Đang tải... (xem toàn văn)
Bài viết giới thiệu tổng quan về công nghệ chụp ảnh hàng không bằng thiết bị bay không người lái UAV (Unmanned Aerial Vehicles), quy trình xử lý ảnh UAV để xây dựng mô hình số bề mặt DSM, mô hình số độ cao DEM, bình đồ trực ảnh, tạo các mặt cắt địa hình phục vụ công tác thiết kế công trình tuyến đường dây tải điện và kết quả dự án khảo sát tuyến đường dây 500KV từ Quảng Trạch đi Dốc Sỏi với tổng chiều dài 492km.
Ứng dụng công nghệ bay chụp ảnh UAV khảo sát tuyến đường dây truyền tải điện Quốc gia Application of UAV photogrammetry technology for surveying the national electricity transmission line Nguyễn Mai Hạnh Tóm tắt Bài báo giới thiệu tổng quan công nghệ chụp ảnh hàng không thiết bị bay không người lái UAV (Unmanned Aerial Vehicles), qui trình xử lý ảnh UAV để xây dựng mơ hình số bề mặt DSM, mơ hình số độ cao DEM, bình đồ trực ảnh, tạo mặt cắt địa hình phục vụ cơng tác thiết kế cơng trình tuyến đường dây tải điện kết dự án khảo sát tuyến đường dây 500KV từ Quảng Trạch Dốc Sỏi với tổng chiều dài 492km Đánh giá tiềm hiệu kinh tế áp dụng đại trà cơng tác khảo sát địa hình tuyến đường dây điện Từ khóa: Chụp ảnh máy bay khơng người lái, mơ hình số độ cao, mơ hình số bề mặt, ảnh trực giao, đồ 3D, đường dây truyền tải điện Abstract This paper presents an overview of aerial photography using UAV (Unmanned Aerial Vehicles), workflow of processing the UAV images to create DSM (Digital Surface Model), DEM (Digital Elevation Model), orthophoto, creating terrain profiles for the design work of the power transmission line and the results of project for surveying the 500KV electricity transmission line from Quang Trach to Doc Soi with a total length of 492km Potential assessment and economic efficiency could be widely applied in surveying power lines Key words: Photogrammetry, UAV, Digital surface model, Digital elevation model, Orthophoto, 3D map, Power transmission line Đặt vấn đề Trên giới thành lập đồ công nghệ đo ảnh máy bay không người lái (UAV) máy chụp ảnh độ phân giải cao ngày sử dụng rộng rãi ngành Trắc địa - Bản đồ, nhiên công nghệ tương đối Việt Nam Hiện cơng nghệ sử dụng máy tồn đạc điện tử định vị vệ tinh (GNSS) sử dụng rộng rãi thu thập liệu mặt đất phục vụ cho cơng tác địa chính, trắc địa địa hình, xây dựng dân dụng thiết kế kiến trúc với độ xác cao cm Điểm hạn chế hai cơng nghệ chi phí triển khai diện rộng cao tiêu tốn thời gian tương đối lớn Thêm nữa, hai cơng nghệ khó thực khu vực đo vẽ có địa hình phức tạp, điều kiện mơi trường làm việc khu đo tiềm ẩn nguy gây nguy hiểm tới sức khỏe người Ở Việt Nam năm gần có số cơng trình nghiên cứu chứng minh độ xác tính hiệu việc ứng dụng UAV Cục Bản