Đánh giá khả năng sử dụng ảnh thu nhận bởi thiết bị bay không người lái dạng nhỏ trong việc thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ 1500

1.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Hiện nay, có nhiều phương pháp đo đạc được áp dụng trong việc khảo sát, thành lập bản đồ trong ngành Trắc địa, tạm chia thành hai nhóm phương pháp chính: phương phá

- -HUỲNH VIỆT CƯỜNG

ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG SỬ DỤNG ẢNH THU NHẬN BỞI

THIẾT BỊ BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI DẠNG NHỎ

TRONG VIỆC THÀNH LẬP BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH TỶ LỆ 1:500

Chuyên ngành: Kỹ thuật Trắc Địa – Bản Đồ

Mã số chuyên ngành: 60520503

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 02 NĂM 2019

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS LÊ TRUNG CHƠN

Cán bộ nhận xét 1: TS PHAN THỊ ANH THƯ

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên : HUỲNH VIỆT CƯỜNG Phái : Nam

Ngày, tháng, năm sinh : 09 / 01 / 1992 Nơi sinh : Phú Yên Chuyên ngành : Kỹ thuật Trắc địa – Bản đồ MSHV : 1570196 Khóa (năm trúng tuyển): 2015

I TÊN ĐỀ TÀI:

ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG SỬ DỤNG ẢNH THU NHẬN BỞI THIẾT BỊ BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI DẠNG NHỎ TRONG VIỆC THÀNH LẬP

BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH TỶ LỆ 1:500

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Tìm hiểu về đặc tính và cách thu nhận ảnh của các thiết bị UAV động cơ lên thẳng, dạng nhỏ: Falcon 8, DJI Mavic và DJI Phantom 4 Pro

- Tìm hiểu phần mềm xử lý ảnh: Pix3Dmapper và Agisoft PhotoScan

- Xử lý, đánh giá các tập dữ liệu ảnh theo quy chuẩn kỹ thuật và lựa chọn dữ liệu mẫu để biên tập bản đồ địa hình tỷ lệ 1:500

- Trả lời câu hỏi về tính khả thi khi sử dụng ảnh từ thiết bị UAV dạng nhỏ trong công tác đo vẽ thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn 1:500

III NGÀY GIAO ĐỀ TÀI: 20/08/2018

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 11/02/2019

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS LÊ TRUNG CHƠN

Tp HCM, ngày 11 tháng 02 năm 2019

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM TRƯỞNG KHOA

BỘ MÔN ĐÀO TẠO KỸ THUẬT XÂY DỰNG

Luận văn tốt nghiệp là kết quả của một quá trình học tập, nghiên cứu và sự nỗ lực hết mình của học viên trong thời gian qua Những kiến thức có được qua quá trình học tập, nghiên cứu tại trường sẽ là hành trang quý báu giúp học viên vững bước trên con đường sự nghiệp sau này

Trong quá trình thực hiện luận văn học đã gặp không ít khó khăn và còn nhiều thiếu sót Tuy nhiên, nhờ sự giúp đỡ nhiệt tình của quý thầy cô, sự động viên ủng hộ của bạn bè mà học viên đã có thể hoàn thành luận văn này

Xin chân thành cảm ơn PGS.TS Lê Trung Chơn, người trực tiếp hướng dẫn và

đã giúp đỡ học viên rất nhiều trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Xin chân thành cảm ơn thầy Lê Văn Trung cùng Trung tâm Địa Tin Học – ĐHQG TPHCM , Công ty CP Phát triển Bất động sản Sài Gòn, Cty Thiết bị Xây dựng Bách Khoa, Cty CP Nghiên cứu đầu tư và Phát triển công nghệ iGEO đã hỗ trợ

em về thiết bị đo đạc và dữ liệu thực hiện luận văn

Xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp, những người đã giúp em hoàn thành các ca đo và thiết lập hệ thống

Sự hỗ trợ về vật chất và tinh thần của gia đình; sự động viên của bạn bè trong suốt thời gian qua là nền tảng và động lực to lớn để em có thể hoàn thành luận văn tốt nghiệp này

Tuy nhiên, do thời gian thực hiện đề tài hạn chế, cộng với trình độ hiểu biết và tầm nhìn chưa rộng dẫn đến nhiều nhận xét còn mang tính chủ quan nên luận văn này chắc chắn sẽ còn nhiều thiếu sót Em rất mong nhận được sự góp ý và nhiệt tình hướng dẫn của quý thầy cô và các bạn

Luận văn được thực hiện với tên đề tài: “Đánh giá khả năng sử dụng ảnh thu nhận bởi thiết bị bay không người lái dạng nhỏ trong việc thành lập bản đồ địa hình

tỷ lệ 1:500”

Thiết bị bay không người lái – UAV đã được ứng dụng khá rộng rãi trong nhiều lĩnh vực sản xuất, đặc biệt ứng dụng trong các công tác trắc địa đang là hướng phát triển mới mẻ Công nghệ UAV với những ưu thế nhất định mang theo nhiều hy vọng có thể bổ sung cho các kỹ thuật khảo sát truyền thống hoặc thậm chí có thể thay thế công tác trắc địa truyền thống ở một số phạm vi và mục tiêu cụ thể

Nhằm mục đích có thêm kết quả chứng minh tính khả thi khi ứng dụng UAV trong thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn, học viên đã tiến hành khảo sát một vài khu vực ở TP Hồ Chí Minh bằng hai phương pháp là đo đạc truyền thống và ứng dụng ảnh chụp UAV Các hệ thống UAV thương mại Falcon 8 hay UAV giá rẻ như DJI Mavic, DJI Phantom 4 Pro đều linh hoạt với tầm bay thấp và khu vực bay chụp nhỏ, ảnh chụp đều có độ phân giải cao Các phần mềm xử lý ảnh chuyên dụng như Pix4dmapper, Agisoft PhotoScan cũng cho ra những sản phẩm tin cậy như ảnh trực giao, mô hình số bề mặt, đám mây điểm dựa trên ảnh có độ phủ lớn Phương pháp đánh giá áp dụng thuật toán chuyển đổi Helmert giúp cải thiện độ chính xác mặt bằng, phương pháp đánh giá cao độ bằng mặt cắt địa hình theo nhiều hướng cho thấy sự khách quan và thể hiện dáng đất toàn bộ bề mặt khảo sát Việc hoàn thiện quy trình ứng dụng hệ thống UAV sẽ giúp quá trình đo vẽ bản đồ nhanh chóng, tiết kiệm chi phí, nhân lực mà vẫn đảm bảo yêu cầu đặt ra, các kết quả đánh giá đều dựa theo quy phạm hiện hành

Sản phẩm của nghiên cứu này sẽ trả lời cho câu hỏi về tính khả thi khi ứng dụng công nghệ UAV trong việc thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn 1:500, góp phần làm phong phú thêm các giải pháp khảo sát trong ngành trắc địa và các lĩnh vực liên quan khác

This thesis deals with the task "Evaluation of the ability using images captured

by small Unmanned Aerial Vehicles for mapping topographic map of scale 1:500"

Unmanned Aerial Vehicles - UAV has been widely applied in many fields, especially in surveying work is a new development UAV technology can be complementary to traditional surveying techniques or even replace traditional surveying work in some areas and specific objectives

In order to have more results demonstrate the feasibility of using UAV for mapping topographic map of large scale, student measured some areas in Ho Chi Minh city by two methods are traditional measurement and application of UAV images The advantage of UAV Falcon 8 and low-cost DJI Mavic/ Phantom 4 Pro systems are their flexibility in capturing the surface of an small area from low flight altitude to create high-resolution aerial images Pix4dmapper/ Agisoft PhotoScan image processing software is used to create several products such as Orthomosaic Image, Digital Surface Model, Point Cloud based on overlapped images Helmert's transformation algorithm improves the precision of the map, the method of creating the cross-section show the whole surface objectively The UAV technology makes the surveying work quick and cost-effectively but still meet the requirements of current regulation

This study will answer the question of the feasibility of using UAV technology for mapping topographic map of large scale 1:500 In addition, this thesis also contribute to enrich solution of surveying, mapping work and other applications

Tôi cam đoan đây là luận văn nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU 1

1.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 2

1.2 MỤC TIÊU 4

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 4

1.4 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 5

1.5 PHẠM VI NGHIÊN CỨU 5

1.6 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN 6

1.6.1 Ý nghĩa khoa học 6

1.6.2 Ý nghĩa thực tiễn 6

1.7 CẤU TRÚC LUẬN VĂN 7

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN 8

2.1 TỔNG QUAN UAV 9

2.1.1 Giới thiệu chung 9

2.1.2 Cấu tạo hệ thống UAV 10

2.1.3 Các ứng dụng điển hình 13

2.1.4 Cơ sở pháp lý cho phép ứng dụng UAV ở Việt Nam 16

2.1.5 Quy trình ứng dụng công nghệ UAV trong thực tế 18

2.2 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 23

2.2.1 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài 23

2.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 25

2.2.3 Nhận xét chung 26

2.3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHƯƠNG PHÁP KHÔNG ẢNH VÀ THÀNH LẬP BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH 27

