Tổng quan luận án
Công nghệ quét laser ba chiều (3D) mặt đất (Terrestrial Laser Scanning - TLS) là phương pháp thu nhận dữ liệu không gian với mật độ cao và độ chính xác ở cấp độ milimét. Về mặt bản chất vật lý, thiết bị quét laser mặt đất thực hiện phép đo khoảng cách từ trạm máy đến bề mặt đối tượng kết hợp ghi nhận các giá trị góc quét đứng và góc quét ngang. Nguyên lý này tương đồng với máy toàn đạc điện tử, nhưng hệ thống quét laser mặt đất có khả năng ghi nhận đồng thời hàng trăm nghìn đến hàng triệu điểm tọa độ mỗi giây, tạo thành tệp dữ liệu đám mây điểm (point cloud) gắn liền với hình ảnh phản chiếu 3D.
Tại Việt Nam, công nghệ quét laser 3D mặt đất bắt đầu được tiếp cận và triển khai trong một số lĩnh vực đo đạc trắc địa mỏ và địa hình. Tuy nhiên, các nghiên cứu trong nước trước đây chủ yếu mang tính thử nghiệm rời rạc, chưa có công trình nghiên cứu đồng bộ từ cơ sở lý thuyết, phân tích nguồn sai số đến việc làm chủ thuật toán xử lý dữ liệu và thiết lập quy trình kỹ thuật. Đặc biệt, việc ứng dụng công nghệ này cho các đối tượng phi địa hình (di tích lịch sử văn hóa, công trình kiến trúc phức tạp, hang động tự nhiên) chưa được chuẩn hóa và chưa có cơ sở pháp lý kỹ thuật rõ ràng. Thêm vào đó, các phần mềm thương mại đi kèm máy quét của nước ngoài hầu hết hoạt động theo cơ chế mã nguồn đóng, chi phí bản quyền cao, phụ thuộc vào khóa cứng bảo mật và chưa tối ưu hóa cho điều kiện địa hình phức tạp, lớp phủ thực vật đa dạng tại Việt Nam. Xuất phát từ thực tiễn trên, đề tài luận án tiến sĩ "Nghiên cứu công nghệ quét Laser 3 chiều mặt đất trong lĩnh vực địa hình và phi địa hình ở Việt Nam" được thực hiện nhằm giải quyết các khoảng trống kỹ thuật này.
Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định như sau:
- Mục tiêu tổng quát: Xác lập cơ sở khoa học, ứng dụng công nghệ quét laser 3D mặt đất để thu thập, xử lý, hiển thị, phân tích, cập nhật số liệu khảo sát thực địa phục vụ xây dựng dữ liệu địa không gian trong đo vẽ hiện trạng địa hình và thể hiện các đối tượng phi địa hình.
- Mục tiêu cụ thể:
- Xây dựng các mô-đun, chương trình phụ trợ trong xử lý dữ liệu quét laser mặt đất, tính toán và hiển thị các nội dung dữ liệu: Đọc và lọc dữ liệu laser; giảm mật độ điểm dữ liệu; tự động nội suy mô hình số địa hình độ chính xác cao.
- Xây dựng quy trình công nghệ quét laser 3D mặt đất cho một số đối tượng trong lĩnh vực phi địa hình.
Nhiệm vụ nghiên cứu của luận án bao gồm 4 nội dung:
- Thu thập, phân tích tổng quan tài liệu, đồng thời nghiên cứu cơ sở lý thuyết về công nghệ quét laser 3D mặt đất và các nguồn sai số ảnh hưởng đến độ chính xác.
- Nghiên cứu công nghệ quét laser 3D mặt đất trong lĩnh vực địa hình và phi địa hình.
- Nghiên cứu một số thuật toán và tiến hành xây dựng công cụ, chương trình phụ trợ trong xử lý dữ liệu quét laser 3D mặt đất.
- Thực nghiệm để kiểm chứng kết quả nghiên cứu đối với một số khu vực có sự đa dạng về địa hình và một số đối tượng phi địa hình như công trình lịch sử văn hóa, tuyến phố cổ hoặc hang động đặc trưng phục vụ bảo tồn, quảng bá và phát triển du lịch.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Ứng dụng công nghệ quét laser 3D trạm cố định (TLS) trong lĩnh vực địa hình (thành lập mô hình số địa hình DTM ở các vùng địa hình đa dạng và đánh giá sai số vị trí điểm) và lĩnh vực phi địa hình (thành lập mô hình 3D công trình kiến trúc, hang động cảnh quan, tuyến phố đô thị, di tích lịch sử văn hóa và cổ vật).
- Phạm vi không gian thực nghiệm:
- Đối tượng địa hình: Khu vực làng Gia Phú (xã Bình Dương, huyện Gia Bình) và khu vực đồi Lim (thị trấn Lim, huyện Tiên Du), tỉnh Bắc Ninh.
- Đối tượng phi địa hình: Hang Đầu Gỗ (vịnh Hạ Long, tỉnh Quảng Ninh); tuyến phố cổ Tạ Hiện và Đinh Liệt (quận Hoàn Kiếm, thành phố Hà Nội); chùa Bửu Long (thành phố Hồ Chí Minh); một số cổ vật tại chùa Bút Tháp (tỉnh Bắc Ninh).
