1

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu là

trung thực và chưa từng được công bố trong các công trình khác.

Tác giả luận văn

Đặng Thanh Tùng

2

MỤC LỤC

Mục lục: .....................................................................................................................2

Danh mục chữ viết tắt: ................................................................................................4

Danh mục hình ảnh: ....................................................................................................5

Danh mục bảng biểu: ............................................................................................... ...6

MỞ ĐẦU................ .......... .................... .......... .................... .......... .......... .......... .. 7

1. Tính cấp thiết của đề tài................. .......... .................... .......... .................... .. 7

2. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu ............ .......... .......... .......... .......... .......... .. 8

3. Cấu trúc của luận văn .......... .......... .......... .......... .......... .......... .................... .. 9

CHƯƠNG 1 ........... .......... .......... .......... .......... .......... .................... .......... ..............

CỞ SỞ LÝ LUẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU............... .......... .......... 10

1.1. Cơ sở lý thuyết của công nghệ Lidar .............. .......... .................... .......... 10 1.1.1. Cấu trúc hệ thống Lidar .............................................................................................. 10 1.1.2. Nguyên lý hoạt động của Lidar................................................................................... 11 1.1.3. Cơ sở toán học xác định tọa độ của điểm Lidar........................................................... 12 1.1.4. Độ chính xác xác định vị trí điểm Lidar...................................................................... 15 1.2. Khả năng ứng dụng Lidar và bản đồ 3D........ .......... .......... .................... 18 1.2..2 Ứng dụng trong công tác khảo sát, thiết kế, giám sát công trình.......................................... 19 1.2.3. Ứng dụng trong công tác thiết kế, quy hoạch, phát triển đô thị.................................... 19 1.2.4. Ứng dụng trong quân sự ............................................................................................. 20 1.2.5. Ứng dụng trong du lịch............................................................................................... 20 1.3. Các vấn đề cơ bản về bản đồ 3D........... .......... .......... .......... .......... .......... 20 1.3.1. Các khái niệm cơ bản ................................................................................................. 20 1.3.2. Khả năng ứng dụng dữ liệu Lidar trong thành lập bản đồ 3D ...................................... 22 1.3.3. Các phương pháp nghiên cứu thành lập bản đồ 3D ......... .......... .......... 22 a. Phương pháp Lidar........................................................................................................... 23 b. Phương pháp đo vẽ trực tiếp thực địa ............................................................................... 25 c. Phương pháp do vẽ ảnh hàng không ................................................................................. 26 d. Phương pháp bản đồ địa hình, địa chính ........................................................................... 27 e. Thành lập bản đồ địa hình 3D từ các nguồn ảnh viễn thám khác ....................................... 28 f. Phương pháp Radar độ mở tổng hợp giao thoa (IFSAR - InterFerometric Synthetic Aperture Radar).................................................................................................................................. 29 CHƯƠNG 2 ........... .......... .......... .......... .......... .......... .................... .......... .......... 31

QUY TRÌNH ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ LIDAR THÀNH LẬP BẢN ĐỒ 3D .. 31

2.1. Xử lý dữ liệu Lidar ............ .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... 31 2.1.1. Chiết tách các thông tin về địa hình và địa vật (phân tầng độ cao dữ liệu Lidar – tách bề mặt địa hình thực và bề mặt địa vật)..................................................................................... 32 2.1.2. Nhận dạng, tái lập mô hình các công trình xây dựng................................................... 36 a. Tìm kiếm, nhận dạng các công trình xây dựng.................................................................. 38 b. Tái lập các công trình xây dựng trên bản đồ 3D................................................................ 40

3

2.2. Phương pháp hiển thị các đối tượng trên bản đồ 3D......... .......... .......... 42 2.2.1. Phương pháp hiển thị các đối tượng 3D ...................................................................... 42 2.2.2. Mô hình số địa hình.................................................................................................... 43 2.2.3. Các đối tượng địa hình 3D.......................................................................................... 45 2.2.4. Phân tích và lựa chọn mức độ chi tiết cho các đối tượng hiển thị 3D.................................. 46 CHƯƠNG 3 ........... .......... .......... .......... .......... .......... .................... .......... .......... 49

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ LIDAR ............... .......... .................... .......... ..............

THÀNH LẬP BẢN ĐỒ 3D THÀNH PHỐ BẮC GIANG................ .......... .......... 49

3.1. Khái quát chung về khu vực thử nghiệm, hệ thống máy quét Lidar .... 49

3.2. Công tác chuẩn bị, bay quét và xử lý dữ liệu Lidar........... .......... .......... 53 3.2.1. Công tác chuẩn bị....................................................................................................... 53 3.2.2. Bay quét Lidar............................................................................................................ 53 3.2.3. Xử lý dữ liệu Lidar ..................................................................................................... 56 3.2.4. Xây dựng mô hình 3D khu vực thử nghiệm ................................................................ 61 d. Thể hiện các đối tượng khác trên bản đồ .......................................................................... 67 - Thuỷ hệ và các đối tượng liên quan.................................................................................... 67 - Giao thông và các đối tượng liên quan ............................................................................... 68 - Các đối tượng kinh tế, văn hoá xã hội ................................................................................ 69 - Dáng đất, chất đất .............................................................................................................. 70 - Thực vật ............................................................................................................................ 71 - Ranh giới ........................................................................................................................... 73 - Ghi chú.............................................................................................................................. 73 3.3. Đánh giá kết quả sản phẩm......... .......... .......... .................... .......... .......... 74 3.3.1. Đánh giá độ chính xác ................................................................................................ 74 3.3.2. So sánh với một số phương pháp ................................................................................ 74 3.3.3. Đánh giá khả năng ứng dụng và hiệu quả: ................................................................. 76 Trang bị công nghệ Lidar giúp chúng ta tiếp cận với công nghệ tiên tiến trên thế giới, góp phần nâng cao được trình độ khoa học công nghệ trong lĩnh vực đo đạc và bản đồ. ................. .......... .................... .......... .................... 77

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................. .......... .................... .......... .................... 79

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............ .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... 82

PHỤ LỤC .............. .......... .................... .......... .......... .......... .......... .......... .......... 83

4

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Tên viết vắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt

LIDAR Light Detection And Ranging Công nghệ đo Laser

IMU Inertial Measurement Unit Thiết bị xác định quán tính DTM Digital Terrain Model Mô hình số địa hình DEM Digital Elevation Model Mô hình số độ cao DSM Digital Surface Model Mô hình số bề mặt

GIS Geographic Information System Hệ thống thông tin địa lý

GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu

GRID Cấu trúc lưới đều của mô hình số độ cao

TIN Triangulated Irregular Network

Cấu trúc mạng tam giác không đều của mô hình số độ cao

LoD Level of Detail Cấp độ chi tiết

IFSAR InterFerometric Synthetic Aperture Radar:

Radar độ mở tổng hợp giao thoa

2D Two Dimensions Hai chiều 3D Three Dimensions Ba chiều 3D City Model Mô hình thành phố 3D Photorealistic Ảnh thực Symbolised Ký hiệu hoá Intensity Ảnh cường độ xám MicroRelief Vi địa hình MultiLoD Multiple Level of Detail Đa cấp độ chi tiết

5

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Tổng quan hệ thống bay quét Lidar .......... .......... .......... .......... .......... 11

Hình 1.2: Cơ sở toán học xác định vị trí điểm Lidar........... .......... .......... .......... 13

Hình 1.3 Bản đồ địa hình 3D................ .......... .................... .......... .................... 19

Hình 1.4 Bản đồ 3D khu vực đô thị ............... .......... .................... .......... .......... 20

Hình 1.5 Mô hình 3D khu vực đô thị từ dữ liệu Lidar......... .......... .......... .......... 25

Hình 1.6 Mô hình 3D được xây dựng từ dữ liệu đo trực tiếp tại thực địa.......... 26

Hình 1.7 Bản đồ 3D thành lập từ phương pháp ảnh hàng không........... .......... 27

Hình 1.8 Mô hình 3D thành lập từ bản đồ địa chính .......... .......... .......... .......... 28

Hình 1.9 Mô hình 3D sử dụng ảnh viễn thám ........... .......... .......... .......... .......... 29

Hình 2.1 Dữ liệu tập hợp điểm Lidar.............. .......... .................... .......... .......... 32

Hình 2.2 Phân loại các điểm Lidar giữa địa hình và địa vật ........ .......... .......... 34

Hình 2.3 Phân loại các điểm Lidar giữa địa hình và địa vật ........ .......... .......... 35

Hình 2.4 Kết quả phân loại, tạo mô hình số bề mặt và mô hình số địa hình ..... 36

Hình 2.5Ttìm kiếm, nhận dạng công trình xây dựng ........... .......... .......... .......... 40

Hình 2.6 Xác định ranh giới công trình xây dựng............... .......... .................... 41

Hình 2.7 Xây dựng mô hình 3D của các công trình xây dựng................. .......... 41

Hình 2.8: Mô tả mô hình số địa hình và các đối tượng trên nó............... .......... 42

Hình 2.9 Mô tả nhà trong bản đồ 3D được hiện thị một cách đơn giản trên nền mô hình số địa hình .......... .......... .......... .......... .......... .......... .................... .......... 46

Hình 2.10 Cấp độ chi tiết LoD đối với các đối tượng nhà, khối nhà ................. 48

Hình 3.1 Sơ đồ tuyến bay quét Lidar khu vực thành phố Bắc Giang................. 56

6

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Sơ đồ 2.1: Sơ đồ quy trình xử lý dữ liệu Lidar lập bản đồ 3D…………………...30

Bảng2.1:Bảng kết quả phân loại điểm địa hình, địa vật nhà cửa, cây cối…….34

Bảng3.1: Bảng tư liệu các điểm địa chính cơ sở…………………………….……49

Sơ đồ 3.1: Quy trình công nghệ thành lập bản đồ 3D từ dữ liệu Lidar….….….50

.

7

MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài

Trong những năm gần đây, việc ứng dụng công nghệ mới trong lĩnh vực

bản đồ viễn thám và GIS đã có những bước tiến vượt bậc và đã tạo ra những sản

phẩm có chất lượng cao. Công nghệ Laser đã được ứng dụng hiệu quả trong

nhiều lĩnh vực, trong đo có lĩnh vực đo đạc bản đồ. Trước đây, trong lĩnh vực đo

đạc bản đồ, công nghệ Laser đã được sử dụng trong các máy đo dài, định tuyến.

Hiện nay, rất nhiều nước trên thế giới và trong khu vực đã ứng dụng công nghệ

Laser kết hợp với hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu, hệ thống xác định quán tính

để lập mô hình số địa hình, mô hình số bề mặt phục vụ thành lập bản đồ địa

hình, bản đồ dải ven biển, bản đồ không gian ba chiều và xây dựng cơ sở dữ liệu

nền thông tin địa lý.

Việc thành lập mô hình số địa hình, đặc biệt là mô hình số bề mặt thực địa

có độ chính xác cao bằng công nghệ ảnh hàng không hoặc bằng các phương

pháp đo đạc trực tiếp khác trước đây gặp nhiều khó khăn, chi phí cao, tốn nhiều

thời gian để hoàn thành sản phẩm. Công nghệ Lidar kết hợp với các công nghệ

khác như định vị vệ tinh, xác định quán tính, bay chụp ảnh số cỡ trung bình cho

phép xác định chính xác bền mặt địa hình và bền mặt thực địa theo một hệ tọa

độ không gian xác định. Sản phẩm của công nghệ Lidar giúp xây dựng mô hình

số địa hình cũng như mô hình số bề mặt có độ chính xác cao, mật độ dữ liệu

điểm lớn, thậm chí là rất lớn đảm bảo được tính chi tiết của địa hình thực tế. Dữ

liệu Lidar thu nhận được là tập hợp các điểm có giá trị mặt bằng và độ cao (đám

mây điểm) trong một hệ tọa độ xác định. Từ dữ liệu đám mây điểm Lidar, cho

phép tiến hành lọc điểm, biên tập xây dựng nên mô hình số địa hình và mô hình

số bề mặt và dựng mô hình 3D các công trình xây dựng, từ đó có thể xây dựng

bản đồ không gian ba chiều khu vực đô thị một cách nhanh chóng, chính xác.

Công nghệ Lidar có sự tiến bộ vượt trội so với các công nghệ đi trước trong

việc thành lập mô hình số địa hình, mô hình số bề mặt phục vụ công tác lập

8

bản đồ địa hình, bản đồ không gian ba chiều (bản đồ 3D) và xây dựng cơ sở dữ

liệu nền thông tin địa lý. Nó cho phép đẩy nhanh tiến độ thi công một cách đáng

kể, giảm chi phí thi công và đạt độ chính xác cao.

Bản đồ không gian ba chiều có rất nhiều ưu điểm so với bản đồ hai chiều

(bản đồ 2D). Nó gồm nền mô hình số địa hình, các đối tượng địa lý dạng vector

được gắn kết với các thuộc tính và được hiển thị trong không gian ba chiều. Bản

đồ 3D có thể được thành lập từ nhiều nguồn dữ liệu khác nhau có khả năng mô

phỏng cấu trúc cảnh quan đô thị phục vụ quy hoạch, xây dựng phát triển đô thị,

phục vụ giáo dục, quốc phòng, du lịch… Để có được độ chính xác cao cho các

vị trí điểm trên bản đồ thì hiện nay nguồn dữ liệu thu nhận từ công tác bay quét

Lidar đang thể hiện là tối ưu nhất.

Với những ưu thế và hiệu quả của việc xây dựng bản đồ không gian ba

chiều và các nhu cầu phát triển kinh tế xã hội, đặc biệt là tốc độ phát triển đô thị

ở Việt Nam đang rất nhanh thì việc ứng dụng công nghệ Lidar để xây dựng bản

đồ không gian ba chiều là rất cần thiết trong thời điểm hiện nay Xuất phát từ nhu

cầu thực tiễn và khả năng đáp ứng của công nghệ, đề tài được lựa chọn với tiêu

đề:: “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ Lidar thành lập bản đồ 3D khu vực đô

thị”.

2. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

* Mục tiêu đề tài: Nghiên cứu, xây dựng quy trình thành lập bản đồ 3D khu

vực đô thị dựa trên nguồn dữ liệu Lidar.

* Nội dung nghiên cứu:

Để thực hiện được mục tiêu của đề tài luận văn, các nội dung nghiên cứu

sau được thực hiện:

- Tổng quan tài liệu nghiên cứu ứng dụng Lidar trong việc xây dựng bản đồ

3D.

- Nghiên cứu quy trình xây dựng bản đồ 3D bằng công nghệ lidar.

- Xây dựng bản đồ 3D khu vực đô thị thành phố Bắc Giang.

9

3. Cấu trúc của luận văn

Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo luận văn được cấu trúc

trong ba chương:

Chương 1. Cơ sở lý luận và phương pháp nghiên cứu.

Chương 2. Quy trình ứng dụng công nghệ Lidar thành lập bản đồ 3D.

Chương 3. Ứng dụng công nghệ hoặc dữ liệu Lidar thành lập bản đồ 3D thành phố Bắc Giang.

10

CHƯƠNG 1

CỞ SỞ LÝ LUẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

1.1. Cơ sở lý thuyết của công nghệ Lidar

1.1.1. Cấu trúc hệ thống Lidar

Công nghệ quét laser từ máy bay (Airborne Laser Scanning) hay còn gọi là

Lidar (Light Detection And Ranging) là công nghệ mới được áp dụng tại Việt

Nam, cho phép đo đạc độ cao chi tiết địa hình một cách nhanh chóng và chính

xác.

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.

Bộ máy quét laser (bộ cảm biến): gồm hai bộ phận được gắn vào bên dưới

máy bay: một bộ phận có vai trò phát xung laser hẹp đến bề mặt trái đất trong

khi máy bay di chuyển với 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.

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

11

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. Các

thông tin này được lưu trữ và xử lý, để xác định giá trị tọa độ (x,y,z) chính xác

của mỗi điểm 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.

Hình 1.1: Tổng quan hệ thống bay quét Lidar

Hệ thống quản lý bay: Cho phép lập kế hoạch, thiết kế tuyến bay và theo

dõi quá trình bay quét Lidar.

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.

1.1.2. Nguyên lý hoạt động của Lidar

Hệ thống Lidar xác định được tọa độ các điểm trong không gian ba chiều

X,Y, Z) bằng cách đo độ D dài của tia laser, xác định góc phương vị của tia quét

(dựa vào các góc xoay của thiết bị và góc quay của gương quét được xác định

12

bằng hệ thống IMU) và hệ tọa độ GPS lựa chọn tại thời điểm quét laser.

Thiết bị Lidar có độ rộng dải quét có thể từ vài chục mét đến hàng trăm mét

phụ thuộc vào chiều cao bay và đặc biệt nhờ vào góc quay của tấm gương đước

gắn vào đầu thiết bị phát tia laser hướng về phía bề mặt địa hình.

Tia laser hoạt động theo nguyên lý xung điện có tần số lớn tới vài Khz. Sau

khi phát, năng lượng sẽ được phản hồi từ địa hình, địa vật qua hệ thống quang

học tới đầu thu của thiết bị xung điện. Dựa vào khoảng chênh lệch thời gian T

giữa tín hiệu phát đi và tín hiệu thu về, chúng ta xác định được chiều dài D của

tia laser tại thời điểm quét theo công thức (1.1):

2CTD ii = (1.1)

Trong đó:

Di: Chiều dài tia laser.

Ti: Thời gian từ thời điểm phát tia laser đến thời điểm nhận tín hiệu phản

hồi.

C: Vận tốc ánh sáng.

Thiết bị Lidar hoạt động trong dải phổ cận hồng ngoại với bước sóng

khoảng 1504nm cho phép xác định chiều dài D với độ chính xác cao với sai số

khoảng ± 1cm.

Các tia laser được quét liên tục với góc quét có thể lên tới 1500 và theo

hướng vuông góc với hướng bay của máy bay. Tần suất phát của thiết bị Lidar

có thể lê tói 100000 điểm trong 1 giây nên tùy theo tính chất, đặc điểm của bề

mặt địa hình và độ cao bay chụp mà ta có thể thu nhận được dữ liệu với mật độ

lên tới hàng triệu điểm trên 1 km2 tương đương từ 0.3m đến 1m có 1 điểm.

1.1.3. Cơ sở toán học xác định tọa độ của điểm Lidar

Việc xác định tọa độ của các điểm Lidar được tiến hành bằng cách xác định

tọa độ điểm Lidar trong hệ tọa độ của máy quét, sau đó xác định chính xác tọa

độ của điểm Lidar trong một hệ tọa độ không gian lựa chọn. Sơ đồ vector (1.2)

minh họa việc xác định tọa độ của điểm Lidar:

13

Hình 1.2: Cơ sở toán học xác định vị trí điểm Lidar Trong đó:

G: điểm GPS mặt đất trong hệ tọa độ lựa chọn.

A: Anntena của máy GPS trên máy bay.

S: điểm đặt máy quét Lidar.

P: điểm phạn xạ tia laser tại mặt đất.

Ở đây ta có hai hệ tọa độ:

- Hệ tọa độ thứ nhất: là hệ tọa độ được lựa chọn GXYZ.

- Hệ tọa độ thứ hai: là hệ tọa độ đặt máy quét Lidar Suvt.

