Upload
others
View
4
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
1
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu là
trung thực và chưa từng được công bố trong các công trình khác.
Tác giả luận văn
Đặng Thanh Tùng
2
MỤC LỤC
Mục lục: .....................................................................................................................2
Danh mục chữ viết tắt: ................................................................................................4
Danh mục hình ảnh: ....................................................................................................5
Danh mục bảng biểu: ............................................................................................... ...6
MỞ ĐẦU................ .......... .................... .......... .................... .......... .......... .......... .. 7
1. Tính cấp thiết của đề tài................. .......... .................... .......... .................... .. 7
2. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu ............ .......... .......... .......... .......... .......... .. 8
3. Cấu trúc của luận văn .......... .......... .......... .......... .......... .......... .................... .. 9
CHƯƠNG 1 ........... .......... .......... .......... .......... .......... .................... .......... ..............
CỞ SỞ LÝ LUẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU............... .......... .......... 10
1.1. Cơ sở lý thuyết của công nghệ Lidar .............. .......... .................... .......... 10 1.1.1. Cấu trúc hệ thống Lidar .............................................................................................. 10 1.1.2. Nguyên lý hoạt động của Lidar................................................................................... 11 1.1.3. Cơ sở toán học xác định tọa độ của điểm Lidar........................................................... 12 1.1.4. Độ chính xác xác định vị trí điểm Lidar...................................................................... 15 1.2. Khả năng ứng dụng Lidar và bản đồ 3D........ .......... .......... .................... 18 1.2..2 Ứng dụng trong công tác khảo sát, thiết kế, giám sát công trình.......................................... 19 1.2.3. Ứng dụng trong công tác thiết kế, quy hoạch, phát triển đô thị.................................... 19 1.2.4. Ứng dụng trong quân sự ............................................................................................. 20 1.2.5. Ứng dụng trong du lịch............................................................................................... 20 1.3. Các vấn đề cơ bản về bản đồ 3D........... .......... .......... .......... .......... .......... 20 1.3.1. Các khái niệm cơ bản ................................................................................................. 20 1.3.2. Khả năng ứng dụng dữ liệu Lidar trong thành lập bản đồ 3D ...................................... 22 1.3.3. Các phương pháp nghiên cứu thành lập bản đồ 3D ......... .......... .......... 22 a. Phương pháp Lidar........................................................................................................... 23 b. Phương pháp đo vẽ trực tiếp thực địa ............................................................................... 25 c. Phương pháp do vẽ ảnh hàng không ................................................................................. 26 d. Phương pháp bản đồ địa hình, địa chính ........................................................................... 27 e. Thành lập bản đồ địa hình 3D từ các nguồn ảnh viễn thám khác ....................................... 28 f. Phương pháp Radar độ mở tổng hợp giao thoa (IFSAR - InterFerometric Synthetic Aperture Radar).................................................................................................................................. 29 CHƯƠNG 2 ........... .......... .......... .......... .......... .......... .................... .......... .......... 31
QUY TRÌNH ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ LIDAR THÀNH LẬP BẢN ĐỒ 3D .. 31
2.1. Xử lý dữ liệu Lidar ............ .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... 31 2.1.1. Chiết tách các thông tin về địa hình và địa vật (phân tầng độ cao dữ liệu Lidar – tách bề mặt địa hình thực và bề mặt địa vật)..................................................................................... 32 2.1.2. Nhận dạng, tái lập mô hình các công trình xây dựng................................................... 36 a. Tìm kiếm, nhận dạng các công trình xây dựng.................................................................. 38 b. Tái lập các công trình xây dựng trên bản đồ 3D................................................................ 40
3
2.2. Phương pháp hiển thị các đối tượng trên bản đồ 3D......... .......... .......... 42 2.2.1. Phương pháp hiển thị các đối tượng 3D ...................................................................... 42 2.2.2. Mô hình số địa hình.................................................................................................... 43 2.2.3. Các đối tượng địa hình 3D.......................................................................................... 45 2.2.4. Phân tích và lựa chọn mức độ chi tiết cho các đối tượng hiển thị 3D.................................. 46 CHƯƠNG 3 ........... .......... .......... .......... .......... .......... .................... .......... .......... 49
ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ LIDAR ............... .......... .................... .......... ..............
THÀNH LẬP BẢN ĐỒ 3D THÀNH PHỐ BẮC GIANG................ .......... .......... 49
3.1. Khái quát chung về khu vực thử nghiệm, hệ thống máy quét Lidar .... 49
3.2. Công tác chuẩn bị, bay quét và xử lý dữ liệu Lidar........... .......... .......... 53 3.2.1. Công tác chuẩn bị....................................................................................................... 53 3.2.2. Bay quét Lidar............................................................................................................ 53 3.2.3. Xử lý dữ liệu Lidar ..................................................................................................... 56 3.2.4. Xây dựng mô hình 3D khu vực thử nghiệm ................................................................ 61 d. Thể hiện các đối tượng khác trên bản đồ .......................................................................... 67 - Thuỷ hệ và các đối tượng liên quan.................................................................................... 67 - Giao thông và các đối tượng liên quan ............................................................................... 68 - Các đối tượng kinh tế, văn hoá xã hội ................................................................................ 69 - Dáng đất, chất đất .............................................................................................................. 70 - Thực vật ............................................................................................................................ 71 - Ranh giới ........................................................................................................................... 73 - Ghi chú.............................................................................................................................. 73 3.3. Đánh giá kết quả sản phẩm......... .......... .......... .................... .......... .......... 74 3.3.1. Đánh giá độ chính xác ................................................................................................ 74 3.3.2. So sánh với một số phương pháp ................................................................................ 74 3.3.3. Đánh giá khả năng ứng dụng và hiệu quả: ................................................................. 76 Trang bị công nghệ Lidar giúp chúng ta tiếp cận với công nghệ tiên tiến trên thế giới, góp phần nâng cao được trình độ khoa học công nghệ trong lĩnh vực đo đạc và bản đồ. ................. .......... .................... .......... .................... 77
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................. .......... .................... .......... .................... 79
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............ .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... 82
PHỤ LỤC .............. .......... .................... .......... .......... .......... .......... .......... .......... 83
4
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Tên viết vắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt
LIDAR Light Detection And Ranging Công nghệ đo Laser
IMU Inertial Measurement Unit Thiết bị xác định quán tính DTM Digital Terrain Model Mô hình số địa hình DEM Digital Elevation Model Mô hình số độ cao DSM Digital Surface Model Mô hình số bề mặt
GIS Geographic Information System Hệ thống thông tin địa lý
GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu
GRID Cấu trúc lưới đều của mô hình số độ cao
TIN Triangulated Irregular Network
Cấu trúc mạng tam giác không đều của mô hình số độ cao
LoD Level of Detail Cấp độ chi tiết
IFSAR InterFerometric Synthetic Aperture Radar:
Radar độ mở tổng hợp giao thoa
2D Two Dimensions Hai chiều 3D Three Dimensions Ba chiều 3D City Model Mô hình thành phố 3D Photorealistic Ảnh thực Symbolised Ký hiệu hoá Intensity Ảnh cường độ xám MicroRelief Vi địa hình MultiLoD Multiple Level of Detail Đa cấp độ chi tiết
5
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Tổng quan hệ thống bay quét Lidar .......... .......... .......... .......... .......... 11
Hình 1.2: Cơ sở toán học xác định vị trí điểm Lidar........... .......... .......... .......... 13
Hình 1.3 Bản đồ địa hình 3D................ .......... .................... .......... .................... 19
Hình 1.4 Bản đồ 3D khu vực đô thị ............... .......... .................... .......... .......... 20
Hình 1.5 Mô hình 3D khu vực đô thị từ dữ liệu Lidar......... .......... .......... .......... 25
Hình 1.6 Mô hình 3D được xây dựng từ dữ liệu đo trực tiếp tại thực địa.......... 26
Hình 1.7 Bản đồ 3D thành lập từ phương pháp ảnh hàng không........... .......... 27
Hình 1.8 Mô hình 3D thành lập từ bản đồ địa chính .......... .......... .......... .......... 28
Hình 1.9 Mô hình 3D sử dụng ảnh viễn thám ........... .......... .......... .......... .......... 29
Hình 2.1 Dữ liệu tập hợp điểm Lidar.............. .......... .................... .......... .......... 32
Hình 2.2 Phân loại các điểm Lidar giữa địa hình và địa vật ........ .......... .......... 34
Hình 2.3 Phân loại các điểm Lidar giữa địa hình và địa vật ........ .......... .......... 35
Hình 2.4 Kết quả phân loại, tạo mô hình số bề mặt và mô hình số địa hình ..... 36
Hình 2.5Ttìm kiếm, nhận dạng công trình xây dựng ........... .......... .......... .......... 40
Hình 2.6 Xác định ranh giới công trình xây dựng............... .......... .................... 41
Hình 2.7 Xây dựng mô hình 3D của các công trình xây dựng................. .......... 41
Hình 2.8: Mô tả mô hình số địa hình và các đối tượng trên nó............... .......... 42
Hình 2.9 Mô tả nhà trong bản đồ 3D được hiện thị một cách đơn giản trên nền mô hình số địa hình .......... .......... .......... .......... .......... .......... .................... .......... 46
Hình 2.10 Cấp độ chi tiết LoD đối với các đối tượng nhà, khối nhà ................. 48
Hình 3.1 Sơ đồ tuyến bay quét Lidar khu vực thành phố Bắc Giang................. 56
6
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Sơ đồ 2.1: Sơ đồ quy trình xử lý dữ liệu Lidar lập bản đồ 3D…………………...30
Bảng2.1:Bảng kết quả phân loại điểm địa hình, địa vật nhà cửa, cây cối…….34
Bảng3.1: Bảng tư liệu các điểm địa chính cơ sở…………………………….……49
Sơ đồ 3.1: Quy trình công nghệ thành lập bản đồ 3D từ dữ liệu Lidar….….….50
.
7
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong những năm gần đây, việc ứng dụng công nghệ mới trong lĩnh vực
bản đồ viễn thám và GIS đã có những bước tiến vượt bậc và đã tạo ra những sản
phẩm có chất lượng cao. Công nghệ Laser đã được ứng dụng hiệu quả trong
nhiều lĩnh vực, trong đo có lĩnh vực đo đạc bản đồ. Trước đây, trong lĩnh vực đo
đạc bản đồ, công nghệ Laser đã được sử dụng trong các máy đo dài, định tuyến.
Hiện nay, rất nhiều nước trên thế giới và trong khu vực đã ứng dụng công nghệ
Laser kết hợp với hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu, hệ thống xác định quán tính
để lập mô hình số địa hình, mô hình số bề mặt phục vụ thành lập bản đồ địa
hình, bản đồ dải ven biển, bản đồ không gian ba chiều và xây dựng cơ sở dữ liệu
nền thông tin địa lý.
Việc thành lập mô hình số địa hình, đặc biệt là mô hình số bề mặt thực địa
có độ chính xác cao bằng công nghệ ảnh hàng không hoặc bằng các phương
pháp đo đạc trực tiếp khác trước đây gặp nhiều khó khăn, chi phí cao, tốn nhiều
thời gian để hoàn thành sản phẩm. Công nghệ Lidar kết hợp với các công nghệ
khác như định vị vệ tinh, xác định quán tính, bay chụp ảnh số cỡ trung bình cho
phép xác định chính xác bền mặt địa hình và bền mặt thực địa theo một hệ tọa
độ không gian xác định. Sản phẩm của công nghệ Lidar giúp xây dựng mô hình
số địa hình cũng như mô hình số bề mặt có độ chính xác cao, mật độ dữ liệu
điểm lớn, thậm chí là rất lớn đảm bảo được tính chi tiết của địa hình thực tế. Dữ
liệu Lidar thu nhận được là tập hợp các điểm có giá trị mặt bằng và độ cao (đám
mây điểm) trong một hệ tọa độ xác định. Từ dữ liệu đám mây điểm Lidar, cho
phép tiến hành lọc điểm, biên tập xây dựng nên mô hình số địa hình và mô hình
số bề mặt và dựng mô hình 3D các công trình xây dựng, từ đó có thể xây dựng
bản đồ không gian ba chiều khu vực đô thị một cách nhanh chóng, chính xác.
Công nghệ Lidar có sự tiến bộ vượt trội so với các công nghệ đi trước trong
việc thành lập mô hình số địa hình, mô hình số bề mặt phục vụ công tác lập
8
bản đồ địa hình, bản đồ không gian ba chiều (bản đồ 3D) và xây dựng cơ sở dữ
liệu nền thông tin địa lý. Nó cho phép đẩy nhanh tiến độ thi công một cách đáng
kể, giảm chi phí thi công và đạt độ chính xác cao.
Bản đồ không gian ba chiều có rất nhiều ưu điểm so với bản đồ hai chiều
(bản đồ 2D). Nó gồm nền mô hình số địa hình, các đối tượng địa lý dạng vector
được gắn kết với các thuộc tính và được hiển thị trong không gian ba chiều. Bản
đồ 3D có thể được thành lập từ nhiều nguồn dữ liệu khác nhau có khả năng mô
phỏng cấu trúc cảnh quan đô thị phục vụ quy hoạch, xây dựng phát triển đô thị,
phục vụ giáo dục, quốc phòng, du lịch… Để có được độ chính xác cao cho các
vị trí điểm trên bản đồ thì hiện nay nguồn dữ liệu thu nhận từ công tác bay quét
Lidar đang thể hiện là tối ưu nhất.
Với những ưu thế và hiệu quả của việc xây dựng bản đồ không gian ba
chiều và các nhu cầu phát triển kinh tế xã hội, đặc biệt là tốc độ phát triển đô thị
ở Việt Nam đang rất nhanh thì việc ứng dụng công nghệ Lidar để xây dựng bản
đồ không gian ba chiều là rất cần thiết trong thời điểm hiện nay Xuất phát từ nhu
cầu thực tiễn và khả năng đáp ứng của công nghệ, đề tài được lựa chọn với tiêu
đề:: “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ Lidar thành lập bản đồ 3D khu vực đô
thị”.
2. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
* Mục tiêu đề tài: Nghiên cứu, xây dựng quy trình thành lập bản đồ 3D khu
vực đô thị dựa trên nguồn dữ liệu Lidar.
* Nội dung nghiên cứu:
Để thực hiện được mục tiêu của đề tài luận văn, các nội dung nghiên cứu
sau được thực hiện:
- Tổng quan tài liệu nghiên cứu ứng dụng Lidar trong việc xây dựng bản đồ
3D.
- Nghiên cứu quy trình xây dựng bản đồ 3D bằng công nghệ lidar.
- Xây dựng bản đồ 3D khu vực đô thị thành phố Bắc Giang.
9
3. Cấu trúc của luận văn
Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo luận văn được cấu trúc
trong ba chương:
Chương 1. Cơ sở lý luận và phương pháp nghiên cứu.
Chương 2. Quy trình ứng dụng công nghệ Lidar thành lập bản đồ 3D.
Chương 3. Ứng dụng công nghệ hoặc dữ liệu Lidar thành lập bản đồ 3D thành phố Bắc Giang.
10
CHƯƠNG 1
CỞ SỞ LÝ LUẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
1.1. Cơ sở lý thuyết của công nghệ Lidar
1.1.1. Cấu trúc hệ thống Lidar
Công nghệ quét laser từ máy bay (Airborne Laser Scanning) hay còn gọi là
Lidar (Light Detection And Ranging) là công nghệ mới được áp dụng tại Việt
Nam, cho phép đo đạc độ cao chi tiết địa hình một cách nhanh chóng và chính
xác.
Hệ thống Lidar bao gồm bộ đầu quét (bộ cảm biến), hệ thống đo quán tính
(IMU), hệ thống GPS, hệ thống quản lý bay, hệ thống camera số và hệ thống các
thiết bị lưu trữ dữ liệu.
Bộ máy quét laser (bộ cảm biến): gồm hai bộ phận được gắn vào bên dưới
máy bay: một bộ phận có vai trò phát xung laser hẹp đến bề mặt trái đất trong
khi máy bay di chuyển với tốc độ nhất định. Một máy thu gắn trên máy bay sẽ
thu nhận phản hồi của những xung này khi chúng đập vào bề mặt trái đất và
quay trở lại thiết bị thu trên máy bay. Hầu hết các hệ thống Lidar đều sử dụng
một gương quét để tạo ra một dải xung. Sóng Laser nằm trong dải sóng cận
hồng ngoại để phục vụ công tác đo đạc địa hình, bề mặt trên mặt đất, còn với
laser dải sóng xanh lá cây phục vụ công tác đo sâu dưới mặt nước. Độ rộng của
dải quét phụ thuộc vào góc dao động của gương, và mật độ điểm mặt đất phu
thuộc vào các yếu tố như tốc độ máy bay và tốc độ dao động gương. Tốc độ dao
động được xác định bằng cách tính toán tổng thời gian tia laser rời máy bay, đi
đến mặt đất và trở lại bộ cảm biến.
Hệ thống xác định quán tính IMU: Các giá trị góc xoay, góc nghiêng dọc,
nghiêng ngang, hướng bay quét của hệ thống Lidar được xác định chính xác
bằng thiết bị đạo hàng, góc quay gương tức thời và các khoảng cách thu nhận và
dữ liệu GPS được dùng để tính toán tọa độ ba chiều của các điểm Lidar.
Hệ thống GPS: Dữ liệu Lidar được kết hợp với các thông tin vị trí chính
11
xác thu nhận từ thiết bị GPS và hệ thống thiết bị xác định các thông số định
hướng góc xoay, góc nghiêng dọc, nghiêng ngang cùng đặt trên máy bay. Các
thông tin này được lưu trữ và xử lý, để xác định giá trị tọa độ (x,y,z) chính xác
của mỗi điểm trên mặt đất. Hệ thống GPS cung cấp thông tin về vị trí và thời
điểm thu nhận tín hiệu Lidar. Hệ thống GPS bao gồm một máy thu đặt trên máy
bay và một máy thu đặt tại mặt đất quá trình xử lý dữ liệu này cho ra kết quả vị
trí điểm có độ chính xác cao.
Hình 1.1: Tổng quan hệ thống bay quét Lidar
Hệ thống quản lý bay: Cho phép lập kế hoạch, thiết kế tuyến bay và theo
dõi quá trình bay quét Lidar.
Ngoài các thiết bị chính, hệ thống Lidar còn bao gồm các thiết bị ngoại vi
khác như hệ thống lưu trữ, giao diện điều khiển thiết bị, điều khiển bay, bộ cấp
nguồn. Một hệ thống Lidar thông thường được tích hợp một máy ảnh số kích
thước trung bình, một số còn trang bị máy quay video để theo dõi vùng chụp và
mây. Khi được tích hợp với máy ảnh số cỡ trung bình, có thể tiến hành đồng
thời quá trình quét Lidar và chụp ảnh số của một khu vực. quy trình này giúp
giảm chi phí bay chụp, thu được các sản phẩm: trực ảnh, mô hình số độ cao và
có thể tạo được mô hình thành phố ba chiều.
1.1.2. Nguyên lý hoạt động của Lidar
Hệ thống Lidar xác định được tọa độ các điểm trong không gian ba chiều
X,Y, Z) bằng cách đo độ D dài của tia laser, xác định góc phương vị của tia quét
(dựa vào các góc xoay của thiết bị và góc quay của gương quét được xác định
12
bằng hệ thống IMU) và hệ tọa độ GPS lựa chọn tại thời điểm quét laser.
Thiết bị Lidar có độ rộng dải quét có thể từ vài chục mét đến hàng trăm mét
phụ thuộc vào chiều cao bay và đặc biệt nhờ vào góc quay của tấm gương đước
gắn vào đầu thiết bị phát tia laser hướng về phía bề mặt địa hình.