- Phạm vi thời gian và pháp lý: Đánh giá các dữ liệu trắc địa, thiết bị và văn bản quy phạm kỹ thuật đến giai đoạn 2019-2020 (tiêu biểu như Thông tư 17/2019/TT-BTNMT của Bộ Tài nguyên và Môi trường).
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Về lịch sử công nghệ, phát minh laser được Theodore H. Maiman công bố năm 1960 dựa trên cơ sở lý thuyết lượng tử của Charles Hard Townes và Arthur Leonard Schawlow. Trong lĩnh vực đo đạc không gian, công nghệ quét laser di động (Mobile Laser Scanning - MLS) phát triển từ cuối thập niên 1980, trong khi công nghệ quét laser trạm cố định (Terrestrial Laser Scanning - TLS) phát triển mạnh mẽ từ đầu những năm 2000 như một công cụ đo tọa độ phản xạ tĩnh độ phân giải cao.
Trên thế giới, các nghiên cứu ứng dụng TLS được chia thành hai nhóm chính:
- Lĩnh vực địa hình và nông lâm nghiệp: Nora Tilly cùng cộng sự (2014) sử dụng TLS để xây dựng mô hình bề mặt cây trồng đa thời gian nhằm đo chiều cao và ước tính sinh khối ruộng lúa. Peter Schürch (2011) ứng dụng TLS qua nhiều chu kỳ quét để theo dõi biến động bề mặt địa hình phức tạp và tính toán khối lượng đất đá trượt lở tại lòng kênh Illgraben. Andri Baltensweiler và cộng sự (2017) tại Viện Nghiên cứu cảnh quan, tuyết và rừng liên bang Thụy Sĩ (WSL) đã chứng minh mô hình số độ cao (DEM) thành lập từ TLS ở độ phân giải cao ($\approx 1\text{ m}$) đạt độ chính xác vượt trội so với quét laser hàng không (ALS) trong môi trường rừng rậm.
- Lĩnh vực phi địa hình và công trình: Nhóm nghiên cứu của Newnham (2014) và các công bố trên tạp chí Remote Sensing (2014) sử dụng TLS xác định sinh khối cấu trúc rừng 3D. Francesco Pirotti (2013) phân tích tín hiệu phản xạ đa hướng của TLS để phân tách mô hình số bề mặt (DSM), mô hình số địa hình (DTM) và bản đồ tán cây. Mathieu Dassot cùng cộng sự (2013) ứng dụng TLS đánh giá thể tích gỗ thân cây đứng có đường kính trên 7 cm. Trong lĩnh vực hang động và hạ tầng ngầm, Mohammed Oludare Idrees (2016) tổng kết 10 năm ứng dụng TLS đo vẽ không gian kín; Soohee Han (2013) phát triển phương pháp tự động trích xuất mặt cắt đường hầm từ dữ liệu TLS đối sánh với máy toàn đạc. Trong lĩnh vực xây dựng và công nghiệp, Yusuf Arayici (2007) mô hình hóa công trình kiến trúc xuống cấp độ milimét kết hợp GPS vi phân; Tahir Rabbani Shah (2013) dùng thuật toán nhận dạng hình trụ để tự động tái tạo hệ thống đường ống và thiết bị nhà máy công nghiệp.
- Về thuật toán xử lý dữ liệu và nguồn sai số: L. Monika Moskal và Guang Zheng (2012) đề xuất thuật toán cắt đám mây điểm phục vụ kiểm kê rừng đô thị. Susaki (2012) xây dựng thuật toán lọc độ dốc thích ứng để phân tách điểm mặt đất (ground points - GPs) từ dữ liệu laser khu vực đô thị có độ dốc biến đổi. Nghiên cứu sai số của J.-Angelo Beraldin, François Blais, Uwe Lohr và Balzani M. đã phân loại sai số quét laser mặt đất thành hai nhóm: sai số thiết bị (quang sai, cơ khí, nhiệt độ, trôi pha) và sai số phương pháp (môi trường truyền sóng, góc tới, vật liệu phản xạ).
Tại Việt Nam, các công trình nghiên cứu trong nước ghi nhận:
- Nguyễn Viết Nghĩa và cs (2020) nghiên cứu đo quét laser mặt đất thành lập bản đồ mỏ than lộ thiên Cọc Sáu (độ chính xác tọa độ đạt 0,6 ÷ 6,7 mm ở khoảng cách 4 ÷ 75 m) và mỏ hầm lò Khe Chàm (0,8 ÷ 3,6 mm ở cự ly 4 ÷ 25 m). Trước đó, Nguyễn Viết Nghĩa và cs (2017) đánh giá thiết bị GeoMax Zoom 300 thành lập mô hình mỏ với sai số ghép mô hình $\pm 3\text{ mm}$.
- Bộ Tài nguyên và Môi trường ban hành Thông tư 17/2019/TT-BTNMT quy định kỹ thuật thành lập mô hình số độ cao bằng công nghệ quét LiDAR mặt đất trạm cố định, song văn bản này chỉ giới hạn cho đối tượng địa hình phục vụ đo đạc bản đồ.
- Trần Quốc Vinh và cs (2017) kết hợp ảnh chụp từ thiết bị bay không người lái (UAV) và quét laser mặt đất để lập mô hình 3D đô thị tỷ lệ 1:1.000, khắc phục hạn chế không quét được phần mái nhà của trạm quét mặt đất.
