Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ Lidar thành lập bản đồ 3D khu vực đô thị

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:84

Thêm vào BST

Báo xấu

230
lượt xem 34
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ Lidar thành lập bản đồ 3D khu vực đô thị

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 1
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 2
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 3
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Tên viết vắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt Light Detection And LIDAR Công nghệ đo Laser Ranging 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 Geographic Information GIS Hệ thống thông tin địa lý System GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu Cấu trúc lưới đều của mô GRID hình số độ cao Cấu trúc mạng tam giác Triangulated Irregular TIN không đều của mô hình số Network độ cao LoD Level of Detail Cấp độ chi tiết InterFerometric Synthetic Radar độ mở tổng hợp IFSAR Aperture Radar: 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 4
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 5
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 . 6
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 7
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. 8
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. 9
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 10
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 11
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): C Di = Ti (1.1) 2 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 km 2 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: 12
Z A Y X Server b C u D S v d t a Z δ G Y g X Mặt đất P 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: g = d + AS (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: d = D - Ab 13
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: æ a11a12 a13 ö ç ÷ A = ç b11b12b13 ÷ (1.3) çc c c ÷ è 11 12 13 ø Trong đó: a11 = cos g cos w b11 = cos g sin w c11 = sin g a12 = sin b sin g cos w - cos b sin w b12 = sin b sin g sin w + cos b cos w c12 = cos g sin b a13 = cos b sin g cos w + sin b sin w (1.4) b13 = cos b sin g sin w - sin b cos w c13 = cos g cos b æ p pö g ç - , ÷, g : Góc nghiêng ngang của máy bay. è 2 2ø w (0,2p ) , w : Góc xoay của máy bay. æ p pö b ç - , ÷, b : Góc nghiêng dọc của máy bay. è 2 2ø Thay vào công thức (1.3) vào công thức (1.2): g = D+ A S -b ( ) (1.5) Viết dưới dạng ma trận: æ XP - X0 ö æ Xa - X0 ö ç ÷ ç ÷ ç YP - Y0 ÷ = ç Ya - Y0 ÷ + A S - b( ) (1.6) çZ - Z ÷ çZ - Z ÷ è P 0 ø è a 0 ø 14
Trong đó: X 0 , Y0 , Z 0 : Toạ độ điểm G (điểm toạ độ GPS mặt đất) X a , Ya , Z a , X p , Yp , Z p : toạ độ ăngten A và toạ độ điểm P cần tìm Từ công thức (1.6) có thể xác định toạ độ điểm P: éDX Pi ù éDX i ù ( êDY ú = êDY ú + A S - b ê Pi ú ê i ú ) (1.7) êëDZ Pi úû êëDZ i úû Trên cơ sở công thức (1.7) tìm được toạ độ Xp, Y p, 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. 15
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 16
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 17
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. 18
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. 19
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 20