Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu công nghệ quét laser 3 chiều mặt đất trong lĩnh vực địa hình và phi địa hình ở Việt Nam

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:167

Thêm vào BST

Báo xấu

28
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Nghiên cứu công nghệ quét laser 3 chiều mặt đất trong lĩnh vực địa hình và phi địa hình ở Việt Nam" trình bày các nội dung chính sau: Tổng quan về tình hình nghiên cứu công nghệ quét laser 3D mặt đất trong lĩnh vực địa hình và phi địa hình; Cơ sở khoa học và các nguồn sai số ảnh hưởng đến kết quả quét laser 3D mặt đất; Xây dựng chương trình xử lý dữ liệu quét laser 3D mặt đất trong lĩnh vực địa hình.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu công nghệ quét laser 3 chiều mặt đất trong lĩnh vực địa hình và phi địa hình ở Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO NGÔ SỸ CƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT NGÔ SỸ CƯỜNG NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ QUÉT LASER 3 CHIỀU MẶT ĐẤT TRONG LĨNH VỰC ĐỊA HÌNH LUẬN ÁN TIẾN SĨ VÀ PHI ĐỊA HÌNH Ở VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA – BẢN ĐỒ HÀ NỘI - 2022 HÀ NỘI - 2022
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT NGÔ SỸ CƯỜNG NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ QUÉT LASER 3 CHIỀU MẶT ĐẤT TRONG LĨNH VỰC ĐỊA HÌNH VÀ PHI ĐỊA HÌNH Ở VIỆT NAM NGÀNH : KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ MÃ SỐ : 9520503 LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Trần Xuân Trường HÀ NỘI - 2022
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân, được xuất phát từ yêu cầu phát sinh trong công việc để hình thành hướng nghiên cứu. Các số liệu có nguồn gốc rõ ràng tuân thủ đúng nguyên tắc và kết quả trình bày trong luận án được thu thập trong quá trình nghiên cứu là trung thực, chưa từng được ai công bố. Hà Nội, ngày tháng năm 2022 Tác giả Ngô Sỹ Cường
ii LỜI CẢM ƠN Sau thời gian học tập, nghiên cứu tại Trường Đại học Mỏ - Địa chất, tôi đã hoàn thành Luận án Tiến sĩ với kết quả là đề tài “Nghiên cứu công nghệ quét Laser 3 chiều mặt đất trong lĩnh vực địa hình và phi địa hình ở Việt Nam”. Luận án này hoàn thành ngoài sự nỗ lực, phấn đấu của bản thân, đó là sự quan tâm giúp đỡ của quý thầy, quý cô đang giảng dạy tại Trường Đại học Mỏ - Địa chất đã trang bị nguồn kiến thức về công nghệ quét Laser 3 chiều gắn với việc xây dựng dữ liệu trắc địa – bản đồ nhanh chóng, chính xác và gợi mở cho tôi những hướng nghiên cứu mới trong quá trình học tập. Xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ quý báu đó. Đặc biệt xin trân trọng cảm ơn PGS.TS. Trần Xuân Trường đã quan tâm, tạo điều kiện, hướng dẫn tận tình về nội dung và phương pháp nghiên cứu khoa học để tôi hoàn thành Luận án. Xin chân thành cảm ơn tới các thầy, cô giáo đang công tác tại Khoa Đào tạo Sau đại học Trường Đại học Mỏ - Địa chất; Ban lãnh đạo Công ty Tài nguyên và Môi trường Việt Nam đã tạo điều kiện thuận lợi, cung cấp tài liệu, số liệu, giúp tôi có cơ sở để nghiên cứu và hoàn thành Luận án của mình. Cuối cùng, xin cảm ơn sự chia sẻ, động viên, ủng hộ của gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã hỗ trợ trong suốt quá trình học tập để tôi đạt được kết quả nghiên cứu này. Tác giả
iii MỤC LỤC Lời cam đoan ............................................................................................................... i Lời cảm ơn ................................................................................................................. ii Danh mục các chữ viết tắt ........................................................................................ vii Danh mục các bảng ................................................................................................. viii Danh mục các hình vẽ ............................................................................................... ix MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ QUÉT LASER 3D MẶT ĐẤT TRONG LĨNH VỰC ĐỊA HÌNH VÀ PHI ĐỊA HÌNH ..........................................................................................................................7 1.1. Sơ lược về công nghệ quét laser ......................................................................7 1.1.1. Công nghệ quét Laser cố định ..................................................................7 