Tin tức

Ứng dụng công nghệ Lidar thành lập bản đồ 3D 01/12/2017

0
Từ những năm 90 của thế kỷ 20, công nghệ Lidar bắt đầu được sử dụng để phục vụ công tác nghiên cứu và khảo sát đặc điểm địa hình bề mặt trái đất. Có thể nói, đây là bước đột phá trong lĩnh vực đo đạc bản đồ.



Ở Việt Nam, một số đơn vị trực thuộc Bộ Tài nguyên và Môi trường Tổng Công ty Tài nguyên và Môi trường, Trung tâm Viễn thám Quốc gia,... kết hợp với các đơn vị ở nước ngoài có thiết bị thu nhận dữ liệu Lidar đã tiến hành nghiên cứu ứng dụng thử nghiệm tại Cần thơ, Bắc Ninh, Bắc Giang, Nam Định, Thái Bình, Hưng Yên, Phủ Lý. Kết quả thử nghiệm tại Việt Nam cho thấy công nghệ Lidar có những tính năng vượt trội rõ rệt so với các công nghệ truyền thống, độ chính xác của các điểm độ cao của mô hình số địa hình có thể đạt tới 0,15m đến 1m. Lidar có thể tạo được mô hình số địa hình với độ chính xác về độ cao rất tốt.

Lidar có thể biểu diễn chi tiết địa hình bề mặt trái đất ở những khu vực có đặc điểm địa hình phức tạp, cây che phủ và dữ liệu Lidar có thể thu nhận được và không phụ thuộc vào thời gian (có thể thu nhận cả ngày và đêm) trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt. Hệ thống Lidar sẽ phát huy hiệu quả cao khi thi công ở những vùng sâu, vùng xa, vùng khó khăn về giao thông, địa hình phức tạp và cần thời gian ngắn.

Bản đồ không gian ba chiều (3D) bao gồm nền mô hình số địa hình, các đối tượng địa hình và địa vật dạng vector được gắn kết với các thuộc tính và được hiển thị trong không gian ba chiều. Vì vậy, thông tin trên bản đồ 3D được đánh giá là giải pháp có ưu thế hơn hẳn so với bản đồ không gian hai chiều (2D) truyền thống.

Để có được độ chính xác cao cho các đối tượng trên bản đồ thì nguồn dữ liệu thu nhận từ công tác bay quét Lidar được đánh giá là giải pháp tối ưu nhất.

Với những ưu thế và hiệu quả của việc xây dựng bản đồ không gian ba chiều phục vụ 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 nghiên cứu ứng dụng công nghệ Lidar để xây dựng bản đồ không gian ba chiều là rất cần thiết trong thời điểm hiện nay.

2. Cơ sở phương pháp luận và các ứng dụng của công nghệ Lidar

a) Khái niệm và bản chất của công nghệ Lidar

Công nghệ quét laser từ máy bay (Airborne Laser Scanning) hay còn gọi là Lidar (Light Detection And Ranging) là một công nghệ mới được áp dụng tại Việt Nam. Đây là công nghệ cho phép đo đạc độ cao chi tiết của địa hình một cách nhanh chóng và chính xác với mật độ các điểm dày đặc. 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.

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.

Hệ thống Lidar xác định được tọa độ các điểm trong không gian ba chiều X,Y, Z) bằng việc xác định 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 bằng hệ thống IMU) và hệ tọa độ GPS lựa chọn tại thời điểm quét laser .

b) Cơ sở toán học và độ chính xác b

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. Do vậy cần thiết phải tính chuyển tọa độ từ hệ tọa độ đặt máy quét Lidar sang hệ tọa độ đã được lựa chọn. Sơ đồ vector sau minh họa việc xác định tọa độ của điểm Lidar như hình 1.
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.
Với hai hệ tọa độ: hệ tọa độ được lựa chọn
GXYZ; và hệ tọa độ đặt máy quét Lidar Suvt.

Các dữ liệu quét bằng tia laser bao gồm: Dữ liệu mặt đất (các điểm nằm trên mặt đất); Dữ liệu các điểm không nằm trên mặt đất như các điểm nằm trên cây, mái nhà, dây điện;… và dữ liệu ảnh cường độ phản xạ của tia laser cho phép nhận dạng địa vật một cách tương đối rõ
nét.

Về 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 cácthông số định hướng giữa hệ thống IMU vàđiểm đặt anntena trên máy bay, độ chính xác cơsở trắc địa.c) Khả năng ứng dụng của công nghệ Lidarvà bản đồ 3D- Ứng dụng trong công tác thành lập bản đồđịa hìnhHiện nay, bản đồ địa hình tỷ lệ lớn là mộttrong những sản phẩm được thành lập nhiềunhất dựa trên công nghệ Lidar. Công nghệLidar cho phép lập mô hình số địa hình có độchính xác cao với thời gian nhanh chóng và ítphụ thuộc vào thời tiết, có thể bay quét Lidar cảngày lẫn đêm. Hiện nay, công nghệ Lidarthường được áp dụng cho công tác thành lậpbản đồ ở các tỷ lệ 1/1000, 1/2000 và 1/5000.

