Nghiên cứu ứng dụng công nghệ tích hợp lidar và máy ảnh số trong thành lập cơ sở dữ liệu mô hình số độ cao và bình đồ trực ảnh tải việt nam

cáp xuân tú nghiên cứu ứng dụng CÔNG NGHệ TíCH HợP LIDAR Và MáY ảNH Số trong thành lập cơ sở dữ liệu mô hình số độ cao và bình đồ trực ảnh tại việt nam Chuyên ngành: Trắc địa ảnh và V

cáp xuân tú

nghiên cứu ứng dụng CÔNG NGHệ TíCH HợP LIDAR Và MáY ảNH Số trong thành lập cơ sở dữ liệu mô hình số độ cao

và bình đồ trực ảnh tại việt nam

luận án tiến sĩ kỹ thuật

Hà Nội - 2011

cáp xuân tú

nghiên cứu ứng dụng CÔNG NGHệ TíCH HợP LIDAR Và MáY ảNH Số trong thành lập cơ sở dữ liệu mô hình số độ cao

và bình đồ trực ảnh tại việt nam

Chuyên ngành: Trắc địa ảnh và Viễn thám

lêi cam ®oan

T«i xin cam ®oan ®©y lµ c«ng tr×nh nghiªn cøu cña riªng t«i C¸c sè liÖu, kÕt qu¶ nªu trong luËn ¸n lµ trung thùc vµ ch−a tõng ®−îc ai c«ng bè trong bÊt cø c«ng tr×nh nµo kh¸c

T¸c gi¶ luËn ¸n

C¸p Xu©n Tó

danh mục các chữ viết tắt CSDL: Cơ sở dữ liệu

DEM: Mô hình số độ cao

DSM: Mô hình số bề mặt

DTM: Mô hình số địa hình

EOPs (EO): Thông số định hướng ngoài

GIS: Hệ thống thông tin địa lý

SBET: Quỹ đạo đựơc làm trơn tối ưu

TIN: Lưới tam giác không đồng đều

Danh mục các bảng Bảng 2.1 Kết quả lọc theo ba tiêu chuẩn kết hợp với các trường hợp

Bảng 2.2 Các đặc tính kỹ thuật chủ yếu của GPS và INS

Bảng 2.3 Đặc tính kỹ thuật của các phương pháp tham chiếu địa lý

Danh mục các hình vẽ Hình 2.1 Mô hình hoạt động của hệ thống LiDAR

Hình 2.2 Quá trình phát xạ kích thích

Hình 2.3 Nguyên tắc đo khoảng cách bằng laser

Hình 2.4 Đo dài bằng sóng laser liên tục

Hình 2.5 Đo dài bằng xung laser

Hình 2.6 Đồ thị Gaussion của xung

Hình 2.7 Chùm tín hiệu phản hồi từ cây

Hình 2.8 Số hoá dạng sóng sự phản hồi của xung

Hình 2.9 Sơ đồ véc tơ hình học trong công nghệ LiDAR

Hình 2.10 Sơ đồ véc tơ hình học hệ thống tích hợp LiDAR với máy ảnh số Hình 2.11 Hệ toạ độ ECI, ECEF và b-frame

Hình 2.13 Đo khoảng cách giả Ri từ tác vệ tinh tới máy thu GPS

Hình 2.14 Mô hình đo góc nghiêng bằng máy đo gia tốc

Hình 2.15Các góc quay tương ứng với các trục X,Y,Z trong b-frame của IMU

gắn với thân vật mang (máy bay)

Hình 2.16 Sơ đồ cấu trúc tích hợp hệ thống GPS/INS

Hình 2.17 Sơ đồ xử lý tích hợp lọc Kalman (LKF, EKF) trong INS/GPS

Hình 2.18 Nguyên lý lọc điểm theo mô hình “độ chênh cao cực đại”

Hình 2.19 Mô phỏng nguyên lý nắn ảnh số trực tiếp và gián tiếp

Hình 2.20 Nắn ảnh gián tiếp (dùng mô hình số bề mặt DSM)

Hình 2.21 Kỹ thuật phát hiện vùng che khuất trong nắn trực ảnh

Hình 2.22 Phương pháp bộ đệm Z để tìm vùng bị che khuất (A) và khoảng

không gian tối ưu cho điểm nền giả (B)

Hình 2.23 Phương pháp phân loại DSM để tìm vùng che khuất

Hình 2.24 Phương pháp đánh dấu tia góc đáy và chiều cao đáy phát hiện vùng

bị che khuất

Hình 2.25 Nguyên tắc thu nhận dữ liệu với máy quét chổi 3 hàng (A) và sơ đồ

tạo trực ảnh thực theo phương pháp mới (B)

Hình 2.26 Vùng che khuất của ảnh chính được bù lấp từ ảnh phụ

Hình 2.27 Ba phương pháp tái chia mức xám: (a) người láng giềng gần nhất,

(b) nội suy hàm song tuyến, (c) nội suy hàm đa thức bậc ba

Hình 2.28 Vị trí hệ thống GPS, IMU, SBF (sensor) trên máy bay

Hình 2.29 Toạ độ điểm quét P và anten GPS trong mối quan hệ giữa các hệ toạ

độ SBF, IBF, ECEF (A,B)

Hình 2.30 Dịch chuyển vị trí do ảnh hưởng sai số độ cao của DSM

Hình 3.3 Giao diện ước tính và lựa chọn các thông số bay quét laser

Hình 3.4 Giao diện tính các thông số bay chụp ảnh

Hình 3.5 Giao diện tính tỷ lệ ảnh, số đường bay, tổng số ảnh chụp của dự án Hình 3.6 Giao diện phần mềm tính chuyển thông số và dữ liệu LiDAR

Hình 3.7 Giao diện phần mềm quản lý dữ liệu dự án (LiDAR)

Hình 3.8 Giao diện macro chia file dữ liệu DTM

Hình 3.9 Giao diện macro chuẩn hoá DTM

Hình 3.10 Giao diện macro tự động ghép và xuất file DTM

Hình 4.1 Lập thiết kế bay quét LiDAR bằng Tracker32

Hình 4.2 Lập thiết kế bay quét LiDAR bằng ALTM-NAV Planner

Hình 4.3 Bố trí - lắp đặt hệ thống ALTM 3100 trên máy bay

Hình 4.4 Chọn khu bay chụp đx thiết kế trên Tracker32

Hình 4.5 Giao diện chính điều khiển hệ thống trong quá trình bay chụp Hình 4.6 Kiểm tra sơ bộ ảnh đx chụp bằng phần mềm Capture

Hình 4.7 Quy trình chung xử lý dữ liệu LiDAR và ảnh số

Hình 4.8 Quy trình xử lý dữ liệu GPS/IMU bằng phần mềm PosPac V5 Hình 4.9 Đám mây điểm hiển thị trên phần mềm TopPIT

Hình 4.10 Tiếp biên, hiệu chỉnh mặt phẳng giữa các dải bay

Hình 4.11 Tiếp biên, hiệu chỉnh độ cao giữa các dải bay

Hình 4.12 ảnh intensity và ảnh emboss

Hình 4.13 Hiệu chỉnh tuyệt đối đám mây điểm với bxi hiệu chỉnh mặt phẳng

và độ cao

Hình 4.14 Tách các lớp dữ liệu theo thứ tự phản hồi của xung laser

Hình 4.15 Tách các lớp dữ liệu cheo chất liệu bề mặt

Hình 4.16 Mô hình DSM_RGBI thể hiện dưới dạng TIN

Hình 4.17 Lọc mô hình số bề mặt DSM_LE để tạo DTM

Hình 4.18 Quy trình chung nắn trực ảnh thực (true orthophoto)

Hình 4.19 Nắn trực ảnh thực (true orthophoto)

Hình 4.20 Sơ đồ lắp đặt hệ thống máy tính xử lý dữ liệu trong công nghệ tích

hợp LiDAR với máy ảnh số (Toposys - Harrier H56)

iv

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu của luận án 1

3 Đối tượng nghiên cứu 2

4 Nội dung và phương pháp nghiên cứu 2

5 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu 3

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

7 Những luận điểm bảo vệ của đề tài 7

8 Những điểm mới của luận án 7

9 Cơ sở tài liệu viết luận án 7

10 Khối lượng và kết cấu luận án 8

11 Lời cảm ơn 8

Chương 1- KHÁI QUÁT VỀ CƠ SỞ DỮ LIỆU MÔ HÌNH SỐ ĐỘ CAO VÀ BÌNH ĐỒ TRỰC ẢNH 9

1.1 Khái niệm về mô hình số độ cao và bình đồ trực ảnh 9

1.2 Cơ sở dữ liệu mô hình số độ cao và bình đồ trực ảnh 11

1.3 Phương pháp thành lập mô hình số độ cao và bình đồ trực ảnh 15

Chương 2- CÔNG NGHỆ TÍCH HỢP LIDAR VÀ MÁY ẢNH SỐ 20

2.1 Khái niệm về công nghệ tích hợp LiDAR với máy ảnh số 20

2.2 Cơ sở vật lý, toán học và bài toán xử lý dữ liệu LiDAR - ảnh số 26

2.3 Độ chính xác của mô hình số độ cao và bình đồ trực ảnh trong công nghệ tích hợp LiDAR với máy ảnh số 77

2.4 Khả năng ứng dụng của công nghệ tích hợp LiDAR với máy ảnh số trong lĩnh vực trắc địa bản đồ 86

Chương 3- XÂY DỰNG QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ VÀ CÁC MODULE PHẦN MỀM TRỢ GIÚP THÀNH LẬP MÔ HÌNH SỐ ĐỘ CAO, BÌNH ĐỒ TRỰC ẢNH BẰNG CÔNG NGHỆ TÍCH HỢP LIDAR VÀ MÁY ẢNH SỐ 90

v 3.1 Quy trình công nghệ thành lập mô hình số độ cao và bình đồ trực ảnh

bằng công nghệ tích hợp LiDAR - máy ảnh số 90

3.2 Xây dựng các Module phần mềm hỗ trợ khai thác hệ thống tích hợp LiDAR – máy ảnh số trong thành lập mô hình số độ cao và bình đồ trực ảnh tại Việt Nam 103

Chương 4- ỨNG DỤNG HỆ THỐNG TÍCH HỢP LIDAR VỚI MÁY ẢNH SỐ ĐỂ THÀNH LẬP DEM VÀ BÌNH ĐỒ TRỰC ẢNH TẠI VIỆT NAM 113

4.1 Kỹ thuật vận hành thiết bị và xử lý dữ liệu trong công nghệ tích hợp LiDAR và máy ảnh số 113

4.2 Thực nghiệm thành lập DEM và bình đồ trực ảnh bằng hệ thống tích hợp LiDAR - máy ảnh số 133

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 141

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 143

TÀI LIỆU THAM KHẢO 144 PHỤ LỤC 148 – 205

mở đầu

1 Tính cấp thiết của đề tài

Công nghệ LiDAR là một công nghệ tiên tiến hàng đầu trong hệ thống các công nghệ thu thập dữ liệu không gian trên thế giới Trong lĩnh vực quản

lý tài nguyên và môi trường, đặc biệt là trong lĩnh vực trắc địa và bản đồ, công nghệ LiDAR (Light Detection And Ranging) đ8 được nghiên cứu phát triển và