- Vũ Quốc Lập (2015) chủ trì đề tài cấp Bộ về ứng dụng quét laser mặt đất phục vụ quản lý nhà nước hoạt động khoáng sản, tính khối lượng đào đắp bờ mỏ và quan trắc hệ thống hầm lò. Vũ Thị Hằng và cs (2012) nghiên cứu biến dạng bãi thải mỏ than Quảng Ninh bằng các công cụ địa tin học. Hoàng Kim Quang và cs (2012) công bố tài liệu đánh giá tiềm năng khai thác thiết bị TLS trong ngành mỏ Việt Nam.
Khoảng trống nghiên cứu được luận án xác định: Các công bố quốc tế chủ yếu tập trung vào từng ca nghiên cứu riêng biệt, thiếu một quy trình công nghệ chuẩn hóa mang tính định mức kỹ thuật cho các đối tượng phi địa hình. Tại Việt Nam, nghiên cứu về TLS còn mang tính ứng dụng đơn lẻ trong ngành mỏ và địa hình; chưa có công trình nào xây dựng hệ thống quy trình công nghệ hoàn chỉnh cho việc khảo sát mô hình hóa 3D các công trình phi địa hình (di tích, phố cổ, hang động). Đồng thời, việc phụ thuộc vào các phần mềm đóng kín của nước ngoài gây khó khăn khi cần tùy biến thuật toán tách lọc đám mây điểm cho các vùng địa hình phức tạp trong nước.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Luận án dựa trên nền tảng lý thuyết quang điện tử, trắc địa công trình và xử lý hình ảnh số:
-
Bản chất vật lý của bức xạ laser: Hiện tượng khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation), hoạt động theo nguyên lý bức xạ cưỡng bức tạo chùm tia đơn sắc, độ định hướng cao và cường độ bức xạ tập trung.
-
Cơ chế thu nhận tọa độ không gian: Trạm quét xác định vị trí điểm đo dựa trên hệ tọa độ cực cục bộ của thiết bị, sau đó chuyển đổi về hệ tọa độ Descartes vuông góc $(X, Y, Z)$ theo công thức toán học:
$$\begin{cases} X = R \cdot \cos \varphi \cdot \sin \theta \ Y = R \cdot \sin \varphi \cdot \sin \theta \ Z = R \cdot \cos \theta \end{cases}$$
Trong đó: $R$ là khoảng cách đo từ tâm trạm quét đến điểm mục tiêu; $\varphi$ là góc phương vị ngang; $\theta$ là khoảng cách thiên đỉnh (góc đứng tính từ trục $Z$ của thiết bị đến hướng tia quét).
-
Nguyên lý của ba phương pháp đo khoảng cách:
- Phương pháp đo xung (Time-of-flight): Khoảng cách $D$ được tính qua thời gian lan truyền khứ hồi $t_{2D}$ của xung laser với vận tốc ánh sáng $V$:
$$D = \frac{V \cdot t_{2D}}{2}$$
Sai số đo khoảng cách phụ thuộc trực tiếp vào độ chính xác ghi đếm thời gian $M_{t2D}$:
$$M_D = \frac{V \cdot M_{t2D}}{2}$$
Bộ đếm thời gian hiện đại đạt độ chính xác $10^{-12}\text{ s}$, cho phép xác định cự ly với sai số khoảng 1 mm. Vận tốc truyền sóng điện từ trong môi trường khí quyển tính qua tốc độ trong chân không ($C = 299,792,458 \pm 1,2\text{ m/s}$) và chiết suất khí quyển $n$: $V = \frac{C}{n}$.
- Phương pháp đo pha (Phase shift): Thiết bị đo độ dịch pha $\Delta \varphi$ giữa sóng phát ra và sóng phản xạ quay về từ đối tượng qua tần số điều biến $f$. Khoảng cách được xác định bằng:
$$D = N\lambda + \frac{\Delta \varphi}{2\pi}\lambda$$
Trong đó $\lambda$ là bước sóng điều biến ($\lambda = \frac{V}{2f}$), $N$ là số nguyên lần bước sóng. Phương pháp đo pha cho độ chính xác cao (đạt 0,4 mm), dải tần điều biến lên đến $10\text{ Hz}$. Sai số trung phương khoảng cách được khái quát qua phương trình thực nghiệm:
$$M_R = \pm \sqrt{a^2 + b^2 R^2}$$
(với $a, b$ là các hệ số kiểm định cụ thể của từng loại máy).
- Phương pháp đo tam giác laser (Triangulation): Áp dụng bài toán giao hội thuận quang học dựa trên đường đáy $d$, góc phát tia $\theta_1$, tiêu cự ống kính $f_2$ và tọa độ điểm phản xạ $p_2$ trên ma trận cảm biến thu:
$$S = \frac{d \cdot \sin \theta_1}{\tan \theta_2} \approx \frac{d \cdot f_2 \cdot \sin \theta_1}{p_2}$$
Cự ly đo của phương pháp tam giác ngắn (dưới 25 m) nhưng độ chính xác tọa độ đạt từ $50\text{ }\mu\text{m}$ đến $0,3\text{ mm}$.
-
Nguyên lý hoạt động của khối quay và hệ thống đo góc:
- Chế độ quay theo bước: Khối quay dừng tại từng vị trí tĩnh để phát và thu tín hiệu xung trước khi chuyển sang bước góc tiếp theo.