1.1.2. Công nghệ quét laser di động ...................................................................8 1.3. Các tiêu chí phân loại thiết bị quét laser mặt đất ...........................................11 1.4. Đánh giá một số loại máy quét laser mặt đất đang sử dụng ở Việt Nam ......13 1.5. Tổng quan về các công trình nghiên cứu công nghệ quét laser mặt đất ........14 1.5.1. Trên thế giới ...........................................................................................14 1.5.2. Trong nước .............................................................................................19 1.6. Một số ứng dụng công nghệ quét laser 3D mặt đất .......................................22 1.6.1. Đo vẽ và đánh giá biến động địa hình ....................................................22 1.6.2. Ứng dụng trong lĩnh vực phi địa hình ....................................................23 1.7. Những vấn đề được phát triển trong luận án .................................................30 1.8. Đánh giá ban đầu về hiệu quả khi sử dụng công nghệ quét laser 3D mặt đất trong lĩnh vực địa hình ..........................................................................................31 Tiểu kết Chương 1 ................................................................................................32 Chương 2. CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ CÁC NGUỒN SAI SỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN KẾT QUẢ QUÉT LASER 3D MẶT ĐẤT ............................................................33 2.1. Nguyên lý hoạt động của hệ thống quét laser mặt đất ...................................33 2.1.1. Nguyên lý chung ....................................................................................33 2.1.2. Nguyên lý hoạt động khối đo dài của thiết bị quét laser mặt đất ...........36
iv 2.1.3. Nguyên lý hoạt động của khối quay thiết bị quét laser mặt đất .............43 2.1.4. Các phương pháp đo góc bằng hệ thống quét laser mặt đất ...................44 2.2. Các nguồn sai số ảnh hưởng đến kết quả quét laser mặt đất .........................47 2.2.1. Phân loại các sai số quét laser mặt đất ...................................................47 2.2.2. Những sai số thiết bị quét laser mặt đất .................................................48 2.2.3. Các sai số phương pháp khi quét laser mặt đất ......................................54 Tiểu kết Chương 2 ................................................................................................68 Chương 3. XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH XỬ LÝ DỮ LIỆU QUÉT LASER 3D MẶT ĐẤT TRONG LĨNH VỰC ĐỊA HÌNH .................................................69 3.1. Đặt vấn đề ......................................................................................................69 3.2. Thuật toán lọc điểm từ dữ liệu đám mây điểm để thành lập DEM ...............71 3.2.1. Thuật toán lọc dữ liệu dựa trên đám mây điểm được phân đoạn ...........71 3.2.2. Thuật toán lọc dữ liệu quét laser mặt đất bằng bộ lọc thích ứng độ dốc và xử lý dữ liệu thô bằng việc phân cụm ..............................................................72 3.2.3. Thuật toán lọc dữ liệu quét bằng bổ sung mô hình hóa bề mặt và phát triển mô hình TIN tăng cường bộ lọc .......................................................................73 3.3. Xây dựng chương trình xử lý lọc đám mây điểm tự động.............................77 3.3.1. Sơ đồ khối của chương trình ..................................................................77 3.3.2. Mô tả các bước của sơ đồ khối ...............................................................77 3.3.3. Đặc điểm chính của chương trình ..........................................................79 3.4. Thực nghiệm để so sánh, đánh giá độ chính xác DEM sau khi áp dụng xử lý lọc đám mây điểm tự động ...................................................................................81 3.4.1. Khu vực tiến hành thực nghiệm thu thập dữ liệu ...................................81 3.4.2. Kết quả thực nghiệm và đánh giá độ chính xác .....................................82 3.5. Đánh giá ưu, nhược điểm chương trình xử lý dữ liệu đám mây điểm.........101 3.5.1. Ưu điểm ................................................................................................101 3.5.2. Nhược điểm ..........................................................................................101 3.5.3. Định hướng phát triển ..........................................................................102 Tiểu kết Chương 3 ..............................................................................................102