- Ứng dụng trong công tác khảo sát, thiết kế,giám sát công trìnhDữ liệu Lidar có thể được thu nhận trongkhoảng thời gian ngắn, có độ chính xác và độchi tiết rất cao phục vụ công tác khảo sát, đặcbiệt là khảo sát địa hình đạt hiệu quả cao. Kếtquả của sản phẩm Lidar phục vụ khảo sát, thiếtkế, giám sát công trình giúp cho việc tính toánkhối lượng đào đắp, lên kế hoạch giải tỏa, đềnbù sát với điều kiện thực tế hơn và bố trí cácphương án, phương tiện thi công hiệu quả

- Ứng dụng trong công tác thiết kế, quyhoạch, phát triển đô thịThiết kế - qui hoạch là một trong nhữnglĩnh vực rất cần mô hình chi tiết. Từ thiết kếtuyến giao thông đô thị, hệ thống công trìnhcông cộng đến thiết kế nhà máy thuỷ điện,...đều cần đến các thông tin chính xác về bề mặtđịa hình để nghiên cứu tình trạng hiện thời, tínhtoán khối lượng đào đắp nhằm đưa ra phươngán tối ưu, lên kế hoạch giải toả và tái định cư,hiển thị mô hình thiết kế, lấy ý kiến đóng góp,trình duyệt,...

Ngoài ra, công nghệ Lidar còn được ứngdụng trong công tác phòng ngừa, đánh giá vàgiám sát thiên tai, và nhiều ứng dụng khác trongcác lĩnh vực viễn thông, quân sự, du lịch, giáodục và hàng không.1173. Khái quát chung về khu vực thửnghiệma) Đặc điểm chungKhu vực TP. Bắc Giang nằm trong phạm vi:- Từ 21 ◦15'37,5” đến 21 ◦19'22,5” độ vĩ Bắc.- Từ 106◦08'15” đến 106◦13'44,5” độ kinhĐông.Khu vực thử nghiệm nằm trong phạm vimảnh bản đồ địa hình tỷ lệ 1/2.000, có phiênhiệu mảnh là F-48-69-102-a.

Tại khu vực nàycó địa hình đồi núi xen kẽ đồng bằng và cáckhu dân cư ven đồi, ven đường giao thông.Trong phạm vi khu vực thử nghiệm có khoảng1500 nóc nhà.Khu vực Bắc Giang đang được đầu tư xâydựng nhiều khu công nghiệp liên doanh vớinước ngoài.

Khu vực đô thị ngày càng được mởrộng và các khu dân cư ngoại thành đang pháttriển theo hướng tập trung, đô thị hóa.b) Các thông tin tư liệu trong khu vực thửnghiệmCác thông tin tư liệu trong khu đo bao gồm:

- Điểm tọa độ Nhà nước hạng I: 10402, 47điểm địa chính cơ sở;Tuyến độ cao hạng I bao gồm: I (LS-HN)21, 24, 25, 27, 29, 30, 33 và một số tuyến độcao hạng III khác;- Các tư liệu bản đồ địa hình: Bản đồ địahình tỷ lệ 1/250.000 theo lưới chiếu UTM in lạinăm 1991;

Bản đồ địa hình tỷ lệ 1/50.000 in lạinăm 1978 gồm các mảnh: 6251 -I,II,III,IV,6250-III; Bản đồ địa hình tỷ lệ 1/50.000 thànhlập năm 2000. Bản đồ được số hoá, chuyển hệvà hiện chỉnh từ bản đồ tỷ lệ 1/50.000, gồm cácmảnh: F-48-69-A,B,C.Các điểm tọa độ, độ cao nêu trên đảm bảocho việc sử dụng làm điểm gốc để đo nối tọađộ, độ cao phục vụ bay quét Lidar. Dữ liệu bảnđồ địa hình tỷ lệ 1/50.000 khu đo được sử dụnglàm tài liệu khi thiết kế [4].118c)

Quy trình và hệ thống máy quét Lidar sử dụng trong khu vựcKhảo sát, lập thiết kế kỹ thuậtĐo 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 ảnhsốXử 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 phảibề mặt đất (Non-ground).
- Tạo ảnh cường độ.- Xây dựng DEM sơ bộ.- Nắn ảnh thẳng đứng (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.
- Nhận dạng, xây dựng mô hình 3D nhà cửa.
- Kiểm tra nghiệm thu
.- Đóng gói, giao nộp sản phẩm.Hình
2. Quy trình công nghệ thành lập bản đồ 3D từ dữ liệu Lidar1174.

Phương pháp nghiên cứua) Phương pháp LidarGiải pháp công nghệ quét laser đặt trênmáy bay
- Airborne Laser Scanning (ALS) haycòn gọi là LIDAR có thể thành lập DTM với độchính xác rất cao từ 0,15m - 0,50 m.

Với khảnăng thành lập cả mô hình số địa hình (DTM)lẫn mô hình số bề mặt (DSM) công nghệLIDAR đặc biệt tỏ ra hữu ích khi được ứngdụng tại các vùng mà các phương pháp khác tỏra kém hiệu quả, chẳng hạn các vùng rừng,vùng cửa sông, đụn cát, vùng đất ngập nướchay quản lý vùng bờ và đặc biệt là có mức độchi tiết cao để thực hiện xây dựng bản đồ 3Dkhu vực đô thị.

Đặc biệt trong trường hợp cầnxây dựng mô hình đô thị trong một thời gianngắn bao gồm cả mô hình bề mặt mặt đất và cảmô hình nhà cửa với hình dạng chi tiết của máinhà (roof shape).Trong các ứng dụng dạng này, người tathường kết hợp dữ liệu laser với các tài liệukhác trong quá trình thành lập bản đồ 3D như:các dữ liệu GIS có sẵn về khối nhà, ảnh hàngkhông và vệ tinh để có thể đạt được kết quả tốtnhất.b) Thành lập bản đồ địa hình 3D từ cácnguồn ảnh viễn thám khácNgoài ảnh máy bay thường dùng (ảnhquang học chụp từ các máy ảnh truyền thốngdùng phim và gần đây là các máy ảnh số), ảnhviễn thám rất đa dạng, có thể phân loại thànhhai nhóm chính là các loại ảnh vệ tinh và ảnhlaser với đầu thu đặt trên máy bay.

