Tổng quan luận án
Công trình khoa học được thực hiện bởi nghiên cứu sinh Ngô Sỹ Cường dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Trần Xuân Trường tại Trường Đại học Mỏ - Địa chất, hoàn thành năm 2022 với đề tài: “Nghiên cứu công nghệ quét Laser 3 chiều mặt đất trong lĩnh vực địa hình và phi địa hình ở Việt Nam”. Luận án thuộc chuyên ngành Kỹ thuật Trắc địa - Bản đồ, đi theo hướng nghiên cứu thực nghiệm - công nghệ kết hợp mô hình hóa toán học và xử lý dữ liệu địa không gian.
Tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ xu hướng tự động hóa trong công tác thu nhận dữ liệu không gian mặt đất thông qua việc tích hợp hệ thống định vị vệ tinh, ảnh số và công nghệ laser. Quá trình quét laser 3 chiều mặt đất (Terrestrial Laser Scanning - TLS) cung cấp mật độ dữ liệu đám mây điểm (point cloud) dày đặc kèm tọa độ ba chiều và hình ảnh thực tế, giúp chuyển dịch phần lớn công việc đo đạc ngoại nghiệp sang xử lý nội nghiệp. Tuy nhiên, tại Việt Nam, TLS là công nghệ mới, chưa được nghiên cứu toàn diện và có hệ thống; việc tiếp cận các phần mềm thương mại ngoại nhập gặp trở ngại lớn do cấu trúc đóng kín, chi phí bản quyền cao, sử dụng khóa cứng hạn chế số lượng người dùng đồng thời, và các công cụ lọc điểm tự động chưa thực sự tương thích với đặc thù thực phủ, địa vật phức tạp ở nước ta. Bên cạnh đó, khung pháp lý kỹ thuật và quy trình công nghệ chuẩn cho việc khảo sát các đối tượng phi địa hình (như hang động, tuyến phố đô thị, công trình kiến trúc di sản) chưa được ban hành đầy đủ.
Mục tiêu và nhiệm vụ của luận án được xác định rõ ràng:
- 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:
- Thu thập, phân tích tổng quan tài liệu, 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 kiểm chứng kết quả nghiên cứu trên các khu vực địa hình đa dạng và các đối tượng phi địa hình đặc thù phục vụ bảo tồn, quảng bá du lịch và phát triển kinh tế - xã hội.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Ứng dụng công nghệ quét laser 3D mặt đất trong lĩnh vực địa hình (thành lập mô hình số địa hình DTM/DEM, đánh giá độ chính xác) và lĩnh vực phi địa hình (thành lập mô hình 3D công trình hang động, tuyến phố cảnh quan, di tích lịch sử văn hóa).
- Phạm vi không gian:
- Vùng 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; khu vực mỏ đất tại huyện Lạng Giang, tỉnh Bắc Giang.
- Vùng phi địa hình: Hang Đầu Gỗ (vịnh Hạ Long, tỉnh Quảng Ninh); tuyến phố cổ Tạ Hiện và Đinh Liệt (phường Hàng Bạc, quận Hoàn Kiếm, thành phố Hà Nội); di tích chùa Bửu Long (thành phố Hồ Chí Minh) và cổ vật chùa Bút Tháp (tỉnh Bắc Ninh).
- Phạm vi thời gian và tư liệu: Các thực nghiệm và kết quả được thu thập, xử lý và bảo vệ trong giai đoạn đến năm 2022.
Luận điểm bảo vệ của tác giả:
- 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.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Luận án điểm lại lịch sử công nghệ laser từ khi hình thành năm 1960 bởi Theodore H. Maiman dựa trên nền tảng lý thuyết của Charles Hard Towner và Arthur Leonard Schawlow. Về bức tranh nghiên cứu quốc tế, tác giả phân loại và tổng hợp các công trình trọng điểm theo từng hướng ứng dụng cụ thể:
- Ứng dụng trong địa hình: Nora Tilly và cộng sự (2014) trên Journal of Applied Remote Sensing ứng dụng TLS xây dựng mô hình bề mặt cây trồng đa thời gian để ước tính sinh khối lúa; Peter Schürch (2011) nghiên cứu biến động bề mặt địa hình phức tạp và đo lưu lượng đá rơi vỡ kênh Illgraben bằng việc so sánh mô hình DTM qua các chu kỳ quét; Andri Baltensweiler cùng cộng sự tại Viện WSL Thụy Sĩ (2017) chứng minh ở độ phân giải cao ($\approx 1\text{ m}$), DEM từ TLS có độ chính xác vượt trội so với DEM từ quét laser hàng không (ALS) tại khu vực địa hình rừng rậm phức tạp.