v Chương 4. XÂY DỰNG QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ QUÉT LASER 3D MẶT ĐẤT CHO VIỆC KHẢO SÁT MỘT SỐ ĐỐI TƯỢNG PHI ĐỊA HÌNH .......103 4.1. Quy trình công nghệ xây dựng mô hình 3D các đối tượng phi địa hình bằng quét laser mặt đất ................................................................................................103 4.1.1. Quy trình công nghệ .............................................................................103 4.1.2. Khảo sát thực địa ..................................................................................104 4.1.3. Lập phương án thi công ........................................................................105 4.1.4. Thu nhận dữ liệu...................................................................................105 4.1.5. Kiểm tra dữ liệu tại thực địa .................................................................106 4.1.6. Xử lý dữ liệu nội nghiệp .......................................................................106 4.1.7. Trích xuất các sản phẩm .......................................................................106 4.2. Thực nghiệm quét laser 3D mặt đất đối với đối tượng hang động ..............106 4.2.1. Phạm vi và đối tượng hang động tiến hành thực nghiệm .....................107 4.2.2. Khảo sát địa hình, địa vật .....................................................................107 4.2.3. Phương án đặt trạm máy và tiêu ...........................................................108 4.2.4. Thu thập số liệu ....................................................................................110 4.2.5. Kiểm tra sai số ghép nối .......................................................................111 4.2.6. Trích xuất các sản phẩm 3D thực nghiệm ............................................111 4.3. Thực nghiệm ứng dụng quét laser 3D mặt đối với tuyến phố cổ ................114 4.3.1. Khu vực các tuyến phố tiến hành thực nghiệm thu thập dữ liệu ..........114 4.3.2. Khảo sát thực địa ..................................................................................115 4.3.3. Phương án đặt máy quét và thi công thu thập số liệu...........................115 4.3.4. Kiểm tra đánh giá độ chính xác và sai số nắn ghép .............................117 4.3.5. Trích xuất sản phẩm 3D thực nghiệm ..................................................118 4.4. Thực nghiệm quét laser 3D mặt đất đối với đối tượng di sản văn hóa ........120 4.4.1. Khảo sát thực địa và phương án thi công .............................................122 4.4.2. Quá trình thu thập dữ liệu chi tiết bảo vật tại các di sản văn hóa ........122 4.4.3. Kiểm tra dữ liệu các trạm máy tại thực địa ..........................................124 4.4.4. Trích xuất sản phẩm 3D thực nghiệm ..................................................125
vi 4.5. Đánh giá ưu, nhược điểm của công nghệ quét laser mặt đất đối với từng đối tượng phi địa hình ...............................................................................................126 4.5.1. Đối với đối tượng là hang động............................................................126 4.5.2. Đối với đối tượng là tuyến phố ............................................................128 4.5.3. Đối với đối tượng là di sản văn hóa và bảo vật ....................................128 4.5.4. So sánh các bước trong quy trình quét các đối tượng phi địa hình ......129 4.6. Ứng dụng của sản phẩm ..............................................................................130 Tiểu kết Chương 4 ..............................................................................................130 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..............................................................................131 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN NỘI DUNG LUẬN ÁN .................................................133 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................134 PHỤ LỤC ...............................................................................................................142
