Khóa luận: Ứng dụng UAV RTK lập bản đồ địa hình nhà máy nước Tóc Tiên

Khám phá quy trình ứng dụng UAV RTK trong khảo sát, thành lập bản đồ địa hình, mặt cắt độ chính xác cao, phục vụ hiệu quả cho công trình xây dựng.

• Tác giả: Nguyễn Nhật Minh Thư
• Người hướng dẫn: Th.S Trần Văn Nam
• Trường học: Trường Đại học Lâm nghiệp – Phân hiệu Đồng Nai
• Chuyên ngành: Quản lý đất đai
• Đề tài: ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ UAV KẾT HỢP RTK THÀNH LẬP BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH PHỤC VỤ CÔNG TRÌNH NHÀ MÁY NƯỚC TÓC TIÊN
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp đại học
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Đồng Nai

Tóm tắt

I. Tổng quan về công nghệ UAV RTK

Công nghệ UAV RTK (Unmanned Aerial Vehicle kết hợp Real-Time Kinematic) là sự kết hợp giữa máy bay không người lái và hệ thống định vị vệ tinh GPS RTK hiện đại. Công nghệ này cho phép thực hiện lập bản đồ địa hình với độ chính xác cao, đạt tới cấp độ centimet, vượt trội so với các phương pháp truyền thống. Máy bay Phantom 4 RTK là một trong những thiết bị hàng đầu trong lĩnh vực này, được trang bị máy ảnh kỹ thuật số chuyên dụng và hệ thống RTK tích hợp. Ứng dụng UAV RTK không chỉ tiết kiệm thời gian mà còn giảm chi phí đáng kể trong các công tác khảo sát địa hình phục vụ xây dựng, quy hoạch đô thị và quản lý tài nguyên.

1.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động Phantom 4 RTK

Phantom 4 RTK bao gồm ba thành phần chính: máy bay bay quạt, máy ảnh kỹ thuật số và trạm điều khiển mặt đất. Máy bay được trang bị hệ thống RTK để định vị vị trí chính xác trong thời gian thực. Nguyên lý hoạt động dựa trên công nghệ GPS động, cho phép máy bay nhận tín hiệu từ vệ tinh GNSS và trạm cơ sở để xác định tọa độ tuyệt đối. Quá trình bay chụp được lập trình tự động, máy bay bay theo lộ trình định sẵn, chụp ảnh ở các điểm cách đều nhau, đảm bảo phủ sóng toàn bộ khu vực cần khảo sát.

1.2. Ưu điểm so với phương pháp đo vẽ trực tiếp

So với phương pháp đo vẽ trực tiếp thực địa truyền thống, UAV RTK mang lại nhiều lợi ích: tiết kiệm 70-80% thời gian thực địa, chi phí thấp hơn, có thể khảo sát những khu vực khó tiếp cận, và độ chính xác cao hơn. Đặc biệt, kỹ thuật này phù hợp với các công trình lớn như nhà máy nước, dự án xây dựng cơ sở hạ tầng.

II. Quy trình bay chụp và lập bản đồ địa hình

Quy trình lập bản đồ địa hình bằng UAV RTK gồm nhiều bước chuẩn bị và thực hiện công phu. Trước tiên, phải xác định phạm vi nghiên cứu, điều kiện tự nhiên, và mục đích công tác cụ thể. Sau đó, lập kế hoạch bay chi tiết bao gồm độ cao bay, khoảng cách giữa các điểm ảnh, và sơ đồ lộ trình. Quá trình bay chụp UAV thực hiện tự động theo chương trình, máy bay chụp ảnh với mật độ điểm đo phù hợp với tỷ lệ bản đồ 1/500. Khoảng cao đều cơ bản phải đáp ứng yêu cầu kỹ thuật chặt chẽ để đảm bảo chất lượng bản đồ địa hình cuối cùng.

2.1. Các giai đoạn chuẩn bị công tác khảo sát

Giai đoạn chuẩn bị bao gồm: khảo sát thực địa khu vực, lập sơ đồ mục đích công tác, xác định phạm vi nghiên cứu, chuẩn bị thiết bị bay và trạm cơ sở RTK. Phải kiểm tra điều kiện thời tiết, đảm bảo không có chướng ngại vật bay, thiết lập trạm điều khiển mặt đất tại vị trí thuận lợi.

