Tổng quan nghiên cứu
Công tác đo đạc và quản lý đất đai tại Việt Nam đang đứng trước yêu cầu cấp thiết về hiện đại hóa quy trình kỹ thuật nhằm nâng cao độ chính xác và tối ưu hóa nguồn lực. Trên địa bàn phường Minh Khai, quận Bắc Từ Liêm, thành phố Hà Nội với tổng diện tích tự nhiên 512,85 ha, quỹ đất sản xuất nông nghiệp chiếm tỷ trọng đáng kể với địa hình ô thửa phức tạp, bờ vùng bờ thửa phân tán. Phương pháp đo đạc truyền thống bằng máy toàn đạc điện tử bộc lộ nhiều hạn chế lớn về chi phí nhân công ngoại nghiệp, thời gian thực hiện kéo dài và điều kiện làm việc khắc nghiệt của kỹ thuật viên trên thực địa đồng ruộng.
Nghiên cứu được triển khai nhằm mục tiêu thử nghiệm và hoàn thiện quy trình ứng dụng công nghệ máy bay không người lái (UAV) DJI Phantom 4 trong công tác thành lập bản đồ địa chính tỷ lệ 1/1000 cho khu đất nông nghiệp. Đề tài tập trung đánh giá độ chính xác của sản phẩm bản đồ theo các quy chuẩn kỹ thuật quốc gia, đồng thời so sánh định lượng hiệu quả kinh tế - kỹ thuật giữa công nghệ bay chụp ảnh số với phương pháp đo toàn đạc truyền thống.
Phạm vi nghiên cứu được thực hiện trên khu vực cánh đồng phía Bắc phường Minh Khai với diện tích đo vẽ thử nghiệm là 51,57 ha trong khung thời gian từ năm 2017 đến năm 2018. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc: xây dựng thành công bình đồ ảnh trực giao độ phân giải siêu cao 4,4 cm/pixel, biên tập hoàn chỉnh 03 tờ bản đồ địa chính chính quy quản lý 1.159 thửa đất nông nghiệp, đồng thời chứng minh khả năng cắt giảm hơn 60% thời gian thi công ngoại nghiệp so với quy trình đo đạc mặt đất thông thường.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Khung lý thuyết áp dụng
Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết trắc địa ảnh hiện đại và công nghệ viễn thám khoảng cách gần (UAV Photogrammetry). Mô hình cấu trúc từ chuyển động (Structure from Motion - SfM) kết hợp cùng thuật toán đa góc nhìn lập thể (Multi-View Stereo - MVS) cho phép tự động nhận diện các điểm đặc trưng cùng tên (Keypoints), tái tạo đám mây điểm 3D mật độ cao và xây dựng mô hình số bề mặt (DSM), mô hình số độ cao (DEM) với độ chính xác hình học vượt trội. Bên cạnh đó, nghiên cứu tuân thủ chặt chẽ khung pháp lý đo đạc địa chính quốc gia theo Luật Đất đai năm 2013, Thông tư số 25/2014/TT-BTNMT của Bộ Tài nguyên và Môi trường quy định về bản đồ địa chính, và Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 9401:2012 về quy chuẩn kỹ thuật đo GPS tĩnh.
Các khái niệm chuyên ngành cốt lõi được áp dụng xuyên suốt bao gồm:
- Bản đồ địa chính chính quy: Bản đồ chuyên đề thể hiện vị trí, ranh giới, diện tích và loại đất của từng thửa đất theo đơn vị hành chính cấp xã, phường, được cơ quan nhà nước có thẩm quyền phê duyệt.
- Độ phân giải mặt đất (Ground Sampling Distance - GSD): Khoảng cách thực tế giữa tâm hai điểm ảnh liền kề chiếu trên bề mặt đất, đóng vai trò quyết định mức độ chi tiết và độ chính xác của ảnh hàng không. Trong đề tài, chỉ số GSD đạt mức 4,4 cm/pixel.
- Điểm khống chế mặt đất (Ground Control Points - GCPs): Hệ thống các mốc tọa độ chuẩn được đo đạc chính xác ngoài thực địa, dùng để định vị không gian, nắn chỉnh hình học và chuyển đổi hệ tọa độ cho khối ảnh bay chụp.
