Uav và kỹ thuật tạo lập DTM từ dsm bằng phần mềm Global mapper và Pix4D

từ dữ liệu ảnh chụp UAV hoàn toàn tự động với độ chính xác rất cao, đạt cỡ vài cm. Tuy nhiên trong một số bài toán ứng dụng của thực tiễn, nhiều khi chúng ta cần mô hình số địa hình DTM để phục vụ tính toán và thiết kế công trình. Bài báo trình bày kỹ thuật thủ công và tự động chiết xuất DTM từ DSM trên phần mềm Global Mapper và Pix4D cho phép tạo ra sản phẩm có chất lượng, đáp ứng đúng tiêu chuẩn kỹ thuật của ngành trắc địa bản đồ. Từ khóa: thiết bị bay không người lái UAV; mô hình số bề mặt DSM; mô hình số địa hình DTM Abstract In recent years, the UAV imagery technology has been developed quickly and efficiently in high-accuracy surveying and mapping. DSM was created from UAV imagery completely automated with very high accuracy, achieving a few centimeters. However, in some situations of practical application, the DTM is used for construction design work. This paper presents manual and automatic techniques for extracting DTM from DSM on Global Mapper and Pix4D software to create quality products that meet the technical standards of the surveying and mapping field. Key words: UAV unmanned aerial vehicle; DSM digital surface model; DTM digital terrain model TS. Lê Đại Ngọc Phòng Bản đồ Viễn thám, Cục Bản đồ/BTTM ThS. Nguyễn Mai Hạnh Bộ môn Trắc địa Khoa Kỹ thuật hạ tầng & Môi trường đô thị ĐT: 0983289997 Email: nguyenmaihanh.td@gmail.com Ngày nhận bài: 18/03/2017 Ngày sửa bài: 02/06/2017 Ngày duyệt đăng: 22/10/2019 Ngày nay, công nghệ Viễn thám trên thế giới phát triển khá đa dạng, có rất nhiều thiết bị thu nhận các hình ảnh có độ phân giải mặt đất từ vài cm đến hàng chục mét, có thể chụp ở cự ly rất gần vài chục mét cho đến khoảng cách rất xa hàng trăm km. Tuỳ thuộc vào cự ly chụp và tính chất vật lý sóng chụp của các thiết bị thu nhận hình ảnh mà có thể phân loại thành các công nghệ như: chụp ảnh vệ tinh, chụp ảnh hàng không bằng máy bay có người lái và không người lái UAV; công nghệ quét Lidar. Tuy nhiên việc thu thập các dữ liệu ảnh chụp vệ tinh quang học và ảnh chụp hàng không có người lái có lúc không được kịp thời và bị ảnh hưởng rất lớn trong điều kiện thời tiết có mây. Việt Nam nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới, tỷ lệ diện tích của lãnh thổ bị mây che phủ lên đến 70% nên hiệu suất có được ảnh vệ tinh không mây là rất thấp. Như vậy có thể dễ thấy rằng hạn chế của ảnh chụp vệ tinh quang học và ảnh hàng không có người lái là giá thành cao, không kịp thời và phụ thuộc nhiều vào điều kiện thời tiết, độ phân giải mặt đất thấp. Để bổ sung cho sự thiếu hụt về thu nhận dữ liệu từ vệ tinh và máy bay có người lái, cần nghiên cứu giải pháp chụp chụp ảnh địa hình ở độ cao thấp bằng cách gắn các thiết bị máy chụp ảnh và máy quay video chuyên dụng lên các thiết bị bay không người lái (máy bay mô hình được điều khiển bằng các thiết bị từ xa – UAV Unmanned Aerial Vehicle) phục vụ thu nhận ảnh cho công tác thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn (từ 1/2.000 và lớn hơn). Tại Việt Nam, trong những năm gần đây, công nghệ chụp ảnh bằng thiết bị bay không người lái UAV đã được phát triển khá phổ biến và mang lại hiệu quả to lớn trong công tác khảo sát điều tra đo đạc địa hình đòi hỏi độ chính xác cao. Một trong những ưu điểm vượt trội của công nghệ này là cho phép tạo ra mô hình số bề mặt DSM hoàn toàn tự động với độ chính xác rất cao, đạt cỡ vài cm. Tuy nhiên, trong một số bài toán ứng dụng của thực tiễn , chúng ta lại cần mô hình số địa hình