- Ứng dụng trong phi địa hình (lâm nghiệp, hang động, xây dựng, công nghiệp): Tạp chí Remote Sensing (2014) và tác giả Newnham nghiên cứu giám sát cấu trúc, sinh khối rừng quy mô lô; Francesco Pirotti (2013) trên tạp chí ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing xuất bản nghiên cứu lọc mặt đất và lập bản đồ thực vật từ tín hiệu đa phản xạ của TLS; Mathieu Dassot và cộng sự (2013) đánh giá thể tích gỗ cây đứng; Mohammed Oludare Idrees (2016) tổng quan 10 năm khảo sát hang động bằng máy quét mặt đất; Soohee Han (2013) chiết xuất mặt cắt đường hầm tự động; Yusuf Arayici (2007) ứng dụng TLS tích hợp GPS vi phân mô hình hóa môi trường xây dựng; Tahir Rabbani Shah (2013) tự động nhận dạng mô hình hình trụ khôi phục cơ sở công nghiệp từ đám mây điểm.
- Nghiên cứu thuật toán lọc dữ liệu: L. Monika Moskal và Guang Zheng (2012) đề xuất thuật toán cắt lọc đám mây điểm kiểm kê rừng đô thị; Susaki (2012) phát triển thuật toán lọc độ dốc thích ứng (adaptive slope filter) phân tách các điểm mặt đất (ground points - GPs) trên dữ liệu Lidar tại các khu vực đô thị biến đổi độ dốc lớn.
- Nghiên cứu sai số: Angelo Beraldin, François Blais, Uwe Lohr và nhóm tác giả Balzani M. đã phân định hai nhóm sai số căn bản của thiết bị quét laser mặt đất gồm sai số thiết bị (quang học, cơ học, điện tử) và sai số phương pháp (phản xạ bề mặt, góc tới, môi trường).
Tại Việt Nam, các nghiên cứu tiêu biểu được điểm lại bao gồm:
- Nguyễn Viết Nghĩa và cs. (2020) ứng dụng TLS lập bản đồ mỏ than lộ thiên Cọc Sáu (độ chính xác tọa độ đạt 0,6 ÷ 6,7 mm ở cự ly 4 ÷ 75 m) và hầm lò Khe Chàm (0,8 ÷ 3,6 mm ở cự ly 4 ÷ 25 m); trước đó năm 2017, nhóm tác giả này thử nghiệm máy Geomax Zoom 300 tại mỏ Cọc Sáu đạt sai số nắn ghép $\pm 3\text{ mm}$ trong 6 giờ đo;
- Trần Quốc Vinh và cs. (2017) kết hợp đám mây điểm TLS và ảnh chụp từ máy bay không người lái (UAV) thành lập bản đồ 3D tỷ lệ 1:1000 khu vực đô thị nhằm khắc phục điểm mù phần mái nhà cao tầng;
- Vũ Quốc Lập (2015) chủ trì đề tài cấp Bộ ứng dụng TLS nâng cao chất lượng dữ liệu địa không gian quản lý khoáng sản và trượt lở bờ mỏ;
- Hoàng Kim Quang và cs. (2012) tại Công ty An Thi xây dựng tài liệu ứng dụng TLS trong khai khoáng;
- Vũ Thị Hằng và cs. (2012) kết hợp TLS, GNSS, GIS xác định dịch chuyển bãi thải mỏ Quảng Ninh;
- Về mặt pháp lý, Bộ Tài nguyên và Môi trường đã 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 trên trạm cố định.
Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn giải quyết: Các công bố trong nước chủ yếu mới tập trung vào trắc địa mỏ và thành lập mô hình địa hình, chưa có nghiên cứu hoàn chỉnh, đồng bộ từ lý thuyết đến thực nghiệm cho các đối tượng phi địa hình (hang động, tuyến phố cổ, di tích lịch sử văn hóa). Đồng thời, chưa có công bố chuẩn hóa quy trình công nghệ làm cơ sở xây dựng định mức kinh tế kỹ thuật cho các đối tượng này; các phần mềm thương mại ngoại nhập (Trimble Business Center/Realworks, Leica Cyclone, RiSCAN PRO, Faro SCENE) có cấu trúc đóng kín và sử dụng khóa cứng, đặt ra yêu cầu cấp thiết phải phát triển chương trình phụ trợ mở có thuật toán lọc điểm tự động thích ứng với điều kiện bề mặt tại Việt Nam.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Luận án dựa trên cơ sở lý thuyết truyền sóng điện từ và hình học không gian trắc địa. Hệ thống TLS hoạt động ở trạng thái tĩnh, tích hợp khối đo dài laser, khối đầu quét quang - cơ (gương quét hoặc lăng kính xoay), hệ thống truyền nhận tín hiệu và máy tính xử lý.
