Công Nghệ Viễn Thám Sử Dụng UAV Trong Khảo Sát Xây Dựng Bản Đồ 3D

Với các chức năng bay theo kế hoạch, hoạt động ở độ cao lớn và hình ảnh sắc nét. UAV là công cụ hữu ích cho việc khảo sát cũng như xây dựng bản đồ thực tế . Ứng dụng công nghệ UAV trong khảo sát và lập bản đồ: số hóa 3D công trình kiến trúc, thành lập bản đồ địa chất công trình nhằm phân tích các khối trượt…

UAV là gì?

UAV là viết tắt của Unmanned aerial vehicle, có nghĩa là Thiết bị bay không người lái, hoặc Máy bay không người lái, là tên gọi chỉ chung cho các loại máy bay mà không có phi công ở buồng lái và được điều khiển từ xa từ trung tâm. Loại máy bay này được dùng để phục vụ cho mục đích trinh thám quân sự, hoặc dân sự. Loại tổ hợp máy bay này có khả năng tự động hóa các hoạt động của máy bay cao, không đòi hỏi những trang thiết bị hàng không đặc chủng, giá thành khai thác sử dụng và bảo trì hệ thống để phục vụ lâu dài rẻ, trong quân sự, loại máy bay này có đặc tính tấn công chớp nhoáng.

Máy bay không người UAV

Năm 1916, Archibald Montgometry Low (ngưới Anh) chế tạo chiếc máy bay không người lái đầu tiên UAV (Unemaned Arial Vehicle). Máy bay không người lái đã tham gia trong hai cuộc chiến tranh thế giới thứ nhất và thứ hai. Trong chiến tranh Việt Nam, Mỹ đã sử sụng 3.500 các loại UAV cho nhiều mục đích khác nhau, nhiều nhất là cho mục đích do thám. Sau chiến tranh lạnh, UAV bắt đầu được ứng dụng trong dân sự, các thế hệ UAV ra đời được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực trong đó có lĩnh vực trắc địa-bản đồ. Các loại máy ảnh chuyên dụng với độ phân giải ngày càng cao được thiết kế chế tạo lắp trên các UAV để tiến hành chụp ảnh địa hình. Sự kết hợp với công nghệ GPS/GNSS đã làm tăng hiệu quả ứng dụng UAV trong công tác đo vẽ địa hình (Jan Leyssens, 2009). Ứng dụng UAV có nhiều ưu điểm nổi trội so với các phương pháp đo vẽ ảnh hàng không truyền thống, nhiều loại UAV được thiết kế gọn nhẹ, thao tác nhanh; khởi bay bằng tay hoặc các dụng cụ đơn giản thích ứng với mọi điều kiện địa hình.

Các hãng sản xuất các thiết bị ngày càng hướng tới các thiết bị UAV với các thiết bị chụp ảnh độ phân giải cao, giảm thời gian và công sức trong các nội dung trắc địa, bản đồ. Các thiết bị UAV có khả năng điều chỉnh độ phân giải theo độ cao, khả năng định nghĩa phạm vi đo vẽ, thành lập và cung cấp nhanh chóng bản đồ mỏ lộ thiên các loại tỷ lệ lớn (1:500, 1:1000, 1:2000, 1:5000). Nhiều kết quả nghiên cứu đã khẳng định độ chính xác cao của các loại bản đồ mỏ lộ thiên đo vẽ bằng UAV, hoàn toàn đáp ứng cho công tác quản lý, điều hành sản xuất mỏ; đo vẽ bản đồ hành chính; điều tra khảo sát, đánh giá tài ngyên… Các UAV mới nhất hiện nay như MD4-1000 (Đức), Pteryx (Ba Lan), Swinglet CAM (Thụy sĩ), UX-5, X-100 Trimble (Mỹ) đều có thể bay thấp, chụp ảnh với độ phân giải vài chục cm trên khu vực có diện tích vài chục km2. Hiện nay, trong một lần bay, các UAV có thể chụp ảnh 4÷5 km2 với độ phân giải 10÷15 cm và có thể dưới 10 cm.