- Độ phủ ảnh (Overlap và Sidelap): Tỷ lệ chồng phủ hình ảnh theo chiều dọc đường bay và giữa các dải bay kề nhau, với chỉ tiêu thiết kế kỹ thuật đạt tối thiểu 70% độ phủ dọc và 60% độ phủ ngang nhằm đảm bảo khả năng ghép nối ảnh tự động.
- Hệ quy chiếu quốc gia VN-2000: Hệ tọa độ phẳng UTM kinh tuyến trục 105 độ, múi chiếu 3 độ được áp dụng để đồng bộ toàn bộ dữ liệu đo vẽ.
Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu tích hợp đồng bộ các nguồn dữ liệu không gian, thiết bị phần cứng và giải pháp phần mềm chuyên dụng nhằm đảm bảo tính chính xác và khách quan:
- Thu thập dữ liệu cơ sở: Thu thập tài liệu địa giới hành chính, bản đồ quy hoạch, hiện trạng sử dụng đất của phường Minh Khai và tọa độ các mốc địa chính cơ sở hạng III lân cận.
- Thiết kế và chọn mẫu lưới khống chế: Cỡ mẫu khống chế mặt đất bao gồm 16 điểm GCPs được bố trí rải đều trên diện tích 51,57 ha khu đo (mật độ đạt khoảng 3,2 ha/điểm). Phương pháp chọn mẫu áp dụng mạng lưới ô cờ phủ trùm toàn bộ khu vực cánh đồng và ưu tiên thiết lập các cặp điểm thông hướng tại khu vực rìa, phục vụ đồng thời cho công tác nắn ảnh và đo vẽ bổ sung bằng toàn đạc.
- Quy trình đo đạc và xử lý GPS: Sử dụng 04 máy thu vệ tinh GPS-X20 của hãng HUACE đo tĩnh đồng thời với thời gian thu tín hiệu tối thiểu 60 phút mỗi ca đo. Dữ liệu thô được tính toán bình sai chặt chẽ bằng phần mềm Compass chuyên dụng theo tiêu chuẩn TCVN 9401:2012. Lý do lựa chọn phương pháp đo GPS tĩnh là nhằm loại bỏ tối đa sai số vệ tinh, mang lại độ chính xác tọa độ mốc mặt đất ở mức milimet.
- Bay chụp và bình đồ ảnh: Thiết lập kế hoạch bay tự động bằng phần mềm Pix4Dcapture trên thiết bị UAV DJI Phantom 4 ở độ cao bay 140 m. Quá trình xử lý ảnh nội nghiệp sử dụng phần mềm Pix4Dmapper để tự động nhận dạng điểm ảnh, khớp nối 971 tấm ảnh đơn và xuất bình đồ ảnh trực giao (Orthophoto) chuẩn tọa độ VN-2000. Lý do lựa chọn Pix4Dmapper là nhờ thuật toán SfM tối ưu hóa tự động ma trận định hướng trong và ngoài của máy ảnh số thông thường.
- Số hóa và kiểm tra độ chính xác: Thực hiện số hóa đường ranh thửa trên nền ảnh trực giao bằng AutoCAD, chuẩn hóa và biên tập bản đồ địa chính bằng phần mềm Famis trên nền Microstation. Cỡ mẫu kiểm tra thực địa gồm hơn 50 vị trí ranh giới ngẫu nhiên được đo kiểm tra độc lập bằng máy toàn đạc điện tử và thước thép để đánh giá sai số vị trí điểm.
- Timeline nghiên cứu: Toàn bộ quá trình chuẩn bị, bay chụp ngoại nghiệp, xử lý nội nghiệp và kiểm tra nghiệm thu được thực hiện từ tháng 09/2017 đến tháng 05/2018.
Kết quả nghiên cứu và thảo luận
Những phát hiện chính
Quá trình thực nghiệm công nghệ UAV tại khu vực cánh đồng phía Bắc phường Minh Khai đã mang lại những kết quả kỹ thuật và kinh tế nổi bật:
- Xây dựng mạng lưới khống chế mặt đất đạt chuẩn: Hệ thống 16 điểm GCPs đo bằng công nghệ GPS tĩnh sau khi bình sai qua phần mềm Compass cho sai số trung phương vị trí mặt phẳng đạt dưới 5 cm, sai số trung phương cạnh tương đối đạt mức 1/25.000, hoàn toàn thỏa mãn tiêu chuẩn kỹ thuật của lưới khống chế đo vẽ cấp 2 theo quy định hiện hành.