vii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT Chữ viết tắt Chữ viết đầy đủ tiếng Anh Chữ viết đầy đủ tiếng Việt 1 3D Three Dimentions Ba chiều 2 ALS Aerial Laser Scanning Hệ thống quét laser 3D hàng không 3 BS Backsight Hướng ngắm phía sau 4 CSDL Cơ sở dữ liệu 5 CSF Cloth Simulation Filtering Bộ lọc mô hình hóa bề mặt 6 DEM Digital Elevation Model Mô hình số độ cao 7 DTM Digital Terrain Model Mô hình số địa hình 8 FS Foresight Hướng ngắm phía trước 9 GIS Geographic Information System Hệ thống thông tin địa lý 10 LIDAR Light detection and ranging Hệ thống phát hiện và đo xa ánh sáng 11 TIN Triangular Irregular Network Mô hình lưới tam giác không đều 12 TLS Terrestrial 3D Laser Scanning Hệ thống quét laser 3D mặt đất
viii DANH MỤC CÁC BẢNG TT Tên bảng Trang Bảng 1.1. Đặc tính kỹ thuật chính của một số loại hệ thống quét laser mặt đất .......10 Bảng 1.2. Đánh giá so sánh công nghệ quét laser mặt đất so với công nghệ khác ...31 Bảng 2.1. Đại lượng góc quay của gương máy quét laser mặt đất từ thời điểm tín hiệu phát đi tới đối tượng quét và ngược lại về bộ thu .............................52 Bảng 3.1. Bảng so sánh dữ liệu quét laser và dữ liệu địa hình đã có ........................94 Bảng 3.2. Bảng đánh giá sai số tuyệt đối của điểm địa vật đặc trưng ......................95 Bảng 3.3. Bảng so sánh độ cao của hai phương pháp thành lập DEM .....................99 Bảng 4.1. Thông số thiết bị quét laser 3D mặt đất – Faro Focus S350...................118 Bảng 4.2. Bảng so sánh quy trình quét các đối tượng phi địa hình ........................129
ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ TT Tên hình Trang Hình 1.1. Hệ thống MDL Dynascan S250 được đặt trên ôtô ......................................9 Hình 1.2. Các hệ thống quét Laser mặt đất phổ biến hiện nay ...................................9 Hình 1.3. Khảo sát địa hình mỏ đất tại huyện Lạng Giang – tỉnh Bắc Giang ..........23 Hình 1.4. Mô hình 3D kiến trúc cảnh quan phố Tạ Hiện - Hoàn Kiếm - Hà Nội ........24 Hình 1.5. Mô hình 3D trong thiết kế và xây dựng công trình nhà dân dụng ...........24 Hình 1.6. Mô hình 3D “Ngói gắn lá đề” - Hoàng thành Thăng Long- Hà Nội ........26 Hình 1.7. Mô hình 3D di tích Nhà bát giác – Chùa Láng – Hà Nội .........................27 Hình 1.8. Mô hình 3D đường ống dẫn dầu nhà máy Lọc dầu...................................28 Hình 1.9. Ứng dụng công nghệ quét laser 3D trong phẫu thuật tạo hình .................29 Hình 1.10. Ứng dụng trong theo dõi, dự báo, giám sát thảm họa khai thác mỏ .......30 Hình 2.1. Thành phần và sơ đồ nguyên lý của hệ thống quét laser mặt đất .................33 Hình 2.2. Chức năng, thành phần cấu tạo chính thiết bị quét laser mặt đất ..............34 Hình 2.3. Kết quả quét laser mặt đất .........................................................................35 Hình 2.4. Hệ tọa độ điểm trạm quét laser mặt đất ....................................................36 Hình 2.5. Nguyên lý phương pháp đo xung xác định độ dài khoảng cách ...............37 Hình 2.6. Sơ đồ xác định độ dài khoảng cách bằng phương pháp đo pha ................39 Hình 2.7. Nguyên lý làm việc của hệ thống quét laser mặt đất Mensi Soisic...........41 Hình 2.8. Xác định khoảng cách bằng phương pháp tam giác quét laser .................41 Hình 2.9. Ảnh hưởng đo kích thước thiết bị tích nạp tới độ sâu quá trình quét .......42 Hình 2.10. Nguyên lý theo bước định vị ghi góc ......................................................43 Hình 2.11. Nguyên lý định vị ghi liên tục góc .........................................................44 Hình 2.12. Thời gian truyền xung trong không gian ................................................58 Hình 2.13. Khoảng cách từ nguồn laser đến các điểm khác nhau của địa vật hình cầu với bán kính R ........................................................................59 Hình 2.14. Sự phụ thuộc độ rộng của xung vào định vị mặt phẳng địa vật .............59 Hình 2.15. Hình dáng tín hiệu vào khi tia laser đến ranh giới hai đối tượng............60 Hình 2.16. Ảnh hưởng của cấu tạo và màu sắc đối tượng đến kết quả quét ............61