CHƯƠNG 3 THU THẬP VÀ XỬ LÝ DỮ LIỆU 31

3.1 TỔNG QUAN THU THẬP DỮ LIỆU 32

3.1.1 Khu vực 1 32

3.1.2 Khu vực 2 32

3.1.3 Khu vực 3 33

3.1.4 Khu vực 4 33

3.2 TỔNG QUAN PHẦN MỀM XỬ LÝ ẢNH 34

3.2.1 Giới thiệu chung 34

3.2.2 Nguyên lý hoạt động 35

3.2.3 Quy trình xử lý và sản phẩm kết quả 35

3.2.4 Cấu hình yêu cầu của phần mềm 36

3.3 KẾT QUẢ XỬ LÝ 37

3.3.1 Khu vực 1 37

3.3.2 Khu vực 2 41

3.3.3 Khu vực 3 44

3.3.4 Khu vực 4 48

CHƯƠNG 4 PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ 51

4.1 CƠ SỞ ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC 52

4.1.1 Tiêu chuẩn đánh giá mặt bằng 52

4.1.2 Tiêu chuẩn đánh giá cao độ 52

4.1.3 Công thức đánh giá độ chính xác 53

4.1.4 Thuật toán Helmert 54

4.2.2 Khu vực 2 64

4.2.3 Khu vực 3 67

4.2.4 Khu vực 4 70

4.3 ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC CAO ĐỘ 76

4.3.1 Khu vực 1 76

4.3.2 Khu vực 2 78

4.3.3 Khu vực 3 80

4.3.4 Khu vực 4 83

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 91

5.1 TÓM TẮT NHỮNG KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 92

5.2 NHỮNG THUẬN LỢI VÀ KHÓ KHĂN 94

5.2.1 Thuận lợi 94

5.2.2 Khó khăn 94

5.3 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 94

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 96

PHỤ LỤC 1 GIỚI THIỆU CÁC HỆ THỐNG UAV 99

PHỤ LỤC 2 XỬ LÝ ẢNH BẰNG PHẦN MỀM 105

PHỤ LỤC 3 SỐ LIỆU TÍNH TOÁN TRONG LUẬN VĂN 114

Hình 2.2 Máy bay UAV cánh quay lên thẳng 12

Hình 2.3 Ứng dụng UAV trong nông nghiệp, lâm nghiệp và thủy sản 14

Hình 2.4 Ứng dụng UAV trong quy hoạch và xây dựng 14

Hình 2.5 Ứng dụng UAV trong giao thông vận tải 14

Hình 2.6 Ứng dụng UAV trong khai thác khoáng sản 15

Hình 2.7 Ứng dụng UAV trong cứu hộ thiên tai 15

Hình 2.8 Ứng dụng UAV trong khảo sát địa hình 16

Hình 2.9 Quy trình ứng dụng công nghệ UAV 19

Hình 2.10 Quy trình ứng dụng công nghệ UAV lập bản đồ ở nước ngoài 28

Hình 3.1 Bình đồ khu vực 1 37

Hình 3.2 Các sản phẩm sau xử lý khu vực 1 38

Hình 3.3 Chấm điểm địa hình trên ảnh trực giao khu vực 1 39

Hình 3.4 Địa hình khu vực 1 đo bằng phương pháp UAV 40

Hình 3.5 Bình đồ khu vực 2 41

Hình 3.6 Các sản phẩm sau xử lý khu vực 2 42

Hình 3.7 Vị trí điểm cao độ trên ảnh trực giao khu vực 2 43

Hình 3.8 Địa hình khu vực 2 đo bằng phương pháp UAV 43

Hình 3.9 Bình đồ khu vực 3 44

Hình 3.10 Các sản phẩm sau xử lý khu vực 3 45

Hình 3.11 Lưới điểm địa hình trên ảnh trực giao khu vực 3 46

Hình 3.12 Địa hình khu vực 3 đo bằng phương pháp UAV 47

Hình 3.13 Các sản phẩm sau xử lý khu vực 4 49

Hình 4.3 Tương quan vị trí địa vật khi chồng lớp khu vực 1 58

Hình 4.4 Hình ảnh rõ nét của điểm song trùng khu vực 1 59

Hình 4.5 Vị trí các điểm song trùng khu vực 1 59

Hình 4.6 Điểm khống chế thực địa và trên ảnh trực giao khu vực 2 65

Hình 4.7 Vị trí điểm khống chế ở khu vực 2 66

Hình 4.8 Điểm khống chế thực địa và trên ảnh trực giao khu vực 3 68

Hình 4.9 Vị trí điểm khống chế khu vực 3 69

Hình 4.10 Điểm khống chế thực địa và trên ảnh trực giao khu vực 4 71

Hình 4.11 Vị trí điểm khống chế khu vực 4 72

Hình 4.12 Sản phầm bản đồ địa hình 1:500 75

Hình 4.13 Vị trí tờ bản đồ trong khu đo 76

Hình 4.14 Bình đồ khu vực 1 77

Hình 4.15 Mặt cắt địa hình khu vực 1 77

Hình 4.16 Chồng lớp bình đồ khu vực 2 79

Hình 4.17 Mặt cắt địa hình khu vực 2 79

Hình 4.18 Chồng lớp bình đồ khu vực 3 80

Hình 4.19 Các mặt cắt địa hình khu vực 3 82

Hình 4.20 Sơ đồ vị trí và hướng các mặt cắt địa hình khu vực 4 84

Hình 4.21 Các mặt cắt địa hình khu vực 4 86

Bảng 4.1 Tọa độ điểm song trùng thực địa và trên ảnh khu vực 1 60

Bảng 4.2 Tọa độ điểm ảnh đã được chuyển múi chiếu khu vực 1 60

Bảng 4.3 Tọa độ điểm ảnh và tọa độ tính theo Helmert khu vực 1 62

Bảng 4.4 Kết quả sai số trung phương đơn vị trọng số 63

Bảng 4.5 Kết quả sai số trung phương vị trí điểm mặt bằng khu vực 1 63

Bảng 4.6 Tọa độ điểm khống chế mặt đất khu vực 2 65

Bảng 4.7 Kết quả độ chính xác mặt bằng khu vực 2 67

Bảng 4.8 Tọa độ điểm khống chế mặt đất khu vực 3 68

Bảng 4.9 Kết quả độ chính xác mặt bằng khu vực 3 70

Bảng 4.10 Tọa độ điểm khống chế mặt đất khu vực 4 71

Bảng 4.11 Kết quả sai số mặt bằng khu vực 4 lần 1 73

Bảng 4.12 Kết quả sai số mặt bằng khu vực 4 lần 2 73

Bảng 4.13 Kết quả kiểm tra độ chính xác mặt bằng khu vực 4 74

Bảng 4.14 Kết quả sai số trung phương chênh cao khu vực 3 83

Bảng 4.15 Kết quả sai số trung phương chênh cao khu vực 4 87

Bảng 4.16 Báo cáo tổng hợp kết quả từ phần mềm 90

CHƯƠNG 1

MỞ ĐẦU

1.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Hiện nay, có nhiều phương pháp đo đạc được áp dụng trong việc khảo sát,

thành lập bản đồ trong ngành Trắc địa, tạm chia thành hai nhóm phương pháp chính:

phương pháp đo điểm trực tiếp (sử dụng toàn đạc điện tử, định vị vệ tinh GNSS –

RTK, công nghệ quét laser mặt đất TLS) và phương pháp đo ảnh (viễn thám, chụp

ảnh bằng máy bay có và không có người lái - UAV, công nghệ bay quét LiDAR)

Công nghệ sử dụng máy toàn đạc điện tử và định vị vệ tinh đang được sử dụng

rộng rãi trong thu thập dữ liệu mặt đất phục vụ cho công tác trắc địa địa hình, địa

chính, xây dựng dân dụng và thiết kế kiến trúc, do đạt độ chính xác khá cao, dưới

5cm Nhược điểm chính của hai công nghệ trên là giá thành cao, tiêu tốn thời gian và

nhân lực 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 điều kiện môi trường không cho phép, chưa

kể công nghệ định vị còn phải được đảm bảo về yếu tố thông thoáng của địa vật mới

có thể nhận được tín hiệu

Công nghệ TLS được phát triển bù đắp cho hạn chế của hai phương pháp nêu

trên Điểm thuận lợi của công nghệ TLS là việc sử dụng và vận hành không phức tạp,

phù hợp cho các dự án 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 điểm quét có thể đạt