Do vậy cần chuyển tọa độ từ hệ tọa độ của máy quét Lidar sang hệ tọa độ

đã được lựa chọn theo công thức sau:

SAdg += (1.2)

Để xác định vector g từ điểm G đến điểm P (điểm phản xạ của các tia laser)

cần phải xác định vector d, ma trận chuyển vị A và vector b như hình (1.2) ta có:

bADd −=

b

v

t

A

G

Z

Y

Z

X

S

α

D

d

δ

Y

u

Server C

X

P Mặt đất

g

14

Trong đó:

Vector D: luôn luôn xác định được bằng cách đo động GPS

S: khoảng cách từ máy quét tới điểm phản xạ P

b: khoảng cách đo trực tiếp từ Anten đến máy quét

A: ma trận chuyển vị từ hệ tọa độ Lidar sang hệ tọa độ lựa chọn

Ma trận trên có dạng:

=

131211

131211

131211

cccbbbaaa

A (1.3)

Trong đó:

ωβωγβωβωγβ

γωγωγ

coscossinsinsinsincoscossinsin

sinsincoscoscos

12

12

11

11

11

+=−=

===

bacba

βγωβωγβ

ωβωγββγ

coscoscossinsinsincossinsincossincos

sincos

13

13

13

12

=−=

+==

cbac

(1.4)

,2

,2

−

ππγ γ : Góc nghiêng ngang của máy bay.

( )πω 2,0 , ω : Góc xoay của máy bay.

,2

,2

−

ππβ β : Góc nghiêng dọc của máy bay.

Thay vào công thức (1.3) vào công thức (1.2):

( )bSADg −+= (1.5)

Viết dưới dạng ma trận:

( )bSAZZ

YYXX

ZZYY

XX

a

a

a

P

P

P

−+

−

−−

=

−

−−

0

0

0

0

0

0

(1.6)

15

Trong đó:

000 ,, ZYX : Toạ độ điểm G (điểm toạ độ GPS mặt đất)

pppaaa ZYXZYX ,,,,, : toạ độ ăngten A và toạ độ điểm P cần tìm

Từ công thức (1.6) có thể xác định toạ độ điểm P:

( )bSAZYX

ZYX

i

i

i

Pi

Pi

Pi

−+

∆

∆∆

=

∆

∆∆

(1.7)

Trên cơ sở công thức (1.7) tìm được toạ độ Xp, Yp, Zp.

Như vậy trên cơ sở nguyên lý này sẽ xác định được tập hợp các điểm có toạ

độ, độ cao trên mặt đất. Tiến hành phân loại và lọc được các dữ liệu quét bằng

tia laser bao gồm:

- Dữ liệu mặt đất (các điểm nằm trên mặt đất) sử dụng để thành lập mô

hình số địa hình (DTM)

- Dữ liệu các điểm không nằm trên mặt đất như các điểm nằm trên cây, mái

nhà, dây điện… Các điểm này được sử dụng để thành lập mô hình số bề mặt

(DSM)

- Dữ liệu ảnh cường độ phản xạ của tia laser cho phép nhận dạng địa vật

một cách tương đối rõ nét.

Như vậy việc phân loại để xử lý các dữ liệu đo được thông qua các modul

và các chương trình phần mềm của hệ thống để mục đích bóc tách được các loại

dữ liệu này thông qua các phép lọc.

1.1.4. Độ chính xác xác định vị trí điểm Lidar

Dựa trên cấu trúc hệ thống và nguyên lý hoạt động của công nghệ Lidar,

chúng ta có thể nhận thấy độ chính xác xác định vị trí điểm Lidar chủ yếu phụ

thuộc vào độ chính xác của hệ thống quét laser, độ chính xác xác định các thông

số định hướng giữa hệ thống IMU và điểm đặt anntena trên máy bay, độ chính

xác cơ sở trắc địa.

Độ chính xác của hệ thống quét Lidar bao gồm độ chính xác đo chiều dài

của tia laser và độ chính xác của thiết bị đo GPS, thiết bị đo quán tính IMU.

16

Các thiết bị trên luôn tồn tại sai số hệ thống và có thể thay đổi giá trị theo thời

gian sử dụng như các sai số do chuyển động quay của gương quét laser, sai số

của hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu GPS, sai số của thiết bị đo quán tính IMU.

Để giảm thiểu các sai số này hay nói cách khác là đảm bảo cho chúng tồn tại

trong hạn sai cho phép thì trong thực tế chúng ta phải tiến hành kiểm định các

thiết bị trên một cách định kỳ trong các điều kiện nhất định nhằm xác định các

thông số hiệu chỉnh thiết bị.

Độ chính xác xác định các thông số định hướng giữa hệ thống IMU và

điểm đặt anntena GPS trên máy bay về bản chất là xác định chính xác các vector

tính chuyển giữa hệ tọa độ của hệ thống IMU và hệ tọa độ được sử dụng để

thành lập bản đồ 3D. Hệ thống IMU thường được lắp đặt trùng hợp với hệ thống

quét laser một cách ổn định và chính xác. Truy nhiên, hệ thống GPS trên máy

bay thường được lắp đặt tại vị trí thông thoáng, có khả năng thu tín hiệu tốt nhất.

Do đó, độ chính xác xác định thông số định hướng giữa hệ thống IMU và tâm

anntena GPS càng chính xác càng tốt, thông thường độ chính xác này nhỏ hơn

1cm.

Việc thu nhận và xử lý kết quả đo GPS giữa hệ thống GPS trên máy bay và

dưới mặt đất đặc biệt quan trọng, đây chính là cơ sở để xác định tọa độ của các

điểm Lidar trong hệ tọa độ cần thành lập bản đồ 3D. Để đảm bảo độ chính xác

cần thiết, tọa độ của các điểm đặt máy GPS dưới mặt đất (điểm trạm Base) cần

phải được xác định chính xác, từ đó mới có thể xác định chính xác tọa độ của

điểm đặt máy GPS trên máy bay trong quá trình bay bằng các phương pháp xử

lý dữ liệu GPS. Ở đây, sau khi xác định chính xác vị trí của các điểm Lidar bằng

công nghệ GPS và IMU, chúng ta cần đặc biệt quan tâm tới độ chính xác của mô

hình Geoid địa phương (mô hình Geoid của khu phạm vi bay quét Lidar). Nếu

chỉ sử dụng kết quả đo GPS đơn thuần thì mới chỉ xác định chính xác được giá

trị độ cao H của các điểm Lidar (giá trị độ cao trên bề mặt Ellipsoid của hệ tọa

độ sử dụng để thành lập bản đồ 3D). Do đó phải sử dụng mô hình Geoid địa

17

phương có độ chính xác đảm bảo để có được các giá trị dị thường độ cao N tại

khu vực bay quét Lidar, từ đó xác định chính xác các giá trị độ cao thủy chuẩn h

của các điểm Lidar trong khu vực. Dựa trên các điểm Lidar có tọa độ chính xác

về mặt bằng và độ cao thủy chuẩn, tiến hành xây dựng mô hình 3D khu vực bay

quét.

1.1.5. Sản phẩm trực tiếp của công nghệ Lidar

Mô hình số địa hình(DTM): là các mô hình số miêu tả bề mặt mặt đất

nhưng không bao gồm các đối tượng vật thể trên đó. Dữ liệu thu nhận từ quá

trình bay quét Lidar bao gồm tập hợp các điểm có giá trị mặt bằng và giá trị độ

cao tạo ra mô hình số địa hình dạng Raster với mắt lưới lên đến 0.5m, độ chính

xác về độ cao có thể đạt tới 0.15m.

Mô hình số bề mặt(DSM): là một mô hình số độ cao miêu tả bề mặt mặt đất

và bao gồm cả các đối tượng vật thể trên đó như nhà cửa, cây cây cối, đường

dây điện, đường giao thông... Cũng như mô hình số độ cao, mô hình số bền mặt

được tạo ra dưới dạng Raster với kích thước mắt lưới Grid đạt tới 0,5m và độ

chính xác về độ cao lên tới 0,2m.

Ảnh cường độ xám (intensity): là sản phẩm thu được trong quá trình thu

nhận dữ liệu Lidar. Dựa trên cường độ tín hiệu phản hồi của tia laser thu được,

tiến hành nội suy tạo ảnh cường độ xám. Trên bề mặt thực địa bao gồm các đối

tượng khác nhau, do đó khả năng hấp thụ và cường độ phản hồi tín hiệu laser

cũng khác nhau, từ đó thu nhận và có thể phân biệt được các loại đối tượng khác

nhau trên ảnh cường độ xám. Điều này rất có ý nghĩa trong việc phân loại đối

tượng trong trường hợp không có ảnh hàng không hay ảnh vệ tinh độ phân giải

cao tại khu vực bay quét Lidar. Độ phân giải của ảnh cường độ xám có thể lên

tơi 0,25m. Độ chính xác về mặt bằng và độ cao của các điểm trên ảnh cường độ

xám tương đương với độ chính xác của dữ liệu Lidar gốc.

Bình đồ ảnh trực giao (true otrthophoto): là sản phẩm ảnh được nắn

chuyển hình học chính xác trong hệ tọa độ lựa chọn dựa vào các góc xoay được

18

xác định nhờ hệ thống IMU và tọa độ GPS cùng với mô hình số địa hình, mô

hình số bề mặt so dữ liệu Lidar tạo ra. Bình đồ ảnh trực giao trên lý thuyết là

ảnh nắn chỉnh hình học đã được loại trừ sai số vị trí điểm do chênh cao địa hình

gây ra dựa vào việc sử dụng mô hình số địa hình để nắn chỉnh. Đối với trường

hợp bay quét Lidar có kết hợp chụp ảnh số thì sản phẩm bình đồ ảnh trực giao là

sản phẩm trực tiếp của công nghệ Lidar đem lại hiệu quả rất lớn cho công tác đo

đạc lập bản đồ và xây dựng mô hình không gian ba chiều. Bình đồ ảnh trực giao

có thể được sử dụng làm lớp phủ bề mặt cho các đối tượng trên bản đồ 3D.

1.2. Khả năng ứng dụng Lidar và bản đồ 3D

Công nghệ Lidar thể hiện nhiều ưu thế vượt trội so với các công nghệ khác

trong việc đo đạc thành lập bản đồ và xây dựng cơ sở dữ liệu cũng như công tác

mô phỏng không gian ba chiều. Các nguồn dữ liệu thu nhận được từ hệ thống

Lidar có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như quân sự, giáo dục, viễn

thông, quy hoạch quản lý đô thị, đánh giá, theo dõi và khai thác mỏ, lập bản đồ

đường dây tải điện, nghiên cứu lập bản khu vực ngập lụt, bản đồ địa hình dải

ven biển, dự báo thảm họa...

1.2.1. Ứng dụng trong công tác thành lập bản đồ địa hình

Bản đồ địa hình tỷ lệ lớn là một trong những sản phẩm mà hiện nay được

thành lập nhiều nhất dựa trên công nghệ Lidar. Công nghệ Lidar cho phép lập

mô hình số địa hình độ chính xác cao với thời gian nhanh chóng và ít phụ thuộc

vào thời tiết, có thể bay quét Lidar cả ngày lẫn đêm. Hiện nay người ta thường

áp dụng công nghệ Lidar cho thành lập bản đồ các tỷ lệ 1/1000, 1/2000, 1/5000.

19

Hình 1.3 Bản đồ địa hình 3D 1.2.2. Ứng dụng trong công tác khảo sát, thiết kế, giám sát công trình

Dữ liệu Lidar có thể được thu nhận trong khoảng thời gian ngắn, có độ

chính xác và độ chi tiết rất cao giúp cho công tác khảo sát, đặc biệt là khảo sát

vê địa hình đạt hiệu quả cao.

Kết quả của sản phẩm Lidar phục vụ khảo sát, thiết kế, giám sát công trình

giúp cho việc tính toán khối lượng đào đắp, lên kế hoạch giải tỏa, đền bù được

sát thực tế hơn và bố trí các phương án, phương tiện thi công iệu quả.

1.2.3. Ứng dụng trong công tác thiết kế, quy hoạch, phát triển đô thị

Thiết kế - qui hoạch là một trong những lĩnh vực rộng lớn rất cần mô hình

chi tiết. Từ thiết kế giao thông, đô thị, công trình công cộng đến thiết kế nhà

máy thuỷ điện đều cần đến các thông tin chính xác này để nghiên cứu tình trạng

hiện thời, tính toán khối lượng đào đắp để đưa ra phương án tối ưu, lên kế hoạch

giải toả và tái định cư, hiển thị mô hình thiết kế, lấy ý kiến đóng góp, trình

duyệt.

20

Hình 1.4 Bản đồ 3D khu vực đô thị

1.2.4. Ứng dụng trong quân sự

Trong quân sự, việc sử dụng công nghệ Lidar để xây dựng các mô hình khu

vực tác chiến giúp cho khả năng phân tích tầm nhìn hay khả năng cơ động của

các trang thiết bị cơ giới, xác định mục tiêu cho dẫn đường tên lửa...được nhanh

chóng, chính xác, hiệu quả.

1.2.5. Ứng dụng trong du lịch

Cũng nhờ dữ liệu Lidar, cho phép tạo những tua du lịch ảo trên nền bản đồ

giúp khách hàng có khái niệm rõ ràng hơn về những nơi mình sẽ đến và cảnh

quan ở đó, đây cũng là một cách tiếp cận thị trường hiệu quả. Khách du lịch có

thể thực hiện việc quan sát ba chiều hay bay mô phỏng để tìm hiểu cảnh quan

thiên nhiên của vùng được quan tâm. Họ cũng có thể được cung cấp các thông

tin về cơ sở hạ tầng, khách sạn, các hoạt động vui chơi, giải trí ... nhờ các công

cụ hỏi đáp của GIS.

1.3. Các vấn đề cơ bản về bản đồ 3D

1.3.1. Các khái niệm cơ bản

Hiện nay, bản đồ địa hình 3D và 3D GIS đã được các nước trên thế giới

nghiên cứu và có các ứng dụng trong thực tế. Cấu trúc của bản đồ 3D bao gồm

nền địa hình, dữ liệu đồ họa của các đối tượng địa hình, dữ liệu thuộc tính gắn

với dữ liệu đồ họa này và tất cả được hiển thị trong môi trường 3D theo nguyên

tắc bản đồ. Các nghiên cứu lý thuyết cũng như kết quả của một số hệ thống ứng

dụng thực tế cũng đã được trình bày nhưng không nhiều và chưa đầy đủ trên các

tạp chí chuyên ngành hoặc trong các cuộc hội thảo quốc tế. Trong các

21

nghiên cứu trên, có một số lĩnh vực chính đã được nghiên cứu sâu liên quan đến

bản đồ địa chính, địa hình 3D và 3D GIS là xây dựng mô hình thành phố ba

chiều

Mô hình thành phố ba chiều (3D city model) là một hướng nghiên cứu

dành được nhiều quan tâm của ngành bản đồ, viễn thám và đã có nhiều ứng

dụng. Đối tượng được quan tâm nhiều ở đây là nhà và các khối nhà. Một số

nghiên cứu tập trung vào vấn đề cấu trúc topology của dữ liệu và cách thể hiện

nhiều cấp độ chi tiết trong một mô hình thành phố 3D bằng một ngôn ngữ mô

hình hoá. Vấn đề thể hiện các chi tiết của mô hình hình học các khối nhà là làm

sao cố gắng giảm kích thước dữ liệu. Các kết quả thử nghiệm thường được đưa

ra với độ chi tiết rất cao cho một không gian nhỏ như một khu phố nhỏ.

Trên thực tế, mô hình thành phố 3D được chính quyền nhiều thành phố

quan tâm. Bước đầu, họ xây dựng mô hình thành phố 3D dựa trên nền bản đồ

địa chính, độ cao của các khối nhà được xác định với độ chính xác tương đối từ

các nguồn có sẵn. Sau đó, song song với việc cập nhật mô hình, họ tìm cách xác

định lại độ cao cho từng khối nhà một cách chính xác và toàn diện hơn từ các

nguồn dữ liệu mới như ảnh máy bay tỷ lệ lớn, ảnh laser chụp từ máy bay. Tuy

nhiên, trên thực tế, việc xây dựng mô hình thành phố 3D chính xác và cập nhật

là quá trình rất lâu dài và tốn kém khi thực hiện với cả một thành phố nên cũng

chưa có một mô hình thành phố 3D hoàn chỉnh nào được công bố.

Bản đồ địa chính 3D ngày càng được các nước trên thế giới quan tâm khi

mà thị trường bất động sản ngày càng sôi động và có giá trị lợi nhuận cao như

hiện nay. Các vấn đề được quan tâm nhiều liên quan đến quan hệ topology giữa

các đối tượng của bản đồ địa chính trong môi trường 3D thực, quá trình chuyển

tiếp từ hệ thống địa chính 2D sang hệ thống địa chính 3D. Vấn đề quản lý và

luật đất đai gắn với các bất động sản 3D này hiện nay đang được nhiều nước

trên thế giới quan tâm nghiên cứu.

22

1.3.2. Khả năng ứng dụng dữ liệu Lidar trong thành lập bản đồ 3D

Bản đồ 3D đòi hỏi thông tin về kích thước của đối tượng trong chiều thứ ba

của không gian. Các thông tin này có thể được thu thập bổ sung bằng các nguồn

dữ liệu như: điều tra - đo vẽ thực địa; đo vẽ lập thể trên trạm ảnh số; dữ liệu giao

thoa radar, Lidar…

Tuy nhiên, trong các nguồn dữ liệu có thể sử dụng để thành lập bản đồ 3D

như đã nêu ở trên thì dữ liệu Lidar tỏ ra là nguồn dữ liệu có nhiều ưu thế nhất,

đáp ứng được nhiều yêu cầu của bản đồ 3D. Đặc biệt, đối với bản đồ 3D khu

vực đô thị, khi mà việc thể hiện các nhà và khối nhà trên nền mô hình địa hình là

một trong những yêu cầu được quan tâm nhất thì dữ liệu Lidar có thể đáp ứng

tốt hơn so với các nguồn dữ liệu khác.

Việc thể hiện các nhà, khối nhà 3D trên bản đồ cần có đầy đủ thông tin về

kích thước, hình dáng và dạng mái nhà. Đối với các dữ liệu như ảnh hàng không

hoặc dữ liệu thu nhận từ việc đo đạc trực tiếp ngoài thực địa gây ra tốn kém lớn

về kinh phí và thời gian để xử lý dữ liệu và rất khó khăn trong việc xác định

thông tin về dạng mái nhà, độ cao mái nhà. Dữ liệu Lidar với mật độ điểm chi

tiết rất lớn, có thể lên tới 5 điểm/m2 và đặc biệt có độ chính xác rất cao (đạt tới

0.15m về độ cao) hoàn toàn có thể đáp ứng được yêu cầu về xây dựng bản đồ

3D khu vực đô thị.

Sử dụng dữ liệu Lidar cho việc xây dựng bản đồ 3D khu vực đô thị có khả

năng tiết kiệm chi phí lớn và rút ngắn được rất nhiều về mặt thời gian hoàn

thành sản phẩm so với việc sử dụng các nguồn dữ liệu khác.

Với những ưu điểm của dữ liệu Lidar so với các nguồn dữ liệu khác, khả

năng ứng dụng dữ liệu này để thành lập bản đồ 3D là rất hiệu quả, nhất là đối

với bản đồ tỷ lệ lớn, đòi hỏi độ chính xác cao.