đang ứng dụng rất có hiệu quả Sự ra đời và ứng dụng công nghệ LiDAR đ8

mở ra một kỷ nguyên mới trong hoạt động của ngành trắc địa - bản đồ trên thế giới và là một hướng phát triển trọng tâm trong tương lai của ngành trắc địa bản đồ hiện đại Công nghệ LiDAR thực hiện chức năng đo đạc, hiển thị độ cao chi tiết nền địa hình và tạo ảnh nắn cường độ xám, một cách chích xác, nhanh và có mật độ điểm dày đặc nhất trong các công nghệ trắc địa - bản đồ hiện nay Khi hệ thống LiDAR tích hợp với máy ảnh số, ngoài tạo ra mô hình

số độ cao theo từng lớp còn tạo ra bình đồ trực ảnh, ảnh phối cảnh 3D và các sản phẩm phục vụ đa ngành khác

Công nghệ LiDAR tại Việt Nam cho đến nay chưa được quảng bá rộng r8i về mặt lý luận và chưa được quy chuẩn trong ứng dụng thực tiễn Nhu cầu cấp bách về xây dựng cơ sở dữ liệu nền thông tin địa lý, mô hình 3D độ chính xác cao, phục vụ cho quản lý tài nguyên môi trường, quy hoạch đô thị, phát triển kinh tế, dự báo thiên tai, nghiên cứu tác động biến đổi khí hậu và các mục đích chuyên ngành khác là nhiệm vụ rất khó khăn hiện nay Do vậy, công tác nghiên cứu, tìm hiểu sâu rộng về công nghệ và ứng dụng công nghệ LiDAR trong lĩnh vực trắc địa bản đồ là rất cấp thiết, có tính thời sự cao, đang rất cần được các đơn vị, các cá nhân quan tâm nghiên cứu, thử nghiệm và áp dụng vào thực tế sản xuất nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của nền kinh

tế x8 hội trong thời kỳ công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước

2 Mục đích nghiên cứu của luận án

Mục đích của luận án là góp phần thúc đẩy phát triển ứng dụng công nghệ mới, hoà nhập trình độ công nghệ của Việt Nam với thế giới, quảng bá rộng r8i kiến thức về công nghệ LiDAR; bổ sung tài liệu tham khảo cho các

cơ quan chức năng trong ngành Tài nguyên và Môi trường ban hành các quy trình, quy phạm khi ứng dụng công nghệ LiDAR tại Việt Nam; tiếp cận và áp dụng công nghệ tích hợp LiDAR và máy ảnh số vào sản xuất thực tế trong

điều kiện Việt Nam; tạo tiền đề cho việc nghiên cứu, ứng dụng các sản phẩm của công nghệ LiDAR cho các ngành kinh tế, kỹ thuật khác

3 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận án là: Cơ sở toán học, vật lý học của công nghệ tích hợp LiDAR và máy ảnh số; cấu thành cơ bản phần cứng, phần mềm

và tính năng kỹ thuật của các hệ thống LiDAR trên thế giới; các giải pháp kỹ thuật để ứng dụng công nghệ tích hợp LiDAR và máy ảnh số trong thành lập cơ sở dữ liệu mô hình số độ cao, bình đồ trực ảnh phục vụ xây dựng CSDL thông tin địa lý tại Việt Nam

4 Nội dung và phương pháp nghiên cứu

a Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu về cơ sở dữ liệu mô hình số độ cao và bình đồ trực ảnh

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết, nguyên lý vận hành và khả năng ứng dụng của công nghệ tích hợp LiDAR và máy ảnh số

- Nghiên cứu ứng dụng công nghệ tích hợp LiDAR và máy ảnh số trong thành lập cơ sở dữ liệu mô hình số độ cao và bình đồ trực ảnh tại Việt Nam Nghiên cứu tính năng, hướng dẫn kỹ thuật của các hệ thống LiDAR trên thế giới; xây dựng quy trình công nghệ, quy định kĩ thuật, phương pháp vận hành thiết bị, xử lý dữ liệu và các modul phần mềm hỗ trợ khai thác hệ thống phù hợp điều kiện Việt Nam; thực nghiệm, đánh giá độ chính xác và hiệu quả kinh tế kỹ thuật của công nghệ tích hợp LiDAR và máy ảnh số trong thành lập CSDL mô hình số độ cao và bình đồ trực ảnh tại Việt Nam

5 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Trong những năm 1970, một số h8ng như National Aeronautics và Space Administration (NASA), National Oceanic và Atmospheric Administration (NOAA), OSGS và Defense Mapping Agency (DMA) đ8 bắt đầu phát triển các bộ cảm ứng LiDAR để đo các thuộc tính địa hình và hải dương Nhưng phải đến những năm 1990, với sự phát triển của kỹ thuật GPS gắn trên thiết bị bay, các hệ thống IMU và máy tính có khả năng xử lý và lưu trữ cao, thì hệ thống LiDAR mới được phát triển và thương mại hóa Đồng hành với sự phát triển của công nghệ thông tin, hệ thống LiDAR ngày càng được nâng cấp, hiện đại hoá và có độ chính xác cao hơn Số lượng h8ng cung cấp LiDAR trên thế giới tăng từ 3 trong năm 1995 lên 14 vào năm 2008 Các h8ng có thị phần cao và nổi tiếng thế giới là Optech, Leica và Toposys H8ng Toposys GmbH của Cộng hoà liên bang Đức với sản phẩm FALCON, HARRIER56; h8ng Optech của Mỹ-Canada có hệ thống ALTM3100, GEMINI, ORION; tập đoàn

đa quốc gia Leica Geosystems GIS & Mapping, LLC với sản phẩm mang tên ALS50, ALS60 Các máy ảnh số cỡ trung bình tích hợp với hệ thống LiDAR

là DSS - Applanix, AIC - Rollei, DiMAC - Optech hay DigiCAM - IGI

Từ năm 1995 đến nay, đ8 có rất nhiều các công trình nghiên cứu, thử nghiệm trên thế giới nhằm quảng bá, giới thiệu và đánh giá khả năng của công nghệ LiDAR cũng như công nghệ tích hợp LiDAR và máy ảnh số Các tổ chức nước ngoài như Airborne1 Corporation (Tập đoàn Airborne1), ISPRS (Nghiệp đoàn quốc tế đo đạc ảnh và viễn thám), FIG (Liên đoàn đo đạc quốc tế), các h8ng sản xuất, các công ty đ8 tổ chức nhiều cuộc hội thảo, viết bài tham luận, các báo cáo khoa học về công nghệ LiDAR và các ứng dụng hệ thống LiDAR trong lĩnh vực trắc địa bản đồ Hầu hết các báo cáo, các kết quả nghiên cứu đều đánh giá công nghệ LiDAR có ưu thế đặc biệt, độ chính xác cao, mức độ chi tiết, hiệu suất kinh tế lớn và có khả năng ứng dụng đa ngành,

đa lĩnh vực Tuy nhiên, nhiều hội thảo và bài viết có nội dung sâu xa là quảng cáo thương mại hệ thống LiDAR Cấu tạo chi tiết thiết bị, các thuật toán, giải pháp xử lý dữ liệu đều là các bí mật của các h8ng chế tạo và công bố hạn chế

Các công trình nghiên cứu đ8 công bố về nguyên lý hoạt động, cơ sở toán

lý, thuật toán cơ bản, thu nhận, xử lý dữ liệu và ứng dụng hệ thống LiDAR của các giáo sư nổi tiếng trên thế giới như Bharat L [9], Bang K.I., A.F Habib [8], Claus B [11], Joshy M.J [17], Robert B [27], Taylor & Francis Group [35] ; các nghiên cứu về tạo mô hình số độ cao, trực ảnh thực trong công nghệ tích hợp LiDAR và máy ảnh số là Ayman F Habib [7]; Braun Josef [10], Gunay A [14], Liu X [19], Mohamed E [21], và Morten O.N [22],

Nhiều nghiên cứu đ8 tập trung phân tích, đánh giá về năng lực, ưu điểm cũng như hạn chế của hệ thống LiDAR Hệ thống LiDAR có khả năng thu nhận nhanh chóng và chính xác số liệu độ cao mà không cần lưới khống chế lớn Chỉ cần một trạm đo GPS mặt đất cho 1 khu đo khoảng 30x30 km Tùy theo chiều cao, tốc độ bay, góc quét, tần số phát xung và tần số quét, d8n cách

điểm đọc có thể từ 30 điểm/1m2 cho đến 1 điểm trên 12m (144m2) LiDAR rất lý tưởng cho các dự án lập bản đồ địa hình, mô hình 3D khu đô thị, khảo sát theo tuyến và có thể cung cấp thông tin chính xác cho việc xác định đường

bờ Bay chụp thu thập dữ liệu bằng LiDAR có tính khả thi vào ban ngày, bầu trời nhiều mây phía trên máy bay hoặc ban đêm Một số h8ng LiDAR còn phát triển khả năng phân loại, chiết xuất dữ liệu theo chất liệu và lọc điểm để loại bỏ bề mặt thực phủ, địa vật nhằm xác định bề mặt thực của mặt đất Hạn chế của hệ thống LiDAR là chỉ có thể thu nhận dữ liệu khi mây phủ nằm cao hơn máy bay LiDAR chỉ có thể thu nhận số liệu trong điều kiện thời tiết khá tốt và không thể thu nhận số liệu trong điều kiện mưa, sương mù, khói, b8o tuyết Tại các khu vực có thực phủ dày dặc, xung laser trong phần lớn các trường hợp không thể xuyên qua tán lá xuống đến mặt đất, trừ trường hợp có nhiều khoảng nhỏ trong lớp lá và số lượng điểm xung laser dày đặc Cần thiết phải có số liệu hình ảnh (ảnh số hoặc ảnh vệ tinh) để phân loại thuộc tính địa vật hoặc kiểm soát quá trình lọc lớp thực phủ và địa vật khi cần phải xử lý bề mặt thực của mặt đất Do nhu cầu ảnh nền kết hợp dữ liệu LiDAR nên các h8ng cung cấp thiết bị đều thiết kế tích hợp hệ thống LiDAR và máy ảnh số Trên thế giới hiện nay, việc ứng dụng công nghệ LiDAR trong thành lập