đồ Quân đội đơn vị thử nghiệm thành công ứng dụng thiết bị UAV bay chụp ảnh để thành lập đồ địa hình 3D tỷ lệ lớn, đồ địa phục vụ quản lý, qui hoạch khu đất quốc phòng [1] Kết thử nghiệm cho thấy ưu điểm bật chi phí thấp, thời gian thi cơng ngắn, độ xác cao dễ dàng tạo mơ hình 3D Đặc biệt thích hợp với dự án thành lập đồ khu vực nhỏ, hẹp dạng tuyến cơng trình khảo sát hành lang đường dây tải điện Để đảm bảo cho việc khảo sát thiết kế tuyến đường dây tải điện tối ưu cơng tác lập đồ địa hình vơ quan trọng Trong thực tế sản xuất công tác khảo sát lập đồ địa hình chủ yếu dựa vào loại thiết bị đo đạc phổ thơng như: thiết bị thu tín hiệu vệ tinh GNSS, máy toàn đạc điện tử, máy kinh vĩ, máy thủy chuẩn… Với phương pháp chụp ảnh hàng khơng UAV việc khảo sát, lập đồ địa hình trở nên dễ dàng hơn, chí vùng địa hình núi cao, hiểm trở, khó tiếp cận Với địa hình dạng tuyến hẹp kéo dài hàng chục đến hàng trăm km việc sử dụng cơng nghệ UAV đảm bảo tiến độ độ xác cần thiết Tổng quan công nghệ chụp ảnh UAV Hệ thống chụp ảnh hàng không kỹ thuật số UAV để thành lập đồ địa hình 3D gồm có thành phần sau: Hệ thống máy bay; Máy ảnh kỹ thuật số; Trạm điều khiển mặt đất; Trạm xử lý ảnh tạo DSM/DEM, ảnh trực giao, đám mây điểm đồ 3D 2.1 Thiết bị bay UAV Cấu tạo thiết bị bay UAV bao gồm: thân máy bay, đầu thu GPS, cảm biến tốc độ gió, cảm biến độ cao, cảm biến áp xuất, cảm biến cân thu phát tín hiệu, ngồi thiết bị bay mang theo pin dùng để cung cấp nguồn lượng cho toàn thiết bị máy bay ThS Nguyễn Mai Hạnh Bộ môn Trắc địa Khoa KTHT & MT Đô Thị ĐT: 0983289997 Email: nguyenmaihanh.td@gmail.com Ngày nhận bài: 06/04/2018 Ngày sửa bài: 11/05/2018 Ngày duyệt đăng: 22/10/2019 Thiết bị bay UAV có nhiều hình dạng kích cỡ khác nhau, loại có ưu điểm nhược điểm riêng Do tùy thuộc vào cơng việc cụ thể mà người sử dụng có lựa chọn thiết bị bay UAV phù hợp Thông thường UAV chia làm loại theo cấu tạo thiết bị bay cánh cố định (Fixed Wing UAV) thiết bị bay cánh quạt (Rotary Wing UAV) 2.2 Máy ảnh kỹ thuật số Thông thường máy ảnh sử dụng để chụp ảnh địa hình UAV loại máy ảnh kỹ thuật số có kích thước nhỏ gọn, có tiêu cự cố định khả lấy nét tự động 2.3 Trạm điều khiển mặt đất Mỗi thiết bị bay UAV điều khiển trạm điều khiển mặt đất Cấu S¬ 36 - 2019 63 KHOA HC & CôNG NGHê a) Thit b bay UAV(cỏnh c định) b) Máy ảnh số c) Trạm điều khiển Hình Thiết bị thu nhận liệu theo phân tầng độ cao (Nguồn ANTHI) d) Trạm xử lý ảnh Hình Thành phần hệ thống thành lập đồ 3D UAV Nguồn SenseFly SA tạo trạm điều khiển mặt đất bao gồm: - Máy tính xách tay, hay máy tính bảng điện thoại thơng minh cài đặt phần mềm lập trình bay điều khiển bay Đây phần mềm chuyên dụng để thiết kế bay, điều khiển bay lập