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 2: Cơ sở khoa học và các nguồn sai số ảnh hưởng đến kết quả quét laser 3D mặt đất. Chương 3: Xây dựng chương trình xử lý dữ liệu quét laser 3D mặt đất trong lĩnh vực địa hình. 6 Chương 4: Xây dựng quy trình công nghệ quét laser 3D mặt đất cho việc khảo sát một số đối tượng phi địa hình.
Phần kết luận và kiến nghị: Tổng hợp lại các vấn đề nghiên cứu trong luận án, đưa ra kết luận khẳng định kết quả nghiên cứu về công tác tách lọc xử lý dữ liệu đám mây điểm thu thập bằng quét laser 3D mặt đất, đề xuất quy trình công nghệ quét laser 3D mặt đất cho việc khảo sát từng đối tượng phi địa hình cụ thể. Từ các kết quả nghiên cứu đạt được, đưa ra các kiến nghị cần quan tâm giải quyết có nội dung liên quan đến đề tài. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ QUÉT LASER 3D MẶT ĐẤT TRONG LĨNH VỰC ĐỊA HÌNH VÀ PHI ĐỊA HÌNH Công nghệ quét laser 3D mặt đất bao gồm: Công nghệ quét laser di động (Mobile Laser Scanning hay MLS) và công nghệ quét laser trên trạm cố định (Terrestrial Laser Scanning hay TLS). Trong phạm vi của Luận án này tác giả chỉ tập chung nghiên cứu về công nghệ quét laser trên trạm cố định hay được gọi là Công nghệ quét laser 3D mặt đất.
Chương này trình bày tổng quan về các công nghệ, thiết bị quét laser 3D mặt đất, một số lĩnh vực ứng dụng công nghệ quét laser 3D mặt đất trong đo vẽ địa hình và phi địa hình. Trình bày tổng quan về tình hình nghiên cứu sử dụng công nghệ quét laser 3D mặt đất ở trên thế giới và Việt Nam. Từ đó, tác giả rút ra các vấn đề còn tồn tại sẽ được giải quyết trong luận án. Sơ lược về công nghệ quét laser 1.
Công nghệ quét Laser cố định Công nghệ Lase được hình thành và phát triển từ những năm 1960 bởi nhà khoa học Theodore H.Maiman trên cơ sở lý thuyết của Charles Hard Towner và Asthur Leonard Schawlow [76]. Ngày nay công nghệ laser đã, đang phát triển mạnh mẽ và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật điều tra cơ bản, y tế, xây dựng, giao thông v. Công nghệ quét Lase 3D mặt đất (TLS 3D) là một cuộc cách mạng trong thu thập dữ liệu mặt đất phục vụ cho các như cầu ứng dụng 3D. Việc ứng dụng để thu thập thông tin dữ liệu đối tượng mặt đất được thực hiện từ những điểm cố định trên thực địa (điểm gốc trắc địa, điểm khống chế hoặc đo nối khống chế) đang được ngày càng quan tâm và phát triển.
Về nguyên tắc hoạt động của TLS 3D giống như cơ chế hoạt động của các thiết bị máy đo toàn đạc điện tử thế hệ mới là sử dụng tốc độ ánh sáng với thời gian tín hiệu từ nguồn phát đến đối tượng và phản hồi lại nguồn thu để tính khoảng cách. Sự khác biệt cơ bản trong bước sóng tia laser, số lượng và tốc độ ghi nhận dữ liệu các điểm đo (đám mây điểm), các thao tác ngoài thực địa và quá trình xử lý dữ liệu đo. Việc mô tả, trình bày cơ sở khoa học, lý thuyết và phân tích 8 đầy đủ về công nghệ quét Lase 3D cố định mặt đất sẽ được tác giả trình bày chi tiết trong chương 2 của Luận án này. Công nghệ quét laser di động Công nghệ quét laser di động (Mobile Laser Scanning hay MLS) đã được phát triển từ cuối những năm 1980.