1.3.3. Các phương pháp nghiên cứu thành lập bản đồ 3D

Có nhiều phương pháp có thể áp dụng để thành lập bản đồ 3D: sử dụng ảnh

máy bay; thành lập từ các nguồn số liệu viễn thám khác; thành lập sử dụng bản

23

đồ địa hình 2D có sẵn hay thành lập bằng phương pháp đo đạc thực địa.

Mỗi phương pháp thành lập bản đồ 3D có các ưu điểm và nhược điểm

riêng, phù hợp với các tỷ lệ hay độ chi tiết khác nhau. Việc thu thập các dữ liệu

chi tiết cho bản đồ 3D rất tốn công, chỉ với một yêu cầu tăng thêm về độ chi tiết

của một nhóm đối tượng có thể dẫn đến chi phí thành lập bản đồ tăng rất cao.

Nên bước đầu tiên mà dù theo phương pháp thành lập nào cũng cần tiến hành là

thiết kế nội dung bản đồ trong đó một trong những chi tiết quan trọng cần phải

quyết định là hình thức thể hiện nhà và các công trình xây dựng trong khu dân

cư. Tùy vào mục đích sử dụng, yêu cầu mà đưa ra tỷ lệ và phương pháp thành

lập. Tuy nhiên có thể điểm ra các bước chính áp dụng cho mọi phương pháp

thành lập bản đồ địa hình 3D như sau:

- Thiết kế nội dung: xác định nội dung, chọn lựa và qui định cách thể hiện

cụ thể cho từng đối tượng bản đồ 3D của khu đo.

- Tạo dữ liệu đồ họa nền 2D tương tự như bản đồ địa hình truyền thống.

- Tạo dữ liệu 3D bằng các phương pháp đo vẽ lập thể, đo vẽ thực địa,

Lidar…

- Thu thập các thông tin thuộc tính từ các nguồn tài liệu có sẵn hoặc thông

qua điều vẽ ngoại nghiệp.

- Gắn kết các thông tin thuộc tính với dữ liệu đồ họa.

- Hiển thị các nội dung bản đồ 3D dựa trên nền mô hình số địa hình, các dữ

liệu đồ họa 3D và các dữ liệu thuộc tính của đối tượng theo các nguyên tắc nhất

định.

a. Phương pháp Lidar

Giải pháp công nghệ quét laser đặt trên máy bay - Airborne Laser Scanning

(ALS) hay còn gọi là LIDAR phục vụ cho công tác nghiên cứu địa hình bắt đầu

vào những năm thập niên 90 của kỷ nguyên XX. Dữ liệu Lidar có thể thành lập

DTM với độ chính xác rất cao từ 0.15m – 0.50 m.

Cơ chế hoạt động của một hệ thống Lidar: thông thường bao gồm một máy

24

quet 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. Các giá trị tọa độ và độ cao chính xác đo được bằng thiết bị đạo hàng, góc

quay gương tức thời và các khoảng cách thu nhận được dùng để tính toán tọa độ

ba chiều của các điểm độ cao. 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 trong (INS) 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. Khi được tích hợp với máy ảnh số khổ 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.

Với khả năng thành lập cả mô hình số địa hình (DTM) lẫn mô hình số bề

mặt (DSM) công nghệ LIDAR đặc biệt tỏ ra hữu ích khi được ứng dụng tại các

vùng mà các phương pháp khác tỏ ra kém hiệu quả, chẳng hạn các vùng rừng,

vùng cửa sông, đụn cát, vùng đất ngập nước hay quản lý vùng bờ và đặc biệt là

có mức độ chi tiết cao để thực hiện xây dựng bản đồ 3D khu vực đô thị. Đặc

biệt trong trường hợp cần xây dựng mô hình đô thị trong một thời gian ngắn bao

gồm cả mô hình bề mặt mặt đất và cả mô hình nhà cửa với hình dạng chi tiết của

mái nhà (roof shape).

25

Hình 1.5 Mô hình 3D khu vực đô thị từ dữ liệu Lidar

Trong các ứng dụng dạng này, người ta thường kết hợp dữ liệu laser với

các tài liệu khác trong quá trình thành lập bản đồ 3D như: các dữ liệu GIS có sẵn

về khối nhà, ảnh hàng không và vệ tinh để có thể đạt được kết quả tốt nhất.

Thông thường, phương pháp Lidar được áp dụng đạt hiệu quả cao trong việc

thành lập bản đồ 3D tỷ lệ lớn cho các khu vưc đô thị.

b. Phương pháp đo vẽ trực tiếp thực địa

Phương pháp đo vẽ trực tiếp ngoài thực địa rất tốn kém về thời gian và kinh

phí, phương pháp này đòi hỏi rất nhiều công sức của con người. Để xây dựng

bản đồ 3D, người ta cần đo đạc trực tiếp ngoài thực địa các đối tượng địa hình,

địa vật, cây cối, đường dây, công trình xây dựng, giao thông như đối với bản đồ

2D truyền thống. Ngoài ra còn phải trực tiếp đo độ cao cho các đối tượng này để

tiến hành mô hình hóa ba chiều và gán các dữ liệu thuộc tính cho chúng. Trên

thực tế, vì đỏi hỏi quá nhiều thời gian và công sức nên người ta hầu như không

sử dụng phương pháp này để xây dựng bản đồ 3D mà chỉ áp dụng để xác định vị

trí và kích thước của một số đối tượng phục vụ cho công tác bổ trợ cho các

phương pháp khác.

26

Hình 1.6 Mô hình 3D được xây dựng từ dữ liệu đo trực tiếp tại thực địa c. Phương pháp do vẽ ảnh hàng không

Tùy thuộc vào tỷ lệ bản đồ cần thành lập, chọn tỷ lệ ảnh cho phù hợp. Tiến

hành đo điểm khống chế, quét phim và tăng dày; vẽ lập thể các nội dung đặc

trưng địa hình như đường phân thủy, tụ thủy. Thành lập mô hình số độ địa hình

DTM và nắn ảnh trực giao.

Từ mô hình số địa hình DTM vừa được tạo tiến hành nội suy bình độ và độ

cao của các điểm đặc trưng địa hình. Khoảng cao đều bình độ và mật độ điểm độ

cao tương tự như bản đồ địa hình 2D cùng tỷ lệ. Các đối tượng dạng đường và

dạng điểm này là 3D có giá trị độ cao thực. Sau đó tiến hành đo vẽ lập thể các

đối tượng địa vật như nhà cửa, công trình, đường dây điện… các thông tin trên

được điều tra lại tại thực địa rồi gán ảnh thực cho các công trình xây dựng và

các địa vật khác.

27

Hình 1.7 Bản đồ 3D thành lập từ phương pháp ảnh hàng không

Sau khi có các đối tượng dạng 3D, bước tiếp theo là gán thuộc tính cho các

đối tượng đồ họa. Khi các dữ liệu đã được chuẩn bị sẵn sàng ở khuôn dạng cần

thiết với các thuộc tính được gắn đầy đủ, thực hiện hiển thị chúng trong môi

trường 3D theo các nguyên tắc hiện thị các đối tượng trên bản đồ 3D như thể

hiện đối tượng địa hình, các đối tượng dạng đường, dạng điểm, dạng vùng, dạng

khối…

Đây là một phương pháp có tính ứng dụng cao, cho phép tạo dữ liệu địa

hình mới, tương đối cập nhật, thời gian thành lập ngắn và không đòi hỏi nhiều

chi phí cho điều vẽ.

d. Phương pháp bản đồ địa hình, địa chính

Dựa trên bản đồ địa hình, địa chính đã có cho một khu đo, tiến hành điều

vẽ bổ sung ngoại nghiệp, xác định chiều cao của các đối tượng cần thể hiện

trong môi trường 3D. Chiều cao của nhà và các công trình xây dựng có thể được

suy ra từ số tầng với giả định về chiều cao đều cho mỗi tầng trong trường hợp

không cần thiết phải thể hiện độ chi tiết và độ chính xác cao.

28

Hình 1.8 Mô hình 3D thành lập từ bản đồ địa chính

Các ghi chú trên bản đồ địa hình và trên bản điều vẽ được chuyển đổi thành

dữ liệu đồ họa 3D hoặc dữ liệu thuộc tính. Các dữ liệu thuộc tính của đối tượng

được đưa lên bản đồ bằng dạng text và có thể được gán tự động và dựng các đối

tượng thành bản đồ 3D. Các bước thực hiện tương tự như trong phương pháp sử

dụng ảnh máy bay.

Phương pháp thành lập bản đồ 3D từ bản đồ địa hình, địa chính có sẵn phù

hợp với mức độ chi tiết trung bình, với chi phí thấp, thời gian thành lập ngắn.

e. Thành lập bản đồ địa hình 3D từ các nguồn ảnh viễn thám khác

Ngoài ảnh máy bay thường dùng (ảnh quang học chụp từ các máy ảnh

truyền thống dùng phim và gần đây là các máy ảnh số), ảnh viễn thám rất đa

dạng, có thể phân loại thành hai nhóm chính là các loại ảnh vệ tinh và ảnh laser

với đầu thu đặt trên máy bay. Thông thường, ảnh được sử dụng làm nền để số

hóa các dữ liệu vector, các thông tin chi tiết về hình dạng và tính chất của các

đối tượng nằm trên mặt địa hình, ảnh trực giao để phủ lên mô hình số địa hình

tạo ảnh thực bề mặt mặt đất.

Độ phân giải của các loại ảnh viễn thám thay đổi từ vài dm đối với ảnh

laser chụp từ máy bay đến trên dưới 1m với các ảnh vệ tinh quang học

panchromatic độ phân giải cao; các ảnh vệ tinh quang học đa phổ và ảnh Radar

có độ phân giải kém hơn, từ vài mét đến vài trăm mét. Độ phân giải cũng như

29

khả năng đo vẽ lập thể là các yếu tố quyết định các ảnh này có thể dùng để thành

lập bản đồ tỷ lệ nào và sử dụng như thế nào.

Với sự đa dạng về đặc điểm cũng như khả năng ứng dụng của từng loại ảnh

viễn thám cũng như tỷ lệ bản đồ 3D cần thành lập, khó có thể đưa ra một qui

trình chính xác và chi tiết. Tuy nhiên qui trình thành lập này có rất nhiều điểm

tương tự qui trình thành lập bản đồ 3D từ ảnh máy bay.

Trong nhiều trường hợp, ảnh viễn thám chỉ được sử dụng ở một công đoạn

nhất định để thu thập một trong những nội dung cần thiết cho bản đồ 3D như

dùng để tạo mô hình số địa hình và bổ trợ cho việc xác định ranh giới các địa

vật. Ngoài ra, có thể kết hợp với khu vực có sẵn mô hình số địa hình và dữ liệu

vector thì ảnh vệ tinh quang học đa phổ có thể được nắn trực giao sử dụng mô

hình số địa hình và dùng làm ảnh phủ bề mặt.

Hình 1.9 Mô hình 3D sử dụng ảnh viễn thám

Đối với ảnh vệ tinh quang học độ phân giải cao như Ikonos, Quickbird hay

Spot5, độ phân giải trên dưới 1m, độ che phủ lớn và có thể đo vẽ lập thể thì qui

trình thành lập bản đồ 3D tương tự như phương pháp dùng ảnh máy bay.

f. Phương pháp Radar độ mở tổng hợp giao thoa (IFSAR - InterFerometric

Synthetic Aperture Radar)

Ứng dụng quan trọng nhất của ảnh Radar là tạo mô hình số địa hình độ chi

tiết trung bình và độ chính xác từ vài mét đến hàng trăm mét cho một vùng rộng

30

lớn trong một thời gian ngắn. Ngoài ra còn có các hệ thống Radar độ mở tổng

hợp giao thoa đặt trên máy bay, chẳng hạn như hệ thống Intermap STAR 3i

dùng băng X có thể cho phép thành lập mô hình số địa hình với độ chính xác từ

0,5 đến 3 m.

Ảnh Radar không thể hiện hình ảnh tự nhiên của bề mặt mặt đất nên không

dùng làm nền để số hóa hay điều vẽ ngoại nghiệp được. Để xây dựng các đối

tượng địa vật thì phải kết hợp với các nguồn ảnh quang học. Các ảnh này có thể

là ảnh máy bay hay các loại ảnh vệ tinh quang học khác. Sự kết hợp này tận

dụng được ưu thế của cả hai loại ảnh. Tuy nhiên với độ chính xác của mô hình

số địa hình tạo từ ảnh Radar như trên thì phương pháp này cũng chỉ có thể áp

dụng để thành lập bản đồ 3D tỷ lệ 1:10 000 và nhỏ hơn.

31

CHƯƠNG 2

QUY TRÌNH ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ LIDAR THÀNH LẬP BẢN ĐỒ 3D

2.1. Xử lý dữ liệu Lidar

Dữ liệu điểm có giá trị tọa độ ba chiều (mặt bằng và độ cao) được tạo bởi

công nghệ bay quét Lidar thường có mật độ dày đặc, chứa đựng các thông tin

của bề mặt địa hình, bề mặt các công trình xây dựng, các bề mặt thực phủ,

đường dây tải điện, đường giao thông... Nhưng việc xác định ranh giới, hình

dáng của các địa vật như công trình xây dựng, bờ ruộng, hàng rào hay các tán

cây lại không được rõ ràng. Để khắc phục tình trạng này, người ta thường kết

hợp dữ liệu Lidar với dữ liệu ảnh máy bay hoặc ảnh vệ tinh độ phân giải cao

được nắn chỉnh trong cùng một hệ tọa độ với dữ liệu Lidar. Việc kết hợp đó

nhằm tận dụng các thông tin rõ ràng về hình dạng, ranh giới của các đối tượng

địa vật trên ảnh giúp cho khả năng phân biệt đối tượng từ dữ liệu Lidar đảm bảo

chính xác. Muốn có được ảnh trueortho khu vực bay quét, chúng ta cần sử dụng

mô hình số địa hình, mô hình số bề mặt thu nhận được từ dữ liệu Lidar để tiến

hành nắn chỉnh hình học ảnh về đúng hệ tọa độ với dữ liệu điểm Lidar (cùng với

hệ tọa độ cần thành lập bản đồ). Ảnh trueortho không chỉ giúp khả năng phân

biệt đối tượng được tạo bởi dữ liệu Lidar một cách chính xác mà còn giúp cho

việc phủ lên bề mặt các đối tượng địa vật để xây dựng mô hình 3D một cách bán

tự động.

Nói chung, việc xây dựng bản đồ 3D từ dữ liệu Lidar cần được tiến hành

qua các công đoạn: chiết tách thông tin về độ cao và hình ảnh, kích thước của

các đối tượng, lựa chọn phương pháp và mức độ chi tiết hiển thị đối tượng trên

bản đồ 3D.

Sơ đồ 2.1: Sơ đồ quy trình xử lý dữ liệu Lidar lập bản đồ 3D

Nhận dạng, phân tích mức độ hiển thị đối tượng 3D

Xây dựng, hiển thị các đối tượng 3D

Chiết tách các thông tin về địa hình và địa vật

32

2.1.1. Chiết tách các thông tin về địa hình và địa vật (phân tầng độ cao

dữ liệu Lidar – tách bề mặt địa hình thực và bề mặt địa vật)

Dữ liệu Lidar là tập hợp các điểm (đám mây điểm) cung cấp thông tin một

cách phong phú về mặt bằng và độ cao. Dựa trên các dữ liệu này, chúng ta có

thể xây dựng được mô hình số địa hình (thu nhận từ dữ liệu địa hình) và mô

hình số bề mặt (thu nhận từ việc kết hợp dữ liệu địa hình và dữ liệu bề mặt).

Hình 2.1 Dữ liệu tập hợp điểm Lidar

Tín hiệu xung điện của tia laser khi gặp các chướng ngại vật như công trình

xây dựng, cây cối, đường dây tải điện ... sẽ phản hồi về hệ thống thu tín hiệu

xung điện laser, các tín hiệu này được ghi nhận là nhóm tín hiệu của địa vật.

Một phần tín hiệu xung điện laser sẽ tiếp tục đâm xuyên qua chướng ngại vật tới

mặt địa hình và phản hồi trở lại máy thu tín hiệu xung điện laser, các tín hiệu

phản hồi này kết hợp với tín hiệu phản hồi trực tiếp từ mặt địa hình tạo nên

nhóm tín hiệu địa hình. Nhóm tín hiệu địa hình được sử dụng để thành lập mô

hình số địa hình. Kết hợp nhóm tín hiệu địa hình và địa vật, chúng ta xây dựng

được mô hình số bề mặt.

Trên thế giới hiện nay có các phần mềm thương mại hóa để tiến hành tách

lọc các đối tượng địa hình và địa vật từ dữ liệu Lidar. Thuật toán tách lọc các đối

tượng phục vụ xây dựng mô hình số địa hình và mô hình số bề mặt thường

không được công bố bởi các hãng cung cấp phần mềm nhưng nói chung, các

phần mềm thường sử dụng các thuật toán dưới đây.

33

Lọc các đối tượng địa hình:

Dựa trên lý thuyết topo và giá trị chênh cao cực đại giữa hai điểm liền kề

trong một tập hợp điểm, người ta có thể xây dựng mô hình số địa hình theo hàm

sau:

( ) ( )( ){ }jippji ppdhhhApApDTMji

,:| max∆≤−∈∀∈= (2.1) Trong đó:

- A: là tập hợp các điểm Lidar. - pi: là điểm được lọc từ tập hợp A. - pj: là điểm liền kề với điểm pi.

- ( )ji ppd , : là khoảng cách giữa pi và pj. - ∆hmax: là chênh cao cực đại cho phép.

- ( )ji pp hh − : là chênh cao giữa điểm pi điểm pj.

Công thức (2.1) nêu trên nhằm lọc điểm Pi từ tập hợp điểm A nếu không

tồn tại điểm Pj nào khác mà chênh cao nhỏ hơn chênh cao cực đại cho phép

(∆hmax) trong phạm vi khoảng cách ( )ji ppd , giữa chúng.

Quá trình lọc điểm được bắt đầu từ điểm pmin, các điểm được sắp xếp theo

thứ tự tăng dần về độ dài. Sau đó tính gradient b dựa vào độ dài ( )ji ppd , và

chênh cao ( )ji pp hh − theo công thức sau:

( ) ( )( )ji ppji hhppdb −= ,, (2.2)

Phụ thuộc vào tham số ngưỡng a và phương sai aσ của nó, đồng thời phụ

thuộc vào phương sai bσ và gradient b cũng như các tham số ka, kb mô tả đặc

thù của địa hình, xác định giá trị maxh∆ theo hàm quy hồi sau:

22222max bbaa dkbdkah σσ +++=∆ (2.3)

Sau khi xây dựng được mô hình số địa hình gần đúng, chúng ta tiến hành

lọc dữ liệu địa hình ra khỏi tập hợp dữ liệu điểm Lidar thô (bao gồm cả dữ liệu

địa hình và dữ liệu địa vật) dựa vào khoảng cách dọc theo phương dây dọi

34

(trục Z của mô hình số địa hình). Để lọc được các đối tượng địa hình và địa vật

riêng biệt, trước hết cần xác lập ngưỡng 21,kk (với 1k hỏ hơn 2k ) chúng ta sẽ có

chuẩn lọc như sau:

(1): ( )minhhi − < bk cos/1 Các đối tượng địa hình. (2): ( )minhhi − > bk cos/2 Các đối tượng địa vật.