kế hoạch vị trí hướng cất, hạ cánh thực địa - Bộ điều khiển có thiết bị thu phát tín hiệu dùng để kết nối máy tính bảng với máy bay Tay điều khiển tích hợp với máy tính bảng điện thoại thơng minh, có cài đặt phần mềm điều khiển DJI Go phần mềm điều khiển khác Pix4D Capture Một số hãng khác Trimble, Sensfly, Geoscan, Microdrone… tự phát triển phần mềm điều khiển bay chuyên dụng riêng (TBC, emotion 3, Geoplanar, Microdrone Airborne) cho sản phẩm UAV 2.4 Trạm xử lý liệu ảnh UAV Trạm xử lý liệu ảnh chụp UAV gồm máy tính trạm Workstation có cấu hình mạnh cài đặt phần mềm chuyên xử lý ảnh để tạo mơ hình số mặt đất Đặc điểm chung phần mềm xử lý từ ảnh số chụp từ UAV với độ phủ từ 70-90%, sau xử lý tạo mơ hình đám mây điểm (Point Cloud), DSM, DEM, 3D mesh ảnh trực giao (Orthomosaic) Một số phần mềm chuyên dụng cho xử lý ảnh UAV phổ biến Việt Nam gồm có: TBC Trimble Business Center Photogrammetry hãng Trimble, Agisoft PhotoScan hãng Geoscan Nga, Pix4Dmapper Thụy Sỹ, Context Capture Benley Map, PhotoMesh Skyline 64 Hình Phạm vi khu vực khảo sát tuyến đường điện 500KV T„P CHŠ KHOA H“C KI¦N TR”C - XŸY D¼NG Hình Sơ đồ qui trình cơng nghệ bay chụp xử lý ảnh Ứng dụng bay chụp UAV khảo sát tuyến đường dây 500KV Quảng Trạch – Dốc Sỏi 3.1 Tổng quan dự án Dự án “Đường dây 500kV Quảng Trạch – Dốc Sỏi” có quy mô chủ yếu sau: - Cấp điện áp: 500kV; Số mạch: 02 mạch; - Điểm đầu: xã Quảng Đơng, huyện Quảng Trạch, tỉnh Quảng Bình; - Điểm cuối: xã Bình Nguyên, huyện Bình Sơn, tỉnh Quảng Ngãi; - Chiều dài tuyến: khoảng 500km; - Hành lang tuyến: 32m (từ tim tuyến bên 16,0m); - Địa điểm xây dựng: qua tỉnh miền Trung Việt Nam *Phạm vi nhiệm vụ: - Bay chụp ảnh hàng khơng tồn tuyến đường dây 500kV Quảng Trạch – Dốc Sỏi, phạm vi tính từ tim tuyến bên 150 m, độ phân giải 15 cm - Đo vẽ thành lập mơ hình số địa hình DTM mơ hình số bề mặt DSM với độ xác độ cao 0,5m - Thành lập bình đồ ảnh hàng khơng trực giao số với độ phân giải 0,2m - Thành lập đồ địa hình xây dựng sở liệu địa lý tỷ lệ 1:2.000 (khoảng cao đường bình độ m), phạm vi tính từ tim tuyến bên 150 m 3.2 Công tác bay chụp xử lý ảnh *Bước1.Công tác chuẩn bị: Đối với cơng tác bay chụp việc lập kế hoạch, kiểm tra điều kiện bay cần thiết quan trọng, định đến an tồn bay chất lượng ảnh bay chụp Công tác chuẩn bị bao gồm hoạch định vị trí phạm vi cần bay chụp, kiểm tra vùng cấp phép bay, vùng cấm bay, tiếp đến kiểm tra điều kiện thời tiết có phù hợp cho cơng tác bay chụp hay không *Bước 2.Công tác bay chụp ảnh: Khi điều kiện để tiến hành thủ tục bay đảm bảo, tiếp đến thiết kế tuyến bay phần mềm chuyên dụng tổ chức thực bay chụp ảnh Sử dụng 03 hệ thống UAV (Geoscan 101, Trimble UX5 eBee *Bước 3.Cơng tác đo