Ứng dụng máy bay không người lái (UAV) trong trắc địa – bản đồ

Trong những năm gần đây khoa học công nghệ trắc địa, bản đồ, viễn thám trên thế giới đã đạt được nhiều thành tựu to lớn. Nhiều nghiên cứu khoa học và thực tiễn sản xuất trong và ngoài nước đã minh chứng tính hiệu quả của các phương pháp công nghệ mới như GNSS, GIS, viễn thám, LIDAR, UAV, TLS v.v…Chuyên mục phổ biến kiến thức sẽ cung cấp cho các bạn trong và ngoài ngành các kiến thức là kết quả nghiên cứu khoa học, triển khai công nghệ trong lĩnh vực trắc địa, bản đồ, viễn thám trên thế giới và ở Việt Nam.

Trên thế giới, việc áp dụng phương pháp đo ảnh khoảng cách gần với ảnh chụp từ máy ảnh số gắn trên UAV đã được áp dụng với rất nhiều ứng dụng khác nhau như: đo vẽ hiện trạng tai nạn giao thông, đo vẽ đánh giá khối lượng khai thác ở các mỏ lộ thiên, bản đồ địa hình khu vực nhỏ, bản đồ địa chính, giám sát Tài nguyên và Môi trường… Ở Việt Nam, năm 1999, Ban Nghiên cứu mục tiêu bay – Viện Kỹ thuật Phòng không Không quân – Quân chủng Phòng không Không quân đã thiết kế lắp đặt máy bay không người lái, và kết quả là hai chiếc UAV ký hiệu M-96 (bay ngày) và M-96D (bay đêm) đã bay thử thành công và tiếp tục hoàn thiện thành những loại M100-CT, M400-CT… với sự điểu khiển bay theo chương trình, dẫn đường của GPS trên nền bản đồ số. Năm 2013, Viện Công nghệ Không gian, thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã bay thử nghiệm 5 ngày mẫu UAV tại bãi thử nghiệm Hoà Lạc – Hà Nội và đã tiến hành thử nghiệm bay chụp ảnh ở Nha Trang, Lạc Dương, Lâm Đồng (chủ yếu chụp ảnh chưa đề cập đến việc sử dụng trong đo ảnh).

Ngoài việc giá thành tương đối thấp, công nghệ UAV với các máy ảnh phổ thông dễ dàng thu nhận các ảnh số với độ phân giải rất cao (mm, cm), trong điều kiện địa hình phức tạp, môi trường nguy hiểm. Thêm nữa, các phần mềm mã nguồn mở và phần mềm thương mại đều tích hợp các thuật toán SfM, cho phép gần như hoàn toàn tự động xử lý ảnh, xây dựng các sản phẩm bản đồ (mô hình số bề mặt, mô hình số độ cao, bản đồ trực ảnh, bản đồ 3D, video).

Người sử dụng công nghệ này không nhất thiết phải có kiến thức quá sâu về công nghệ đo ảnh truyền thống. Chính vì thế công nghệ UAV đang rất hứa hẹn được ứng dụng rộng rãi hơn nữa vào các lĩnh vực khác nhau. Điểm cần bổ sung hiện nay của công nghệ này, là quy trình tính toán, công nghệ thiết kế bay chụp UAV sao cho đạt được độ chính xác mong muốn của các sản phẩm bản đồ, cho từng mục đích cụ thể.

Đặc điểm của công nghệ chụp ảnh hàng không bằng UAV là bay chụp theo từng dải bay, do đó rất phù hợp để ứng dụng trong công tác khảo sát địa hình các công trình dạng tuyến như các tuyến đường giao thông. Việc kết hợp phương pháp đo truyền thống với phương pháp bay chụp sẽ đem lại hiệu quả và độ chính xác cao. Việc sử dụng công nghệ này sẽ cho ta sản phẩm là mô hình số độ cao, bình đồ ảnh một cách nhanh chóng và trực quan, giúp cho người thiết kế chọn được các phương án tuyến tối ưu, phù hợp cho công tác giải phóng mặt bằng và bước lập đề xuất dự án.

Để có thể ứng dụng công nghệ chụp ảnh hàng không bằng UAV vào các dự án cần độ chính xác và mức độ chi tiết cao như thiết kế kỹ thuật thì cần phải tiếp tục nghiên cứu, đánh giá độ chính xác của kết quả bay chụp cũng như hoàn thiện phương pháp xử lý ảnh để nâng cao độ chính xác, đặc biệt trong các địa hình có thực phủ lớn và khu vực đông dân cư. Ngoài ra, cần nghiên cứu và đưa ra quy trình số hóa bản đồ 3D từ mô hình đám mây điểm và bình đồ ảnh trực giao để có sản phẩm phù hợp với quy trình, quy phạm hiện hành.