- Thu nhận và xử lý dữ liệu ảnh hàng không độ phân giải cao: Đã thực hiện thành công các ca bay chụp tự động, thu nhận tổng cộng 971 bức ảnh đơn sắc nét với độ phủ dọc đạt trên 70% và độ phủ ngang đạt trên 60%. Dữ liệu ảnh được nắn chỉnh và ghép nối tạo thành bình đồ ảnh trực giao có độ phân giải mặt đất đạt 4,4 cm/pixel, thể hiện rõ nét toàn bộ hệ thống bờ thửa, mương tưới tiêu và đường giao thông nội đồng.
- Thành lập bộ bản đồ địa chính tỷ lệ 1/1000 chính quy: Từ bình đồ ảnh trực giao kết hợp công tác điều vẽ và đo bổ sung thực địa, nghiên cứu đã biên tập hoàn chỉnh 03 tờ bản đồ địa chính tỷ lệ 1/1000 cho diện tích 51,57 ha đất nông nghiệp, phân định ranh giới rõ ràng cho 1.159 thửa đất. Kết quả kiểm tra sai số vị trí điểm ranh giới thửa đất so với điểm khống chế đo vẽ gần nhất đều nằm trong giới hạn sai số cho phép theo Thông tư 25/2014/TT-BTNMT (sai số trung phương dưới 15 cm đối với tỷ lệ 1/1000 và không vượt quá 22,5 cm đối với đất nông nghiệp).
- Tiết kiệm vượt trội về thời gian và nhân lực: So sánh trực tiếp giữa hai phương pháp cho thấy, công nghệ UAV giúp giảm khoảng 60% đến 70% thời gian thi công ngoại nghiệp và tiết kiệm gần 50% tổng số ngày công lao động so với phương pháp đo toàn đạc truyền thống trên cùng một diện tích đo vẽ.
Thảo luận kết quả
Hiệu quả vượt trội của công nghệ UAV bắt nguồn từ khả năng ghi nhận dữ liệu không gian dạng diện từ trên cao, thay vì phải đo ngắm từng điểm chi tiết đơn lẻ bằng máy toàn đạc. Trong điều kiện địa hình đất sản xuất nông nghiệp trũng thấp, bờ thửa quanh co và sình lầy, việc di chuyển máy toàn đạc và dựng gương phản xạ tiêu tốn rất nhiều sức lao động và dễ xảy ra sai sót chủ quan. Việc ứng dụng thiết bị bay không người lái bay ở độ cao ổn định đã giải quyết triệt để rào cản này, giúp thu thập trọn vẹn thông tin hình học của 1.159 thửa đất chỉ trong vài giờ bay.
So sánh với các nghiên cứu trước đây tại Việt Nam, kết quả này tương đồng với các thử nghiệm của Cục Bản đồ tại xã Lai Hạ, tỉnh Bắc Ninh năm 2014 và công bố của các chuyên gia trắc địa năm 2015-2016. Tuy nhiên, luận văn đã tạo ra bước tiến mới khi đạt được độ phân giải mặt đất chi tiết tới 4,4 cm (so với mức 10 đến 15 cm của các thiết bị UAV thế hệ cũ), cho phép nhận diện chính xác các bờ thửa có bề rộng dưới 0,5 m.
Dữ liệu so sánh kinh tế - kỹ thuật có thể được trực quan hóa thông qua biểu đồ cột kép thể hiện tương quan giữa số ngày công tiêu thụ và tổng thời gian hoàn thành công trình của hai phương pháp. Đồng thời, bảng thống kê phân bố sai số thực địa với các chỉ số sai số trung phương vị trí điểm, sai số tương hỗ cạnh thửa (đạt 100% mẫu kiểm tra nằm trong hạn sai dưới 4 cm cho cạnh dưới 5 m) minh chứng rằng công nghệ UAV hoàn toàn đáp ứng đầy đủ yêu cầu khắt khe của bản đồ địa chính chính quy tỷ lệ lớn. Tuy vậy, nghiên cứu cũng chỉ ra rằng UAV phát huy hiệu quả cao nhất ở vùng đất nông nghiệp quang đãng, và bắt buộc phải kết hợp đo đạc bổ sung bằng toàn đạc tại những vị trí ranh giới bị che khuất bởi tán cây lớn hoặc nhà tạm ven ruộng.