đạc, tính tốn tọa độ, độ cao điểm khống chế ảnh ngoại nghiệp: + Bố trí đo điểm trạm Base: điểm đo đạc xác định tọa độ độ cao tương đương với điểm sở hạng III Nhà nước, vị trí điểm đóng cọc ổn định suốt thời gian khảo sát, đảm bảo thơng thống, định tâm với sai số nhỏ 5mm, đo chiều cao ăng ten với độ xác 1mm Sử dụng máy GPS Trimble tần số L1/L2 đo thời gian tối thiểu 180 phút, tần xuất thu tín hiệu không nhỏ 1giây/1epoch liệu vệ tinh Điểm trạm base đo nối với điểm tọa độ GPS sở thường trực Nhà Nước đặt Nghệ An Đà Nẵng Gốc tọa độ tham chiếu: Hệ tọa độ quốc gia VN2000; kinh tuyến trung ương 105o; múi chiếu 6o (k=0.9996), Hệ độ cao Hòn Dấu Lưới chiếu UTM, Elipsoid WGS84, mơ hình trọng lực EGM 2008 + Chọn, chích đo điểm khống chế ảnh ngoại nghiệp GCPs: Sau bay chụp tiến hành chọn chích điểm khống chế ảnh, đo nối GPS khống chế ảnh ngoại nghiệp tính tốn tọa độ, độ cao Nhà Nước Các điểm GCPs chọn đánh dấu vào điểm địa vật rõ nét, nhận biết xác ảnh, độ tương phản hình ảnh thuận lợi cho khớp ảnh tự động, thuận lợi di chuyển tiếp cận + Đo nối GCPs máy Trimble GPS 5700, Trimble GNSS-R8s, Trimble GNSS-R2 với phương pháp đo động RTK/PPK để xác định toạ độ, độ cao điểm khống chế ảnh + Số lượng điểm đo đạc tính tốn lưới KCA đường dây 500kV Quảng Trạch – Dốc Sỏi: 502 điểm, kết hợp đo bổ sung điểm với khoảng cách 10km/điểm khống chế ảnh tim tuyến phục vụ kiểm tra DSM sau xử lý ảnh; phần mềm tính tốn bình sai sử dụng phần mềm TBC (Trimble Business Center) tính tốn đánh giá độ xác điểm đo, sau bình sai, thực biên tập thành đo theo S¬ 36 - 2019 65 KHOA HC & CôNG NGHê Hỡnh (a) Ảnh trực giao orthomosaic; (b) Mơ hình số độ cao DEM; (c) mơ hình đám mây điểm Point Cloud quy định thành lập đồ địa hình tỷ lệ 1:2.000 Bước 4.Công tác xử lý liệu ảnh chụp: + Đối với UAV Geoscan 101 sử dụng phần mềm xử lý ảnh Agisoft Pro + Đối với UAV Trimble UX5 sử dụng phần mềm xử lý ảnh TBC 3.40 Kết ứng dụng công nghệ bay chụp ảnh UAV phục vụ dự án khảo sát tuyến đường điện 500KV, đạt cụ thể sau: - Số lượng UAV: 03 gồm Geoscan 101, Trimble UX5 eBee; - Tổng số ảnh chụp: 40.819 tấm; + Đối với UAV eBee sử dụng phần mềm xử lý ảnh Pix4Dmapper - Tổng số ca bay: 73 ca bay; Tổng chiều dài tuyến khảo sát: 491,61 km Các phần mềm tự động phát điểm khống chế mặt đất (GCPs) ảnh, chọn khớp điểm ảnh tên, tính tốn bình sai khối tam giác ảnh không gian để tạo đám mây điểm (Point Cloud), mơ hình số bề mặt (DSM) ảnh Orthomosaic - Tổng số điểm khống chế ảnh (GCPs): 502 điểm, 21 điểm trạm sở (base station); - Sản phẩm giao nộp: Bình đồ ảnh hàng khơng, mơ hình số địa hình DTM, mơ hình số bề mặt DSM đồ địa hình tỷ lệ 1:2.000 tồn tuyến, với tổng diện tích 113,74km2; Sản phẩm ảnh trực giao, mơ hình