DTM để phục vụ tính toán và thiết kế công trình, ví dụ như Thành lập các bản đồ độ dốc, hướng dốc, mặt cắt, trợ giúp các nghiên cứu địa mạo như đưa ra sơ đồ hướng dòng chảy, xác định hướng dốc và lưu vực thoát nước bề mặt để mô phỏng và dự báo khu vực ngập lụt; xói mòn, trượt lở đất, lũ lụt; Xác định cốt nền xây dựng cho thành phố; tính toán thể tích đào đắp. Hiện nay kiểu dáng, chủng loại của UAV khá đa dạng bao gồm: máy bay cánh bằng, máy bay trực thăng, thiết bị bay loại nhỏ với 4 hoặc 6 cánh quạt, khinh Hình 1. Phân tầng thiết bị bay chụp ảnh và độ phân giải mặt đất 69 S¬ 36 - 2019 khí cầu và các rô bốt bay có hình dáng giống như các loài côn trùng phục vụ chụp ảnh trinh sát địa hình, thành lập bản đồ tỷ lệ lớn và mô phỏng địa hình 3 chiều, truyền hình ảnh video trực tuyến thời gian thực. Hiện nay, một số phần mềm thương mại như Context Captue, Erdas, Agisoft... đều cho phép tạo lập được DSM từ dữ liệu ảnh chụp UAV và cung cấp các giải pháp khác nhau cho phép thành lập DTM từ DSM tự động hoặc bán tự động, nhưng kết quả vẫn chưa bảo đảm yêu cầu kỹ thuật như mong muốn. Bài báo này trình bày kỹ thuật thủ công và tự động chiết xuất DTM từ DSM trên phần mềm Global Mapper và Pix4D cho phép tạo ra sản phẩm có chất lượng, đáp ứng đúng tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành. Trong thực tế, việc xử lý dữ liệu UAV với phần mềm Pix4Dmapper có thể thực hiện sơ bộ tại thực địa trong quá trình bay chụp (nhằm có những điều chỉnh kịp thời đảm bảo có được bộ ảnh chụp chất lượng với mức độ chồng phủ cao – thường là trên 75%). Việc xử lý chính thức với các tham số xử lý phù hợp sau đó sẽ được thực hiện tại văn phòng để tạo sản phẩm chất lượng có độ chính xác cao. Việc xử lý ảnh UAV thường rất nặng và tốn nhiều thời gian đặc biệt với dự án bay chụp có khối lượng ảnh chụp lớn. Phần mềm Pix4Dmapper cho phép phân tách bộ ảnh ra thành các khu vực nhỏ để xử lý lần lượt và sau đó, ghép lại thành sản phẩm cuối cùng phủ trùm toàn bộ khu vực dự án. Sau khi hoàn thành quy trình xử lý, sản phẩm đầu ra bao gồm: đám mây điểm 3D, DSM/DTM & đường đồng mức và ảnh ghép trực giao (Orthomosaic) của khu vực bay chụp với độ chính xác cao. Các dữ liệu sản phẩm này dễ dàng tích hợp vào bất kỳ GIS và phần mềm CAD như: ArcGIS, GlobalMapper, Quantum GIS, Autocad. 1. Tạo lập DTM từ bề mặt DSM bằng phần mềm Global Mapper Global Mapper là phần mềm có khả năng tạo bản đồ, công cụ cho phép chỉnh sửa, tạo và xóa các thông tin bản Hình 2. Mô tả công cụ gán độ cao cho đối tượng vùng Hình 3. Mô tả công cụ làm phẳng địa hình 70 T„P CHŠ KHOA H“C KI¦N TR”C - XŸY D¼NG KHOA H“C & C«NG NGHª đồ. Đặc biệt Global Mapper giúp chuyển đổi, chỉnh sửa, in ấn, theo dấu GPS và tận dụng tối đa chức năng GIS trên dữ liệu. Global Mapper hỗ trợ nhiều định dạng như: các loại Vector, Arc, các tập tin ASCII, BMP, nhị phân, các file GPS, AutoCAD, tập tin GIS, các loại Raster... Kết quả có thể được xuất trực tiếp sang các định dạng Web như: Google maps, Virtual Earth,... Các bước thao tác tạo lập bề mặt DTM bằng cách làm phẳng bề mặt DSM trong phần mềm Global Mapper (GM) như sau: B1. Mở file dữ liệu DSM bằng phần mềm Global Mapper: Kéo thả file dữ liệu DSM vào trong môi trường GM để hiển thị. B2. Bật công cụ số hóa: Digitizer Tool để tạo các vùng bao quanh đối tượng có chiều cao (cột, thực vật, tòa nhà, cầu, xe ô tô...). Vùng tạo ra cần có kích cỡ lớn hơn các đối tượng nhằm loại bỏ hoàn toàn các đối tượng này. Quá trình này được gọi là làm phẳng các yếu tố trên bề mặt địa hình. B3. Nhấp phải