Thông thường, ảnh được sử dụng làm nền để số hóacác dữ liệu vector, các thông tin chi tiết về hìnhdạng và tính chất của các đối tượng nằm trênmặt địa hình, ảnh trực giao để phủ lên mô hìnhsố địa hình tạo ảnh thực bề mặt mặt đất.

Độ phân giải của các loại ảnh viễn thámthay đổi từ vài dm đối với ảnh laser chụp từmáy bay đến trên dưới 1m với các ảnh vệ tinhquang học panchromatic độ phân giải cao; cácảnh vệ tinh quang học đa phổ và ảnh Radar cóđộ phân giải kém hơn, từ vài mét đến vài trămmét.

Độ phân giải cũng như khả năng đo vẽ lậpthể là các yếu tố quyết định các ảnh này có thểdùng để thành lập bản đồ tỷ lệ nào và sử dụngnhư thế nào.Với sự đa dạng về đặc điểm cũng nhưkhả năng ứng dụng của từng loại ảnh viễn thámcũng như tỷ lệ bản đồ 3D cần thành lập, khó cóthể đưa ra một qui trình chính xác và chi tiết.Tuy nhiên qui trình thành lập này có rất nhiềuđiểm tương tự qui trình thành lập bản đồ 3D từảnh máy bay.

Trong nhiều trường hợp, ảnh viễn thámchỉ được sử dụng ở một công đoạn nhất định đểthu thập một trong những nội dung cần thiếtcho bản đồ 3D như dùng để tạo mô hình số địahình và bổ trợ cho việc xác định ranh giới cácđịa vật.

Ngoài ra, có thể kết hợp với khu vực cósẵn mô hình số địa hình và dữ liệu vector thìảnh vệ tinh quang học đa phổ có thể được nắntrực giao sử dụng mô hình số địa hình và dùnglàm ảnh phủ bề mặt.Đối với ảnh vệ tinh quang học độ phângiải cao như Ikonos, Quickbird hay Spot5, độphân giải trên dưới 1m, độ che phủ lớn và cóthể đo vẽ lập thể thì qui trình thành lập bản đồ3D tương tự như phương pháp dùng ảnh máybay.1185.

Công tác bay quét và xử lý dữ liệuLidara) Một số chỉ số đối với công tác bay quétCông tác bay quét phải đáp ứng đầy đủ cácyêu cầu kỹ thuật đối với đo điểm trạm Base, đobãi hiệu chỉnh mặt phẳng và độ cao, đo lướikhống chế cơ sở, đo chi tiết bãi hiệu chỉnh mặtphẳng và độ cao cùng các thông số và quy địnhkhác dành cho công tác bay chụp.Để đảm bảo độ chính xác yêu cầu trongcông tác bay quét LiDAR, mỗi khu bay chụpphải có các bãi hiệu chỉnh mặt phẳng và độcao.

Bãi hiệu chỉnh cho các khu bay ở BắcGiang được thiết kế như sau với 3 bãi hiệuchỉnh, trong đó: 2 bãi hiệu chỉnh cả mặt phẳngvà độ cao, bãi thứ 3 chỉ hiệu chỉnh về mặtphẳng.Khu bay Bắc Giang thiết kế 6 điểm khốngchế : GPS48; GPS49; GPS50; GPS51; GPS56;GPS57. Riêng đối với 2 điểm GPS48, GPS49thiết kế phục vụ hiệu chỉnh mặt phẳng nênkhông tiến hành đo nối độ cao hạng IV.

Tại mỗi bãi hiệu chỉnh xác định tọa độ, độcao tối thiểu 50 điểm hiệu chỉnh mặt phẳng vàđộ cao trên mặt đất và tối thiểu 5 đồ hình địavật sắc nét có sự tương phản khác biệt lớn vớicác địa vật xung quanh như nhà, sân, bãi cỏ. Cókhoảng 150 điểm được lựa chọn cho khu BắcGiang.Khu bay Bắc Giang có diện tích baychụp khoảng: 135km2 với 29 đường bay (trongđó có 22 đường bay chính và 7 đường bay bổsung), tổng chiều dài bay khoảng 300km, tổngsố giờ bay khoảng 8,5 giờ.Hình 3. Sơ đồ tuyến bay quét Lidar khu vựcthành phố Bắc Giangb) Xử lý dữ liệu LidarQuy trình xử lý dữ liệu Lidar bao gồm cóxử lý dữ liệu thô, kiểm tra độ phủ của dữ liệu;Xử lý số liệu GPS/IMU;

Xử lý nguyên tố định hướng ngoài (EO); Xử lý dữ liệu Laser, tạoDSM/DTM/ảnh cường độ xám. Việc xử lý dữliệu Lidar yêu cầu tuân thủ đúng theo các quyđịnh kỹ thuật xử lý dữ liệu.6. Xây dựng mô hình 3D khu vực thửnghiệma) Tạo mô hình số địa hình, bề mặtDữ liệu Lidar thu nhận được của khu vựcthử nghiệm sau khi xử lý kết hợp với chia táchcác tầng độ cao của mảnh bản đồ F-48-69-102atại khu vực thành phố Bắc Giang, chúng ta thunhận được dữ liệu mô hình số bề mặt và môhình số địa hình cùng với nhà cửa, các côngtrình xây dựng. Ở đây, dữ liệu mô hình số bềmặt bao gồm 1.345.195 điểm tọa độ, độ cao củatầng dữ liệu phản hồi đầu tiên (fist-echo); dữliệu tầng phản hồi sau cùng có 1.343.493 điểm(last-echo), trong đó sẽ bao gồm các điểm nằmtrên bề mặt thực địa và các điểm nằm trên bề119mặt các đối tượng cứng như nhà cửa, công trìnhxây dựng (không bao gồm các dữ liệu điểmnằm trên bề mặt cây cối…). Sau đó sử dụngmodule 3D Analyst của hệ thống phần mềmArcGIS để xây dựng mô hình số địa hình và môhình số bề mặt. Công việc này được tiến hànhbằng công cụ Creat TIN from feature nhằm lấygiá trị tọa độ và độ cao của tập hợp các điểmLidar thu nhận được để nội suy ra mô hình sốbề mặt và mô hình số địa hình.