DEM và bình đồ ảnh đang là phương pháp có hiệu quả và là hướng đi tất yếu trong thời đại khoa học kỹ thuật phát triển Hà Lan là nước đầu tiên trên thế giới đ8 thành lập mô hình số độ cao với độ chính xác 0.2m bằng công nghệ LiDAR, bao trùm toàn l8nh thổ (41.000km2) để quản lý hệ thống kênh rạch,

đập nước, phòng chống ngập lụt, nâng cao năng lực thích ứng biến đổi khí hậu Tại Thuỵ sỹ, công ty SwissTopo đ8 thực hiện bay quét LiDAR thành lập DEM với diện tích 31.000 km2 Khu vực Bavaria của Cộng hoà liên bang Đức với 70.000 km2 đ8 được bay quét LiDAR và chụp ảnh để thành lập DEM và bình đồ trực ảnh Các nước khác như Hoa kỳ, Canada, Pháp, úc, ấn độ, Hàn quốc, Malaysia đ8 ứng dụng công nghệ LiDAR để thành lập mô hình số độ cao, bình đồ trực ảnh trong nhiều dự án khác nhau

Tại Việt Nam, các nhà khoa học kỹ thuật, các cơ quan quản lý, trường học trong ngành trắc địa bản đồ rất quan tâm đến công nghệ LiDAR Trong những năm gần đây, một số nghiên cứu của TSKH Lương Chính Kế, Th.S Tăng Quốc Cương, Th.S Nguyễn Tuấn Anh, PGS.TS Trần Đình Trí viết về công nghệ LiDAR hoặc tích hợp công nghệ LiDAR và máy ảnh số hay các tổ hợp thiết bị liên quan đến công nghệ LiDAR được công bố trên các tạp chí trong nước như “Tạp chí Tài nguyên và Môi trường” (Bộ Tài nguyên và Môi trường), “Viễn thám và Địa tin học” (Trung tâm Viễn thám Quốc gia), “Tuyển tập các công trình khoa học” (Trường Đại học Mỏ - Địa chất) Các nội dung nghiên cứu đ8 tập trung về các vấn đề chính như:

- Nguyên lý hoạt động của hệ thống LiDAR;

- Các sản phẩm và hiệu quả ứng dụng của công nghệ LiDAR;

- Độ chính xác mô hình số độ cao của công nghệ LiDAR

Các nghiên cứu ở phạm vi tổng quan trên đ8 mở đầu cho quá trình ứng dụng công nghệ LiDAR ở nước ta và tạo tiền đề cho tác giả nghiên cứu sâu rộng về công nghệ tích hợp LiDAR và máy ảnh số

Công nghệ LiDAR lần đầu tiên được Công ty Đo đạc ảnh Địa hình, Trung tâm Viễn thám thuê công ty AAMHATCH của úc bay thử nghiệm năm

2006 tại Đồng Nai (750km2, độ chính xác DEM 0,4m) và thành phố Cần Thơ

(1800km2, độ chính xác DEM 0,2m) Năm 2007 Trung tâm Viễn Thám quốc gia thuê công ty GeoCosmos (Liên bang Nga) bay quét khu vực thành phố Vĩnh Long, Trà Vinh (2400 km2, độ chính xác DEM 0.2 ữ 0.4m) Các báo cáo bay thử nghiệm đều khẳng định các ưu điểm vượt trội của công nghệ LiDAR

là có khả năng bay quét cả ban đêm, mật độ điểm đo lớn, thi công nhanh; độ chính xác, chất lượng sản phẩm cũng như hiệu suất được đánh giá rất cao Tuy nhiên, hệ thống LiDAR bao gồm phần cứng và phần mềm rất đồ sộ,

để làm chủ và áp dụng công nghệ tích hợp LiDAR và máy ảnh số vào thực tiễn sản xuất được tốt, thì ngoài nghiên cứu toàn diện về cơ sở lý thuyết, phải xây dựng được quy trình công nghệ, các quy định kỹ thuật, phần mềm trợ giúp, vận hành thiết bị, xử lý dữ liệu phù hợp yêu cầu kỹ thuật, khung quản

lý và tổ chức thi công của Việt Nam Đây là những nội dung chính được tác giả tập trung thực hiện trong luận án này

Từ tháng 10/2007 đến nay (2/2011), Công ty Đo đạc ảnh Địa hình (cũ) nay là Tổng Công ty Tài nguyên và Môi trường Việt Nam đ8 áp dụng các thành quả nghiên cứu của tác giả trong quá trình sản xuất Tổng Công ty đ8 tự

tổ chức tiến hành bay quét, thành lập mô hình số độ cao và bình đồ trực ảnh bằng công nghệ tích hợp LiDAR và máy ảnh số ở 23 thành phố, thị x8 trong nước với hơn 4000 km2, độ chính xác DEM 0.2 ữ 0.3m, độ chính xác bình đồ trực ảnh nhỏ hơn 0.4m trong các dự án “thành lập CSDL nền thông tin địa lý các khu vực đô thị, khu công nghiệp, khu kinh tế trọng điểm, tỷ lệ 1/2000” của Chính phủ Các sản phẩm của công nghệ tích hợp LiDAR và máy ảnh số

đ8 được cơ quan Nhà nước kiểm tra và đánh giá có độ chính xác cao, mức độ mô tả chi tiết rất tốt, đảm bảo các yêu cầu quy phạm hiện hành

6 ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Góp phần bổ sung, hoàn thiện một số vấn đề về phương pháp luận trong ứng dụng công nghệ tích hợp LiDAR và máy ảnh số để thành lập mô hình số

độ cao và bình đồ trực ảnh

- Đánh giá được khả năng ứng dụng và góp phần đưa công nghệ tích hợp LiDAR và máy ảnh số vào thực tiễn sản xuất tại Việt Nam

7 Những luận điểm bảo vệ của đề tài

7.1 Công nghệ LiDAR hoạt động trên nền tảng của khoa học kỹ thuật phát triển, nó khẳng định sự vượt trội so với các công nghệ truyền thống và góp phần tăng cường, hiện đại hoá ngành trắc địa bản đồ

7.2 Tích hợp hệ thống LiDAR và máy ảnh số sẽ tận dụng tối đa ưu thế của công nghệ LiDAR Sản phẩm của công nghệ tích hợp LiDAR và máy ảnh

số là đa mô tả đối tượng và có độ chính xác cao, đáp ứng yêu cầu cho thành lập CSDL nền thông tin địa lý tỷ lệ lớn

7.3 Quy trình sản xuất, quy định kỹ thuật, vận hành thiết bị, xử lý dữ liệu của hệ thống tích hợp LiDAR và máy ảnh số phải được xây dựng phù hợp yêu cầu quy phạm là vấn đề cốt lõi khi áp dụng công nghệ mới tại Việt Nam 7.4 Thực nghiệm công nghệ, xây dựng các phần mềm hỗ trợ khai thác hệ thống sẽ kiểm định và nâng cao hiệu quả áp dụng công nghệ tích hợp LiDAR

và máy ảnh số trong thành lập CSDL thông tin địa lý ở nước ta

8 Những điểm mới của luận án

- Lần đầu tiên, các tài liệu khoa học về cơ sở lý thuyết, lý luận của công nghệ tích hợp LiDAR và máy ảnh số được nghiên cứu và tổng hợp khá toàn diện ở Việt Nam

- Xây dựng, hoàn thiện quy trình công nghệ, kỹ thuật vận hành thiết bị và

xử lý dữ liệu trong thành lập mô hình số độ cao và bình đồ trực ảnh phù hợp

điều kiện Việt Nam

- Xây dựng hệ thống các modul phần mềm quản lý kỹ thuật và công cụ tiện ích trong khai thác hệ thống tích hợp LiDAR và máy ảnh số

- Lần đầu tiên ở Việt Nam áp dụng công nghệ tích hợp LiDAR và máy

ảnh số thành lập mô hình số độ cao và bình đồ trực ảnh phục vụ thành lập CSDL nền thông tin địa lý tỷ lệ lớn (1/2000) trong các dự án của Chính phủ

9 Cơ sở tài liệu viết luận án

- Các tài liệu trong và ngoài nước trong lĩnh vực trắc địa, trắc địa ảnh

- Các bài viết, công trình nghiên cứu, các báo cáo, luận văn về công nghệ LiDAR, máy ảnh số trên các tạp chí khoa học chuyên ngành trắc địa và bản

đồ trong và ngoài nước

- Một số kết quả thực nghiệm tại xí nghiệp Bay chụp và Đo vẽ ảnh - Tổng Công ty Tài nguyên và Môi trường Việt Nam Kết quả đo kiểm tra, đánh giá chất lượng sản phẩm của Đơn vị sản xuất và Trung tâm kiểm định đo đạc bản đồ - Cục Đo đạc bản đồ Việt Nam

- Các công trình nghiên cứu nhiều năm của tác giả

10 Khối lượng và kết cấu của luận án

Luận án gồm147 trang, in vi tính khổ A4, 65 hình vẽ, 3 bảng biểu và 42 tài liệu tham khảo Phụ lục kèm theo luận án: Phụ lục 1 - 1 trang; Phụ lục 2 -

38 trang; Phụ lục 3 - 19 trang

Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận án có 4 chương:

Chương 1: Khái quát về cơ sở dữ liệu mô hình số độ cao và bình đồ trực ảnh Chương 2: Công nghệ tích hợp LiDAR và máy ảnh số

Chương 3: Xây dựng quy trình công nghệ và các module phần mềm trợ giúp

thành lập mô hình số độ cao, bình đồ trực ảnh bằng công nghệ tích hợp LiDAR và máy ảnh số

Chương 4: ứng dụng hệ thống tích hợp LiDAR với máy ảnh số để thành lập

DEM và bình đồ trực ảnh tại Việt Nam

11 Lời cảm ơn

Luận án được hoàn thành tại Bộ môn Đo ảnh và Viễn Thám - khoa Trắc

địa, trường đại học Mỏ - Địa chất thuộc Bộ Giáo dục và Đào tạo, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Nguyễn Trường Xuân, TS Trần Đình Luật Trong quá trình thực hiện luận án, tác giả luôn nhận được sự giúp đỡ của các thầy, cô giáo trong Bộ môn Đo ảnh và Viễn Thám, Phòng Đào tạo sau đại học, Khoa Trắc địa, L8nh đạo trường đại học Mỏ - Địa chất, Tổng Công ty Tài nguyên và Môi trường Việt Nam, Trung tâm Viễn thám Quốc gia, Cục Đo đạc

và bản đồ Việt Nam, Viện Khoa học Đo đạc và Bản đồ

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đến tất cả các nhà khoa học, các thầy cô giáo, các cơ quan, các bạn đồng nghiệp và những người thân đ8 tận tình giúp đỡ tác giả hoàn thành luận án