chuột trên cửa sổ chính và chọn Create Area/ Polygon Features > Area - Create New Area Feature để thực hiện vẽ vùng bao quanh đối tượng. B4. Nhấp phải chuột trên vùng vừa được ra, rồi chọn Analysis/ Measurement > Apply Elevation from Terrain Layers to Selected Feature(s) để gán độ cao cho tất cả các đỉnh biên vùng từ file DSM. B5. Nhấp phải chuột trên vùng vừa được ra, rồi chọn Analysis/ Measurement>Calculate Elevation/Slope Stats for Selected Feature(s) để cập nhật thông tin thuộc tính về tính toán thống kê độ cao, độ dốc cho đối tượng vùng vừa được tạo ra. B6. Nhấp phải chuột trên vùng vừa được ra và chọn Advanced Feature Creation Options> Terrain - Create/Flatten Terrain from Selected Area Feature(s) để tạo một bề mặt địa hình từ vùng được chọn. B7. Hộp thoại Elevation Grid Creation Options xuất hiện và thiết lập các lựa chọn để tạo ra bề mặt DTM như hình dưới đây: Hình 4. Thiết lập các thông số để tạo ra bề mặt địa hình DTM a) Trước khi loại bỏ nhà (DSM) b) Sau khi loại bỏ nhà (DTM) c) Trước khi làm phẳng nhà 3D d) Sau khi làm phẳng nhà 3D Hình 5. Kết quả trước/sau khi loại bỏ nhà từ bề mặt DSM 71 S¬ 36 - 2019 a) Bề mặt được tạo ra trong Pix4D b) DTM được tạo ra Hình 7. DTM được tạo ra từ DSM a) DSM của trụ sở Cục Bản đồ b) DTM của trụ sở Cục Bản đồ Hình 8. Kết quả tạo lập DTM tự động Hình 6. Minh họa tạo lập một bề mới 72 T„P CHŠ KHOA H“C KI¦N TR”C - XŸY D¼NG KHOA H“C & C«NG NGHª B8. Nhấp OK để hoàn tất quá trình tạo DTM từ bề mặt DSM. B9. Tích hợp bề mặt DTM mới với bề mặt DSM bằng cách nhấp chuột trái vào Analysis>Combile/Compare Terrain Layers và đặt các lựa chọn như hình dưới đây, trong đó lưu ý mục Operation chọn Minimum Elevation: 2. Tạo lập DTM từ bề mặt DSM bằng phần mềm Pix4Dmapper Pix4Dmapper là phần mềm chuyên dụng trong việc xử lý phân tích dữ liệu ảnh bay chụp từ các thiết bị không người lái (UAV) trong các dự án bay vẽ địa hình tỷ lệ lớn với độ chính xác cao do hãng Pix4D (Thụy sỹ) phát triển và cung cấp với 2 mức sản phẩm: Pix4Dmapper Discovery (bản dùng thử) và Pix4Dmapper Pro. Để tạo ra DTM từ bề mặt DSM đã có trong phần mềm Pix4Dmapper trước tiên cần định nghĩa một bề mặt mới. Các bề mặt này được số hóa thủ công theo đối tượng dạng vùng, thông thường bao quanh các tòa nhà, vật thể kiến trúc, cây cối. Các bước tạo ra bề mặt Surface trong phần mềm Pix4Dmapper như sau: B1. Trên thực đơn chính nhấp chuột vào View > rayCloud. B2. Trên thực đơn chính nhấp chuột vào rayCloud > New Surface . B3. Trên cửa sổ 3D View, xuất hiện một điểm màu xanh lá cây bên cạnh con trỏ. Nhấp chuột trái để đánh dấu các đỉnh của bề mặt. Tập hợp các đỉnh được tạo ra sẽ tạo thành một bề mặt. B4. Bấm chuột phải sau khi kết thúc điểm cuối cùng để tạo thành bề mặt. B5. (Tùy chọn) Sau khi bề mặt đã được tạo lập, có thể cải thiện độ chính xác cho bề mặt bằng cách tinh chỉnh vị trí các đỉnh vertex khớp với hình ảnh trên cửa sổ 3D View. B6. Chạy lại bước tạo lập 3. DSM, Orthomosaic and Index khi đó mô hình DSM mới đã được làm phẳng tại các vùng vẽ Surface, đồng thời ảnh trực giao mới có biến dạng nhỏ tại các khu vực Surface do có thay đổi độ cao. Tuy nhiên, bắt đầu từ phiên bản 3.1 của Pix4Dmapper đã cải tiến bằng các thuật toán mới cho phép chiết suất DTM hoàn toàn tự động từ DSM với độ chính xác cao mà không cần bất cứ sự can thiệp thủ công. Trên thanh công cụ thực đơn chính, lựa chọn Process > Generate DTM phần mềm sẽ tự động tính toán để loại bỏ độ cao của tất cả đối tượng địa vật (nhà cửa, cây cối...) trên bề mặt DSM để tạo ra bề mặt DTM. Như vậy với