- Chế độ quay liên tục: Khối quang cơ quay quanh trục đứng và trục ngang với vận tốc góc $V_p$, góc lệch giữa hai xung liên tiếp là:
$$\Delta\text{góc} = \frac{V_p}{F}$$
(với $F$ là tần số phát xung).
- Phương pháp đo góc tự động: Bao gồm phương pháp đĩa mã hóa code (đo tuyệt đối), đĩa xung (đo tương đối), cảm ứng điện từ, đo thời gian ($\alpha = \frac{2\pi r \cdot n}{60}\tau$), hỗn hợp xung - thời gian, phân cực và giao thoa.
-
Các phương pháp nghiên cứu áp dụng trong luận án:
- Phương pháp thống kê: Thu thập, phân loại và hệ thống hóa dữ liệu tài liệu trắc địa, địa vật lý, thông số thiết bị quét trên thế giới và tại Việt Nam.
- Phương pháp phân tích, tổng hợp: Phân tích định lượng các nguồn sai số thiết bị (nhiệt độ, quang sai, độ trôi tần số dao động) và sai số phương pháp (góc tới chùm tia, độ nhám bề mặt, sự hấp thụ của môi trường khí quyển).
- Phương pháp mô hình hóa: Ứng dụng cấu trúc mạng tam giác bất quy tắc (TIN), mô hình toán trong đồ họa máy tính và thuật toán bổ sung mô hình hóa bề mặt để mô phỏng và tái lập dữ liệu.
- Phương pháp thực nghiệm: Đo đạc trực tiếp bằng các trạm quét TLS tại các vị trí thực địa, xử lý số liệu bằng các thuật toán xây dựng và so sánh kiểm chứng với các phương pháp trắc địa truyền thống (máy toàn đạc, GPS vi phân).
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan về tình hình nghiên cứu công nghệ quét laser 3D mặt đất trong lĩnh vực địa hình và phi địa hình
Chương 1 hệ thống hóa toàn diện cơ sở công nghệ quét laser 3D mặt đất trên trạm cố định (TLS) và trạm di động (MLS). Tác giả thiết lập hệ thống phân loại thiết bị TLS dựa trên các tiêu chí kỹ thuật: nguyên lý đo chiều dài (xung, pha, tam giác); độ chính xác định vị không gian (thấp: $>10\text{ mm}$, trung bình: $3 \div 10\text{ mm}$, cao: $<3\text{ mm}$); phương thức thu nhận màu sắc (camera kỹ thuật số tích hợp hoặc ngoài); giới hạn khoảng cách quét (quét gần: $<30\text{ m}$, trung bình: $30 \div 70\text{ m}$, xa: $>70\text{ m}$); và phân loại theo 4 cấp độ an toàn laser (từ Cấp I an toàn tuyệt đối đến Cấp IV có bức xạ công suất cao gây nguy hiểm).
Chương này tổng hợp các thông số kỹ thuật chính của các thiết bị TLS phổ biến trên thế giới qua bảng số liệu sau:
| Loại máy quét |
Hãng sản xuất |
Góc quét |
Cự ly quét tối đa (m) |
Tốc độ quét (điểm/giây) |
Sai số khoảng cách / Sai số đo góc |
| TRIMBLE SX10 |
Trimble (Mỹ) |
$360^\circ \times 300^\circ$ |
700 |
260.000 |
2,5 mm / 5" |
| LEICA RTC360 |
Leica (Thụy Sỹ) |
$360^\circ \times 300^\circ$ |
0,5 – 130 |
2.000.000 |
3,0 mm / 8" |
| RIEGL VZ - 6000 |
Riegl (Áo) |
$360^\circ \times 60^\circ$ |
6.000 |
220.000 |
10,0 mm / 12" |
| FARO Focus S 350 |
Faro (Đức/Mỹ) |
$360^\circ \times 300^\circ$ |
350 |
976.000 |
3,5 mm / 18" |
| GEOMAX SPS Zoom 300 |
GeoMax (Thụy Sỹ) |
$360^\circ \times 90^\circ$ |
300 |
40.000 |
10,0 mm / 30" (ở 100 m) |
Bên cạnh đó, tác giả đưa ra bảng so sánh định tính và kỹ thuật giữa ba phương pháp đo đạc địa hình phổ biến hiện nay:
| Thứ tự |
Tiêu chí so sánh |
Công nghệ đo vẽ ảnh |
Đo đạc trực tiếp (Toàn đạc, GNSS) |
Công nghệ quét laser 3D mặt đất |
| 1 |
Giá thành đầu tư |
Rẻ |
Đắt |
Đắt |
| 2 |
Tiến độ thi công |
Khá nhanh |
Chậm |
Nhanh |
| 3 |
Thao tác sử dụng |
Phức tạp |
Chặt chẽ |
Dễ dàng |
| 4 |
Độ chính xác sản phẩm |
Chính xác |
Chính xác cao |
Rất chính xác |
| 5 |
Tính phổ thông |
Khá phổ biến |
Phổ biến |
Chưa phổ biến |
| 6 |
Yêu cầu thiết bị xử lý |
Cấu hình bình thường |
Cấu hình cao |
Cấu hình rất cao |
| 7 |
Trình độ kỹ thuật viên |
Tay nghề bình thường |
Tay nghề cao |
Tay nghề rất cao |
| 8 |
Mức độ phụ thuộc địa hình |
Khá phụ thuộc |
Rất phụ thuộc |
Không phụ thuộc |
Chương 1 kết luận các thách thức cơ bản khi triển khai TLS tại Việt Nam: kinh phí đầu tư thiết bị ban đầu lớn, dung lượng dữ liệu đám mây điểm khổng lồ đòi hỏi phần cứng chuyên dụng, phần mềm đóng kín gắn liền khóa cứng gây khó khăn cho việc xử lý đồng thời theo nhóm sản xuất, và giới hạn quét khi bề mặt bị che phủ bởi thực vật dày (cỏ cao trên 40 cm).
