Embed Size (px)
Citation preview
ỨNG DỤNG HỆ THỐNG BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI CÓ ĐIỀU KHIỂN ĐỂ THÀNH LẬP BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH TỶ LỆ 1/500
TS.VŨ VĂN CHẤT
Tóm tắt: Bài báo nói về phương pháp đo vẽ bản đồ địa hình khu du lịch nghỉ dưỡng tại xã Tiến Thành, Thành phố Phan Thiết, tỉnh Bình Thuận bằng Hệ thống bay không người lái có điều khiển Swinglet CAM của Thụy sỹ tỷ lệ 1:500.Từ khóa: Hệ thống bay không người lái có điều khiển (UAS), thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ 1:500.
MỞ ĐẦUĐất nước Việt nam của chúng ta đang phát triển rất nhanh trong lĩnh vực du lịch
và nghỉ dưỡng. Những khu vực này thường là diện tích nhỏ từ vài chục đến vài trăm hecta, nằm ở ven biển hay núi cao, cần phải đo đạc thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn 1:500 để quy hoạch, thiết kế, giải phóng đền bù… trong thời gian ngắn.
Trên thế giới việc ứng dụng các UAS để thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn đã được ứng dụng từ khi xuất hiện, đặc biệt sau khi có công nghệ đo vẽ ảnh số. Ở Việt nam bắt đầu từ những năm 2010 đã có những sản phẩm được làm từ các thiết bị bay trong các đơn vị quân đội. Thiết bị UAS MD4-1000 của Cục Bản đồ BTTM đã thử nghiệm làm bản đồ đo vẽ trên trạm ảnh số và nhiều điểm đo khống chế ảnh được triển khai năm 2013[2].
Công nghệ đo đạc thành lập bản đồ địa hình truyền thống các khu vực nhỏ thường dùng máy toàn đạc, GPS, RTK … để đo rất tốn kém thời gian và công sức.
Để triển khai công việc được nhanh chúng tôi đã ứng dụng thiết bị bay chụp ảnh không người lái Swinglet CAM của Thụy sỹ(1), và triển khai tại khu nhà nghỉ dưỡng biệt thự và liên kề sân vườn tại xã Tiến Thành, TP Phan Thiết, tỉnh Bình Thuận.
1. GIỚI THIỆU VỀ THIẾT BỊ BAY CHỤP ẢNH KHÔNG NGƯỜI LÁI SWINGLET CAM
1.1 Những đặc tính cơ bản của hệ thống Swinglet CAMSwinglet CAM là giải pháp hoàn chỉnh cho công nghệ đo vẽ ảnh số lập bản đồ, là
một hệ thống đồng bộ về thiết bị, bao gồm thiết bị bay, máy ảnh số, GPS, thiết bị điều khiển mặt đất, phần mềm lập kế hoạch bay, phần mềm xử lý kết quả bay chụp. Tất cả chúng đều tính toán tự động để tạo ra sản phẩm đầu cuối.
Thiết bị bay được chế tạo từ xốp hoạt tính, có độ bền cao, chịu được ảnh hưởng của điều kiện thời tiết khắc nghiệt. Sải cảnh dài 80cm, nặng 0,5kg là thiết bị bay nhẹ nhất trên thị trường hiện nay, cũng đồng nghĩa với độ an toàn cao nhất, có thể dễ dàng cất cánh bằng tay không cần thiết bị nâng đỡ phụ trợ nào khác. Hệ thống pin Lithium Polymer nhẹ, an toàn với môi trường, có thể bay 30 phút cho mỗi lần cất cánh, với tốc độ 36km/h (10/s), chịu được sức gió 25km/h (7m/s). Tín hiệu điều khiển, truyền số liệu Radio tần số 2.4GHz lên tới khoảng cách 1km. Trong điều kiện mất tín hiệu Radio link, cũng không có ảnh hưởng lớn, vì toàn bộ số liệu thu nhận trong quá trình bay được lưu trữ trên bộ nhớ của thiết bị bay và thẻ nhớ của máy ảnh. Swinglet CAM là loại máy bay cánh bằng sử dụng 1 động cơ điện gắn phía sau, có chức năng tránh khẩn cấp, motor có thể đẩy ngược giảm tốc cho phép hạ cánh trong khoảng cách 50m rộng 40m, có đủ các giải pháp quản lý chuyến bay cần thiết đảm bảo an toàn.
