Chương 1: TỔNG QUAN ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ LIDARTRONG THÀNH LẬP BẢN ĐỒ 3D 1.1 Một số khái niệm cơ bản Hiện nay trên thế giới, ngành bản đồ ngày càng phát triền về hai loại bản đồ là bản đồ 3D và bản đồ động.Nghiên cứu về mô hình bản đồ địa hình 3D cần phân biệt một số khái niệm cơ bản về DEM, DTM, mô hình bản đồ 3D và mô hình bản đồ địa hình 3D. Trong đề tài “Nghiên cứu và thử nghiệm thành lập bản đồ địa hình 3D” của viện nghiên cứu địa chính (2004) cũng có đề cập giải thích các khái niệm này (VNCDC 2004)(Lương Chính Kế 2009) “Mô hình số độ cao DEM là mô hình số mô tả cả về mặt phẳng và độ cao của một số bề mặt. Mô hình số địa hình DTM là mô hình số mô tả cả về mặt phẳng và độ cao của một bề mặt đất nhưng các vật thể trên đó chỉ mô tả về mặt phẳng không mô tả về độ cao. Mô hình số bề mặt DSM là mô hình số độ cao mô tả cả về mặt phẳng lẫn độ cao của bề mặt đất và bao gồm các cả các đối tượng vật thể trên đó như nhà cửa, cây, đường giao thông…” (VNCDC 2004) Hình 1.1 Mô hình DSM và DTM 12 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com “Mô hình bản đồ 3D (3D catorgraphic model- 3DCM) là mô hình bản đồ mô tả khái quát một hay nhiều khía cạnh của thế giới thực.
Mô hình bản đồ địa hình 3D ( 3D topo-catorgraphic model 3DTCM) là mô hình bản đồ địa hình mô tả bề mặt trái đất bao gồm các đối tượng vật thẻ trên đó được khái quát và ký hiệu hóa ở một mức độ nhất định theo nguyên tắc bản đồ, phản ánh mặt phẳng, độ cao của các đối tượng một cách chọn lọc.” (Lương Chính Kế 2009) Cụm từ “mô hình” đi kèm với bản đồ địa hình 3D là do theo định nghĩa truyền thống về bản đồ đều có một khái niệm rõ ràng là “ bản đồ” được qui chiếu về mặt phẳng. Tuy nhiên, với định nghĩa của Hội bản đồ thế giới 2005, khái niệm về “ qui chiếu về mặt phẳng” không còn: “Bản đồ là hình ảnh của thực tế địa lý, được ký hiệu hóa, phản ánh các yếu tố hoặc các điểm một cách có chọn lọc, là kết quả của sự nỗ lực sáng tạo trong lực chọn của tác giả bản đồ và được thiết kế để sử dựng chủ yếu liên quan đến mối quan hệ không gian” (VNCDC 2004, Lương Chính Kế 2009) Trong khi đó, bản đồ địa hình 3D mang đây đủ các đặc điểm của bản đồ 2D: phản ánh bề mặt trái đất, tuân theo qui tác toán học, khái quát hóa, kí hiệu hóa. Chính vì vậy, trong đề tài này quan niệm “bản đồ địa hình 3D” và “mô hình bản đồ địa hình 3D” là một.2 Cơ sở lý thuyết công nghệ Lidar 1.1Cấu trúc hệ thống Lidar Công nghệ quét laser từ máy bay (Airborne Laser Scanning) hay còn gọi là Lidar (Light Detection And Ranging) là một công nghệ mới được áp dụng tại Việt Nam. Đây là công nghệ cho phép đo đạc độ cao chi tiết địa hình một cách nhanh chóng và chính xác với mật độ các điểm dày đặc.
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. 13 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Bộ máy quét 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.
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.2 Cơ chế phát xung laser trong hệ thống quét Lidar 14 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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 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.
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. 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. 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. 15 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.3 Mô hình hệ thống bay chụp Lidar 1.2 Nguyên lý hoạt động của Lidar LIDAR gồm nhiều hệ thống liên kết với nhau, trong đó có thiết bị đo dài laser đặt trên máy bay, cho phép đo khoảng cách từ máy bay đến điểm địa vật hay địa hình. Thiết bị laser quét tuyến địa hình với độ rộng từ vài chục mét tới vài trăm mét nhờ tấm gương quay.