2.2. Tiến hành bay chụp và định vị RTK

Quá trình bay bắt đầu bằng cách khởi động máy bay không người lái, đồng bộ hóa với trạm xử lý ảnh. Máy bay bay theo lộ trình tự động, chụp ảnh theo khoảng cách đều định sẵn. Hệ thống GPS RTK liên tục ghi nhận tọa độ tâm ảnh chính xác. Dữ liệu được lưu trữ, sẵn sàng cho giai đoạn xử lý sau.

III. Xử lý ảnh và tạo mô hình số địa hình

Sau khi hoàn thành bay chụp, giai đoạn xử lý ảnh bắt đầu với việc sử dụng các phần mềm chuyên dụng như Agisoft Photoscan, Global Mapper và AutoCAD. Đầu tiên, phải xử lý bình sai tọa độ tâm ảnh trên phần mềm CHC-GO, điều chỉnh các sai số trong công nghệ GPS để đạt độ chính xác tối đa. Tiếp theo, ảnh được đưa vào Agisoft để tạo mô hình số mặt đất (DEM) và mô hình bề mặt số (DSM). Phần mềm Global Mapper giúp lấy độ cao và xuất các file định dạng khác nhau. Cuối cùng, AutoCAD được sử dụng để số hóa biên tập bản đồ và tạo ra bản đồ tỉ lệ 1/500 chính xác.

3.1. Xử lý bình sai và hiệu chỉnh ảnh

Xử lý bình sai tọa độ tâm ảnh là bước quan trọng để đảm bảo độ chính xác của bản đồ địa hình. Phần mềm CHC-GO xử lý dữ liệu RTK từ máy bay, loại bỏ các sai số hệ thống. Mỗi ảnh chụp được hiệu chỉnh để có tọa độ tuyệt đối chính xác, tạo nền tảng solid cho các bước xử lý tiếp theo.

3.2. Tạo mô hình số và xuất bản đồ

Agisoft Photoscan xử lý các ảnh chồng lấp để tạo mô hình số mặt đất chi tiết. Global Mapper giúp lấy điểm độ cao, tạo bản đồ mặt cắt và xuất file các định dạng khác nhau. AutoCAD được dùng để vẽ mặt cắt chính xác, tạo bản vẽ kỹ thuật hoàn chỉnh.

IV. Ứng dụng thực tế và yêu cầu kỹ thuật

Công nghệ UAV RTK đã chứng minh giá trị thực tiễn trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là các công trình nhà máy nước, dự án xây dựng cơ sở hạ tầng và quản lý tài nguyên. Ứng dụng lập bản đồ địa hình bằng UAV đáp ứng yêu cầu chính xác cao, tiết kiệm chi phí và thời gian. Tuy nhiên, phải tuân thủ cơ sở pháp lý cho phép ứng dụng UAV ở Việt Nam, bao gồm thủ tục cấp phép bay từ cơ quan thẩm quyền. Yêu cầu kỹ thuật môi trường bay yêu cầu độ cao bay phù hợp, khoảng cách đo giữa các điểm ảnh, và mật độ điểm đo phù hợp với tỷ lệ bản đồ mong muốn. Điều kiện thời tiết, tầm nhìn, không có chướng ngại vật cũng là những yếu tố cần xem xét.

4.1. Quy định pháp lý và cấp phép bay

Tại Việt Nam, hoạt động bay UAV phải được cấp phép bởi cơ quan thẩm quyền. Hồ sơ đề nghị cấp phép phải bao gồm thông tin mục đích công tác, phạm vi nghiên cứu, lộ trình bay chi tiết. Thời hạn cấp phép thường là 12 tháng, có thể gia hạn nếu cần. Các tổ chức và cá nhân sử dụng UAV phải chịu trách nhiệm đảm bảo an toàn bay.