Chương 1 khái quát về cơ sở dữ liệu mô hình số độ cao

và bình đồ trực ảnh 1.1 Khái niệm về mô hình số độ cao và bình đồ trực ảnh

1.1.1 Khái niệm về mô hình số độ cao

Khi mô tả bề mặt trái đất, trong các tài liệu hiện nay, thường gặp 3 thuật ngữ, đó là mô hình số địa hình (Digital Terrain Model - DTM), mô hình số độ cao (Digital Elevation Model - DEM) và mô hình số bề mặt (Digital Surface Model - DSM) Trên thế giới có nhiều nghiên cứu đề cập đến các khái niệm và

định nghĩa liên quan đến DTM, DEM, DSM Các khái niệm và định nghĩa này trong thực tế, đôi khi là khác nhau hoặc trái ngược nhau Trong luận án này sẽ thống nhất dùng khái niệm về DTM, DEM, DSM theo định nghĩa phổ biến nhất hiện nay

Mô hình số địa hình (DTM) là một biểu diễn số của các thông tin bề mặt

địa hình trái đất Trên quan điểm toán học, mô hình số địa hình được định nghĩa là một mô hình số có tính định lượng và định tính các loại thông tin phân bố trên bề mặt mặt đất trong một tập hợp hữu hạn m chiều của miền D {Vi, i=1,2, n} trong đó: phần định lượng của các thành phần trong Vi=(Vi1, Vi2, Vim) là yếu tố không gian địa hình Xi, Yi, Zi [2]

Mô hình số độ cao (DEM) là biểu thị một tập hợp hữu hạn 3 chiều {Vi=(Xi, Yi, Zi),i =1,2, n} của bề mặt địa hình D, trong đó (Xi, Yi) là toạ độ mặt phẳng và Zi là độ cao tương ứng của điểm Như vậy, nếu chỉ chú ý đến thành phần độ cao trong DTM thì sẽ có mô hình số độ cao DEM

Khi DEM thể hiện toàn bộ mô hình độ cao bề mặt đầu tiên từ trên cao nhìn xuống của trái đất thì được gọi là mô hình số bề mặt (DSM) Như vậy DSM là mô hình độ cao bề mặt trái đất với đầy đủ các lớp phủ bề mặt của nó như thảm thực vật, nhà cửa, đường xá, địa hình mặt đất, các công trình kiến trúc trên mặt đất Mô hình số bề mặt (DSM) bao gồm các giá trị độ cao của mặt đất cũng như độ cao của địa vật trên mặt đất

Mô hình số độ cao (DEM) là một tên chung để biểu thị định lượng địa

hình, địa vật của quả đất ở dạng số và thường được biểu thị ở hệ toạ độ 3 chiều (mặt phẳng và độ cao) Trong ứng dụng thực tế, ngoài thể hiện mô hình số bề mặt (DSM), DEM thường dùng thể hiện mô hình số độ cao cho một loại bề mặt nào đó, ví dụ DEM cho bề mặt của thảm thực vật, DEM cho mặt nước hay DEM cho bề mặt địa hình mặt đất Trong thực tế, khi DEM là mô hình số cho bề mặt địa hình trần trụi của mặt đất, người ta hay gọi đó là mô hình số

địa hình (DTM) Dữ liệu DEM thông thường được lưu giữ ở dạng phổ biến nhất là lưới điểm (Grid) Trong lưới Grid, các điểm được trải đều theo chiều ngang – dọc tạo thành lưới ô vuông, các mắt lưới ô vuông (XY) chứa độ cao các điểm (Z) của DEM Kích thước của lưới ô vuông xác định độ phân giải và mức độ tổng hợp hoá của DEM Độ phân giải của DEM hay khoảng cách giữa các điểm trong lưới ô vuông (kích thước của ô vuông) là thông số xác định mức độ chi tiết của DEM Độ phân giải càng nhỏ, mức độ mô tả chi tiết địa hình của DEM càng lớn

Trong công nghệ LiDAR việc xây dựng được mô hình số bề mặt (DSM) rất chi tiết cho phép thực hiện phép nắn thẳng đứng đối với từng phần tử ảnh của địa vật một cách chính xác Các pixel bị chồng xếp (khi nắn các địa vật có

độ chênh cao) sẽ được ưu tiên lựa chọn theo tầng độ cao lớn nhất Đối với các pixel bị hở do bóng của địa vật che khuất trong khi chụp ảnh bởi phép chiếu xuyên tâm sẽ được bù đắp bởi các pixel của tờ ảnh lân cận, khi các tờ ảnh lân cận cũng bị hở thì các pixel này sẽ được nội suy mầu theo các pixel khác Do

khả năng hoàn thiện tốt trong quá trình xử lý nắn ảnh, nên trực ảnh trong công nghệ LiDAR được gọi là trực ảnh thực (true orthophoto)

1.2 Cơ sở dữ liệu mô hình số độ cao và bình đồ trực ảnh

1.2.1 Cơ sở dữ liệu (CSDL)

Cơ sở dữ liệu (database) là một hệ thống các thông tin có cấu trúc được lưu trữ trên các thiết bị tin học dưới dạng các tập tin (file) trong hệ điều hành hay trong hệ quản trị cơ sở dữ liệu Hệ quản trị CSDL là những phần mềm, phần cứng để tổ chức, xây dựng, quản lý, lưu trữ và khai thác CSDL

Cấu trúc của thông tin chính là cách tổ chức dữ liệu và phụ thuộc vào mô hình của CSDL Hiện nay, mô hình của CSDL được phân ra 4 loại chính như:

- Cơ sở dữ liệu dạng file: Dữ liệu được lưu trữ đơn giản dưới dạng các tập tin có thể là text, ascii, raster, *.dbf…

- Cơ sở dữ liệu quan hệ: Dữ liệu được lưu trữ trong các bảng dữ liệu gọi

là các thực thể, giữa các thực thể này có mối liên hệ với nhau gọi là các quan

hệ, mỗi quan hệ có các thuộc tính Các hệ quản trị hỗ trợ CSDL quan hệ như

MS SQL Server, Oracle, MySQL…

- Cơ sở dữ liệu hướng đối tượng: Dữ liệu được lưu trữ trong các bảng dữ liệu nhưng các bảng có bổ sung thêm các tính năng hướng đối tượng như lưu trữ các hành vi, các mô tả, ghi chú của đối tượng Mỗi bảng xem như một lớp dữ liệu, một dòng dữ liệu trong bảng là một đối tượng Các hệ quản trị hỗ trợ CSDL hướng đối tượng như MS SQL Server, Oracle, Postgres…

- Cơ sở dữ liệu bán cấu trúc: Dữ liệu được lưu trữ dưới dạng XML (ngôn ngữ đánh dấu mở rộng), với định dạng này thông tin mô tả về đối tượng thể hiện trong các từ khóa (tag) Đây là CSDL có nhiều ưu điểm do lưu trữ được hầu hết các loại dữ liệu khác nhau nên CSDL bán cấu trúc là hướng mới trong nghiên cứu và ứng dụng

Cơ sở dữ liệu hệ thống thông tin địa lý là một CSDL thông thường, sự khác biệt chỉ là những đặc thù riêng về quản lý đối tượng địa lý, các thuộc tính

và về độ chính xác của đối tượng Các đối tượng địa lý được cấu tạo bởi các yếu tố thành phần là toạ độ các điểm, dty toạ độ các điểm nối giữa hai điểm

(đường) và dty các đường nối liên tiếp trong một nhóm điểm (miền) Các đối tượng địa lý có quan hệ hình học chặt chẽ với nhau và được thể hiện trong CSDL Từng loại đối tượng địa lý được quản lý riêng trong từng lớp thông tin CSDL hệ thống thông tin địa lý bao gồm CSDL không gian và CSDL thuộc tính Thành phần của CSDL không gian gồm: Dữ liệu dạng raster (dữ liệu ảnh, bản đồ ở dạng ảnh, mô hình số độ cao), dữ liệu véc tơ các đối tượng

địa lý (điểm, đường, miền), dữ liệu mạng lưới (tim đường giao thông, thủy hệ, lưới điện, địa giới), dữ liệu địa hình, dữ liệu dạng địa chỉ, các bảng dữ liệu

được liên kết với thành phần đồ họa và các dữ liệu thuộc tính CSDL thuộc tính là các thông tin giải thích, mô tả, ghi chú các hiện tượng địa lý gắn liền với các đối tượng điạ lý CSDL không gian, CSDL thuộc tính có mối quan hệ hữu cơ và có thể được tổ chức, quản lý chung trong một CSDL của hệ thống thông tin địa lý hoặc riêng biệt tuỳ thuộc thiết kế của hệ quản trị cơ sở dữ liệu Dữ liệu mô hình số độ cao và bình đồ trực ảnh là một trong những trường dữ liệu cơ bản trong cơ sở dữ liệu địa lý (geodatabase)

1.2.2 Cơ sở dữ liệu mô hình số độ cao

Cơ sở dữ liệu mô hình số độ cao là các tập tin (tệp) có cấu trúc phụ thuộc quy cách xây dựng, quản lý của phần mềm và hệ điều hành Cấu trúc của một tập tin định nghĩa cách thức mà tập tin đó được lưu trữ, được thực thi và hiển thị Thông thường, đầu tệp là số liệu thông tin cơ sở như hệ toạ độ quy chiếu, khoảng cách lưới ô vuông, tên mảnh bản đồ và các thông tin liên quan đến phương pháp thu thập, xử lý số liệu; thời gian, độ chính xác của DEM Sau phần đầu tệp là số liệu độ cao được định dạng theo quy cách kiến trúc của các ứng dụng sử dụng tập tin đó

Các phần mềm hệ thống thông tin địa lý (như MGE, ARCGIS, MapINFO, Geomedia…) tạo dựng, quản lý mô hình số độ cao trong cơ sở dữ liệu theo các dạng TIN hoặc Grid TIN (Triangulaed Irregular Networks) là mạng lưới tam giác không đồng đều Đây là mô hình dạng vector, có cấu trúc TOPO mạng đa giác, lấy điểm làm đơn vị, các điểm đều có toạ độ (XYZ), mỗi

điểm sẽ được nối với các điểm liền kề để tạo ra tam giác theo thuật toán

Delaunay Các tam giác được tạo ra theo nguyên tắc không chồng đè, không

có tam giác đảo (tam giác nằm trong tam giác khác), càng có dạng đều càng tốt và thoả mtn điều kiện đường tròn ngoại tiếp của bất kỳ tam giác nào không chứa bất kỳ đỉnh của một tam giác khác Mô hình số độ cao dạng TIN khá phức tạp khi xử lý, dung lượng file lớn, nhưng khả năng mô tả dữ liệu, nhất là dạng địa hình biến đổi phức tạp tốt hơn Mô hình số độ cao ở dạng Grid là một lưới ô vuông điểm (hay ma trận điểm) độ cao Các lưới ô vuông có thể ở dạng Cell hoặc Pixel, ở đó độ cao được gán cho từng Cell hoặc Pixel Quản lý và lưu trữ DEM trong cơ sở dữ liệu ở dạng Grid thì có cấu trúc đơn giản, dễ xử

lý, dung lượng file nhỏ, khả năng mô tả bề mặt địa hình chi tiết không bằng dạng TIN Tuy nhiên trong các phần mềm hiện tại, có thể chuyển đổi giữa dạng dữ liệu TIN và Grid