các kỹ thuật công nghệ tiên tiến trong việc xử lý dữ liệu ảnh chụp từ UAV cùng các bước thao tác cụ thể do tác giả tìm tòi, khai thác tính năng của các phần mềm và xây dựng thành qui trình trên đây thì người dùng có thể dễ dàng làm được. Kết quả thực nghiệm đã chứng minh kỹ thuật này hoàn toàn cho phép nhanh chóng tạo ra các sản phẩm DSM, DTM có độ chính xác cao đáp ứng đầy đủ các đòi hỏi của các chuyên ngành kỹ thuật hạ tầng, quy hoạch và quản lý trong thực tiễn hiện nay./. T¿i lièu tham khÀo 1. Lê Đại Ngọc (2015), “Thiết bị bay UAV cánh bằng của Sensefly và khả năng ứng dụng trong thành lập bản đồ 3D độ chính xác cao”, Kỷ yếu Hội thảo ứng dụng GIS toàn quốc 2015 – Trường ĐH Khoa học tự nhiên, 10/2015, tr. 557-663, ISBN 978-604-82-1619-1. 2. Paparoditis, N., Boudet, L., Tournaire, O.: Automatic man- made object extraction and 3D scene reconstruction from geomatic-images. is there still a long way to go? In: Urban Remote Sensing Joint Event. (2007). 3. Champion, N., Matikainen, L., Rottensteiner, F., X. Liang, J.H.: A test of 2D building change detection methods: Comparison, evaluation and perspectives. International Archives of Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences 37 (2008). 4. Eckstein, W., Munkelt, O.: Extracting objects from digital terrain models. In: Remote Sensing and Reconstruction for Three-Dimensional Objects and Scenes, SPIE. (1995) 43-51 5. Weidner, U., F orstner, W.: Towards automatic building extraction from highresolution digital elevation models. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing 50 (1995) 38 - 49 6. Henri Eisenbeiss, Thesis of Doctor of Sciences “UAV Photogrammetry”, Institute of Geodesy and Photogrammetry ETH Zurich, 2009. Nam EVN có được bộ dữ liệu địa hình số có độ tin cậy cao đáp ứng kịp thời cho công tác thiết kế tuyến tải điện ở bước lập đề xuất dự án và công tác lập dự toán đền bù giải phóng mặt bằng. Kết quả của dự án là một cuộc cách mạng về đổi mới công nghệ khảo sát trong ngành điện, và lãnh đạo ngành điện đã quyết định công tác bay chụp ảnh UAV là một qui trình bắt buộc khi thực hiện nhiệm vụ khảo sát các tuyến truyền tải điện. Hệ thống máy bay không người lái UAS (Unmanned Aircraft System) không chỉ bao gồm máy bay mà còn bao gồm cả trạm kiểm soát trên mặt đất và một số thiết bị, yếu tố khác. Trước đây thiết bị bay không người lái chủ yếu được ứng dụng trong lĩnh vực quân sự, tuy nhiên ngày nay với sự phát triển của khoa học công nghệ thì UAV là giải pháp rất hữu ích và được ứng dụng hiệu quả trong nhiều lĩnh vực khác nhau của đời sống như trong công nghiệp, nông nghiệp, lâm nghiệp, truyền hình... Trong thời gian tới, chúng ta cần tập trung nghiên cứu ứng dụng trong lĩnh vực khảo sát phục vụ thiết kế giao thông, quy hoạch xây dựng và kiểm soát việc thực hiện qui hoạch đô thị cũng như các ứng dụng khoa học khác thuộc lĩnh vực địa không gian./. T¿i lièu tham khÀo 1. Lê Đại Ngọc (2012), “Ứng dụng thiết bị bay không người lái MicroDrone MD4-1000 trong thành lập bản đồ 3D độ chính xác cao”, Tạp chí Khoa học đo đạc và bản đồ, (13), tr. 43-50. 2. Lê Đại Ngọc (2015), “Thiết bị bay UAV cánh bằng của Sensefly và khả năng ứng dụng trong thành lập bản đồ 3D độ chính xác cao”, Kỷ yếu Hội thảo ứng dụng GIS toàn quốc 2015 – Trường ĐH Khoa học tự nhiên, 10/2015, tr. 557-663, ISBN 978-604-82- 1619-1. 3. Henri Eisenbeiss, Thesis of Doctor of Sciences “UAV Photogrammetry”, Institute of Geodesy and Photogrammetry ETH Zurich, 2009. Ứng dụng công nghệ bay chụp ảnh UAV ... (tiếp theo trang 67)