– Máy ảnh phổ thông khung đơn

– Máy chụp ảnh toàn cảnh

– Máy chụp ảnh theo đường

– Máy chụp đa kênh

1.3.4 Ưu, nhược điểm và các lưu ý khi sử dụng ảnh hàng không

1.3.4.1 Ưu điểm

Sử dụng không ảnh có các ưu điểm cần kể đến sau đây:

Ảnh chụp từ máy ảnh mô phỏng giống như mắt người và nhạy cảm với phổ nhìn thấy

+ Độ phân giải cao và chứa đựng nhiều thông tin

+ Độ trung thực cao về mặt hình học

+ Giá thành rẻ

+ Cho ra cách nhìn tổng thể: nghiên cứu các đối tượng không gian với nhau + Nghiên cứu vùng xa mà không thể tiếp cận trực tiếp được

+ Tiết kiệm thời gian

+ Ứng dụng cho nhiều ngành khác nhau

1.3.4.2 Nhược điểm

+ Dải phổ của máy ảnh còn hẹp, chỉ có trong khoảng bước sóng 0,3 – 0,9

micron ( phổ nhìn thấy, cực tím và hổng ngoại gần)

+ Chịu nhiều ảnh hưởng của điều kiện khí quyển

+ Quá trình tìm lại phim tốn nhiều thời gian và phức tạp

+ Dễ bị hư hỏng theo thời gian

+ Mất thông tin trong quá trình rửa ảnh

1.3.4.3 Một số lưu ý khi sử dụng ảnh hàng không

Chụp ảnh hàng không là một dạng chụp ảnh rất linh hoạt và có hiệu quả do

những lý do sau:

– Các phim có độ phân giải tốt, chứa đựng lượng thông tin cao

– Giá ảnh tương đối thấp

– Các phim khác nhau có một dải nhạy cảm từ sóng cực tím đi qua dải nhìn thấy và đến vùng hổng ngoại phản xạ

– Các ảnh chụp với góc mặt trời thấp làm nổi rõ các đối tượng mờ nhạt khó thấy mà chúng được định hướng thích hợp so với góc phương vị mặt trời

– Ảnh máy bay lập thể là phương tiện có giá trị cho nhiều dạng phân tích Tuy nhiên, khi có sự tán xạ của khí quyển sẽ làm giảm tỷ số tương phản và năng lực phân giải, làm giảm chất lượng hình ảnh Mặt khác, sự khác nhau về sự phản xạ được ghi lại trong điều kiện không hiệu chỉnh sẽ làm giảm bớt chất lượng của việc phân tích thông tin từ ảnh máy bay

Những ưu thế có nhiều hơn so với những hạn chế và cần khai thác các ảnh hàng không như một nguồn tài liệu rất có giá trị cho bất kỳ một sự nghiên cứu viễn thám nào

Các ảnh quét đa phổ từ máy baylà một nguồn thông tin tổng hợp rất có giá trị song thường đòi hỏi những chi phí cao hơn so với chụp ảnh toàn sắc

– Ảnh hàng không đa phổ

Các hình ảnh được ghi lại bằng việc dùng các máy ảnh phức hợp với nhiều ống kính, với tổ hợp khác nhau của các phim và tấm lọc ( filter) nhạy cảm với các

dải phổ cực tím, nhìn thấy và hồng ngoại phản xạ Các máy ảnh này có thể thu nhận các ảnh chụp ở nhiều band phổ hẹp khác nhau của năng lượng điện từ Kết quả của phương pháp chụp đa phổ là tạo ra nhiều kênh ảnh khác nhau cho cùng một khu vực chụp ảnh, từ đó có thể tách chiết ra nhiều thông tin mới so với ảnh chụp toàn sắc thông hường

– Ảnh hàng không màu và màu hồng ngoại:

Hiện nay, sự phát triển của phim ảnh màu cho phép thực hiện chụp ảnh hàng không bằng các loại phim ảnh này, kết quả sẽ cung cấp những tấm ảnh màu thật hoặc màu hồng ngoại của khu vực Trên các loại ảnh này, hình ảnh của địa hình và các đối tượng khác được phản ánh rõ ràng hơn và có thêm nhiều thông tin mới hơn

so với ảnh đen trắng thong thường, tuy nhiên giá thành sẽ cao hơn nhiều

1.4 Tổng quan các thành tựu ứng dụng máy bay không người lái trên thế giới

và Việt Nam

1.4.1 Khả năng ứng dụng trên thế giới

Trên thế giới, hệ thống UAV được ứng dụng từ những năm 1916 chủ yếu vào lĩnh vực quận sự, cứu hộ, tình báo Trong số các nước phát triển hệ thống UAV phải kể đến Đức, Hoa Kỳ, Liên Xô cũ và gần đây là một số nước Israel, Trung Quốc, Nhật Bản Các nước tiêu biểu ứng dụng hệ thống UAV vào trong công tác trắc địa bản đồ có thể kể đến một số nước sau:

a Hệ thống UAV Falcon – PARS của Nhật

Falcon – PARS là một hệ thống chụp ảnh hàng không siêu nhỏ của Nhật được chế tạo theo công nghệ của Đức bao gồm thiết bị bay UAV được lắp thêm máy chụp ảnh phổ thông có gắn GPS và phần mềm chuyên dụng để xử lý hình ảnh chụp UAV này là một thiết bị nhỏ gọn và nhẹ, với 8 cánh quạt, có thể bay ở 2 chế độ có người điều khiển và bay tự động, cho phép chụp ảnh treo tại một điểm, cất hạ cánh thẳng đứng trong một không gian hẹp, di chuyển dễ dàng, rất hiệu quả cho khu vực

có bán kính khoảng 300m Phần mềm xử lý ảnh số có thể tạo lập được các ảnh ghép, ảnh trực giao bởi các tham số ngoài mà không cần các điểm khống chế mặt đất Phần mềm cũng có thể xử lý để tạo ra mô hình số bề mặt DSM và sản phẩm

bình đồ trực ảnh Thiết bị UAV này cũng cho phép dễ dàng lắp nhiều loại máy chụp ảnh số phổ thông khác nhau, thậm chí cả máy chụp ảnh cận hồng ngoại [5]

Hình 1.9 Hệ thống UAV Falcon-PARS

b Hệ thống máy ảnh RCD30 và TC – 1235 UAV của Thụy Sĩ

Hãng Leica Geosystems và Swissdrones – làm việc cùng nhau cho sự ra đời hệ thống máy ảnh RCD30 kết hợp với hệ thống TC – 1235 UAV dùng để chụp ảnh phục vụ công tác thành lập bản đồ địa hình và bản đồ 3D cho các khu vực khai thác

mỏ Giải pháp này cho phép có thể được vận hành một cách an toàn trong điều kiện môi trường thường khắc nghiệt TC – 1235 UAV tính năng thiết kế không kém độc đáo cung cấp tải trọng cao, độ bền lâu dài, kiểu bay ổn định và mức độ cao của tính năng an toàn

Hình 1.10 Máy ảnh RCD30 và TC-1235 UAV

c Hệ thống Skate Small Unmanned Aerial System của Mỹ

Thiết bị có thể nhét vừa vào một chiếc balô, được thử nghiệm để chụp ảnh phục vụ cho việc thành lập bản đồ tại phế tích của thị trấn đã hình thành từ thế kỷ

16 và là thuộc địa Tây Ban Nha Mawchu Llacta, nằm ở độ cao 4100m trên mực nước biển Hệ thống chỉ mất 10 phút để vẽ bản đồ khu phế tích với diện tích lớn bằng 25 sân bóng, giúp tiết kiệm hàng tháng trời làm việc

Hình 1.11 Hệ thống UAS Skate Small của Mỹ 1.4.2 Khả năng ứng dụng tại Việt Nam

Những năm gần đây, trước những đòi hỏi từ nhu cầu thực tiễn của đời sống kinh tế xã hội và an ninh quốc phòng đã xuất hiện những mô hình máy bay không người lái Đầu tiên là những chiếc máy bay mô hình được nhập ngoại giá rẻ từ vài trăm đến hàng chục ngàn đô la để phục vụ vui chơi giải trí của nhóm thành viên đam mê kỹ thuật bay lượn trong các câu lạc bộ hàng không Chủng loại và kiểu dáng phổ biến là máy bay cánh bằng và trực thăng thiết kế gần giống các loại máy bay dân dụng ( ATR – 72), máy bay chiến đấu ( Su27, F18…), máy bay thể thao, thủy phi cơ [6]