Tấm gương gắn ở phần đầu thiết bị quét bẻ chum tia laser hướng về bề mặt địa hình, góc quét tới 70º theo chiều vuông góc với hướng bay của máy bay, (hình 1. Tia laser là loại sóng điện từ, có cường độ lớn gấp bội lần cường độ tia sáng nhiệt chính vì vậy, tia laser có khả năng đâm xuyên mạnh. Khi gặp các đối tượng, tia laser sẽ có một phần sẽ phản hồi và tiếp tục đâm xuyên qua (Hình 1. Phần năng lượng phản hồi từ bề mặt địa hình hay địa vật qua hệ thống quang học được ghi và thu lại.
Trên cơ sở biết thời gian phản hồi của tín hiệu từ bề mặt địa hình về thiết bị ghi thu và tần số xung điện, ta có thể tính được khoảng cách từ điểm địa hình hay địa vật đến máy bay tại thời điểm quét. Si=Ti*C/2 Si: Khoảng cách từ nguồn phát laser tới đối tượng. 16 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Ti: Khoảng thời gian từ thời điểm phát tia laser đến thời điểm nhận tia laser phản xạ. C: Tốc độ ánh sáng (3.
Với thông tin về thời gian phản hồi của xung và tính được tọa độ dựa vào GPS, và độ cao của máy bay có thể tính được độ cao của các đối tượng trên bề mặt. Độ cao của đối tương= độ cao máy bay- Si. Chiều cao của đối tượng= độ cao đối tượng-độ cao của mặt đất. Thiết bị đo dài laser hoạt động trong dải phổ hồng ngoại, cận hồng ngoại.
Trên đường đi, các tia laser có khả năng đâm xuyên mạnh, khi gặp chướng ngại vật như cây cối, nhà cửa… sẽ phản hồi lại một phần về hệ thống, và một phần sẽ tiếp tục đâm xuyên (nếu có thể) qua chướng ngại vật và phản hồi lại, (hình 1. Hệ thống LIDAR có thể ghi nhận tới 5 mức của tín hiệu phản xạ của từng tia laser. Mỗi mức phản xạ thường là của một tầng đối tượng mà tia laser đi qua. Mỗi mức là có một cường độ tín hiệu laser phản xạ mà phần mềm sẽ xử lý và tạo được hình ảnh tương ứng với đối tượng trên mặt đất.
Xung laser (Dải quét) Hình 1.4 Dữ liệu Lidar trong một dải quét Đồng thời với thiết bị laser, hệ thống GPS đặt trên máy bay và dưới đất sẽ giúp xác định vị trí không gian X, Y, Z của thiết bị laser trên máy bay tại thời điểm quét, còn hệ thống INS thực hiện các phép đo gia tốc các hướng X,Y và Z, đo các góc định hướng của tia quét laser đồng thời thực hiện xử lý số liệu và điều khiển 17 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com hoạt động đồng bộ và chính xác của toàn hệ thống LIDAR. Tổ hợp thiết bị đạo hàng quán tính, định vị toàn cầu GPS/INS dựa trên nguyên lý con quay và máy gia tốc để giải các bài toán về đạo hàng.5 Mức độ đâm xuyên và phản hồi của laser khi gặp các đối tượng a. Dữ liệu quét LIDAR Dữ liệu thu được trong công nghệ này cần đưa ra để xử lý gồm số liệu GPS, số liệu INS và số liệu quét LIDAR. Dữ liệu LIDAR thu được là các đám mây điểm.
Mỗi tia laser phản hồi lại đều có các thông tin về X, Y, Z. Hai dữ liệu chính là dữ liệu điểm lần đầu phản hồi và lần cuối (hình 1.5) cùng hệ thống thu nhận được tín hiệu laser phản hồi lại. Dữ liệu lần đầu tiên phản hồi lại thường chứa các thông tin về độ cao của đối tượng địa vật hoặc của bề mặt đất nếu trên đường xuống bề mặt không có địa vật. Còn dữ liệu phản xạ cuối cùng mà hệ thống thu được thường chứa thông tin về bề mặt đất hoặc về độ cao của đối tượng lần cuối phản xạ lại.