x Hình 2.17. Phân tích độ phân giải trạm quét laser mặt đất .......................................63 Hình 3.1. Biểu đồ khối biểu thị sự biến động của độ cao địa hình ..........................69 Hình 3.2. Mô hình biểu thị mô hình số địa hình ......................................................70 Hình 3.3. Sơ đồ khối của thuật toán phép lọc mô hình hóa bề mặt và phát triển mô hình TIN tăng cường bộ lọc ............................................................74 Hình 3.4. Sơ đồ khối chương trình hỗ trợ xử lý dữ liệu đám mây điểm ...................77 Hình 3.5. Các chức năng chính của chương trình .....................................................80 Hình 3.6. Máy quét Faro S350 plus đặt tại thực địa ................................................82 Hình 3.7. Mô hình đám mây điểm sau nắn ghép ......................................................83 Hình 3.8. Mô hình đám mây điểm sau khi gán màu sắc khu vực làng Gia Phú .......83 Hình 3.9. Số liệu đám mây điểm tại một vị trí quét ..................................................83 Hình 3.10. Vị trí đặt các tiêu để ghép nối số liệu ......................................................84 Hình 3.11. Điểm tọa độ, độ cao hiển thị trên số liệu đám mây điểm........................84 Hình 3.12. Mở file trên phần mềm ............................................................................84 Hình 3.13. Định dạng *.Las khi mở file ...................................................................85 Hình 3.14. Lựa chọ đám mây điểm cần xử lý ...........................................................85 Hình 3.15. Số liệu hiển thị trên chương trình ...........................................................85 Hình 3.16. View số liệu trên chương trình ở các góc khác nhau ..............................86 Hình 3.17. Tính năng giảm mật độ đám mây điểm...................................................86 Hình 3.19. Số liệu gốc trước khi giảm mật độ ..........................................................87 Hình 3.20. Sử dụng tính năng tự động tính toán địa hình .........................................87 Hình 3.21. Vị trí tính năng lọc tự động địa hình .......................................................87 Hình 3.22. Các thông số của tính năng lọc tự động địa hình ....................................88 Hình 3.23. Số liệu địa hình sau lọc còn lại ...............................................................88 Hình 3.24. Số liệu phi địa hình được phân loại ra khỏi số liệu gốc ..........................88 Hình 3.25. Hộp thoại xuất số liệu *.las file...............................................................89 Hình 3.26. Số liệu đám mây điểm thu thập bằng phương pháp bay chụp ảnh UAV .......................................................................................................89 Hình 3.27. Bản đồ địa hình khu vực thực nghiệm ....................................................90
xi Hình 3.28. Khu vực thực nghiệm trên dữ liệu địa hình đã có ...................................90 Hình 3.29. Số liệu điểm độ cao từ dữ liệu địa hình đã có khu vực nghiên cứu ........91 Hình 3.30. Ranh giới thu thập dữ liệu quét laser trên bản đồ địa hình .....................91 Hình 3.31. Dữ liệu địa hình khu thực nghiệm dùng để đánh giá độ chính xác.........92 Hình 3.32. Dữ liệu địa hình thực nghiệm so sánh hiển thị cùng điểm độ cao đã có ............................................................................................................93 Hình 3.33. Các điểm độ cao dùng để so sánh ...........................................................93 Hình 3.34. Điểm theo dữ liệu đám mây điểm và điểm đo địa hình tại điểm ID9 ................................................................................................................94 Hình 3.35. Vị trí các điểm địa vật đặc trưng .............................................................95 Hình 3.36. Số liệu đám mây điểm thu thập bằng phương pháp quét laser mặt đất ...........................................................................................................96 Hình 3.37. Dữ liệu thu thập bằng phương pháp quét laser tại vị trí trạm quét .........97 Hình 3.38. Mật độ điểm máy quét thu được .............................................................97 Hình 3.39. Tổng thể mô hình đám mây điểm khu vực thực nghiệm ........................97 Hình 3.40. Mô hình số độ cao địa hình khu vực quét thực nghiệm ..........................98 Hình 3.41. Dữ liệu