4.2. Tiêu chuẩn kỹ thuật bản đồ tỉ lệ 1 500

Bản đồ tỉ lệ 1/500 phục vụ các công trình chi tiết có yêu cầu độ chính xác cao. Khoảng cao đều cơ bản phải đạt chuẩn theo quy định, mật độ điểm đo phải đủ dày đặc. Mỗi mặt cắt phải được kiểm tra, hiệu chỉnh sai số độ cao nhằm đảm bảo độ tin cậy của dữ liệu địa hình.

Trích đoạn nội dung tài liệu

LỜI MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Bản đồ địa hình được sử dụng nhiều mục đích khác nhau như: Thành lập các loại bản đồ chuyên đề, bản đồ hiện trạng phục vụ đánh giá biến động địa hình, thiết kế mặt bằng của các thành phố và các điểm dân cư, quy hoạch, làm cơ sở đo vẽ thổ nhưỡng thực vật, thiết kế các công trình thủy nông. Nhất là với những yêu cầu ngày càng cao về: Độ chính xác, mức độ chi tiết, tiến độ và thời gian trong công tác thành lập bản đồ địa hình, mô hình số bề mặt đòi hỏi cần thiết phải áp dụng những công nghệ mới phục vụ thành lập bản đồ. Trước đây, các mô hình số bề mặt thực địa có độ chính xác cao được thành lập bằng công nghệ ảnh hàng không hoặc bằng các phương pháp đo đạc trực tiếp khác.

Các phương pháp truyền thống này đã bộc lộ nhiều nhược điểm: Chi phí cao, tổ chức sản xuất phức tạp, tốn nhiều thời gian để hoàn thành sản phẩm. Tuy nhiên hiện nay, với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ UAV đã cho phép nhanh chóng xây dựng mô hình số độ cao, mô hình số địa hình, mô hình số bề mặt, bản đồ trực giao có độ chính xác cao, với mật độ dữ liệu điểm lớn, đảm bảo được tính chi tiết của địa hình, từ đó có thể xây dựng bản đồ không gian ba chiều khu vực đô thị một cách nhanh chóng, chính xác. Ngoài việc giá thành tương đối thấp, công nghệ UAV với các máy ảnh phổ thông dễ dàng thu nhận các ảnh số với độ phân giải rất cao (mm, cm), trong điều kiện địa hình phức tạp, môi trường nguy hiểm. Thêm nữa, các phần mềm mã nguồn mở và phần mềm thương mại đều tích hợp các thuật toán SfM, cho phép gần như hoàn toàn tự động xử lý ảnh, xây dựng các sản phẩm bản đồ (mô hình số bề mặt, mô hình số độ cao, bản đồ trực ảnh, bản đồ 3D, video).

Trong công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, cùng với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ thông tin, công nghệ địa chính, để thực hiện được công tác quản lý đất đai theo hướng hiện đại, việc xây dựng hệ thống hồ sơ địa chính và cơ sở dữ liệu quản lý đất đai được quản lý bằng công nghệ thông tin là rất cần thiết. 1 Chính vì vậy, việc sử dụng phương pháp đo ảnh khoảng cách gần sử dụng máy bay không người lái (UAV) phục vụ trong công tác thành lập bản đồ là một đề tài nghiên cứu mang tính ứng dụng cao, bổ sung thêm nguồn tư liệu và công nghệ trong công tác thành lập bản đồ bằng công nghệ ảnh.Vì thế, em chọn đề tài “ Ứng dụng công nghệ UAV kết hợp RTK thành lập bản đồ địa hình phục vụ công trình nhà máy nƣớc Tóc Tiên. Mục tiêu của đề tài: 2. Mục tiêu tổng quát: Thành lập được bản đồ địa hình khu vực nhà máy nước Tóc Tiên bằng phương pháp ứng dụng công nghệ UAV kết hợp đo RTK.