Tia laser hoạt động theo nguyên lý xung điện có tần số lớn tới vài Khz. Sau
khi phát, năng lượng sẽ được phản hồi từ địa hình, địa vật qua hệ thống quang
học tới đầu thu của thiết bị xung điện. Dựa vào khoảng chênh lệch thời gian T
giữa tín hiệu phát đi và tín hiệu thu về, chúng ta xác định được chiều dài D của
tia laser tại thời điểm quét theo công thức (1.1):
2CTD ii = (1.1)
Trong đó:
Di: Chiều dài tia laser.
Ti: Thời gian từ thời điểm phát tia laser đến thời điểm nhận tín hiệu phản
hồi.
C: Vận tốc ánh sáng.
Thiết bị Lidar hoạt động trong dải phổ cận hồng ngoại với bước sóng
khoảng 1504nm cho phép xác định chiều dài D với độ chính xác cao với sai số
khoảng ± 1cm.
Các tia laser được quét liên tục với góc quét có thể lên tới 1500 và theo
hướng vuông góc với hướng bay của máy bay. Tần suất phát của thiết bị Lidar
có thể lê tói 100000 điểm trong 1 giây nên tùy theo tính chất, đặc điểm của bề
mặt địa hình và độ cao bay chụp mà ta có thể thu nhận được dữ liệu với mật độ
lên tới hàng triệu điểm trên 1 km2 tương đương từ 0.3m đến 1m có 1 điểm.
1.1.3. Cơ sở toán học xác định tọa độ của điểm Lidar
Việc xác định tọa độ của các điểm Lidar được tiến hành bằng cách xác định
tọa độ điểm Lidar trong hệ tọa độ của máy quét, sau đó xác định chính xác tọa
độ của điểm Lidar trong một hệ tọa độ không gian lựa chọn. Sơ đồ vector (1.2)
minh họa việc xác định tọa độ của điểm Lidar:
13
Hình 1.2: Cơ sở toán học xác định vị trí điểm Lidar Trong đó:
G: điểm GPS mặt đất trong hệ tọa độ lựa chọn.
A: Anntena của máy GPS trên máy bay.
S: điểm đặt máy quét Lidar.
P: điểm phạn xạ tia laser tại mặt đất.
Ở đây ta có hai hệ tọa độ:
- Hệ tọa độ thứ nhất: là hệ tọa độ được lựa chọn GXYZ.
- Hệ tọa độ thứ hai: là hệ tọa độ đặt máy quét Lidar Suvt.
Do vậy cần chuyển tọa độ từ hệ tọa độ của máy quét Lidar sang hệ tọa độ
đã được lựa chọn theo công thức sau:
SAdg += (1.2)
Để xác định vector g từ điểm G đến điểm P (điểm phản xạ của các tia laser)
cần phải xác định vector d, ma trận chuyển vị A và vector b như hình (1.2) ta có:
bADd −=
b
v
t
A
G
Z
Y
Z
X
S
α
D
d
δ
Y
u
Server C
X
P Mặt đất
g
14
Trong đó:
Vector D: luôn luôn xác định được bằng cách đo động GPS
S: khoảng cách từ máy quét tới điểm phản xạ P
b: khoảng cách đo trực tiếp từ Anten đến máy quét
A: ma trận chuyển vị từ hệ tọa độ Lidar sang hệ tọa độ lựa chọn
Ma trận trên có dạng:
=
131211
131211
131211
cccbbbaaa
A (1.3)
Trong đó:
ωβωγβωβωγβ
γωγωγ
coscossinsinsinsincoscossinsin
sinsincoscoscos
12
12
11
11
11
+=−=
===
bacba
βγωβωγβ
ωβωγββγ
coscoscossinsinsincossinsincossincos
sincos
13
13
13
12
=−=
+==
cbac
(1.4)
,2
,2
−
ππγ γ : Góc nghiêng ngang của máy bay.
( )πω 2,0 , ω : Góc xoay của máy bay.
,2
,2
−
ππβ β : Góc nghiêng dọc của máy bay.
Thay vào công thức (1.3) vào công thức (1.2):
( )bSADg −+= (1.5)
Viết dưới dạng ma trận:
( )bSAZZ
YYXX
ZZYY
XX
a
a
a
P
P
P
−+
−
−−
=
−
−−
0
0
0
0
0
0
(1.6)
15
Trong đó:
000 ,, ZYX : Toạ độ điểm G (điểm toạ độ GPS mặt đất)
pppaaa ZYXZYX ,,,,, : toạ độ ăngten A và toạ độ điểm P cần tìm
Từ công thức (1.6) có thể xác định toạ độ điểm P:
( )bSAZYX
ZYX
i
i
i
Pi
Pi
Pi
−+
∆
∆∆
=
∆
∆∆
(1.7)
Trên cơ sở công thức (1.7) tìm được toạ độ Xp, Yp, Zp.
Như vậy trên cơ sở nguyên lý này sẽ xác định được tập hợp các điểm có toạ
độ, độ cao trên mặt đất. Tiến hành phân loại và lọc được các dữ liệu quét bằng
tia laser bao gồm:
- Dữ liệu mặt đất (các điểm nằm trên mặt đất) sử dụng để thành lập mô
hình số địa hình (DTM)
- Dữ liệu các điểm không nằm trên mặt đất như các điểm nằm trên cây, mái
nhà, dây điện… Các điểm này được sử dụng để thành lập mô hình số bề mặt
(DSM)
- Dữ liệu ảnh cường độ phản xạ của tia laser cho phép nhận dạng địa vật
một cách tương đối rõ nét.
Như vậy việc phân loại để xử lý các dữ liệu đo được thông qua các modul
và các chương trình phần mềm của hệ thống để mục đích bóc tách được các loại
dữ liệu này thông qua các phép lọc.
1.1.4. Độ chính xác xác định vị trí điểm Lidar
Dựa trên cấu trúc hệ thống và nguyên lý hoạt động của công nghệ Lidar,
chúng ta có thể nhận thấy độ chính xác xác định vị trí điểm Lidar chủ yếu phụ
thuộc vào độ chính xác của hệ thống quét laser, độ chính xác xác định các thông
số định hướng giữa hệ thống IMU và điểm đặt anntena trên máy bay, độ chính
xác cơ sở trắc địa.
Độ chính xác của hệ thống quét Lidar bao gồm độ chính xác đo chiều dài
của tia laser và độ chính xác của thiết bị đo GPS, thiết bị đo quán tính IMU.
16
Các thiết bị trên luôn tồn tại sai số hệ thống và có thể thay đổi giá trị theo thời
gian sử dụng như các sai số do chuyển động quay của gương quét laser, sai số
của hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu GPS, sai số của thiết bị đo quán tính IMU.
Để giảm thiểu các sai số này hay nói cách khác là đảm bảo cho chúng tồn tại
trong hạn sai cho phép thì trong thực tế chúng ta phải tiến hành kiểm định các
thiết bị trên một cách định kỳ trong các điều kiện nhất định nhằm xác định các
thông số hiệu chỉnh thiết bị.
Độ chính xác xác định các thông số định hướng giữa hệ thống IMU và
điểm đặt anntena GPS trên máy bay về bản chất là xác định chính xác các vector
tính chuyển giữa hệ tọa độ của hệ thống IMU và hệ tọa độ được sử dụng để
thành lập bản đồ 3D. Hệ thống IMU thường được lắp đặt trùng hợp với hệ thống
quét laser một cách ổn định và chính xác. Truy nhiên, hệ thống GPS trên máy
bay thường được lắp đặt tại vị trí thông thoáng, có khả năng thu tín hiệu tốt nhất.
Do đó, độ chính xác xác định thông số định hướng giữa hệ thống IMU và tâm
anntena GPS càng chính xác càng tốt, thông thường độ chính xác này nhỏ hơn
1cm.
Việc thu nhận và xử lý kết quả đo GPS giữa hệ thống GPS trên máy bay và
dưới mặt đất đặc biệt quan trọng, đây chính là cơ sở để xác định tọa độ của các
điểm Lidar trong hệ tọa độ cần thành lập bản đồ 3D. Để đảm bảo độ chính xác
cần thiết, tọa độ của các điểm đặt máy GPS dưới mặt đất (điểm trạm Base) cần
phải được xác định chính xác, từ đó mới có thể xác định chính xác tọa độ của
điểm đặt máy GPS trên máy bay trong quá trình bay bằng các phương pháp xử
lý dữ liệu GPS. Ở đây, sau khi xác định chính xác vị trí của các điểm Lidar bằng
công nghệ GPS và IMU, chúng ta cần đặc biệt quan tâm tới độ chính xác của mô
hình Geoid địa phương (mô hình Geoid của khu phạm vi bay quét Lidar). Nếu
chỉ sử dụng kết quả đo GPS đơn thuần thì mới chỉ xác định chính xác được giá
trị độ cao H của các điểm Lidar (giá trị độ cao trên bề mặt Ellipsoid của hệ tọa
độ sử dụng để thành lập bản đồ 3D). Do đó phải sử dụng mô hình Geoid địa
17
phương có độ chính xác đảm bảo để có được các giá trị dị thường độ cao N tại
khu vực bay quét Lidar, từ đó xác định chính xác các giá trị độ cao thủy chuẩn h
của các điểm Lidar trong khu vực. Dựa trên các điểm Lidar có tọa độ chính xác
về mặt bằng và độ cao thủy chuẩn, tiến hành xây dựng mô hình 3D khu vực bay
quét.
1.1.5. Sản phẩm trực tiếp của công nghệ Lidar
Mô hình số địa hình(DTM): là các mô hình số miêu tả bề mặt mặt đất
nhưng không bao gồm các đối tượng vật thể trên đó. Dữ liệu thu nhận từ quá
trình bay quét Lidar bao gồm tập hợp các điểm có giá trị mặt bằng và giá trị độ
cao tạo ra mô hình số địa hình dạng Raster với mắt lưới lên đến 0.5m, độ chính
xác về độ cao có thể đạt tới 0.15m.
Mô hình số bề mặt(DSM): là một mô hình số độ cao miêu tả bề mặt mặt đất
và bao gồm cả các đối tượng vật thể trên đó như nhà cửa, cây cây cối, đường
dây điện, đường giao thông... Cũng như mô hình số độ cao, mô hình số bền mặt
được tạo ra dưới dạng Raster với kích thước mắt lưới Grid đạt tới 0,5m và độ
chính xác về độ cao lên tới 0,2m.
Ảnh cường độ xám (intensity): là sản phẩm thu được trong quá trình thu
nhận dữ liệu Lidar. Dựa trên cường độ tín hiệu phản hồi của tia laser thu được,
tiến hành nội suy tạo ảnh cường độ xám. Trên bề mặt thực địa bao gồm các đối
tượng khác nhau, do đó khả năng hấp thụ và cường độ phản hồi tín hiệu laser
cũng khác nhau, từ đó thu nhận và có thể phân biệt được các loại đối tượng khác
nhau trên ảnh cường độ xám. Điều này rất có ý nghĩa trong việc phân loại đối
tượng trong trường hợp không có ảnh hàng không hay ảnh vệ tinh độ phân giải
cao tại khu vực bay quét Lidar. Độ phân giải của ảnh cường độ xám có thể lên
tơi 0,25m. Độ chính xác về mặt bằng và độ cao của các điểm trên ảnh cường độ
xám tương đương với độ chính xác của dữ liệu Lidar gốc.
Bình đồ ảnh trực giao (true otrthophoto): là sản phẩm ảnh được nắn
chuyển hình học chính xác trong hệ tọa độ lựa chọn dựa vào các góc xoay được
18
xác định nhờ hệ thống IMU và tọa độ GPS cùng với mô hình số địa hình, mô
hình số bề mặt so dữ liệu Lidar tạo ra. Bình đồ ảnh trực giao trên lý thuyết là
ảnh nắn chỉnh hình học đã được loại trừ sai số vị trí điểm do chênh cao địa hình
gây ra dựa vào việc sử dụng mô hình số địa hình để nắn chỉnh. Đối với trường
hợp bay quét Lidar có kết hợp chụp ảnh số thì sản phẩm bình đồ ảnh trực giao là
sản phẩm trực tiếp của công nghệ Lidar đem lại hiệu quả rất lớn cho công tác đo
đạc lập bản đồ và xây dựng mô hình không gian ba chiều. Bình đồ ảnh trực giao
có thể được sử dụng làm lớp phủ bề mặt cho các đối tượng trên bản đồ 3D.
1.2. Khả năng ứng dụng Lidar và bản đồ 3D
Công nghệ Lidar thể hiện nhiều ưu thế vượt trội so với các công nghệ khác
trong việc đo đạc thành lập bản đồ và xây dựng cơ sở dữ liệu cũng như công tác
mô phỏng không gian ba chiều. Các nguồn dữ liệu thu nhận được từ hệ thống
Lidar có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như quân sự, giáo dục, viễn
thông, quy hoạch quản lý đô thị, đánh giá, theo dõi và khai thác mỏ, lập bản đồ
đường dây tải điện, nghiên cứu lập bản khu vực ngập lụt, bản đồ địa hình dải
ven biển, dự báo thảm họa...
1.2.1. Ứng dụng trong công tác thành lập bản đồ địa hình
Bản đồ địa hình tỷ lệ lớn là một trong những sản phẩm mà hiện nay được
thành lập nhiều nhất dựa trên công nghệ Lidar. Công nghệ Lidar cho phép lập
mô hình số địa hình độ chính xác cao với thời gian nhanh chóng và ít phụ thuộc
vào thời tiết, có thể bay quét Lidar cả ngày lẫn đêm. Hiện nay người ta thường
áp dụng công nghệ Lidar cho thành lập bản đồ các tỷ lệ 1/1000, 1/2000, 1/5000.
19
Hình 1.3 Bản đồ địa hình 3D 1.2.2. Ứng dụng trong công tác khảo sát, thiết kế, giám sát công trình
Dữ liệu Lidar có thể được thu nhận trong khoảng thời gian ngắn, có độ
chính xác và độ chi tiết rất cao giúp cho công tác khảo sát, đặc biệt là khảo sát
vê địa hình đạt hiệu quả cao.
Kết quả của sản phẩm Lidar phục vụ khảo sát, thiết kế, giám sát công trình
giúp cho việc tính toán khối lượng đào đắp, lên kế hoạch giải tỏa, đền bù được
sát thực tế hơn và bố trí các phương án, phương tiện thi công iệu quả.
1.2.3. Ứng dụng trong công tác thiết kế, quy hoạch, phát triển đô thị
Thiết kế - qui hoạch là một trong những lĩnh vực rộng lớn rất cần mô hình
chi tiết. Từ thiết kế giao thông, đô thị, công trình công cộng đến thiết kế nhà
máy thuỷ điện đều cần đến các thông tin chính xác này để nghiên cứu tình trạng
hiện thời, tính toán khối lượng đào đắp để đưa ra phương án tối ưu, lên kế hoạch
giải toả và tái định cư, hiển thị mô hình thiết kế, lấy ý kiến đóng góp, trình
duyệt.
20
Hình 1.4 Bản đồ 3D khu vực đô thị
1.2.4. Ứng dụng trong quân sự
Trong quân sự, việc sử dụng công nghệ Lidar để xây dựng các mô hình khu
vực tác chiến giúp cho khả năng phân tích tầm nhìn hay khả năng cơ động của
các trang thiết bị cơ giới, xác định mục tiêu cho dẫn đường tên lửa...được nhanh
chóng, chính xác, hiệu quả.
1.2.5. Ứng dụng trong du lịch
Cũng nhờ dữ liệu Lidar, cho phép tạo những tua du lịch ảo trên nền bản đồ
giúp khách hàng có khái niệm rõ ràng hơn về những nơi mình sẽ đến và cảnh
quan ở đó, đây cũng là một cách tiếp cận thị trường hiệu quả. Khách du lịch có
thể thực hiện việc quan sát ba chiều hay bay mô phỏng để tìm hiểu cảnh quan
thiên nhiên của vùng được quan tâm. Họ cũng có thể được cung cấp các thông
tin về cơ sở hạ tầng, khách sạn, các hoạt động vui chơi, giải trí ... nhờ các công
cụ hỏi đáp của GIS.
1.3. Các vấn đề cơ bản về bản đồ 3D
1.3.1. Các khái niệm cơ bản
Hiện nay, bản đồ địa hình 3D và 3D GIS đã được các nước trên thế giới
nghiên cứu và có các ứng dụng trong thực tế. Cấu trúc của bản đồ 3D bao gồm
nền địa hình, dữ liệu đồ họa của các đối tượng địa hình, dữ liệu thuộc tính gắn
với dữ liệu đồ họa này và tất cả được hiển thị trong môi trường 3D theo nguyên
tắc bản đồ. Các nghiên cứu lý thuyết cũng như kết quả của một số hệ thống ứng
dụng thực tế cũng đã được trình bày nhưng không nhiều và chưa đầy đủ trên các
tạp chí chuyên ngành hoặc trong các cuộc hội thảo quốc tế. Trong các
21
nghiên cứu trên, có một số lĩnh vực chính đã được nghiên cứu sâu liên quan đến
bản đồ địa chính, địa hình 3D và 3D GIS là xây dựng mô hình thành phố ba
chiều
Mô hình thành phố ba chiều (3D city model) là một hướng nghiên cứu
dành được nhiều quan tâm của ngành bản đồ, viễn thám và đã có nhiều ứng
dụng. Đối tượng được quan tâm nhiều ở đây là nhà và các khối nhà. Một số
nghiên cứu tập trung vào vấn đề cấu trúc topology của dữ liệu và cách thể hiện
nhiều cấp độ chi tiết trong một mô hình thành phố 3D bằng một ngôn ngữ mô
hình hoá. Vấn đề thể hiện các chi tiết của mô hình hình học các khối nhà là làm
sao cố gắng giảm kích thước dữ liệu. Các kết quả thử nghiệm thường được đưa
ra với độ chi tiết rất cao cho một không gian nhỏ như một khu phố nhỏ.
Trên thực tế, mô hình thành phố 3D được chính quyền nhiều thành phố
quan tâm. Bước đầu, họ xây dựng mô hình thành phố 3D dựa trên nền bản đồ
địa chính, độ cao của các khối nhà được xác định với độ chính xác tương đối từ
các nguồn có sẵn. Sau đó, song song với việc cập nhật mô hình, họ tìm cách xác
định lại độ cao cho từng khối nhà một cách chính xác và toàn diện hơn từ các
nguồn dữ liệu mới như ảnh máy bay tỷ lệ lớn, ảnh laser chụp từ máy bay. Tuy
nhiên, trên thực tế, việc xây dựng mô hình thành phố 3D chính xác và cập nhật
là quá trình rất lâu dài và tốn kém khi thực hiện với cả một thành phố nên cũng
chưa có một mô hình thành phố 3D hoàn chỉnh nào được công bố.
Bản đồ địa chính 3D ngày càng được các nước trên thế giới quan tâm khi
mà thị trường bất động sản ngày càng sôi động và có giá trị lợi nhuận cao như
hiện nay. Các vấn đề được quan tâm nhiều liên quan đến quan hệ topology giữa
các đối tượng của bản đồ địa chính trong môi trường 3D thực, quá trình chuyển
tiếp từ hệ thống địa chính 2D sang hệ thống địa chính 3D. Vấn đề quản lý và
luật đất đai gắn với các bất động sản 3D này hiện nay đang được nhiều nước
trên thế giới quan tâm nghiên cứu.