Trong lĩnh vực quân sự, nhu cầu cần có mục tiêu bay trong các cuộc diễn tập lực lượng hàng không hàng năm trở nên rất cấp thiết, do vậy ngay từ năm 2001, Ban mục tiêu bay, Viện kỹ thuật Phòng không không quân bắt đầu triển khai dự án

“thiết kế chế tạo máy bay không người lái điều khiển theo chương trình” Sau hơn 4 năm nghiên cứu và thử nghiệm trên nhiều mẫu máy bay, Viện đã sản xuất thành công 2 chiếc máy bay M-400CT mang phiên hiệu 405, 406 thuộc loại cánh bằng

Để có được máy bay này viện đã phải trải qua quá trình nghiên cứu, cải tiến theo hướng điều khiển mục tiêu bay phiên bản M-100 theo chương trình định trước Các mục tiêu bay trên được điều khiển bằng vô tuyến từ mặt đất, nó có thể bay trong tầm quan sát của mắt thường Hằng năm những mục tiêu này được sản xuất đưa vào phục vụ công tác huấn luyện, đáp ứng được nhu cầu bắn tập luyện của lực lượng pháo phòng không, tên lửa tầm thấp trong một thời gian dài, Song những mục tiêu này vẫn có những yếu điểm: độ cao thấp, tốc độ nhỏ… Công nghệ gia công chế tạo

và lắp ráp các mô hình bay nói chung và UAV nói riêng Việt Nam hiện nay còn gặp nhiều khó khăn bởi thị trường trong nước, những thiết bị điện, cơ khí phục vụ riêng cho ngành hàng không hầu như không có [5]

Ngày 25/05/2013, 6 máy bay không người lái do viện công nghệ không gian – HTI thuộc viện hàn lâm khoa học và công nghệ Việt Nam chế tạo đã cất cánh tại bãi biển huyện Vạn Ninh, tỉnh Khánh Hòa, cách thành phố Nha Trang 100km về phía Bắc, bắt đầu chương trình bay phục vụ nghiên cứu khoa học biển trên vùng biển miền Trung Đây là chương trình nghiên cứu khoa học phối kết hợp giữa Viện Hải dương học, Viện nghiên cứu và Ứng dụng công nghệ Nha Trang và viện công nghệ không gian

Trong lĩnh vực dân sự, thị trường quay phim, chụp ảnh từ máy bay ở độ cao thấp dưới 1000 m đang bước đầu hình thành và chứa đừng tiềm năng lớn Nắm bắt được cơ hội này từ năm 2006, một nhóm thành viên của câu lạc bộ hàng không đã lập ra công ty FlyCam với mục đích thực hiện các dịch vụ quay phim, chụp ảnh từ trên không với máy bay mô hình gắn các thiết bị công nghệ tiên tiến nhất trong lĩnh vực quay phim và chụp ảnh trên không, cho ra những bức ảnh, thước phim có chất lượng cao, chi phí thấp hơn rất nhiều so với việc thuê máy bay thật chụp ảnh [6]

CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG ẢNH HÀNG KHÔNG CHỤP TỪ MÁY BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI (UX5) XÂY DỰNG MÔ HÌNH SỐ ĐỊA HÌNH

2.1 Giới thiệu tổng quan về máy bay không người lái UX5

Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật có rất nhiều phát minh mới, những công cụ mới hiện đại lần lượt được ra đời thay thế cho những công cụ lạc hậu Trong lĩnh vực Trắc địa ảnh, để nâng cao năng suất lao động cũng như tiếp cận những khu vực có địa hình khó khăn phức tạp, máy bay không người lái UX5 ( Unmanned Aerial Vehicle) đã được nghiên cứu và đưa vào áp dụng

Ở Việt Nam, để đáp ứng nhu cầu thực tiễn cũng như bắt kịp tiến bộ khoa học

kỹ thuật trên thế giới Có rất nhiều đơn vị đã tìm hiểu nghiên cứu và chế tạo những

mô hình máy bay không người lái phục vụ nhu cầu thực tiễn, đời sống Kinh tế Xã hội cũng như An ninh Quốc phòng Trong lĩnh vực Trắc địa ảnh, tất cả các mô hình máy bay trên vẫn chưa đáp ứng được kì vọng trong công tác thành lập đồ Chính vì vậy, công ty TNHH MTV Trắc địa Bản đồ – BQP đã quyết định đầu tư hệ thống máy bay chụp ảnh không người lái UX5 do hãng Trimble chế tạo và sản xuất