Mô hình số độ cao (DEM) được quản lý và biểu thị dưới dạng TIN là một tệp dữ liệu có cấu trúc lưới tam giác không đồng đều Lưới tam giác được xây dựng phổ biến hiện nay là lưới tam giác theo đa thức Nguyên tắc xây dựng lưới như sau: Khi có n điểm độ cao Pi (xi, yi), (i= 1,2,…j…, n) trong vùng D tham gia xây dựng lưới tam giác, dùng một nhóm đoạn thẳng chia vùng D thành n đa giác liền kề nhau, thoả mtn điều kiện mỗi đa giác chỉ chứa một

điểm và một điểm P’ (x’,y’) bất kỳ trong D nếu nằm trên hoặc trong đa giác

có chứa điểm Pi thì thoả mtn điều kiện (đa giác Thicssen) [2]:

2 2

)'()'

)'()'(xưx j + yưy j (1.1)

Đoạn thẳng nối các điểm Pi trong các đa giác liền kề sẽ hình thành lưới tam giác TIN (lưới tam giác Delaunay)

Khi xây dựng mô hình số độ cao TIN từ nguồn dữ liệu có chứa các đường mô tả địa hình (breaklines, drains, ridgelines ) thì các cạnh tam giác sẽ được xây dựng kèm thêm một điều kiện là các cạnh tam giác không được cắt qua các đường mô tả Một điểm bất kỳ khi cần xác định độ cao, sẽ được nội suy tuyến tính theo 3 điểm là đỉnh của tam giác TIN chứa điểm đó

Dữ liệu mô hình số độ cao (DEM) được quản lý theo dạng Grid là một tập hợp độ cao Zi của các điểm địa hình được bố trí với một khoảng cách đều

đặn theo hai hướng toạ độ X,Y Trong mô hình số địa hình này, toạ độ mặt phẳng của một điểm mắt lưới bất kỳ Pij được xác định theo số thứ tự (i,j) của ô lưới trên hai hướng [2]:

1.2.3 Cơ sở dữ liệu bình đồ trực ảnh

Cơ sở dữ liệu bình đồ trực ảnh (orthophoto) là một dạng file được quản

lý, lưu trữ theo cấu trúc dữ liệu ảnh số thông thường, đó là tập hợp phần tử ảnh (pixel) được xắp xếp theo dạng ma trận (hàng và cột), nhưng các pixel này

được gán và quản lý theo một hệ toạ độ nhất định Bình đồ trực ảnh là các thông tin nguồn, thông tin hỗ trợ, là file tham chiếu mà không phải quản lý và mô tả thuộc tính như các đối tượng địa lý trong CSDL thông tin địa lý

Các pixel của bình đồ trực ảnh được quản lý bằng hàm số ảnh với các biến toạ độ pixel ảnh (X,Y) và giá trị độ xám của nó (D) như sau [2]:

Dg) Y, (X, g

Dr) Y, (X,

được chứa trong các thiết bị lưu trữ dữ liệu kỹ thuật số: CD, DVD, thẻ nhớ, ổ cứng, băng từ, đĩa quang

Kích thước của tập tin của mô hình số độ cao nhiều trường hợp là rất lớn, nhưng tập tin có thể được nén lại Nén dữ liệu là quá trình làm giảm lượng thông tin “dư thừa” trong dữ liệu để tiết kiệm bộ nhớ Kích thước tập tin có thể

đạt tỷ lệ nén 30:1 phụ thuộc vào cấu trúc tập tin Hiện nay có một số phương pháp thường dùng để nén dữ liệu của DEM là: Nén theo dạng số nguyên, theo phương pháp ánh xạ phân sai và nén theo mt số… [2]

1.3 Phương pháp thành lập mô hình số độ cao và bình đồ trực ảnh 1.3.1 Các phương pháp thành lập mô hình số độ cao

Công việc chủ yếu nhất trong thành lập mô hình số độ cao là đo điểm độ cao theo mật độ hay đo các đường mô tả đặc trưng địa hình mặt đất Phân biệt phương pháp thành lập mô hình số độ cao chính là ở phương pháp thu thập dữ liệu độ cao này Đây là dữ liệu gốc để thành lập cơ sở dữ liệu mô hình số độ cao Độ chính xác của mô hình số độ cao phụ thuộc vào mật độ điểm độ cao,

độ chính xác đo điểm độ cao, độ phức tạp của địa hình và mô hình toán học biểu thị mô hình số độ cao Đánh giá các phương pháp thành lập mô hình số

độ cao chính là khả năng đạt độ chính xác của mô hình số độ cao cũng như hiệu quả kinh tế của phương pháp

Trong thực tế hiện nay có nhiều phương pháp thành lập mô hình số độ cao và có thể chia thành hai nhóm phương pháp:

Nhóm 1: Bao gồm các phương pháp đo vẽ nội nghiệp để thành lập DEM Thành lập DEM từ đo vẽ trên máy toàn năng, trên trạm đo vẽ ảnh số với ảnh hàng không, ảnh mặt đất, ảnh viễn thám; thành lập DEM từ dữ liệu bản đồ địa hình đt có hay kết hợp giữa các phương pháp ở trên…

Nhóm 2: Bao gồm các phương pháp đo đạc ngoại nghiệp để thành lập DEM Thành lập DEM bằng đo toàn đạc điện tử hoặc thuỷ chuẩn, đo GPS

động, bay quét LiDAR…

Các phương pháp ở nhóm 1 thực hiện đo điểm độ cao hay các đường mô tả địa hình trên các máy đo vẽ lập thể hoặc lấy dữ liệu độ cao trên bản đồ địa hình đt có Đây là phương pháp phổ biến hiện nay đang áp dụng tại Việt Nam

và trên thế giới Các phương pháp này có ưu điểm là dễ triển khai đại trà, giá

thành thấp, thường được áp dụng tại các vùng rộng lớn, nhưng hạn chế là độ chính xác đạt được chỉ ở mức trung bình và thấp

Các phương pháp trong nhóm 2 thì các điểm độ cao hay các đường mô tả

địa hình được đo trực tiếp ở thực địa, các phương pháp này có độ chính xác cao, độ tin tưởng lớn, nhưng giá thành rất cao Các phương pháp ở nhóm 2 thường chỉ áp dụng cho vùng diện tích nhỏ, độ chính xác đòi hỏi cao Trong nhóm 2, phương pháp bay quét LiDAR là một phương pháp hiện đại, đầu tư thiết bị công nghệ rất lớn, nhưng hiệu suất công tác cao, mật độ điểm đo dầy

đặc, độ chính xác điểm đo rất cao, là phương pháp lý tưởng trong thành lập mô hình số độ cao

Điểm độ cao hay các đường mô tả địa hình được thành lập bằng các phương pháp trên là dữ liệu gốc, thường được sắp xếp không có quy luật và

được dùng để tạo ra DEM theo lưới quy chuẩn bằng phương pháp nội suy Trong thực tế hiện nay, có rất nhiều phương pháp nội suy tạo DEM như: nội suy DEM theo phương pháp mặt cong di động; nội suy theo phương pháp hàm

đa diện; nội suy theo nguyên lý số bình phương nhỏ nhất…

Các phương pháp nội suy thường là lập hàm biểu thị dựa vào tính trơn liên tục của địa hình hay nói cách khác là mối tương quan giữa các điểm độ cao gốc lân cận Từ các hàm toán học này nội suy các điểm theo lưới quy chuẩn trong DEM từ số liệu của các điểm đo gốc Trong phạm vi lớn, bề mặt

địa hình rất phức tạp, biến thiên không theo quy luật, do vậy không thể dùng phương pháp nội suy bằng hàm đa thức toán học thông thường Nếu biểu thị

địa hình bằng hàm đa thức bậc thấp thì độ chính xác không cao, nếu biểu thị

đa thức bậc cao sẽ có thể xảy ra tính bất ổn định của phép nội suy Trong thực

tế, thường không dùng hàm tổng thể để nội suy DEM, mà dùng hàm tổng thể

để tích hợp biểu thị toàn bộ khu vực và dùng hàm cục bộ để nội suy Phân chia khu vực thành nhiều khối nhỏ và mỗi khối nhỏ được biểu thị bằng những hàm khác nhau, đồng thời có chú ý tới tính liên tục giữa các khối nhỏ kề nhau Khi

địa hình phức tạp, có nhiều đứt gty đột biến, bề mặt địa hình không liên tục thì trong mỗi khối nhỏ lại được tiếp tục chia thành khối nhỏ hơn để biểu thị và

nội suy DEM Công tác nội suy DEM, được thực hiện bằng hai cách, hoặc là lập hàm theo khối để tính điểm cần nội suy hoặc ngược lại là từ điểm cần nội suy làm trung tâm sẽ tiến hành lập hàm theo các điểm gốc xung quanh, sau đó dùng hàm này để nội suy độ cao cho điểm cần tìm của DEM

Hiện nay, các nhà khoa học trên thế giới đt đưa ra một số hàm toán học cơ bản để biểu thị bề mặt địa hình trong các bài toán ứng dụng DEM như hàm phi tuyến, hàm tuyến tính, hàm song tuyến, hàm đa phương… Tuy nhiên hàm toán học để biểu thị độ cao bề mặt địa hình luôn phải thoả mtn điều kiện là sai số trung phương của các điểm trên bề mặt toán học phải nhỏ nhất [3]

1

) , , ( ) , , (

o

z y x z

y

Trong đó:

ϕ(x,y,z)i Các điểm đo trên hàm toán học

ϕo(x,y,z)i Các điểm đo tương ứng trên bề mặt địa hình

Công thức (1.4) thể hiện mật độ điểm gốc, độ chính xác đo điểm gốc càng cao thì sai lệch giữa bề mặt toán học và bề mặt địa hình sẽ càng nhỏ và

do vậy độ chính xác của DEM sẽ càng lớn Đây là lợi thế nhất của phương pháp bay quét LiDAR để thành lập DEM

Trong nắn ảnh quang cơ, công việc chủ yếu là đưa tấm ảnh nằm nghiêng

về vị trí nằm ngang và chỉ được áp dụng khi mặt địa hình bằng phẳng Nếu có chênh cao địa hình thì thường dùng phương pháp nắn ảnh phân vùng hay nắn