22
1.3.2. Khả năng ứng dụng dữ liệu Lidar trong thành lập bản đồ 3D
Bản đồ 3D đòi hỏi thông tin về kích thước của đối tượng trong chiều thứ ba
của không gian. Các thông tin này có thể được thu thập bổ sung bằng các nguồn
dữ liệu như: điều tra - đo vẽ thực địa; đo vẽ lập thể trên trạm ảnh số; dữ liệu giao
thoa radar, Lidar…
Tuy nhiên, trong các nguồn dữ liệu có thể sử dụng để thành lập bản đồ 3D
như đã nêu ở trên thì dữ liệu Lidar tỏ ra là nguồn dữ liệu có nhiều ưu thế nhất,
đáp ứng được nhiều yêu cầu của bản đồ 3D. Đặc biệt, đối với bản đồ 3D khu
vực đô thị, khi mà việc thể hiện các nhà và khối nhà trên nền mô hình địa hình là
một trong những yêu cầu được quan tâm nhất thì dữ liệu Lidar có thể đáp ứng
tốt hơn so với các nguồn dữ liệu khác.
Việc thể hiện các nhà, khối nhà 3D trên bản đồ cần có đầy đủ thông tin về
kích thước, hình dáng và dạng mái nhà. Đối với các dữ liệu như ảnh hàng không
hoặc dữ liệu thu nhận từ việc đo đạc trực tiếp ngoài thực địa gây ra tốn kém lớn
về kinh phí và thời gian để xử lý dữ liệu và rất khó khăn trong việc xác định
thông tin về dạng mái nhà, độ cao mái nhà. Dữ liệu Lidar với mật độ điểm chi
tiết rất lớn, có thể lên tới 5 điểm/m2 và đặc biệt có độ chính xác rất cao (đạt tới
0.15m về độ cao) hoàn toàn có thể đáp ứng được yêu cầu về xây dựng bản đồ
3D khu vực đô thị.
Sử dụng dữ liệu Lidar cho việc xây dựng bản đồ 3D khu vực đô thị có khả
năng tiết kiệm chi phí lớn và rút ngắn được rất nhiều về mặt thời gian hoàn
thành sản phẩm so với việc sử dụng các nguồn dữ liệu khác.
Với những ưu điểm của dữ liệu Lidar so với các nguồn dữ liệu khác, khả
năng ứng dụng dữ liệu này để thành lập bản đồ 3D là rất hiệu quả, nhất là đối
với bản đồ tỷ lệ lớn, đòi hỏi độ chính xác cao.
1.3.3. Các phương pháp nghiên cứu thành lập bản đồ 3D
Có nhiều phương pháp có thể áp dụng để thành lập bản đồ 3D: sử dụng ảnh
máy bay; thành lập từ các nguồn số liệu viễn thám khác; thành lập sử dụng bản
23
đồ địa hình 2D có sẵn hay thành lập bằng phương pháp đo đạc thực địa.
Mỗi phương pháp thành lập bản đồ 3D có các ưu điểm và nhược điểm
riêng, phù hợp với các tỷ lệ hay độ chi tiết khác nhau. Việc thu thập các dữ liệu
chi tiết cho bản đồ 3D rất tốn công, chỉ với một yêu cầu tăng thêm về độ chi tiết
của một nhóm đối tượng có thể dẫn đến chi phí thành lập bản đồ tăng rất cao.
Nên bước đầu tiên mà dù theo phương pháp thành lập nào cũng cần tiến hành là
thiết kế nội dung bản đồ trong đó một trong những chi tiết quan trọng cần phải
quyết định là hình thức thể hiện nhà và các công trình xây dựng trong khu dân
cư. Tùy vào mục đích sử dụng, yêu cầu mà đưa ra tỷ lệ và phương pháp thành
lập. Tuy nhiên có thể điểm ra các bước chính áp dụng cho mọi phương pháp
thành lập bản đồ địa hình 3D như sau:
- Thiết kế nội dung: xác định nội dung, chọn lựa và qui định cách thể hiện
cụ thể cho từng đối tượng bản đồ 3D của khu đo.
- Tạo dữ liệu đồ họa nền 2D tương tự như bản đồ địa hình truyền thống.
- Tạo dữ liệu 3D bằng các phương pháp đo vẽ lập thể, đo vẽ thực địa,
Lidar…
- Thu thập các thông tin thuộc tính từ các nguồn tài liệu có sẵn hoặc thông
qua điều vẽ ngoại nghiệp.
- Gắn kết các thông tin thuộc tính với dữ liệu đồ họa.
- Hiển thị các nội dung bản đồ 3D dựa trên nền mô hình số địa hình, các dữ
liệu đồ họa 3D và các dữ liệu thuộc tính của đối tượng theo các nguyên tắc nhất
định.
a. Phương pháp Lidar
Giải pháp công nghệ quét laser đặt trên máy bay - Airborne Laser Scanning
(ALS) hay còn gọi là LIDAR phục vụ cho công tác nghiên cứu địa hình bắt đầu
vào những năm thập niên 90 của kỷ nguyên XX. Dữ liệu Lidar có thể thành lập
DTM với độ chính xác rất cao từ 0.15m – 0.50 m.
Cơ chế hoạt động của một hệ thống Lidar: thông thường bao gồm một máy
24
quet laser (bộ cảm biến) được gắn chính xác vào bên dưới máy bay có vai trò
phát xung laser hẹp đến bề mặt trái đất trong khi máy bay di chuyển với một tốc
độ nhất định. Một máy thu gắn trên máy bay sẽ thu nhận phản hồi của những
xung này khi chúng đập vào bề mặt trái đất và quay trở lại thiết bị thu trên máy
bay. Hầu hết các hệ thống Lidar đều sử dụng một gương quét để tạo ra một dải
xung. Các giá trị tọa độ và độ cao chính xác đo được bằng thiết bị đạo hàng, góc
quay gương tức thời và các khoảng cách thu nhận được dùng để tính toán tọa độ
ba chiều của các điểm độ cao. Dữ liệu Lidar được kết hợp với các thông tin vị trí
chính xác thu nhận từ thiết bị GPS và hệ thống thiết bị xác định các thông số
định hướng trong (INS) cùng đặt trên máy bay. Khi tất cả các thông tin này được
lưu trữ và xử lý, kết quả sẽ là một giá trị tọa độ (x,y,z) chính xác của mỗi điểm
quét được trên mặt đất. Khi được tích hợp với máy ảnh số khổ trung bình, có thể
tiến hành đồng thời quá trình quét Lidar và chụp ảnh số của một khu vực. quy
trình này giúp giảm chi phí bay chụp, thu được các sản phẩm: trực ảnh, mô hình
số độ cao và có thể tạo được mô hình thành phố ba chiều.
Với khả năng thành lập cả mô hình số địa hình (DTM) lẫn mô hình số bề
mặt (DSM) công nghệ LIDAR đặc biệt tỏ ra hữu ích khi được ứng dụng tại các
vùng mà các phương pháp khác tỏ ra kém hiệu quả, chẳng hạn các vùng rừng,
vùng cửa sông, đụn cát, vùng đất ngập nước hay quản lý vùng bờ và đặc biệt là
có mức độ chi tiết cao để thực hiện xây dựng bản đồ 3D khu vực đô thị. Đặc
biệt trong trường hợp cần xây dựng mô hình đô thị trong một thời gian ngắn bao
gồm cả mô hình bề mặt mặt đất và cả mô hình nhà cửa với hình dạng chi tiết của
mái nhà (roof shape).
25
Hình 1.5 Mô hình 3D khu vực đô thị từ dữ liệu Lidar
Trong các ứng dụng dạng này, người ta thường kết hợp dữ liệu laser với
các tài liệu khác trong quá trình thành lập bản đồ 3D như: các dữ liệu GIS có sẵn
về khối nhà, ảnh hàng không và vệ tinh để có thể đạt được kết quả tốt nhất.
Thông thường, phương pháp Lidar được áp dụng đạt hiệu quả cao trong việc
thành lập bản đồ 3D tỷ lệ lớn cho các khu vưc đô thị.
b. Phương pháp đo vẽ trực tiếp thực địa
Phương pháp đo vẽ trực tiếp ngoài thực địa rất tốn kém về thời gian và kinh
phí, phương pháp này đòi hỏi rất nhiều công sức của con người. Để xây dựng
bản đồ 3D, người ta cần đo đạc trực tiếp ngoài thực địa các đối tượng địa hình,
địa vật, cây cối, đường dây, công trình xây dựng, giao thông như đối với bản đồ
2D truyền thống. Ngoài ra còn phải trực tiếp đo độ cao cho các đối tượng này để
tiến hành mô hình hóa ba chiều và gán các dữ liệu thuộc tính cho chúng. Trên
thực tế, vì đỏi hỏi quá nhiều thời gian và công sức nên người ta hầu như không
sử dụng phương pháp này để xây dựng bản đồ 3D mà chỉ áp dụng để xác định vị
trí và kích thước của một số đối tượng phục vụ cho công tác bổ trợ cho các
phương pháp khác.
26
Hình 1.6 Mô hình 3D được xây dựng từ dữ liệu đo trực tiếp tại thực địa c. Phương pháp do vẽ ảnh hàng không
Tùy thuộc vào tỷ lệ bản đồ cần thành lập, chọn tỷ lệ ảnh cho phù hợp. Tiến
hành đo điểm khống chế, quét phim và tăng dày; vẽ lập thể các nội dung đặc
trưng địa hình như đường phân thủy, tụ thủy. Thành lập mô hình số độ địa hình
DTM và nắn ảnh trực giao.
Từ mô hình số địa hình DTM vừa được tạo tiến hành nội suy bình độ và độ
cao của các điểm đặc trưng địa hình. Khoảng cao đều bình độ và mật độ điểm độ
cao tương tự như bản đồ địa hình 2D cùng tỷ lệ. Các đối tượng dạng đường và
dạng điểm này là 3D có giá trị độ cao thực. Sau đó tiến hành đo vẽ lập thể các
đối tượng địa vật như nhà cửa, công trình, đường dây điện… các thông tin trên
được điều tra lại tại thực địa rồi gán ảnh thực cho các công trình xây dựng và
các địa vật khác.
27
Hình 1.7 Bản đồ 3D thành lập từ phương pháp ảnh hàng không
Sau khi có các đối tượng dạng 3D, bước tiếp theo là gán thuộc tính cho các
đối tượng đồ họa. Khi các dữ liệu đã được chuẩn bị sẵn sàng ở khuôn dạng cần
thiết với các thuộc tính được gắn đầy đủ, thực hiện hiển thị chúng trong môi
trường 3D theo các nguyên tắc hiện thị các đối tượng trên bản đồ 3D như thể
hiện đối tượng địa hình, các đối tượng dạng đường, dạng điểm, dạng vùng, dạng
khối…
Đây là một phương pháp có tính ứng dụng cao, cho phép tạo dữ liệu địa
hình mới, tương đối cập nhật, thời gian thành lập ngắn và không đòi hỏi nhiều
chi phí cho điều vẽ.
d. Phương pháp bản đồ địa hình, địa chính
Dựa trên bản đồ địa hình, địa chính đã có cho một khu đo, tiến hành điều
vẽ bổ sung ngoại nghiệp, xác định chiều cao của các đối tượng cần thể hiện
trong môi trường 3D. Chiều cao của nhà và các công trình xây dựng có thể được
suy ra từ số tầng với giả định về chiều cao đều cho mỗi tầng trong trường hợp
không cần thiết phải thể hiện độ chi tiết và độ chính xác cao.
28
Hình 1.8 Mô hình 3D thành lập từ bản đồ địa chính
Các ghi chú trên bản đồ địa hình và trên bản điều vẽ được chuyển đổi thành
dữ liệu đồ họa 3D hoặc dữ liệu thuộc tính. Các dữ liệu thuộc tính của đối tượng
được đưa lên bản đồ bằng dạng text và có thể được gán tự động và dựng các đối
tượng thành bản đồ 3D. Các bước thực hiện tương tự như trong phương pháp sử
dụng ảnh máy bay.
Phương pháp thành lập bản đồ 3D từ bản đồ địa hình, địa chính có sẵn phù
hợp với mức độ chi tiết trung bình, với chi phí thấp, thời gian thành lập ngắn.
e. Thành lập bản đồ địa hình 3D từ các nguồn ảnh viễn thám khác
Ngoài ảnh máy bay thường dùng (ảnh quang học chụp từ các máy ảnh
truyền thống dùng phim và gần đây là các máy ảnh số), ảnh viễn thám rất đa
dạng, có thể phân loại thành hai nhóm chính là các loại ảnh vệ tinh và ảnh laser
với đầu thu đặt trên máy bay. Thông thường, ảnh được sử dụng làm nền để số
hóa các dữ liệu vector, các thông tin chi tiết về hình dạng và tính chất của các
đối tượng nằm trên mặt địa hình, ảnh trực giao để phủ lên mô hình số địa hình
tạo ảnh thực bề mặt mặt đất.
Độ phân giải của các loại ảnh viễn thám thay đổi từ vài dm đối với ảnh
laser chụp từ máy bay đến trên dưới 1m với các ảnh vệ tinh quang học
panchromatic độ phân giải cao; các ảnh vệ tinh quang học đa phổ và ảnh Radar
có độ phân giải kém hơn, từ vài mét đến vài trăm mét. Độ phân giải cũng như
29
khả năng đo vẽ lập thể là các yếu tố quyết định các ảnh này có thể dùng để thành
lập bản đồ tỷ lệ nào và sử dụng như thế nào.
Với sự đa dạng về đặc điểm cũng như khả năng ứng dụng của từng loại ảnh
viễn thám cũng như tỷ lệ bản đồ 3D cần thành lập, khó có thể đưa ra một qui
trình chính xác và chi tiết. Tuy nhiên qui trình thành lập này có rất nhiều điểm
tương tự qui trình thành lập bản đồ 3D từ ảnh máy bay.
Trong nhiều trường hợp, ảnh viễn thám chỉ được sử dụng ở một công đoạn
nhất định để thu thập một trong những nội dung cần thiết cho bản đồ 3D như
dùng để tạo mô hình số địa hình và bổ trợ cho việc xác định ranh giới các địa
vật. Ngoài ra, có thể kết hợp với khu vực có sẵn mô hình số địa hình và dữ liệu
vector thì ảnh vệ tinh quang học đa phổ có thể được nắn trực giao sử dụng mô
hình số địa hình và dùng làm ảnh phủ bề mặt.
Hình 1.9 Mô hình 3D sử dụng ảnh viễn thám
Đối với ảnh vệ tinh quang học độ phân giải cao như Ikonos, Quickbird hay
Spot5, độ phân giải trên dưới 1m, độ che phủ lớn và có thể đo vẽ lập thể thì qui
trình thành lập bản đồ 3D tương tự như phương pháp dùng ảnh máy bay.
f. Phương pháp Radar độ mở tổng hợp giao thoa (IFSAR - InterFerometric
Synthetic Aperture Radar)
Ứng dụng quan trọng nhất của ảnh Radar là tạo mô hình số địa hình độ chi
tiết trung bình và độ chính xác từ vài mét đến hàng trăm mét cho một vùng rộng
30
lớn trong một thời gian ngắn. Ngoài ra còn có các hệ thống Radar độ mở tổng
hợp giao thoa đặt trên máy bay, chẳng hạn như hệ thống Intermap STAR 3i
dùng băng X có thể cho phép thành lập mô hình số địa hình với độ chính xác từ
0,5 đến 3 m.
Ảnh Radar không thể hiện hình ảnh tự nhiên của bề mặt mặt đất nên không
dùng làm nền để số hóa hay điều vẽ ngoại nghiệp được. Để xây dựng các đối
tượng địa vật thì phải kết hợp với các nguồn ảnh quang học. Các ảnh này có thể
là ảnh máy bay hay các loại ảnh vệ tinh quang học khác. Sự kết hợp này tận
dụng được ưu thế của cả hai loại ảnh. Tuy nhiên với độ chính xác của mô hình
số địa hình tạo từ ảnh Radar như trên thì phương pháp này cũng chỉ có thể áp
dụng để thành lập bản đồ 3D tỷ lệ 1:10 000 và nhỏ hơn.
31
CHƯƠNG 2
QUY TRÌNH ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ LIDAR THÀNH LẬP BẢN ĐỒ 3D
2.1. Xử lý dữ liệu Lidar
Dữ liệu điểm có giá trị tọa độ ba chiều (mặt bằng và độ cao) được tạo bởi
công nghệ bay quét Lidar thường có mật độ dày đặc, chứa đựng các thông tin
của bề mặt địa hình, bề mặt các công trình xây dựng, các bề mặt thực phủ,
đường dây tải điện, đường giao thông... Nhưng việc xác định ranh giới, hình
dáng của các địa vật như công trình xây dựng, bờ ruộng, hàng rào hay các tán
cây lại không được rõ ràng. Để khắc phục tình trạng này, người ta thường kết
hợp dữ liệu Lidar với dữ liệu ảnh máy bay hoặc ảnh vệ tinh độ phân giải cao
được nắn chỉnh trong cùng một hệ tọa độ với dữ liệu Lidar. Việc kết hợp đó
nhằm tận dụng các thông tin rõ ràng về hình dạng, ranh giới của các đối tượng
địa vật trên ảnh giúp cho khả năng phân biệt đối tượng từ dữ liệu Lidar đảm bảo
chính xác. Muốn có được ảnh trueortho khu vực bay quét, chúng ta cần sử dụng
mô hình số địa hình, mô hình số bề mặt thu nhận được từ dữ liệu Lidar để tiến
hành nắn chỉnh hình học ảnh về đúng hệ tọa độ với dữ liệu điểm Lidar (cùng với
hệ tọa độ cần thành lập bản đồ). Ảnh trueortho không chỉ giúp khả năng phân
biệt đối tượng được tạo bởi dữ liệu Lidar một cách chính xác mà còn giúp cho
việc phủ lên bề mặt các đối tượng địa vật để xây dựng mô hình 3D một cách bán
tự động.
Nói chung, việc xây dựng bản đồ 3D từ dữ liệu Lidar cần được tiến hành
qua các công đoạn: chiết tách thông tin về độ cao và hình ảnh, kích thước của
các đối tượng, lựa chọn phương pháp và mức độ chi tiết hiển thị đối tượng trên
bản đồ 3D.
Sơ đồ 2.1: Sơ đồ quy trình xử lý dữ liệu Lidar lập bản đồ 3D
Nhận dạng, phân tích mức độ hiển thị đối tượng 3D
Xây dựng, hiển thị các đối tượng 3D
Chiết tách các thông tin về địa hình và địa vật
32
2.1.1. Chiết tách các thông tin về địa hình và địa vật (phân tầng độ cao
dữ liệu Lidar – tách bề mặt địa hình thực và bề mặt địa vật)
Dữ liệu Lidar là tập hợp các điểm (đám mây điểm) cung cấp thông tin một
cách phong phú về mặt bằng và độ cao. Dựa trên các dữ liệu này, chúng ta có
thể xây dựng được mô hình số địa hình (thu nhận từ dữ liệu địa hình) và mô
hình số bề mặt (thu nhận từ việc kết hợp dữ liệu địa hình và dữ liệu bề mặt).
Hình 2.1 Dữ liệu tập hợp điểm Lidar
Tín hiệu xung điện của tia laser khi gặp các chướng ngại vật như công trình
xây dựng, cây cối, đường dây tải điện ... sẽ phản hồi về hệ thống thu tín hiệu
xung điện laser, các tín hiệu này được ghi nhận là nhóm tín hiệu của địa vật.
Một phần tín hiệu xung điện laser sẽ tiếp tục đâm xuyên qua chướng ngại vật tới
mặt địa hình và phản hồi trở lại máy thu tín hiệu xung điện laser, các tín hiệu
phản hồi này kết hợp với tín hiệu phản hồi trực tiếp từ mặt địa hình tạo nên
nhóm tín hiệu địa hình. Nhóm tín hiệu địa hình được sử dụng để thành lập mô
hình số địa hình. Kết hợp nhóm tín hiệu địa hình và địa vật, chúng ta xây dựng
được mô hình số bề mặt.