-------------------Ts. Vũ Văn Chất, Cục Bản đồ Bộ Tổng Tham Mưu, Số 2 Ngõ 198, Phố Trần Cung, Cổ
nhuế, Hà Nội. Điện thoại: 0963933968, email: [email protected]
Hình 1: Hệ thống thiết bị bay không người lái Swinglet CAMPhần mềm lập kế hoạch bay, cũng là phần mềm điều khiển trong quá trình bay
chụp. Các tuyến bay tự động được tính toán khi có các thông số về khu đo như: phạm vi bay chụp, độ phân giải ảnh (chiều cao bay chụp), độ phủ ảnh. Có thể tự động xác định độ cao bay thay đổi theo bề mặt địa hình dựa trên dữ liệu độ cao SRTM 90m miễn phí trên mạng hoặc dữ liệu độ cao được cung cấp bởi người dùng. Có thể mô phỏng quá trình bay chụp trước khi bay ngoài thực địa để kiểm tra tiến trình cất, hạ cánh. Kết quả mô phỏng có thể mở bằng phần mềm Google Earth trong không gian 3D để quan sát trực quan. Trong quá trình bay chụp tự động vẫn có thể điều khiển thực hiện lệnh khẩn cấp như hạ cánh hoặc quay về vị trí xuất phát.
Phần mềm xử lý kết quả bay chụp được thiết kế chặt chẽ từ khâu tính toán bình sai khối tam giác ảnh đến nắn ảnh, ghép khối ảnh tự động. Đồng thời nó cũng cho phép tính toán nhanh để kiểm tra chất lượng ảnh ngay tại thực địa chỉ trong một vài phút với chất lượng hình ảnh đạt 25% ảnh gốc.
1.2 Máy chụp ảnh của Swinglet CAMSwinglet CAM sử dụng máy ảnh nhỏ CanonIXUS 127HS, được hãng Sensefly đặt
hàng chuyên để chụp ảnh hàng không, có thế xác định các yếu tố đo ảnh, định hướng. Độ phân giải 16MP, tiêu cự 4.3mm, độ phân giải mặt đất có thể đạt đến 3cm ở độ cao bay khoảng 100m
1.3 Phần mềm xử lý số liệu Postflight Terra 3DTrong công nghệ đo vẽ ảnh số hàng không truyền thống, việc đo vẽ bằng tay trên
mô hình lập thể tốn rất nhiều thời gian công sức, đặc biệt với chụp ảnh bằng máy ảnh nhỏ, số lượng mô hình lớn, diện tích phủ nhỏ. Tuy nhiên với khả năng tự động hóa cao, thuật toán chặt chẽ, phần mềm Postflight Terra 3D hoàn toàn tự động trong công tác tăng dày, nắn ảnh trực giao thực (TrueOrtho), tạo dữ liệu độ cao đám mây điểm (Point clouds) và mô hình số bề mặt (DSM), vì vậy sẽ tăng độ chính xác và giảm rất nhiều thời gian công sức. Sản phẩm đầu ra đa dạng, đáp ứng được nhiều mục đích sử dụng, đặc biệt với dữ liệu độ cao đám mây điểm, có thể kết hợp với các nguồn dữ liệu đám mây điểm của thiết bị quét Laser mặt đất để tạo một khối dữ liệu đầy đủ từ trên không đến mặt đất trong không gian 3D.
Tăng dày khống chế ảnh dựa trên nguyên lý tăng dày chùm tia, tự động nhận dạng điểm ảnh cùng tên và liên kết khối, với sự đổi mới áp dụng độ phủ lớn từ 70% đến 90% cho phép tạo khối tăng dày vững chắc, chặt chẽ, chính xác cao.
2. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ BAY CHỤP ẢNH BẰNG SWINGLET CAM2.1 Chuẩn bị kế hoạch bay- Xác định phạm vi bay chụp, sử dụng tài liệu có sẵn như bản đồ địa hình, ảnh vệ
tinh, mô hình số độ cao… để tham khảo lựa chọn sơ bộ vị trí cất cánh hạ cánh.- Khảo sát thực địa chọn vị trí cất cánh và hạ cánh nơi đo, yêu cầu khu vực có bán
kính khoảng 30m địa hình bằng phẳng, có thể nền cỏ, cây bụi, đất đá dăm.- Thiết kế tuyến bay bằng phần mềm Emotion2. Tùy thuộc vào yêu cầu về độ
chính xác và tỷ lệ thành lập bản đồ để xác lập các thông số bay cho phù hợp. Đối với khu vực mỏ,vì địa hình có thay đổi lớn về độ cao, nên bay theo dáng địa hình để đảm bảo đồng nhất về tỷ lệ ảnh (hay độ phân giải ảnh) trên toàn khu bay. Thông thường bay với độ phân giải 6cm; độ phủ 80%-80%; độ cao bay 200m/ATO
- Thời gian bay: Mỗi chuyến bay không quá 30 phút - Diện tích phủ khoảng từ 1,5km2 đến 6km2
- Đo 3 đến 5 điểm khống chế ảnh.2.2 Bay chụp:
- Sau khi thiết kế xong sơ đồ bay chụp, kết nối bộ điều khiển Radio link vào máy tính thông qua cổng USB trên máy tính.
- Đo tốc độ gió, xác định hướng gió. - Cất cánh bằng tay, không cần thiết bị phụ trợ nào khác.- Swinglet Cam sẽ tự động bay đến các vị trí Way points (điểm đầu tuyến) để
chụp ảnh. Kết thúc quá trình chụp ảnh, Swinglet Cam tự động quay về vị trí cất cánh (Take off) để hạ cánh.
Một số độ cao bay chính - 140m (độ phân giải ảnh 5cm/pixel) 1 ảnh 0.03km2 (3ha) và 1 lần bay chụp
1.5km2 (150ha)- 280m (độ phân giải ảnh 10cm/pixel) 1 ảnh 0.12km2 (12ha) và 1 lần bay chụp
4km2 (400ha)- 840m (độ phân giải ảnh 30cm/pixel) 1 ảnh 1.07km2 (107ha) và 1 lần bay chụp
10km2 (1000ha)3. CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT CƠ BẢN THỰC HIỆN TẠI KHU ĐOThời gian thực hiện: Bắt đầu 22/3/2014 Diện tích đã chụp ảnh: 174,8 haDiện tích đã đo vẽ bản đồ: 73,5 ha (phủ trùm 59,2 ha yêu cầu)Số lượng mảnh bản đồ đã thành lập: 10 mảnhTỷ lệ bản đồ: 1/500Khoảng cao đều đường bình độ cơ bản: 0,5mHệ tọa độ tham chiếu: VN2000, kinh tuyến trục 108o30’
Chiếu hình Tranverse Mecator, múi 3o,k=0.9999Khuôn dạng dữ liệu số bản đồ: MicroStation V7, AutoCAD V2004Khuôn dạng dữ liệu bình đồ ảnh: GeoTIFFĐộ chính xác bản đồ: Đạt yêu cầu
Hình 2. Sơ đồ chia mảnh khu vực đo3.1 Đánh dấu mốc và đo lưới khống chế ảnh
Lưới khống chế ảnh được thiết kế gồm 9 điểm, trong đó các điểm từ KCA1 đến KCA7 là điểm khống chế nằm ở rìa khối bay, các điểm KCA8 và KCA9 đóng vai trò là các điểm kiểm tra.
Dấu mốc khống chế ảnh được đánh dấu bằng bìa cứng, cố định bằng cọc gỗ và đinh ghim, hình chữ thập với kích thước mỗi cánh 40x15cm.
Hình 3. Ảnh dấu mốc bay chụp và thiết bị GPS để đo toạ độĐiểm gốc khởi tính tọa độ cho lưới là 2 điểm địa chính cơ sở hạng IV quốc gia số
hiệu 93724 và 937427:SHD X(m) Y(m) h(m)93724 1201244.998 175023.792 102.770937427 1198075.372 172830.780 122.846
Công tác đo nối được thực hiện bằng GPS với 3 máy Trimble GeoXT, thời gian đo 30 phút/đợt. Đồ hình đo nối là dạng chuỗi tam giác. Chương trình xử lý bình sai là Trimble Total Center.
Hình 4. Sơ đồ đo nối lưới khống chế ảnh3.2 Bay chụp ảnh hàng không
Thời gian chụp ảnh là ngày 23/3/2014 trong điều kiện thời tiết bằng có mây, gió nhẹ (trung bình 7m/s). Phương tiện sử dụng hệ thống máy bay chụp ảnh không ngưới lái Swinglet CAM của hãng SenseFly (Thụy Sĩ) với máy chụp ảnh số CANON IXUS 127. Phần mềm thiết kế và điều khiển chụp ảnh là E-Motion2, phần mềm xử lý ảnh là Postflight Terra3D.