Đề xuất và khuyến nghị
Dựa trên kết quả nghiên cứu thực nghiệm, các giải pháp và khuyến nghị kỹ thuật được đề xuất nhằm mở rộng ứng dụng công nghệ UAV trong ngành đo đạc địa chính:
- Hoàn thiện thể chế và ban hành quy chuẩn kỹ thuật: Bộ Tài nguyên và Môi trường cần chủ trì xây dựng và ban hành Thông tư hướng dẫn kỹ thuật thành lập bản đồ địa chính bằng công nghệ UAV cho tỷ lệ 1/1000 và 1/2000 trong giai đoạn 2024 - 2026, hướng tới mục tiêu giảm 50% chi phí ngân sách nhà nước cho công tác đo đạc lập hồ sơ địa chính ban đầu.
- Nâng cấp phần cứng tích hợp công nghệ định vị vệ tinh vi sai: Các doanh nghiệp và đơn vị đo đạc bản đồ cần chủ động đầu tư các dòng UAV chuyên dụng tích hợp hệ thống định vị động RTK/PPK trong vòng 12 tháng tới, nhằm cắt giảm 40% số lượng điểm khống chế mặt đất (GCPs) phải đo tĩnh thủ công, từ đó tối ưu hóa chi phí sản xuất.
- Ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong tự động hóa chiết xuất ranh thửa: Các viện nghiên cứu và trường đại học chuyên ngành cần phát triển thuật toán học sâu (Deep Learning) nhận diện tự động đường bờ thửa và kênh mương thủy lợi từ bình đồ ảnh trực giao, với mục tiêu rút ngắn 70% thời gian biên tập nội nghiệp vào năm 2025.
- Đào tạo chuẩn hóa nguồn nhân lực vận hành: Sở Tài nguyên và Môi trường các tỉnh, thành phố phối hợp cùng Học viện Nông nghiệp Việt Nam tổ chức các khóa tập huấn chuyên sâu về kỹ năng thiết kế đường bay Pix4D và xử lý dữ liệu viễn thám cho 100% cán bộ địa chính cấp quận, huyện trong thời gian 2 năm tới.
Đối tượng nên tham khảo luận văn
Công trình nghiên cứu mang giá trị học thuật và thực tiễn cao, đặc biệt hữu ích cho các nhóm đối tượng sau:
- Cán bộ quản lý nhà nước về đất đai tại Sở, Phòng Tài nguyên và Môi trường, và UBND cấp xã/phường: Nắm vững quy trình công nghệ mới để thẩm định, phê duyệt thiết kế kỹ thuật - dự toán công trình đo vẽ bản đồ địa chính, nâng cao hiệu lực quản lý nhà nước và đẩy nhanh tiến độ cấp Giấy chứng nhận quyền sử dụng đất.
- Kỹ sư trắc địa, đơn vị tư vấn và doanh nghiệp đo đạc bản đồ: Áp dụng trực tiếp quy trình bay chụp UAV Phantom 4, phương pháp bình sai lưới GPS tĩnh bằng phần mềm Compass và kỹ thuật số hóa Famis để triển khai các dự án đo đạc địa chính tỷ lệ lớn từ 1/500 đến 1/2000 với chi phí tối ưu.
- Giảng viên, nghiên cứu sinh và sinh viên chuyên ngành Quản lý đất đai, Trắc địa - Bản đồ, Địa tin học (GIS): Sử dụng làm tài liệu tham khảo khoa học chuẩn mực về sự kết hợp giữa lý thuyết viễn thám tầm gần và thực tiễn đo đạc địa chính tại Việt Nam.
- Chủ đầu tư và nhà quản lý dự án nông nghiệp công nghệ cao: Khai thác mô hình số bề mặt (DSM), bình đồ ảnh trực giao độ nét 4,4 cm để quy hoạch hạ tầng tưới tiêu, phân lô sản xuất và theo dõi biến động sử dụng đất trang trại.
Câu hỏi thường gặp
Bản đồ địa chính thành lập bằng công nghệ UAV có đạt độ chính xác theo quy chuẩn của Bộ Tài nguyên và Môi trường không?