địa hình đồi Lim bằng phương pháp Lidar hàng không ............98 Hình 3.42. Điểm kiểm tra dữ liệu quét laser mặt đất với lidar hàng không..............99 Hình 4.1. Quy trình công nghệ khảo sát đối tượng phi địa hình .............................103 Hình 4.2. Trang thiết bị, phụ kiện cần kiểm tra khi đặt trạm máy và tiêu .............108 Hình 4.3. Bố trí trạm quét và tiêu cầu trên thực địa tại hang Đầu Gỗ ....................109 Hình 4.4. Bố trí vị trí tiêu cầu (Spherical targets) ngoài thực địa ...........................110 Hình 4.5. Hình ảnh 3600 trích xuất từ một trạm quét laser mặt đất ........................111 Hình 4.6. Dữ liệu đám mây điểm khu vực thực nghiệm .........................................112 Hình 4.7. Sơ đồ khu vực thực nghiệm hang Đầu Gỗ ..............................................112 Hình 4.8. Mô hình đám mây điểm khu vực hang Đầu Gỗ ......................................112 Hình 4.9. Sản phẩm mô hình địa hình khu vực thực nghiệm từ phần mềm ...........113 Hình 4.10. Sản phẩm đường đồng mức khu vực thực nghiệm từ phần mềm .........113 Hình 4.11. Sản phẩm mô hình khối 3D khu vực thực nghiệm ...............................113
xii Hình 4.12. Sản phẩm các mặt cắt địa hình của khu vực thực nghiệm ....................114 Hình 4.13. Đầu tuyến phố Tạ Hiện, quận Hoàn Kiếm, Hà Nội ..............................114 Hình 4.14. Tuyến phố Đinh Liệt – phường Hàng Bạc, quận Hoàn Kiếm, Hà Nội ......115 Hình 4.15. Sơ đồ khu vực thực nghiệm tuyến phố Đinh Liệt .................................115 Hình 4.16. Đánh dấu điểm tiêu trực tiếp trên thiết bị để nắn ghép .........................116 Hình 4.17. Tên trạm máy sử dụng...........................................................................116 Hình 4.18. Vị trí đặt tiêu so với vị trí máy quét ......................................................116 Hình 4.19. Cách thức di chuyển trạm máy quét......................................................117 Hình 4.20. Sơ đồ vị trí đặt trạm máy trên tuyến phố ..............................................117 Hình 4.21. Sai số dữ liệu quét theo tuyến ...............................................................118 Hình 4.22. Mô hình đám mây điểm của tuyến phố Tạ Hiện ...................................119 Hình 4.23. Mô hình đám mây điểm (đã gán màu thực) của tuyến phố Đinh Liệt ......119 Hình 4.24. Ảnh 3600 của tuyến phố Tạ Hiện ..........................................................119 Hình 4.25. Bản vẽ cấu trúc trên phần mềm Auto Cad của tuyến phố thực nghiệm..................................................................................................120 Hình 4.26. Báo cáo trực quan của tuyến phố thực nghiệm Tạ Hiện .......................120 Hình 4.27. Sơ đồ thực nghiệm khu vực di tích chùa Bửu Long .............................121 Hình 4.28. Mô hình Phật Bà Quan Âm nghìn mắt nghìn tay – chùa Bút Tháp ......124 Hình 4.29. Mô hình 3D toàn cảnh khu thực nghiệm chùa Bửu Long .....................125 Hình 4.30. Mô hình HBIM toàn cảnh khu thực nghiệm chùa Bửu Long ...............126
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ tin học trên nền tảng kỹ thuật vi xử lý cùng công nghệ số đang ngày càng tiến tới xu thế tự động hóa trong mọi lĩnh vực hoạt động sản xuất nhằm giảm tối đa tác động của con người đối với sản phẩm tạo ra. Quá trình vi xử lý kỹ thuật đóng vai trò rất quan trọng trong việc kết nối, tích hợp giữa các công đoạn và các công nghệ trong quá trình sản xuất nói chung. Đặc biệt trong lĩnh vực thu nhận dữ liệu không gian mặt đất, việc tích hợp các công nghệ định vị vệ tinh GPS, công nghệ ảnh số, công nghệ laser trao đổi dữ liệu trên nền tảng Internet đang là xu thế phát triển hiện nay mà tiêu biểu là hệ thống quét laser nói chung và quét laser mặt đất nói riêng. Bản chất quá trình quét laser mặt đất là đo độ chính xác cao khoảng cách từ trạm quét tới điểm địa vật và ghi lưu các hướng quét tương ứng (theo góc quét đứng và góc quét ngang), các đại lượng đo tương tự như toàn đạc điện tử. Tuy nhiên, hệ thống quét laser mặt đất cho ra đồng thời một khối lượng tọa độ các điểm quét với hình ảnh quét 3 chiều (3D) rất lớn. Hệ thống quét laser 3D mặt đất chủ yếu ứng dụng trong lĩnh vực địa hình trên phạm vi không rộng lớn nhưng đòi hỏi độ chính xác cao. Với những tính chất của những giá trị đo thừa cho phép tự động