Tọa độ không gian ba chiều của điểm quét ($X, Y, Z$) trong hệ tọa độ cực trạm máy được chuyển đổi sang hệ tọa độ Đề-các vuông góc theo công thức:
$$X = R \cos \varphi \sin \theta$$
$$Y = R \sin \varphi \sin \theta$$
$$Z = R \cos \theta$$
Trong đó:
- $R$: Khoảng cách nghiêng từ trạm quét tới điểm phản xạ địa vật;
- $\varphi$: Góc hướng ngang của tia laser;
- $\theta$: Góc hướng đứng của tia laser (khoảng cách thiên đỉnh tính từ trục thẳng đứng $Z$).
Về nguyên lý đo dài khoảng cách, luận án phân tích 3 phương pháp cơ bản:
- Phương pháp đo xung (Time-of-flight): Đo khoảng thời gian lan truyền hai chiều $t_{2D}$ của xung laser với vận tốc ánh sáng $V$:
$$D = \frac{V \cdot t_{2D}}{2}$$
Sai số xác định khoảng cách phụ thuộc trực tiếp vào sai số ghi đếm thời gian $M_{t2D}$:
$$M_D = \frac{V \cdot M_{t2D}}{2}$$
Các thiết bị ghi đếm xung hiện đại có độ chính xác thời gian đạt $10^{-12}\text{ s}$, tương ứng sai số cự ly khoảng $1\text{ mm}$. Ưu điểm là tầm quét xa với công suất phát vừa phải; nhược điểm là độ chính xác hạn chế hơn phương pháp đo pha và phụ thuộc vào sự biến dạng, kéo dài của xung phản xạ.
- Phương pháp đo pha (Phase-shift): Đo sự dịch chuyển pha $\Delta \varphi$ và số nguyên chu kỳ sóng điều biến $N$ giữa tín hiệu phát và thu. Băng tần điều biến đạt đến 10 Hz với diode laser, cho độ chính xác cao đạt đến $0,4\text{ mm}$ cùng tốc độ thu nhận cao, song bị giới hạn về tầm quét xa hơn so với đo xung.
- Phương pháp đo tam giác laser: Dựa trên cơ sở hình học của tam giác quang học tạo bởi nguồn phát, điểm phản xạ và bộ cảm biến thu nhận (áp dụng ở dòng máy Mensi S10, S25, Soisic), cho độ chính xác cực cao tới $0,1\text{ mm}$ nhưng chỉ hoạt động ở cự ly rất ngắn.
Về nguồn sai số, luận án hệ thống hóa thành:
- Sai số thiết bị: Sai số do chế tạo lắp ráp cơ học, độ lệch tâm giữa trục quay ngang và trục quay đứng, sai số quang học của hệ lăng kính gương, sai số đồng trục giữa bộ phát và bộ thu, sai số đồng hồ xung và sai số điều biến pha.
- Sai số phương pháp: Cấu trúc hình học, độ nhám và màu sắc của vật thể phản xạ; góc tới của chùm tia laser; hiện tượng phản xạ hỗn hợp tại ranh giới tiếp giáp giữa hai đối tượng; điều kiện môi trường khí quyển (nhiệt độ, áp suất, độ ẩm làm biến đổi vận tốc truyền sóng và gây tán xạ tia).
Luận án thống kê phân loại mức độ an toàn của nguồn bức xạ laser thiết bị theo 4 cấp: Cấp I (an toàn tuyệt đối); Cấp II (công suất thấp, dải phổ $0,38 \div 0,8\ \mu\text{m}$, tiếp xúc mắt trên 15 phút có thể gây thương tổn); Cấp IIIa (công suất $1 \div 5\text{ mW}$, nhìn trực tiếp hoặc qua kính quang học gây nguy hiểm); Cấp IIIb ($5 \div 500\text{ mW}$, bắt buộc mang thiết bị bảo vệ mắt); Cấp IV (công suất cao, khả năng cắt kim loại).
Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm:
- Phương pháp thống kê: Phân tích, tổng hợp tài liệu chuyên ngành trong và ngoài nước;
- Phương pháp phân tích, tổng hợp: Đánh giá có hệ thống các nguồn sai số và so sánh các đặc tính công nghệ;
- Phương pháp mô hình hóa: Xây dựng cấu trúc dữ liệu đồ họa, thuật toán lọc mô hình hóa bề mặt mô phỏng vải (Cloth Simulation Filtering - CSF) kết hợp mô hình lưới tam giác không đều tăng cường (Triangular Irregular Network - TIN);
- Phương pháp thực nghiệm: Triển khai thu thập dữ liệu bằng hệ thống máy quét Faro Focus S350 / S350 Plus, tiến hành đo nối tọa độ, nắn ghép trạm quét bằng tiêu cầu (spherical targets), so sánh đối chứng với dữ liệu bay chụp UAV, LiDAR hàng không và máy toàn đạc điện tử.