4. Dữ liệu các tầng phản hồi và mô hình sốđịa hình, bề mặt.b) Nắn ảnh trực giaoẢnh hàng không được thu nhận trong quátrình bay quét Lidar được tiến hành nắn ảnhtrực giao chính xác TrueOrthophoto để hỗ trợcho công tác nhận dạng, phân tích đoán đọc cácđối tượng trên khu vực được được thuận lợi hơnvà phục vụ các công tác khác của việc thành lậpbản đồ 3D. Nắn ảnh trực giao chính xác cho tấtcả từng ảnh trong khu đo, số liệu đầu vào cầncó là: Mô hình số bề mặt DSM (độ phân phângiải 0.5 m), thông số định hướng ngoài của cáctấm ảnh (EO), ảnh đã phát triển. Kết quả choảnh nắn khuôn dạng của TOPPIT. Độ phân giảicủa ảnh nắn tối đa bằng 1/2 độ phân giải củaDSM (trong công trình này Pixel size = 0.25m). Sau đó lần lượt ghép các ảnh trong từng dảivới nhau, ghép các dải trong khu đo với nhau đểtạo thành một ảnh của cả khu bay (project).Bước cuối cùng là chương trình sẽ cắt ảnh ghépcả khu vực theo từng mảnh bản đồ và chuyểnđổi ảnh nắn sang dạng tif 16 bit.Hình 5. Ảnh trực giaoc) Phủ ảnh trực giao trên nền mô hình sốđịa hìnhHình 6. Bản đồ và ảnh trực giao phủ trên môhình số địa hình.Ảnh được phủ lên trên nền mô hình số địahình để tạo ra những nhận biết rất thực về khuvực. Để hiển thị được các ảnh này trong môhình lập thể của ArcScene chúng cần phải đượcnắn chỉnh về cùng hệ tọa độ với các nội đúngvector của bản đồ địa hình 3D.Ảnh trực giao khi phủ lên DTM làm nềncho người quan sát cảm giác địa hình khá ấn120tượng nhất là khi chuyển động trong không gianở độ cao tương đối lớn.d) Xây dựng các đối tượng nhà cửa, côngtrình xây dựng trên nền địa hình 3D.Trên bản đồ địa hình 3D, nhà có thể đượcthể hiện bằng các polygon đường viền chân nhàgắn thuộc tính độ cao nhà, độ chịu lửa. Độ caonày được thu thập từ kết quả của dữ liệu Lidarphản hồi cuối cùng (last-echo) như đã nêu ởtrên. Đầu tiên, lớp polygon nhà được phủ lênmặt DTM bằng công cụ Baseheight.Sau đó, các khối nhà được dựng lên bằngcông cụ Extrusion sử dụng độ cao nhà đã đượcxây dựng từ dữ liệu last-echo. Chọn smoothshading và hide backside cho việc chiếu sáng vàtạo bóng của các khối nhà. Trong trường hợpnày các chi tiết về hình dáng mái và các tầngtrên đều được khái quát hóa.Tuy nhiên, có thể chọn lọc một số khối nhàquan trọng có tính định hướng cao để thể hiệnchi tiết hơn giữa các nhà bình thường được hiểnthị theo nguyên tắc đơn giản nói trên. Với côngcụ 3D building có thể dựng khối nhà lên từfootprint và gán hình ảnh thật của các bề mặtnhà lên đó.Hình 7. Các khối nhà được thể hiện bằng côngnghệ 3D building.Để thực hiện việc thể hiện chi tiết khối nhà,trước hết cần chuẩn bị ảnh *.BMP của các bềmặt nhà và mái nhà. Các dữ liệu ảnh trên đượclấy từ ảnh hàng không trực giao và ảnh chụp tạithực địa. Có thể lặp lại việc gán ảnh bề mặtnhiều lần cho các nhóm nhà có hình ảnh bề mặtkhác nhau. Kết quả có thể cùng được lưu trữdưới dạng *.LYR là dạng dữ liệu mặc định củaArcScene. Cách thể hiện này đặc biệt phù hợpvới các nhà cao tầng của các khu đô thị [9].e) Thể hiện các đối tượng khác trên bản đồNgoài ra, các đối tượng khác được phủ lênmặt DTM cũng cần thiết phải tuân thủ quy địnhký hiệu và màu riêng, bao gồm có:- Thuỷ hệ và các đối tượng liên quan: Sônghai nét, sông một nét được phủ lên mặt DTMbằng công cụ Baseheight. Sông suối chảy theomùa được thể hiện bằng hai ký hiệu khác nhau.+ Đê điều: các chi tiết về độ chênh cao củađê được bổ sung vào DTM dựa trên các số liệucó được về đê như vị trí mặt đê, vị trí chân đê,độ cao mặt đê, tỷ cao đê.+ Cống được thể hiện bằng đoạn thẳng đặtvuông góc với kênh mương bằng màu đen. Cácthông tin về tên kênh mương, tên cống, thiết bịđiều tiết nước nếu có được gắn vào bảng thuộctính của cống.- Giao thông và các đối tượng liên quan:đường ô tô được thể hiện phần trải mặt đườngbằng ảnh thực của loại chất liệu, trục phântuyến, vỉa hè và được gắn các thuộc tính về tênđường, chất liệu rải mặt, độ rộng đường, độrộng phần trải mặt,.v..v.; đường đất nhỏ vàđường mòn;Các đối tượng dạng điểm liên quan nhưtrạm ghi, cột đèn hiệu, cột tín hiệu, cột cây số,biển chỉ đường nếu có cũng được dựng lên bằngcông cụ Plan tree trên mặt DTM [1].121- Các đối tượng kinh tế, văn hoá xã hộiTrên bản đồ 3D, ở mức độ chi tiết rất cao cóthể thể hiện các đối tượng kinh tế, văn hóa xãhội bằng mô hình 3D thực của đối tượng đượcchuẩn bị sẵn trong môi trường đồ họa. Ở mứcđộ chi tiết thấp hơn, các đối tượng văn hóa,kinh tế, xã hội có thể được thể hiện bằng côngcụ Plant tree sử dụng ảnh lấy từ các ký hiệumẫu của bản đồ địa hình 2D