ảnh vi phân (nắn qua khe) Phương pháp nắn ảnh qua khe được thực hiện theo nguyên tắc hiệu chỉnh độ cao chiếu cho từng điểm địa hình riêng biệt Nhưng

thực chất, khe nắn phải lớn hơn giá trị của một điểm và bằng một diện tích nhỏ nào đó, còn độ chênh cao được lấy giá trị để nắn là một giá trị trung bình của vùng địa hình nhỏ đó Nắn ảnh số hay còn gọi là nắn trực ảnh thực chất là một dạng đặc biệt của phép nắn vi phân Trong nắn ảnh số kích thước của pixel là kích thước của khe và ảnh gốc để nắn là ảnh số Khi nắn sẽ nắn cho từng pixel một theo phép chiếu thẳng đứng và mỗi pixel có kích thước rất nhỏ,

Trong đó: fx , fy , Fx , Fy – Các hàm chuyển đổi

Các hàm X,Y là toạ độ của điểm ảnh (pixel) trên ảnh nắn được xác định

từ toạ độ x,y của điểm ảnh trên ảnh gốc, đây là bài toán giải thuận hay được gọi là phép giải trực tiếp Trong nắn ảnh trực tiếp, quá trình nắn ảnh được bắt

đầu từ ảnh gốc Từng pixel trên ảnh gốc được xác định toạ độ của nó trên ảnh nắn theo hàm (1.5) và gán giá trị độ xám theo nội suy theo hàm song tuyến Các hàm x,y là toạ độ của điểm ảnh (pixel) trên ảnh gốc được xác định từ toạ độ X,Y của điểm ảnh trên ảnh nắn, đây là bài toán giải ngược hay được gọi là phép giải gián tiếp Trong nắn ảnh số gián tiếp, quá trình nắn ảnh được bắt đầu từ pixel ảnh nắn, các pixel ảnh nắn đt được sắp xếp theo toạ độ cho trước theo hàng và cột Các pixel trên ảnh nắn được xác định toạ độ của nó trên ảnh gốc theo hàm (1.6), từ đó tiến hành nội suy độ xám và gán giá trị độ xám cho pixel ảnh nắn Các hàm khái quát (1.5), (1.6) về bản chất là bài toán nắn ảnh giải tích theo biểu thức (2.93), (2.94) mục 2.2.4.3

Độ xám của pixel trên ảnh nắn thường được nội suy theo phương pháp tái chia mức xám Hiện nay có một số phương pháp tái chia mức xám được áp dụng như phương pháp nội suy song tuyến, nội suy soắn bậc 3, điểm gần nhất… Trong đó phương pháp nội suy song tuyến hay được sử dụng nhất Độ

xám điểm nắn P được nội suy theo hàm song tuyến như (1.7) [2]:

i

j i W j i I P

I

1 1

),()

,()

Trong đó: I(i, j) là ma trận độ xám của điểm lân cận điểm ảnh nắn P trên

ảnh gốc, W (i, j) là ma trận trọng số theo khoảng cách điểm lân cận điểm P Trong công nghệ tích hợp LiDAR với máy ảnh số, nguyên lý nắn ảnh cũng giống như nắn ảnh số gián tiếp Trực ảnh trong công nghệ LiDAR thuộc dạng trực ảnh thực (true orthophoto), bởi vì mô hình số bề mặt DSM được tạo

từ đám mây điểm khi quét LiDAR là một mô hình khá chuẩn xác, có độ chi tiết và tính chân thực cao Các pixel ở những nơi bị hở do phép nắn thẳng đứng của địa vật có chênh cao sẽ được lấy ở những tờ ảnh lân cận Nắn trực ảnh trong công nghệ LiDAR đt khắc phục được hầu hết các nhược điểm mà các công nghệ đo vẽ ảnh khác chưa thực hiện hoàn chỉnh được

Kết luận:

1 Cơ sở dữ liệu mô hình số độ cao và bình đồ trực ảnh giữ vai trò chủ

đạo trong CSDL hệ thống thông tin địa lý Dữ liệu mô hình số độ cao và bình

điều tra thuộc tính để thành lập bản đồ địa hình, CSDL nền thông tin địa lý; xây dựng mô hình 3D, ảnh nền cho các ứng dụng chuyên ngành

3 Mô hình số độ cao và bình đồ trực ảnh được thành lập và quản lý bằng nhiều phương pháp và công nghệ khác nhau Trong số các công nghệ đang

được áp dụng, công nghệ tích hợp LiDAR và máy ảnh số là công nghệ mới, hiện đại và đa dụng Sự ra đời và ứng dụng công nghệ tích hợp LiDAR và máy

ảnh số phù hợp xu hướng và quy luật phát triển ngành trắc địa bản đồ trong thời đại khoa học công nghệ và kinh tế tri thức

Chương 2 công nghệ tích hợp LiDAR và máy ảnh số

2.1 Khái niệm về công nghệ tích hợp LiDAR và máy ảnh số

2.1.1 Khái niệm về công nghệ LiDAR

Công nghệ LiDAR là một công nghệ tiên tiến hàng đầu trong hệ thống các công nghệ thu thập dữ liệu không gian trên thế giới Công nghệ LiDAR (Light Detection And Ranging) là sự phát triển và ứng dụng các thiết bị laser,

định vị vệ tinh và đo quán tính để thu thập dữ liệu địa lý trên bề mặt trái đất

Tổ hợp các thiết bị này trong mối quan hệ hữu cơ, tác động chi phối lẫn nhau, tạo nên hệ thống LiDAR

Hình 2.1 Mô hình hoạt động của hệ thống LiDAR

Hệ thống LiDAR là một hệ thống tích hợp từ 3 thành phần chính: Hệ thống thiết bị Laser (Light amplification by stimulated emission of radiation),

hệ thống GPS (Global Positioning System) và hệ thống INS (Inertial Navigation System) Hệ thống thiết bị Laser được thiết kế phát các chùm tia laser, thu nhận tia laser phản xạ và thu nhận dữ liệu cường độ tín hiệu laser phản xạ từ các đối tượng khác nhau trên mặt đất Hệ thống định vị toàn cầu GPS có nhiệm vụ xác định chính xác vị trí (X,Y,Z) của thiết bị quét laser đặt trên máy bay Hệ thống điều khiển hàng hướng quán tính INS sẽ đo gia tốc theo các hướng XYZ, đo các góc nghiêng của máy bay để xác định các góc

định hướng của tia quét Các hệ thống trên được kết nối qua bộ điều khiển

trung tâm (CPU) và được điều khiển một cách đồng bộ, chính xác bởi một máy tính đ\ cài phần mềm tương thích

Nguyên lý hoạt động của hệ thống LiDAR là nguyên lý của phép đo dài

ánh sáng, định vị không gian và nguyên lý phát hiện tín hiệu

Bản chất của công nghệ LiDAR là kỹ thuật đo dài laser, định vị không gian GPS/INS và sự nhận biết cường độ phản xạ ánh sáng Xung của laser

được phát hướng xuống mặt đất trên một độ cao nào đó Sóng laser được phản hồi từ mặt đất hay từ các bề mặt đối tượng như là cây, đường hoặc nhà , với mỗi xung sẽ đo được thời gian đi và trở lại của tín hiệu và từ đó tính được khoảng cách từ nguồn phát laser tới đối tượng Trong thời điểm phát và nhận tia laser thì góc quét, dữ liệu định hướng, cường độ tín hiệu laser phản xạ và các dữ liệu bổ trợ khác của tia quét được xác định và ghi lại nhờ hệ thống INS

Hệ thống định vị GPS sẽ xác định toạ độ tâm antena của GPS trên máy bay Sau đó, phần mềm xử lý sẽ kết hợp các dữ liệu thu được (GPS, INS và Laser) với các thông tin về điều kiện khí quyển, hiệu chỉnh sai lệch phần cứng và các thông số thích ứng khác để tạo ra hàng loạt điểm có tọa độ (X,Y,Z) Tập hợp các điểm này tạo nên một đám mây điểm với một mật độ dầy đặc biểu thị chi tiết bề mặt địa hình trái đất (DEM) Với mỗi điểm có tọa độ sẽ được gắn các thuộc tính thể hiện cường độ tín hiệu trở lại của tia laser Từ dữ liệu này, phần mềm sẽ phân tích, xử lý, tạo ra trực ảnh cường độ xám, ảnh nổi phục vụ xử lý dữ liệu LiDAR và các ứng dụng trắc địa bản đồ

Từng tia laser riêng biệt không chỉ đi và về từ bề mặt trái đất một cách trọn vẹn và duy nhất mà có thể được phản xạ thành một hay nhiều mức truyền

Hệ thống LiDAR có thể ghi nhận tới trên 4 mức truyền các tín hiệu phản xạ của từng tia laser Mỗi mức phản xạ thường là của một tầng đối tượng mà tia laser đi qua Mỗi mức phản xạ lại có một cường độ tín hiệu phản xạ khác nhau Từ những thông tin của các mức phản xạ và cường độ tín hiệu tia laser phản xạ mà phần mềm sẽ xử lý và tạo ra được hình ảnh tương ứng với các tầng

đối tượng trên mặt đất Đây là một tính năng đặc biệt của công nghệ LiDAR Công nghệ LiDAR là một công nghệ mới đ\ được nghiên cứu, phát triển

và đang ứng dụng rất có hiệu quả trong lĩnh vực trắc địa bản đồ, quản lý tài nguyên và môi trường trên thế giới Công nghệ LiDAR thực hiện quét laser từ máy bay để xác định chi tiết và chính xác các đối tượng địa lý trên bề mặt trái

đất Sản phẩm chính của công nghệ LiDAR là mô hình số bề mặt (DSM), mô hình số độ cao (DEM/DTM), ảnh cường độ xám

2.1.2 Khái niệm về máy ảnh số

Sự phát triển của kỹ thuật số đ\ cho phép các nhà sản xuất chế tạo các thế

hệ máy ảnh số thay thế các máy ảnh quang học thông thường Nguyên lý chụp

ảnh của máy ảnh số về bản chất là không thay đổi, nhưng về phương thức đ\

có sự thay đổi, nhất là đối với máy ảnh số chuyên dụng Máy ảnh số chụp ảnh thông qua hệ thống quang học theo phép chiếu xuyên tâm, mặt nhận ảnh là bề mặt chứa các tế bào cảm nhận ánh sáng và thưòng gọi là CCD (Charge Coupled Devices) Sự khác biệt cơ bản giữa máy ảnh số và máy ảnh thông thường là thay vì lưu giữ hình ảnh trên phim, máy ảnh số lưu trữ trên CCD Theo các khái niệm truyền thống, một ảnh chụp qua hệ thống kính quang học và vật liệu cảm quang được gọi là ảnh tương tự ảnh tương tự là tập hợp những tín hiệu liên tục về không gian và về giá trị xám của các điểm ảnh Máy