Dữ liệu thực nghiệm sử dụng máy Faro Focus S350 Plus (phương pháp đo pha, tầm quét $350\text{ m}$, tốc độ $976.000\text{ điểm/giây}$, camera số 70 MP HD, khối lượng $5,2\text{ kg}$) và số liệu đối soát từ các bản đồ địa hình hiện có.
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 các khái niệm, cơ chế hoạt động của hệ thống quét laser cố định (TLS) và hệ thống quét laser di động (MLS - lắp đặt trên ô tô, tàu thuyền như hệ thống IP-S2, Trimble MX8, MDL Dynascan S250). Tác giả thiết lập bảng thông số kỹ thuật chi tiết của các thiết bị quét TLS tiêu biểu trên thế giới đang được sử dụng ở Việt Nam:
| Loại máy |
Góc quét |
Phạm vi quét (m) |
Tốc độ quét (điểm/giây) |
Độ chính xác (Khoảng cách / Góc) |
| TRIMBLE SX10 |
$360^\circ \times 300^\circ$ |
700 |
260.000 |
2,5 mm / 5" |
| LEICA RTC360 |
$360^\circ \times 300^\circ$ |
0,5 – 130 |
2.000.000 |
3 mm / 8" |
| RIEGL VZ - 6000 |
$360^\circ \times 60^\circ$ |
6000 |
220.000 |
10 mm / 12" |
| FARO Focus S 350 |
$360^\circ \times 300^\circ$ |
350 |
976.000 |
3,5 mm / 18" |
| GEOMAX SPS Zoom 300 |
$360^\circ \times 90^\circ$ |
2,5 – 300 |
40.000 |
10 mm / 30" (ở 100 m) |
Chương này đi sâu phân tích 5 lĩnh vực ứng dụng phi địa hình: kiến trúc - quy hoạch xây dựng (tái hiện cấu trúc mặt tiền tuyến phố Tạ Hiện, kiểm tra lún biến dạng công trình công nghiệp); khảo cổ học (số hóa ngói gắn lá đề Hoàng thành Thăng Long, nhà bát giác chùa Láng); công nghiệp dầu khí (kiểm tra độ nghiêng trục đứng, biến dạng thành bể chứa và đường ống dẫn dầu); y học tạo hình; dự báo thảm họa và quan trắc bờ mỏ hầm lò.
Đồng thời, tác giả đưa ra bảng đánh giá so sánh sơ bộ hiệu quả của công nghệ TLS so với các phương pháp trắc địa khác:
| TT |
Tiêu chí so sánh |
Công nghệ đo vẽ ảnh |
Đo đạc trực tiếp |
Công nghệ quét laser 3D mặt đất |
| 1 |
Giá thành |
Rẻ |
Đắt |
Đắt |
| 2 |
Tiến độ (thời gian) |
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 dữ liệu |
Cấu hình bình thường |
Cấu hình cao |
Cấu hình rất cao |
| 7 |
Yêu cầu tay nghề kỹ thuật viên |
Tay nghề bình thường |
Tay nghề cao |
Tay nghề rất cao |
| 8 |
Phụ thuộc vào yếu tố địa hình |
Khá phụ thuộc |
Rất phụ thuộc |
Không phụ thuộc |
Tác giả nhấn mạnh giới hạn kỹ thuật: khi địa hình có lớp thực phủ dày đặc (cỏ cao trên 40 cm), TLS mặt đất không thể thâm nhập hiệu quả, khi đó bắt buộc phải kết hợp phương pháp toàn đạc hoặc GNSS/RTK.
Chương 2: Cơ sở khoa học và các nguồn sai số ảnh hưởng đến kết quả quét laser 3D mặt đất
Chương 2 trình bày chi tiết nguyên lý vận hành của khối đo dài và khối đầu quay quang - cơ. Cơ chế đo góc được chia thành hai nguyên lý: theo bước định vị ghi góc và định vị ghi góc liên tục. Kết quả quét tạo thành mô hình ảnh raster đa thuộc tính (khoảng cách, cường độ phản xạ, màu thực RGB do camera số tích hợp gán vào) và tệp dữ liệu đám mây điểm 3D mang 5 trường thuộc tính: $X, Y, Z$, cường độ ($Intensity$) và màu thực.
Chương này tập trung mổ xẻ các nguồn sai số:
- Mối quan hệ giữa góc tới của tia laser với độ mở rộng của xung phản xạ: góc tới càng nghiêng so với pháp tuyến bề mặt thì xung phản xạ càng bị kéo dài, gây suy giảm độ chính xác xác định mốc thời gian;
- Hiện tượng tán xạ tại mép biên đối tượng: khi tia laser có đường kính vết sáng quét qua ranh giới giữa hai bề mặt có khoảng cách khác nhau, bộ thu nhận sẽ nhận đồng thời hai tín hiệu phản xạ, tạo ra các điểm đo ảo (điểm nhiễu mép);
- Ảnh hưởng của hệ số phản xạ và màu sắc: các đối tượng có màu tối hoặc bề mặt hấp thụ năng lượng quang học làm suy giảm biên độ tín hiệu phản xạ, ảnh hưởng trực tiếp đến tỷ số tín hiệu trên nhiễu ($SNR$).