hóa cao quá trình thu nhận dữ liệu thông tin về bề mặt thực địa. Cũng như phương pháp chụp ảnh mặt đất việc ứng dụng công nghệ quét laser 3D mặt đất được ứng dụng trong lĩnh vực địa hình và phi địa hình khác nhau như: - Thực hiện đo đạc địa hình vùng có mức độ địa vật dày đặc rất phức tạp; - Lĩnh vực xây dựng và khai thác các công trình (kiểm tra, lập kế hoạch tối ưu, sửa chữa và khôi phục công trình, theo dõi biến dạng, lún và quan trắc trong quá trình xây dựng); - Công nghiệp khai thác mỏ (xác định khối lượng khai thác và nghĩa vụ hoàn thổ, xây dựng mô hình số vùng khai thác lộ thiên, hầm mỏ với quan trắc lòng đất để xây dựng mô hình địa chất, khảo sát thiết kế phục vụ khoan và nổ mìn khai thác mỏ);
2 - Công nghiệp khai thác thăm dò dầu khí (xây dựng các mô hình số khu công nghiệp với công nghệ phức tạp trong quá trình lắp đặt thiết bị và quan trắc theo dõi hoạt động hệ thống); - Lĩnh vực kiến trúc (khôi phục các tượng đài, công trình văn hóa lịch sử, thành lập các bản vẽ bề mặt kiến trúc); - Tham gia lập các phương án xử lý giảm thiểu, khắc phục các tai biến xảy ra; - Lĩnh vực y học (lập mô hình cơ thể con người nhằm giúp sản xuất khôi phục các bộ phận cơ thể); Việc nghiên cứu một cách khoa học, đầy đủ và hệ thống để sớm đưa ứng dụng công nghệ quét laser 3D mặt đất phục vụ trong công tác địa hình và phi địa hình một cách rộng rãi đang là sự quan tâm của các nhà khoa học và các nhà quản lý. Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn để đưa ra những giải pháp kỹ thuật, quy trình công nghệ phù hợp trong điều kiện hiện nay ở Việt Nam đang là nhu cầu cần thiết và cấp bách. Vì vậy tác giả đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu công nghệ quét Laser 3 chiều mặt đất trong lĩnh vực địa hình và phi địa hình ở Việt Nam”. Đây là lĩnh vực công nghệ mới ở nước ta, cho đến nay vẫn chưa có nhiều các nghiên cứu một cách đầy đủ và hệ thống về các ứng dụng của công nghệ này. 2. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu 2.1. Mục tiêu - Mục tiêu tổng quát: Xác lập cơ sở khoa học, ứng dụng công nghệ quét laser 3D mặt đất để thu thập, xử lý, hiển thị, phân tích, cập nhật số liệu khảo sát thực địa phục vụ xây dựng dữ liệu địa không gian trong đo vẽ hiện trạng địa hình và thể hiện các đối tượng phi địa hình. - Mục tiêu cụ thể: 1. Xây dựng các mô-đun, chương trình phụ trợ trong xử lý dữ liệu quét laser mặt đất, tính toán và hiển thị các nội dung dữ liệu: Đọc và lọc dữ liệu laser; giảm mật độ điểm dữ liệu; tự động nội suy mô hình số địa hình độ chính xác cao. 2. Xây dựng quy trình công nghệ quét laser 3D mặt đất cho một số đối tượng trong lĩnh vực phi địa hình.
3 2.2. Nhiệm vụ - Tiến hành thu thập, phân tích tổng quan tài liệu, đồng thời nghiên cứu cơ sở lý thuyết về công nghệ quét laser 3D mặt đất và các nguồn sai số ảnh hưởng đến độ chính xác; - Nghiên cứu công nghệ quét laser 3D mặt đất trong lĩnh vực địa hình và phi địa hình; - Nghiên cứu một số thuật toán và tiến hành xây dựng công cụ, chương trình phụ trợ trong xử lý dữ liệu quét laser 3D mặt đất; - Thực nghiệm để kiểm chứng kết quả nghiên cứu đối với một số khu vực có sự đa dạng về địa hình và một số đối tượng phi địa hình như là công trình lịch sử văn hóa, tuyến phố cổ hay hang động đặc trưng phục vụ bảo tồn hay quảng bá và phát triển du lịch. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3.1. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài giới hạn trong các vấn đề về ứng dụng công nghệ quét laser 3D mặt đất trong lĩnh vực địa hình: thành lập mô hình số địa hình ở các khu vực có địa hình đa dạng và tiến hành đánh giá độ chính xác. Lĩnh vực phi địa hình: thành lập các mô hình 3D công trình hang động, tuyến phố cảnh quan, di tích lịch sử văn hóa từ đó mô hình hóa phục vụ phát triển kinh tế xã hội. 3.2. Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu này được giới hạn trong phạm vi không gian đối tượng địa hình là khu vực địa hình tại khu vực làng Gia Phú xã Bình Dương huyện Gia Bình và khu vực đồi Lim thuộc thị trấn Lim huyện Tiên Du tỉnh Bắc Ninh. Đối tượng phi địa hình là hang Đầu Gỗ thuộc vịnh Hạ Long tỉnh Quảng Ninh; tuyến phố cổ Tạ Hiện, Đinh Liệt quận Hoàn Kiếm thành phố Hà Nội và chùa Bửu Long thành phố Hồ Chí Minh và một số cổ vật của chùa Bút Tháp tỉnh Bắc Ninh. 4. Phương pháp nghiên cứu Luận án được thực hiện trên cơ sở các phương pháp nghiên cứu chính sau đây: - Phương pháp thống kê: Tìm kiếm, thu thập, phân tích tài liệu và cập nhật các thông tin có liên quan đến luận án;