(3): bk cos/1 ≤ ( )minhhi − ≤ bk cos/2 Các đối tượng không được phân loại.

Hình 2.2 Phân loại các điểm Lidar giữa địa hình và địa vật

Lọc các đối tượng địa vật: Phụ thuộc mật độ điểm quét Lidar và luật phân bố sai số, người ta có thể

tiến hành lọc các điểm địa vật là nhà cửa và cây cối như sau:

Lọc điểm P(X,Y,Z) từ N điểm Qi(Xi,Yi,Zi) với i=1,2,3...N.

+ Nếu khoảng cách từ điểm P tới điểm Qi nhỏ hơn hoặc bằng ngưỡng cho

trước r (phụ thuộc mật độ điểm quét):

( ) rQPd ii ≤,

+ Nếu điểm P và Qi cùng thuộc một mặt phẳng aX + bY + cZ + d = 0 thì

khoảng cách ( )ii QPd , giữa chúng tới mặt phẳng đó phải nhỏ nhất. Điều này nghĩa

là số hiệu chỉnh theo trục Z của điểm i là (vi) có dạng:

++−=

cdY

cbX

caZv iiii

Khi đó phương sai của vi sẽ là:

35

222

22

2iiii ZYXv c

bca

σσσσ +

+

=

Hàm thử ( )dcba ,,,2χ sẽ được cực tiểu hóa và có dạng:

( ) min,,,1

2

22 == ∑

=

N

i v

i

i

vdcbaσ

χ

Từ đó sẽ có 3 trường hợp xảy ra:

(a): Tồn tại mặt phẳng cục bộ và điểm P thuộc mặt phẳng đó.

(b): Tồn tại mặt phẳng cục bộ và điểm P không thuộc mặt phẳng đó.

(c): Không tồn tại mặt phẳng cục bộ.

Hình 2.3 Phân loại các điểm Lidar giữa địa hình và địa vật

Kết hợp 3 trường hợp (a), (b), (c) và các chuẩn lọc (1), (2), (3) đã nêu trên,

chúng ta sẽ lập được bảng phân loại điểm địa hình và địa vật nhà cửa, cây cối

như bảng sau:

Bảng2.1 Kết quả phân loại điểm địa hình, địa vật nhà cửa, cây cối.

Các tiêu chuẩn Các trường hợp Kết quả phân loại (a) Điểm thực địa (b) Điểm lọc khác (c) Điểm thực địa gồ ghề

(1): Điểm địa hình

Điểm lọc khác Điểm thực địa (a) Điểm địa vật là nhà (2): Điểm địa vật (b) Điểm lọc khác

36

(c) Điểm địa vật là cây

Điểm lọc khác Điểm lọc khác (a) Điểm thực địa (b) Điểm lọc khác (c) Điểm địa vật là cây

(3): Điểm không lọc

Điểm lọc khác Điểm lọc khác Quá trình phân loại điểm dữ liệu Lidar được tiến hành sau khi bay quét,

nhưng do đây là công đoạn phức tạp, đòi hỏi nhiều công sức và thời gian. Quá

trình này có thể tốn thời gian gấp nhiều lần bay quét thu nhận dữ liệu Lidar.

a): Mô hình số bề mặt DSM b): mô hình số địa hình DTM

Hình 2.4 Kết quả phân loại, tạo mô hình số bề mặt và mô hình số địa hình

2.1.2. Nhận dạng, tái lập mô hình các công trình xây dựng

Ngoài việc tách lọc các đối tượng địa hình và địa vật thì yêu của việc thành

lập bản đồ 3D khu vực đô thị, nhất thiết phải nhận dạng được các công trình xây

dựng và tái lập chúng trên mô hình 3D. Thông thường, để đảm bảo hiệu quả và

đạt độ chính xác cao người ta sử dụng phương pháp kết hợp dữ liệu Lidar và ảnh

hàng không. Để nhận dạng và tái lập các công trình xây dựng trên mô hình 3D,

người ta kết hợp phân loại các vùng cơ bản và các đối tượng cơ bản, phân tích

tính đồng phẳng của dữ liệu Lidar cho các vùng của mái các công trình xây

dựng Độ chính xác vị trí điểm của các bức tường được xác định dựa trên sự kết

hợp giữa các yếu tố sắc cạnh (gờ sắc nét) từ dữ liệu ảnh hàng không và dữ liệu

37

đồng phẳng từ các điểm Lidar. Các cạnh trong mảng ba chiều được sử dụng để

dựng lại các mô hình của công trình xây dựng và phương pháp này có được lợi

thế về độ tin cậy cao và tính linh hoạt, nó đưa ra giải pháp chắc chắn, thậm chí

ngay cả khi dữ liệu là các đường 3D bị đứt quãng.

Dữ liệu 3D của tập hợp các điểm Lidar thu được từ thiết bị Lidar trên máy

bay cung cấp thông tin một cách phong phú về độ cao và thậm chí cả hình ảnh,

trong khi đó chúng ta cũng thu được các dữ liệu phổ rất dồi dào từ ảnh hàng

không. Do đó, kết hợp hai nguồn dữ liệu nêu trên đem lại triển vọng cho việc tự

động tìm kiếm, tái lập lại các mô hình công trình xây dựng trong đô thị phục vụ

cho quy hoạch và quản lý một cách hiệu quả hơn. Từ dữ liệu hợp nhất, ta có thể

xây dựng mô hình các công trình xây dựng từ dữ liệu ảnh hàng không và tập hợp

các điểm Lidar một cách tự động gồm hai phần chính như sau:

- Tìm kiếm, nhận dạng các công trình xây dựng.

- Tái lập lại các mô hình 3D của các công trình xây dựng.

Sử dụng các điểm khống chế ngoại nghiệp, hệ thống dẫn đường GPS và

INS, chúng ta xác định được các thông số định hướng ngoài của ảnh hàng

không, do đó ta có thể xử lý kết hợp 2 nguồn dữ liệu Lidar và ảnh hàng không

thống nhất trên một hệ toạ độ. Sau đó, chúng ta có thể tiến hành xác định, phân

loại các vùng và các đối tượng cơ bản trong quá trình tìm kiếm, nhận dạng các

công trình xây dựng. Trong giai đoạn này, chúng ta cần các thông tin về bề mặt

địa hình từ dữ liệu Lidar đã được chuyển sang dạng Raster và thông tin về phổ

của dữ kiệu ảnh hàng không màu. Thực tế, việc phân loại các đối tượng để tìm

ra ranh giới các công trình xây dựng dựa trên các thông tin về phổ, hình dạng,

cấu trúc và thông tin về độ cao. Với các thông tin trên, chúng ta có thể tách biệt

được các các công trình xây dựng và kiểm soát chúng. Khi ranh giới các công

trình xây dựng đã được nhận biết và tách biệt, chúng ta phân tích tính đồng

phẳng của các dữ liệu Lidar cho các vùng mái của các công trình xây dựng. Khi

đó, mô hình TIN cơ bản sẽ dựng lên các mặt phẳng trong môi trường 3D cho

38

mỗi vùng của công trình xây dựng. Các cạnh của công trình xây dựng được tách

ra từ dữ liệu ảnh hàng không được kết hợp chặt chẽ với dữ liệu độ cao điểm

Lidar để xác định vị trí các bức tường của các công trình xây dựng trong môi

trường 3D. Giải pháp này đưa ra độ tin cậy cao và thuận lợi cho việc tái lập lại

các mô hình của các công trình xây dựng, thậm chí trong trường hợp các đoạn

thẳng 3D bị đứt, gãy.

a. Tìm kiếm, nhận dạng các công trình xây dựng

Các đối tượng được xác định của các công trình xây dựng là dạng vùng. Ở

đây, chúng ta có 2 bước xử lý là xác định vùng và phân loại các đối tượng cơ

bản. Quá trình tìm kiếm, nhận biết các công trình xây dựng được thực hiện như

sau:

Quá trình tìm kiếm vùng (ranh giới) cho các công trình xây dựng:

Có 2 cách trong quá trình này. Cách thứ nhất, người ta sử dụng các đường

đồng mức cơ bản. Cách thứ hai sử dụng các thông tin về hình ảnh sắc nét (gờ,

bờ, …) để xác định các vùng (ranh giới) cơ bản. Thông thường, người ta sử

dụng công nghệ nối các điểm ảnh (pixel) có tính đồng dạng đặc trưng vì hệ số

xác định ranh giới (vùng) từ những hình ảnh sắc nét đạt độ chính xác cao hơn so

với phương pháp xác định dựa vào đường đồng mức cơ bản. Việc kết hợp dữ

liệu Lidar và bình đồ ảnh trực giao tạo nên được sự kết nối các điểm ảnh (pixel)

đồng nhất, đặc trưng thành các ranh giới (vùng) của các công trình xây dựng.

Phân loại các đối tượng cơ bản:

Sau quá trình tìm kiếm các đối tượng vùng (ranh giới các công trình xây

dựng), người ta tiến hành phân loại các đối tượng đó dựa trên các đặc điểm về

độ cao, thông tin về phổ, cấu trúc, độ nhám (gồ ghề), và các thông tin về các

vùng bóng, bị che khuất để thực hiện nhận dạng các công trình xây dựng. Quá

trình này được mô tả như sau:

Độ cao: tiến hành xác định Mô hình số bề mặt (DSM) và Mô hình số địa

hình (DTM) thông qua việc xử lý dữ liệu Lidar. Kết quả thu nhận được từ Mô

39

hình số bề mặt bao gồm cả giá trị độ cao của các công trình xây dựng và độ cao

của thảm thực phủ.

Thông tin phổ: dựa trên phân tích các thông tin về phổ từ ảnh hàng không

màu, dựa trên các chỉ số thực vật, tiến hành phân loại và thu được các vùng

không có thực phủ và các vùng có thực phủ.

Cấu trúc: thông tin về cấu trúc được lấy từ ảnh hàng không. Sử dụng Ma

trận xuất hiện mức độ độ xám để phân tích cấu trúc ảnh (GLCM). Đây là ma

trận liên quan tới tần số xuất hiện các điểm ảnh (pixel) so với các điểm ảnh

(pixel) gần nhất. Ngoài ra còn sử dụng hàm Entropi và tính đồng nhất như là các

chỉ số của xác suất xuất hiện các điểm ảnh (pixel). Vai trò của thông tin về cấu

trúc là để tách biệt giữa các công trình xây dựng và thảm thực phủ khi các đối

tượng phân loại có giá trị tương đương về phổ.

Độ nhám (gồ ghề): độ nhám của bề mặt thu nhận từ dữ liệu Lidar nhằm

mục đích phân biệt giữa các đối tượng vùng thực vật và không phải là thực vật.

Cũng tương tự như thông tin về cấu trúc của ảnh, có thể sử dụng các chỉ số về

độ dốc, độ lồi lõm của bề mặt để tách biệt được giữa các công trình xây dựng và

các vùng thực phủ khi mà giá trị thu nhận từ phổ của ảnh giữa các đối tượng là

tương đương nhau.

Hình dạng: thuộc tính của hình dạng bao gồm kích thước và tỷ số giữa

chiều dài và chiều rộng của đối tượng. Thông thường cần sử dụng một ngưỡng

về diện tích để lọc ra những đối tượng quá nhỏ. Điều này có nghĩa là những

vùng có diện tích rất nhỏ, dưới ngưỡng đặt ra thì không được phân loại vào các

đối tượng thuộc các công trình xây dựng. Các đối tượng có tỷ số giữa chiều dài

và chiều rộng phù hợp được chuyển vào lớp đối tượng thuộc các công trình xây

dựng. Những đối tượng không được xếp vào các lớp đối tượng thuộc các công

trình xây dựng khi mà tỷ số giữa chiều dài và chiều rộng lớn hơn ngưỡng đặt ra.

40

Hình 2.5 Tìm kiếm, nhận dạng công trình xây dựng

b. Tái lập các công trình xây dựng trên bản đồ 3D

Quá trình dựng lại mô hình các công trình xây dựng bắt đầu khi đã có kết

quả nhận biết ranh giới riêng biệt của các công trình từ bước trước đó. Quá trình

này bao gồm 4 nhiệm vụ: (1) định dạng các mặt 3D, (2) tìm kiếm ranh giới của

các công trình xây dựng, (3) xác định các đường ranh giới của các công trình

xây dựng, (4) dựng lại các công trình xây dựng.

Định dạng các mặt 3D: nhiệm vụ thứ nhất trong quá trình xây dựng mô

hình của các công trình xây dựng là xác định được các mặt 3D từ dữ liệu Lidar.

Việc xác định các mặt phẳng tam giác dựa trên sự kết hợp của các điều kiện về

tính đồng phẳng và sự so sánh giữa các điểm láng giềng gần nhất trong lưới

điểm tam giác của dữ liệu Lidar. Có 2 thông số để xác định các mặt phẳng tam

giác trong lưới tam giác: (1) dựa vào góc được tạo thành giữa 2 vector liền kề,

(2) dựa vào chênh cao giữa các điểm lưới. Dựa trên tiêu chuẩn đồng phẳng,

người ta sử dụng thuật toán khớp điểm theo nguyên lý số bình phương nhỏ nhất

để xác định các mặt 3D.

Tìm kiếm ranh giới của các công trình xây dựng: sau khi định dạng được

các mặt 3D, tiến hành tìm kiếm ranh giới của các công trình xây dựng từ dữ liệu

Lidar đã được Raster hoá. Tiến hành đặt các hệ số về độ dài để gỡ bỏ các đoạn

thẳng quá ngắn. Các đường thẳng là ranh giới của công trình xây dựng bao

41

gồm cả thông tin về độ cao, chúng có liên quan mật thiết tới các mặt 3D đã được

xác định ở bước trên.

Xác định các đường ranh giới của các công trình xây dựng: trên nền ảnh

trực giao, người ta xây dựng được các đường ranh giới 2D. Kết hợp giữa dữ liệu

về độ cao từ các mặt 3D đã được xác định ở trên và dữ liệu về mặt bằng từ ảnh

hàng không trực giao, người ta dựng được ranh giới 3D của các công trình xây

dựng bằng việc.

Hình 2.6 Xác định ranh giới công trình xây dựng

Cắt, nối, dựng mô hình công trình xây dựng: phương pháp này tiến hành

cắt bỏ, nối lại các đoạn thẳng tạo nên các đối tượng đồ hoạ dạng vùng cho ranh

giới của các công trình xây dựng. Tiếp theo, sử dụng thông tin về độ cao đã

được xác định của mái công trình xây dựng để tiến hành dựng lại các mô hình

3D cho từng công trình xây dựng khác theo các nguyên tắc thể hiện bản đồ để

thành lập bản đồ 3D khu vực đô thị.

Hình 2.7 Xây dựng mô hình 3D của các công trình xây dựng

42

2.2. Phương pháp hiển thị các đối tượng trên bản đồ 3D

2.2.1. Phương pháp hiển thị các đối tượng 3D

Cấu trúc cơ bản của bản đồ 3D:

Hình 2.8 mô tả bản đồ 3D bao gồm hai thành phần chính là mô hình số địa

hình và các đối tượng địa hình, đối tượng địa vật có thể hiện chiều cao trên đó.

Hình 2.8: Mô tả mô hình số địa hình và các đối tượng trên nó

Mô hình số địa hình là một nội dung rất quan trọng của bản đồ 3D. Tất cả

các yếu tố nội dung khác của bản đồ đều được thể hiện trên nền mô hình số địa

hình.

Thể hiện đối tượng địa hình 3D thành hai nhóm:

Các đối tượng nằm ngay trên bề mặt địa hình bao gồm các đối tượng dạng

đường, vùng, điểm không có thể tích nằm ngay trên bề mặt DTM như đường

giao thông, bãi đất trống, bãi cỏ, điểm khống chế ...

Các đối tượng nằm nổi trên bề mặt địa hình bao gồm nhà, các công trình

xây dựng, tường rào, các loại dây dẫn, các đối tượng thực vật... có chiều cao

tương đối lớn so với mặt địa hình.

Nguyên tắc xây dựng và sử dụng ký hiệu:

Trong việc thể hiện nội dung bản đồ 3D, khi đối tượng được chọn thể hiện

theo xu hướng ký hiệu hóa cao (symbolised) chứ không theo nguyên tắc hiển thị

hình ảnh thực (photorealistic) thì cần cố gắng sử dụng các ký hiệu tương tự với

43

bản đồ 2D đã quen thuộc với người dùng bản đồ. Tuy nhiên trên bản đồ truyền

thống chỉ sử dụng số lượng màu hạn chế để đơn giản hóa quá trình in ấn, còn

bản đồ địa hình 3D có ưu thế của bản đồ số với khả năng sử dụng màu sắc đa

dạng hơn cho hệ thống ký hiệu của mình.

Dữ liệu thuộc tính:

Dữ liệu thuộc tính của các đối tượng này cần phải được thu thập và gắn kết

với dữ liệu đồ họa một cách thống nhất theo nguyên tắc của hệ thống thông tin

địa lý (GIS). Các thuộc tính của đối tượng có thể là cả định lượng lẫn định tính.

Các công cụ của GIS cho phép thực hiện các phép phân tích dựa trên các dữ liệu

này một cách hiệu quả hơn. Các dữ liệu thuộc tính có thể được sử dụng để điều

khiển cách hiển thị của đối tượng theo các nguyên tắc bản đồ.

Tóm lại, cấu trúc của bản đồ 3D bao gồm nền địa hình, dữ liệu đồ họa của

các đối tượng địa hình, dữ liệu thuộc tính gắn với dữ liệu đồ họa này và tất cả

được hiển thị trong môi trường 3D theo nguyên tắc bản đồ.

2.2.2. Mô hình số địa hình

Mô hình số địa hình thường được thể hiện ở hai dạng TIN hoặc GRID.

TIN là từ viết tắt của mạng tam giác không đều (Triangulated Irregular

Networks). Đây là mô hình dạng vector, có cấu trúc topo mạng đa giác khá phức

tạp, lấy điểm làm đơn vị và xét xem mỗi điểm sẽ được kết nối với các điểm liền

kề nào để tạo ra tam giác. TIN là một tập hợp của các tam giác liền kề, không

chồng đè, không có tam giác đảo (tam giác nằm bên trong một tam giác khác),

được tạo nên từ các điểm phân bố không đồng đều với tọa độ X, Y và giá trị Z.

Mô hình TIN với cấu trúc dữ liệu dạng vector dựa trên các điểm, đường và vùng

có phân bố không đồng đều và thường được chia ra thành các tập hợp điểm

(masspoints) và các đường breakelines. Mô hình TIN thường được xây dựng áp

dụng thuật toán Delaunay để tối ưu hoá việc thể hiện bề mặt địa hình. Ý tưởng

chủ đạo của thuật toán này là tạo ra các tam giác mà xét một cách tổng thể càng

có dạng gần với tam giác đều càng tốt. Nói một cách chính xác hơn thì tam giác

44

Delaunay là tam giác thoả mãn điều kiện đường tròn ngoại tiếp bất kỳ một tam

giác nào đều không chứa bên trong nó đỉnh của các tam giác khác. Mô hình TIN

khá phức tạp khi xử lý nhưng nó cũng tránh được việc lưu trữ thừa thông tin và

có khả năng mô tả các biến đổi địa hình phức tạp.