Hoàn toàn đạt chuẩn. Kết quả đo kiểm tra trên 51,57 ha tại phường Minh Khai cho thấy sai số vị trí điểm mặt phẳng và sai số tương hỗ cạnh thửa hoàn toàn nằm trong giới hạn cho phép của Thông tư 25/2014/TT-BTNMT đối với bản đồ địa chính tỷ lệ 1/1000 khu vực đất nông nghiệp (sai số vị trí điểm dưới 22,5 cm).
Công nghệ UAV có thể thay thế hoàn toàn máy toàn đạc điện tử trong đo đạc địa chính không?
Không thể thay thế hoàn toàn. UAV đảm nhận xuất sắc việc thu thập dữ liệu diện rộng cho các khu vực thông thoáng, nhưng bắt buộc phải phối hợp với máy toàn đạc điện tử để đo vẽ bổ sung tại các vị trí bị tán cây che khuất hoặc các góc thửa bị che khuất tầm nhìn từ trên không.
Cần thiết lập thông số bay chụp như thế nào để đạt độ phân giải mặt đất 4,4 cm/pixel?
Để đạt độ phân giải 4,4 cm/pixel với thiết bị DJI Phantom 4, cần thiết kế độ cao bay khoảng 120 m đến 140 m trên mặt đất, duy trì độ phủ dọc 70%, độ phủ ngang 60% và tốc độ bay ổn định từ 20 đến 30 km/h nhằm triệt tiêu hiện tượng nhòe ảnh.
Chi phí đầu tư thiết bị bay UAV so với máy toàn đạc điện tử chênh lệch như thế nào?
Thiết bị UAV dạng drone thương mại có chi phí đầu tư ban đầu khoảng 30 đến 50 triệu đồng, thấp hơn đáng kể so với một bộ máy toàn đạc điện tử chính xác cao (từ 150 đến 300 triệu đồng), giúp đơn vị đo đạc tiết kiệm vốn đầu tư ban đầu trong khi năng suất tăng gấp 2 đến 3 lần.
Công nghệ bay chụp ảnh UAV phù hợp nhất với những loại đất nào tại Việt Nam?
Phương pháp phát huy hiệu quả cao nhất trên đất sản xuất nông nghiệp, đất nuôi trồng thủy sản, đất làm muối và các khu vực địa hình mở. Ngược lại, công nghệ này kém hiệu quả trên đất lâm nghiệp rừng rậm và không thích hợp cho khu dân cư đô thị mật độ cao có nhà cao tầng san sát.
Kết luận
- Luận văn đã hoàn thiện trọn vẹn quy trình ứng dụng công nghệ UAV DJI Phantom 4 kết hợp công nghệ GPS tĩnh trong công tác thành lập bản đồ địa chính tỷ lệ 1/1000.
- Xây dựng thành công hệ thống 16 điểm khống chế mặt đất đạt chuẩn TCVN 9401:2012 và xử lý 971 ảnh đơn tạo bình đồ ảnh trực giao có độ phân giải siêu cao 4,4 cm/pixel trên hệ tọa độ VN-2000.
- Thành lập 03 tờ bản đồ địa chính chính quy cho 51,57 ha đất nông nghiệp với 1.159 thửa đất tại phường Minh Khai, đáp ứng 100% tiêu chuẩn kỹ thuật theo Thông tư 25/2014/TT-BTNMT.
- Chứng minh tính ưu việt vượt trội của giải pháp bay chụp không người lái khi cắt giảm từ 60% đến 70% thời gian thi công ngoại nghiệp và tiết kiệm gần 50% chi phí nhân công so với phương pháp đo toàn đạc truyền thống.
- Đóng góp luận cứ khoa học và thực tiễn vững chắc, mở đường cho lộ trình chuẩn hóa quy chuẩn kỹ thuật đo vẽ địa chính bằng UAV tại Việt Nam trong giai đoạn 2024 - 2028.
Các cơ quan quản lý nhà nước và doanh nghiệp đo đạc cần nhanh chóng nghiên cứu, đầu tư chuyển giao công nghệ UAV nhằm nâng cao năng suất lao động và đẩy nhanh tiến trình chuyển đổi số ngành quản lý đất đai quốc gia.