Chương 2: Cơ sở khoa học và các nguồn sai số ảnh hưởng đến kết quả quét laser 3D mặt đất
Chương 2 đi sâu vào cấu trúc phần cứng và lý thuyết hình học sai số của hệ thống TLS tĩnh. Thiết bị bao gồm khối đo dài laser tần số cao, khối quang cơ quay lăng kính gương quét, kênh truyền tín hiệu và máy tính chuyên dụng. Tệp dữ liệu đầu ra chứa 5 thành phần cho mỗi điểm đo: ba tọa độ không gian $(X, Y, Z)$, giá trị cường độ phản xạ (intensity) và thuộc tính màu thực (R, G, B) được tích hợp từ cảm biến ảnh số.
Tác giả phân tích chi tiết hai nhóm nguồn sai số:
- Sai số thiết bị:
- Nhiệt độ nguồn phát laser: Bức xạ liên tục hoặc xung tần số cao làm tăng nhiệt độ bên trong máy quét, gây giãn nở biến dạng cơ học của trục quay và mạch đo dài. Luận án phân tích hai giải pháp làm mát: làm mát bằng quạt hút gió ngoài (dễ mang bụi và độ ẩm vào buồng máy) và làm mát tuần hoàn bằng khí nitơ áp suất kín.
- Sai số khối đo dài: Sai số xác định số hiệu chỉnh cố định của máy $m_c$ (kiểm định định tâm đạt khoảng 0,1 mm), sai số pha $m_\alpha$ phát sinh từ tính phi tuyến của biên độ - pha tín hiệu, sai số do trôi tần số chuẩn $m_f$, và sai số biến thiên vận tốc truyền sóng trong khí quyển $m_v$:
$$M_R = \sqrt{m_c^2 + \left(\frac{V}{4\pi f}\right)^2 m_\alpha^2 + R^2 \left[\left(\frac{m_f}{f}\right)^2 + \left(\frac{m_v}{V}\right)^2\right]}$$
- Sai số khối đo góc: Lệch tâm trục đứng, trục ngang, độ chia vạch đĩa mã hóa và sai số động học khi đầu quay quét ở tốc độ cao.
- Sai số phương pháp:
- Ảnh hưởng của môi trường truyền dẫn (nhiệt độ, áp suất, độ ẩm làm biến đổi chiết suất khí quyển $n$ và gây uốn cong tia quét do khúc xạ).
- Đặc tính của đối tượng quét: Màu sắc bề mặt (vật thể màu tối hấp thụ nhiều năng lượng làm giảm biên độ xung phản hồi), độ nhám vật liệu, kích thước hình học và góc tới của chùm tia laser lên bề mặt vật thể.
- Hướng xử lý sai số: Phân tách khử sai số hệ thống thô ở giai đoạn tiền xử lý góc và khoảng cách, sau đó áp dụng mô hình toán đa thức để bình sai đồng bộ tọa độ đám mây điểm.
Chương 3: Xây dựng chương trình xử lý dữ liệu quét laser 3D mặt đất trong lĩnh vực địa hình
Nội dung trọng tâm của Chương 3 là giải quyết bài toán tự động hóa xử lý tệp dữ liệu đám mây điểm thô trong đo vẽ địa hình. Do mật độ điểm quét laser cực kỳ dày đặc và chứa nhiều điểm phản xạ không thuộc mặt đất (cây cỏ, nhà cửa, phương tiện, nhiễu không khí), tác giả nghiên cứu xây dựng chương trình phần mềm phụ trợ bằng việc kết hợp hai thuật toán cốt lõi:
- Thuật toán lọc dữ liệu bằng bổ sung mô hình hóa bề mặt: Tự động phân tích các điểm thấp cục bộ kết hợp các tiêu chí độ dốc biến thiên thích ứng để khoanh vùng các điểm thuộc bề mặt thực tế.
- Thuật toán phát triển mô hình mạng tam giác bất quy tắc (TIN) tăng cường bộ lọc: Khởi tạo lưới tam giác ban đầu từ tập hợp điểm khống chế mặt đất tin cậy, sau đó lặp lại quá trình nội suy và đánh giá khoảng cách góc/độ cao của các điểm lân cận để bổ sung vào lưới tam giác mặt đất hoặc phân loại vào nhóm đối tượng thực phủ.
Chương trình phụ trợ xây dựng trong luận án đảm nhiệm các chức năng: đọc dữ liệu định dạng laser chuẩn, tự động nhận dạng và lọc tách điểm địa hình/phi địa hình, loại bỏ dữ liệu thừa nhằm giảm dung lượng lưu trữ, và tự động nội suy thành lập mô hình số địa hình (DTM) độ chính xác cao. Kết quả thực nghiệm tại khu vực làng Gia Phú (xã Bình Dương, huyện Gia Bình) và đồi Lim (thị trấn Lim, huyện Tiên Du), tỉnh Bắc Ninh chứng minh chương trình có khả năng phân tách bề mặt địa hình chính xác, rút ngắn thời gian xử lý nội nghiệp so với thao tác thủ công trên các phần mềm thương mại.