Đối với mô hình số địa hình dạng lưới ô vuông quy chuẩn hay ma trận độ

cao (altitude matrix), các điểm độ cao được bố trí theo khoảng cách đều đặn trên

hướng tọa độ X,Y để biểu diễn địa hình. Trong mô hình số độ cao dạng này tọa

độ mặt phẳng của một điểm mặt đất bất kỳ có độ cao Z (Zij) được xác định theo

số thứ tự (i, j) của ô lưới trên hai hướng.

Mô hình số địa hình dạng lưới đều là một mô hình bề mặt có cấu trúc đơn

giản, dễ xử lý. Độ chính xác được xác định bởi khoảng cách mắt lưới và để tăng

độ chính xác phải giảm khoảng cách giữa các mắt lưới. Các đối tượng đặc trưng,

chẳng hạn các đỉnh hay các đường phân thuỷ không thể được miêu tả chính xác

hơn độ rộng của mắt lưới. Đối với các vùng bằng phẳng, không hiệu quả khi lưu

trữ ở dạng lưới đều, còn ở vùng độ cao biến đổi phức tạp mô hình GRID khó có

thể diễn tả được các chi tiết này nếu không có giảm đáng kể về kích cỡ ô lưới.

Mỗi một dạng mô hình số địa hình dạng GRID hay TIN đều có những ưu

điểm và nhược điểm nhất định. Có một số ứng dụng thì cần mô hình số địa hình

ở dạng GRID, một số ứng dụng khác lại cho kết quả tốt hơn nếu có mô hình số

địa hình dạng TIN. Nhiều thuật toán phân tích dòng chảy tính toán lưu vực sông

hay phân tích thuỷ văn các vùng ngập lụt được phát triển trên mô hình GRID.

Còn nếu trong các ứng dụng cụ thể nào đó mà các thông tin vi địa hình (micro

relief information) được coi là quan trọng thì mô hình TIN có thể tỏ ra có ưu thế

hơn.

Hai dạng TIN và GRID của mô hình số địa hình có thể được chuyển đổi

qua lại lẫn nhau, các phần mềm hiệ có đều cung cấp công cụ để thực hiện quá

trình chuyển đổi này. Đối với dữ liệu điểm Lidar thì việc xây dựng mô hình số

địa hình được thực hiện nhanh chóng, chính xác và có mức độ chi tiết cao hơn

45

so với mô hình số địa hình được thành lập từ các nguồn dữ liệu khác như ảnh

hàng không, ảnh vệ tinh lập thể, ảnh giao thoa radar, bản đồ địa hình…

2.2.3. Các đối tượng địa hình 3D

Các đối tượng nằm ngay trên bề mặt địa hình dạng đường như sông, suối,

đường giao thông, dạng điểm như các điểm khống chế có thể được mô tả bằng

các dữ liệu 2D hoặc 3D. Đối với dữ liệu 3D chúng có thể được thể hiện độc lập

và chính xác vị trí của mình trong môi trường không gian ba chiều, không phụ

thuộc vào dữ liệu bề mặt địa hình làm nền cho chúng. Trường hợp nếu các đối

tượng này chỉ có tọa độ X, Y chúng cũng có thể được bổ sung tọa độ Z từ mô

hình số địa hình bằng một phép chiếu vuông góc đơn giản. Các đối tượng dạng

vùng như các bãi cát, bãi cỏ, sân ...thường chỉ có tọa độ X, Y. Để thể hiện trong

không gian ba chiều chúng sẽ được đẩy lên bề mặt địa hình và được thể hiện

bằng các ký hiệu tương ứng.

Các đối tượng nằm nổi trên bề mặt địa hình có độ cao riêng gồm nhóm các

đối tượng dạng vùng như nhà và các công trình xây dựng, các đối tượng dạng

đường như hàng rào, tường vây, các loại đường dây truyền tải, các đối tượng

dạng điểm như cột điện, cây cối. Các đối tượng này có cấu trúc phức tạp hơn.

Để mô tả chúng ngoài tọa độ X, Y cần có các giá trị độ cao: giá trị Z là độ cao

của mặt địa hình tại vị trí (X,Y) của đối tượng và giá trị h là độ cao riêng của đối

tượng so với mặt địa hình hoặc độ cao thực H của đối tượng trong không gian ba

chiều.

Trên các bản đồ 3D, chi tiết của các khu đô thị, nhà và các khối nhà là

nhóm đối tượng được quan tâm rất nhiều về cách thể hiện. Nhóm đối tượng này

khá đa dạng về cấu trúc hình học. Chúng có thể được thể hiện chi tiết bằng các

mô hình 3D thực mà mỗi nút đều mang giá trị X, Y, H hoặc được khái quát hoá

ở các mức độ khác nhau phụ thuộc vào mức độ chi tiết thể hiện (LoD - level of

detail). Một cách thể hiện đơn giản nhất là nhà được đẩy lên từ đường viền đáy

nhà nằm trên mặt địa hình một khoảng bằng chiều cao riêng h của nhà thành một

46

hình hộp.

Đối với công nghệ Lidar thì chúng ta có tập hợp các điểm có giá trị mặt

bằng và độ cao rất chi tiết, từ đó cũng có mô hình số địa hình và mô hình số bề

mặt cũng rất chi tiết và chính xác, do đó việc thể hiện các công trình xây dựng

trên bản đồ 3D là đảm bảo được mức độ chi tiết rất cao.

Hình 2.9 Mô tả nhà trong bản đồ 3D được hiện thị một cách đơn giản trên nền

mô hình số địa hình

2.2.4. Phân tích và lựa chọn mức độ chi tiết cho các đối tượng hiển thị 3D

Quá trình xây dựng bản đồ 3D có thể chia thành hai bước chính cũng tương

tự như khi làm sa bàn, đầu tiên phải tạo khung, sau đó mới phủ lên trên các lớp

màu và gắn thêm các đối tượng khác. Cụ thể là:

Bước 1: Xây dựng mô hình hình học (modeling) bao gồm xây dựng mô

hình số địa hình và mô hình hoá các đối tượng địa hình 3D. Bước này sẽ quyết

định độ chi tiết của các đối tượng như độ chính xác của mô hình số địa hình,

những chi tiết nào của bề mặt đất có thể bỏ qua, những công trình kiến trúc nào

phải được thể hiện và thể hiện đến mức nào, những tiểu tiết nào có thể được khái

quát hoá

47

Bước 2: Hiển thị trực quan (visualisation) các đối tượng của mô hình.

Khi thiết kế mô hình mô phỏng thế giới thực người thiết kế khó có thể xây

có được một mô hình giống thế giới thực 100%. Mô hình càng giống với thực tế

thì dung tích dữ liệu càng lớn và tốc độ hiển thị càng chậm và chi phí xây dựng

mô hình càng cao. Khái niệm cấp độ chi tiết (LoD - Level of Detail) được đưa ra

để diễn tả mức độ chi tiết, sự giống nhau giữa mô hình bản đồ 3D và thế giới

thực. Bước này sẽ quyết định về mặt hình thức đối tượng sẽ được thể hiện giống

với hình ảnh thực đến mức nào. Có hai xu hướng thể hiện trái ngược nhau. Một

là ký hiệu hoá tối đa các đối tượng theo các nguyên tắc bản đồ: symbolised. Hai

là cố gắng thể hiện các đối tượng càng giống với hình ảnh thực càng tốt:

photorealistic. Thí dụ ở cách thứ nhất một ngôi nhà bê tông được qui định thể

hiện đơn giản là một khối màu xám, ở cách thứ hai nó được chụp ảnh ở tất cả

các bề mặt và các ảnh này được đính lên từng bề mặt của mô hình ngôi nhà.

Người thiết kế phải chọn được một điểm dừng hợp lý giữa hai xu hướng này.

LoD áp dụng ở bước xây dựng mô hình số địa hình, mô hình hình học các

đối tượng 3D và ở bước hiển thị trực quan phải đồng đều.

Nhiều ý kiến cho rằng trong một bản đồ địa hình 3D lý tưởng, mỗi đối

tượng phải có nhiều cách thể hiện khác nhau (multi-presentation – multi-LoD)

cho các mức độ chi tiết khác nhau. Một số đề xuất về LoD đã được đưa ra cho

một mô hình như thế, trong đó dữ liệu được chia thành các mảnh nhỏ (tile). Ba

bộ dữ liệu ở ba cấp độ chi tiết (độ chi tiết cao, trung bình và thấp) được lưu trữ

cho từng mảnh nhỏ đó. Để tạo ra một hình ảnh phối cảnh của mô hình, mỗi

mảnh nhỏ sẽ được thể hiện ở một cấp độ chi tiết nhất định phụ thuộc vào khoảng

cách từ vị trí theo dõi đến mảnh đó. Cần phải có phương án xử lý thật tốt khi

hiển thị ở khu vực ranh giới giữa hai mảnh có cấp độ chi tiết khác nhau. Một

khó khăn khác khi xây dựng một mô hình như thế là dung lượng dữ liệu sẽ tăng

rất nhanh cùng với số cấp độ chi tiết được lưu trữ.

48

Hình 2.10 Cấp độ chi tiết LoD đối với các đối tượng nhà, khối nhà

Mối liên hệ giữa khái niệm tỷ lệ của bản đồ 2D và LoD của bản đồ 3D có

nhiều điểm tương đương. Chúng đều liên quan đến độ chính xác và mức độ khái

quát hoá của các đối tượng.

Đối với bản đồ 3D, độ chi tiết, độ chính xác của mô hình số địa hình phải

tương đồng với cách thể hiện của các đối tượng nằm trên bề mặt địa hình.

Ở các tỷ lệ nhỏ, trên bản đồ 2D rất nhiều đối tượng được thể hiện nửa tỷ lệ

hoặc phi tỷ lệ. Trên bản đồ 3D tỷ lệ nhỏ, độ cao riêng (h) hay độ rộng, độ dài

trên mặt phẳng ngang của các đối tượng nằm trên bề mặt địa hình thường là

không đáng kể so với độ chính xác, hay chênh cao của mô hình số địa hình.

Người xem không có ấn tượng nhiều khi xem chúng được dựng lên trong môi

trường 3D cho một khu vực rộng đúng như kích thước thực của một tờ bản đồ tỷ

lệ nhỏ. Các đối tượng nổi trên mặt đất dường như nằm ép sát xuống mặt địa

hình. Ở các tỷ lệ lớn, chúng nổi lên và cho người khảo sát ấn tượng rõ ràng hơn.

49

CHƯƠNG 3

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ LIDAR

THÀNH LẬP BẢN ĐỒ 3D THÀNH PHỐ BẮC GIANG

3.1. Khái quát chung về khu vực thử nghiệm, hệ thống máy quét Lidar

3.1.1. Khái quát chung về khu vực thử nghiệm a. Vị trí địa lý Khu vực TP. Bắc Giang nằm trong phạm vi:

Từ 21015'37,5” đến 21019'22,5” độ vĩ Bắc. Từ 106008'15” đến 106013'44,5” độ kinh Đông.

Khu vực thử nghiệm nằm trong phạm vi mảnh bản đồ địa hình tỷ lệ

1/2.000, có phiên hiệu mảnh là F-48-69-102-a. Tại khu vực này có địa hình đồi

núi xen kẽ đồng bằng và các khu dân cư ven đồi, ven đường giao thông. Trong

phạm vi khu vực thử nghiệm có khoảng 1500 nóc nhà.

Khu vực thành phố Bắc Giang có hệ thống giao thông tương đối thuận lợi,

có các hệ thống đường liên thôn, xã, huyện và tỉnh tạo thành mạng lưới giao

thông dày đặc. Địa vật nhà cửa đang trong quá trình quy hoạch, xây dựng và có

nhiều biến động.

Khu vực Bắc Giang đang được đầu tư xây dựng nhiều khu công nghiệp

liên doanh với nước ngoài. Khu vực đô thị ngày càng được mở rộng và các khu

dân cư ngoại thành đang phát triển theo hướng tập trung, đô thị hóa.

Bản đồ hành chính thành phố Bắc Giang

50

b. Hiện trạng thông tin tư liệu trong khu đo

- Tư liệu điểm tọa độ nhà nước hạng I: 10402

- Tư liệu điểm địa chính cơ sở:

Bảng3.1: Tư liệu các điểm địa chính cơ sở.

93473 105407 105439 105468 105497 92576 93474 105408 105440 105469 105498 92577 93475 105409 105441 105471 105499 92580 93476 105413 105442 105472 105502 93453 104508 105423 105452 105479 105509 93457 104509 105424 105453 105480 105510 93458 104510 105425 105454 105483 105511 93459 104511 105426 105455 105484 105512

- Tư liệu điểm độ cao:

Tuyến độ cao hạng I bao gồm: I(LS-HN) 21, 24, 25, 27, 29, 30, 33

Ngoài ra trong khu vực còn có các tuyến độ cao hạng III khác.

Các điểm địa chính cơ sở và các điểm độ cao nhà nước trên đảm bảo yêu

cầu sử dụng làm các điểm gốc cho công tác xây dựng lưới khống chế ngoại

nghiệp phục vụ công tác bay chụp và là các điểm gốc để xây dựng các điểm

khống chế cho các bãi hiệu chỉnh bay quét Lidar.

- Tư liệu bản đồ địa hình:

Bản đồ địa hình tỷ lệ 1/250.000 theo lưới chiếu UTM do Cục Đo đạc và

Bản đồ Nhà nước (nay là Bộ Tài nguyên và Môi trường) in lại năm 1991.

Bản đồ địa hình tỷ lệ 1/50.000 UTM do Cục bản đồ Bộ Tổng Tham mưu

in lại năm 1978 gồm các mảnh: 6251-I,II,III,IV; 6250-III.

Bản đồ địa hình tỷ lệ 1/50.000 dạng giấy và số hệ toạ độ VN 2000 do

Tổng cục Địa chính thành lập năm 2000. Bản đồ được số hoá, chuyển hệ và hiện

chỉnh từ bản đồ tỷ lệ 1/50.000, GAUSS, gồm các mảnh: F-48-69-A,B,C.

Các điểm tọa độ, độ cao nêu trên đảm bảo cho việc sử dụng làm điểm gốc

để đo nối tọa độ, độ cao phục vụ bay quét Lidar.

Dữ liệu bản đồ địa hình tỷ lệ 1/50.000, được sử dụng làm tài liệu dùng để

thiết kế.

51

3.1.2. Quy trình và hệ thống máy quét Lidar sử dụng trong khu vực

Sơ đồ 3.1: Quy trình công nghệ thành lập bản đồ 3D từ dữ liệu Lidar

Khảo sát, thiết kế

Đo đạc ngoại nghiệp: - Thiết lập cơ sở toán học. - Xây dựng bãi chuẩn hiệu chỉnh. mặt phẳng và độ cao. - Đo nối trạm base.

Bay quét Lidar kết hợp chụp ảnh số

Xử lý dữ liệu

- Xử lý thô, kiểm tra độ gối phủ dữ liệu. - Xác định quỹ đạo đường bay và các thông số định vị tia quét. - Xác định các nguyên tố định hướng ngoài của ảnh. - Xác định tọa độ các điểm phản hồi xung laser trong hệ tọa độ

WGS84. - Xử lý làm khớp các giải bay và tuyến bay chặn. - Chuyển kết quả sang hệ quy chiếu và hệ tọa độ VN-2000. - Xử lý mặt phẳng và độ cao theo các điểm hiệu chỉnh của bãi

chuẩn.

Xây dựng mô hình số độ cao và tạo bình đồ trực ảnh

- Lọc điểm phân loại dữ liệu Lidar thành các lớp bề mặt đất (ground) và không phải bề mặt đất (Non-ground).

- Tạo ảnh cường độ. - Xây dựng DEM sơ bộ. - Nắn ảnh trực giao (TrueOrtho) thành lập bình đồ trực ảnh trong hệ

VN-2000. - Chuẩn hóa dữ liệu DTM. - Xây dựng DTM chính xác theo khuôn dạng phần mềm sử dụng. - Chuyển đổi định dạng file, xây dựng DTM theo mô hình GRID. - Xây dựng mô hình số bề mặt.

52

Xây dựng mô hình nhà cửa, các đối tượng khác, lập bản đồ 3D - Số hóa các đối tượng dân cư, giao thông, thủy hệ, thực phủ, đường

dây… - Chuyển đổi các đối tượng sang dạng 3D trên nền DTM. - Dựng các mô hình 3D trên nền DTM. - Gán các ký hiệu thực phủ, cây cối, giao thông, đường dây… - Gán các thông tin thuộc tính cho các đôi tượng. - Hoàn thiện bản đồ 3D.

Hệ thống LiDAR Harrier56 gắn máy ảnh số AIC của hãng Toposys -

Cộng hoà liên bang Đức là một hệ thống LiDAR được thiết kế cho mục đích bay

quét ở vùng công trình, đô thị có độ cao bay 100-1000m, phù hợp với điều kiện

địa hình các đô thị Việt Nam.

Thông số kỹ thuật của hệ thống LiDAR Harrier56:

- Loại máy quét: Riegl LMS-Q560.

- Độ cao bay: 850 m.

- Độ chính xác điểm độ cao: < 0.15 m.

- Độ chính xác điểm mặt phẳng: < 0.25 m.

- Trường nhìn: 45 độ tới 60 độ.

- Tần số quét: 160 Hz.

- Tốc độ đo: 133.000 Hz.

- Bước sóng: 1,550 nm.

- Tín hiệu phản xạ tối đa: 4 mức truyền/một tia.

- Đo được điểm trên mặt nước (tín hiệu phản hồi khi gặp mặt nước).

- Số lượng điểm đo: tới 200.000 điểm/giây.

- Tốc độ bay 160km/h.

- Mật độ điểm là khoảng 2 điểm/m2.

- Hệ thống định vị: Applanix POS/AV 410.

- Độ chính xác IMU:

0.008/0.008/0.015/0.005 - roll/pitch/heading/velocity.

- GPS: 12 kênh, 2 tần số.

53

- Nguồn điện: 28v DC, 15A max.

Thông số kỹ thuật máy chụp ảnh số Rollei AIC:

- Loại máy: Rollei AIC P45.

- Mảng ghi: 39 Mega pixel.

- Kích thước mảng CCD: 5428x7228 pixel.

- Tiêu cự: 51,382 mm.

- Kênh màu: R,G,B,NIR.

- Tốc độ ghi tối đa cho một ảnh: 2.5 s.

- Tốc độ cửa mở: 125-1000.

Máy bay chụp ảnh:

- Sử dụng máy bay AN2, có tốc độ trung bình 160 km/h, thời gian tối đa

cho 1 ca bay là 4 giờ 30 phút.

3.2. Công tác chuẩn bị, bay quét và xử lý dữ liệu Lidar

3.2.1. Công tác chuẩn bị

Xác định sân bay: Gia Lâm - Hà Nội.

Đảm bảo thông tin thời tiết hàng ngày, có những thông tin chi tiết về sự

thay đổi khí tượng trong vùng trực bay. Mặt khác cần chủ động tổ chức quan sát

trực tiếp thông tin khí tượng trong vùng bay để quyết định chính xác ca bay.

Chuẩn bị các trang thiết bị, máy móc phục vụ đo GPS tại các trạm Base;

các máy thủy chuẩn để đo nối độ cao cho các điểm Base, các điểm trong bãi

hiệu chỉnh.