đến 2mm Do vậy, công nghệ TLS đang được sử dụng tương đối rộng rãi ở các nước

phát triển phương Tây Nhược điểm của công nghệ TLS đó là có thể không thích hợp

với các dự án có diện tích lớn và địa hình phức tạp do phải di chuyển nhiều trạm máy

quét trên bề mặt địa hình

Công nghệ viễn thám trên thế giới phát triển khá đa dạng, có rất nhiều thiết bị

thu nhận các hình ảnh có độ phân giải mặt đất từ cm – m, có thể chụp ở cự ly gần vài

chục mét đến khoảng cách rất xa hàng trăm kilomét Tuy nhiên, việc thu nhập các dữ

liệu ảnh chụp vệ tinh quang học và ảnh chụp hàng không có người lái có lúc không

kịp thời và bị ảnh hưởng rất lớn trong điều kiện thời tiết có mây vì Việt Nam nằm

trong vùng khí hậu nhiệt đới, tỷ lệ diện tích của lãnh thổ bị mây che phủ lên đến 70%

nên hiệu suất có được ảnh vệ tinh không mây là rất thấp Viễn thám Radar có thể khắc

phục được hạn chế trên nhưng bị ảnh hưởng lớn theo phương đứng khi tín hiệu xuyên

mây rất nhạy cảm với sự thay đổi vật chất, hàm lượng nước, độ nhám bề mặt,… Điều

này có thể khó đáp ứng được yêu cầu về độ chính xác cao độ, hiện nay công nghệ

không ảnh chỉ có thể dùng thành lập bản đồ tỷ lệ lớn tối đa là 1:2000

Công nghệ LiDAR được phát triển như một công nghệ thay thế hoàn hảo Tuy

nhiên, điểm bất lợi hiện tại của LiDAR là giá thành trang thiết bị cao (trên 60,000

USD) Thực tế, trong công tác đo đạc bản đồ, 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 cần thiết

Thời gian gần đây, công nghệ máy bay không người lái UAV được đầu tư

nghiên cứu và phát triển rất mạnh mẽ, do đó giá thành trang thiết bị cho công nghệ

đo vẽ sử dụng UAV đã giảm xuống rất nhanh Theo tìm hiểu cho thấy công nghệ này

đang được ứng dụng thành công và rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, trong đó có ngành

Trắc địa… Ngoài việc giá thành vận hành tương đối thấp, công nghệ UAV với các

máy ảnh kỹ thuật số phổ thông dễ dàng thu nhận các ảnh số với độ phân giải rất cao

(mm, cm), trong điều kiện địa hình phức tạp, môi trường nguy hiểm một cách nhanh

chóng 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 như mô hình số độ cao DEM, mô hình số bề mặt DSM, mô hình số

mặt đất DTM, bản đồ trực ảnh, bản đồ 3D … Người sử dụng công nghệ UAV này

cũng không nhất thiết phải có kiến thức quá chuyên sâu về công nghệ đo ảnh truyền

thống

Với những ưu điểm rõ rệt như trên, công nghệ UAV đang rất hứa hẹn là một

hướng nghiên cứu mang tính ứng dụng cao của ngành Trắc địa – Bản đồ Tuy nhiên,

để có thể ứng dụng công nghệ chụp ảnh hàng không bằng UAV vào các dự án cần độ

chính xác và mức độ chi tiết cao như thành lập các bản đồ địa hình tỷ lệ lớn thì cần

phải tiếp tục nghiên cứu, đánh giá độ chính xác của kết quả bay chụp cũng như hoàn

thiện phương pháp xử lý ảnh để nâng cao độ chính xác, đặc biệt trong các địa hình có

thực phủ lớn và khu vực đông dân cư Vì thế, học viên chọn đề tài “Đánh giá khả

năng sử dụng ảnh thu nhận bởi thiết bị bay không người lái dạng nhỏ trong việc thành

lập bản đồ địa hình tỷ lệ 1:500” như lập một giả thiết về khả năng ứng dụng ảnh UAV

trong công tác trắc địa ở Việt Nam, trước mắt là ở những khu vực đồng bằng, diện

tích tương đối nhỏ và ít địa vật

1.2 MỤC TIÊU

Mục tiêu của luận văn là đánh giá khả năng sử dụng ảnh kỹ thuật số thu nhận

bởi các loại thiết bị bay không người lái (UAV) động cơ lên thẳng dạng nhỏ, liệu rằng

có đáp ứng đủ yêu cầu về chất lượng và độ chính xác để được ứng dụng trong công

tác thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ 1:500 ở các khu vực đồng bằng nhỏ hẹp ít bị che

khuất hay không?

Giới hạn mục tiêu đề tài: căn cứ vào thiết bị bay chụp và khu vực thực nghiệm

thì phạm vi nghiên cứu của đề tài là chỉ ứng dụng các loại UAV động cơ lên thẳng –

dạng nhỏ đối với khu vực thực nghiệm nhỏ bằng phẳng và ít địa vật

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

- Đề xuất quy trình ứng dụng và xử lý ảnh UAV theo ý kiến cá nhân

- Sử dụng các phần mềm chuyên dụng Pix4dmapper, Agisoft PhotoScan để xử

lý ảnh thu nhận bởi UAV dạng nhỏ tại các khu vực đồng bằng nhỏ hẹp, tạo

các sản phẩm như ảnh trực giao, mô hình DEM, đám mây điểm

- Tiến hành so sánh sản phẩm ảnh trực giao và sản phẩm đo đạc trực tiếp bằng

cách chồng lớp với nhau, hay đo đạc nghiệm thu sản phẩm tờ bản đồ mẫu

được biên tập từ dữ liệu ảnh, từ đó đánh giá mức độ phù hợp về mặt địa vật,

địa hình của các khu vực nghiên cứu

- Đánh giá độ chính xác mặt bằng và cao độ về mặt số liệu tính toán

- Kết luận về khả năng sử dụng ảnh thu nhận bởi UAV dạng nhỏ tại các khu

vực bằng phẳng và ít địa vật như là một phương pháp mới có thể phục vụ

công tác thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ 1:500 cũng như ứng dụng trong các

lĩnh vực liên quan khác

1.4 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

- Quy định kỹ thuật thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ 1:500

- Quy định kiểm tra, nghiệm thu sản phẩm đo đạc

- Các hệ thống UAV Falcon 8 (Đức), hệ thống UAV DJI Mavic và UAV

Phantom 4 Pro (Trung Quốc)

- Quy trình vận hành và xử lý ảnh UAV

- Phần mềm xử lý Pix4Dmapper và Agisoft PhotoScan tạo các sản phẩm ảnh

- Thuật toán Helmert trong việc chuyển đổi tọa độ giữa 2 hệ quy chiếu

1.5 PHẠM VI NGHIÊN CỨU

- Địa điểm nghiên cứu: học viên thực nghiệm tại 4 khu vực nhỏ bằng phẳng

và tương đối ít địa vật như sau:

 Khuôn viên khu Công nghệ phần mềm ĐHQG.TPHCM, quận Thủ Đức có

diện tích khoảng 5ha

 Bãi đậu tàu khu Depot thuộc tuyến Metro Bến Thành – Suối Tiên tại

phường Long Bình, quận 9 có diện tích khoảng 6ha

 Khu đất trống của dự án Summer tại phường 1, quận 4 có diện tích khoảng

 Hệ thống UAV Falcon 8 của công ty Ascending Technologies (Đức) đối

với khu đo 1 và 2

 Hệ thống UAV DJI Mavic của công ty iFlight Technology (Trung Quốc)

đối với khu đo 3

 Hệ thống UAV Phantom 4 Pro của công ty iFlight Technology (Trung

Quốc) đối với khu đo 4

- Các phần mềm sử dụng:

 Pix4Dmapper: phần mềm để xử lý ảnh (Thụy Sỹ)

 Agisoft PhotoScan: phần mềm để xử lý ảnh (Nga)

 ArcMap: hiển thị và tương tác trên sản phẩm ảnh

 LisCad Plus 12.0: hiện thị dữ liệu đo toàn đạc, tạo đường đồng mức, nội

suy điểm độ cao…

 Autocad: hiển thị các bình đồ, vẽ mặt cắt địa hình, biên tập bản đồ

 DPSurvey: chuyển đổi múi chiếu, hệ tọa độ của dữ liệu

1.6 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN

1.6.1 Ý nghĩa khoa học

Trên bình diện quốc tế đã có nhiều nghiên cứu về công nghệ máy bay không

người lái UAV và đã đạt được những thành tựu nhất định, được ứng dụng trong nhiều

lĩnh vực khác nhau Tuy nhiên ở nước ta hiện nay, đề tài về UAV vẫn còn tiềm năng

rất lớn để tiếp tục nghiên cứu, đặc biệt là trong lĩnh vực Trắc địa – Bản đồ Trên tinh

thần đó, đề tài này tập trung vào việc ứng dụng hệ thống UAV Falcon 8, đặc biệt là

UAV giá rẻ như Flycam DJI Mavic hay DJI Phantom 4 Pro để phục vụ công tác thành

lập bản đồ địa hình tỷ lệ 1:500, góp phần đưa ra bằng chứng cho kỹ thuật xử lý ảnh

từ công nghệ UAV hoàn toàn có thể trở thành một phương pháp mới, có nhiều ưu

điểm và có thể được bổ sung vào các quy định hiện hành về thành lập bản đồ địa hình,