Chương 3: Xây dựng chương trình xử lý dữ liệu quét laser 3D mặt đất trong lĩnh vực địa hình
Chương 3 giải quyết bài toán cốt lõi về thuật toán lọc điểm mặt đất từ đám mây điểm hỗn hợp để thành lập mô hình số độ cao (DEM/DTM). Sau khi phân tích thuật toán phân đoạn đám mây điểm và bộ lọc thích ứng độ dốc kết hợp phân cụm, tác giả lựa chọn và phát triển:
- Thuật toán lọc: Bổ sung mô hình hóa bề mặt mô phỏng vải (Cloth Simulation Filtering - CSF) kết hợp mô hình lưới tam giác không đều tăng cường bộ lọc (TIN filter). Thuật toán mô phỏng một tấm vải ảo thả rơi tự do xuống bề mặt đám mây điểm bị lật ngược; hình dạng của tấm vải sau khi chạm các điểm cao cục bộ sẽ phản ánh hình học của bề mặt đất tự nhiên, cho phép phân tách điểm địa hình và điểm phi địa hình (nhà cửa, cây cối).
- Cấu trúc chương trình phụ trợ: Thiết kế sơ đồ khối phần mềm gồm các mô-đun: Đọc và hiển thị tệp dữ liệu chuẩn định dạng
*.las; Trực quan hóa đám mây điểm ở các góc quan sát 3D khác nhau; Chức năng giảm mật độ điểm (thinning/sampling) theo khoảng cách ngưỡng nhằm giảm dung lượng tính toán; Thuật toán lọc tự động điểm địa hình và tách riêng điểm phi địa hình; Xuất dữ liệu tọa độ không gian phục vụ nội suy bề mặt DTM.
- Thực nghiệm và đánh giá độ chính xác:
- Triển khai thu thập dữ liệu bằng máy Faro Focus S350 Plus tại khu vực làng Gia Phú (xã Bình Dương, Gia Bình, Bắc Ninh) và khu vực đồi Lim (thị trấn Lim, Tiên Du, Bắc Ninh).
- Đánh giá sai số ghép nối giữa các trạm quét qua hệ thống tiêu nắn cầu.
- So sánh mô hình DEM tạo ra từ chương trình với dữ liệu địa hình đo bằng máy toàn đạc điện tử (kiểm tra độ lệch tại các điểm địa vật đặc trưng và điểm kiểm tra mốc ID9), đối chiếu với dữ liệu LiDAR hàng không (ALS) tại đồi Lim và dữ liệu ảnh máy bay không người lái (UAV).
- Kết quả kiểm chứng khẳng định chương trình lọc điểm tự động đáp ứng yêu cầu độ chính xác thành lập DTM trong trắc địa bản đồ, giảm thiểu các thao tác lọc thủ công.
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 đề xuất quy trình công nghệ chuẩn hóa gồm 6 bước thống nhất áp dụng cho các đối tượng phi địa hình:
- Khảo sát thực địa: Đánh giá hình học công trình, vật cản, điều kiện chiếu sáng;
- Lập phương án thi công: Thiết kế mạng lưới trạm quét, xác định vị trí đặt tiêu nắn nối (tiêu cầu, tiêu phẳng), tối ưu hóa đường đi trạm máy;
- Thu nhận dữ liệu: Cài đặt độ phân giải góc và chất lượng quét, tiến hành quét laser kết hợp chụp ảnh số toàn cảnh $360^\circ$;
- Kiểm tra dữ liệu tại thực địa: Rà soát độ phủ chồng giữa các trạm quét và kiểm tra sơ bộ sai số nắn ghép trên thiết bị/máy tính hiện trường;
- Xử lý dữ liệu nội nghiệp: Làm sạch dữ liệu, khử điểm nhiễu ngoại lai, nắn ghép liên kết các trạm quét về hệ tọa độ chung, gán ảnh màu thực RGB;
- Trích xuất sản phẩm: Thành lập mô hình khối 3D, mô hình HBIM, bản vẽ mặt bằng - mặt cắt kiến trúc dạng CAD, đường đồng mức lòng hang, báo cáo trực quan.
Quy trình được kiểm chứng thực nghiệm qua 3 nhóm đối tượng:
- Đối tượng hang động (Hang Đầu Gỗ, vịnh Hạ Long): Môi trường có độ ẩm cao, thiếu sáng, cấu trúc trần vòm phức tạp. Phương án thi công sử dụng hệ thống tiêu cầu (Spherical targets) phân bố đa hướng để liên kết các trạm quét trong không gian khép kín; trích xuất thành công mô hình đám mây điểm hang Đầu Gỗ, mô hình khối 3D, đường đồng mức đáy hang và các bình đồ mặt cắt địa hình hang động.