Số lượng ảnh chụp: 313 ảnhĐộ phân giải: 4cm/pixelKích thước ảnh: 4068x3056 pixelSố chuyến bay: 2 chuyếnSố tuyến chụp: 18 tuyến
Hình 5. Thiết kế bay bằng phần mềm Emotions3.3 Điều tra thông tin tại thực địa
Các thông tin thuộc tính nhằm cung cấp bổ sung cho quá trình thành lập bản đồ được điều tra ngay tại thực địa đồng thời với quá trình bay chụp và đo khống chế ảnh. Các thông tin này gồm tên địa danh (thôn, xã, huyện, tỉnh), tên đường giao thông, chất liệu trải mặt, loại cây trồng (độ cao và đường kính thân cây), các loại mốc ranh giới, mốc quy hoạch, móc chỉ giới giao thông v.v...
Hình 6. Một ảnh chụp trong khu đo3.4 Tính toán tăng dày, lập mô hình số đô cao và bình đồ ảnh
Công việc đo nối liên kết xây dựng lưới tam giác ảnh không gian, tính toán bình sai, lập mô hình số đô cao và lập bình đồ ảnh được phần mềm Postflight Terra3D thực hiện tự động. Việc can thiệp bằng tay chỉ phải thực hiện đối với các điểm khống chế mặt đất và một số mô hình có thực phủ phức tạp.
Sai số tồn tại tại các điểm khống chế ảnh và điểm kiểm tra:
Sai số trung phương mặt phẳng tại các điểm kiểm tra là 0,047m tương đương 0,1mm trên bản đồ, sai số trung phương về độ cao tại các điểm kiểm tra là 0,17m tương đương 1/3 khoảng cao đều. Các chỉ số trên đạt yêu cầu theo “Quy phạm đo vẽ bản đồ địa hình tỷ lệ 1/500, 1/1.000, 1/2.000, 1/5.000 - 96 TCN 4390, Tổng cục Địa chính 1990.3.5 Số hóa, biên tập bản đồ
Công việc số hóa biên tập bản đồ được thực hiện bằng phần mềm MicroStation/IRASC với bộ ký hiệu số tuân theo quyển “Ký hiệu bản đồ địa hình tỷ lệ 1/500 - 1/5.000” do Tổng cục Địa chính xuất bản năm 1995.
Chia mảnh bản đồ thực hiện theo phương thức chia mảnh tự do với kích thước mảnh 70x70cm để tối ưu hóa số lượng bản vẽ trên giấy.
Hình 7. Bình độ ảnh
Hình 8. Mô hình số bề mặt DSM
Hình 9. Bản đồ địa hình tỷ lệ 1/500 khu đoKẾT LUẬNSản phẩm từ kết quả bay chụp trong khoảng 40 phút và tính toán trong 4 giờ cho
thấy hệ thống thu nhận ảnh sử dụng thiết bị bay không người lái có thể đáp ứng được công tác thành lập bản đồ tỷ lệ lớn tỷ lệ 1/500 các khu vực du lịch nghỉ dưỡng nhanh với giá thành hợp lý.
Kết quả có thể đưa ra nhiều định dạng khác khau để sử dụng trong các phần mềm chuyên ngành như: ArcGIS, GlobalMapper, Quantum GIS, Solidworks, AutoCAD…
Tài liệu tham khảo1. https://www.sensefly.com/drones/swinglet-cam.html 2. http://ledaingoc.blogspot.com/2013/04/ung-dung-thiet-bi-bay-khong-nguoi-
lai.html
3. www.facebook.com/vsensefly
Summary: APPLICATIONS UNMANNED AERIAL SYSTEM TO ESTABLISH
TOPOGRAPHIC MAP 1/500
Dr.Ph. Vu Van Chat(Defense Mapping Agency of Vietnam, No. 2, Lane 198, Tran Cung,
Co Nhue, Hanoi, * [email protected])
The paper about method of mapping open area resort and tourist using unmanned aircraft system (UAS) named Swinglet CAM of Switzerland in Tien Thanh, Phan Thiet City, BiVnh Thuan Province at scale 1:500. Thanks VsenseFly GSG.[3]Keywords: unmanned aircraft system, the mapping open area 1:500.