Hình 2.1 Hệ thống Trimble UX5

2.2 Cấu tạo và đặc điểm kỹ thuật của hệ thống

2.2.1 Thân máy bay Trimble UX5

Máy bay Trimble UX5 bao gồm bộ phận thân vỏ và eBox EBox đƣợc coi là

bộ não của hệ thống với các vi mạch xử lý và điều khiển bay, eBox kết nối với anten GPS và anten radio kết nối với trạm điều khiển mặt đất để điều khiển máy bay trong khi bay Thân máy bay có khung đƣợc ghép bởi các thanh Cacbon chịu lực Đồng thời, phần vỏ đƣợc cấu tạo bởi loại xốp EPP composite siêu nhẹ nên trọng lƣợng của máy bay là 2,5 kg Chất liệu này có khả năng chịu nhiệt và chịu lực tốt giúp cho máy bay hạ cánh bằng bụng an toàn hơn

Với sải cánh máy bay dài 100 cm và diện tích cánh là 34 dm2 giúp máy bay lƣợn và cân bằng áp suất tốt hơn khi tiến hành thực hiện bay chụp [7]

Hình 2.2 Cấu tạo mặt trên Trimble UX5

7 Bộ đo áp suất không khí

1 Lỗ ống kính chụp ảnh

2 Mẫu kết nối với bệ phóng

3 Động cơ máy bay

4 Đai giữ cánh quạt máy bay

5 Cánh quạt

6 Cánh nhỏ

Hình 2.3 Cấu tạo mặt dưới Trimble UX5 2.2.2 Máy ảnh

Hình 2.4 Máy ảnh Sony NEX-5T

Hãng Trimble đặt hàng riêng với hãng Sony để sản xuất máy ảnh kỹ thuật số Sony NEX5T có cảm biến APS – C với độ phân giải là 16.1 MP

Sony NEX5T có hệ thống ống kính quang học tiêu cự cố định ( 15 mm – fixed optics voigtlander lens) Trường ống kính mở rộng hơn so với các hệ thống máy ảnh được gắn trên các hệ thống máy bay khác ( 76.150) Việc này giúp tăng độ phủ giữa các tấm ảnh, giảm thiểu tuyến bay và nâng cao hiệu quả trong công tác bay chụp xử lý ảnh Kích thước ảnh là 3261x4912 pixel

Hình 2.5 Góc chụp và diện tích 1 tấm ảnh chụp

Dưới đây là bảng đánh giá khả năng hoạt động của hệ thống:

Bảng 2.1 Tính năng kỹ thuật chính của hệ thống

Imaging và một thiết bị phát radio được kết nối với máy tính bảng bằng cổng USB

để bật tín hiệu kết nối điều kiển máy bay ( phạm vi điều khiển tối đa là 5 km)

2.2.4 Bệ phóng

Bệ phóng là thiết bị dùng để phóng máy bay UX5 theo hướng xác định trước ( ngược hướng gió) Kết hợp với cáng đỡ hình chữ V giúp bệ phóng tạo với mặt đất một góc nghiêng 300 Hệ thống bệ phóng bao gồm các bộ phận:

Bộ dò tìm thiết bị ( Tracker) là thiết bị thu phát tín hiệu bao gồm một thiết bị phát tín hiệu được đặt trong thân máy bay và một thiết bị nhận tín hiệu Hai thiết bị này được cài đặt và kết nối với nhau bởi một tần số chung là 433 MHz

Hình 2.8 Bộ dò tìm thiết bị 2.2.6 Giới thiệu một số phần mềm xử lý ảnh hàng không

2.2.6.1 Phần mềm xử lý ảnh Trimble Business Center 3.4

Phần mềm Trimble Bussines Centrer 3.4 tích hợp đầy đủ tính năng tăng dày, nắn ghép và tạo bình đồ ảnh tự động rút ngăn thời gian xử lý số liệu Phần mềm