- Đối tượng tuyến phố cổ (Tạ Hiện và Đinh Liệt, quận Hoàn Kiếm, Hà Nội): Không gian hẹp, bị che khuất bởi mật độ người, phương tiện và biển hiệu. Áp dụng phương thức di chuyển trạm máy liên tục theo tuyến, kiểm tra sai số nắn ghép tuyến, trích xuất ảnh toàn cảnh $360^\circ$, đám mây điểm màu thực và bóc tách các mặt đứng kiến trúc sang bản vẽ AutoCAD.
- Đối tượng di sản văn hóa và bảo vật: Quét toàn cảnh quần thể chùa Bửu Long (TP. Hồ Chí Minh) phục vụ dựng mô hình thông tin công trình di sản (HBIM); quét chi tiết độ phân giải cao tượng Phật Bà Quan Âm nghìn mắt nghìn tay tại chùa Bút Tháp (Bắc Ninh) để số hóa bảo vật với độ mịn milimet.
Chương 4 khép lại bằng bảng so sánh quy trình quét giữa các nhóm đối tượng phi địa hình:
| Tiêu chí |
Đối tượng hang động |
Đối tượng tuyến phố |
Đối tượng di sản văn hóa / bảo vật |
| Mục đích chính |
Mô hình khối 3D, mặt cắt, đường đồng mức |
Mô hình kiến trúc, ảnh $360^\circ$, bản vẽ CAD |
Mô hình HBIM, số hóa 3D chi tiết bảo vật |
| Điều kiện môi trường |
Thiếu sáng, ẩm ướt, không gian khép kín |
Ánh sáng tự nhiên, mật độ lưu thông cao |
Ánh sáng trong nhà / ngoài trời, không gian trang nghiêm |
| Loại tiêu liên kết |
Tiêu cầu chuyên dụng (Spherical targets) |
Tiêu cầu kết hợp điểm đặc trưng địa vật |
Tiêu cầu nhỏ, nắn ghép dựa trên đám mây điểm |
| Phương án bố trí trạm |
Zíc-zắc trong lòng hang, mật độ dày |
Dọc theo tuyến phố, bước máy ngắn |
Vòng quanh công trình hoặc đối tượng bảo vật |
| Sản phẩm trích xuất |
Mặt cắt, thể tích, mô hình khối 3D lòng hang |
Bản vẽ CAD mặt đứng, ảnh $360^\circ$ |
Mô hình HBIM, tệp lưới 3D chi tiết cao |
Kết quả và những đóng góp mới
Các đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học:
- Hệ thống hóa toàn diện cơ sở khoa học và lý thuyết hoạt động của hệ thống quét laser 3 chiều mặt đất trên trạm cố định (TLS); làm sáng tỏ nguyên lý vận hành của khối đo dài (đo xung, đo pha, đo tam giác) và khối đo góc;
- Phân tích và phân loại có hệ thống các nguồn sai số thiết bị và sai số phương pháp ảnh hưởng đến độ chính xác dữ liệu đám mây điểm TLS trong điều kiện thực tiễn tại Việt Nam;
- Nghiên cứu kết hợp thành công thuật toán mô phỏng vải lọc bề mặt (CSF) và mô hình lưới tam giác không đều tăng cường (TIN) để giải quyết bài toán tự động hóa phân loại, lọc tách đám mây điểm.
Các đóng góp mới về mặt thực tiễn:
- Xây dựng chương trình phụ trợ xử lý dữ liệu quét laser 3D mặt đất có khả năng đọc tệp
*.las, giảm mật độ điểm, tự động phân tách dữ liệu địa hình và phi địa hình để thành lập mô hình số địa hình (DTM/DEM) độ chính xác cao, giúp giảm phụ thuộc vào các phần mềm đóng đắt tiền của nước ngoài;
- Đề xuất quy trình công nghệ 6 bước chuẩn hóa cho việc ứng dụng quét laser 3D mặt đất khảo sát các đối tượng phi địa hình (hang động, tuyến phố cổ đô thị, di sản văn hóa và bảo vật), được minh chứng thông qua các thực nghiệm cụ thể tại hang Đầu Gỗ, phố Tạ Hiện, phố Đinh Liệt, chùa Bửu Long và chùa Bút Tháp;
- Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở kỹ thuật hỗ trợ các cơ quan quản lý trong việc xây dựng tiêu chuẩn, định mức kinh tế kỹ thuật đo đạc quét laser cho các đối tượng công trình kiến trúc và di sản.