Hệ thống MLS cho phép thu thập dữ liệu 3D của các đối tượng chi tiết hơn so với các phương pháp thu thập truyền thống như chụp ảnh hay sử dụng máy toàn đạc điện tử. Do đó, MLS đã trở thành một trong những công nghệ chủ đạo để thu thập dữ liệu không gian 3D hiện nay. MLS đã được sử dụng trong rất nhiều các ứng dụng như khảo sát đô thị, khảo sát cơ sở hạ tầng giao thông, khảo sát cơ sở hạ tầng đường cao tốc, lập bản đồ đô thị 3D, xây dựng đường bộ và đường sắt, các ứng dụng khảo sát ven biển và nhiều ứng dụng khác [45,50]. Một hệ thống MLS bao gồm một phương tiện mang hệ thống laser, các cảm biến điều hướng và (các) máy quét laser.
Hệ thống quét laser có thể được đặt trên các phương tiện chuyên chở khác nhau và được sử dụng cho các ứng dụng khác nhau. Ví dụ, phương tiện chuyên chở có thể là một chiếc ô tô thông thường [49], một chiếc xe bảo dưỡng đường đua [53] hoặc một chiếc thuyền [45]. Các cảm biến điều hướng thường là bộ thu GNSS kết hợp với Hệ thống dẫn đường quán tính/Đơn vị đo lường quán tính (INS/IMU), được sử dụng để cung cấp vị trí và quỹ đạo của phương tiện mang hệ thống laser, cụ thể hơn là vị trí của máy quét laser tại từng thời điểm đo. Ngày nay, trên thị trường có rất nhiều hệ thống MLS (không bao gồm phương tiện chuyên chở) được cung cấp bởi các hãng nổi tiếng như: IP-S2, TRIMBLE MX8, LYNX Mobile Mapper, ROAD-SCANNER, STREETMAPPER, VMX-250 - RIEGL, RIEGL VQ-450, MDL Dynascan M250, MDL Dynascan S250.
Các hệ thống MLS khác nhau có thể có các thông số kỹ thuật khác nhau. Hệ thống MDL Dynascan S250 được thể hiện ở trong hình 1. Hệ thống MDL Dynascan S250 được đặt trên ôtô [49] Dữ liệu thu được từ hệ thống MLS là các dữ liệu dạng đám mây điểm 3D có tham chiếu địa lý. Vị trí của một điểm trong đám mây điểm được xác định theo vĩ độ, kinh độ và độ cao.
Tùy thuộc vào hệ thống MLS, dữ liệu thu được cũng có thể bao gồm giá trị cường độ năng lượng của tia laser phản xạ lại (intensity) của từng điểm được thu thập và màu sắc của các điểm dữ liệu nếu hệ thống MLS được trang bị thêm camera ảnh số. Một số hệ thống thiết bị quét laser 3D mặt đất và đặc điểm chính Ngày nay có khá nhiều hãng trên thế giới chế tạo ra hệ thống quét laser mặt đất điển hình là: hãng Trimble (Mỹ) và Leica (Thụy Sỹ), ngoài ra hãng Riegl (Áo), I –Site (Úc), Zoller& Frohlich (Đức)… Các hãng đó đưa ra thị trường các máy quét cho các mục đích khác nhau và có những đặc tính kỹ thuật khác nhau [18]. Các hệ thống quét Laser mặt đất phổ biến hiện nay [72,73,74,75,76] 10 Việc đánh giá hệ thống quét laser mặt đất dựa vào các đặc tính kỹ thuật gồm [36]: Độ chính xác đo khoảng cách và đo góc ngang, góc đứng; Độ phân giải cực đại khi quét; Cự ly quét tối đa; Tốc độ quét, góc quét; Độ phân tán của tia laser; Mức độ an toàn sử dụng laser; Mức độ gọn nhẹ, dễ thao tác và vận chuyển Bảng 1. Đặc tính kỹ thuật chính của một số loại hệ thống quét laser mặt đất Độ chính xác về Phạm vi Tốc độ quét Loại máy Góc quét (Khoảng cách/ quét (m) (Điểm/giây) Góc) TRIMBLE SX10 360° x 300° 700 260.000 2, 5mm/5” LEICA RTC360 360° x 300° 0, 5 – 130 2.000 3mm/8” RIEGL VZ - 6000 360° x 60° 6000 220.000 10mm/12” FARO Focus S 350 360° x 300° 0.000 3, 5mm/18” GEOMAX SPS 360° x 90° 300 40.000 10mm/30” Zoom 300 Ngoài ra, độ chính xác còn suy giảm theo khoảng cách từ máy đến đối tượng quét.