địa chính ở nước ta

1.6.2 Ý nghĩa thực tiễn

Đề tài nghiên cứu xử lý ảnh để tạo ra các sản phẩm ảnh trực giao, mô hình

DSM, mô hình 3D cũng là các sản phẩm có ích cho nhiều lĩnh vực sản xuất khác Kết

quả đạt được giúp làm chủ công nghệ mới trong lĩnh vực Trắc địa – Bản đồ, làm rõ

tiềm năng của công nghệ UAV ở Việt Nam, cải thiện nhiều vấn đề về chi phí và thời

gian, tính đa dạng của sản phẩm có thể phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau

Đề tài cũng mở ra nhiều hướng ứng dụng mới, có thể kết hợp với các công

nghệ truyền thống khác như sử dụng toàn đạc điện tử hay định vị GNSS vào các mục

đích như: khảo sát địa hình, hỗ trợ thiết kế lập phương án, theo dõi tiến độ thi công,

giám sát tài nguyên và môi trường, quy hoạch đô thị,…

1.7 CẤU TRÚC LUẬN VĂN

1.7.1 Chương 1

Chương mở đầu tập trung diễn giải sự hình thành ý tưởng đề tài luận văn Bên

cạnh đó, luận văn vạch ra các mục tiêu và nêu rõ phạm vi nghiên cứu của đề tài là

đánh giá khả năng sử dụng ảnh thu nhận bởi UAV dạng nhỏ để thành lập bản đồ địa

hình tỷ lệ lớn 1:500 cho các dự án vùng đồng bằng có diện tích nhỏ và ít che phủ

1.7.2 Chương 2

Chương này nêu tổng quan về UAV và tình hình nghiên cứu trong và ngoài

nước đối với ứng dụng về UAV, giới thiệu cơ sở lý thuyết phương pháp thành lập

bản đồ địa hình

1.7.3 Chương 3

Chương này trình bày tổng quan về thu thập dữ liệu, giới thiệu phần mềm xử

lý ảnh chuyên dụng và xử lý sơ bộ các nguồn dữ liệu ảnh đơn và đo đạc thực tế các

khu vực tương ứng bằng toàn đạc điện tử

1.7.4 Chương 4

Chương này chủ yếu trình bày việc phân tích, đánh giá độ chính xác sản phẩm

về hai phương diện mặt bằng và cao độ đồng thời rút ra kết luận về tính khả thi của

đề tài

1.7.5 Chương 5

Chương cuối cùng của luận văn sẽ tóm tắt lại các kết quả và thành quả học hỏi

được Bên cạnh đó là nêu ra một vài hướng phát triển của đề tài trong tương lai

CHƯƠNG 2

TỔNG QUAN

2.1 TỔNG QUAN UAV

2.1.1 Giới thiệu chung

Trong vài năm gần đây, máy bay không người lái (UAVs – Unmanned Aerial

Vehicles) hay còn gọi là Drones, đang dần trở nên khá phổ biến và được ứng dụng

vào nhiều ngành nghề sản xuất như là một hình thức công nghệ mới đem lại sự thay

đổi có tính sáng tạo và nâng cao hiệu quả sản xuất Có thể nói sự xuất hiện của các

UAV thực sự là cuộc cách mạng trong lĩnh vực thu thập số liệu, khảo sát, giám sát và

theo dõi các đối tượng trên thực địa Thực tiễn cho thấy, có rất nhiều ứng dụng bắt

buộc phải triển khai trên diện rộng như khảo sát thành lập bản đồ địa hình và địa

chính, giám sát thu thập số liệu lâm nghiệp, đảm bảo hành lang an toàn đường dây

truyền tải điện, ghi nhận số liệu thiên tai ngập lụt, trượt lở đất … mà nếu áp dụng các

kỹ thuật truyền thống, sẽ vô cùng tốn kém kinh phí và thời gian triển khai Các thiết

bị khảo sát thu thập số liệu thế hệ mới ngày càng gọn nhỏ hơn, độ chính xác cao hơn,

đa nhiệm hơn và đặc biệt phù hợp để lắp đặt trên các thiết bị bay không người lái

UAV Hơn thế nữa, kỹ thuật và công nghệ định vị dẫn đường bằng vệ tinh GNSS làm

cho việc điều khiển UAV trong thực tế dễ dàng hơn rất nhiều, với nhiều chế độ bay

khác nhau và có thể bay tự động hoàn toàn

Thị trường thương mại của Drones cũng đang được các hãng nghiên cứu đánh

giá là thị trường rất tiềm năng và sẽ phát triển rất mạnh trong tương lai gần Hãng

nghiên cứu thị trường và công nghệ nổi tiếng Gartner đưa ra báo cáo có khoảng 3

triệu thiết bị bay không người lái cho cả mục đích cá nhân và thương mại được vận

chuyển (bán ra) trong năm 2017 Việc sản xuất các Drones cũng đang phát triển rất

nhanh chóng, Gartner cũng dự đoán doanh thu thị trường toàn cầu tăng 34% và đạt

hơn 6 tỷ USD trong năm 2017, và tăng lên 11,2 tỷ USD vào năm 2020 Hãng nghiên

cứu thị trường BI Intelligence, cũng đưa ra báo cáo về ước tính đầu tư cho phần cứng

của drones trên thị trường toàn cầu cũng đang tăng, và dự tính đạt hơn 12 tỷ USD vào

năm 2021

Tới thời điểm hiện tại có thể khẳng định một điều chắc chắn rằng tất cả các

hãng sản xuất và cung cấp giải pháp phục vụ cho lĩnh vực nghiên cứu Trái đất, thu

thập số liệu thực địa, đo đạc và bản đồ … đều đã có sản phẩm hoặc đang nghiên cứu

để phát triển các mô hình thiết bị bay không người lái UAV của riêng mình ví dụ như

Trimble Navigation với hệ thống UX5, Topcon với hệ thống FALCON 8 và SIRIUS

PRO, Leica Geosystems với hệ thống DRAGON 50 và AIBOT X6, Riegl với hệ

thống thiết bị bay hiện đại RiCOPTER Rõ ràng UAV không còn là xu thế mang tính

định hướng mà nó đã trở thành công nghệ “buộc phải có” của các nhà sản xuất thiết

bị địa tin học danh tiếng trên thế giới [1]

2.1.2 Cấu tạo hệ thống UAV

Cấu tạo hệ thống UAV để xây dựng bản đồ địa hình được chia thành 4 thành

Tùy theo công nghệ và giá thành thì một hệ thống máy bay UAV có thể bao

gồm: Thân máy bay, đầu thu GPS, cảm biến tốc độ gió, cảm biến độ cao, cảm biến

áp xuất, cảm biến cân bằng và bộ thu phát tín hiệu, ngoài ra trên máy bay còn mang

theo 1 hay nhiều quả pin dùng để cung cấp nguồn điện cho toàn bộ các thiết bị trên

máy bay

UAV có nhiểu hình dạng và kích cỡ khác nhau, mỗi loại đểu có những ưu điểm

và nhược điểm riêng, do đó tùy từng công việc cụ thể mà người sử dụng lựa chọn loại

máy bay phù hợp UAV được chia ra làm 2 loại chính theo cấu tạo là máy bay cánh

cố định - cánh bằng (Fixed Wing UAV) và máy bay lên thẳng nhiều động cơ xoay

(Rotary Wing UAV)

a) Máy bay cánh cố định hay cánh bằng (Fixed Wing UAV)

UAV cánh cố định bao gồm một cánh cứng cố định, có khả năng bay bằng

cách tạo ra lực nâng trong không khí và lực đẩy của động cơ phía sau Tốc độ bay

của máy bay được tạo ra bởi lực đẩy bằng động cơ đốt trong hoặc động cơ điện lắp

phía sau máy bay

Nguồn: http://www.droneflight.co.uk

Hình 2.1 Máy bay UAV cánh cố định

Ưu điểm chính của UAV cánh cố định là nó có một cấu trúc đơn giản hơn so

với loại cánh quay, do đó quy trình bảo trì và sửa chữa đơn giản hơn Quan trọng hơn

là với cấu trúc đơn giản sẽ đảm bảo tính khí động học hiệu quả hơn dẫn đến thời gian

chuyến bay dài hơn ở tốc độ cao, do đó cho phép chúng hoạt động ở các khu vực

khảo sát lớn hơn trên mỗi chuyến bay nhất định Máy bay cánh cố định cũng có thể

mang trọng tải lớn hơn, khoảng cách bay xa hơn và tốn ít điện năng cho phép nó

mang theo các cảm biến và máy ảnh lớn hơn, tốt hơn do đó độ chính xác, góc chụp

ảnh rộng, cũng như chất lượng ảnh tốt hơn

Nhược điểm của UAV cánh cố định ngoài giá thành của thiết bị cao còn là sự

cần thiết phải bố trí được đường băng hay bệ phóng cho việc cất và hạ cánh

b) Máy bay lên thẳng nhiều động cơ xoay (Rotary Wing UAV)