Kiến nghị của tác giả:
- Kiến nghị Bộ Tài nguyên và Môi trường cùng các cơ quan chức năng tiếp tục nghiên cứu ban hành các văn bản pháp quy, quy chuẩn kỹ thuật và định mức đơn giá cụ thể cho việc ứng dụng công nghệ quét laser 3D mặt đất đối với các đối tượng phi địa hình (bổ sung cho Thông tư 17/2019/TT-BTNMT);
- Đề xuất mở rộng triển khai áp dụng chương trình lọc điểm phụ trợ trong sản xuất thực tế tại các doanh nghiệp đo đạc và trung tâm bảo tồn di sản;
- Đẩy mạnh nghiên cứu phối hợp giữa công nghệ TLS và các phương tiện bay không người lái (UAV) để tối ưu hóa quy trình thu thập dữ liệu không gian đa tầng.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của công trình:
- Phạm vi công nghệ bị giới hạn khi đo vẽ các bề mặt địa hình có thảm thực vật che phủ dày đặc với lớp cỏ cao trên 40 cm; tia laser mặt đất không thể xuyên thấu hoàn toàn, đòi hỏi vẫn phải kết hợp các phương pháp trắc địa truyền thống;
- Phần mềm thương mại đi kèm máy quét có cấu trúc đóng kín, khóa cứng bản quyền gây khó khăn cho việc can thiệp sâu vào nhân xử lý của thiết bị;
- Yêu cầu phần cứng lưu trữ và năng lực xử lý tính toán đồ họa rất lớn đối với các tệp đám mây điểm hàng trăm triệu điểm;
- Thực nghiệm phi địa hình tập trung vào một số đối tượng đại diện cụ thể (hang động, phố cổ, chùa), chưa bao quát hết mọi loại hình công trình công nghiệp hay kiến trúc ngầm phức tạp khác.
Hướng nghiên cứu tiếp theo:
- Hoàn thiện và nâng cấp các tính năng của chương trình phụ trợ, tối ưu hóa thuật toán để xử lý mượt mà các tệp dữ liệu đám mây điểm dung lượng cực lớn;
- Nghiên cứu sâu hơn thuật toán tự động nhận dạng đối tượng hình học (như ống trụ, mặt phẳng tường) phục vụ số hóa tự động mô hình HBIM;
- Phối hợp xây dựng đề án định mức kinh tế kỹ thuật cấp Bộ cho hạng mục quét 3D phi địa hình.
Giá trị tham khảo
Luận án mang lại giá trị tham khảo rõ ràng cho các nhóm đối tượng:
- Nghiên cứu sinh, học viên cao học, sinh viên chuyên ngành Trắc địa - Bản đồ, Địa tin học: Tham khảo hệ thống công thức toán học chuyển đổi tọa độ, nguyên lý kỹ thuật đo xung, đo pha, cơ chế sai số và phương pháp xây dựng thuật toán lọc đám mây điểm CSF + TIN tại Chương 2 và Chương 3;
- Kỹ sư trắc địa, đơn vị tư vấn khảo sát xây dựng và khai thác khoáng sản: Ứng dụng quy trình thi công bố trí trạm quét, mạng lưới tiêu cầu nắn ghép và giải pháp chuyển dịch khối lượng công việc ngoại nghiệp sang nội nghiệp;
- Cơ quan quản lý di sản, kiến trúc và quy hoạch đô thị: Tham khảo quy trình 6 bước khảo sát công trình kiến trúc cổ, số hóa bảo vật và thành lập mô hình thông tin công trình di sản (HBIM) tại Chương 4 để phục vụ công tác trùng tu, bảo tồn số.
Các phần đáng tham khảo nhất của luận án bao gồm: Bảng tổng hợp so sánh đặc tính kỹ thuật các dòng máy quét laser mặt đất (Chương 1); Cơ sở phân tích nguồn sai số góc tới và phản xạ bề mặt (Chương 2); Sơ đồ khối và thuật toán chương trình phụ trợ xử lý tệp *.las (Chương 3); Bảng so sánh và quy trình thực nghiệm chi tiết cho hang Đầu Gỗ và tuyến phố cổ Hà Nội (Chương 4).
Câu hỏi thường gặp
1. Khác biệt căn bản về bản chất giữa công nghệ quét laser 3D mặt đất (TLS) và máy toàn đạc điện tử là gì?
Cả hai công nghệ đều hoạt động trên nguyên tắc đo khoảng cách bằng sóng điện từ và ghi nhận các hướng đo góc đứng, góc ngang. Tuy nhiên, máy toàn đạc điện tử đo ngắm từng điểm đơn lẻ do con người chọn lựa, trong khi máy quét TLS hoạt động tự động ở trạng thái tĩnh với tốc độ cực lớn (từ hàng chục nghìn đến hàng triệu điểm mỗi giây), thu nhận đồng thời hàng loạt tọa độ không gian ($X, Y, Z$) kèm cường độ phản xạ và màu sắc thực tế của bề mặt vật thể dưới dạng đám mây điểm dày đặc, giúp chuyển hầu hết khối lượng công tác đo đạc chi tiết ngoài thực địa vào xử lý nội nghiệp.