số độ cao mơ hình đám mây điểm tạo ra, xem hình minh họa đây: - Tổng số người tham gia: người, ngoại nghiệp người nội nghiệp người; Tổng thời gian thực hiện: từ ngày 08/01 đến 18/3/2017 63 ngày *Bước 5.Tính tốn thiết kế tuyến điện: dựa vào mơ hình số độ cao DEM tạo bước tim tuyến thiết kế tiến hành lập mặt cắt dọc, mặt cắt ngang tuyến Từ tính tốn điều chỉnh số liệu thiết kế thấy cần thiết, tính tốn thống kê phục vụ cho cơng tác đền bù giải phóng mặt tính tốn khối lượng đào đắp phục vụ lập dự tốn thi cơng cơng trình Kết lập mặt cắt dọc mặt cắt ngang tuyến thể hình đây: 3.3 Kết xử lý ảnh UAV 66 Kết luận Như vậy, việc áp dụng công nghệ bay chụp UAV cho dự án mang lại thành công mong đợi, đáp ứng đầy đủ yêu cầu kỹ thuật độ xác rút ngắn thời gian khảo sát so với phương pháp đo đạc mặt đất truyền thống Với kết nghiên cứu thử nghiệm này, thấy công nghệ chụp ảnh UAV có ưu, T„P CHŠ KHOA HC KIƯN TRC - XY DẳNG Hỡnh S mặt mặt cắt dọc tuyến G98-G99 Hình Mặt cắt ngang tuyến vị trí Km0+000 Hình Mặt cắt ngang tuyến vị trí Km0+500 Hình a Hiệu chỉnh tuyến đường dây để tránh khu dân cư; b Thiết kế đường dây 3D nhược điểm sau: - Ưu điểm: + Hệ thống gọn nhẹ, thuận tiện cho việc di chuyển thao tác thực địa; + Hệ thống cho kết xác, nhanh chóng trực quan giúp cho nhà thiết kế có thơng tin cần thiết kịp thời để lựa chọn phương án kỹ thuật tối ưu + Hệ thống có tính tự động hóa cao, thuận tiện cho người sử dụng; + Cho phép khảo sát địa hình khu vực khó khăn, nguy hiểm mà khó tiếp cận phương pháp truyền thống - Nhược điểm: + Đây công nghệ đại, có tính tự động hóa cao cịn Việt Nam người sử dụng cần phải tuyển chọn để đào tạo chuyên sâu lý thuyết kỹ điều khiển bay từ ban đầu + Hệ thống phụ thuộc nhiều vào điều kiện thời tiết mây, mù, gió…, ngồi cịn phải tránh khu vực cấm bay; + Cần phải làm thủ tục xin phép bay trước bay chụp; + Thời gian cho chuyến bay ngắn phụ thuộc vào nguồn lượng pin, thông thường 1h Lần Việt Nam, Công ty TNHH MTV TĐBĐ/ Cục Bản đồ thực thành công ứng dụng công nghệ bay chụp ảnh UAV giúp cho Tập đồn điện lực Việt (xem tiếp trang 72) S¬ 36 - 2019 67 ... Phạm vi khu vực khảo sát tuyến đường điện 500KV T„P CHŠ KHOA H“C KI¦N TR”C - XŸY D¼NG Hình Sơ đồ qui trình công nghệ bay chụp xử lý ảnh Ứng dụng bay chụp UAV khảo sát tuyến đường dây 500KV Quảng... Geoscan 101 sử dụng phần mềm xử lý ảnh Agisoft Pro + Đối với UAV Trimble UX5 sử dụng phần mềm xử lý ảnh TBC 3.40 Kết ứng dụng công nghệ bay chụp ảnh UAV phục vụ dự án khảo sát tuyến đường điện 500KV,... cơng tác bay chụp hay không *Bước 2 .Công tác bay chụp ảnh: Khi điều kiện để tiến hành thủ tục bay đảm bảo, tiếp đến thiết kế tuyến bay phần mềm chuyên dụng tổ chức thực bay chụp ảnh Sử dụng 03