Xây dựng được bản đồ địa hình tỷ lệ 1/500, trên đó thể hiện chi tiết mặt bằng khu vực thiết kế gồm các công trình hiện hữu trong nhà máy, đường, nhà cửa, cây cối, cột điện, và các chướng ngại vật trên tuyến….từ kết quả phân tích số liệu dò tìm công trình ngầm bằng máy dò tại khu vực dự kiến xây dựng tuyến ống, tiến hành cập nhật các hệ thống công trình ngầm trên bình đồ. Tiến hành công tác vạch tuyến công trình, đảm bảo vị trí tọa độ tim ống hợp lý không ảnh hưởng đến các công trình hạ tầng nằm lân cận, cũng như thuận tiện cho công tác thi công lắp đặt tuyến ống. Mục tiêu cụ thể: – Thu thập được dữ liệu khu đo bằng thiết bị UAV Phantom 4 RTK – Thu thập dữ liệu khu đo bằng thiết bị đo RTK – Xử lý số liệu của thiết bị đo RTK – Xử lý bình sai tọa độ tâm ảnh chính xác – Xử lý ảnh đưa ra các sản phẩm ảnh trực giao, mô hình số DEM – Chồng ảnh lên phầm mềm Autocad và số hóa địa hình địa vật – Vẽ đường đồng mức cho bản đồ – Biên tập bản đồ địa hình bằng phần mềm Autocad. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1.

Cơ sở khoa học của đề tài: 1. Tổng quan về thiết bị bay không người lái UAV: 1.1 Khái niệm: Máy bay không người lái (UAVs – Unmanned Aerial Vehicles) hay còn gọi là Drones, đang dần trở nên khá phổ biến và được ứng dụng vào nhiều ngành nghề sản xuất. Loại máy bay này được dùng để phục vụ cho mục đích trinh thám quân sự, hoặc dân sự, có khả năng tự động hóa các hoạt động của máy bay cao, không đòi hỏi những trang thiết bị hàng không đặc chủng, giá thành khai thác sử dụng và bảo trì hệ thống để phục vụ lâu dài rẻ. UAV có thể được điều khiển từ xa (bởi một phi công ngồi tại một trạm điều khiển trên mặt đất) hoặc cũng có thể tự bay theo các lịch trình đã được lập trình sẵn, hoặc theo sự điều khiển của các hệ thống máy tính phức tạp.

Hệ thống UAV gồm các đoạn thành phần chính: - Đoạn trên không (Air segment) bao gồm: Hệ thống điện, khung máy bay, bộ phận nâng đẩy (mô tơ, cánh quạt), định vị vệ tinh, ăng ten điều khiển từ xa, camera, giá đỡ camera, các cảm biến phụ, pin. - Đoạn truyền dữ liệu (Data link). - Đoạn điều khiển mặt đất(Ground segment) bao gồm: Trạm điều xử mặt đất (computer, software), RTK/CORS (GNSS) và đội ngũ vận hành. Các đoạn của quá trình điều khiển UAV 3 1.

Tình hình nghiên cứu máy bay không người lái UAV: 1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới: Trước đây, các hệ thống thiết bị bay không người lái UAV chỉ được các nước phát triển như Mỹ, Anh, Pháp, Đức, Nga … nghiên cứu phục vụ cho mục đích quân sự như tuần tra, trinh sát, huấn luyện phòng thủ và tấn công mục tiêu. Tuy nhiên, từ những năm 2000 đến nay công nghệ UAV đã phát triển hết sức mạnh mẽ và ứng dụng cho nhiều mục đích dân sự. Trong lĩnh vực Trắc địa – Bản đồ, đã có những công trình nghiên cứu về khả năng ứng dụng cũng như đánh giá độ chính xác sản phẩm được tạo ra từ kỹ thuật ứng dụng công nghệ UAV trong chụp ảnh hàng không độ phân giải cao, được xuất bản dưới dạng những bài báo khoa học.

Năm 2013, nhóm nghiên cứu do M. Rijsdijk chủ trì đã ứng dụng hệ thống UAV Falcon 8 để xác định ranh địa chính cho khu dân cư Nunspeet (Hà Lan), với độ phủ giữa các tờ ảnh là 80% và độ phân giải ảnh là 1cm. Kết quả sau khi xử lý bằng phần mềm Agisoft PhotoScan và có sử dụng GCPs đạt độ chính xác 5cm trên ảnh trực giao. Năm 2014, nhóm nghiên cứu do C.