- Đường dây điện và đường dây thông tinđược thể hiện độc lập bằng hai loại đối tượng:đối tượng dạng điểm thể hiện cột, được gắn cácthông tin thuộc tính về chiều cao cột, cột caothế hay hạ thế được điều tra từ thực địa;

Đườngdây tải điện đối tượng dạng đường đơn giảnđược gắn thuộc tính về loại đường: cao thế, hạthế; độ cao trung bình của đường dây; điện ápnếu có.Một đối tượng có nhiều điểm tương tự vớicác loại dây dẫn là ống dẫn. Ống dẫn được thểhiện là dạng đường, màu xám sẫm, gắn cácthuộc tính: tỷ cao, đường kính ống, vật liệu làmống, chất dẫn trong ống.

- Dáng đất, chất đấtDáng đất đã được thể hiện bằng mô hình sốđộ cao DTM và đường bình độ. Còn các thôngtin về chất đất được thể hiện bằng các đối tượngdạng vùng phủ lên mặt.- Thực vậtCác đối tượng thực vật có độ cao riêng thấpnhư cỏ, lúa, hoa màu... sẽ được thể hiện là đối tượng dạng vùng phủ lên mặt DTM.

Ở tỷ lệ lớn,các đối tượng thực vật có độ cao riêng lớn nhưrừng, hàng cây, cây độc lập có thể được thểhiện bằng các đối tượng dạng điểm

Hình ảnh cây cối thể hiện bằng công nghệ 3Dplant tree- Ranh giớiRanh giới hành chính các cấp, ranh giới khucấm, ranh giới sử dụng đất được thể hiện ngaytrên mặt DTM bằng hai ký hiệu. Một ký hiệuđược tạo ra từ linestyle phục vụ mục đích hiểnthị. Ký hiệu thứ hai được thể hiện bằng đườngđơn giản chạy liên tục, gắn các thuộc tính vềloại ranh giới, tên của các đơn vị hành chínhcác cấp nằm hai bên, tên của khu vực cấm đểphục vụ cho mục đích truy vấn thông tin.Các đơn vị hành chính thì được thể hiện ởdạng vùng bằng các Polygon được gắn cácthuộc tính như mã hành chính, tên riêng và mộtsố số liệu thống kê quan trọng của đơn vị hànhchính.- Ghi chúMột số ghi chú dạng số được sử dụng đểxác định kích thước hay vị trí hình học của đốitượng. Các thuộc tính này đều có thể được truycập bằng các công cụ query hay info củaArcScene. Hơn nữa các đối tượng địa hình khiđược dựng lên trong môi trường lập thể khá dàyđặc nên chỉ một số ghi chú quan trọng đượcchọn để thể hiện trong Scene của ArcScene.

Kết luận và đề xuấtCông nghệ Lidar phục vụ cho công tác lậpmô hình số địa hình (DTM) và bản đồ khônggian (3D) độ chính xác cao là một bước đột phátrong việc ứng dụng công nghệ và kỹ thuật tiêntiến để tạo lập các sản phẩm có chất lượng vàđộ chính xác cao đáp ứng các yêu cầu và nhiệmvụ phát triển kinh tế bảo vệ an ninh quốc phòngtrong giai đoạn hiện nay.Ứng dụng công nghệ Lidar lập bản đồkhông gian 3D mang lại hiệu quả kinh tế cao,đảm bảo độ chính xác và nâng cao năng suất laođộng, nâng cao chất lượng sản phẩm.Hệ thống công nghệ quét Laser mặt đấtLidar là thiết bị đặc biệt chuyên ngành chỉ cómột vài nhà sản xuất trên thế giới cung cấp. Dođó khi thực hiện cần dựa trên tình hình thực tếđể áp dụng các hệ thống Lidar sao cho phù hợpvới yêu cầu, mục đích.Công nghệ LIDAR cũng tỏ ra ưu việt hơncác công nghệ khác trong lập bản đồ 3D khuvực đô thị, đặc biệt trong trường hợp cần xâydựng mô hình đô thị trong một thời gian ngắnbao gồm cả mô hình bề mặt mặt đất và cả môhình nhà cửa với hình dạng chi tiết.