Kết hợp công nghệ viễn thám và GIS để thành lập bản đồ 3D tỷ lệ lớn

Bản đồ 3D: Có thể hiểu khái niệm bản đồ 3D như sau: Bản đồ 3D, trước hết phải là bản đồ, phải thỏa mãn đầy đủ các đặc trưng bản chất của bản đồ; mặt khác, bản đồ 3D là mô hình số thể hiện các đối tượng nghiên cứu (địa hình, địa vật) trong hệ quy chiếu không gian với mức độ ký hiệu hóa và khái quát hóa khác nhau tùy theo mục đích sử dụng, được thể hiện đầy đủ cả 3 chiều x, y, h của đối tuợng theo đặc trưng không gian của chúng.

Bản đồ 3D, được tổ chức như một GIS gồm nền là ảnh vệ tinh và các đối tượng địa vật được gắn kết với các thuộc tính, được hiển thị trong không gian ba chiều, được coi là một sản phẩm bản đồ rất hiện đại, cung cấp cho nguời dùng thông tin cần thiết về địa hình, địa vật cho rất nhiều ứng dụng. Ví dụ, như xây dựng bản đồ mô hình 3D cho khối trượt để đánh giá và dự báo tình hình trượt lở….. Ứng dụng rất nhiều cho dự báo và phòng chống thiên tai.

Viễn thám: là một khoa họcvà là một công nghệ nghiên cứu các thông tin thu nhận đượcthông quaphân tích các dữ liệu nhận được bằng các công cụ kỹ thuật mà không tiếp xúc trực tiếp với đốitượng, một vùng hay một hiện tượng tự nhiên hay dân cư, kinh tế…Thông tin viễn thám thu nhận được nhờ các công cụ, thiết bị khác nhau từ một khoảng cách nhất định đối với đối tuợng nghiên cứu thông qua năng luợng điện từ phản xạ từ bề mặt Trái Ðất.Các tính chất của vật thể có được xác định thông qua các năng lượng bức xạ hoặc phản xạ từ vật thể.

Viễn thám là một công nghệ nhằm xác định và nhận biết đối tượng hoặc các điều kiện môi truờng thông qua những đặc trưng riêng về phản xạ và bức xạ.Tất cả các vật thể đều phản xạ, hấp thụ, phân tách và bức xạ sóng điện từ bằng các cách thức khác nhau và các đặc trưng này thường được gọi là đặc trưng phổ.

Hệ thống thông tin địa lý GIS (Geographic Information Systems): là một tập hợp có tổ chức bao gồm phần cứng, phần mềm máy tính, dữ liệu địa lý và con nguời, được thiết kế nhằm mục đích nắm bắt, lưu trữ, cập nhật, điều khiển, phân tích và kết xuất tất cả những dạng thông tin liên quan đến vị trí địa lý.

GIS là công cụ dựa trên cơ sở sử dụng máy tính để thành lập bản đồ và phân tích các đối tuợng, hiện tuợng tồn tại và diễn ra trên Trái Ðất, nhu đất đai, sông ngòi, khoáng sản, con nguời, khí tượng, thuỷ văn, môi trường, nông nghiệp… Công nghệ GIS dựa trên các cơ sở dữ liệu quan trắc, viễn thám để đưa ra các câu hỏi truy vấn, phân tích thống kê được thể hiện qua phép phân tích địa lý. Các sản phẩm của GIS được tạo ra một cách nhanh chóng, nhiều tình huống có thể được đánh giá đồng thời và chi tiết.

Chính vì vậy, tích hợp giữa công nghệ Viễn thám và GIS trong thành lập bản đồ 3D tỷ lệ lớn là một buớc đi phù hợp; kết quả đạt được sẽ giúp ích rất nhiều cho công tác quản lý cũng như đề ra và giải các bài toán quy hoạch và hoạch định chính sách, hỗ trợ quyết định của nguời sử dụng.

Nguồn: Tổng hợp