UAV cánh quay bao gồm các cánh quạt xoay quanh một trục cố định UAV

cánh quay có tối thiểu 1 cánh quạt (helicopter), 3 cánh quạt (tricopter), 4 cánh quạt

(quadcopter), 6 cánh quạt (hexacopter), 8 cánh quạt (octocopter)… Nguyên lý bay

của máy bay cánh quay là sự phối hợp của các cánh quạt quay tạo ra lực nâng nâng

máy bay lên thẳng đứng hoặc di chuyển theo hướng bất kỳ, đồng thời có khả năng

triển khai bay ở độ cao thấp, rất thấp trên mặt đất Các hãng sản xuất thiết bị và cảm

biến số liệu cũng đang đa dạng hoá giải pháp một cách nhanh chóng, chúng ta có thể

dễ dàng tìm được các cảm biến số liệu đặc biệt được thiết kế cho các UAV khung

sườn nhỏ nhất Các cảm biến số liệu điển hình phải kể đến như máy chụp ảnh cận

hồng ngoại, các máy quét laser và thu nhận hình ảnh 3 chiều từ xa LiDAR, thậm chí

là các cảm biến chức năng đa phổ hoặc siêu phổ

Nguồn: https://www.dronezon.com

Hình 2.2 Máy bay UAV cánh quay lên thẳng

Ưu điểm của UAV cánh quay là khả năng cất cánh, hạ cánh theo chiều thẳng

đứng và rất cơ động trong quá trình bay Điều này cho phép người dùng hoạt động ở

những địa hình chật hẹp mà không cẩn phải bố trí đường băng cất cánh, hạ cánh như

loại máy bay cánh bằng, cũng như có thể thay đổi độ cao và chuyển hướng bay một

cách dễ dàng Khả năng bay tại chỗ và khả năng bay cơ động làm cho UAV cánh

quay rất phù hợp với công tác bay chụp ở địa hình phức tạp và có diện tích nhỏ

Nhược điểm của UAV cánh quay có cấu tạo liên quan đến cơ khí và điện tử

phức tạp do đó yêu cầu quá trình bảo trì và sửa chữa phức tạp hơn so với máy bay

cánh cố định Do tốc độ thấp hơn và thời gian bay ngắn hơn vì vậy sẽ phải bay nhiều

chuyến bay hơn so với máy bay cánh cố định

Theo tiêu chuẩn chung, các hệ thống UAV vận hành bằng nguồn điện, các

chuyến bay thường có thời gian kéo dài từ 30 - 60 phút, thời gian bay có thể ngắn

hơn đối với các máy bay lên thẳng nhiều động cơ bởi nguồn điện năng phải chia sẻ

để vận hành nhiều động cơ cùng lúc Phụ thuộc vào chỉ tiêu kỹ thuật điện năng của

pin cấp điện và tốc độ bay, những UAV cánh cố định có khả năng bay chụp ảnh phủ

trùm khu vực có diện tích khoảng từ 1 - 1.5 km2 (tương đương với từ 100 – 150 ha)

Đối với UAV nhiều động cơ vùng phủ sẽ thấp hơn số liệu đưa ra ở trên, thông thường

diện tích phủ trùm sẽ giảm đi từ 10 đến 30% so với UAV cánh cố định đạt được

2.1.2.2 Máy ảnh kỹ thuật số

Thông thường các máy ảnh sử dụng để chụp ảnh mặt đất bằng UAV là các loại

máy ảnh kỹ thuật số có kích thước nhỏ gọn, có tiêu cự cố định và khả năng lấy nét tự

động cho độ phân giải khá cao

2.1.2.3 Trạm điều khiển mặt đất

Mỗi hệ thống máy bay UAV đều phải được điều khiển bằng trạm điều khiển

mặt đất Cấu tạo của trạm điều khiển mặt đất bao gồm:

 Laptop, máy tính bảng hoặc điện thoại thông minh được cài đặt phẩn mềm

lập trình bay và điều khiển bay

 Bộ điều khiển có thiết bị thu phát tín hiệu, kết nối máy tính bảng với máy

bay

 Tay điều khiển dùng để kết nối với máy bay

 Laptop, máy tính bảng hoặc điện thoại thông minh được cài đặt phần mềm

điều khiển

2.1.2.4 Trạm xử lý ảnh UAV

Trạm xử lý ảnh bao gồm máy tính trạm Workstations có cấu hình mạnh được

cài đặt phần mềm chuyên xử lý ảnh máy bay để tạo mô hình số mặt đất

Một số phần mềm chuyên xử lý ảnh UAV phổ biến ở Việt Nam:

 Trimble Business Center Photogramettry và Inpho UASMaster của

Trimble

 Agisoft PhotoScan của hãng Geoscan Nga

 Pix4dmapper của Thụy Sỹ

2.1.3 Các ứng dụng điển hình

Xét về ứng dụng, chúng ta có thể sử dụng UAV trong tất cả các lĩnh vực của

đời sống từ đơn giản là giải trí đến các ứng dụng phức tạp như theo dõi giám sát từ

xa, cập nhật số liệu định kỳ, phân tích biến động, hỗ trợ thu nhận hình ảnh xây dựng

phim, định kỳ theo dõi các đối tượng xâm nhập trái phép vào các khu vực cấm Các

ứng dụng điển hình có thể liệt kê như:

 Nông nghiệp, lâm nghiệp và thủy sản

Nông nghiệp: phân vùng quy hoạch, giám sát mùa vụ, tưới tiêu, bố trí công

trình thủy lợi

Lâm nghiệp: điều tra hiện trạng quy hoạch phát triển rừng, phân chia đất rừng,

giám sát biến động, tính toán thống kê trữ lượng cây xanh

Thủy sản: quy hoạch vùng nuôi trồng thủy sản, đánh giá tác động môi trường,

phân bố nguồn lợi thủy sản

Nguồn: https://tech.3si.vn và http://anthi.com.vn

Hình 2.3 Ứng dụng UAV trong nông nghiệp, lâm nghiệp và thủy sản

 Quy hoạch, xây dựng và kiến trúc

Quy hoạch hướng phát triển đô thị, theo dõi biến động đô thị, cập nhật tiến độ

xây dựng công trình, điều chỉnh cảnh quan đô thị

Nguồn: https://quet3danabim.wordpress.com

Hình 2.4 Ứng dụng UAV trong quy hoạch và xây dựng

 Giao thông và vận tải

Theo dõi xây dựng công trình giao thông, giám sát tình trạng giao thông, quy

hoạch công trình giao thông

Nguồn: https://quet3danabim.wordpress.com

Hình 2.5 Ứng dụng UAV trong giao thông vận tải

 Khai thác khoáng sản

Máy bay không người lái mang lại rất nhiều lợi ích cho các khu khai thác mỏ,

từ việc gia tăng an toàn lao động đến việc tăng năng xuất, tính toán khối lượng

Nguồn: http://anthi.com.vn

Hình 2.6 Ứng dụng UAV trong khai thác khoáng sản

 Thiên tai sạt lở, ngập lụt và cứu nạn

Xác định các khu vực xảy ra thiên tai, phục vụ việc đánh giá, lên phương án

và lựa chọn kế hoạch khắc phục tối ưu và tìm kiếm và vận chuyển hàng hóa cứu nạn

Nguồn: https://www.tech.3si.vn

Hình 2.7 Ứng dụng UAV trong cứu hộ thiên tai

 Khảo sát và lập bản đồ

Những chiếc máy bay không người này được trang bị phần mềm lập kế hoạch

bay cho phép người dùng chụp khu vực mà họ cần Trong quá trình bay, máy bay sẽ

tự động chụp ảnh bằng camera tích hợp cùng với hệ thống định vị toàn cầu (GPS) để

lưu lại thông tin vị trí chụp

Nguồn: http://samcom.com.vn

Hình 2.8 Ứng dụng UAV trong khảo sát địa hình

Bên cạnh đó UAV còn có khả năng hỗ trợ thu nhận hình ảnh xây dựng phim,

UAV có thể bay đến những khu vực mà con người không thể tiếp cận trực tiếp để ghi

nhận hình ảnh, đây là công cụ quan trọng để có được những hình ảnh hay đoạn phim

đặc biệt, chất lượng cao phục vụ lĩnh vực nghệ thuật

Thành quả số liệu do các cảm biến gắn trên UAV tạo ra cũng hết sức đa dạng,

tuỳ thuộc vào mục tiêu ứng dụng mà chúng ta có thể khai thác, tạo ra các sản phẩm

dẫn xuất phù hợp với từng yêu cầu cụ thể Tuỳ theo loại cảm biến thu gắn trên UAV,

chúng ta có thể có các dạng số liệu như sau:

 Ảnh chụp mặt đất độ phân giải cao;

 Phim hiện trạng độ phân giải cao;

 Truyền phát hình ảnh trực tiếp từ UAV về thiết bị điều khiển (Trung tâm);