Trên thế giới hiện nay có các phần mềm thương mại hóa để tiến hành tách
lọc các đối tượng địa hình và địa vật từ dữ liệu Lidar. Thuật toán tách lọc các đối
tượng phục vụ xây dựng mô hình số địa hình và mô hình số bề mặt thường
không được công bố bởi các hãng cung cấp phần mềm nhưng nói chung, các
phần mềm thường sử dụng các thuật toán dưới đây.
33
Lọc các đối tượng địa hình:
Dựa trên lý thuyết topo và giá trị chênh cao cực đại giữa hai điểm liền kề
trong một tập hợp điểm, người ta có thể xây dựng mô hình số địa hình theo hàm
sau:
( ) ( )( ){ }jippji ppdhhhApApDTMji
,:| max∆≤−∈∀∈= (2.1) Trong đó:
- A: là tập hợp các điểm Lidar. - pi: là điểm được lọc từ tập hợp A. - pj: là điểm liền kề với điểm pi.
- ( )ji ppd , : là khoảng cách giữa pi và pj. - ∆hmax: là chênh cao cực đại cho phép.
- ( )ji pp hh − : là chênh cao giữa điểm pi điểm pj.
Công thức (2.1) nêu trên nhằm lọc điểm Pi từ tập hợp điểm A nếu không
tồn tại điểm Pj nào khác mà chênh cao nhỏ hơn chênh cao cực đại cho phép
(∆hmax) trong phạm vi khoảng cách ( )ji ppd , giữa chúng.
Quá trình lọc điểm được bắt đầu từ điểm pmin, các điểm được sắp xếp theo
thứ tự tăng dần về độ dài. Sau đó tính gradient b dựa vào độ dài ( )ji ppd , và
chênh cao ( )ji pp hh − theo công thức sau:
( ) ( )( )ji ppji hhppdb −= ,, (2.2)
Phụ thuộc vào tham số ngưỡng a và phương sai aσ của nó, đồng thời phụ
thuộc vào phương sai bσ và gradient b cũng như các tham số ka, kb mô tả đặc
thù của địa hình, xác định giá trị maxh∆ theo hàm quy hồi sau:
22222max bbaa dkbdkah σσ +++=∆ (2.3)
Sau khi xây dựng được mô hình số địa hình gần đúng, chúng ta tiến hành
lọc dữ liệu địa hình ra khỏi tập hợp dữ liệu điểm Lidar thô (bao gồm cả dữ liệu
địa hình và dữ liệu địa vật) dựa vào khoảng cách dọc theo phương dây dọi
34
(trục Z của mô hình số địa hình). Để lọc được các đối tượng địa hình và địa vật
riêng biệt, trước hết cần xác lập ngưỡng 21,kk (với 1k hỏ hơn 2k ) chúng ta sẽ có
chuẩn lọc như sau:
(1): ( )minhhi − < bk cos/1 Các đối tượng địa hình. (2): ( )minhhi − > bk cos/2 Các đối tượng địa vật.
(3): bk cos/1 ≤ ( )minhhi − ≤ bk cos/2 Các đối tượng không được phân loại.
Hình 2.2 Phân loại các điểm Lidar giữa địa hình và địa vật
Lọc các đối tượng địa vật: Phụ thuộc mật độ điểm quét Lidar và luật phân bố sai số, người ta có thể
tiến hành lọc các điểm địa vật là nhà cửa và cây cối như sau:
Lọc điểm P(X,Y,Z) từ N điểm Qi(Xi,Yi,Zi) với i=1,2,3...N.
+ Nếu khoảng cách từ điểm P tới điểm Qi nhỏ hơn hoặc bằng ngưỡng cho
trước r (phụ thuộc mật độ điểm quét):
( ) rQPd ii ≤,
+ Nếu điểm P và Qi cùng thuộc một mặt phẳng aX + bY + cZ + d = 0 thì
khoảng cách ( )ii QPd , giữa chúng tới mặt phẳng đó phải nhỏ nhất. Điều này nghĩa
là số hiệu chỉnh theo trục Z của điểm i là (vi) có dạng:
++−=
cdY
cbX
caZv iiii
Khi đó phương sai của vi sẽ là:
35
222
22
2iiii ZYXv c
bca
σσσσ +
+
=
Hàm thử ( )dcba ,,,2χ sẽ được cực tiểu hóa và có dạng:
( ) min,,,1
2
22 == ∑
=
N
i v
i
i
vdcbaσ
χ
Từ đó sẽ có 3 trường hợp xảy ra:
(a): Tồn tại mặt phẳng cục bộ và điểm P thuộc mặt phẳng đó.
(b): Tồn tại mặt phẳng cục bộ và điểm P không thuộc mặt phẳng đó.
(c): Không tồn tại mặt phẳng cục bộ.
Hình 2.3 Phân loại các điểm Lidar giữa địa hình và địa vật
Kết hợp 3 trường hợp (a), (b), (c) và các chuẩn lọc (1), (2), (3) đã nêu trên,
chúng ta sẽ lập được bảng phân loại điểm địa hình và địa vật nhà cửa, cây cối
như bảng sau:
Bảng2.1 Kết quả phân loại điểm địa hình, địa vật nhà cửa, cây cối.
Các tiêu chuẩn Các trường hợp Kết quả phân loại (a) Điểm thực địa (b) Điểm lọc khác (c) Điểm thực địa gồ ghề
(1): Điểm địa hình
Điểm lọc khác Điểm thực địa (a) Điểm địa vật là nhà (2): Điểm địa vật (b) Điểm lọc khác
36
(c) Điểm địa vật là cây
Điểm lọc khác Điểm lọc khác (a) Điểm thực địa (b) Điểm lọc khác (c) Điểm địa vật là cây
(3): Điểm không lọc
Điểm lọc khác Điểm lọc khác Quá trình phân loại điểm dữ liệu Lidar được tiến hành sau khi bay quét,
nhưng do đây là công đoạn phức tạp, đòi hỏi nhiều công sức và thời gian. Quá
trình này có thể tốn thời gian gấp nhiều lần bay quét thu nhận dữ liệu Lidar.
a): Mô hình số bề mặt DSM b): mô hình số địa hình DTM
Hình 2.4 Kết quả phân loại, tạo mô hình số bề mặt và mô hình số địa hình
2.1.2. Nhận dạng, tái lập mô hình các công trình xây dựng
Ngoài việc tách lọc các đối tượng địa hình và địa vật thì yêu của việc thành
lập bản đồ 3D khu vực đô thị, nhất thiết phải nhận dạng được các công trình xây
dựng và tái lập chúng trên mô hình 3D. Thông thường, để đảm bảo hiệu quả và
đạt độ chính xác cao người ta sử dụng phương pháp kết hợp dữ liệu Lidar và ảnh
hàng không. Để nhận dạng và tái lập các công trình xây dựng trên mô hình 3D,
người ta kết hợp phân loại các vùng cơ bản và các đối tượng cơ bản, phân tích
tính đồng phẳng của dữ liệu Lidar cho các vùng của mái các công trình xây
dựng Độ chính xác vị trí điểm của các bức tường được xác định dựa trên sự kết
hợp giữa các yếu tố sắc cạnh (gờ sắc nét) từ dữ liệu ảnh hàng không và dữ liệu
37
đồng phẳng từ các điểm Lidar. Các cạnh trong mảng ba chiều được sử dụng để
dựng lại các mô hình của công trình xây dựng và phương pháp này có được lợi
thế về độ tin cậy cao và tính linh hoạt, nó đưa ra giải pháp chắc chắn, thậm chí
ngay cả khi dữ liệu là các đường 3D bị đứt quãng.
Dữ liệu 3D của tập hợp các điểm Lidar thu được từ thiết bị Lidar trên máy
bay cung cấp thông tin một cách phong phú về độ cao và thậm chí cả hình ảnh,
trong khi đó chúng ta cũng thu được các dữ liệu phổ rất dồi dào từ ảnh hàng
không. Do đó, kết hợp hai nguồn dữ liệu nêu trên đem lại triển vọng cho việc tự
động tìm kiếm, tái lập lại các mô hình công trình xây dựng trong đô thị phục vụ
cho quy hoạch và quản lý một cách hiệu quả hơn. Từ dữ liệu hợp nhất, ta có thể
xây dựng mô hình các công trình xây dựng từ dữ liệu ảnh hàng không và tập hợp
các điểm Lidar một cách tự động gồm hai phần chính như sau:
- Tìm kiếm, nhận dạng các công trình xây dựng.
- Tái lập lại các mô hình 3D của các công trình xây dựng.
Sử dụng các điểm khống chế ngoại nghiệp, hệ thống dẫn đường GPS và
INS, chúng ta xác định được các thông số định hướng ngoài của ảnh hàng
không, do đó ta có thể xử lý kết hợp 2 nguồn dữ liệu Lidar và ảnh hàng không
thống nhất trên một hệ toạ độ. Sau đó, chúng ta có thể tiến hành xác định, phân
loại các vùng và các đối tượng cơ bản trong quá trình tìm kiếm, nhận dạng các
công trình xây dựng. Trong giai đoạn này, chúng ta cần các thông tin về bề mặt
địa hình từ dữ liệu Lidar đã được chuyển sang dạng Raster và thông tin về phổ
của dữ kiệu ảnh hàng không màu. Thực tế, việc phân loại các đối tượng để tìm
ra ranh giới các công trình xây dựng dựa trên các thông tin về phổ, hình dạng,
cấu trúc và thông tin về độ cao. Với các thông tin trên, chúng ta có thể tách biệt
được các các công trình xây dựng và kiểm soát chúng. Khi ranh giới các công
trình xây dựng đã được nhận biết và tách biệt, chúng ta phân tích tính đồng
phẳng của các dữ liệu Lidar cho các vùng mái của các công trình xây dựng. Khi
đó, mô hình TIN cơ bản sẽ dựng lên các mặt phẳng trong môi trường 3D cho
38
mỗi vùng của công trình xây dựng. Các cạnh của công trình xây dựng được tách
ra từ dữ liệu ảnh hàng không được kết hợp chặt chẽ với dữ liệu độ cao điểm
Lidar để xác định vị trí các bức tường của các công trình xây dựng trong môi
trường 3D. Giải pháp này đưa ra độ tin cậy cao và thuận lợi cho việc tái lập lại
các mô hình của các công trình xây dựng, thậm chí trong trường hợp các đoạn
thẳng 3D bị đứt, gãy.
a. Tìm kiếm, nhận dạng các công trình xây dựng
Các đối tượng được xác định của các công trình xây dựng là dạng vùng. Ở
đây, chúng ta có 2 bước xử lý là xác định vùng và phân loại các đối tượng cơ
bản. Quá trình tìm kiếm, nhận biết các công trình xây dựng được thực hiện như
sau:
Quá trình tìm kiếm vùng (ranh giới) cho các công trình xây dựng:
Có 2 cách trong quá trình này. Cách thứ nhất, người ta sử dụng các đường
đồng mức cơ bản. Cách thứ hai sử dụng các thông tin về hình ảnh sắc nét (gờ,
bờ, …) để xác định các vùng (ranh giới) cơ bản. Thông thường, người ta sử
dụng công nghệ nối các điểm ảnh (pixel) có tính đồng dạng đặc trưng vì hệ số
xác định ranh giới (vùng) từ những hình ảnh sắc nét đạt độ chính xác cao hơn so
với phương pháp xác định dựa vào đường đồng mức cơ bản. Việc kết hợp dữ
liệu Lidar và bình đồ ảnh trực giao tạo nên được sự kết nối các điểm ảnh (pixel)
đồng nhất, đặc trưng thành các ranh giới (vùng) của các công trình xây dựng.
Phân loại các đối tượng cơ bản:
Sau quá trình tìm kiếm các đối tượng vùng (ranh giới các công trình xây
dựng), người ta tiến hành phân loại các đối tượng đó dựa trên các đặc điểm về
độ cao, thông tin về phổ, cấu trúc, độ nhám (gồ ghề), và các thông tin về các
vùng bóng, bị che khuất để thực hiện nhận dạng các công trình xây dựng. Quá
trình này được mô tả như sau:
Độ cao: tiến hành xác định Mô hình số bề mặt (DSM) và Mô hình số địa
hình (DTM) thông qua việc xử lý dữ liệu Lidar. Kết quả thu nhận được từ Mô
39
hình số bề mặt bao gồm cả giá trị độ cao của các công trình xây dựng và độ cao
của thảm thực phủ.
Thông tin phổ: dựa trên phân tích các thông tin về phổ từ ảnh hàng không
màu, dựa trên các chỉ số thực vật, tiến hành phân loại và thu được các vùng
không có thực phủ và các vùng có thực phủ.
Cấu trúc: thông tin về cấu trúc được lấy từ ảnh hàng không. Sử dụng Ma
trận xuất hiện mức độ độ xám để phân tích cấu trúc ảnh (GLCM). Đây là ma
trận liên quan tới tần số xuất hiện các điểm ảnh (pixel) so với các điểm ảnh
(pixel) gần nhất. Ngoài ra còn sử dụng hàm Entropi và tính đồng nhất như là các
chỉ số của xác suất xuất hiện các điểm ảnh (pixel). Vai trò của thông tin về cấu
trúc là để tách biệt giữa các công trình xây dựng và thảm thực phủ khi các đối
tượng phân loại có giá trị tương đương về phổ.
Độ nhám (gồ ghề): độ nhám của bề mặt thu nhận từ dữ liệu Lidar nhằm
mục đích phân biệt giữa các đối tượng vùng thực vật và không phải là thực vật.
Cũng tương tự như thông tin về cấu trúc của ảnh, có thể sử dụng các chỉ số về
độ dốc, độ lồi lõm của bề mặt để tách biệt được giữa các công trình xây dựng và
các vùng thực phủ khi mà giá trị thu nhận từ phổ của ảnh giữa các đối tượng là
tương đương nhau.
Hình dạng: thuộc tính của hình dạng bao gồm kích thước và tỷ số giữa
chiều dài và chiều rộng của đối tượng. Thông thường cần sử dụng một ngưỡng
về diện tích để lọc ra những đối tượng quá nhỏ. Điều này có nghĩa là những
vùng có diện tích rất nhỏ, dưới ngưỡng đặt ra thì không được phân loại vào các
đối tượng thuộc các công trình xây dựng. Các đối tượng có tỷ số giữa chiều dài
và chiều rộng phù hợp được chuyển vào lớp đối tượng thuộc các công trình xây
dựng. Những đối tượng không được xếp vào các lớp đối tượng thuộc các công
trình xây dựng khi mà tỷ số giữa chiều dài và chiều rộng lớn hơn ngưỡng đặt ra.
40
Hình 2.5 Tìm kiếm, nhận dạng công trình xây dựng
b. Tái lập các công trình xây dựng trên bản đồ 3D
Quá trình dựng lại mô hình các công trình xây dựng bắt đầu khi đã có kết
quả nhận biết ranh giới riêng biệt của các công trình từ bước trước đó. Quá trình
này bao gồm 4 nhiệm vụ: (1) định dạng các mặt 3D, (2) tìm kiếm ranh giới của
các công trình xây dựng, (3) xác định các đường ranh giới của các công trình
xây dựng, (4) dựng lại các công trình xây dựng.
Định dạng các mặt 3D: nhiệm vụ thứ nhất trong quá trình xây dựng mô
hình của các công trình xây dựng là xác định được các mặt 3D từ dữ liệu Lidar.
Việc xác định các mặt phẳng tam giác dựa trên sự kết hợp của các điều kiện về
tính đồng phẳng và sự so sánh giữa các điểm láng giềng gần nhất trong lưới
điểm tam giác của dữ liệu Lidar. Có 2 thông số để xác định các mặt phẳng tam
giác trong lưới tam giác: (1) dựa vào góc được tạo thành giữa 2 vector liền kề,
(2) dựa vào chênh cao giữa các điểm lưới. Dựa trên tiêu chuẩn đồng phẳng,
người ta sử dụng thuật toán khớp điểm theo nguyên lý số bình phương nhỏ nhất
để xác định các mặt 3D.
Tìm kiếm ranh giới của các công trình xây dựng: sau khi định dạng được
các mặt 3D, tiến hành tìm kiếm ranh giới của các công trình xây dựng từ dữ liệu
Lidar đã được Raster hoá. Tiến hành đặt các hệ số về độ dài để gỡ bỏ các đoạn
thẳng quá ngắn. Các đường thẳng là ranh giới của công trình xây dựng bao
41
gồm cả thông tin về độ cao, chúng có liên quan mật thiết tới các mặt 3D đã được
xác định ở bước trên.
Xác định các đường ranh giới của các công trình xây dựng: trên nền ảnh
trực giao, người ta xây dựng được các đường ranh giới 2D. Kết hợp giữa dữ liệu
về độ cao từ các mặt 3D đã được xác định ở trên và dữ liệu về mặt bằng từ ảnh
hàng không trực giao, người ta dựng được ranh giới 3D của các công trình xây
dựng bằng việc.
Hình 2.6 Xác định ranh giới công trình xây dựng
Cắt, nối, dựng mô hình công trình xây dựng: phương pháp này tiến hành
cắt bỏ, nối lại các đoạn thẳng tạo nên các đối tượng đồ hoạ dạng vùng cho ranh
giới của các công trình xây dựng. Tiếp theo, sử dụng thông tin về độ cao đã
được xác định của mái công trình xây dựng để tiến hành dựng lại các mô hình
3D cho từng công trình xây dựng khác theo các nguyên tắc thể hiện bản đồ để
thành lập bản đồ 3D khu vực đô thị.
Hình 2.7 Xây dựng mô hình 3D của các công trình xây dựng
42
2.2. Phương pháp hiển thị các đối tượng trên bản đồ 3D
2.2.1. Phương pháp hiển thị các đối tượng 3D
Cấu trúc cơ bản của bản đồ 3D:
Hình 2.8 mô tả bản đồ 3D bao gồm hai thành phần chính là mô hình số địa
hình và các đối tượng địa hình, đối tượng địa vật có thể hiện chiều cao trên đó.
Hình 2.8: Mô tả mô hình số địa hình và các đối tượng trên nó
Mô hình số địa hình là một nội dung rất quan trọng của bản đồ 3D. Tất cả
các yếu tố nội dung khác của bản đồ đều được thể hiện trên nền mô hình số địa
hình.
Thể hiện đối tượng địa hình 3D thành hai nhóm:
Các đối tượng nằm ngay trên bề mặt địa hình bao gồm các đối tượng dạng
đường, vùng, điểm không có thể tích nằm ngay trên bề mặt DTM như đường
giao thông, bãi đất trống, bãi cỏ, điểm khống chế ...
Các đối tượng nằm nổi trên bề mặt địa hình bao gồm nhà, các công trình
xây dựng, tường rào, các loại dây dẫn, các đối tượng thực vật... có chiều cao
tương đối lớn so với mặt địa hình.
Nguyên tắc xây dựng và sử dụng ký hiệu:
Trong việc thể hiện nội dung bản đồ 3D, khi đối tượng được chọn thể hiện
theo xu hướng ký hiệu hóa cao (symbolised) chứ không theo nguyên tắc hiển thị
hình ảnh thực (photorealistic) thì cần cố gắng sử dụng các ký hiệu tương tự với
43
bản đồ 2D đã quen thuộc với người dùng bản đồ. Tuy nhiên trên bản đồ truyền
thống chỉ sử dụng số lượng màu hạn chế để đơn giản hóa quá trình in ấn, còn
bản đồ địa hình 3D có ưu thế của bản đồ số với khả năng sử dụng màu sắc đa
dạng hơn cho hệ thống ký hiệu của mình.
Dữ liệu thuộc tính:
Dữ liệu thuộc tính của các đối tượng này cần phải được thu thập và gắn kết
với dữ liệu đồ họa một cách thống nhất theo nguyên tắc của hệ thống thông tin
địa lý (GIS). Các thuộc tính của đối tượng có thể là cả định lượng lẫn định tính.