3.2.2. Bay quét Lidar

a. Thiết kế và quy định kỹ thuật đo điểm trạm Base

Các điểm trạm Base sẽ được đo GPS đồng thời trong quá trình bay quét

LIDAR. Điểm trạm base phải đảm bảo đủ điều kiện kỹ thuật đo GPS, phải

thông thoáng, đo được thời gian dài, có điều kiện cung cấp về nguồn điện, đi lại

sinh hoạt dễ dàng.

Khoảng cách từ điểm Base đến mép khu vực bay quét tối đa là 30km. Độ

54

chính xác xác định điểm trạm Base về mặt phẳng là: 0,1m và độ cao tương

đương thủy chuẩn hạng IV trở lên. Tọa độ phẳng được đo nối bằng GPS, độ

cao được đo nối bằng thuỷ chuẩn hình học hạng IV.

Công tác đo nối trạm base về mặt phẳng được thực hiện bằng đo GPS,

điểm khởi tính là các điểm toạ độ nhà nước và điểm địa chính cơ sở theo đồ

hình lưới tam giác. Thời gian đo tối thiểu không ít hơn 1h30’. Trong khu đo sử

dụng 02 điểm trạm Base.

Công tác đo nối trạm base về độ cao được thực hiện bằng đo thuỷ chuẩn

hạng IV, điểm khởi tính là các điểm độ cao nhà nước.

Trong quá trình bay quét Lidar phải tiến hành đặt máy thu GPS 2 tần số

thu tín hiệu liên tục tại các trạm Base với thời gian giãn cách thu tín hiệu

1epoch/1 giây trong suốt thời gian bay quét. Máy thu GPS phải được bật và thu

tín hiệu trước thời điểm máy bay nổ máy và chỉ tắt sau khi máy bay tắt máy và

có lệnh của người phụ trách tổ trực máy bay.

b. Đo bãi hiệu chỉnh mặt phẳng và độ cao

Để đảm bảo độ chính xác yêu cầu trong công tác bay quét LiDAR, mỗi

khu bay chụp phải có các bãi hiệu chỉnh mặt phẳng và độ cao. Các điểm hiệu

chỉnh mặt phẳng và độ cao nhằm mục đích kiểm tra và hiệu chỉnh dữ liệu

LiDAR.

Các bãi đo điểm hiệu chỉnh mặt phẳng và độ cao được chọn là khu vực

trung tâm và các góc khu bay.

Bãi hiệu chỉnh cho các khu bay được thiết kế như sau:

- Khu bay Bắc Giang thiết kế 3 bãi hiệu chỉnh, trong đó: 2 bãi hiệu chỉnh

cả mặt phẳng và độ cao, bãi thứ 3 chỉ hiệu chỉnh về mặt phẳng.

Mỗi bãi hiệu chỉnh cần đo khoảng 5-10 nhà, sân, bể,… hoặc 5-10 góc bờ

ruộng (đo cả góc và bờ ruộng dài 6-10m) hoặc kết hợp đo cả nhà và bờ ruộng

tùy theo địa hình khu vực cụ thể. Độ chính xác xác định vị trí của điểm hiệu

chỉnh so với điểm khống chế gần nhất ≤ 0,15m.

55

Mỗi bãi cần đo tối thiểu từ 5-10 điểm độ cao. Độ chính xác xác định độ

cao điểm hiệu chỉnh so với điểm khống chế gần nhất ≤ 0,15m.

Vị trí bãi hiệu chỉnh cho các khu bay:

c. Đo nối lưới khống chế cơ sở phục vụ đo chi tiết bãi hiệu chỉnh mặt

phẳng và độ cao

Khu bay Bắc Giang thiết kế 6 điểm: GPS48; GPS49; GPS50; GPS51;

GPS56; GPS57. Riêng đối với 2 điểm GPS48, GPS49 thiết kế phục vụ hiệu

chỉnh mặt phẳng nên không tiến hành đo nối độ cao hạng IV.

Độ chính xác xác định điểm khống chế đo vẽ về mặt phẳng là: 0,1m; về

độ cao từ độ cao hạng IV trở lên.

d. Đo chi tiết điểm hiệu chỉnh mặt phẳng và độ cao

Tại mỗi bãi hiệu chỉnh xác định tọa độ, độ cao tối thiểu 50 điểm trên mặt

đất và tối thiểu 5 đồ hình địa vật sắc nét có sự tương phản khác biệt lớn với các

địa vật xung quanh như nhà, sân, bãi cỏ. Khu Bắc Giang khoảng 150 điểm

- Chọn điểm hiệu chỉnh mặt phẳng:

Điểm hiệu chỉnh mặt phẳng là các điểm góc của các địa vật có hình dáng

sắc nét, rễ nhận biết, ổn định, rõ ràng như các nhà hình khối vuông vức có độ

lớn hơn 10m; các vườn hoa, sân có mầu sắc và chất liệu tương phản với xung

quanh hay các điểm góc của các lô đường rõ rệt, các giao cắt rõ nét của đường

bờ ruộng có mầu sắc tương phản với nền ruộng... Các điểm hiệu chỉnh mặt

phẳng có độ thông thoáng tốt trong quá trình bay quét LiDAR.

- Chọn điểm hiệu chỉnh độ cao:

Điểm hiệu chỉnh độ cao được chọn tại các vị trí bằng phẳng, có độ thông

thoáng tốt, trên nền chất liệu có độ cứng khá tốt như mặt sân gạch, sân bê tông,

mặt đường nhựa…

- Đo điểm hiệu chỉnh mặt phẳng và độ cao:

Điểm hiệu chỉnh mặt phẳng và độ cao được đo bằng máy toàn đạc điện tử

totalstation. Điểm khởi đo và điểm định hướng là các điểm trạm đo gốc điểm

56

hiệu chỉnh mặt phẳng và độ cao. Độ chính xác yêu cầu đo nối phải đạt về vị trí

mặt phẳng là 0,15m và độ cao là 0,10m cho khu vực lập DTM với độ chính xác

0,2m – 0,3m.

e. Thiết kế bay chụp

Để đảm bảo yêu cầu nhiệm vụ và độ chính xác của dữ liệu cũng như căn

cứ vào khả năng của hệ thống bay quét LiDAR-Harrier56. Thiết kế độ cao bay

850m, khoảng cách giữa các đường bay 500m, tốc độ máy bay 150-180km/h, độ

phủ dọc ảnh chụp 70%, độ phủ ngang 30%. Tỷ lệ ảnh trên mặt phẳng trung bình:

1/16400.

Khu bay Bắc Giang có diện tích bay chụp khoảng: 135km2 với 29 đường

bay (trong đó có 22 đường bay chính và 7 đường bay bổ sung), tổng chiều dài

bay khoảng 300km, tổng số giờ bay khoảng 8,5 giờ.

Hình 3.1 Sơ đồ tuyến bay quét Lidar khu vực thành phố Bắc Giang

3.2.3. Xử lý dữ liệu Lidar

a. Xử lý dữ liệu thô, kiểm tra độ phủ của dữ liệu:

- Trút toàn bộ dữ liệu sau khi bay quét và lưu vào máy chủ.

- Chuyển dữ liệu laser từ định dạng sdf sang sdc

57

- Tạo DSM kích thước raster 5m để kiểm tra độ phủ sau khi bay quét laser

và chụp ảnh số.

- Lập kế hoạch bay bù.

b. Xử lý số liệu GPS/IMU:

Sau khi bay quét, cần phải xử lý số liệu GPS/IMU để tính toán được toạ

độ của tâm máy quét, máy chụp ảnh, các dữ liệu định hướng của tia quét và ảnh

chụp trong suốt quá trình bay. Đồng thời kiểm tra được toàn bộ quá trình bay

quét có bị gián đoạn tín hiệu GPS hay không, sai số vị trí có đạt yêu cầu hay

không. Để xử lý số liệu GPS/IMU, cần qua các bước như sau:

- Lập project cho ca bay.

- Extract dữ liệu.

- Kiểm tra dữ liệu GPS, IMU trong quá trình bay quét.

- Chuyển đổi khuôn dạng dữ liệu GPS.

- Xử lý DGPS.

- Tạo ra file SBET (kết hợp dữ liệu GPS và IMU).

Kết thúc các bước xử lý trên, kết quả thu được gồm các file như sau:

- File Vnav + Event: Sử dụng để tính toán độ phủ.

- File SBET sử dụng để tính toán DSM, DTM và các nguyên tố định

hướng ngoài EO của ảnh.

- File txt (báo cáo) thống kê lại toàn bộ quá trình xử lý và các thông số

cuối cùng.

Đánh giá kết quả xử lý GPS/IMU chung toàn khu đo.

c. Xử lý nguyên tố định hướng ngoài (EO):

Các file EO sẽ được sử dụng để nắn ảnh trực giao (True Ortho), kiểm tra

độ phủ của ảnh và thiết lập mô hình khi đo vẽ lập thể ảnh trên trạm đo vẽ ảnh số.

File EO chứa các nguyên tố định hướng ngoài của ảnh và được tạo ra trong quá

trình xử lý bằng module Eopro trong gói phần mềm Topo_gui56.

- Tính toán EO cho mục đích kiểm tra độ phủ ảnh.

58

- Tính toán EO cho mục đích nắn ảnh trực giao (True Ortho).

- Sau khi xử lý, kết quả thu được sẽ là các file EO chứa các nguyên tố

định hướng ngoài theo hệ toạ độ địa tâm quốc tế WGS84.

d. Xử lý dữ liệu Laser, tạo DSM/DTM/ảnh cường độ xám:

Trong quá trình quét, sóng Laser được ghi nhận trong hệ tọa độ của thiết bị,

phần mềm RiAnalyse sử dụng để giải mã các dữ liệu gốc này. Các dữ liệu Laser

đã được giải mã này kết hợp với kết quả tính toán tuyến bay SBET.out (từ

POSPac) cho phép tạo bao phủ coverage (phục vụ kiểm tra bay quét) và các đám

mây điểm Point cloud (phục vụ tạo Intensity, DSM và DTM). Đây chính là

công đoạn tiền xử lý (preprocessing) LiDAR.

Các đám mây điểm được xắp xếp và lọc theo ô (tile) dưới dạng raster file

tạo DSM và DTM, các dữ liệu raster này được biên tập, kiểm tra để tạo ra các

sản phẩm của mô hình số DSM, DTM và phục vụ tạo ảnh true ortho

(postprocessing). Quá trình này được xử lý bằng phần mềm TOPPIT.

Công đoạn xử lý sóng laser bằng phần mềm RiAnalyse của hãng RIEGL

(môi trường windows) còn các module xử lý của TOPPIT thực hiện trong môi

trường LINUX thông qua xử lý các tập Batch files.

Các bước chính trong xử lý Laser:

- Chuyển đổi dữ liệu thô Laser từ *.SDF sang *.SDC:

- Xử lý Laser - tạo bao phủ (Coverage).

- Xử lý Laser - tạo đám mây điểm (Point cloud).

- Tạo mô hình số bề mặt (DSM).

- Bình sai, hiệu chỉnh mô hình mặt phẳng, độ cao (Laser adjustment)

- Tạo ảnh cường độ xám (Intensity).

- Tạo mô hình số (DSM RGBI) phục vụ nắn ảnh TrueOrtho.

- Tạo mô hình số địa hình (DTM).

e. Quy định kỹ thuật xử lý dữ liệu:

- Quỹ đạo đường bay được xác định thông qua việc xử lý trị đo GPS giữa

59

máy thu đặt tại trạm Base và máy thu đặt trên máy bay theo phần mềm kèm theo

thiết bị nhằm xác định ra toạ độ, độ cao của tâm antenna đặt trên máy bay tại

từng thời điểm thu tín hiệu GPS. Sai số trung phương vị trí điểm về mặt phẳng

và độ cao trung bình sau xử lý cho toàn khu đo phải nhỏ hơn 0.1m.

- Tọa độ, độ cao của bộ cảm biến IMU tại từng thời điểm đo được xác định

thông qua việc kết hợp dữ liệu đo IMU với quỹ đạo đường bay thông qua phép

lọc Kalman được sử dụng để tính tọa độ, độ cao của từng điểm phản hồi xung

Laser trong hệ WGS-84. Độ chính xác về độ cao của từng điểm phản hồi xung

Laser tạo thành đám mây điểm sau xử lý phải nhỏ hơn hoặc bằng 2/3 độ chính

xác của DTM cần lập.

- Phải sử dụng trị đo từ các đường bay chặn để bình sai khớp giữa các

tuyến bay chính và các đường bay chặn.

- Việc xử lý độ cao khớp với khu đo khống chế được thực hiện thông qua

hệ phương trình số hiệu chỉnh dạng vi= f(xi, yi, dx, dy, dh) + (hi-hi’) theo

nguyên tắc [vv] = min, trong đó:

+ xi, yi, hi là tọa độ, độ cao của tập hợp các điểm đo chi tiết được

xác định trực tiếp tại các bãi chuẩn;

+ hi’ là độ cao của điểm đo chi tiết xác định theo dữ liệu Lidar;

+ dx, dy, dh là các hệ số dịch chuyển cần hiệu chỉnh cho mô hình dữ

liệu Lidar theo dữ liệu bãi chuẩn hiệu chỉnh.

Được phép lựa chọn kiểu và số bậc của hàm f cho phù hợp với đặc thù của

kiểu dữ liệu để thu được số cải chính phù hợp nhất.

- Xác định tham số định hướng ngoài cho ảnh (trường hợp có kết hợp chụp

ảnh số): Được thực hiện bằng phần mềm kèm theo thiết bị. Cơ sở để xác định

các tham số định hướng ngoài là dữ liệu đo GPS, IMU và thời điểm lộ quang

của máy ảnh số. Các tham số định hướng ngoài được xác định theo hệ tọa độ

WGS-84.

- Sử dụng dữ liệu từ tầng phản hồi cuối cùng (Last Echo) làm cơ sở để tạo

60

DTM. Trong trường hợp cần tiến hành xây dựng mô hình số bề mặt (DSM) phải

thiết lập ảnh cường độ sử dụng tầng phản hồi đầu tiên (First Echo).

- Ảnh cường độ được tạo ra trong hệ tọa độ VN-2000 trên cơ sở sử dụng dữ

liệu cường độ phản hồi của tia Laser và được sử dụng trong việc phân loại dữ

liệu điểm. Giá trị các ô grid của ảnh được nội suy từ giá trị cường độ tại các

điểm Lidar rời rạc. Kích thước các ô grid được lựa chọn phù hợp với mật độ dữ

liệu của điểm Lidar và thường bằng khoảng cách trung bình giữa các điểm phản

hồi xung Laser.

- Việc phân loại dữ liệu tự động được thực hiện trên cơ sở kết hợp ảnh

cường độ, khảo sát thực địa và ảnh số chụp được (nếu có). Trước khi thực hiện

việc phân loại dữ liệu tự động cần đặc biệt lưu ý tới các đặc trưng cơ bản về địa

hình, địa mạo, công trình xây dựng, thủy văn, thực phủ, khu dân cư…. (Kích

thước tối đa, tối thiểu các công trình; chiều cao tối đa, tối thiểu của cây; vùng lỗi

do mặt nước; các điểm bị lỗi; các điểm trên không…).

Sau khi kết thúc công đoạn này phải tách được đám mây dữ liệu thành các

lớp khác nhau theo các tính chất riêng như: Lớp chứa điểm mặt đất, Lớp chứa

điểm thực phủ, Lớp chứa điểm trên mái nhà tường nhà và các công trình xây

dựng, Lớp chứa các điểm trên không, Lớp chứa các điểm bị lỗi, Lớp chứa các

điểm trên mặt nước…. Từ đó xây dựng ra lớp Ground và Non-Ground.

- Bình đồ trực ảnh được lập trên cơ sở ảnh số chụp đồng thời trong quá

trình bay quét Lidar được sử dụng làm cơ sở để chính xác hóa việc phân loại

đám mây dữ liệu điểm Lidar và đo vẽ thành lập bản đồ địa hình tại khu vực đó.

Mô hình để phục vụ cho nắn tạo ảnh ortho là mô hình số bề mặt kết hợp với các

nguyên tố định hướng ngoài của ảnh đã được xác định ở mục 5.

- Chỉnh sửa kết quả phân loại và kiểm tra đặc trưng địa hình được thực hiện

bằng phương pháp thủ công trên cơ sở kết hợp các nhóm lớp đã phân loại ở mục

8 và bình đồ trực ảnh. Trong quá trình thực hiện cần chia nhỏ khu vực và tiến

hành phân loại riêng cho từng khu vực đó.

61

- Trong quá trình chỉnh sửa kết quả phân loại cần đặc biệt lưu ý các khu

vực có cường độ Lidar yếu, các khu vực mặt nước vào thời điểm bay chụp.

Trong trường hợp cần thiết phải tiến hành đo đạc bổ sung tại thực địa bằng

phương pháp trực tiếp sử dụng các thiết bị toàn đạc điện tử, GPS động. Sai số độ

cao các điểm đo bổ sung không được vượt quá 2/3 độ chính xác của DTM cần

thành lập.

- Đo bổ sung ngoại nghiệp. Thông thường khi bay quét Lidar phải chọn

thời điểm các cánh đồng không bị ngập nước. Tuy nhiên, trong điều kiện bất khả

kháng, khi bay quét ở vùng ruộng bị ngập nước rộng lớn sẽ chỉ thị ngoại nghiệp

đo bổ sung độ cao mặt nước cho từng khu vực bị ngập nước.

3.2.4. Xây dựng mô hình 3D khu vực thử nghiệm

a. Tạo mô hình số địa hình, bề mặt

Dữ liệu Lidar thu nhận được của khu vực thử nghiệm sau khi xử lý như đã

nêu ở trên, bao gồm hàng triệu điểm có giá trị tọa độ và độ cao trong hệ tọa độ

cần thành lập bản đồ. Đối dữ liệu Lidar sau khi chia tách các tầng độ cao của

mảnh bản đồ F-48-69-102a tại khu vực thành phố Bắc Giang, chúng ta thu nhận

được dữ liệu mô hình số bề mặt và mô hình số địa hình cùng với nhà cửa, các

công trình xây dựng. Ở đây, dữ liệu mô hình số bề mặt bao gồm 1.345.195 điểm

tọa độ, độ cao của tầng dữ liệu phản hồi đầu tiên (fist-echo); dữ liệu tầng phản

hồi sau cùng có 1.343.493 điểm (last-echo), trong đó sẽ bao gồm các điểm nằm

trên bề mặt thực địa và các điểm nằm trên bề mặt các đối tượng cứng như nhà

cửa, công trình xây dựng (không bao gồm các dữ liệu điểm nằm trên bề mặt cây

cối…)

Dựa trên các dữ liệu điểm thu được, sử dụng module 3D Analyst của hệ

thống phần mềm ArcGIS để xây dựng mô hình số địa hình và mô hình số bề

mặt. Công việc này được tiến hành bằng công cụ Creat TIN from feature nhằm

lấy giá trị tọa độ và độ cao của tập hợp các điểm Lidar thu nhận được để nội suy

ra mô hình số bề mặt và mô hình số địa hình.