Trong cácứng dụng dạng này, người ta thường kết hợp dữliệu lidar với các tài liệu khác trong quá trìnhthành lập bản đồ 3D như: các dữ liệu GIS cósẵn về khối nhà, các ảnh hàng không và vệ tinhđể có thể đạt được kết quả tốt nhất.Bản đồ 3D được thành lập từ dữ liệu Lidarđem lại hiệu quả cao về nhiều mặt và đạt chấtlượng tốt. Đề nghị nghiên cứu, ứng dụng rộngrãi hơn nữa tại Việt Nam.References[1] Nguyễn Thị Thục Anh, Nghiên cứu thửnghiệm thành lập bản đồ địa hình 3D, Trungtâm Viễn thám quốc gia, Bộ Tài nguyên và Môitrường.[2] Lương Chính Kế, Thành lập DTM bằngcông nghệ Lidar, Tạp chí Viễn thám và địa tinhọc, Tr.20-27.[3] Phan Văn Lộc, Tự động hóa đo ảnh, Bàigiảng cho NCS và HVCH, Đại học Mỏ - Địachất, Hà Nội.[4] Công ty Đo đạc ảnh địa hình, Báo cáo kếtquả tích hợp hệ thống máy ảnh số và LidarHarrier 56 tại Việt Nam.[5] Liang Chen Chen, Tee-Ann Teo, JiannYeo Rau, Jin-King Liu, Wei-Chen Hsu,Buiding reconstruction from Lidar data andAerial Imagery, Taiwaan.[6] R.O.C. Tse, M. Dakowicz, C.M. Gold,and D,B. Kidner, Building reconstructionusing Lidar data, GIS Reseach Center, School òComuting, University of Glamorgan,Pontỷpidd, CF37 IDL, Wales, UK.[7] G. Prisestnall, J. Jaafar, and A. Duncan,Extraction of Urban Features from LidarDigital Surface Models, Computers,Environment $ Urban Systems, Vol. 24, pp.65-78.[8] Rottensteiner, F, Trinder, J., Clode, S.and Kubik, K. Fusing Airborne Laser ScannerData and Aerial Imagery for the AutomaticExtraction of Buildings in Densely Built-upAreas, Proceedings of XXth Congress ofISPRS, Istanbul, Turkey, 12-23 July, pp. 512-517123[9] Fritsch, D. 3D Building Visualisation –Outdoor and Indoor Applications,Photogrammetric Week ’03, pp. 281-290[10] Molenaar, M, A Formal Data Structurefor Three Dimensional Vector Maps,Proceedings, 4th International Symposium onSpatial Data handling, Zỹrich, Vol 2, pp. 830-843.

50 Ứng dụng quan trọng sử dụng dữ liệu LiDAR

Dữ liệu LiDAR là gì và ứng dụng của nó trọng cuộc sống. Trong bài này ta cùng tìm hiểu về 50 ứng dụng quan trọng của LiDAR đối với đời sống. Để đi vào vào chi tiết 50 ứng dụng quan trọng sử dụng ảnh LiDAR trước tiên ta cùng nhau đi tìm hiểu LiDAR là gì? Vậy để mở đầu với câu hỏi LiDAR là gì?

LiDAR là gì?

LiDAR, Light Detection And Ranging, là một thuật ngữ dùng trong công nghệ viễn thám, sử dụng các cảm biến laser để khảo sát đối tượng từ xa. Dữ liệu thu được của hệ thống là tập hợp đám mây điểm phản xạ 3 chiều của tia laser từ đối tượng được khảo sát.
Các dữ liệu LiDAR có thể thu thập bằng máy bay, một hệ thống chứa LiDAR thực hiện việc truyền các xung ánh sáng cận hồng ngoại tới bề mặt khảo sát thu nhận các xung phản hồi trở lại. Nó thực hiện việc đo khoảng cách từ cảm biến tới bề mặt bằng cách đo thời gian phản hồi giữa khoảng thời gian từ lúc truyền xung cho đến lúc nhân được phản xạ. Sau đó thực hiện việc nhân thời gian đó với vận tốc ánh sáng và chia cho 2 sẽ ra được khoảng cách giữa cảm biến và đối tượng phản xạ.
Ở trên ta đã tìm hiểu một số thông tin về LiDAR, bây giờ ta cùng tìm hiểm về 50 Ứng dụng quan trọng sử dụng LiDAR

1. Mô hình độ cao kỹ thuật số( Digital Elevation Model)

Digital Elevation Model là mô hình biểu diễn giá trị độ cao của vật thể là z tại vị trí x,y tương ứng. Các giá trị của DEM được sử dụng phổ biến khắp nơi như trên đường xá, nhà cửa hoăc các công trình nhân tạo khác. LiDAR dễ dàng xác định được độ cao của vật thể. Trước đây công việc lấy độ cao vật thể thông qua việc khảo sát mặt đất hoặc đo đạc thông qua ảnh chụp là rất khó khăn, LiDAR ra đời đã giúp công việc đó trở nên dễ dàng hơn rất nhiều.

2. Micro-Topography

Các phép đo đạc sử dụng LiDAR vô cùng chính xác bằng việc sử dụng các xung laser để thăm dò vật thể. Thông thường các công nghệ viễn thám hoặc đo đạc khác thường không lấy được độ cao bề mặt được che phủ bởi thảm thực vật hoặc tán rừng, nhưng các xung laser của LiDAR có thể đi xuyên qua vật thể để nhận diện được độ cao bề mặt.

3. Nông nghiệp

LiDAR giúp cho nông dân phát hiện được khu vực lãng phí phân bón. Nó được sử dụng để tạo bản đồ độ cao của đất nông nghiệp từ đó chuyển đồi để tạo độ dốc và diện tích tiếp xúc với ánh sáng mặt trời. Cả hai lớp thông tin được dùng để tạo khu vực sản xuất cây trồng cao, trung bình và thấp. Với các thông tin hữu ích sẽ giúp nông dân tiết kiệm được lượng phân bón lãng phí.