Các công cụ của GIS cho phép thực hiện các phép phân tích dựa trên các dữ liệu
này một cách hiệu quả hơn. Các dữ liệu thuộc tính có thể được sử dụng để điều
khiển cách hiển thị của đối tượng theo các nguyên tắc bản đồ.
Tóm lại, cấu trúc của bản đồ 3D bao gồm nền địa hình, dữ liệu đồ họa của
các đối tượng địa hình, dữ liệu thuộc tính gắn với dữ liệu đồ họa này và tất cả
được hiển thị trong môi trường 3D theo nguyên tắc bản đồ.
2.2.2. Mô hình số địa hình
Mô hình số địa hình thường được thể hiện ở hai dạng TIN hoặc GRID.
TIN là từ viết tắt của mạng tam giác không đều (Triangulated Irregular
Networks). Đây là mô hình dạng vector, có cấu trúc topo mạng đa giác khá phức
tạp, lấy điểm làm đơn vị và xét xem mỗi điểm sẽ được kết nối với các điểm liền
kề nào để tạo ra tam giác. TIN là một tập hợp của các tam giác liền kề, không
chồng đè, không có tam giác đảo (tam giác nằm bên trong một tam giác khác),
được tạo nên từ các điểm phân bố không đồng đều với tọa độ X, Y và giá trị Z.
Mô hình TIN với cấu trúc dữ liệu dạng vector dựa trên các điểm, đường và vùng
có phân bố không đồng đều và thường được chia ra thành các tập hợp điểm
(masspoints) và các đường breakelines. Mô hình TIN thường được xây dựng áp
dụng thuật toán Delaunay để tối ưu hoá việc thể hiện bề mặt địa hình. Ý tưởng
chủ đạo của thuật toán này là tạo ra các tam giác mà xét một cách tổng thể càng
có dạng gần với tam giác đều càng tốt. Nói một cách chính xác hơn thì tam giác
44
Delaunay là tam giác thoả mãn điều kiện đường tròn ngoại tiếp bất kỳ một tam
giác nào đều không chứa bên trong nó đỉnh của các tam giác khác. Mô hình TIN
khá phức tạp khi xử lý nhưng nó cũng tránh được việc lưu trữ thừa thông tin và
có khả năng mô tả các biến đổi địa hình phức tạp.
Đối với mô hình số địa hình dạng lưới ô vuông quy chuẩn hay ma trận độ
cao (altitude matrix), các điểm độ cao được bố trí theo khoảng cách đều đặn trên
hướng tọa độ X,Y để biểu diễn địa hình. Trong mô hình số độ cao dạng này tọa
độ mặt phẳng của một điểm mặt đất bất kỳ có độ cao Z (Zij) được xác định theo
số thứ tự (i, j) của ô lưới trên hai hướng.
Mô hình số địa hình dạng lưới đều là một mô hình bề mặt có cấu trúc đơn
giản, dễ xử lý. Độ chính xác được xác định bởi khoảng cách mắt lưới và để tăng
độ chính xác phải giảm khoảng cách giữa các mắt lưới. Các đối tượng đặc trưng,
chẳng hạn các đỉnh hay các đường phân thuỷ không thể được miêu tả chính xác
hơn độ rộng của mắt lưới. Đối với các vùng bằng phẳng, không hiệu quả khi lưu
trữ ở dạng lưới đều, còn ở vùng độ cao biến đổi phức tạp mô hình GRID khó có
thể diễn tả được các chi tiết này nếu không có giảm đáng kể về kích cỡ ô lưới.
Mỗi một dạng mô hình số địa hình dạng GRID hay TIN đều có những ưu
điểm và nhược điểm nhất định. Có một số ứng dụng thì cần mô hình số địa hình
ở dạng GRID, một số ứng dụng khác lại cho kết quả tốt hơn nếu có mô hình số
địa hình dạng TIN. Nhiều thuật toán phân tích dòng chảy tính toán lưu vực sông
hay phân tích thuỷ văn các vùng ngập lụt được phát triển trên mô hình GRID.
Còn nếu trong các ứng dụng cụ thể nào đó mà các thông tin vi địa hình (micro
relief information) được coi là quan trọng thì mô hình TIN có thể tỏ ra có ưu thế
hơn.
Hai dạng TIN và GRID của mô hình số địa hình có thể được chuyển đổi
qua lại lẫn nhau, các phần mềm hiệ có đều cung cấp công cụ để thực hiện quá
trình chuyển đổi này. Đối với dữ liệu điểm Lidar thì việc xây dựng mô hình số
địa hình được thực hiện nhanh chóng, chính xác và có mức độ chi tiết cao hơn
45
so với mô hình số địa hình được thành lập từ các nguồn dữ liệu khác như ảnh
hàng không, ảnh vệ tinh lập thể, ảnh giao thoa radar, bản đồ địa hình…
2.2.3. Các đối tượng địa hình 3D
Các đối tượng nằm ngay trên bề mặt địa hình dạng đường như sông, suối,
đường giao thông, dạng điểm như các điểm khống chế có thể được mô tả bằng
các dữ liệu 2D hoặc 3D. Đối với dữ liệu 3D chúng có thể được thể hiện độc lập
và chính xác vị trí của mình trong môi trường không gian ba chiều, không phụ
thuộc vào dữ liệu bề mặt địa hình làm nền cho chúng. Trường hợp nếu các đối
tượng này chỉ có tọa độ X, Y chúng cũng có thể được bổ sung tọa độ Z từ mô
hình số địa hình bằng một phép chiếu vuông góc đơn giản. Các đối tượng dạng
vùng như các bãi cát, bãi cỏ, sân ...thường chỉ có tọa độ X, Y. Để thể hiện trong
không gian ba chiều chúng sẽ được đẩy lên bề mặt địa hình và được thể hiện
bằng các ký hiệu tương ứng.
Các đối tượng nằm nổi trên bề mặt địa hình có độ cao riêng gồm nhóm các
đối tượng dạng vùng như nhà và các công trình xây dựng, các đối tượng dạng
đường như hàng rào, tường vây, các loại đường dây truyền tải, các đối tượng
dạng điểm như cột điện, cây cối. Các đối tượng này có cấu trúc phức tạp hơn.
Để mô tả chúng ngoài tọa độ X, Y cần có các giá trị độ cao: giá trị Z là độ cao
của mặt địa hình tại vị trí (X,Y) của đối tượng và giá trị h là độ cao riêng của đối
tượng so với mặt địa hình hoặc độ cao thực H của đối tượng trong không gian ba
chiều.
Trên các bản đồ 3D, chi tiết của các khu đô thị, nhà và các khối nhà là
nhóm đối tượng được quan tâm rất nhiều về cách thể hiện. Nhóm đối tượng này
khá đa dạng về cấu trúc hình học. Chúng có thể được thể hiện chi tiết bằng các
mô hình 3D thực mà mỗi nút đều mang giá trị X, Y, H hoặc được khái quát hoá
ở các mức độ khác nhau phụ thuộc vào mức độ chi tiết thể hiện (LoD - level of
detail). Một cách thể hiện đơn giản nhất là nhà được đẩy lên từ đường viền đáy
nhà nằm trên mặt địa hình một khoảng bằng chiều cao riêng h của nhà thành một
46
hình hộp.
Đối với công nghệ Lidar thì chúng ta có tập hợp các điểm có giá trị mặt
bằng và độ cao rất chi tiết, từ đó cũng có mô hình số địa hình và mô hình số bề
mặt cũng rất chi tiết và chính xác, do đó việc thể hiện các công trình xây dựng
trên bản đồ 3D là đảm bảo được mức độ chi tiết rất cao.
Hình 2.9 Mô tả nhà trong bản đồ 3D được hiện thị một cách đơn giản trên nền
mô hình số địa hình
2.2.4. Phân tích và lựa chọn mức độ chi tiết cho các đối tượng hiển thị 3D
Quá trình xây dựng bản đồ 3D có thể chia thành hai bước chính cũng tương
tự như khi làm sa bàn, đầu tiên phải tạo khung, sau đó mới phủ lên trên các lớp
màu và gắn thêm các đối tượng khác. Cụ thể là:
Bước 1: Xây dựng mô hình hình học (modeling) bao gồm xây dựng mô
hình số địa hình và mô hình hoá các đối tượng địa hình 3D. Bước này sẽ quyết
định độ chi tiết của các đối tượng như độ chính xác của mô hình số địa hình,
những chi tiết nào của bề mặt đất có thể bỏ qua, những công trình kiến trúc nào
phải được thể hiện và thể hiện đến mức nào, những tiểu tiết nào có thể được khái
quát hoá
47
Bước 2: Hiển thị trực quan (visualisation) các đối tượng của mô hình.
Khi thiết kế mô hình mô phỏng thế giới thực người thiết kế khó có thể xây
có được một mô hình giống thế giới thực 100%. Mô hình càng giống với thực tế
thì dung tích dữ liệu càng lớn và tốc độ hiển thị càng chậm và chi phí xây dựng
mô hình càng cao. Khái niệm cấp độ chi tiết (LoD - Level of Detail) được đưa ra
để diễn tả mức độ chi tiết, sự giống nhau giữa mô hình bản đồ 3D và thế giới
thực. Bước này sẽ quyết định về mặt hình thức đối tượng sẽ được thể hiện giống
với hình ảnh thực đến mức nào. Có hai xu hướng thể hiện trái ngược nhau. Một
là ký hiệu hoá tối đa các đối tượng theo các nguyên tắc bản đồ: symbolised. Hai
là cố gắng thể hiện các đối tượng càng giống với hình ảnh thực càng tốt:
photorealistic. Thí dụ ở cách thứ nhất một ngôi nhà bê tông được qui định thể
hiện đơn giản là một khối màu xám, ở cách thứ hai nó được chụp ảnh ở tất cả
các bề mặt và các ảnh này được đính lên từng bề mặt của mô hình ngôi nhà.
Người thiết kế phải chọn được một điểm dừng hợp lý giữa hai xu hướng này.
LoD áp dụng ở bước xây dựng mô hình số địa hình, mô hình hình học các
đối tượng 3D và ở bước hiển thị trực quan phải đồng đều.
Nhiều ý kiến cho rằng trong một bản đồ địa hình 3D lý tưởng, mỗi đối
tượng phải có nhiều cách thể hiện khác nhau (multi-presentation – multi-LoD)
cho các mức độ chi tiết khác nhau. Một số đề xuất về LoD đã được đưa ra cho
một mô hình như thế, trong đó dữ liệu được chia thành các mảnh nhỏ (tile). Ba
bộ dữ liệu ở ba cấp độ chi tiết (độ chi tiết cao, trung bình và thấp) được lưu trữ
cho từng mảnh nhỏ đó. Để tạo ra một hình ảnh phối cảnh của mô hình, mỗi
mảnh nhỏ sẽ được thể hiện ở một cấp độ chi tiết nhất định phụ thuộc vào khoảng
cách từ vị trí theo dõi đến mảnh đó. Cần phải có phương án xử lý thật tốt khi
hiển thị ở khu vực ranh giới giữa hai mảnh có cấp độ chi tiết khác nhau. Một
khó khăn khác khi xây dựng một mô hình như thế là dung lượng dữ liệu sẽ tăng
rất nhanh cùng với số cấp độ chi tiết được lưu trữ.
48
Hình 2.10 Cấp độ chi tiết LoD đối với các đối tượng nhà, khối nhà
Mối liên hệ giữa khái niệm tỷ lệ của bản đồ 2D và LoD của bản đồ 3D có
nhiều điểm tương đương. Chúng đều liên quan đến độ chính xác và mức độ khái
quát hoá của các đối tượng.
Đối với bản đồ 3D, độ chi tiết, độ chính xác của mô hình số địa hình phải
tương đồng với cách thể hiện của các đối tượng nằm trên bề mặt địa hình.
Ở các tỷ lệ nhỏ, trên bản đồ 2D rất nhiều đối tượng được thể hiện nửa tỷ lệ
hoặc phi tỷ lệ. Trên bản đồ 3D tỷ lệ nhỏ, độ cao riêng (h) hay độ rộng, độ dài
trên mặt phẳng ngang của các đối tượng nằm trên bề mặt địa hình thường là
không đáng kể so với độ chính xác, hay chênh cao của mô hình số địa hình.
Người xem không có ấn tượng nhiều khi xem chúng được dựng lên trong môi
trường 3D cho một khu vực rộng đúng như kích thước thực của một tờ bản đồ tỷ
lệ nhỏ. Các đối tượng nổi trên mặt đất dường như nằm ép sát xuống mặt địa
hình. Ở các tỷ lệ lớn, chúng nổi lên và cho người khảo sát ấn tượng rõ ràng hơn.
49
CHƯƠNG 3
ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ LIDAR
THÀNH LẬP BẢN ĐỒ 3D THÀNH PHỐ BẮC GIANG
3.1. Khái quát chung về khu vực thử nghiệm, hệ thống máy quét Lidar
3.1.1. Khái quát chung về khu vực thử nghiệm a. Vị trí địa lý Khu vực TP. Bắc Giang nằm trong phạm vi:
Từ 21015'37,5” đến 21019'22,5” độ vĩ Bắc. Từ 106008'15” đến 106013'44,5” độ kinh Đông.
Khu vực thử nghiệm nằm trong phạm vi mảnh bản đồ địa hình tỷ lệ
1/2.000, có phiên hiệu mảnh là F-48-69-102-a. Tại khu vực này có địa hình đồi
núi xen kẽ đồng bằng và các khu dân cư ven đồi, ven đường giao thông. Trong
phạm vi khu vực thử nghiệm có khoảng 1500 nóc nhà.
Khu vực thành phố Bắc Giang có hệ thống giao thông tương đối thuận lợi,
có các hệ thống đường liên thôn, xã, huyện và tỉnh tạo thành mạng lưới giao
thông dày đặc. Địa vật nhà cửa đang trong quá trình quy hoạch, xây dựng và có
nhiều biến động.
Khu vực Bắc Giang đang được đầu tư xây dựng nhiều khu công nghiệp
liên doanh với nước ngoài. Khu vực đô thị ngày càng được mở rộng và các khu
dân cư ngoại thành đang phát triển theo hướng tập trung, đô thị hóa.
Bản đồ hành chính thành phố Bắc Giang
50
b. Hiện trạng thông tin tư liệu trong khu đo
- Tư liệu điểm tọa độ nhà nước hạng I: 10402
- Tư liệu điểm địa chính cơ sở:
Bảng3.1: Tư liệu các điểm địa chính cơ sở.
93473 105407 105439 105468 105497 92576 93474 105408 105440 105469 105498 92577 93475 105409 105441 105471 105499 92580 93476 105413 105442 105472 105502 93453 104508 105423 105452 105479 105509 93457 104509 105424 105453 105480 105510 93458 104510 105425 105454 105483 105511 93459 104511 105426 105455 105484 105512
- Tư liệu điểm độ cao:
Tuyến độ cao hạng I bao gồm: I(LS-HN) 21, 24, 25, 27, 29, 30, 33
Ngoài ra trong khu vực còn có các tuyến độ cao hạng III khác.
Các điểm địa chính cơ sở và các điểm độ cao nhà nước trên đảm bảo yêu
cầu sử dụng làm các điểm gốc cho công tác xây dựng lưới khống chế ngoại
nghiệp phục vụ công tác bay chụp và là các điểm gốc để xây dựng các điểm
khống chế cho các bãi hiệu chỉnh bay quét Lidar.
- Tư liệu bản đồ địa hình:
Bản đồ địa hình tỷ lệ 1/250.000 theo lưới chiếu UTM do Cục Đo đạc và
Bản đồ Nhà nước (nay là Bộ Tài nguyên và Môi trường) in lại năm 1991.
Bản đồ địa hình tỷ lệ 1/50.000 UTM do Cục bản đồ Bộ Tổng Tham mưu
in lại năm 1978 gồm các mảnh: 6251-I,II,III,IV; 6250-III.
Bản đồ địa hình tỷ lệ 1/50.000 dạng giấy và số hệ toạ độ VN 2000 do
Tổng cục Địa chính thành lập năm 2000. Bản đồ được số hoá, chuyển hệ và hiện
chỉnh từ bản đồ tỷ lệ 1/50.000, GAUSS, gồm các mảnh: F-48-69-A,B,C.
Các điểm tọa độ, độ cao nêu trên đảm bảo cho việc sử dụng làm điểm gốc
để đo nối tọa độ, độ cao phục vụ bay quét Lidar.
Dữ liệu bản đồ địa hình tỷ lệ 1/50.000, được sử dụng làm tài liệu dùng để
thiết kế.
51
3.1.2. Quy trình và hệ thống máy quét Lidar sử dụng trong khu vực
Sơ đồ 3.1: Quy trình công nghệ thành lập bản đồ 3D từ dữ liệu Lidar
Khảo sát, thiết kế
Đo đạc ngoại nghiệp: - Thiết lập cơ sở toán học. - Xây dựng bãi chuẩn hiệu chỉnh. mặt phẳng và độ cao. - Đo nối trạm base.
Bay quét Lidar kết hợp chụp ảnh số
Xử lý dữ liệu
- Xử lý thô, kiểm tra độ gối phủ dữ liệu. - Xác định quỹ đạo đường bay và các thông số định vị tia quét. - Xác định các nguyên tố định hướng ngoài của ảnh. - Xác định tọa độ các điểm phản hồi xung laser trong hệ tọa độ
WGS84. - Xử lý làm khớp các giải bay và tuyến bay chặn. - Chuyển kết quả sang hệ quy chiếu và hệ tọa độ VN-2000. - Xử lý mặt phẳng và độ cao theo các điểm hiệu chỉnh của bãi
chuẩn.
Xây dựng mô hình số độ cao và tạo bình đồ trực ảnh
- Lọc điểm phân loại dữ liệu Lidar thành các lớp bề mặt đất (ground) và không phải bề mặt đất (Non-ground).
- Tạo ảnh cường độ. - Xây dựng DEM sơ bộ. - Nắn ảnh trực giao (TrueOrtho) thành lập bình đồ trực ảnh trong hệ
VN-2000. - Chuẩn hóa dữ liệu DTM. - Xây dựng DTM chính xác theo khuôn dạng phần mềm sử dụng. - Chuyển đổi định dạng file, xây dựng DTM theo mô hình GRID. - Xây dựng mô hình số bề mặt.
52
Xây dựng mô hình nhà cửa, các đối tượng khác, lập bản đồ 3D - Số hóa các đối tượng dân cư, giao thông, thủy hệ, thực phủ, đường
dây… - Chuyển đổi các đối tượng sang dạng 3D trên nền DTM. - Dựng các mô hình 3D trên nền DTM. - Gán các ký hiệu thực phủ, cây cối, giao thông, đường dây… - Gán các thông tin thuộc tính cho các đôi tượng. - Hoàn thiện bản đồ 3D.
Hệ thống LiDAR Harrier56 gắn máy ảnh số AIC của hãng Toposys -
Cộng hoà liên bang Đức là một hệ thống LiDAR được thiết kế cho mục đích bay
quét ở vùng công trình, đô thị có độ cao bay 100-1000m, phù hợp với điều kiện
địa hình các đô thị Việt Nam.
Thông số kỹ thuật của hệ thống LiDAR Harrier56:
- Loại máy quét: Riegl LMS-Q560.
- Độ cao bay: 850 m.
- Độ chính xác điểm độ cao: < 0.15 m.
- Độ chính xác điểm mặt phẳng: < 0.25 m.
- Trường nhìn: 45 độ tới 60 độ.
- Tần số quét: 160 Hz.
- Tốc độ đo: 133.000 Hz.
- Bước sóng: 1,550 nm.
- Tín hiệu phản xạ tối đa: 4 mức truyền/một tia.
- Đo được điểm trên mặt nước (tín hiệu phản hồi khi gặp mặt nước).
- Số lượng điểm đo: tới 200.000 điểm/giây.
- Tốc độ bay 160km/h.
- Mật độ điểm là khoảng 2 điểm/m2.