ảnh số không lưu giữ hình ảnh theo những tín hiệu liên tục như ảnh tương tự

mà phải lưu bằng những tín hiệu rời rạc theo kích thước nhất định ảnh số là một tập hợp các điểm ảnh rời rạc với vị trí (x,y) và giá trị xám tương ứng (D) với từng điểm ảnh được mô tả bằng hàm số ảnh f(x,y,D) Trong ảnh số, điểm

ảnh rời rạc (phần tử) của ảnh được gọi là pixel Như vậy, một ảnh số là một tập các pixel, mỗi pixel có một giá trị số đại diện cho lượng bức xạ phổ trung bình mà máy cảm biến nhận được từ các phần tương ứng ở thực địa [2]

Giá trị xám hay còn gọi là mức xám là sự m\ hóa tương ứng cường độ bức xạ phổ của mỗi điểm ảnh bởi một giá trị số Khi máy ảnh số hoặc máy quét ảnh hoạt động, các hạt lượng tử ánh sáng (photon) đập vào các pixel của thiết bị tích điện kép CCD và tạo ra một sự tích điện trong mỗi pixel đó Các

điện tích gây ra bởi các lượng tử ánh sáng được truyền tới bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số Bộ chuyển đổi đo các điện tích đó và chuyển

chúng sang tín hiệu số tương ứng tùy theo độ lớn khác nhau của các điện tích Dưới dạng tín hiệu số, mỗi pixel được gán cho một giá trị số, các giá trị số này thể hiện các mức độ xám tương ứng ảnh số thường có định dạng là một ma trận giá trị độ xám với n cột và m hàng, các phần tử là các pixel ảnh được xác

định bằng một số nguyên dương nằm giữa (1ữ n) cột và (1ữm) hàng

2.1.3 Công nghệ tích hợp LiDAR và máy ảnh số

Dữ liệu của LiDAR thu nhận được là tập hợp các điểm với mật độ dày

đặc, phân bố bán ngẫu nhiên và chứa đựng nhiều thông tin định tính và định lượng của các đối tượng địa lý Tuy nhiên, các thông tin hình ảnh đặc trưng của địa hình, địa vật hay các đường viền của các đối tượng địa lý không thể hiện được rõ ràng và sắc nét trong dữ liệu LiDAR Để ứng dụng công nghệ LiDAR có hiệu quả hơn, hệ thống LiDAR được gắn kết với các máy ảnh số để cung cấp hình ảnh mầu, trực quan của các đối tượng địa lý Dữ liệu ảnh chụp kết hợp với các dữ liệu của LiDAR tạo nên các sản phẩm như trực ảnh thực (trueorthophoto), mô hình nổi (3D) của bề mặt trái đất với mức độ chi tiết, sắc nét và độ chính xác rất cao Các sản phẩm từ hệ thống tích hợp LiDAR và máy

ảnh số là dữ liệu lý tưởng cho công tác thành lập cơ sở dữ liệu thông tin địa lý

độ chính xác cao, phục vụ GIS cũng như thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn và các mục đích ứng dụng chuyên ngành khác

Hiện nay các h\ng chế tạo LiDAR hàng đầu trên thế giới đều nghiên cứu, phát triển kết hợp hệ thống LiDAR với máy chụp ảnh số, tạo nên một công nghệ tích hợp LiDAR với máy ảnh số Công nghệ tích hợp LiDAR với máy

ảnh số sẽ kế thừa, phát huy tối đa dữ liệu của công nghệ LiDAR và ảnh số để tạo ra sản phẩm đa dạng đặc biệt Công nghệ LiDAR tạo ra mô hình số bề mặt DSM có độ trung thực, chính xác cao là nền tảng để tạo ra trực ảnh chất lượng tốt Tích hợp hệ thống LiDAR với máy ảnh số là một tổ hợp thống nhất và

được thể hiện ở cả tích hợp phần cứng, phần mềm xử lý và quy trình sản xuất Máy ảnh số được lắp ghép với hệ thống LiDAR tạo nên một chỉnh thể tích hợp, được định vị và điều khiển đồng bộ trong một hệ thống Hệ thống phần cứng của LiDAR với máy ảnh số được gắn kết trong mối quan hệ hình

học và thể hiện bằng một ma trận kiểm định chặt chẽ (tham khảo sơ đồ minh hoạ cơ học tích hợp hệ thống LiDAR và máy ảnh số - Phụ lục 1)

Trong quá trình quét laser, máy chụp ảnh số sẽ chụp ảnh ở các thời điểm

đ\ được thiết kế Căn cứ vào thời điểm chụp ảnh, trên cơ sở kết quả định vị của GPS, định hướng của INS trong hệ thống LiDAR, phần mềm sẽ tính toán yếu tố định hướng ngoài cho từng tấm ảnh (Xi, Yi, Zi, ϕi, ωi, κi)

Từ ảnh gốc, mô hình số bề mặt DSM của LiDAR và yếu tố định hướng ngoài của ảnh, phần mềm sẽ nắn ảnh tạo bình đồ trực ảnh (trueorthophoto), mô hình nổi 3D và các sản phẩm ảnh khác Mỗi phần mềm thường được thiết

kế tương ứng với phần cứng và có phương thức, quy trình xử lý khác nhau

Điểm chung của các phần mềm tích hợp là kế thừa và tương thích toàn bộ định dạng của dữ liệu LiDAR (đầu vào và trung gian) trong xử lý dữ liệu ảnh 2.1.4 Những đặc điểm cơ bản của công nghệ tích hợp LiDAR với máy

ảnh số

Công nghệ LiDAR có nhiều những tính năng vượt trội so với các công nghệ đo đạc truyền thống Công nghệ tích hợp LiDAR với máy ảnh số là sự hoàn thiện các công nghệ đo đạc hiện tại và có những đặc điểm cơ bản như:

• Hệ thống tích hợp LiDAR và máy ảnh số bao gồm tổ hợp các thiết bị

kỹ thuật tiên tiến nhất hiện nay trong lĩnh vực định vị không gian, đó là thiết

bị định vị vệ tinh GPS, đo xa laser, điều khiển hàng hướng INS, máy ảnh số chuyên dùng Hoạt động của hệ thống và sản phẩm tạo ra gắn liền công nghệ tin học, các dữ liệu được quản lý và lưu trữ đều ở dạng số Công tác khai thác, ứng dụng các sản phẩm của LiDAR rất thuận lợi cho mục đích thành lập bản

đồ số, hiện chỉnh bản đồ, thành lập cơ sở dữ liệu thông tin địa lý (GIS), quản

lý đô thị, dựng mô hình 3D, dự báo ngập lụt, quản lý rừng, khai thác mỏ…

• Độ chính xác xác định vị trí không gian của các đối tượng địa lý rất cao Độ chính xác độ cao ≤ 20cm, độ chính xác mặt phẳng ≤ 25cm

• Thời gian thu thập và xử lý dữ liệu cực nhanh Thời gian bay quét LiDAR và chụp ảnh với 1000km2 là khoảng 25-30 giờ, thời gian xử lý tạo DEM và bình đồ trực ảnh với 1000km2 là khoảng 10 ngày

• Không giống như các phương pháp đo ảnh hay đo đạc ngoài trời khác, công nghệ LiDAR chủ yếu là tự động hoá, ít có sự can thiệp trực tiếp của con người Thành quả dữ liệu rất khách quan, mức độ tin cậy cao

• Hệ thống LiDAR thu thập dữ liệu và chụp ảnh hồng ngoại không phụ thuộc vào ánh sáng mặt trời, có thể thực hiện cả ngày và đêm Khi tích hợp quét LiDAR với chụp ảnh màu (RGB) thì phải thực hiện ban ngày, nhưng điều kiện thời tiết không đòi hỏi khắt khe như chụp ảnh đen trắng

• Xung ánh sáng của hệ thống LiDAR có thể đi qua đối tượng vòm như tán cây, mặt nước, mái che kính, tấm ni lông mỏng… và phản xạ tới 4 lần Mỗi lần phản xạ là một mức truyền khác nhau và ghi nhận một giá trị toạ độ (XYZ) khác nhau Đây là một tính năng đặc biệt mà các công nghệ đo vẽ ảnh khác không thể thực hiện được Với tính năng này việc thực hiện bay quét ở vùng rừng cây, hoặc nơi có thực phủ không quá dày đặc vẫn có thể thi công và thể hiện được bề mặt đất (DTM)

• Độ phân giải điểm đo chi tiết cao, khi đầu phát laser đặt 150.000 xung trên một giây, độ cao bay 1000m, thì mật độ khoảng 3 điểm trên mét vuông Hiện nay nhiều hệ thống LiDAR có đầu phát laser đạt 240.000 xung trong một giây Công nghệ LiDAR với khả năng đo điểm trực tiếp ngoại nghiệp mật

độ rất cao, độ chính xác lớn, tốc độ nhanh là ưu điểm vượt trội mà hiện nay không có một công nghệ nào khác so sánh được

• Điểm khống chế mặt đất là rất ít (có thể là chỉ 1 điểm cho mục đích cải chính DGPS) Công nghệ LiDAR đặc biệt ích lợi và là công cụ lý tưởng khi nó

được áp dụng cho các vùng xa xăm, hẻo lánh khi mà con người rất khó tiếp cận trong triển khai đo đạc ngoại nghiệp

• Công nghệ LiDAR ghi nhận được giá trị mức phản xạ ánh sáng của các

đối tượng trên mặt đất, dữ liệu này có thể được dùng để tạo ra ảnh cường độ xám, phân loại đối tượng, chiết xuất đối tượng trên mặt đất Đây là một đặc tính có tính giá trị gia tăng của dữ liệu LiDAR

• Một số hệ thống LiDAR ngoài chức năng đo quét trên mặt đất, còn có thể thực hiện chức năng đo sâu (hiện nay đo sâu tới 40m)

• Tổ chức thi công đơn giản, gọn nhẹ hơn các phương pháp khác, số người cần tham gia rất ít (khoảng 10-15 người)

• Hiệu quả kinh tế sẽ rất cao khi ứng dụng công nghệ LiDAR cho mục

đích thu thập dữ liệu không gian với yêu cầu thời gian ngắn, độ chính xác cao

và mật độ dày đặc

2.2 Cơ sở vật lý, toán học và bài toán xử lý dữ liệu LiDAR - ảnh số 2.2.1 Cơ sở vật lý của công nghệ LiDAR

2.2.1.1 Tia laser

Hệ thống LiDAR ứng dụng nguyên lý đo dài bằng ánh sáng laser Laser

là sự khếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích ánh sáng laser phát ra dựa trên nguyên lý bức xạ điện từ và có nhiều tính chất đặc biệt so với ánh sáng thường Một chất thích hợp khi nhận được kích thích đặc biệt từ bên ngoài sẽ tạo ra ánh sáng laser Các electron tồn tại ở mức năng lượng riêng biệt trong một nguyên tử Các mức năng lượng có thể hiểu là tương ứng với các quỹ đạo riêng biệt của electron xung quang hạt nhân Electron ở bên ngoài có mức năng lượng cao hơn những electron ở phía trong Khi có sự tác động vật lý hay hoá học từ bên ngoài, các hạt electron này có thể nhảy từ mức năng lượng thấp lên mức năng lượng cao hơn, sau đó lại nhanh chóng chuyển về mức năng lượng thấp hơn và giải phóng một photon ánh sáng Photon này bay ra, chuyển