 Ghép ảnh chụp tích hợp số liệu GNSS xây dựng mô hình 3D mặt đất;

 Tạo đám mây điểm (Point Cloud) mặt đất xây dựng DEM;

 Đo đạc tính toán trên mô hình DEM (diện tích, thể tích, hình dạng …);

 Xây dựng bản đồ địa hình khu vực;

 Tính toán so sánh biến động;

 Và rất nhiều các biến thể khác

2.1.4 Cơ sở pháp lý cho phép ứng dụng UAV ở Việt Nam

Trong thời gian gần đây, các thiết bị đồ chơi điều khiển từ xa, máy bay không

người lái như Drone, Flycam đã thâm nhập vào thị trường Việt Nam và ngày càng

trở thành trào lưu mới của những người yêu công nghệ trong nước Tuy nhiên, hoạt

động bay của các thiết bị trên tiềm ẩn nhiều yếu tố nguy hiểm cho các hoạt động bay

quân sự và dân dụng, ảnh hưởng đến trật tự an toàn xã hội Do đó các tổ chức và cá

nhân khi sử dụng các thiết bị trên phải xin phép và được quản lý chặt chẽ của nhà

nước

Trình tự và các nội dung liên quan đến quy trình cấp phép được thể hiện tại

Nghị định 36/2008 NĐ-CP và được sửa đổi bổ sung một số mục tại Nghị định

79/2011/NĐ-CP Cơ sở pháp lý cho phép ứng dụng UAV ở Việt Nam sẽ được trình

bay tóm tắt sau đây:

2.1.4.1 Thẩm quyền cấp phép, từ chối, đình chỉ hoạt động bay

Cục Tác chiến - Bộ Tổng tham mưu cấp phép, từ chối cấp phép cho các chuyến

bay của tàu bay không người lái, các loại khí cầu bay không người điều khiển, các

loại mô hình bay, các loại khí cầu có người điều khiển nhưng không cất, hạ cánh từ

các sân bay được mở cho hoạt động dân dụng

2.1.4.2 Hồ sơ, thủ tục đề nghị cấp phép bay

a) Bộ hồ sơ đề nghị cấp phép bay

- Đơn đề nghị cấp phép bay;

- Tài liệu kỹ thuật về phương tiện bay, bao gồm ảnh chụp kiểu loại tàu bay hoặc

phương tiện bay và bản thuyết minh tính năng kỹ thuật hàng không của loại tàu bay

hoặc phương tiện bay đó;

- Giấy phép hoặc giấy ủy quyền hợp pháp cho phép tàu bay, phương tiện bay thực

hiện cất cánh, hạ cánh tại sân bay, khu vực trên mặt đất, mặt nước;

- Các giấy tờ, tài liệu khác liên quan đến tàu bay, phương tiện bay

b) Trình tự thực hiện cấp phép

- Chậm nhất 07 ngày, trước ngày dự kiến tổ chức thực hiện các chuyến bay, các tổ

chức cá nhân nộp đơn đề nghị cấp phép bay đến Cục Tác chiến - Bộ Tổng tham mưu

- Chậm nhất 07 ngày, trước ngày dự kiến tổ chức thực hiện các chuyến bay, các tổ

chức cá nhân nộp đơn đề nghị sửa đổi lại phép bay đến Cục Tác chiến - Bộ Tổng

tham mưu

2.1.4.3 Nội dung của phép bay

- Tên, địa chỉ, số điện thoại liên lạc của tổ chức, cá nhân được cấp phép bay

- Đặc điểm nhận dạng kiểu loại tàu bay, phương tiện bay (bao gồm cả phụ lục có ảnh

chụp, thuyết minh tính năng kỹ thuật của tàu bay hoặc phương tiện bay)

- Khu vực được tổ chức hoạt động bay, hướng bay, vệt bay

- Mục đích, thời hạn, thời gian được tổ chức bay

- Quy định về thông báo hiệp đồng bay; chỉ định cơ quan quản lý, giám sát hoặc điều

hành bay

- Các giới hạn, quy định an ninh, quốc phòng khác

2.1.4.4 Thời hạn cấp phép, từ chối bay

- Trong thời hạn 05 ngày làm việc, kể từ ngày nhận hồ sơ đầy đủ theo quy định, Cục

Tác chiến - Bộ Tổng tham mưu cấp phép tổ chức thực hiện các chuyến bay

- Trong thời hạn 03 ngày làm việc, kể từ ngày nhận hồ sơ đầy đủ theo quy định xin

sửa đổi phép bay đã cấp, Cục Tác chiến - Bộ Tổng tham mưu cấp phép điều chỉnh

thực hiện các chuyến bay

2.1.4.5 Trách nhiệm của các tổ chức và cá nhân khi tổ chức hoạt động bay

- Làm thủ tục xin phép bay trước khi tổ chức hoạt động bay

- Thực hiện công tác dự báo, thông báo bay trước ngày bay theo quy định

- Nắm vững các quy định, nội dung của việc tổ chức, thực hiện hoạt động bay trong

vùng trời Việt Nam

- Tuân thủ các quy định, điều kiện, giới hạn được nêu trong phép bay

- Chấp hành nghiêm hiệu lệnh đình chỉ bay và báo cáo kết quả về cơ quan điều hành

bay và giám sát các hoạt động bay

- Chịu trách nhiệm bồi thường theo pháp luật nếu để xảy ra mất an toàn hàng không,

gây thiệt hại cho người, tài sản dưới mặt đất

2.1.5 Quy trình ứng dụng công nghệ UAV trong thực tế

Theo kinh nghiệm công tác của cá nhân và qua quá trình nghiên cứu thực hiện

luận văn, học viên xin đề xuất quy trình ứng dụng công nghệ UAV trong công tác

bay chụp thành lập bản đồ trong thực tế như sau:

Hình 2.9 Quy trình ứng dụng công nghệ UAV

2.1.5.1 Công tác chuẩn bị

Sau khi tiếp nhận dự án thì các công tác chuẩn bị ban đầu hoàn toàn tương tự

như đo đạc truyền thống Đối với quy trình khảo sát bằng công nghệ UAV thì khâu

khảo sát thực địa và lập lưới khống chế ảnh đòi hỏi một số yêu cầu đặc biệt như: kiểm

trả vùng cấm bay, chọn địa điểm có thể cất/ hạ cánh UAV an toàn; xây dựng hoặc

đánh dấu mới điểm khống chế trên nền đất ổn định, phủ kín khu đo, có thể thấy rõ tại

thực địa và trên ảnh, kết hợp đo nối tọa độ với các điểm khống chế bậc cao hơn xung

quanh khu đo

Số hóa, biên tập bản đồ

Kiểm tra và đóng gói sản phẩm

Việc lựa chọn thiết bị bay không người lái cũng là công tác vô cùng quan trọng

trong dự án phục vụ thành lập bản đồ, các loại UAV động cơ lên thẳng sẽ có ưu thế

lớn vì có thể bay ổn định và cân bằng tốt tại 1 vị trí để có thể thu nhận thông tin mặt

đất theo yêu cầu trong khi loại UAV cánh bằng là không thể

2.1.5.2 Tiến hành bay chụp

Trước khi tiến hành bay chụp, công tác quan trọng nhất chính là thiết kế tuyến

bay, các bước cơ bản gồm tính toán độ cao bay của UAV, xác định độ phủ dọc và độ

phủ ngang của ảnh, ước tính tổng số ảnh và dung lượng ảnh cần chụp Hiện nay các

phần mềm như DataMapper, Pix4Dcapture hay DroneDeploy đã hỗ trợ thiết kế tuyến

bay một cách tự động, do đó chúng ta không mất nhiều công sức cho công việc này

Về mặt lý thuyết, một số công thức có thể được áp dụng như sau: [16]

- Thiết kế độ cao bay của UAV:

Vì kích thước của cảm biến thu nhận ảnh và tiêu cự của máy ảnh là cố định,

do đó độ phân giải điểm ảnh (kích thước Pixel) bị chi phối bởi độ cao bay chụp mà

độ phân giải điểm ảnh lại ảnh hưởng tới độ chính xác của sản phẩm, do đó cần phải

tính toán độ cao bay chụp sao cho phù hợp với yêu cầu đặt ra Mối quan hệ giữa độ

cao bay chụp và độ phân giải điểm ảnh được thể hiện như sau:

100

imW GSD f H

f là tiêu cự máy ảnh ssW là độ rộng cảm biến

Ví dụ với máy ảnh DJI CMOS có tiêu cự là 5mm, cảm biến có kích thước là

6.2×4.6mm, ảnh chụp có kích thước là 4000×3000 pixel và kích thước khu đo là

150×200m, nếu kỳ vọng độ phân giải GSD đạt được 3cm thì độ cao bay chụp tính

- Thiết kế điểm dừng chụp hay tâm ảnh (waypoint) của UAV:

Sau khi đã xác định được độ cao bay chụp và độ phân giải không gian điểm

ảnh thì công việc tiếp theo là xác định các điểm waypoint trên khu đo sao cho đảm

bảo độ phủ ảnh theo yêu cầu đặt ra Công thức xác định khoảng cách các điểm

waypoint theo trục X và trục Y (theo hệ Descartes) nếu giả sử máy bay bay theo

hướng OY như sau:

Trong đó: X và Y là khoảng cách waypoint theo trục X và trục Y

imW và imH là độ rộng và dài của ảnh GSD là độ phân giải không gian điểm ảnh P% và Q% là độ phủ dọc và độ phủ ngang

Ví dụ với các thông số như trên, nếu muốn độ phủ 75% thì ta có khoảng cách

- Tính số đường bay của UAV:

Số đường bay của UAV phụ thuộc vào tỷ lệ ảnh, độ phủ ngang của tấm ảnh

và được tính dựa theo công thức sau:

(1 %)

aaW S



   (2.3)

Trong đó: S là tổng số đường bay

aaW là độ rộng khu vực bay chụp

M là mẫu số tỷ lệ ảnh (M f

H

 ) ssH là độ cao cảm biến

Q% là độ phủ ngang của tờ ảnh

Ví dụ với các thông số như trên và mẫu số tỷ lệ M là 20000 thì tổng số đường

6.5 7(1 %) 20000 4.6 25%

aaW S

- Tính số ảnh chụp trên mỗi đường bay:

Số ảnh cần chụp trên mỗi đường bay phụ thuộc vào tỷ lệ ảnh, độ phủ dọc của

tấm ảnh và được tính dựa theo công thức sau:

aaL T



   (2.4)

Trong đó: T là số ảnh chụp trên mỗi đường bay

aaL là độ dài khu vực bay chụp

M là mẫu số tỷ lệ ảnh (M f

H

 ) ssW là độ rộng cảm biến

P% là độ phủ dọc của tờ ảnh

Ví dụ với các thông số như trên thì số ảnh chụp trên mỗi đường bay là

200000

6.4 7(1 %) 20000 6.2 25%

aaL

T

đường bay để đảm bảo bao trùm cả khu đo là 9

Vậy tổng số ảnh chụp cho cả khu đo là 7 ảnh × 9 đường = 63 ảnh Tổng dung lượng

ảnh là 63 ảnh × 5MB = 315MB (mỗi ảnh dung lượng khoảng 5 MB)

Cuối cùng, khi kết thúc phi vụ bay thì người điều khiển bay cần có động tác

kiểm tra nhanh tập ảnh tại hiện trường sau mỗi ca bay nhằm đảm bảo chất lượng ảnh

chụp, cần hạn chế các lỗi ảnh mờ hoặc ảnh bị che khuất nhiều, nếu gặp các lỗi này

cần thực hiện bay chụp bổ sung lại khu vực bị lỗi

2.1.5.3 Xử lý dữ liệu bằng phần mềm

Sau khi bay chụp ảnh thành công, công tác tiếp theo là xử lý ảnh để tạo ra ảnh

ghép trực giao, mô hình DSM, đám mây điểm Các phần mềm chuyên dụng hiện nay

cho phép cập nhật điểm khống chế, chuyển đổi giữa các hệ tọa độ và nắn ảnh trực

tiếp trong quá trình xử lý, do đó sản phẩm ảnh đạt chất lượng rất tốt và đảm bảo được

độ chính xác

2.1.5.4 Phân tích và đánh giá

Sau khi xử lý ảnh xong thì ta phải tiến hành phân tích chất lượng ảnh, đánh

giá nhằm cho ra sản phẩm sau cùng tùy theo mục đích sử dụng, sản phẩm phải đảm

bảo đúng theo hệ tọa độ và hệ độ cao nhà nước theo yêu cầu Nội dung phần này sẽ

được trình bày ở các chương sau

2.1.5.5 Số hóa và biên tập bản đồ

Thực hiện số hóa ảnh trực giao bằng phần mềm chuyên dụng, sản phẩm là bản

đồ dạng số được biên tập theo đúng quy phạm hiện hành về tỷ lệ và nội dung, từ đó

có thể xuất in thành bản đồ dạng giấy để có thể kiểm tra nghiệm thu sản phẩm

2.1.5.6 Kiểm tra và đóng gói sản phẩm

Cuối cùng là công tác kiểm tra nghiệm thu để chắc chắn bản đồ đã thành lập

đáp ứng độ chính xác mặt bằng và độ cao, đảm bảo truyền tài đầy đủ nội dung cần

thể hiện tùy thuộc vào mục đích thành lập, bản đồ phải đúng tỷ lệ in ấn, để sau cùng

có thể lưu trữ làm tài liệu phục vụ cho các ứng dụng sau này

2.2 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU

2.2.1 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài

Trước đây, các hệ thống thiết bị bay không người lái UAV chỉ được các nước

phát triển như Mỹ, Anh, Pháp, Đức, Nga … nghiên cứu phục vụ cho mục đích quân

sự như tuần tra, trinh sát, huấn luyện phòng thủ và tấn công mục tiêu Tuy nhiên, từ

những năm 2000 đến nay công nghệ UAV đã phát triển hết sức mạnh mẽ và ứng dụng

cho nhiều mục đích dân sự

Trong lĩnh vực Trắc địa – Bản đồ, đã có những công trình nghiên cứu về khả

năng ứng dụng cũng như đánh giá độ chính xác sản phẩm được tạo ra từ kỹ thuật ứng

dụng công nghệ UAV trong chụp ảnh hàng không độ phân giải cao, được xuất bản

dưới dạng những bài báo khoa học

Năm 2011, nhóm nghiên cứu do O Kung chủ trì đã ứng dụng hệ thống UAV

Swinglet CAM (Thụy Sĩ) để bay chụp thử nghiệm trong những điều kiện độ cao bay

thay đổi từ 130m đến 900m, với độ phân giải ảnh từ 5,7cm đến 33cm Kết quả sau

khi xử lý bằng phần mềm Pix4Dmapper là ảnh trực giao và mô hình DSM, sản phẩm

đạt độ chính xác 2m – 8m khi không sử dụng các điểm khống chế mặt đất (GCPs) và

đạt 5cm – 2dm nếu có sử dụng GCPs trong quá trình xử lý định vị ảnh [3]

Năm 2011, nhóm nghiên cứu do F Remondino chủ trì đã ứng dụng hệ thống

UAV Microdrone MD4-200 (4 động cơ rotor) để khảo sát một công trình khảo cổ

nhỏ (diện tích 35m x 20m) tại Veio, Italy với độ cao bay chụp thấp 35m Kết quả đạt

được có sai số trung phương theo các phương X, Y, Z lần lượt là 4cm, 3cm và 7cm

[4]

Năm 2013, nhóm nghiên cứu do M Rijsdijk chủ trì đã ứng dụng hệ thống

UAV Falcon 8 để xác định ranh địa chính cho khu dân cư Nunspeet (Hà Lan), với độ

phủ giữa các tờ ảnh là 80% và độ phân giải ảnh là 1cm Kết quả sau khi xử lý bằng

phần mềm Agisoft PhotoScan và có sử dụng GCPs đạt độ chính xác 5cm trên ảnh

trực giao [5]

Năm 2014, nhóm nghiên cứu do C Cryderman chủ trì đã tiến hành khảo sát

một một ngọn đồi ở Canada bằng hai phương pháp là sử dụng hệ thống UAV cánh

bằng EPO tự thiết kế và hệ thống GNSS RTK Trimble R8s (Mỹ), sau đó đánh giá độ

chính xác sản phẩm của hai phương pháp này Trong quá trình xử lý có sử dụng các

điểm khống chế, nhóm chỉ ra rằng có sự tương đồng giữa kết quả nhận được từ hai

phương pháp, cụ thể độ lệch trung bình giữa hai phương pháp là 4.4cm cao độ và

3.9cm mặt bằng Đồng thời, hóm cũng đưa ra kết luận với độ chính xác đạt được như

trên thì các hệ thống UAV sẽ có khả năng được ứng dụng trong công tác thành lập

bản đồ tỷ lệ lớn đến 1:200 và khoảng cao đều đường đồng mức có thể là 0.145m [6]

Năm 2014, nhóm nghiên cứu của N Darwin đã ứng dụng hệ thống UAV

Hexacopter để đánh giá tiềm năng giám sát, lập bản đồ bờ biển tỷ lệ lớn 1:500 tại

Malaysia, với độ cao bay chụp thấp, độ phủ ảnh khoảng 60% và độ phân giải ảnh

4mm Kết quả khi xử lý bằng phần mềm Civil Design & Survey là 2cm – 6cm mặt

bằng tương ứng với số lượng GCP là 30 – 37 điểm [7]