- Hệ thống định vị: Applanix POS/AV 410.
- Độ chính xác IMU:
0.008/0.008/0.015/0.005 - roll/pitch/heading/velocity.
- GPS: 12 kênh, 2 tần số.
53
- Nguồn điện: 28v DC, 15A max.
Thông số kỹ thuật máy chụp ảnh số Rollei AIC:
- Loại máy: Rollei AIC P45.
- Mảng ghi: 39 Mega pixel.
- Kích thước mảng CCD: 5428x7228 pixel.
- Tiêu cự: 51,382 mm.
- Kênh màu: R,G,B,NIR.
- Tốc độ ghi tối đa cho một ảnh: 2.5 s.
- Tốc độ cửa mở: 125-1000.
Máy bay chụp ảnh:
- Sử dụng máy bay AN2, có tốc độ trung bình 160 km/h, thời gian tối đa
cho 1 ca bay là 4 giờ 30 phút.
3.2. Công tác chuẩn bị, bay quét và xử lý dữ liệu Lidar
3.2.1. Công tác chuẩn bị
Xác định sân bay: Gia Lâm - Hà Nội.
Đảm bảo thông tin thời tiết hàng ngày, có những thông tin chi tiết về sự
thay đổi khí tượng trong vùng trực bay. Mặt khác cần chủ động tổ chức quan sát
trực tiếp thông tin khí tượng trong vùng bay để quyết định chính xác ca bay.
Chuẩn bị các trang thiết bị, máy móc phục vụ đo GPS tại các trạm Base;
các máy thủy chuẩn để đo nối độ cao cho các điểm Base, các điểm trong bãi
hiệu chỉnh.
3.2.2. Bay quét Lidar
a. Thiết kế và quy định kỹ thuật đo điểm trạm Base
Các điểm trạm Base sẽ được đo GPS đồng thời trong quá trình bay quét
LIDAR. Điểm trạm base phải đảm bảo đủ điều kiện kỹ thuật đo GPS, phải
thông thoáng, đo được thời gian dài, có điều kiện cung cấp về nguồn điện, đi lại
sinh hoạt dễ dàng.
Khoảng cách từ điểm Base đến mép khu vực bay quét tối đa là 30km. Độ
54
chính xác xác định điểm trạm Base về mặt phẳng là: 0,1m và độ cao tương
đương thủy chuẩn hạng IV trở lên. Tọa độ phẳng được đo nối bằng GPS, độ
cao được đo nối bằng thuỷ chuẩn hình học hạng IV.
Công tác đo nối trạm base về mặt phẳng được thực hiện bằng đo GPS,
điểm khởi tính là các điểm toạ độ nhà nước và điểm địa chính cơ sở theo đồ
hình lưới tam giác. Thời gian đo tối thiểu không ít hơn 1h30’. Trong khu đo sử
dụng 02 điểm trạm Base.
Công tác đo nối trạm base về độ cao được thực hiện bằng đo thuỷ chuẩn
hạng IV, điểm khởi tính là các điểm độ cao nhà nước.
Trong quá trình bay quét Lidar phải tiến hành đặt máy thu GPS 2 tần số
thu tín hiệu liên tục tại các trạm Base với thời gian giãn cách thu tín hiệu
1epoch/1 giây trong suốt thời gian bay quét. Máy thu GPS phải được bật và thu
tín hiệu trước thời điểm máy bay nổ máy và chỉ tắt sau khi máy bay tắt máy và
có lệnh của người phụ trách tổ trực máy bay.
b. Đo bãi hiệu chỉnh mặt phẳng và độ cao
Để đảm bảo độ chính xác yêu cầu trong công tác bay quét LiDAR, mỗi
khu bay chụp phải có các bãi hiệu chỉnh mặt phẳng và độ cao. Các điểm hiệu
chỉnh mặt phẳng và độ cao nhằm mục đích kiểm tra và hiệu chỉnh dữ liệu
LiDAR.
Các bãi đo điểm hiệu chỉnh mặt phẳng và độ cao được chọn là khu vực
trung tâm và các góc khu bay.
Bãi hiệu chỉnh cho các khu bay được thiết kế như sau:
- Khu bay Bắc Giang thiết kế 3 bãi hiệu chỉnh, trong đó: 2 bãi hiệu chỉnh
cả mặt phẳng và độ cao, bãi thứ 3 chỉ hiệu chỉnh về mặt phẳng.
Mỗi bãi hiệu chỉnh cần đo khoảng 5-10 nhà, sân, bể,… hoặc 5-10 góc bờ
ruộng (đo cả góc và bờ ruộng dài 6-10m) hoặc kết hợp đo cả nhà và bờ ruộng
tùy theo địa hình khu vực cụ thể. Độ chính xác xác định vị trí của điểm hiệu
chỉnh so với điểm khống chế gần nhất ≤ 0,15m.
55
Mỗi bãi cần đo tối thiểu từ 5-10 điểm độ cao. Độ chính xác xác định độ
cao điểm hiệu chỉnh so với điểm khống chế gần nhất ≤ 0,15m.
Vị trí bãi hiệu chỉnh cho các khu bay:
c. Đo nối lưới khống chế cơ sở phục vụ đo chi tiết bãi hiệu chỉnh mặt
phẳng và độ cao
Khu bay Bắc Giang thiết kế 6 điểm: GPS48; GPS49; GPS50; GPS51;
GPS56; GPS57. Riêng đối với 2 điểm GPS48, GPS49 thiết kế phục vụ hiệu
chỉnh mặt phẳng nên không tiến hành đo nối độ cao hạng IV.
Độ chính xác xác định điểm khống chế đo vẽ về mặt phẳng là: 0,1m; về
độ cao từ độ cao hạng IV trở lên.
d. Đo chi tiết điểm hiệu chỉnh mặt phẳng và độ cao
Tại mỗi bãi hiệu chỉnh xác định tọa độ, độ cao tối thiểu 50 điểm trên mặt
đất và tối thiểu 5 đồ hình địa vật sắc nét có sự tương phản khác biệt lớn với các
địa vật xung quanh như nhà, sân, bãi cỏ. Khu Bắc Giang khoảng 150 điểm
- Chọn điểm hiệu chỉnh mặt phẳng:
Điểm hiệu chỉnh mặt phẳng là các điểm góc của các địa vật có hình dáng
sắc nét, rễ nhận biết, ổn định, rõ ràng như các nhà hình khối vuông vức có độ
lớn hơn 10m; các vườn hoa, sân có mầu sắc và chất liệu tương phản với xung
quanh hay các điểm góc của các lô đường rõ rệt, các giao cắt rõ nét của đường
bờ ruộng có mầu sắc tương phản với nền ruộng... Các điểm hiệu chỉnh mặt
phẳng có độ thông thoáng tốt trong quá trình bay quét LiDAR.
- Chọn điểm hiệu chỉnh độ cao:
Điểm hiệu chỉnh độ cao được chọn tại các vị trí bằng phẳng, có độ thông
thoáng tốt, trên nền chất liệu có độ cứng khá tốt như mặt sân gạch, sân bê tông,
mặt đường nhựa…
- Đo điểm hiệu chỉnh mặt phẳng và độ cao:
Điểm hiệu chỉnh mặt phẳng và độ cao được đo bằng máy toàn đạc điện tử
totalstation. Điểm khởi đo và điểm định hướng là các điểm trạm đo gốc điểm
56
hiệu chỉnh mặt phẳng và độ cao. Độ chính xác yêu cầu đo nối phải đạt về vị trí
mặt phẳng là 0,15m và độ cao là 0,10m cho khu vực lập DTM với độ chính xác
0,2m – 0,3m.
e. Thiết kế bay chụp
Để đảm bảo yêu cầu nhiệm vụ và độ chính xác của dữ liệu cũng như căn
cứ vào khả năng của hệ thống bay quét LiDAR-Harrier56. Thiết kế độ cao bay
850m, khoảng cách giữa các đường bay 500m, tốc độ máy bay 150-180km/h, độ
phủ dọc ảnh chụp 70%, độ phủ ngang 30%. Tỷ lệ ảnh trên mặt phẳng trung bình:
1/16400.
Khu bay Bắc Giang có diện tích bay chụp khoảng: 135km2 với 29 đường
bay (trong đó có 22 đường bay chính và 7 đường bay bổ sung), tổng chiều dài
bay khoảng 300km, tổng số giờ bay khoảng 8,5 giờ.
Hình 3.1 Sơ đồ tuyến bay quét Lidar khu vực thành phố Bắc Giang
3.2.3. Xử lý dữ liệu Lidar
a. Xử lý dữ liệu thô, kiểm tra độ phủ của dữ liệu:
- Trút toàn bộ dữ liệu sau khi bay quét và lưu vào máy chủ.
- Chuyển dữ liệu laser từ định dạng sdf sang sdc
57
- Tạo DSM kích thước raster 5m để kiểm tra độ phủ sau khi bay quét laser
và chụp ảnh số.
- Lập kế hoạch bay bù.
b. Xử lý số liệu GPS/IMU:
Sau khi bay quét, cần phải xử lý số liệu GPS/IMU để tính toán được toạ
độ của tâm máy quét, máy chụp ảnh, các dữ liệu định hướng của tia quét và ảnh
chụp trong suốt quá trình bay. Đồng thời kiểm tra được toàn bộ quá trình bay
quét có bị gián đoạn tín hiệu GPS hay không, sai số vị trí có đạt yêu cầu hay
không. Để xử lý số liệu GPS/IMU, cần qua các bước như sau:
- Lập project cho ca bay.
- Extract dữ liệu.
- Kiểm tra dữ liệu GPS, IMU trong quá trình bay quét.
- Chuyển đổi khuôn dạng dữ liệu GPS.
- Xử lý DGPS.
- Tạo ra file SBET (kết hợp dữ liệu GPS và IMU).
Kết thúc các bước xử lý trên, kết quả thu được gồm các file như sau:
- File Vnav + Event: Sử dụng để tính toán độ phủ.
- File SBET sử dụng để tính toán DSM, DTM và các nguyên tố định
hướng ngoài EO của ảnh.
- File txt (báo cáo) thống kê lại toàn bộ quá trình xử lý và các thông số
cuối cùng.
Đánh giá kết quả xử lý GPS/IMU chung toàn khu đo.
c. Xử lý nguyên tố định hướng ngoài (EO):
Các file EO sẽ được sử dụng để nắn ảnh trực giao (True Ortho), kiểm tra
độ phủ của ảnh và thiết lập mô hình khi đo vẽ lập thể ảnh trên trạm đo vẽ ảnh số.
File EO chứa các nguyên tố định hướng ngoài của ảnh và được tạo ra trong quá
trình xử lý bằng module Eopro trong gói phần mềm Topo_gui56.
- Tính toán EO cho mục đích kiểm tra độ phủ ảnh.
58
- Tính toán EO cho mục đích nắn ảnh trực giao (True Ortho).
- Sau khi xử lý, kết quả thu được sẽ là các file EO chứa các nguyên tố
định hướng ngoài theo hệ toạ độ địa tâm quốc tế WGS84.
d. Xử lý dữ liệu Laser, tạo DSM/DTM/ảnh cường độ xám:
Trong quá trình quét, sóng Laser được ghi nhận trong hệ tọa độ của thiết bị,
phần mềm RiAnalyse sử dụng để giải mã các dữ liệu gốc này. Các dữ liệu Laser
đã được giải mã này kết hợp với kết quả tính toán tuyến bay SBET.out (từ
POSPac) cho phép tạo bao phủ coverage (phục vụ kiểm tra bay quét) và các đám
mây điểm Point cloud (phục vụ tạo Intensity, DSM và DTM). Đây chính là
công đoạn tiền xử lý (preprocessing) LiDAR.
Các đám mây điểm được xắp xếp và lọc theo ô (tile) dưới dạng raster file
tạo DSM và DTM, các dữ liệu raster này được biên tập, kiểm tra để tạo ra các
sản phẩm của mô hình số DSM, DTM và phục vụ tạo ảnh true ortho
(postprocessing). Quá trình này được xử lý bằng phần mềm TOPPIT.
Công đoạn xử lý sóng laser bằng phần mềm RiAnalyse của hãng RIEGL
(môi trường windows) còn các module xử lý của TOPPIT thực hiện trong môi
trường LINUX thông qua xử lý các tập Batch files.
Các bước chính trong xử lý Laser:
- Chuyển đổi dữ liệu thô Laser từ *.SDF sang *.SDC:
- Xử lý Laser - tạo bao phủ (Coverage).
- Xử lý Laser - tạo đám mây điểm (Point cloud).
- Tạo mô hình số bề mặt (DSM).
- Bình sai, hiệu chỉnh mô hình mặt phẳng, độ cao (Laser adjustment)
- Tạo ảnh cường độ xám (Intensity).
- Tạo mô hình số (DSM RGBI) phục vụ nắn ảnh TrueOrtho.
- Tạo mô hình số địa hình (DTM).
e. Quy định kỹ thuật xử lý dữ liệu:
- Quỹ đạo đường bay được xác định thông qua việc xử lý trị đo GPS giữa
59
máy thu đặt tại trạm Base và máy thu đặt trên máy bay theo phần mềm kèm theo
thiết bị nhằm xác định ra toạ độ, độ cao của tâm antenna đặt trên máy bay tại
từng thời điểm thu tín hiệu GPS. Sai số trung phương vị trí điểm về mặt phẳng
và độ cao trung bình sau xử lý cho toàn khu đo phải nhỏ hơn 0.1m.
- Tọa độ, độ cao của bộ cảm biến IMU tại từng thời điểm đo được xác định
thông qua việc kết hợp dữ liệu đo IMU với quỹ đạo đường bay thông qua phép
lọc Kalman được sử dụng để tính tọa độ, độ cao của từng điểm phản hồi xung
Laser trong hệ WGS-84. Độ chính xác về độ cao của từng điểm phản hồi xung
Laser tạo thành đám mây điểm sau xử lý phải nhỏ hơn hoặc bằng 2/3 độ chính
xác của DTM cần lập.
- Phải sử dụng trị đo từ các đường bay chặn để bình sai khớp giữa các
tuyến bay chính và các đường bay chặn.
- Việc xử lý độ cao khớp với khu đo khống chế được thực hiện thông qua
hệ phương trình số hiệu chỉnh dạng vi= f(xi, yi, dx, dy, dh) + (hi-hi’) theo
nguyên tắc [vv] = min, trong đó:
+ xi, yi, hi là tọa độ, độ cao của tập hợp các điểm đo chi tiết được
xác định trực tiếp tại các bãi chuẩn;
+ hi’ là độ cao của điểm đo chi tiết xác định theo dữ liệu Lidar;
+ dx, dy, dh là các hệ số dịch chuyển cần hiệu chỉnh cho mô hình dữ
liệu Lidar theo dữ liệu bãi chuẩn hiệu chỉnh.
Được phép lựa chọn kiểu và số bậc của hàm f cho phù hợp với đặc thù của
kiểu dữ liệu để thu được số cải chính phù hợp nhất.
- Xác định tham số định hướng ngoài cho ảnh (trường hợp có kết hợp chụp
ảnh số): Được thực hiện bằng phần mềm kèm theo thiết bị. Cơ sở để xác định
các tham số định hướng ngoài là dữ liệu đo GPS, IMU và thời điểm lộ quang
của máy ảnh số. Các tham số định hướng ngoài được xác định theo hệ tọa độ
WGS-84.
- Sử dụng dữ liệu từ tầng phản hồi cuối cùng (Last Echo) làm cơ sở để tạo
60
DTM. Trong trường hợp cần tiến hành xây dựng mô hình số bề mặt (DSM) phải
thiết lập ảnh cường độ sử dụng tầng phản hồi đầu tiên (First Echo).
- Ảnh cường độ được tạo ra trong hệ tọa độ VN-2000 trên cơ sở sử dụng dữ
liệu cường độ phản hồi của tia Laser và được sử dụng trong việc phân loại dữ
liệu điểm. Giá trị các ô grid của ảnh được nội suy từ giá trị cường độ tại các
điểm Lidar rời rạc. Kích thước các ô grid được lựa chọn phù hợp với mật độ dữ
liệu của điểm Lidar và thường bằng khoảng cách trung bình giữa các điểm phản
hồi xung Laser.
- Việc phân loại dữ liệu tự động được thực hiện trên cơ sở kết hợp ảnh
cường độ, khảo sát thực địa và ảnh số chụp được (nếu có). Trước khi thực hiện
việc phân loại dữ liệu tự động cần đặc biệt lưu ý tới các đặc trưng cơ bản về địa
hình, địa mạo, công trình xây dựng, thủy văn, thực phủ, khu dân cư…. (Kích
thước tối đa, tối thiểu các công trình; chiều cao tối đa, tối thiểu của cây; vùng lỗi
do mặt nước; các điểm bị lỗi; các điểm trên không…).
Sau khi kết thúc công đoạn này phải tách được đám mây dữ liệu thành các
lớp khác nhau theo các tính chất riêng như: Lớp chứa điểm mặt đất, Lớp chứa
điểm thực phủ, Lớp chứa điểm trên mái nhà tường nhà và các công trình xây
dựng, Lớp chứa các điểm trên không, Lớp chứa các điểm bị lỗi, Lớp chứa các
điểm trên mặt nước…. Từ đó xây dựng ra lớp Ground và Non-Ground.
- Bình đồ trực ảnh được lập trên cơ sở ảnh số chụp đồng thời trong quá
trình bay quét Lidar được sử dụng làm cơ sở để chính xác hóa việc phân loại
đám mây dữ liệu điểm Lidar và đo vẽ thành lập bản đồ địa hình tại khu vực đó.
Mô hình để phục vụ cho nắn tạo ảnh ortho là mô hình số bề mặt kết hợp với các
nguyên tố định hướng ngoài của ảnh đã được xác định ở mục 5.
- Chỉnh sửa kết quả phân loại và kiểm tra đặc trưng địa hình được thực hiện
bằng phương pháp thủ công trên cơ sở kết hợp các nhóm lớp đã phân loại ở mục
8 và bình đồ trực ảnh. Trong quá trình thực hiện cần chia nhỏ khu vực và tiến
hành phân loại riêng cho từng khu vực đó.
61
- Trong quá trình chỉnh sửa kết quả phân loại cần đặc biệt lưu ý các khu
vực có cường độ Lidar yếu, các khu vực mặt nước vào thời điểm bay chụp.
Trong trường hợp cần thiết phải tiến hành đo đạc bổ sung tại thực địa bằng
phương pháp trực tiếp sử dụng các thiết bị toàn đạc điện tử, GPS động. Sai số độ
cao các điểm đo bổ sung không được vượt quá 2/3 độ chính xác của DTM cần
thành lập.
- Đo bổ sung ngoại nghiệp. Thông thường khi bay quét Lidar phải chọn
thời điểm các cánh đồng không bị ngập nước. Tuy nhiên, trong điều kiện bất khả
kháng, khi bay quét ở vùng ruộng bị ngập nước rộng lớn sẽ chỉ thị ngoại nghiệp
đo bổ sung độ cao mặt nước cho từng khu vực bị ngập nước.