động trong lòng khối vật chất, lại va chạm với những nguyên tử khác, kích thích electron của nguyên tử này lên trạng thái cao hơn, sau khi nhảy xuống trạng thái thấp lại tiếp tục phát ra một photon khác Cứ như vậy tạo ra một phản ứng dây chuyền, càng lúc càng giải phóng ra nhiều photon Tại đầu của khối vật chất này, gắn một gương bán mạ, dòng photon gặp gương này sẽ đi ra ngoài tạo thành tia laser Các photon của tia laser, do có cùng tần số, cùng pha, lại chuyển động song song và tập trung trong một diện tích rất nhỏ nên tia laser có năng lượng rất lớn Đặc điểm quan trọng của tia laser là các photon của nó được sinh ra từ phản ứng dây chuyền, nên năng lượng của các photon giống nhau tuyệt đối, dẫn đến bước sóng tia laser là đồng nhất tuyệt đối [9]

Từ một photon có năng lượng hv (h là hằng số Planck, v là tần số phóng

xạ) kích thích electron lên trạng thái cao E2, khi xuống trạng thái thấp E1 (hv = E2-E1) sẽ giải phóng thêm một photon

Hình 2.2 Quá trình phát xạ kích thích Một thiết bị phát laser sẽ bao gồm 3 thành phần chính: buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser (vùng bị kích thích), nguồn nuôi (năng lượng bơm vào vùng bị kích thích) và hệ thống dẫn quang Hoạt chất laser là khối vật chất thích hợp, dùng làm môi trường để tạo tia laser và có thể là chất rắn, lỏng hay khí ánh sáng laser có cường độ mạnh là laser được tạo thành từ chất rắn Cơ chế hoạt động của máy phát laser là khi nguồn nuôi bơm năng lượng vào buồng cộng hưởng, tác động lên hoạt chất laser, các photon được tạo ra đầu tiên chuyển động trong hoạt chất này và kích thích tạo ra cac photon khác, trong buồng cộng hưởng có các mặt phản xạ sẽ phản xạ toàn phần các photon khi bay tới, các photon bị phản xạ lại va chạm liên tục vào hoạt chất laser nhiều lần, tạo ra mật độ photon rất lớn, do vậy cường độ chùm laser được khếch đại lên nhiều lần Một dòng photon ra thoát ra ngoài được nhờ có gương bán mạ tại một đầu của buồng cộng hưởng, tia sáng đi ra đó chính là tia laser Tia laser có một số tính chất rất đặc biệt Tia laser có độ định hướng rất cao, tia laser phát ra gần như một chùm song song, có độ phân kỳ rất nhỏ, có khả năng chiếu sáng hàng chục km mà không bị phân tán Tia laser có tính

đơn sắc cao, chùm sáng chỉ có một màu (hay một bước sóng) duy nhất, do vậy không bị tán xạ khi đi qua mặt phân cách của hai môi trường có chiết suất khác nhau, đó là tính chất đặc biệt mà không nguồn ánh sáng nào có Khả năng phát xung của laser là cực ngắn, có thể là mili giây (ms), nano giây, pico giây, cho phép tập trung năng lượng tia laser cực lớn trong thời gian cực ngắn Laser có thể được cấu tạo để hoạt động ở trạng thái bức xạ sóng liên tục (continuous wave) hay bức xạ xung (pulsed operation) Trong chế độ phát liên tục, công suất của một laser tương đối không đổi so với thời gian Sự đảo

nghịch mật độ electron cần thiết cho hoạt động của laser được duy trì liên tục bởi nguồn bơm năng lượng đều đặn Trong chế độ phát xung, công suất của laser thay đổi so với thời gian và đặc trưng là các giai đoạn “đóng” và “ngắt” cho phép tập trung năng lượng cao nhất có thể trong một thời gian rất ngắn 2.2.1.2 Đo dài bằng laser trong công nghệ LiDAR

Nguyên lý đo khoảng cách trong công nghệ LiDAR là phép đo dài laser Tia laser (có thể là sóng liên tục hoặc xung) được phát ra từ đầu buồng cộng hưởng đến đối tượng đo và được phản chiếu trở lại Thời gian đi và về của laser sẽ được xác định (TL) Từ thời gian TL và vận tốc c của laser (c = 299.792.458 m/s) sẽ xác định được khoảng cách R theo biểu thức (2.1) [9]

R = 2

L

T

Hình 2.3 Nguyên tắc đo khoảng cách bằng laser

1 Khi đo laser bằng sóng liên tục (continuous wave: CW), khoảng cách

được xác định theo phép đo pha, thời gian TL sẽ được xác định theo (2.2) [9]

Chu kỳ T là thời gian ngắn nhất mà một cấu trúc sóng lặp lại tại một

điểm, T có liên hệ với bước sóng λ và vận tốc sóng c, tần số f theo (2.3)

λ = cT =

f

c

Tần số f của sóng là số đỉnh sóng đi qua một điểm trong một đơn vị

Thời gian đi và về của laser = TL

Đầu thu laser

Đầu phát laser Vật phản xạ laser

thời gian, là nghịch đảo của chu kỳ sóng (2.4)

Hình 2.4 Đo dài bằng sóng laser liên tục

đề hạn chế khi sử dụng sóng liên tục CW vì laser trong hệ thống LiDAR luôn cần cường độ mạnh với bước sóng phù hợp

2 Khi đo bằng xung laser, thời gian TL được xác định là thời gian truyền xung giữa đầu phát laser và nơi nhận xung phản xạ và khoảng cách R được xác định theo biểu thức (2.1)

Từ (2.1) tính được độ phân giải đo khoảng cách (2.8) và Rmax (2.9) [9] ∆R =

Đầu thu laser

Đầu phát laser Vật phản xạ laser

§Çu ph¸t laser Xung laser ph¸t ®i VËt ph¶n x¹ laser

Xung laser nhËn

vÒ

Xung laser ph¶n x¹

§Çu thu laser

Thêi gian ph¸t ®i vµ trë vÒ cña xung laser = TL

Trong hệ thống LiDAR, xung laser thường được tạo bằng bơm diot, xung laser điển hình có thể được biểu thị ở dạng đồ thị Gaussion với sự mô tả khếch

đại theo hai hướng dọc và ngang, trise là thời gian đưa một xung từ độ khếch

đại 10% lên 90%, tp là thời gian đưa xung từ độ khuếch đại 50% (mép đầu) lên 100% và xuống 50% (mép cuối) của xung

Hình 2.6 Đồ thị Gaussion của xung Như vậy, động lượng Ppeak của một xung trong khoảng rộng tp sẽ có năng lượng là: E = Ppeak tp Nếu F là tổng số xung được tạo ra trong một giây (pulse firing rate – PFR) thì tổng năng lượng Pav (hay được gọi là công suất phát laser của hệ thống LiDAR) được truyền đi trong một giây sẽ được tính theo (2.12) [9]

Pav = EF = Ppeak tp F hay F = Pav /Ppeak tp (2.12)

Biểu thức (2.12) phản ánh đặc tính kỹ thuật rất quan trọng của các hệ thống LiDAR PFR có liên quan nghịch đảo với Ppeak, tức là khi tăng số lượng xung (F) thì Ppeak sẽ giảm, đồng nghĩa với việc khi tăng F thì khả năng đo xa (range) sẽ bị giảm Các hệ thống LiDAR muốn tăng khả năng đo xa thì cần dùng nguồn năng lượng có Ppeak cao hơn Trong một hệ thống LiDAR, muốn tăng khả năng đo xa thì phải chọn mức F nhỏ hơn

4 Đa tín hiệu phản hồi trong công nghệ LiDAR

Xung laser được phát từ thiết bị bay đến mặt đất thường có đường kính khoảng 10-20cm Khi gặp đối tượng có diện tích bề mặt nhỏ (vd: lá cây, lưới dây) hoặc đối tượng cho tia laser đi qua (vd: tấm kính mỏng, mặt nước trong) thì có khả năng chỉ một phần của xung laser chạm vào đối tượng và phản hồi

lại từ đây, trong khi đó phần còn lại của xung sẽ tiếp tục truyền cho tới khi chạm đối tượng khác và lại phản hồi Như vậy, một xung laser được truyền đi,

có thể có nhiều tín hiệu xung trở về Trong thiết bị nhận xung laser phản hồi

có bộ phận tách sóng theo ngưỡng và do vậy đo được thời gian đi và về của phần xung laser tương ứng Việc lấy mẫu xung laser nhận được có nhiều cách khác nhau, lấy mẫu cho tín hiệu trở về có ý nghĩa nhất, lấy mẫu cho tín hiệu trở về đầu tiên và cuối cùng, lấy mẫu cho tất cả tín hiệu trở về theo ngưỡng ở các tầng khác nhau của sóng laser phản hồi Mỗi một điểm phản hồi là một khoảng cách được đo và theo đó một toạ độ (XYZ) được xác định [9]

Hình 2.7 Chùm tín hiệu phản hồi từ cây Trên hình 2.7 tín hiệu trở về đầu tiên là tín hiệu có ý nghĩa nhất Trong trường hợp chỉ một tín hiệu có ý nghĩa trở về, thì chỉ có một toạ độ duy nhất

được tính Tín hiệu trở về cuối cùng sẽ không phải luôn luôn là mặt đất mà có thể là nhánh hoặc thân cây Đa số các hệ thống LiDAR hiện tại đều có thể thu nhận trên 4 tín hiệu phản hồi của một xung

5 Kỹ thuật đo laser kiểu số hoá sóng (full waveform digitization)

Khả năng phát xung (PRF) của một số hệ thống LiDAR hiện nay có khả năng lên tới 240.000 xung trong một giây, mỗi xung lại có thể có nhiều tín hiệu phản hồi Để không hạn chế số lượng tín hiệu phản hồi, tăng mật độ điểm

đo, tăng độ chính xác đo khoảng cách, một số h\ng sản xuất hệ thống LiDAR

áp dụng kỹ thuật số hoá dạng sóng sự phản hồi của xung

Trong kỹ thuật này, tín hiệu phản hồi tương tự được lấy mẫu theo khoảng thời gian hằng số và chuyển đổi kết quả tín hiệu số thành dòng (chuỗi) dữ liệu

Khuếch đại Phản hồi đầu tiên

Phản hồi thứ hai Phản hồi thứ ba Phản hồi thứ tư