4. Quy hoạch và quản lý rừng

LiDAR được sử dụng rộng rãi trong lâm nghiệp để lập kế hoạch và quản lý rừng. Nó được sử dụng để đo cấu trúc thẳng đứng của tán cây rừng và dùng để đo mật độ số lượng tán và chiều cao cơ sở của tán cây. Các ứng dụng khác của LiDAR trong ngành công nghiệp rừng là đo chiều cao đỉnh để ước tính độ mở rộng của gốc.

5. Quản lý cháy rừng

LiDAR dần trở nên phổ biến rộng rãi trong quản lý cháy rừng. Một số bộ phận của sở cứu hỏa dần chuyển hoạt động từ phản ứng sang quản lý cháy rừng. Các ảnh LiDAR giúp theo dõi khu vực cháy có thể xảy ra được gọi và lập bản đồ nhiên liệu (mô phỏng mô hình cháy).

6. Sản lượng Rừng

LiDAR được dùng trong xác định sản lượng rừng từ giúp thúc đẩy các hoạt động quy hoạch và điều hành khu vực rừng đặc dụng để tăng năng suất gỗ, giảm chi phí và tăng lợi nhuận, và duy trì chất lượng môi trường. Các ảnh LiDAR trên không được dùng để xác dịnh sản lượng rừng.

7. Quản lý du lịch và công viên

LIDAR DEM được sử dụng để lập kế hoạch cho công viên và khu du lịch. Mô hình bề mặt đất chính xác cao giúp người dùng tìm ra khu vực tốt nhất để có sân chơi, cây xanh và đường đi bộ. Quản lý công viên là một công việc kinh doanh lớn và công nghệ LIDAR đang đóng một vai trò quan trọng trong việc quản lý ảnh 3D của công viên, các ảnh 3D được tạo ra từ công nghệ LIDAR đóng vai trò phát triển công viên trong tương lai.

8. Đánh giá chất lượng môi trường

Dữ liệu địa hình Micro được tạo ra từ dữ liệu LiDAR được sử dụng trong đánh giá môi trường. Đánh giá môi trường được thực hiện để bảo vệ thực vật và môi trường. Viễn thám và thông tin bề mặt (LiDAR ) được sử dụng để tìm ra khu vực bị ảnh hưởng bởi hoạt động của con người.

9. Đa dạng sinh học

Khi công nghệ LiDAR được phát triển trong việc tìm kiếm thông tin chi tiết về rừng. Rừng là nơi trú ngụ của nhiều loại chim, động vật và côn trùng khác nhau. Các nhà khoa học đang sử dụng dữ liệu LiDAR để phân tích rừng (cấu trúc theo chiều thẳng đứng) để xem liệu đây có phải là nơi thích hợp cho chúng hay không. Cấu thẳng đứng của cây, bụi cây và các cây khác cho biết, những loài nào có thể sống và thịnh vượng trong khu vực đó.

10. Mô hình lũ

LIDAR cung cấp thông tin rất chính xác. Sông rất nhạy cảm và vài mét thay đổi thông tin có thể mang lại tai hoạ hoặc mất mát tài sản. Vì vậy, LiDAR được sử dụng để tạo ra độ phân giải cao và mô hình bề mặt chính xác của dòng sông. Những thông tin trích xuất LiDAR này có thể được sử dụng để mô phỏng 3D để thiết kế cấu trúc tốt hơn cho các công trình hoặc tòa nhà trên bờ sông.

11. Lưu vực và phân định dòng chảy

DEM tạo ra từ LiDAR cđược sử dụng để tạo ra khu vực đầu nguồn và phân định dòng chảy. Độ cao chính xác từ DEM là đầu vào quan trọng để tạo ra này và phần mềm GIS được sử dụng để tạo ra nó. Bằng cách này, bạn có thể tính toán lưu vực sông cho các kênh nước cụ thể và tìm ra luồng suối để đổ lũ lên.

12. Phân loại sinh thái và đất đai (Ecological & Land Classification)

Nó được thực hiện để cung cấp thông tin sinh học và vật lý của cảnh quan giúp quản lý bền vững. Quá trình ELC giúp trong nhiều lĩnh vực như quy hoạch sử dụng đất, đánh giá môi trường, quản lý rừng, quản lý môi trường sống và nhiều hơn nữa. Trong quá trình phân loại đất đai, dữ liệu LiDAR có độ phân giải cao giúp hiểu được bản chất và loại đất đai, điều này sẽ giúp quá trình phân loại sinh thái và đất đai.

13. Khảo sát sông

Ánh sáng xanh có thể xuyên qua nước (532 nanomet) của LiDAR được sử dụng để đo dưới nước. Dưới thông tin về nước cần biết về độ sâu, độ mạnh dòng chảy, chiều rộng của con sông và nhiều hơn nữa. Đối với kỹ thuật sông, dữ liệu mặt cắt của nó được trích từ dữ liệu LiDAR (DEM) để tạo ra một mô hình sông, tạo ra bản đồ lũ lụt và lũ quét. Tương tự như vậy để hiểu biển dưới thế giới, dữ liệu LiDAR được sử dụng bởi kỹ sư hàng hải.

14. Mô phỏng ô nhiễm

Các bước sóng ngắn của LiDAR hoạt động trong vùng cực tím, vùng có thể nhìn thấy hoặc gần hồng ngoại. Điều này giúp hình ảnh đối tượng có cùng kích thước hoặc lớn hơn bước sóng. Vì vậy, LiDAR có thể phát hiện các thành phần ô nhiễm của cacbon điôxit, Sulphur dioxide và Metan. Thông tin này giúp nghiên cứu để tạo ra bản đồ mật độ ô nhiễm của khu vực có thể được sử dụng để lập kế hoạch tốt hơn của thành phố.