62

Hình 3.2: Dữ liệu các tầng phản hồi và mô hình số địa hình, bề mặt. b. Nắn ảnh trực giao Ngoài ra, tại khu vực còn thu nhận được ảnh hàng không. Đây là ảnh được

chụp đồng thời với quá trình bay quét Lidar. Để hỗ trợ cho công tác nhận dạng,

phân tích đoán đọc các đối tượng trên khu vực được được thuận lợi hơn và phục

vụ các công tác khác của việc thành lập bản đồ 3D, tiến hành nắn ảnh trực giao

chính xác TrueOrthophoto như sau:

- Sau khi bay chụp ảnh, số liệu ảnh số được thể hiện dưới dạng tif - format

ảnh nén (Raw compress image) của máy ảnh Rollei AIC P45.

- Nắn ảnh trực giao chính xác cho tất cả từng ảnh trong khu đo, số liệu đầu

vào cần có là: Mô hình số bề mặt DSM (độ phân phân giải 0.5 m), thông số định

hướng ngoài của các tấm ảnh (EO), ảnh đã phát triển. Kết quả cho ảnh nắn

khuôn dạng của TOPPIT. Độ phân giải của ảnh nắn tối đa bằng 1/2 độ phân giải

của DSM (trong công trình này Pixel size = 0.25 m). Loại ảnh này các địa vật

chênh cao (như nhà, vật kiến trúc, cây cối…) được đưa về đúng hình chiếu của

nó, tuy nhiên vẫn còn những vị trí không có giá trị độ xám (black pixel) do sự

xắp xếp lại các pixel trong quá trình nắn ảnh.

- Chuyển sang bước tiếp theo sẽ lần lượt ghép các ảnh trong từng dải với

nhau, sau đó ghép các dải trong khu đo với nhau để tạo thành một ảnh của cả

khu bay (project).

- Những vị trí black pixel sẽ được nội suy từ giá trị độ xám của độ phủ ảnh,

63

hoặc từ các giá trị xung quanh nếu khu vực này không có độ phủ. Độ lớn của

ảnh ghép cả khu vực có thể lên tới hàng chục, hàng trăm GB phụ thuộc vào dung

lượng bộ nhớ cho phép của máy tính.

- Bước cuối cùng là chương trình sẽ cắt ảnh ghép cả khu vực theo từng

mảnh bản đồ và chuyển đổi ảnh nắn sang dạng tif 16 bit.

Hình 3.3: Ảnh trực giao. c. Phủ ảnh trực giao trên nền mô hình số địa hình Có thể phủ ảnh lên trên nền mô hình số địa hình để tạo ra những nhận biết

rất thực về khu vực. Để hiển thị được các ảnh này trong mô hình lập thể của

ArcScene chúng cần phải được nắn chỉnh về cùng hệ tọa độ với các nội đúng

vector của bản đồ địa hình 3D.

Kỹ thuật phủ ảnh raster lên DTM nghiêng về xu hướng thể hiện hình ảnh

thực – photorealistic của bề mặt địa hình. Ảnh cũng sẽ che phủ các thang màu

của DTM nên tốt nhất khi phủ ảnh lên mặt DTM thì không hiển thị DTM. Các

đối tượng dạng đường và dạng điểm vẫn được thể hiện tốt trên nền ảnh phủ trên

mặt DTM. Tuy nhiên với các đối tượng dạng vùng thực vật, bề mặt DTM chỉ có

thể được phủ hoặc bởi các đối tượng vector dạng vùng hoặc bởi ảnh raster cho

64

nên tùy theo nhu cầu mà người dùng có thể chủ động bật tắt hay thay đổi thứ tự

thể hiện hoặc độ trong (transperancy) các đối tượng dạng vùng thực vật và của

ảnh raster để có thể quan sát tốt nhất nội dung được quan tâm.

Ảnh trực giao khi phủ lên DTM làm nền cho người quan sát cảm giác địa

hình khá ấn tượng nhất là khi chuyển động trong không gian ở độ cao tương đối

lớn.

Hình 3.4: Bản đồ và ảnh trực giao phủ trên mô hình số địa hình. c. Xây dựng các đối tượng nhà cửa, công trình xây dựng trên nền địa hình

3D. Trên bản đồ địa hình 3D, nhà có thể được thể hiện bằng các polygon đường

viền chân nhà gắn thuộc tính độ cao nhà, độ chịu lửa. Độ cao này được thu thập

từ kết quả của dữ liệu Lidar phản hồi cuối cùng (last-echo) như đã nêu ở trên.

Đầu tiên, lớp polygon nhà được phủ lên mặt DTM bằng công cụ Baseheight.

Hình 3.5: Các polygon nhà trong ArcMap.

65

Hình 3.6: Các polygon nhà trên nền DTM trong ArcSence. Sau đó, các khối nhà được dựng lên bằng công cụ Extrusion sử dụng độ cao

nhà đã được xây dựng từ dữ liệu last-echo. Chọn smooth shading và hide

backside cho việc chiếu sáng và tạo bóng của các khối nhà. Trong trường hợp

này các chi tiết về hình dáng mái và các tầng trên đều được khái quát hóa.

Hình 3.6: Các khối nhà 3D trên nền DTM trong ArcSence.

66

Hình 3.7: Các khối nhà được thể hiện bằng công nghệ 3D building

ở mức độ khái quát Tuy nhiên, có thể chọn lọc một số khối nhà quan trọng có tính định hướng cao để thể

hiện chi tiết hơn giữa các nhà bình thường được hiển thị theo nguyên tắc đơn giản nói trên.

Với công cụ 3D building có thể dựng khối nhà lên từ footprint và gán hình ảnh thật của các bề

mặt nhà lên đó. Để thực hiện việc thể hiện chi tiết khối nhà, trước hết cần chuẩn bị ảnh

*.BMP của các bề mặt nhà và mái nhà. Các dữ liệu ảnh trên được lấy từ ảnh

hàng không trực giao và ảnh chụp tại thực địa. Có thể lặp lại việc gán ảnh bề

mặt nhiều lần cho các nhóm nhà có hình ảnh bề mặt khác nhau. Kết quả có thể

cùng được lưu trữ dưới dạng *.LYR là dạng dữ liệu mặc định của ArcScene.

Cách thể hiện này đặc biệt phù hợp với các nhà cao tầng của các khu đô thị.

67

a. Hình ảnh ngoài thực địa

b. Hình ảnh 3D khái quát hóa

c. Hình ảnh 3D khi phủ ảnh hàng không lên DSM

d. Hình ảnh 3D chi tiết

Hình 3.8: Các khối nhà được thể hiện chi tiết. d. Thể hiện các đối tượng khác trên bản đồ

- Thuỷ hệ và các đối tượng liên quan

Sông hai nét được thể hiện như một đối tượng vùng trên bản đồ 2D. Trong

bản đồ địa hình 3D, đối tượng vùng này được phủ lên mặt DTM sử dụng công

cụ Baseheight và tô màu xanh nước biển nhạt. Ngoài ra đường viền sông hai nét

cũng được thể hiện trên mặt DEM bằng màu nước biển sẫm với mục đích làm

nổi bật đường bờ nước.

Sông một nét cũng được thể hiện nằm ngay trên mặt DEM bằng ký hiệu

dạng đường liên tục màu nước biển sẫm.

Sông suối chảy theo mùa thể hiện bằng hai ký hiệu. Một ký hiệu dạng

68

đường chạy liên tục màu nước biển nhạt. Thuộc tính của đối tượng được gắn vào

đường này. Ký hiệu thứ hai dùng cho mục đích hiển thị được drop từ dạng

đường nét đứt của sông suối chảy theo mùa trên bản đồ 2D, thể hiện bằng màu

nước biển đậm nằm trên đường chạy liên tục màu nước biển nhạt nói trên. Cả

hai ký hiệu này đều nằm ngay trên mặt DTM.

Đê cũng được thể hiện theo nguyên tắc tương tự. Các chi tiết về độ chênh

cao của đê được bổ sung vào DTM dựa trên các số liệu có được về đê như vị trí

mặt đê, vị trí chân đê, độ cao mặt đê, tỷ cao đê. Con trạch trên mặt đê nếu có

được thể hiện bằng một đối tượng dạng đường, thuộc tính về tỷ cao con trạch

được lưu trữ và được dùng cho công cụ Extrusion để dựng đường này lên vuông

góc với mặt đê (lúc này đã được bổ sung vào mặt DTM) đúng như đặc điểm của

con trạch trong thực tế.

Cống được thể hiện bằng đoạn thẳng đặt vuông góc với kênh mương bằng

màu đen. Các thông tin về tên kênh mương, tên cống, thiết bị điều tiết nước nếu

có được gắn vào bảng thuộc tính của cống.

- Giao thông và các đối tượng liên quan

Các đối tượng dạng điểm liên quan như trạm ghi, cột đèn hiệu, cột tín hiệu,

cột cây số, biển chỉ đường nếu có được dựng lên bằng công cụ Plan tree trên mặt

DTM dùng một hình ảnh tự thiết kế dạng *.BMP gần giống với hình ảnh thực.

Độ cao của các đối tượng này tuân theo qui định chuẩn của ngành giao thông.

Đường ô tô là một yếu tố được quan tâm rất nhiều đối với người dùng bản

đồ. Chúng được thể hiện là các đối tượng dạng vùng nằm ngay trên mặt DTM.

Phần trải mặt đường được thể hiện bằng ảnh thực của các loại chất liệu: bêtông -

nhựa, đá, đất hoặc bằng nền màu đơn giản. Trục phân tuyến, vỉa hè nếu có và đủ

rộng để thể hiện ở dạng vùng theo tỷ lệ bản đồ thì trải mặt bằng chất liệu thực tế

như nền cỏ thấp hay nền gạch. Nếu các trục phân tuyến chỉ là dạng đường thì

dùng Extrusion dựng chúng lên thành dải ngăn cách chạy liên tục.

Đường đất nhỏ và đường mòn được thể hiện bằng các đường một nét chạy

69

liên tục trên mặt DTM. Để phân biệt, hai loại đường này đường đất nhỏ thể hiện

bằng nét đen đậm, còn đường mòn màu xám. Ký hiệu nét đứt của đường mòn

được chuẩn bị trong môi trường đồ họa và hiển thị lên trên đường mòn màu xám

nhạt, chay liên tục.

Đường ô tô được gắn các thuộc tính: tên đường, chất liệu rải mặt, độ rộng

đường, độ rộng phần trải mặt.

Địa hình đắp cao xẻ sâu của đường được bổ sung và thể hiện bằng mặt

DTM.

- Các đối tượng kinh tế, văn hoá xã hội

Trên bản đồ 3D, ở mức độ chi tiết rất cao có thể thể hiện các đối tượng

kinh tế, văn hóa xã hội bằng mô hình 3D thực của đối tượng được chuẩn bị

sẵn trong môi trường đồ họa.

Ở mức độ chi tiết thấp hơn, các đối tượng văn hóa, kinh tế, xã hội có thể

được thể hiện bằng công cụ Plant tree sử dụng ảnh lấy từ các ký hiệu mẫu của

bản đồ địa hình 2D. Cách thể hiện này nghiêng về xu hướng ký hiệu hóa hơn.

Các đối tượng văn hóa, kinh tế, xã hội sau khi dựng lên được lưu lại

thành một file *.LYR dùng để hiển thị, các ký hiệu điểm gốc với các thuộc

tính như tên riêng của đối tượng cũng vẫn được giữ lại nhằm cung cấp thông

tin khi cần truy vấn.

- Đường dây điện và đường dây thông tin

Đường dây điện và đường dây thông tin sẽ được thể hiện độc lập bằng hai

loại đối tượng. Thứ nhất là các đối tượng dạng điểm thể hiện cột, chúng được

gắn các thông tin thuộc tính về chiều cao cột, cột cao thế hay hạ thế được điều

tra từ thực địa. Có hai nguyên tắc thể hiện các đối tượng dạng điểm này. Ở các

tỷ lệ nhỏ, cột được thể hiện với độ chi tiết – LoD thấp bằng cách hiển thị điểm

trên mặt DTM với công cụ Baseheight và sau đó extrude điểm lên từ mặt DTM

sử dụng trường độ cao riêng của cột. Cách thứ hai phù hợp với các tỷ lệ lớn, cột

được dựng lên trên mặt DTM sử dụng công cụ Plant Tree. Ảnh của cột được

70

chuẩn bị sẵn ở dạng *.BMP và dựng lên với độ cao được lưu trữ sẵn trong

trường thuộc tính của điểm.

Đường dây tải điện đối tượng dạng đường đơn giản được gắn thuộc tính về

loại đường: cao thế, hạ thế; độ cao trung bình của đường dây; điện áp nếu có.

Đường dây ở dạng 2D sẽ tính chuyển thành đường 3D dựa trên độ cao của DTM

bằng công cụ Convert features to 3D của ArcGis 3D Analyst, kết quả là đường

3D sẽ được bổ sung thêm rất nhiều đỉnh trong khoảng giữa đỉnh gốc tức là các

cột. Sau đó chuyển đường dây 3D này về môi trường đồ họa và bỏ tất cả các

đỉnh mới phát sinh giữa các cột. Sau đó đưa đường dây vào thể hiện trong

ArcScene bằng tọa độ X, Y, H thực không phụ thuộc vào DTM với khoảng

offset lấy từ thuộc tính chiều cao dây.

Một đối tượng có nhiều điểm tương tự với các loại dây dẫn là ống dẫn. Ống

dẫn được thể hiện là dạng đường, màu xám sẫm, gắn các thuộc tính: tỷ cao,

đường kính ống, vật liệu làm ống, chất dẫn trong ống. Nếu ống đặt trên trụ cao

thì nguyên tắc thể hiện tương tự như các loại dây dẫn và thể hiện các trụ đỡ kèm

theo. Trường hợp ống dẫn nằm nổi trên mặt đất hay ống dẫn ngầm thì chỉ cần

thể hiện đường ống dẫn dạng 2D theo mặt DTM với giá trị offset âm dựa trên

thuộc tính độ sâu của ống. Các giếng kiểm tra được thể hiện bằng điểm cũng

được extrude một giá trị âm chìm dưới mặt DTM một khoảng bằng độ sâu của

ống. Với độ trong - transparency của DTM là 50% - 70% sẽ cho phép quan sát

được tương đối rõ các đối tượng chạy ngầm dưới đất này.

- Dáng đất, chất đất

Dáng đất đã được thể hiện bằng mô hình số độ cao DTM và đường bình độ.

Nhưng ký hiệu nét đứt của bình độ phụ không thể hiện được trong ArcScene nên

bình độ phụ nếu có sẽ được thể hiện bằng đường nét liền màu nhạt hơn. Các yếu

tố này chỉ là được đưa ra với mục đích bổ trợ cho DTM trong việc thể hiện địa

hình nên chỉ được thể hiện với độ trong - transperancy là 50%.

Điểm độ cao cũng được thể hiện bằng đối tượng dạng điểm. Không ghi chú

71

độ cao của đường bình độ và điểm độ cao, nếu cần ngưới dùng có thể truy cứu

thông tin này bằng công cụ Info.

Các thông tin về chất đất được thể hiện bằng các đối tượng dạng vùng phủ

lên mặt DTM bằng các nền màu đơn giản hoặc bằng công cụ Picture fill symbol.

Các dạng bề mặt như cát, sỏi, đá, cồn cát, bãi đá khác nhau đều có sẵn trong thư

viện của ArcGis.

Các đối tượng như đầm lầy cũng được thể hiện bằng cách phủ vùng lên mặt

DTM và tô màu vùng bằng ảnh đầm lầy gồm các nét đứt chạy song song tương

tự như trên bản đồ 2D.

- Thực vật

Cách nhìn vào các đối tượng thuộc nhóm thực vật và cách phân nhóm

chúng cho bản đồ địa hình 3D sẽ phải có một số điểm khác biệt so với bản đồ

địa hình 2D trong đó độ cao riêng h của đối tượng là một trong các yếu tố chính

để phân loại và quyết định cách thể hiện.

Các đối tượng thực vật có độ cao riêng thấp như cỏ, lúa, hoa màu... sẽ được

thể hiện là đối tượng dạng vùng phủ lên mặt DTM bằng công cụ Baseheight và

được tô màu bằng công cụ Picture fill symbol với các ảnh chụp bề mặt thực của

đối tượng hoặc bằng các nền màu đơn giản.

Ở tỷ lệ lớn, các đối tượng thực vật có độ cao riêng lớn như rừng, hàng cây,

cây độc lập có thể được thể hiện bằng các đối tượng dạng điểm. Đối với rừng và

hàng cây dựa vào các thông số về mật độ cây để xác định vị trí tương đối của

các điểm. Các đối tượng này được gắn thuộc tính độ cao và loại cây. Thông tin

này được lấy từ nội dung của bản đồ địa hình nếu có hoặc bằng điều vẽ thực địa.

Sau đó dùng công cụ Plan Tree của ArcScene để dựng cây lên từ các đối tượng

dạng điểm này trên nền DTM sử dụng các ảnh cây tương ứng và độ cao cây lấy

từ trường thuộc tính điểm. Công cụ Plant Tree được áp dụng lần lượt với từng

loại cây, kết quả được lưu thành các file *.LYR và dùng để hiện thị trong

ArcScene. SHP file chứa các đối tượng dạng điểm sau khi đã được dựng lên

72

thành cây sẽ không được hiển thị nhưng vẫn được lưu giữ trong Scene của bản

đồ địa hình 3D để phục vụ cho mục đích truy cập thông tin.

Hình 3.9: Hình ảnh cây cối thể hiện bằng công nghệ 3D plant tree

Nếu thể hiện ảnh thực thì ảnh cây có thể được tạo ra từ các ảnh chụp thực

tế. Tuy nhiên để phục vụ cho mục đích truy cứu thông tin, rừng và hàng cây vẫn

được lưu trữ dưới dạng vùng và đường gắn các thông tin thuộc tính về loại cây,

mật độ cây, chiều cao cây, đường kính thân cây. Hai lớp thông tin này nằm trong

nội dung của bản đồ địa hình 3D nhưng không được hiển thị mà chỉ để khi cần

73

có thể cung cấp thông tin cho truy vấn.

- Ranh giới

Ranh giới hành chính các cấp, ranh giới khu cấm, ranh giới sử dụng đất

được thể hiện ngay trên mặt DTM bằng hai ký hiệu. Một ký hiệu được tạo ra từ

linestyle phục vụ mục đích hiển thị. Ký hiệu thứ hai được thể hiện bằng đường

đơn giản chạy liên tục, gắn các thuộc tính về loại ranh giới, tên của các đơn vị

hành chính các cấp nằm hai bên, tên của khu vực cấm để phục vụ cho mục đích

truy vấn thông tin.

Ngoài các đối tượng ranh giới hành chính được thể hiện dạng đường, các

đơn vị hành chính còn được thể hiện ở dạng vùng bằng các Polygon được gắn

các thuộc tính như mã hành chính, tên riêng và một số số liệu thống kê quan

trọng của đơn vị hành chính. Dù là được thể hiện bằng polygon hay linestring

chúng đều được gắn thuộc tính chiều cao. Dựa trên thuộc tính này, với công cụ

Extrusion tường thành ở dạng polygon sẽ được dựng lên thành khối, hàng rào

nhỏ dạng đường được dựng lên thành mặt thẳng đứng trên mặt DTM trong môi

trường lập thể của ArcScene rất phù hợp với bản chất tự nhiên của đối tượng.