3.2.4. Xây dựng mô hình 3D khu vực thử nghiệm
a. Tạo mô hình số địa hình, bề mặt
Dữ liệu Lidar thu nhận được của khu vực thử nghiệm sau khi xử lý như đã
nêu ở trên, bao gồm hàng triệu điểm có giá trị tọa độ và độ cao trong hệ tọa độ
cần thành lập bản đồ. Đối dữ liệu Lidar sau khi chia tách các tầng độ cao của
mảnh bản đồ F-48-69-102a tại khu vực thành phố Bắc Giang, chúng ta thu nhận
được dữ liệu mô hình số bề mặt và mô hình số địa hình cùng với nhà cửa, các
công trình xây dựng. Ở đây, dữ liệu mô hình số bề mặt bao gồm 1.345.195 điểm
tọa độ, độ cao của tầng dữ liệu phản hồi đầu tiên (fist-echo); dữ liệu tầng phản
hồi sau cùng có 1.343.493 điểm (last-echo), trong đó sẽ bao gồm các điểm nằm
trên bề mặt thực địa và các điểm nằm trên bề mặt các đối tượng cứng như nhà
cửa, công trình xây dựng (không bao gồm các dữ liệu điểm nằm trên bề mặt cây
cối…)
Dựa trên các dữ liệu điểm thu được, sử dụng module 3D Analyst của hệ
thống phần mềm ArcGIS để xây dựng mô hình số địa hình và mô hình số bề
mặt. Công việc này được tiến hành bằng công cụ Creat TIN from feature nhằm
lấy giá trị tọa độ và độ cao của tập hợp các điểm Lidar thu nhận được để nội suy
ra mô hình số bề mặt và mô hình số địa hình.
62
Hình 3.2: Dữ liệu các tầng phản hồi và mô hình số địa hình, bề mặt. b. Nắn ảnh trực giao Ngoài ra, tại khu vực còn thu nhận được ảnh hàng không. Đây là ảnh được
chụp đồng thời với quá trình bay quét Lidar. Để hỗ trợ cho công tác nhận dạng,
phân tích đoán đọc các đối tượng trên khu vực được được thuận lợi hơn và phục
vụ các công tác khác của việc thành lập bản đồ 3D, tiến hành nắn ảnh trực giao
chính xác TrueOrthophoto như sau:
- Sau khi bay chụp ảnh, số liệu ảnh số được thể hiện dưới dạng tif - format
ảnh nén (Raw compress image) của máy ảnh Rollei AIC P45.
- Nắn ảnh trực giao chính xác cho tất cả từng ảnh trong khu đo, số liệu đầu
vào cần có là: Mô hình số bề mặt DSM (độ phân phân giải 0.5 m), thông số định
hướng ngoài của các tấm ảnh (EO), ảnh đã phát triển. Kết quả cho ảnh nắn
khuôn dạng của TOPPIT. Độ phân giải của ảnh nắn tối đa bằng 1/2 độ phân giải
của DSM (trong công trình này Pixel size = 0.25 m). Loại ảnh này các địa vật
chênh cao (như nhà, vật kiến trúc, cây cối…) được đưa về đúng hình chiếu của
nó, tuy nhiên vẫn còn những vị trí không có giá trị độ xám (black pixel) do sự
xắp xếp lại các pixel trong quá trình nắn ảnh.
- Chuyển sang bước tiếp theo sẽ lần lượt ghép các ảnh trong từng dải với
nhau, sau đó ghép các dải trong khu đo với nhau để tạo thành một ảnh của cả
khu bay (project).
- Những vị trí black pixel sẽ được nội suy từ giá trị độ xám của độ phủ ảnh,
63
hoặc từ các giá trị xung quanh nếu khu vực này không có độ phủ. Độ lớn của
ảnh ghép cả khu vực có thể lên tới hàng chục, hàng trăm GB phụ thuộc vào dung
lượng bộ nhớ cho phép của máy tính.
- Bước cuối cùng là chương trình sẽ cắt ảnh ghép cả khu vực theo từng
mảnh bản đồ và chuyển đổi ảnh nắn sang dạng tif 16 bit.
Hình 3.3: Ảnh trực giao. c. Phủ ảnh trực giao trên nền mô hình số địa hình Có thể phủ ảnh lên trên nền mô hình số địa hình để tạo ra những nhận biết
rất thực về khu vực. Để hiển thị được các ảnh này trong mô hình lập thể của
ArcScene chúng cần phải được nắn chỉnh về cùng hệ tọa độ với các nội đúng
vector của bản đồ địa hình 3D.
Kỹ thuật phủ ảnh raster lên DTM nghiêng về xu hướng thể hiện hình ảnh
thực – photorealistic của bề mặt địa hình. Ảnh cũng sẽ che phủ các thang màu
của DTM nên tốt nhất khi phủ ảnh lên mặt DTM thì không hiển thị DTM. Các
đối tượng dạng đường và dạng điểm vẫn được thể hiện tốt trên nền ảnh phủ trên
mặt DTM. Tuy nhiên với các đối tượng dạng vùng thực vật, bề mặt DTM chỉ có
thể được phủ hoặc bởi các đối tượng vector dạng vùng hoặc bởi ảnh raster cho
64
nên tùy theo nhu cầu mà người dùng có thể chủ động bật tắt hay thay đổi thứ tự
thể hiện hoặc độ trong (transperancy) các đối tượng dạng vùng thực vật và của
ảnh raster để có thể quan sát tốt nhất nội dung được quan tâm.
Ảnh trực giao khi phủ lên DTM làm nền cho người quan sát cảm giác địa
hình khá ấn tượng nhất là khi chuyển động trong không gian ở độ cao tương đối
lớn.
Hình 3.4: Bản đồ và ảnh trực giao phủ trên mô hình số địa hình. c. Xây dựng các đối tượng nhà cửa, công trình xây dựng trên nền địa hình
3D. Trên bản đồ địa hình 3D, nhà có thể được thể hiện bằng các polygon đường
viền chân nhà gắn thuộc tính độ cao nhà, độ chịu lửa. Độ cao này được thu thập
từ kết quả của dữ liệu Lidar phản hồi cuối cùng (last-echo) như đã nêu ở trên.
Đầu tiên, lớp polygon nhà được phủ lên mặt DTM bằng công cụ Baseheight.
Hình 3.5: Các polygon nhà trong ArcMap.
65
Hình 3.6: Các polygon nhà trên nền DTM trong ArcSence. Sau đó, các khối nhà được dựng lên bằng công cụ Extrusion sử dụng độ cao
nhà đã được xây dựng từ dữ liệu last-echo. Chọn smooth shading và hide
backside cho việc chiếu sáng và tạo bóng của các khối nhà. Trong trường hợp
này các chi tiết về hình dáng mái và các tầng trên đều được khái quát hóa.
Hình 3.6: Các khối nhà 3D trên nền DTM trong ArcSence.
66
Hình 3.7: Các khối nhà được thể hiện bằng công nghệ 3D building
ở mức độ khái quát Tuy nhiên, có thể chọn lọc một số khối nhà quan trọng có tính định hướng cao để thể
hiện chi tiết hơn giữa các nhà bình thường được hiển thị theo nguyên tắc đơn giản nói trên.
Với công cụ 3D building có thể dựng khối nhà lên từ footprint và gán hình ảnh thật của các bề
mặt nhà lên đó. Để thực hiện việc thể hiện chi tiết khối nhà, trước hết cần chuẩn bị ảnh
*.BMP của các bề mặt nhà và mái nhà. Các dữ liệu ảnh trên được lấy từ ảnh
hàng không trực giao và ảnh chụp tại thực địa. Có thể lặp lại việc gán ảnh bề
mặt nhiều lần cho các nhóm nhà có hình ảnh bề mặt khác nhau. Kết quả có thể
cùng được lưu trữ dưới dạng *.LYR là dạng dữ liệu mặc định của ArcScene.
Cách thể hiện này đặc biệt phù hợp với các nhà cao tầng của các khu đô thị.
67
a. Hình ảnh ngoài thực địa
b. Hình ảnh 3D khái quát hóa
c. Hình ảnh 3D khi phủ ảnh hàng không lên DSM
d. Hình ảnh 3D chi tiết
Hình 3.8: Các khối nhà được thể hiện chi tiết. d. Thể hiện các đối tượng khác trên bản đồ
- Thuỷ hệ và các đối tượng liên quan
Sông hai nét được thể hiện như một đối tượng vùng trên bản đồ 2D. Trong
bản đồ địa hình 3D, đối tượng vùng này được phủ lên mặt DTM sử dụng công
cụ Baseheight và tô màu xanh nước biển nhạt. Ngoài ra đường viền sông hai nét
cũng được thể hiện trên mặt DEM bằng màu nước biển sẫm với mục đích làm
nổi bật đường bờ nước.
Sông một nét cũng được thể hiện nằm ngay trên mặt DEM bằng ký hiệu
dạng đường liên tục màu nước biển sẫm.
Sông suối chảy theo mùa thể hiện bằng hai ký hiệu. Một ký hiệu dạng
68
đường chạy liên tục màu nước biển nhạt. Thuộc tính của đối tượng được gắn vào
đường này. Ký hiệu thứ hai dùng cho mục đích hiển thị được drop từ dạng
đường nét đứt của sông suối chảy theo mùa trên bản đồ 2D, thể hiện bằng màu
nước biển đậm nằm trên đường chạy liên tục màu nước biển nhạt nói trên. Cả
hai ký hiệu này đều nằm ngay trên mặt DTM.
Đê cũng được thể hiện theo nguyên tắc tương tự. Các chi tiết về độ chênh
cao của đê được bổ sung vào DTM dựa trên các số liệu có được về đê như vị trí
mặt đê, vị trí chân đê, độ cao mặt đê, tỷ cao đê. Con trạch trên mặt đê nếu có
được thể hiện bằng một đối tượng dạng đường, thuộc tính về tỷ cao con trạch
được lưu trữ và được dùng cho công cụ Extrusion để dựng đường này lên vuông
góc với mặt đê (lúc này đã được bổ sung vào mặt DTM) đúng như đặc điểm của
con trạch trong thực tế.
Cống được thể hiện bằng đoạn thẳng đặt vuông góc với kênh mương bằng
màu đen. Các thông tin về tên kênh mương, tên cống, thiết bị điều tiết nước nếu
có được gắn vào bảng thuộc tính của cống.
- Giao thông và các đối tượng liên quan
Các đối tượng dạng điểm liên quan như trạm ghi, cột đèn hiệu, cột tín hiệu,
cột cây số, biển chỉ đường nếu có được dựng lên bằng công cụ Plan tree trên mặt
DTM dùng một hình ảnh tự thiết kế dạng *.BMP gần giống với hình ảnh thực.
Độ cao của các đối tượng này tuân theo qui định chuẩn của ngành giao thông.
Đường ô tô là một yếu tố được quan tâm rất nhiều đối với người dùng bản
đồ. Chúng được thể hiện là các đối tượng dạng vùng nằm ngay trên mặt DTM.
Phần trải mặt đường được thể hiện bằng ảnh thực của các loại chất liệu: bêtông -
nhựa, đá, đất hoặc bằng nền màu đơn giản. Trục phân tuyến, vỉa hè nếu có và đủ
rộng để thể hiện ở dạng vùng theo tỷ lệ bản đồ thì trải mặt bằng chất liệu thực tế
như nền cỏ thấp hay nền gạch. Nếu các trục phân tuyến chỉ là dạng đường thì
dùng Extrusion dựng chúng lên thành dải ngăn cách chạy liên tục.
Đường đất nhỏ và đường mòn được thể hiện bằng các đường một nét chạy
69
liên tục trên mặt DTM. Để phân biệt, hai loại đường này đường đất nhỏ thể hiện
bằng nét đen đậm, còn đường mòn màu xám. Ký hiệu nét đứt của đường mòn
được chuẩn bị trong môi trường đồ họa và hiển thị lên trên đường mòn màu xám
nhạt, chay liên tục.
Đường ô tô được gắn các thuộc tính: tên đường, chất liệu rải mặt, độ rộng
đường, độ rộng phần trải mặt.
Địa hình đắp cao xẻ sâu của đường được bổ sung và thể hiện bằng mặt
DTM.
- Các đối tượng kinh tế, văn hoá xã hội
Trên bản đồ 3D, ở mức độ chi tiết rất cao có thể thể hiện các đối tượng
kinh tế, văn hóa xã hội bằng mô hình 3D thực của đối tượng được chuẩn bị
sẵn trong môi trường đồ họa.
Ở mức độ chi tiết thấp hơn, các đối tượng văn hóa, kinh tế, xã hội có thể
được thể hiện bằng công cụ Plant tree sử dụng ảnh lấy từ các ký hiệu mẫu của
bản đồ địa hình 2D. Cách thể hiện này nghiêng về xu hướng ký hiệu hóa hơn.
Các đối tượng văn hóa, kinh tế, xã hội sau khi dựng lên được lưu lại
thành một file *.LYR dùng để hiển thị, các ký hiệu điểm gốc với các thuộc
tính như tên riêng của đối tượng cũng vẫn được giữ lại nhằm cung cấp thông
tin khi cần truy vấn.
- Đường dây điện và đường dây thông tin
Đường dây điện và đường dây thông tin sẽ được thể hiện độc lập bằng hai
loại đối tượng. Thứ nhất là các đối tượng dạng điểm thể hiện cột, chúng được
gắn các thông tin thuộc tính về chiều cao cột, cột cao thế hay hạ thế được điều
tra từ thực địa. Có hai nguyên tắc thể hiện các đối tượng dạng điểm này. Ở các
tỷ lệ nhỏ, cột được thể hiện với độ chi tiết – LoD thấp bằng cách hiển thị điểm
trên mặt DTM với công cụ Baseheight và sau đó extrude điểm lên từ mặt DTM
sử dụng trường độ cao riêng của cột. Cách thứ hai phù hợp với các tỷ lệ lớn, cột
được dựng lên trên mặt DTM sử dụng công cụ Plant Tree. Ảnh của cột được
70
chuẩn bị sẵn ở dạng *.BMP và dựng lên với độ cao được lưu trữ sẵn trong
trường thuộc tính của điểm.
Đường dây tải điện đối tượng dạng đường đơn giản được gắn thuộc tính về
loại đường: cao thế, hạ thế; độ cao trung bình của đường dây; điện áp nếu có.
Đường dây ở dạng 2D sẽ tính chuyển thành đường 3D dựa trên độ cao của DTM
bằng công cụ Convert features to 3D của ArcGis 3D Analyst, kết quả là đường
3D sẽ được bổ sung thêm rất nhiều đỉnh trong khoảng giữa đỉnh gốc tức là các
cột. Sau đó chuyển đường dây 3D này về môi trường đồ họa và bỏ tất cả các
đỉnh mới phát sinh giữa các cột. Sau đó đưa đường dây vào thể hiện trong
ArcScene bằng tọa độ X, Y, H thực không phụ thuộc vào DTM với khoảng
offset lấy từ thuộc tính chiều cao dây.
Một đối tượng có nhiều điểm tương tự với các loại dây dẫn là ống dẫn. Ống
dẫn được thể hiện là dạng đường, màu xám sẫm, gắn các thuộc tính: tỷ cao,
đường kính ống, vật liệu làm ống, chất dẫn trong ống. Nếu ống đặt trên trụ cao
thì nguyên tắc thể hiện tương tự như các loại dây dẫn và thể hiện các trụ đỡ kèm
theo. Trường hợp ống dẫn nằm nổi trên mặt đất hay ống dẫn ngầm thì chỉ cần
thể hiện đường ống dẫn dạng 2D theo mặt DTM với giá trị offset âm dựa trên
thuộc tính độ sâu của ống. Các giếng kiểm tra được thể hiện bằng điểm cũng
được extrude một giá trị âm chìm dưới mặt DTM một khoảng bằng độ sâu của
ống. Với độ trong - transparency của DTM là 50% - 70% sẽ cho phép quan sát
được tương đối rõ các đối tượng chạy ngầm dưới đất này.
- Dáng đất, chất đất
Dáng đất đã được thể hiện bằng mô hình số độ cao DTM và đường bình độ.
Nhưng ký hiệu nét đứt của bình độ phụ không thể hiện được trong ArcScene nên
bình độ phụ nếu có sẽ được thể hiện bằng đường nét liền màu nhạt hơn. Các yếu
tố này chỉ là được đưa ra với mục đích bổ trợ cho DTM trong việc thể hiện địa
hình nên chỉ được thể hiện với độ trong - transperancy là 50%.
Điểm độ cao cũng được thể hiện bằng đối tượng dạng điểm. Không ghi chú
71
độ cao của đường bình độ và điểm độ cao, nếu cần ngưới dùng có thể truy cứu
thông tin này bằng công cụ Info.
Các thông tin về chất đất được thể hiện bằng các đối tượng dạng vùng phủ
lên mặt DTM bằng các nền màu đơn giản hoặc bằng công cụ Picture fill symbol.
Các dạng bề mặt như cát, sỏi, đá, cồn cát, bãi đá khác nhau đều có sẵn trong thư
viện của ArcGis.
Các đối tượng như đầm lầy cũng được thể hiện bằng cách phủ vùng lên mặt
DTM và tô màu vùng bằng ảnh đầm lầy gồm các nét đứt chạy song song tương
tự như trên bản đồ 2D.
- Thực vật
Cách nhìn vào các đối tượng thuộc nhóm thực vật và cách phân nhóm
chúng cho bản đồ địa hình 3D sẽ phải có một số điểm khác biệt so với bản đồ
địa hình 2D trong đó độ cao riêng h của đối tượng là một trong các yếu tố chính
để phân loại và quyết định cách thể hiện.
Các đối tượng thực vật có độ cao riêng thấp như cỏ, lúa, hoa màu... sẽ được
thể hiện là đối tượng dạng vùng phủ lên mặt DTM bằng công cụ Baseheight và
được tô màu bằng công cụ Picture fill symbol với các ảnh chụp bề mặt thực của
đối tượng hoặc bằng các nền màu đơn giản.
Ở tỷ lệ lớn, các đối tượng thực vật có độ cao riêng lớn như rừng, hàng cây,
cây độc lập có thể được thể hiện bằng các đối tượng dạng điểm. Đối với rừng và
hàng cây dựa vào các thông số về mật độ cây để xác định vị trí tương đối của
các điểm. Các đối tượng này được gắn thuộc tính độ cao và loại cây. Thông tin
này được lấy từ nội dung của bản đồ địa hình nếu có hoặc bằng điều vẽ thực địa.
Sau đó dùng công cụ Plan Tree của ArcScene để dựng cây lên từ các đối tượng
dạng điểm này trên nền DTM sử dụng các ảnh cây tương ứng và độ cao cây lấy
từ trường thuộc tính điểm. Công cụ Plant Tree được áp dụng lần lượt với từng
loại cây, kết quả được lưu thành các file *.LYR và dùng để hiện thị trong
ArcScene. SHP file chứa các đối tượng dạng điểm sau khi đã được dựng lên
72
thành cây sẽ không được hiển thị nhưng vẫn được lưu giữ trong Scene của bản
đồ địa hình 3D để phục vụ cho mục đích truy cập thông tin.
Hình 3.9: Hình ảnh cây cối thể hiện bằng công nghệ 3D plant tree
Nếu thể hiện ảnh thực thì ảnh cây có thể được tạo ra từ các ảnh chụp thực
tế. Tuy nhiên để phục vụ cho mục đích truy cứu thông tin, rừng và hàng cây vẫn
được lưu trữ dưới dạng vùng và đường gắn các thông tin thuộc tính về loại cây,
mật độ cây, chiều cao cây, đường kính thân cây. Hai lớp thông tin này nằm trong
nội dung của bản đồ địa hình 3D nhưng không được hiển thị mà chỉ để khi cần
73
có thể cung cấp thông tin cho truy vấn.
- Ranh giới
Ranh giới hành chính các cấp, ranh giới khu cấm, ranh giới sử dụng đất
được thể hiện ngay trên mặt DTM bằng hai ký hiệu. Một ký hiệu được tạo ra từ
linestyle phục vụ mục đích hiển thị. Ký hiệu thứ hai được thể hiện bằng đường
đơn giản chạy liên tục, gắn các thuộc tính về loại ranh giới, tên của các đơn vị
hành chính các cấp nằm hai bên, tên của khu vực cấm để phục vụ cho mục đích
truy vấn thông tin.