Chương 4: Xây dựng quy trình công nghệ quét laser 3D mặt đất cho việc khảo sát một số đối tượng phi địa hình
Chương 4 hoàn thiện quy trình công nghệ đo quét và mô hình hóa 3D cho các đối tượng phi địa hình trong điều kiện thực tế ở Việt Nam. Quy trình được chuẩn hóa qua 6 giai đoạn kỹ thuật:
- Công tác chuẩn bị và khảo sát hiện trường: Xác định đặc tính hình học đối tượng, độ chi tiết yêu cầu, phạm vi quét và lựa chọn máy quét phù hợp.
- Thiết kế trạm quét và bố trí tiêu ngắm khống chế: Thiết kế vị trí đặt máy quét bảo đảm độ phủ chồng giữa các trạm tối thiểu $20% \div 30%$, bố trí các tiêu ngắm phẳng hoặc hình cầu phản xạ tại các vị trí cố định để phục vụ ghép nối.
- Đo nối tọa độ khống chế trắc địa: Sử dụng máy toàn đạc điện tử hoặc công nghệ định vị GNSS đo nối tọa độ các điểm tiêu ngắm vào hệ tọa độ quốc gia VN-2000.
- Thu nhận dữ liệu quét ngoài thực địa: Thiết lập thông số quét (độ phân giải góc, khoảng cách quét, chụp ảnh màu thực) tại từng trạm máy.
- Xử lý dữ liệu nội nghiệp: Đăng ký ghép nối các trạm quét (registration) dựa trên tiêu ngắm hoặc thuật toán khớp hình học đám mây điểm (ICP), lọc khử điểm nhiễu, gắn thuộc tính ảnh màu thực tế lên đám mây điểm.
- Mô hình hóa 3D và thành lập sản phẩm: Dựng mô hình dạng lưới đa giác (mesh), mô hình hóa đối tượng 3D, trích xuất bản vẽ mặt bằng, mặt cắt kiến trúc 2D và đo đạc kích thước chi tiết.
Quy trình công nghệ trên được kiểm chứng qua các đối tượng phi địa hình thực tế:
- Tuyến phố cổ Tạ Hiện và Đinh Liệt (Hà Nội): Mô hình hóa không gian kiến trúc cảnh quan đô thị, trích xuất độ cao và mặt bằng tỷ lệ 1:500.
- Hang Đầu Gỗ (Quảng Ninh): Khảo sát không gian kín phức tạp, đo vẽ các cấu trúc nhũ đá phục vụ lưu trữ bảo tồn và phát triển du lịch.
- Chùa Bửu Long (TP. Hồ Chí Minh): Thành lập mô hình 3D công trình kiến trúc tôn giáo có hoa văn và chi tiết kết cấu uốn lượn phức tạp.
- Cổ vật chùa Bút Tháp (Bắc Ninh): Khảo sát chi tiết hình học kích thước nhỏ với yêu cầu độ chính xác cao phục vụ lưu trữ di sản văn hóa.
Kết quả và những đóng góp mới
Luận án khẳng định hai luận điểm bảo vệ:
- Luận điểm 1: Sử dụng thuật toán lọc dữ liệu quét bằng bổ sung mô hình hóa bề mặt và phát triển mô hình TIN tăng cường bộ lọc để xây dựng chương trình phụ trợ cho phép tự động hóa quá trình xử lý dữ liệu đám mây điểm, đảm bảo chất lượng cũng như hiệu quả trong việc thành lập mô hình số địa hình.
- Luận điểm 2: Đề xuất quy trình công nghệ quét laser 3D mặt đất phục vụ xây dựng mô hình 3D cho các đối tượng phi địa hình khác nhau một cách linh hoạt, đồng bộ, đảm bảo được yêu cầu kỹ thuật về độ chính xác nhằm đáp ứng yêu cầu phát triển kinh tế xã hội ở Việt Nam.
Những đóng góp mới về mặt khoa học và thực tiễn của luận án:
- Đóng góp về mặt khoa học: Hệ thống hóa và bổ sung toàn diện cơ sở lý luận về công nghệ quét laser 3D mặt đất trạm cố định tại Việt Nam; phân tích định lượng bản chất vật lý của các phương pháp đo dài (xung, pha, tam giác), đo góc và các thành phần sai số ảnh hưởng đến độ chính xác dữ liệu; xây dựng mô hình toán tích hợp thuật toán lọc bề mặt thích ứng và lưới tam giác tăng cường bộ lọc phục vụ bài toán phân tách dữ liệu không gian.
- Đóng góp về mặt thực tiễn:
- Xây dựng thành công công cụ phần mềm phụ trợ có khả năng đọc, lọc dữ liệu điểm laser, loại bỏ điểm thực vật/nhà cửa và tự động nội suy mô hình DTM phù hợp với điều kiện thực tế ở Việt Nam, giúp các đơn vị trắc địa chủ động trong xử lý dữ liệu mà không hoàn toàn phụ thuộc vào module đóng của phần mềm thương mại.