Thuộc tính về chất liệu như: đất, đá, bê tông, song sắt, lưới thép, tre gỗ được gắn

với đối tượng. ArcScene chưa cung cấp các công cụ hiển thị để thể hiện hình

ảnh thật của tường và hàng rào, dựa trên thuộc tính về chất liệu, các đối tượng

được thể hiện bằng màu sắc khác nhau.

- Ghi chú

Một số ghi chú dạng số được sử dụng để xác định kích thước hay vị trí hình

học của đối tượng. Ngoài ra các thuộc tính này đều có thể được truy cập bằng

các công cụ query hay info của ArcScene. Hơn nữa các đối tượng địa hình khi

được dựng lên trong môi trường lập thể khá dày đặc nên chỉ một số ghi chú quan

trọng được chọn để thể hiện trong Scene của ArcScene. Do hạn chế của công cụ

3D label chưa hỗ trợ tiếng Việt nên các ghi chú tên riêng này chỉ được hiển thị ở

dạng tiếng Việt không dấu.

74

3.3. Đánh giá kết quả sản phẩm

3.3.1. Đánh giá độ chính xác

Đánh giá độ chính xác của mô hình số bề mặt, mô hình số địa hình và các

mô hình nhà cửa 3D được thực hiện thông qua các hạn sai sau:

- Sai số tiếp biên giữa các mảnh DTM không được vượt quá 1/2 độ chính

xác yêu cầu của DTM.

- Sai số tuyệt đối của DTM được đánh giá thông qua các điểm đo kiểm tra

ở thực địa. Độ lệch trung phương về giá trị độ cao của tập hợp điểm kiểm tra

giữa độ cao đo so với độ cao nội suy từ DTM không vượt quá độ chính xác của

DTM theo thiết kế.

- Độ chính xác của mô hình số địa hình (DTM) có thể đạt tới 0.2 m về độ

cao và cỡ vài cm về mặt phẳng.

- Các mô hình nhà cửa sau khi xây dựng đạt độ chính xác khoảng 0.3m về

độ cao và khoảng 0.2m về mặt bằng.

3.3.2. So sánh với một số phương pháp

Một số ưu điểm của công nghệ Lidar so với công nghệ khác:

- Lidar có thể thu nhận dữ liệu địa hình chính xác khi bay ở một độ cao lớn

hơn so với các hệ thống bay chụp ảnh hàng không có thể thực hiện. Độ chính

xác của dữ liệu trắc địa ảnh là tỷ lệ nghịch với độ cao bay chụp, trong khi độ

chính xác của Lidar giảm không đáng kể khi tăng độ cao bay chụp.

- Lidar chỉ cần một xung laser gần thẳng đứng để xuyên qua cây cối và đo

địa hình mặt đất, trong khi trắc địa ảnh cần tới hai tia khác nhau của các điểm

cùng tên trên mặt đất từ hai ảnh chụp khác nhau.

- Dựa vào các bước xử lý sau và kiểm tra chất lượng Lidar và khả năng thu

nhận xung phản hồi đầu tiên và cuối cùng, với từ 5000-33000 xung mỗi giây

công nghệ Lidar có thể xây dựng mô hình độ cao của tán cây cũng như mô hình

độ cao của mặt đất với dữ liệu có mật độ lớn và độ chính xác cao.

- Dữ liệu Lidar có thể được thu nhận cả vào ban ngày lẫn ban đêm, trong

75

khi trắc địa ảnh chỉ thu nhận được vào ban ngày khi góc tới của mặt trời là tốt

nhất.

- Dữ liệu Lidar là tập hợp các điểm có gía trị cả về mặt bằng và độ cao, do

đó có nhiều lợi thế để phục vụ xây dựng các mô hình 3D nhà cửa trong khu đô

thị.

- Công nghệ Lidar đưa ra trực tiếp mô hình số bề mặt (DSM) tạo điều kiện

thuận lợi cho việc xây dựng các mô hình nhà cửa được trực quan, dễ dàng hơn.

- Dữ liệu Lidar đảm bảo độ chính xác cao hơn so với các công nghệ khác

hiện nay như công nghệ ảnh hàng không, ảnh vệ tinh, radar...

Tuy nhiên, so với một số phương pháp khác, Lidar cũng có các nhược điểm

sau:

- Đối với xung Lidar dùng trong đo đạc địa hình trên đất liền thì thường bị

hấp thụ bới nước, và phản hối từ nước là không đáng tin cậy. Sẽ rất khó phân

biệt ranh giới giữa sông và hồ nếu chỉ dùng dữ liệu Lidar.

- Dữ liệu Lidar không thích hợp cho việc xác định các đường phân thủy

hoặc tụ thủy. Ví dụ, nếu xung Lidar có khoảng cách trung bình các điểm là 5m,

sẽ rất khó xác định vị trí các đường phân tụ thủy nắm trong khoảng 5m, đặc biệt

khi dữ liệu nằm trực tiếp trong dòng suối và không đáng tin cậy.

- Trong khi hệ thống đường bình độ được đo vẽ bằng tay với công nghệ

trắc địa ảnh thường trơn và phản ảnh đúng quy luật dòng chảy sông suối, Đường

bình độ được tự động tạo ra từ mô hình số độ cao của Lidar thường gồ ghề hơn

và thường xuất hiện các dị thường gần các dòng chảy.

- Ngoài ra, Lidar yêu cầu phải có trạm GPS tĩnh; sẽ hạn chế độ chính xác

khi đo vẽ trong những vùng cấm hoặc đang có tranh chấp; do yêu cầu về độ cao

bay không được quá cao sẽ gây ra khó khăn trong một số trường hợp cấm bay

thấp.

76

3.3.3. Đánh giá khả năng ứng dụng và hiệu quả:

Khả năng ứng dụng của công nghệ Lidar:

Công nghệ Lidar là một bước đột phá trong lĩnh vực đo đạc bản đồ. Việc áp

dụng công nghệ Lidar để lập mô hình số độ địa hình (DTM) và lập bản đồ

không gian 3 chiều (3D) độ chính xác cao phục vụ quản lý đô thị, khảo sát giao

thông, đánh giá trữ lượng tài nguyên thiên nhiên và phòng chống lũ lụt, thiên tai,

xây dựng cơ sở dữ liệu nền thông tin địa lý đã được áp dụng rất hiệu quả ở nhiều

nước trên thế giới và một số nước trong khu vực.

Lidar tạo và xây dựng mô hình số địa hinh với mật độ điểm dày đặc. Đặc

biệt Lidar có thể xây dựng mô hình số theo từng tầng ứng với từng loại đối

tượng. Trong phần mềm xử lý dữ liệu có những công cụ lọc, dùng để loại bỏ các

điểm độ cao của các đối tượng không nằm trên mặt đất để tạo mô hình số địa

hình (DTM). Một sản phẩm đặc dụng sau quá trình xử lý của Lidar là tạo ảnh

trực chiếu cường độ xám.

Khi hệ thống Lidar tích hợp với máy chụp ảnh số thì ảnh màu

trueorthophoto sẽ được tạo ra nhờ mô hình số bề mặt DSM và các thông số định

hướng ngoài chính xác của ảnh chụp. Sản phẩm trueorthophoto là một sản phẩm

ảnh màu lý tưởng cho công tác điều vẽ, số hoá và biên tập các đối tượng địa vật

trên mặt đất trong quá trình tạo cơ sở dữ liệu GIS hay nội dung bản đồ.

Ở Việt Nam, Lidar đã được một số đơn vị trực thuộc Bộ Tài nguyên và

Môi trường (Công ty đo đạc ảnh địa hình, Trung tâm viễn thám) đã kết hợp với

các đơn vị ở nước ngoài có thiết bị Lidar nghiên cứu ứng dụng thử nghiệm tại

Cần thơ, Bắc Ninh, Bắc Giang, Nam Định, Thái Bình, Hưng Yên, Phủ Lý. Qua

kết quả thử nghiệm tại Việt Nam cho thấy công nghệ Lidar có những tính năng

vượt trội rất rõ rệt so với những công nghệ truyền thống. Lidar tạo được DTM

với hiệu suất cao, độ chính xác về độ cao rất tốt, tốc độ nhanh. Lidar có thể biểu

diễn chi tiết địa hình bề mặt trái đất cả ở những vùng địa hình khó khăn, phức

tạp, cây che phủ và thực hiện trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt, cả ngày và

77

đêm. Hệ thống Lidar sẽ cực kỳ hữu hiệu, đem lại lợi ích đặc biệt khi thi công ở

những vùng sâu, vùng xa, vùng khó khăn về giao thông, địa hình phức tạp và

cần thời gian cực ngắn.

Tóm lại, khả năng ứng dụng của công nghệ Lidar là rất lớn và có hiệu quả

đặc biệt trong việc xây dựng, thành lập bản đồ 3D khu vực đô thị.

Việc ứng dụng công nghệ Lidar sẽ đem lại hiệu quả lớn trong nhiều lĩnh

vực:

Việc ứng dụng công nghệ Lidar góp phần đẩy nhanh tiến độ thực hiện các

dự án, công trình thành lập bản đồ, xây dựng cơ sở dữ liệu, góp phần nâng cao

hiệu quả kinh tế, nâng cao chất lượng sản phẩm, cung cấp các thông tin, sản

phẩm phục vụ đa mục đích và các sản phẩm phục vụ an ninh, quốc phòng.

Trang bị công nghệ Lidar giúp chúng ta tiếp cận với công nghệ tiên tiến

trên thế giới, góp phần nâng cao được trình độ khoa học công nghệ trong lĩnh

vực đo đạc và bản đồ.

Độ chính xác công nghệ Lidar có thể lập mô hình số độ cao với độ chính

xác từ 0.15m – 0.5m. Dùng công nghệ Lidar có giá thành có thể rẻ hơn từ 1.5 - 2

lần so với công nghệ truyền thống, thời gian hoàn thành sản phẩm nhanh gấp 2 -

3 lần có khả nămg thực hiện ở khu vực diện tích lớn.

Công nghệ Lidar còn phục vụ được nhiều nhiệm vụ mà rất khó khăn nếu sử

dụng công nghệ khác như khảo sát, đánh giá số lượng cây rừng, khảo sát lập các

tuyến tải điện cao thế, đường ống dẫn dầu, đường cao tốc, khảo sát đánh giá

tuyến đê bao, khu vực ngập lụt phục vụ phòng chống lũ lụt… Công nghệ Lidar

sẽ phát huy rõ rệt về hiệu quả kinh tế và chất lượng khi phục vụ kịp thời cho các

công việc như:

- Lập DTM độ chính xác 0.15m – 0.20m phục vụ phòng chống lũ lụt thuộc

các dự án ở đồng bằng Nam Bộ, đồng bằng Bắc Bộ, dải ven biển miền Trung và

các dự án phòng chống trượt lở đất ở khu vực miền núi.

- Lập DTM và bản đồ 3D phục vụ xây dựng cơ sở dữ liệu địa lý độ chính

78

xác cao cho các đô thị, thành phố ở Việt Nam.

- Ứng dụng công nghệ Lidar để thành lập cơ sở dữ liệu địa lý độ chính xác

cao phục vụ GIS cũng như thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn (1/1000, 1/2.000)

ở vùng đô thị với mục đích giảm giá thành và tăng độ chính xác của sản phẩm.

Tuy nhiên để đầu tư công nghệ Lidar có hiệu quả cao nhất, phù hợp với mục

đích đặt ra đòi hỏi phải nghiên cứu ứng dụng một cách thận trọng và cụ thể về

các hệ thống Lidar.

79

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Kết luận

Công nhệ Lidar phục vụ cho công tác lập mô hình số địa hình (DTM) và

bản đồ không gian (3D) độ chính xác cao là một bước đột phá trong việc ứng

dụng công nghệ và kỹ thuật tiên tiến để tạo lập các sản phẩm có chất lượng và

độ chính xác cao đáp ứng các yêu cầu và nhiệm vụ phát triển kinh tế bảo vệ an

ninh quốc phòng trong giai đoạn hiện nay.

Ứng dụng công nghệ Lidar lập bản đồ không gian 3D mang lại hiệu quả

kinh tế cao, đảm bảo độ chính xác và nâng cao năng suất lao động, nâng cao

chất lượng sản phẩm.

Hệ thống công nghệ quét Laser mặt đất Lidar là thiết bị đặc biệt chuyên

ngành chỉ có một vài nhà sản xuất trên thế giới cung cấp. Do đó khi thực hiện

cần dựa trên tình hình thực tế để áp dụng các hệ thống Lidar cho phù hợp với

yêu cầu, mục đích.

Công nghệ LIDAR có ưu thế hơn các công nghệ khác trong lập bản đồ 3D

khu vực đô thị, đặc biệt trong trường hợp cần xây dựng mô hình đô thị trong

một thời gian ngắn bao gồm cả mô hình bề mặt mặt đất và cả mô hình nhà cửa

với hình dạng chi tiết. Trong các ứng dụng dạng này, người ta thường kết hợp

dữ liệu lidar với các tài liệu khác trong quá trình thành lập bản đồ 3D như: các

dữ liệu GIS có sẵn về khối nhà, các ảnh hàng không và vệ tinh để có thể đạt

được kết quả tốt nhất.

Bản đồ 3D được thành lập từ dữ liệu Lidar đem lại hiệu quả cao về nhiều

mặt và đạt chất lượng tốt. Đề nghị nghiên ứu, ứng dụng rộng rãi hơn nữa tại Việt

Nam. Ngoài ra cần nghiên cứu, ứng dụng công nghệ tự động xây dựng các khối

nhà 3D từ dữ liệu Lidar để xây dựng bản đồ 3D được hiệu quả hơn.

Bản đồ 3D khu vực thử nghiệm tại thành phố Bắc Giang đã được thành

lập dựa trên nguồn dữ liệu Lidar năm 2007 và các nguồn tài liệu bổ trợ như là

bản đồ địa chính và bình đồ ảnh trực giao hàng không tỷ lệ 1/2000… đã thể

80

hiện, mô phỏng các đối tượng 3D một cách trực quan, rõ ràng đặc biệt là đối với

các đối tượng là nhà cửa, đảm bảo các thông tin thuộc tính như độ cao nhà, chu

vi, diện tích nhà... Tuy nhiên để thể hiện các đối tượng nhà cửa ở mức độ chi tiết

cao hơn, gán với các hình ảnh thật ngoài thực địa và điều tra bổ sung các thông

tin thuộc tính về kiểu nhà, số tầng nhà… đòi hỏi rất nhiều công sức và thời gian

mà trong phạm vi của đề tài này, tác giả chưa thể mô phỏng được toàn bộ 1474

ngôi nhà 3D có gán hình ảnh thật. Ngoài ra, các ký hiệu như cây cối, thực vật

nói chung cũng cần rất nhiều thời gian, công sức để lấy các hình ảnh thật phục

vụ việc thể hiện đối tượng thì bản đồ 3D sẽ được thể hiện hiệu quả hơn. Mặc dù

vậy, sản phẩm đã đáp ứng được toàn bộ nội dung của bản đồ 3D cần thể hiện ở

mức độ khái quát.

Kiến nghị

Với một số ưu điểm vượt trội của công nghệ Lidar so với các công nghệ

khác hiện nay, đề nghị ứng dụng rộng rãi hơn nữa công nghệ này trong việc

thành lập bản đồ 3D các khu vực đô thị.

Ngoài ra, bản đồ 3D là một sản phẩm mang lại hiệu quả sử dụng cao cho

rất nhiều ứng dụng khác nhau, đặc biệt là cho công tác quản lý, quy hoạch và

phát triển đô thị, do đó cần nghiên cứu hoàn thiện quy trình hơn nữa phục vụ

phát triển kinh tế xã hội.

Đối với quy trình thành lập bản đồ 3D hiện nay, trong đó việc thể hiện các

khối nhà vẫn chủ yếu dựa vào ranh giới được vẽ (số hóa) từ ảnh hàng không trực

giao hoặc từ bản đồ địa chính để dựng nên các khối nhà, cần nghiên cứu hoàn

thiện việc nhận dạng và vector hóa tự động cũng như mô hình hóa tự động các

khối nhà 3D.

Qua sản phẩm thử nghiệm là 1 mảnh bản đồ 3D tỷ lệ 1/2000 tại thành phố

Bắc Giang, tác giả nhận thấy sản phẩm đảm bảo độ chính xác theo yêu cầu của

tỷ lệ bản đồ cần thành lập. Ngoài ra, sản phẩm bản đồ 3D rất có ý nghĩa sử dụng

trong thực tế, sản phẩm có thể giúp cho các nhà quản lý đô thị phân tích, đưa ra

81

các phương án quy hoạch một cách chi tiết hiệu quả hơn rất nhiều so với việc sử

dụng bản đồ 2D truyền thống. Do đó, dựa trên nguồn dữ liệu Lidar, bản đồ địa

chính và tư liệu ảnh hàng không đã có, nên thành lập bản đồ 3D cho toàn bộ

thành phố để nâng cao hiệu quả trong công tác quản lý, quy hoạch phát triển đô

thị tại thành phố Bắc Giang phục vụ phát triển kinh tế xã hội.

82

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Nguyễn Thị Thục Anh, Nghiên cứu thử nghiệm thành lập bản đồ địa hình

3D, Trung tâm Viễn thám quốc gia, Bộ Tài nguyên và Môi trường.

2. Lương Chính Kế, Thành lập DTM bằng công nghệ Lidar, Tạp chí Viễn

thám và địa tin học, Tr.20-27.

3. Phan Văn Lộc, Tự động hóa đo ảnh, Bài giảng cho NCS và HVCH, Đại

học Mỏ - Địa chất, Hà Nội.

4. Công ty Đo đạc ảnh địa hình, Báo cáo kết quả tích hợp hệ thống máy ảnh

số và Lidar Harrier 56 tại Việt Nam.

5. Liang Chen Chen, Tee-Ann Teo, Jiann-Yeo Rau, Jin-King Liu, Wei-

Chen Hsu, Buiding reconstruction from Lidar data and Aerial Imagery,

Taiwaan.

6. R.O.C. Tse, M. Dakowicz, C.M. Gold, and D,B. Kidner, Building

reconstruction using Lidar data, GIS Reseach Center, School ò Comuting,

University of Glamorgan, Pontỷpidd, CF37 IDL, Wales, UK.

7. G. Prisestnall, J. Jaafar, and A. Duncan, Extraction of Urban Features

from Lidar Digital Surface Models, Computers, Environment $ Urban

Systems, Vol. 24, pp.65-78.

8. Rottensteiner, F, Trinder, J., Clode, S. and Kubik, K . Fusing Airborne

Laser Scanner Data and Aerial Imagery for the Automatic Extraction of

Buildings in Densely Built-up Areas, Proceedings of XXth Congress of

ISPRS, Istanbul, Turkey, 12-23 July, pp. 512-517

9. Fritsch, D. 3D Building Visualisation – Outdoor and Indoor

Applications, Photogrammetric Week ’03, pp. 281-290

10. Molenaar, M, A Formal Data Structure for Three Dimensional Vector

Maps, Proceedings, 4th International Symposium on Spatial Data

handling, Zỹrich, Vol 2, pp. 830-843.

83

PHỤ LỤC

Một số hình ảnh thực địa tại khu vực thành phố Bắc Giang tháng 12 năm 2010.

84