Đây là các hãng chuyên cung cấp các thiết bị phục vụ trong lĩnh vực đo đạc bản đồ, đặc biệt các thiết bị ứng dụng công nghệ quét laser để phục vụ khảo sát các đối tượng từ xa. Ngoài ra hãng Mensi cùng thương hiệu Trimble đưa ra thị trường hệ thống quét laser mặt đất Trimble GX. Với các trạm quét 3D laser mặt đất GS 100 và GS 200 cùng lúc xác định luôn tọa độ không gian (X, Y, Z) điểm quét địa vật và chụp video camera số cho ra các ảnh màu các đối tượng quét. Video camera tự động thay đổi tiêu cự ống kính vật và chương trình tự động khôi phục hiện lại hình ảnh [5,10,31].
11 Các trạm máy quét laser Mensi S10, S25 và Soisic được cấu tạo đặc biệt để chụp quét các đối tượng địa vật có kích thước rất nhỏ, trong chế tạo các thiết bị với độ chính xác rất cao (tới 0, 1mm) xác định tọa độ không gian của điểm địa vật, việc đo khoảng cách thực hiện theo phương pháp lưới tam giác. Thiết bị camera số này có khả năng điều tiết tiêu cự tự động và nguồn bức xạ laser mạnh tương ứng với tín hiệu phản xạ lại của sóng điện từ [27]. Các tiêu chí phân loại thiết bị quét laser mặt đất Phân loại thiết bị quét laser mặt đất dựa trên các chức năng sau: Thiết bị đo góc; Thiết bị đo chiều dài cạnh; Thiết bị đo cao và chênh cao; Thiết bị đo vẽ phối hợp; Thiết bị chuyên dụng (chiếu đứng, công trình.) Các thiết bị phụ trợ: dọi tâm, mia, tiêu ngắm, gương phản xạ… Phân loại thiết bị quét laser mặt đất theo lĩnh vực ứng dụng: Theo độ chính xác; Độ bền vững và ổn định thiết bị; Tính đặc biệt của kết cấu thiết bị. Qua việc phân tích trên cho thấy các thiết bị quét laser mặt đất đưa ra các kết quả trong quá trình đo không thống nhất.
Ngoài ra mục đích quét laser mặt đất cho ra sản phẩm phục vụ các yêu cầu khác nhau. Ở tất cả các loại thiết bị có chung một phương pháp là đo quét laser và lưu trữ dữ liệu thông tin điện tử và không thể phân loại theo các dấu hiệu đó. Vì vậy, trên cơ sở tổng quan các trạm quét laser mặt đất và theo cách phân loại các thiết bị trắc địa đưa ra phân cấp theo các tiêu chí sau: 1. Theo phương pháp áp dụng đo khoảng cách (đo xung, đo pha, đo lưới tam giác của máy quét); 2.
Theo độ chính xác xác định tọa độ không gian của điểm đối tượng quét (độ chính xác thấp với sai số trên 10mm, độ chính xác trung bình với sai số từ 3mm đến 10mm và độ chính xác cao với sai số dưới 3mm); 12 3. Theo vật dụng để thu nhận thông tin màu tự nhiên của địa vật (videocamera số; camera số được đặt trên máy quét; bộ cảm biến nhận thông tin màu từ xung phản xạ); 4. Giới hạn khoảng cách xa khi thực hiện quét (quét gần với khoảng cách dưới 30 mét, quét trung bình với khoảng cách từ 30 đến 70 mét và quét xa với khoảng cách trên 70 mét); 5. Theo trường quan trắc của máy quét (nhỏ, trung bình và rộng); 6.
Phân loại theo độ an toàn (nguồn phát laser).