4 - Phương pháp phân tích, tổng hợp: Áp dụng trong quá trình phân tích, tổng hợp các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của công nghệ quét laser mặt đất; so sánh, chọn lọc các kết quả nghiên cứu có liên quan nhằm đưa ra các giải pháp có tính khoa học và thực tiễn cao; - Phương pháp mô hình hóa: các mô hình kiến trúc mạng, mô hình dữ liệu, mô hình toán trong đồ họa máy tính; - Phương pháp thực nghiệm: Tiến hành thực nghiệm và đánh giá kết quả thực nghiệm trên các đối tượng để chứng minh cơ sở lý thuyết, hoàn thiện quy trình, khẳng định tính khả thi và đi đến các kết luận khách quan, chính xác. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 5.1. Ý nghĩa khoa học Xây dựng và hoàn thiện một cách đồng bộ, đầy đủ và khoa học về cơ sở lý thuyết của công nghệ quét laser 3D mặt đất và khả năng ứng dụng công nghệ quét laser 3D mặt đất ở nước ta trong công tác thu thập dữ liệu địa không gian. Đề xuất các giải pháp, quy trình công nghệ, chương trình phần mềm phụ trợ để ứng dụng kỹ thuật quét laser 3D mặt đất trong việc thu thập và xử lý dữ liệu địa không gian phục vụ xây dựng mô hình số địa hình và một số ứng dụng lĩnh vực phi địa hình trong điều kiện thực tiễn ở nước ta. 5.2. Ý nghĩa thực tiễn Tự động hóa tối đa về thu thập và xử lý dữ liệu, phát huy ưu thế của công nghệ quét laser 3D mặt đất đáp ứng được các yêu cầu về kỹ thuật, chất lượng cũng như kinh phí; Đáp ứng tức thời nhu cầu đa dạng hóa các lĩnh vực ứng dụng của công nghệ quét laser 3D mặt đất như phục vụ việc quản lý, giám sát và quảng bá các công trình lịch sử, văn hóa du lịch...; Phát huy tinh thần độc lập, tự chủ trong nắm bắt lý thuyết và làm chủ công nghệ. Đưa ra chương trình lọc điểm và ứng dụng thành công trong việc xử lý dữ liệu quét laser 3D mặt đất phù hợp với điều kiện thực tiễn ở nước ta. Thúc đẩy ứng dụng công nghệ mới, phục vụ mục tiêu hiện đại hóa ngành đo đạc bản đồ.
5 6. Các luận điểm bảo vệ Luận điểm 1: Sử dụng thuật toán lọc dữ liệu quét bằng bổ sung mô hình hóa bề mặt và phát triển mô hình TIN tăng cường bộ lọc để xây dựng chương trình phụ trợ cho phép tự động hóa quá trình xử lý dữ liệu đám mây điểm, đảm bảo chất lượng cũng như hiệu quả trong việc thành lập mô hình số địa hình. Luận điểm 2: Đề xuất quy trình công nghệ quét laser 3D mặt đất phục vụ xây dựng mô hình 3D cho các đối tượng phi địa hình khác nhau một cách linh hoạt, đồng bộ, đảm bảo được yêu cầu kỹ thuật về độ chính xác nhằm đáp ứng yêu cầu phát triển kinh tế xã hội ở Việt Nam. 7. Các điểm mới của luận án - Xây dựng chương trình phụ trợ trong xử lý dữ liệu quét laser 3D mặt đất dựa trên thuật toán lọc dữ liệu quét bằng bổ sung mô hình hóa bề mặt và phát triển mô hình TIN tăng cường bộ lọc để thể hiện chính xác mô hình số địa hình (DTM) phù hợp với yêu cầu hiện tại ở Việt Nam. - Đề xuất được quy trình công nghệ quét laser 3D mặt đất xây dựng mô hình 3D cho một số đối tượng phi địa hình. 8. Cấu trúc và nội dung luận án Cấu trúc luận án gồm ba phần: Phần mở đầu: Giới thiệu tổng quan về luận án, tính cấp thiết, mục đích, ý nghĩa và tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước về những vấn đề liên quan đến nội dung của luận án. Từ đó hình thành phương pháp, nội dung nghiên cứu, đồng thời đưa ra các luận điểm bảo vệ và điểm mới của luận án. Phần nội dung nghiên cứu chính của luận án được trình bày trong 4 chương: Chương 1: Tổng quan về tình hình nghiên cứu công nghệ quét laser 3D mặt đất trong lĩnh vực địa hình và phi địa hình. Chương 2: Cơ sở khoa học và các nguồn sai số ảnh hưởng đến kết quả quét laser 3D mặt đất. Chương 3: Xây dựng chương trình xử lý dữ liệu quét laser 3D mặt đất trong lĩnh vực địa hình.
6 Chương 4: Xây dựng quy trình công nghệ quét laser 3D mặt đất cho việc khảo sát một số đối tượng phi địa hình. Phần kết luận và kiến nghị: Tổng hợp lại các vấn đề nghiên cứu trong luận án, đưa ra kết luận khẳng định kết quả nghiên cứu về công tác tách lọc xử lý dữ liệu đám mây điểm thu thập bằng quét laser 3D mặt đất, đề xuất quy trình công nghệ quét laser 3D mặt đất cho việc khảo sát từng đối tượng phi địa hình cụ thể. Từ các kết quả nghiên cứu đạt được, đưa ra các kiến nghị cần quan tâm giải quyết có nội dung liên quan đến đề tài.