15. Lập bản đồ

Mô hình bề mặt được tạo từ LiDAR được sử dụng để gia tăng giá trị đồ hoạ vào bản đồ. Mô hình độ cao số được thêm vào bên dưới tất cả các lớp cho thấy chế độ xem 3D về đất. Đặc biệt là dữ liệu mô hình độ cao số được thêm vào chụp ảnh trên không để hiển thị chế độ xem 3D giúp lập kế hoạch đường xá, các tòa nhà, cây cầu và sông ngòi dễ dàng hơn.
16. Quản lý bờ biển
Dữ liệu LiDAR của bề mặt bờ biển và dưới bề mặt nước có thể được kết hợp bằng các nghiên cứu để phân tích hành vi sóng và diện tích được bao phủ bởi chúng. Nếu những dữ liệu này được thu thập định kỳ thì nhà khoa học biển có thể hiểu được sự xói mòn bờ biển.

17. Quy hoạch giao thông

Dữ liệu LIDAR cho đường giúp kỹ sư hiểu nó và đưa ra lộ trình xây dựng nó. Vì LiDAR là công nghệ chính xác cao giúp hiểu chiều rộng, độ cao và chiều dài của đường hiện có. Kỹ sư đường sử dụng dữ liệu LiDAR cho những điều dưới đây:
•    Tính toán xác định kích thước cống, loại bỏ thực vật, tính toán lớp …
•    Chiều cao.
•    Đúng chiều và điều kiện bề mặt

18. Thăm dò dầu khí

Các bước sóng LIDAR ngắn , nó có thể được sử dụng để phát hiện các phân tử chứa trong bầu khí quyển có bước sóng tương đương hoặc lớn hơn. Công nghệ DIAL (Differential Absorption LiDAR ) được sử dụng để theo dõi lượng khí trên vùng hydrocarbon. Theo dõi này giúp tìm thấy các mỏ dầu khí.

19. Khai thác mỏ

LiDAR cũng được sử dụng trong kinh doanh khai thác mỏ trong các nhiệm vụ khác nhau. Nó được sử dụng để đo khối lượng quặng bằng cách chụp một loạt các bức ảnh của không gian khai thác quặng. Những bức ảnh về khoảng thời gian được sử dụng để tính toán trữ lượng dầu mỏ.

20. Khảo cổ học

LiDAR đã đóng vai trò quan trọng cho nhà khảo cổ học hiểu được bề mặt địa chất khu vực khai quật. Vì LiDAR có thể phát hiện địa hình vi mô ẩn trong thực vật, giúp nhà khảo cổ học hiểu được bề mặt. Các mô hình độ cao số được tạo ra từ LiDAR được đưa vào hệ thống GIS và kết hợp với các lớp khác để phân tích.

21. Khai thác khoáng sản

Đối với khảo cổ học, điều quan trọng là phải hiểu nền văn minh của con người bằng cách tìm kiếm mỏ đá và khoáng vật. Vì vậy, LiDAR được sử dụng để phát hiện những điểm này.

22. Phân tích thị giác

Phân tích lượt xem là tên phổ biến trong GIS, nó sử dụng mô hình độ cao số (DEM) để tạo bản đồ tầm nhìn. Nó sử dụng tế bào cá nhân để xác định rằng có thể nhìn thấy hay không từ tất cả các tế bào còn lại. Độ chính xác của phân tích phụ thuộc vào DEM đầu vào. Vì vậy, chính xác cao DEM tạo ra từ LIDAR được sử dụng cho các loại phân tích.

23. Quy hoạch năng lượng mặt trời

Năng lượng mặt trời ngày càng trở nên phổ biến cho mục đích sưởi ấm và điện điện sinh hoạt. Các tấm pin năng lượng mặt trời được gắn dưới mặt đất hoặc trên các công trình để hấp thụ năng lượng nhiệt từ mặt trời và nó được chuyển thành nhiệt hoặc năng lượng điện. Việc lắp đặt tấm pin năng lượng mặt trời sao cho năng lượng hấp thụ là tối ưu nhất  xác định bằng việc sử dụng các dữ liệu LiDAR để nhận diện khu vực có lượng nhiệt năng cũng như ánh sáng chiếu xuống sao cho là nhiều nhất có thể. Ví dụ như các tấm pin năng lượng mặt trời thường được nắp ở phía nam của mái nhà.

24. Không gian chiếu sáng

Mỗi chủ sở hữu nhà cần có không gian sử dụng ánh sáng, các loại vật liệu xây dựng và các công trình khác cần phải được thiết kế sao cho không chặn mất ánh sáng. Các dữ liệu LiDAR có thể chụp được mô hình 3D của tòa nhà, thông qua các công cụ GIS được sử dụng để tạo ra bản đồ khu vực bóng dâm và chiếu sáng trong thời gian cụ thể trong ngày.

25. Tính toán lượng băng tan

LIDAR được cũng được sử dụng để tính toán sự thay đổi của sông băng hoặc sự biến đổi của các khối băng ở Nam cực. Các ảnh LIDAR sẽ được chụp theo chuỗi thời gian để đánh giá và xem sự thay đổi diễn ra. Các dữ liệu sẽ được thu thập lại sẽ giúp các nhà khoa học biết được diện tiichs khối lượng và thể tích băng bị đổi.

Đề tài nghiên cứu ứng dụng-Tổng công ty Tài nguyên và Môi trường Việt Nam: Khả năng ứng dụng công nghệ Lidar xây dựng mô hình số địa hình vùng bãi bồi cửa sông vên biển trong điều kiện Việt Nam 3199.pdf



Nguồn tin:Theo Văn phòng Tổng công ty Tổng hợp.

VĂN BẢN TRỰC TUYẾN
QUẢN LÝ VB&HSCV
HỆ THỐNG QUẢN LÝ CÁN BỘ