Năm 2016, nhóm nghiên cứu do R El Meouche đã tiến hành khảo sát và lập

bản đồ một khu vực nhỏ bằng 2 phương pháp là sử dụng UAV và toàn đạc điện tử

Trong đó, 2 hệ thống UAV cùng được sử dụng là Ebee (cánh bằng) và HDS3 (cánh

quay); máy toàn đạc là Trimble M3 Phần mềm xử lý ảnh là PhotoScan và phần mềm

để số hóa bản đồ là AutoCad Kết quả đạt được là khá tốt với độ chính xác GCPs là

1cm và độ chính xác kiểm tra là 4cm Tuy nhiên, khuyến cáo được đưa ra là công

nghệ UAV không thể áp dụng tốt có các khu vực bị che khuất và để đạt độ chính xác

như vậy thì độ cao bay phải đủ thấp sao cho độ phân giải ảnh khoảng 1cm [8]

Năm 2016, nhóm nghiên cứu do Bùi Tiến Diệu chủ trì đã ứng dụng hệ thống

UAV Phantom 3 Professional để bay chụp khuôn viên trường Đại học Đông Nam Na

Uy (168m x 156m) ở độ cao bay 60m, với độ phủ tờ ảnh là 80% và độ phân giải ảnh

2cm Trong thực nghiệm này, có sử dụng các điểm khống chế GPS và chỉ có sai số

về cao độ được đánh giá, theo đó sai số trung phương các điểm GPS đạt 6.57cm và

sai số trung phương các điểm kiểm tra đạt 10.76cm Kết quả này được giải thích là bị

ảnh hưởng bởi khu vực đo nhỏ, có nhiều công trình trên mặt đất và mật độ điểm

khống chế bị hạn chế [9]

Năm 2018, nhóm nghiên cứu do Yu Liu chủ trì đã ứng dụng hệ thống UAV

DJI S900 để khảo sát khu vực làng Xishaoqu rộng 0.3km2, với độ cao bay chụp là

160m, độ phủ 80% và độ phân giải 1.6cm Sau khi xử lý ảnh bằng phần mềm Pix4d

với 15 điểm GCPs thì kết quả độ chính xác mặt bằng là 4cm và độ chính xác cao độ

là 3cm [10]

Năm 2018, M J Ahmad và cộng sự đã ứng dụng hệ thống UAV MTD để bay

chụp khu vực Universiti Teknologi Malaysia với độ cao bay lần lượt 250m, 300, và

350m Sau khi xử lý bằng phần mềm Agisoft PhotoScan có sử dụng GCP thì ảnh trực

giao, mô hình DEM đạt độ chính xác 5cm mặt bằng và 3dm độ cao, bản đồ số sau đó

được số hóa và biên tập thành công bằng phần mềm AutoCad [11]

2.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Ở Việt Nam, công nghệ UAV đã được tiếp cận và đầu tư để phục vụ mục đích

quân sự là chủ yếu, việc ứng dụng công nghệ UAV trong các lĩnh vực khác, đặc biệt

trong lĩnh vực Trắc địa – Bản đồ vẫn còn là vấn đề tương đối mới, hiện chưa có nhiều

nghiên cứu về lĩnh vực này Hiện nay, UAV có nhiều chủng loại, hình dạng và nguyên

lý hoạt động khác nhau, đều có ưu nhược điểm riêng phù hợp cho từng khu vực, từng

công việc cụ thể khác nhau, ứng dụng tốt trong công tác khảo sát địa hình, thành lập

bản đồ, nếu kết hợp thêm với phương pháp đo truyền thống sẽ đem lại hiệu quả và

mức độ tin cậy cao Việc sử dụng công nghệ này sẽ cho ta sản phẩm là mô hình số độ

cao, bình đồ ảnh một cách nhanh chóng và trực quan, phù hợp cho công tác khảo sát,

giám sát, giải phóng mặt bằng và bước lập đề xuất dự án

Từ năm 2013, Trung tâm Địa Tin Học thuộc Khu Công nghệ Phần mềm, Đại

học Quốc gia TP.HCM đã đầu tư sở hữu và ứng dụng thành công hệ thống UAV

Falcon 8 (Đức) trong một số hoạt động nghiên cứu và sản xuất, cụ thể như dự án giám

sát tiến độ thi công công trình tuyến Metro số 1: Bến Thành – Suối Tiên Cụ thể, trung

tâm đã ứng dụng hệ thống UAV Falcon 8 để bay chụp 2 khu vực: Depot và Trạm 2

theo quy trình thiết kế độ cao bay 100m, độ phủ tờ ảnh khoảng 80% và độ phân giải

ảnh 2.9cm nhằm phục vụ theo dõi tiến độ thi công xây dựng tuyến với chu kỳ 3 tháng

bay chụp lại tuyến 1 lần Trong đó, tác giả đã áp dụng thuật toán Helmert trong việc

xử lý nắn chỉnh ảnh, sản phẩm thu được là ảnh trực giao, mô hình DSM, mô hình 3D

toàn tuyến, kết quả đánh giá độ chính xác mặt bằng đạt 4.6cm và độ lệch trung bình

cao độ so với công nghệ LiDAR là 1.2cm Ngoài ra, trong dự án bay chụp cập nhật

bản đồ địa chính TPHCM, với 2 khu vực đã hoàn thành là 2 phường Bình Thọ và

Hiệp Bình Chánh (Thủ Đức) Kết quả độ chính xác mặt bằng đã được công bố như

sau: 4.8cm đối với phường Bình Thọ và 6.1cm đối với phường Hiệp Bình Chánh, kết

quả kiểm tra khi chồng lớp với bản đồ địa chính số là trùng khớp, sai số vị trí tương

ứng mỗi phường là 4.6cm và 6.2cm [12] [13] [14] [15]

2.2.3 Nhận xét chung

Từ những nghiên cứu trong và ngoài nước trên, chúng ta có thể nhận thấy rằng

kết quả hầu hết đạt mức sai số thành phần mặt bằng dưới 5cm, hoàn toàn có thể đáp

ứng yêu cầu khi thành lập bản đồ tỷ lệ 1:500 Mối quan tâm chủ yếu là cần đánh giá

về độ chính xác cao độ khi mà các số liệu nghiên cứu trong nước chưa được công bố

một cách rõ ràng, hoặc như Trung tâm Địa tin học chỉ so sánh với công nghệ LiDAR,

không phải là phương pháp tối ưu Những đánh giá trên cũng đã góp phần vào việc

hình thành ý tưởng đề tài về việc thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ 1:500 bằng công

nghệ UAV Học viên đặt ra hướng giải quyết là tập trung vào việc phân tích, đánh

giá thêm về yếu tố cao độ với phương pháp ứng dụng là bay chụp UAV để so sánh

với phương pháp đo đạc truyền thống từ máy toàn đạc điện tử - là phương pháp có

độ chính xác cao hơn, xem xét tính khả thi của công nghệ mới này trong công tác

thành lập bản đồ địa chính, địa hình tỷ lệ lớn trong tương lai

2.3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHƯƠNG PHÁP KHÔNG ẢNH VÀ THÀNH LẬP

BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH

Lý thuyết được trích dẫn một số nội dung của sách “Trắc địa ảnh” do

GS.TSKH Trương Anh Kiệt chủ biên, xuất bản năm 2006 Toàn bộ quy định của

công tác thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn đều dựa theo quy chuẩn quy phạm mới

nhất trong Thông tư 68/2015/TT-BTNMT, sau đây học viên sẽ tóm tắt lại một số nội

dung cần thiết phục vụ trong quá trình thực hiện luận văn

2.3.1 Cơ sở lý thuyết phương pháp không ảnh

2.3.1.1 Bản chất và nhiệm vụ

Bản chất của phương pháp đo ảnh là một phương pháp đo gián tiếp thông qua

hình ảnh hoặc các nguồn thông tin thu được của đối tượng đo Nhiệm vụ của phương

pháp đo ảnh là xác định trạng thái hình học của đối tượng đo, bao gồm vị trí, hình

dáng, kích thước và mối quan hệ tương hỗ của các đối tượng đo

Phương pháp đo ảnh có 2 quá trình cơ bản:

- Quá trình thu nhận hình ảnh hoặc các thông tin ban đầu của đối tượng đo

được thực hiện trong một thời điểm nhất định bằng các loại máy bay

- Quá trình dựng lại và đo đạc trên mô hình của đối tượng đo từ các ảnh chụp

2.3.1.2 Đặc điểm và phạm vi ứng dụng

Phương pháp không ảnh có các đặc điểm sau đây:

- Có khả năng đo đạc tất cả các đối tượng đo mà không nhất thiết phải tiếp

xúc, miễn là các đối tượng này có thể chụp ảnh được Vì vậy, đối tượng của phương

pháp này rất đa dạng, từ các miền thực địa rộng lớn của mặt đất đến các vi vật thể

- Nhanh chóng thu được các tư liệu đo đạc trong thời gian chụp ảnh, nên cho

phép giảm nhẹ công tác ngoài trời, tránh các ảnh hưởng của thời tiết đối với công tác

đo đạc

- Có thể đo trong cùng một lúc nhiều điểm đo khác nhau của các đối tượng đo