Cryderman chủ trì đã tiến hành khảo sát một một ngọn đồi ở Canada bằng hai phương pháp là sử dụng hệ thống UAV cánh bằng EPO tự thiết kế và hệ thống GNSS RTK Trimble R8s (Mỹ), sau đó đánh giá độ chính xác sản phẩm của hai phương pháp này. Trong quá trình xử lý có sử dụng các điểm khống chế, nhóm chỉ ra rằng có sự tương đồng giữa kết quả nhận được từ hai phương pháp, cụ thể độ lệch trung bình giữa hai phương pháp là 4.4cm cao độ và 3.9cm mặt bằng. Năm 2016, nhóm nghiên cứu do R. El Meouche đã tiến hành khảo sát và lập bản đồ một khu vực nhỏ bằng 2 phương pháp là sử dụng UAV và toàn đạc điện tử.

Trong đó, 2 hệ thống UAV cùng được sử dụng là Ebee (cánh bằng) và HDS3 (cánh quay); máy toàn đạc là Trimble M3. Phần mềm xử lý ảnh là PhotoScan và phần mềm để số hóa bản đồ là AutoCad. Kết quả đạt được là khá tốt với độ chính xác GCPs là 1cm và độ chính xác kiểm tra là 4cm. Tuy nhiên, khuyến cáo được đưa ra 4 là công nghệ UAV không thể áp dụng tốt có các khu vực bị che khuất và để đạt độ chính xác như vậy thì độ cao bay phải đủ thấp sao cho độ phân giải ảnh khoảng 1cm.

Năm 2018, M J Ahmad và cộng sự đã ứng dụng hệ thống UAV MTD để bay chụp khu vực Universiti Teknologi Malaysia với độ cao bay lần lượt 250m, 300, và 350m. Sau khi xử lý bằng phần mềm Agisoft PhotoScan có sử dụng GCP thì ảnh trực giao, mô hình DEM đạt độ chính xác 5cm mặt bằng và 3dm độ cao, bản đồ số sau đó được số hóa và biên tập thành công bằng phần mềm AutoCad. Tình hình nghiên cứu trong nước: Ở Việt Nam từ năm 1999, Ban nghiên cứu mục tiêu bay đã tiến hành thiết kế lắp đặt máy bay không người lái, các thiết bị này (M-96, M-96D) đã được hoàn thành và thưc hiện bay thử ở khu vưc Miếu Môn - Hà Nội, sau đó được cái tiến và hoàn thiện thành các phiên bản M100-CT … với sư điều khiển bay theo chương trình dẫn đường của GPS trên bản đồ số. Thiết bị này chủ yếu dùng với mục đích bắn đạn thật của lưc lượng cao xạ, tên lửa.

Đây là thiết bị bay do Việt Nam chế tạo, phù hợp với phương pháp đo ảnh hàng không khoảng cách gần. Tiếp theo đó, năm 2010, nhóm sinh viên trường Đại học Bách Khoa TP HCM đã chế tạo thành công máy bay không người lái bằng vật liệu composite với sải cánh 2.5 m, trọng lượng 12 kg, vận tốc trung bình 85 km/h. Năm 2013 được đánh dấu là năm mà nhiều doanh nghiệp, tổ chức như Viettel, Viện Công nghệ không gian và cả FPT nhảy vào nghiên cứu, chế tạo thành công máy bay không người lái "made in Vietnam". Những năm về trước UAV (máy bay không người lái) được xem là thứ xa lạ đối với Việt Nam bởi nó dường như là cuộc chơi của các cường quốc như Mỹ, Nga, Israel hay Trung Quốc… Khát vọng làm chủ công nghệ này đã được các doanh nghiệp viễn thông theo đuổi, tiến hành nghiên cứu, chế tạo và đã sản xuất được UAV.

Năm 2014, Cục Bản đồ - Bộ Tổng tham mưu, đã thử nghiệm hai hệ thống UAV Swinglet CAM (Sensfly - Thụy sỹ) và UX5 (Trimble -Mỹ) thành lập bản đồ 3D hành lang tuyến điện. Các báo cáo khẳng định hệ thống UAV này hoàn toàn có 5 thể sử dụng trong công tác giám sát phạm vi hẹp, lập bản đồ 3D và thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ 1/2.