- Đề xuất quy trình công nghệ quét laser 3D mặt đất hoàn chỉnh cho các đối tượng phi địa hình, làm cơ sở khoa học để các cơ quan quản lý nhà nước xem xét ban hành định mức kinh tế kỹ thuật và quy chuẩn khảo sát công trình kiến trúc, cảnh quan, hang động và di tích lịch sử.
Kiến nghị của luận án:
- Cần mở rộng áp dụng chương trình phụ trợ vào thực tế sản xuất đo đạc địa hình nhằm giảm chi phí bản quyền phần mềm và nâng cao năng suất xử lý nội nghiệp.
- Tiếp tục nghiên cứu xây dựng các văn bản quy phạm kỹ thuật, định mức đơn giá cụ thể cho công tác quét laser 3D các công trình phi địa hình.
- Đẩy mạnh giải pháp tích hợp dữ liệu quét laser mặt đất với ảnh chụp từ thiết bị bay không người lái (UAV) để giải quyết triệt để bài toán điểm mù dữ liệu tại các góc khuất trên cao và phần mái của các công trình kiến trúc phức tạp.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế kỹ thuật được luận án chỉ rõ từ văn bản:
- Đối với khu vực địa hình có lớp thực vật che phủ quá dày đặc (cỏ cao trên 40 cm), chùm tia laser mặt đất quét từ trạm tĩnh bị chắn hoàn toàn, không thể tiếp cận đến bề mặt đất thực tế; do đó phương pháp TLS ở điều kiện này không đạt hiệu quả và bắt buộc phải kết hợp phương pháp toàn đạc truyền thống hoặc đo GNSS.
- Trạm quét laser mặt đất đặt ở vị trí cố định dưới mặt đất nên xuất hiện nhiều vùng khuất bóng hình học (shadow areas), đặc biệt là không thể thu nhận được dữ liệu cấu trúc bề mặt mái của các tòa nhà cao tầng hoặc đỉnh các công trình kiến trúc.
- Độ chính xác tọa độ suy giảm tỉ lệ thuận theo khoảng cách từ trạm quét tới vật thể; các tác động của điều kiện khí quyển (sương mù, nhiệt độ cao gây nhiễu xạ) và nhiệt độ máy quét ảnh hưởng trực tiếp đến độ tin cậy của phép đo dài.
- Rào cản về bản quyền phần mềm thương mại ngoại nhập (khóa cứng bảo mật) giới hạn khả năng tiếp cận mã nguồn và năng lực xử lý đồng thời của các nhóm kỹ thuật viên.
Hướng nghiên cứu tiếp theo:
- Hoàn thiện và nâng cấp các thuật toán trong phần mềm phụ trợ nhằm tự động hóa nhận dạng các đối tượng hình học phức tạp trong nhà máy công nghiệp hoặc các chi tiết kiến trúc mỹ thuật.
- Nghiên cứu kết hợp chặt chẽ công nghệ quét laser mặt đất (TLS) với công nghệ quét laser di động (MLS), công nghệ bay chụp không người lái (UAV) và công nghệ ảnh số quét bề mặt để tạo ra hệ thống thu nhận dữ liệu đa nền tảng, khép kín mọi góc quan sát của đối tượng.
Giá trị tham khảo
Luận án là tài liệu tham khảo chuyên môn cho các đối tượng:
- Nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Trắc địa - Bản đồ, Địa tin học (Geomatics), Quản lý đất đai, Kỹ thuật mỏ và Xây dựng công trình: Có thể khai thác cơ sở lý thuyết toán học về chuyển đổi tọa độ, nguyên lý đo xung, đo pha, đo tam giác quang học và các công thức đánh giá độ chính xác, mô hình sai số thiết bị quét.
- Giảng viên và cán bộ nghiên cứu: Tham khảo phương pháp tiếp cận nghiên cứu thực nghiệm trắc địa, thuật toán lọc dữ liệu đám mây điểm kết hợp mô hình hóa bề mặt và mạng lưới tam giác TIN.
- Kỹ sư thực địa và đơn vị sản xuất đo đạc: Vận dụng bảng đặc tính kỹ thuật các dòng máy quét (Trimble SX10, Leica RTC360, Riegl VZ-6000, Faro Focus S350, GeoMax SPS Zoom 300) để lựa chọn thiết bị phù hợp với yêu cầu kinh tế - kỹ thuật của dự án; áp dụng quy trình 6 bước khảo sát công trình phi địa hình.
- Cán bộ quản lý di sản, kiến trúc đô thị và văn hóa - du lịch: Tham khảo phương pháp số hóa 3D phục vụ trùng tu di tích, bảo tồn hang động, khảo cổ học và quản lý quy hoạch kiến trúc tuyến phố đô thị.
- Cơ quan quản lý nhà nước (Bộ Tài nguyên và Môi trường, Bộ Xây dựng): Sử dụng các kết quả thực nghiệm và quy trình kỹ thuật làm luận cứ khoa học để xây dựng, ban hành định mức kinh tế kỹ thuật và thông tư quy định khảo sát quét laser 3D cho các đối tượng công trình xây dựng và phi địa hình.
Câu hỏi thường gặp
1. Phương pháp đo chiều dài bằng nguyên lý đo pha trong máy quét laser mặt đất hoạt động như thế nào và có ưu điểm gì so với đo xung?