Ngoài các đối tượng ranh giới hành chính được thể hiện dạng đường, các
đơn vị hành chính còn được thể hiện ở dạng vùng bằng các Polygon được gắn
các thuộc tính như mã hành chính, tên riêng và một số số liệu thống kê quan
trọng của đơn vị hành chính. Dù là được thể hiện bằng polygon hay linestring
chúng đều được gắn thuộc tính chiều cao. Dựa trên thuộc tính này, với công cụ
Extrusion tường thành ở dạng polygon sẽ được dựng lên thành khối, hàng rào
nhỏ dạng đường được dựng lên thành mặt thẳng đứng trên mặt DTM trong môi
trường lập thể của ArcScene rất phù hợp với bản chất tự nhiên của đối tượng.
Thuộc tính về chất liệu như: đất, đá, bê tông, song sắt, lưới thép, tre gỗ được gắn
với đối tượng. ArcScene chưa cung cấp các công cụ hiển thị để thể hiện hình
ảnh thật của tường và hàng rào, dựa trên thuộc tính về chất liệu, các đối tượng
được thể hiện bằng màu sắc khác nhau.
- Ghi chú
Một số ghi chú dạng số được sử dụng để xác định kích thước hay vị trí hình
học của đối tượng. Ngoài ra các thuộc tính này đều có thể được truy cập bằng
các công cụ query hay info của ArcScene. Hơn nữa các đối tượng địa hình khi
được dựng lên trong môi trường lập thể khá dày đặc nên chỉ một số ghi chú quan
trọng được chọn để thể hiện trong Scene của ArcScene. Do hạn chế của công cụ
3D label chưa hỗ trợ tiếng Việt nên các ghi chú tên riêng này chỉ được hiển thị ở
dạng tiếng Việt không dấu.
74
3.3. Đánh giá kết quả sản phẩm
3.3.1. Đánh giá độ chính xác
Đánh giá độ chính xác của mô hình số bề mặt, mô hình số địa hình và các
mô hình nhà cửa 3D được thực hiện thông qua các hạn sai sau:
- Sai số tiếp biên giữa các mảnh DTM không được vượt quá 1/2 độ chính
xác yêu cầu của DTM.
- Sai số tuyệt đối của DTM được đánh giá thông qua các điểm đo kiểm tra
ở thực địa. Độ lệch trung phương về giá trị độ cao của tập hợp điểm kiểm tra
giữa độ cao đo so với độ cao nội suy từ DTM không vượt quá độ chính xác của
DTM theo thiết kế.
- Độ chính xác của mô hình số địa hình (DTM) có thể đạt tới 0.2 m về độ
cao và cỡ vài cm về mặt phẳng.
- Các mô hình nhà cửa sau khi xây dựng đạt độ chính xác khoảng 0.3m về
độ cao và khoảng 0.2m về mặt bằng.
3.3.2. So sánh với một số phương pháp
Một số ưu điểm của công nghệ Lidar so với công nghệ khác:
- Lidar có thể thu nhận dữ liệu địa hình chính xác khi bay ở một độ cao lớn
hơn so với các hệ thống bay chụp ảnh hàng không có thể thực hiện. Độ chính
xác của dữ liệu trắc địa ảnh là tỷ lệ nghịch với độ cao bay chụp, trong khi độ
chính xác của Lidar giảm không đáng kể khi tăng độ cao bay chụp.
- Lidar chỉ cần một xung laser gần thẳng đứng để xuyên qua cây cối và đo
địa hình mặt đất, trong khi trắc địa ảnh cần tới hai tia khác nhau của các điểm
cùng tên trên mặt đất từ hai ảnh chụp khác nhau.
- Dựa vào các bước xử lý sau và kiểm tra chất lượng Lidar và khả năng thu
nhận xung phản hồi đầu tiên và cuối cùng, với từ 5000-33000 xung mỗi giây
công nghệ Lidar có thể xây dựng mô hình độ cao của tán cây cũng như mô hình
độ cao của mặt đất với dữ liệu có mật độ lớn và độ chính xác cao.
- Dữ liệu Lidar có thể được thu nhận cả vào ban ngày lẫn ban đêm, trong
75
khi trắc địa ảnh chỉ thu nhận được vào ban ngày khi góc tới của mặt trời là tốt
nhất.
- Dữ liệu Lidar là tập hợp các điểm có gía trị cả về mặt bằng và độ cao, do
đó có nhiều lợi thế để phục vụ xây dựng các mô hình 3D nhà cửa trong khu đô
thị.
- Công nghệ Lidar đưa ra trực tiếp mô hình số bề mặt (DSM) tạo điều kiện
thuận lợi cho việc xây dựng các mô hình nhà cửa được trực quan, dễ dàng hơn.
- Dữ liệu Lidar đảm bảo độ chính xác cao hơn so với các công nghệ khác
hiện nay như công nghệ ảnh hàng không, ảnh vệ tinh, radar...
Tuy nhiên, so với một số phương pháp khác, Lidar cũng có các nhược điểm
sau:
- Đối với xung Lidar dùng trong đo đạc địa hình trên đất liền thì thường bị
hấp thụ bới nước, và phản hối từ nước là không đáng tin cậy. Sẽ rất khó phân
biệt ranh giới giữa sông và hồ nếu chỉ dùng dữ liệu Lidar.
- Dữ liệu Lidar không thích hợp cho việc xác định các đường phân thủy
hoặc tụ thủy. Ví dụ, nếu xung Lidar có khoảng cách trung bình các điểm là 5m,
sẽ rất khó xác định vị trí các đường phân tụ thủy nắm trong khoảng 5m, đặc biệt
khi dữ liệu nằm trực tiếp trong dòng suối và không đáng tin cậy.
- Trong khi hệ thống đường bình độ được đo vẽ bằng tay với công nghệ
trắc địa ảnh thường trơn và phản ảnh đúng quy luật dòng chảy sông suối, Đường
bình độ được tự động tạo ra từ mô hình số độ cao của Lidar thường gồ ghề hơn
và thường xuất hiện các dị thường gần các dòng chảy.
- Ngoài ra, Lidar yêu cầu phải có trạm GPS tĩnh; sẽ hạn chế độ chính xác
khi đo vẽ trong những vùng cấm hoặc đang có tranh chấp; do yêu cầu về độ cao
bay không được quá cao sẽ gây ra khó khăn trong một số trường hợp cấm bay
thấp.
76
3.3.3. Đánh giá khả năng ứng dụng và hiệu quả:
Khả năng ứng dụng của công nghệ Lidar:
Công nghệ Lidar là một bước đột phá trong lĩnh vực đo đạc bản đồ. Việc áp
dụng công nghệ Lidar để lập mô hình số độ địa hình (DTM) và lập bản đồ
không gian 3 chiều (3D) độ chính xác cao phục vụ quản lý đô thị, khảo sát giao
thông, đánh giá trữ lượng tài nguyên thiên nhiên và phòng chống lũ lụt, thiên tai,
xây dựng cơ sở dữ liệu nền thông tin địa lý đã được áp dụng rất hiệu quả ở nhiều
nước trên thế giới và một số nước trong khu vực.
Lidar tạo và xây dựng mô hình số địa hinh với mật độ điểm dày đặc. Đặc
biệt Lidar có thể xây dựng mô hình số theo từng tầng ứng với từng loại đối
tượng. Trong phần mềm xử lý dữ liệu có những công cụ lọc, dùng để loại bỏ các
điểm độ cao của các đối tượng không nằm trên mặt đất để tạo mô hình số địa
hình (DTM). Một sản phẩm đặc dụng sau quá trình xử lý của Lidar là tạo ảnh
trực chiếu cường độ xám.
Khi hệ thống Lidar tích hợp với máy chụp ảnh số thì ảnh màu
trueorthophoto sẽ được tạo ra nhờ mô hình số bề mặt DSM và các thông số định
hướng ngoài chính xác của ảnh chụp. Sản phẩm trueorthophoto là một sản phẩm
ảnh màu lý tưởng cho công tác điều vẽ, số hoá và biên tập các đối tượng địa vật
trên mặt đất trong quá trình tạo cơ sở dữ liệu GIS hay nội dung bản đồ.
Ở Việt Nam, Lidar đã được một số đơn vị trực thuộc Bộ Tài nguyên và
Môi trường (Công ty đo đạc ảnh địa hình, Trung tâm viễn thám) đã kết hợp với
các đơn vị ở nước ngoài có thiết bị Lidar nghiên cứu ứng dụng thử nghiệm tại
Cần thơ, Bắc Ninh, Bắc Giang, Nam Định, Thái Bình, Hưng Yên, Phủ Lý. Qua
kết quả thử nghiệm tại Việt Nam cho thấy công nghệ Lidar có những tính năng
vượt trội rất rõ rệt so với những công nghệ truyền thống. Lidar tạo được DTM
với hiệu suất cao, độ chính xác về độ cao rất tốt, tốc độ nhanh. Lidar có thể biểu
diễn chi tiết địa hình bề mặt trái đất cả ở những vùng địa hình khó khăn, phức
tạp, cây che phủ và thực hiện trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt, cả ngày và
77
đêm. Hệ thống Lidar sẽ cực kỳ hữu hiệu, đem lại lợi ích đặc biệt khi thi công ở
những vùng sâu, vùng xa, vùng khó khăn về giao thông, địa hình phức tạp và
cần thời gian cực ngắn.
Tóm lại, khả năng ứng dụng của công nghệ Lidar là rất lớn và có hiệu quả
đặc biệt trong việc xây dựng, thành lập bản đồ 3D khu vực đô thị.
Việc ứng dụng công nghệ Lidar sẽ đem lại hiệu quả lớn trong nhiều lĩnh
vực:
Việc ứng dụng công nghệ Lidar góp phần đẩy nhanh tiến độ thực hiện các
dự án, công trình thành lập bản đồ, xây dựng cơ sở dữ liệu, góp phần nâng cao
hiệu quả kinh tế, nâng cao chất lượng sản phẩm, cung cấp các thông tin, sản
phẩm phục vụ đa mục đích và các sản phẩm phục vụ an ninh, quốc phòng.
Trang bị công nghệ Lidar giúp chúng ta tiếp cận với công nghệ tiên tiến
trên thế giới, góp phần nâng cao được trình độ khoa học công nghệ trong lĩnh
vực đo đạc và bản đồ.
Độ chính xác công nghệ Lidar có thể lập mô hình số độ cao với độ chính
xác từ 0.15m – 0.5m. Dùng công nghệ Lidar có giá thành có thể rẻ hơn từ 1.5 - 2
lần so với công nghệ truyền thống, thời gian hoàn thành sản phẩm nhanh gấp 2 -
3 lần có khả nămg thực hiện ở khu vực diện tích lớn.
Công nghệ Lidar còn phục vụ được nhiều nhiệm vụ mà rất khó khăn nếu sử
dụng công nghệ khác như khảo sát, đánh giá số lượng cây rừng, khảo sát lập các
tuyến tải điện cao thế, đường ống dẫn dầu, đường cao tốc, khảo sát đánh giá
tuyến đê bao, khu vực ngập lụt phục vụ phòng chống lũ lụt… Công nghệ Lidar
sẽ phát huy rõ rệt về hiệu quả kinh tế và chất lượng khi phục vụ kịp thời cho các
công việc như:
- Lập DTM độ chính xác 0.15m – 0.20m phục vụ phòng chống lũ lụt thuộc
các dự án ở đồng bằng Nam Bộ, đồng bằng Bắc Bộ, dải ven biển miền Trung và
các dự án phòng chống trượt lở đất ở khu vực miền núi.
- Lập DTM và bản đồ 3D phục vụ xây dựng cơ sở dữ liệu địa lý độ chính
78
xác cao cho các đô thị, thành phố ở Việt Nam.
- Ứng dụng công nghệ Lidar để thành lập cơ sở dữ liệu địa lý độ chính xác
cao phục vụ GIS cũng như thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn (1/1000, 1/2.000)
ở vùng đô thị với mục đích giảm giá thành và tăng độ chính xác của sản phẩm.
Tuy nhiên để đầu tư công nghệ Lidar có hiệu quả cao nhất, phù hợp với mục
đích đặt ra đòi hỏi phải nghiên cứu ứng dụng một cách thận trọng và cụ thể về
các hệ thống Lidar.
79
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Kết luận
Công nhệ Lidar phục vụ cho công tác lập mô hình số địa hình (DTM) và
bản đồ không gian (3D) độ chính xác cao là một bước đột phá trong việc ứng
dụng công nghệ và kỹ thuật tiên tiến để tạo lập các sản phẩm có chất lượng và
độ chính xác cao đáp ứng các yêu cầu và nhiệm vụ phát triển kinh tế bảo vệ an
ninh quốc phòng trong giai đoạn hiện nay.
Ứng dụng công nghệ Lidar lập bản đồ không gian 3D mang lại hiệu quả
kinh tế cao, đảm bảo độ chính xác và nâng cao năng suất lao động, nâng cao
chất lượng sản phẩm.
Hệ thống công nghệ quét Laser mặt đất Lidar là thiết bị đặc biệt chuyên
ngành chỉ có một vài nhà sản xuất trên thế giới cung cấp. Do đó khi thực hiện
cần dựa trên tình hình thực tế để áp dụng các hệ thống Lidar cho phù hợp với
yêu cầu, mục đích.
Công nghệ LIDAR có ưu thế hơn các công nghệ khác trong lập bản đồ 3D
khu vực đô thị, đặc biệt trong trường hợp cần xây dựng mô hình đô thị trong
một thời gian ngắn bao gồm cả mô hình bề mặt mặt đất và cả mô hình nhà cửa
với hình dạng chi tiết. Trong các ứng dụng dạng này, người ta thường kết hợp
dữ liệu lidar với các tài liệu khác trong quá trình thành lập bản đồ 3D như: các
dữ liệu GIS có sẵn về khối nhà, các ảnh hàng không và vệ tinh để có thể đạt
được kết quả tốt nhất.
Bản đồ 3D được thành lập từ dữ liệu Lidar đem lại hiệu quả cao về nhiều
mặt và đạt chất lượng tốt. Đề nghị nghiên ứu, ứng dụng rộng rãi hơn nữa tại Việt
Nam. Ngoài ra cần nghiên cứu, ứng dụng công nghệ tự động xây dựng các khối
nhà 3D từ dữ liệu Lidar để xây dựng bản đồ 3D được hiệu quả hơn.
Bản đồ 3D khu vực thử nghiệm tại thành phố Bắc Giang đã được thành
lập dựa trên nguồn dữ liệu Lidar năm 2007 và các nguồn tài liệu bổ trợ như là
bản đồ địa chính và bình đồ ảnh trực giao hàng không tỷ lệ 1/2000… đã thể
80
hiện, mô phỏng các đối tượng 3D một cách trực quan, rõ ràng đặc biệt là đối với
các đối tượng là nhà cửa, đảm bảo các thông tin thuộc tính như độ cao nhà, chu
vi, diện tích nhà... Tuy nhiên để thể hiện các đối tượng nhà cửa ở mức độ chi tiết
cao hơn, gán với các hình ảnh thật ngoài thực địa và điều tra bổ sung các thông
tin thuộc tính về kiểu nhà, số tầng nhà… đòi hỏi rất nhiều công sức và thời gian
mà trong phạm vi của đề tài này, tác giả chưa thể mô phỏng được toàn bộ 1474
ngôi nhà 3D có gán hình ảnh thật. Ngoài ra, các ký hiệu như cây cối, thực vật
nói chung cũng cần rất nhiều thời gian, công sức để lấy các hình ảnh thật phục
vụ việc thể hiện đối tượng thì bản đồ 3D sẽ được thể hiện hiệu quả hơn. Mặc dù
vậy, sản phẩm đã đáp ứng được toàn bộ nội dung của bản đồ 3D cần thể hiện ở
mức độ khái quát.
Kiến nghị
Với một số ưu điểm vượt trội của công nghệ Lidar so với các công nghệ
khác hiện nay, đề nghị ứng dụng rộng rãi hơn nữa công nghệ này trong việc
thành lập bản đồ 3D các khu vực đô thị.
Ngoài ra, bản đồ 3D là một sản phẩm mang lại hiệu quả sử dụng cao cho
rất nhiều ứng dụng khác nhau, đặc biệt là cho công tác quản lý, quy hoạch và
phát triển đô thị, do đó cần nghiên cứu hoàn thiện quy trình hơn nữa phục vụ
phát triển kinh tế xã hội.
Đối với quy trình thành lập bản đồ 3D hiện nay, trong đó việc thể hiện các
khối nhà vẫn chủ yếu dựa vào ranh giới được vẽ (số hóa) từ ảnh hàng không trực
giao hoặc từ bản đồ địa chính để dựng nên các khối nhà, cần nghiên cứu hoàn
thiện việc nhận dạng và vector hóa tự động cũng như mô hình hóa tự động các
khối nhà 3D.
Qua sản phẩm thử nghiệm là 1 mảnh bản đồ 3D tỷ lệ 1/2000 tại thành phố
Bắc Giang, tác giả nhận thấy sản phẩm đảm bảo độ chính xác theo yêu cầu của
tỷ lệ bản đồ cần thành lập. Ngoài ra, sản phẩm bản đồ 3D rất có ý nghĩa sử dụng
trong thực tế, sản phẩm có thể giúp cho các nhà quản lý đô thị phân tích, đưa ra
81
các phương án quy hoạch một cách chi tiết hiệu quả hơn rất nhiều so với việc sử
dụng bản đồ 2D truyền thống. Do đó, dựa trên nguồn dữ liệu Lidar, bản đồ địa
chính và tư liệu ảnh hàng không đã có, nên thành lập bản đồ 3D cho toàn bộ
thành phố để nâng cao hiệu quả trong công tác quản lý, quy hoạch phát triển đô
thị tại thành phố Bắc Giang phục vụ phát triển kinh tế xã hội.
82
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Nguyễn Thị Thục Anh, Nghiên cứu thử nghiệm thành lập bản đồ địa hình
3D, Trung tâm Viễn thám quốc gia, Bộ Tài nguyên và Môi trường.
2. Lương Chính Kế, Thành lập DTM bằng công nghệ Lidar, Tạp chí Viễn
thám và địa tin học, Tr.20-27.
3. Phan Văn Lộc, Tự động hóa đo ảnh, Bài giảng cho NCS và HVCH, Đại
học Mỏ - Địa chất, Hà Nội.
4. Công ty Đo đạc ảnh địa hình, Báo cáo kết quả tích hợp hệ thống máy ảnh
số và Lidar Harrier 56 tại Việt Nam.
5. Liang Chen Chen, Tee-Ann Teo, Jiann-Yeo Rau, Jin-King Liu, Wei-
Chen Hsu, Buiding reconstruction from Lidar data and Aerial Imagery,
Taiwaan.
6. R.O.C. Tse, M. Dakowicz, C.M. Gold, and D,B. Kidner, Building
reconstruction using Lidar data, GIS Reseach Center, School ò Comuting,
University of Glamorgan, Pontỷpidd, CF37 IDL, Wales, UK.
7. G. Prisestnall, J. Jaafar, and A. Duncan, Extraction of Urban Features
from Lidar Digital Surface Models, Computers, Environment $ Urban
Systems, Vol. 24, pp.65-78.
8. Rottensteiner, F, Trinder, J., Clode, S. and Kubik, K . Fusing Airborne
Laser Scanner Data and Aerial Imagery for the Automatic Extraction of
Buildings in Densely Built-up Areas, Proceedings of XXth Congress of
ISPRS, Istanbul, Turkey, 12-23 July, pp. 512-517
9. Fritsch, D. 3D Building Visualisation – Outdoor and Indoor
Applications, Photogrammetric Week ’03, pp. 281-290
10. Molenaar, M, A Formal Data Structure for Three Dimensional Vector
Maps, Proceedings, 4th International Symposium on Spatial Data
handling, Zỹrich, Vol 2, pp. 830-843.
83
PHỤ LỤC
Một số hình ảnh thực địa tại khu vực thành phố Bắc Giang tháng 12 năm 2010.