2. Hai phương pháp đo khoảng cách chủ đạo trong máy quét laser mặt đất có ưu, nhược điểm gì theo phân tích của luận án?
Phương pháp đo xung (Time-of-flight) tính khoảng cách qua thời gian lan truyền xung $t_{2D}$ ($D = V \cdot t_{2D} / 2$), có ưu điểm đo được khoảng cách xa với công suất phát vừa phải nhưng độ chính xác bị giới hạn bởi độ chính xác ghi đếm thời gian ($10^{-12}\text{ s}$ tương đương sai số cự ly $1\text{ mm}$) và hình dạng xung bị biến dạng. Ngược lại, phương pháp đo pha (Phase-shift) xác định qua hiệu pha $\Delta \varphi$ của sóng điều biến, cho độ chính xác rất cao (đạt tới $0,4\text{ mm}$) và tốc độ đo lớn, nhưng cự ly đo bị giới hạn ngắn hơn và đòi hỏi nguồn phát bức xạ liên tục công suất cao hơn.
3. Bề mặt địa hình nào khiến công nghệ quét laser 3D mặt đất không phát huy được hiệu quả?
Theo luận án, đối với các khu vực có thảm thực phủ quá dày đặc với lớp cỏ cao trên 40 cm, tia laser phát đi từ trạm quét mặt đất bị che chắn hoàn toàn, không thể tiếp cận được bề mặt đất tự nhiên bên dưới. Khi đó, việc ứng dụng TLS sẽ không mang lại hiệu quả kinh tế và kỹ thuật, người làm công tác đo đạc bắt buộc phải quay lại sử dụng các phương pháp trắc địa truyền thống như đo toàn đạc điện tử hoặc đo định vị vệ tinh GNSS/RTK.
4. Luận án đã tích hợp các thuật toán nào để xây dựng chương trình phụ trợ lọc đám mây điểm?
Tác giả đã tích hợp thuật toán mô phỏng bề mặt vải (Cloth Simulation Filtering - CSF) với mô hình lưới tam giác không đều tăng cường bộ lọc (TIN filter). Thuật toán này mô phỏng việc thả rơi một tấm vải ảo lên bề mặt đám mây điểm đã được lật ngược, từ đó tự động phân tách chính xác các điểm thuộc mặt đất tự nhiên (ground points) ra khỏi các điểm phi địa hình như thảm thực vật, nhà cửa, công trình nhân tạo để phục vụ nội suy mô hình số độ cao DTM/DEM.
5. Quy trình công nghệ khảo sát đối tượng phi địa hình do tác giả đề xuất gồm những bước cụ thể nào?
Quy trình công nghệ gồm 6 bước chuẩn hóa: (1) Khảo sát thực địa; (2) Lập phương án thi công (bố trí trạm quét, vị trí tiêu cầu); (3) Thu nhận dữ liệu tại thực địa (quét laser và chụp ảnh số); (4) Kiểm tra dữ liệu tại thực địa (đánh giá độ phủ trùng lặp và sai số nắn ghép sơ bộ); (5) Xử lý dữ liệu nội nghiệp (khử nhiễu, ghép trạm, gán màu thực, phân loại); (6) Trích xuất sản phẩm 3D (mô hình khối 3D, đường đồng mức, mặt cắt, mô hình HBIM, bản vẽ CAD).
Kết luận
Luận án Tiến sĩ của tác giả Ngô Sỹ Cường (2022) tại Trường Đại học Mỏ - Địa chất là công trình nghiên cứu hệ thống về cơ sở lý thuyết, nguồn sai số và ứng dụng thực tiễn của công nghệ quét laser 3 chiều mặt đất (TLS) tại Việt Nam. Bằng việc xây dựng thành công chương trình phụ trợ lọc đám mây điểm tự động dựa trên thuật toán CSF kết hợp TIN và đề xuất quy trình công nghệ 6 bước chuẩn hóa cho các đối tượng phi địa hình phức tạp (hang động, tuyến phố cổ, di tích lịch sử văn hóa), luận án đã giải quyết được khoảng trống kỹ thuật trong việc xử lý dữ liệu địa không gian độ chính xác cao. Kết quả thực nghiệm tại Bắc Ninh, Quảng Ninh, Hà Nội và TP. Hồ Chí Minh đã khẳng định tính khả thi của các giải pháp công nghệ, đóng góp thiết thực vào mục tiêu hiện đại hóa ngành đo đạc - bản đồ và số hóa di sản văn hóa quốc gia.