Phương pháp đo pha xác định khoảng cách dựa trên việc đo hiệu pha $\Delta \varphi$ giữa tín hiệu laser phát đi và nhận về thông qua bộ điều biến dao động tần số $f$, kết hợp xác định số nguyên lần bước sóng $N$ ($D = N\lambda + \frac{\Delta \varphi}{2\pi}\lambda$). Khác với phương pháp đo xung tính thời gian truyền trực tiếp, phương pháp đo pha cho độ chính xác cao hơn rõ rệt (đạt đến 0,4 mm) và tốc độ ghi nhận hàng trăm nghìn điểm mỗi giây, thích hợp cho việc quét chi tiết công trình ở cự ly vừa và ngắn.
2. Bốn cấp độ an toàn bức xạ của nguồn phát laser trong thiết bị quét mặt đất được phân loại dựa trên những tiêu chí nào?
Các nguồn phát laser được chia thành 4 cấp độ: Cấp I an toàn tuyệt đối, không gây ảnh hưởng sức khỏe, thường dùng trong thiết bị phân tích phòng thí nghiệm hoặc CD-ROM; Cấp II có công suất thấp thuộc dải quang phổ nhìn thấy ($0,38 \div 0,8\text{ }\mu\text{m}$), an toàn khi tiếp xúc thông thường nhưng có thể gây tổn thương mắt nếu nhìn trực tiếp qua kính quang học quá 15 phút; Cấp IIIa (công suất $1 \div 5\text{ mW}$) và Cấp IIIb ($5 \div 500\text{ mW}$) phát bức xạ liên tục nguy hiểm trực tiếp cho mắt khi nhìn vào chùm tia; Cấp IV có công suất rất cao có khả năng cắt kim loại và gây bỏng nặng.
3. Tại sao công nghệ quét laser mặt đất bị suy giảm hiệu quả ở vùng có thực vật che phủ cao trên 40 cm và giải pháp xử lý là gì?
Do tia laser quét từ trạm cố định mặt đất đi theo phương nghiêng hoặc ngang, khi gặp lớp cỏ hoặc cây bụi rậm rạp cao trên 40 cm, các chùm tia bị chặn lại ở tán thực vật bên ngoài và phản xạ ngược về máy mà không thể xuyên qua chạm tới mặt đất tự nhiên. Do đó, đám mây điểm thu được chỉ phản ánh bề mặt thực vật. Trong trường hợp này, phương pháp quét laser mặt đất không hiệu quả và phải thay thế hoặc kết hợp với phương pháp đo đạc truyền thống bằng máy toàn đạc điện tử hoặc công nghệ đo định vị vệ tinh GNSS.
4. Thiết bị bay không người lái (UAV) giải quyết nhược điểm kỹ thuật nào của máy quét laser mặt đất trong mô hình hóa đô thị?
Máy quét laser mặt đất đặt cố định ở tầm quan sát ngang nên bị hạn chế nghiêm trọng về góc nhìn hướng lên, dẫn đến không thể thu thập được dữ liệu phần mái và các góc khuất trên cao của các tòa nhà cao tầng. Việc chụp ảnh hoặc quét LiDAR từ thiết bị bay không người lái (UAV) nhìn từ trên xuống giúp thu nhận trọn vẹn dữ liệu bề mặt mái và đỉnh công trình, kết hợp với dữ liệu quét mặt đất có độ chính xác cao ở phần chân và mặt đứng công trình để tạo thành mô hình 3D hoàn chỉnh tỷ lệ 1:1.000.
5. Luận án đã tiến hành thử nghiệm thực tế trên những đối tượng địa hình và phi địa hình cụ thể nào?
Đối với lĩnh vực địa hình, thực nghiệm được thực hiện tại khu vực làng Gia Phú (xã Bình Dương, huyện Gia Bình) và khu vực đồi Lim (thị trấn Lim, huyện Tiên Du), tỉnh Bắc Ninh. Đối với lĩnh vực phi địa hình, thực nghiệm được tiến hành trên 4 nhóm đối tượng: cảnh quan hang Đầu Gỗ (vịnh Hạ Long, Quảng Ninh); tuyến phố cổ Tạ Hiện và Đinh Liệt (Hoàn Kiếm, Hà Nội); công trình kiến trúc chùa Bửu Long (TP. Hồ Chí Minh); và các cổ vật tại chùa Bút Tháp (Bắc Ninh).
Kết luận
Luận án tiến sĩ "Nghiên cứu công nghệ quét Laser 3 chiều mặt đất trong lĩnh vực địa hình và phi địa hình ở Việt Nam" đã hệ thống hóa đầy đủ cơ sở khoa học, nguyên lý vật lý và bản chất sai số của công nghệ quét laser 3D mặt đất trạm cố định. Công trình giải quyết thành công bài toán tự động hóa tách lọc đám mây điểm thông qua chương trình phụ trợ tích hợp thuật toán mô hình hóa bề mặt và lưới tam giác TIN tăng cường, nâng cao độ chính xác khi thành lập mô hình số địa hình DTM. Đồng luận án đã đề xuất và chuẩn hóa quy trình công nghệ 6 bước phục vụ đo vẽ, thành lập mô hình 3D cho các đối tượng phi địa hình phức tạp, tạo tiền đề khoa học cho việc áp dụng rộng rãi công nghệ quét laser 3D trong công tác trắc địa, quản lý đô thị và bảo tồn di sản tại Việt Nam.
