Tài liệu Nghiên cứu ứng dụng dữ liệu lidar phục vụ công tác quản lý đất đai khu vực đô thị thuộc thành phố hà nội

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Trương Xuân Quyền NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG DỮ LIỆU LIDAR PHỤC VỤ CÔNG TÁC QUẢN LÝ ĐẤT ĐAI KHU VỰC ĐÔ THỊ THUỘC THÀNH PHỐ HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội –2014 1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Trương Xuân Quyền NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG DỮ LIỆU LIDAR PHỤC VỤ CÔNG TÁC QUẢN LÝ ĐẤT ĐAI KHU VỰC ĐÔ THỊ THUỘC THÀNH PHỐ HÀ NỘI Chuyên ngành: Bản đồ, viễn thám và Hệ thông tin địa lý Mã số:60440214 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Trần Anh Tuấn Hà Nội –2014 2 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu riêng của tôi. Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận văn Trương Xuân Quyền 3 DANH MỤC HÌNH VẼ .................................................................................................... 6 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ......................................................................................... 7 MỞ ĐẦU .......................................................................................................................... 8 1. Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................................ 8 2. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu .............................................................................. 9 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài ............................................................ 10 4. Dữ liệu sử dụng....................................................................................................... 10 5. Phương pháp nghiên cứu ......................................................................................... 10 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ................................................................. 11 7. Cấu trúc của luận văn .............................................................................................. 11 Chương 1: TỔNG QUAN ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ LIDARTRONG THÀNH LẬP BẢN ĐỒ 3D ........................................................................................................... 12 1.1 Một số khái niệm cơ bản ....................................................................................... 12 1.2 Cơ sở lý thuyết công nghệ Lidar............................................................................ 13 1.2.1 Cấu trúc hệ thống Lidar ................................................................................. 13 1.2.2 Nguyên lý hoạt động của Lidar ...................................................................... 16 1.2.3. Cơ sở toán học xác định tọa độ của điểm Lidar ............................................. 21 1.2.4. Độ chính xác xác định vị trí điểm Lidar ........................................................ 24 1.2.5 Nguồn sai số do mô hình toán học xây dựng DEM......................................... 27 1.2.6 Nguồn sai số do mật độ điểm quét laser ......................................................... 28 1.2.7 Nguồn sai số do mức độ phức tạp của địa hình ............................................... 28 1.3 Khả năng ứng dụng của công nghệ tích hợp LiDAR và máy ảnh số trong lĩnh vực trắc địa bản đồ ............................................................................................................ 29 1.3.1 Sự phụ thuộc của cường độ phản hồi của tín hiệu Lidar vào lớp phủ mặt đất .. 29 1.3.2 Khả năng ứng dụng ảnh cường độ phản hồi Lidar trong phân loại lớp phủ bề mặt ......................................................................................................................... 30 1.3.3 Khả năng ứng dụng của công nghệ tích hợp LiDAR và máy ảnh số trong lĩnh vực trắc địa bản đồ ................................................................................................. 32 1.4 Lịch sử ứng dụng Lidar trên thế giới và Việt nam.................................................. 35 1.5 Các phương pháp nghiên cứu thành lập bản đồ 3D ................................................ 37 Chương 2: PHƯƠNG PHÁP THÀNH LẬP BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH 3D TỪ DỮ LIỆU LIDAR ............................................................................................................................ 45 2.1 Dữ liệu sử dụng ................................................................................................. 45 2.1 Phương pháp triết xuất thông tin lớp phủ bề mặt từ dữ liệu Lidar ...................... 46 2.2.1 Lọc điểm và nắn ảnh trực giao ....................................................................... 48 2.2.2 Lọc các đối tượng địa hình ............................................................................. 48 4 2.2.3 Tái tạo mô hình mái nhà từ dữ liệu Lidar ....................................................... 50 2.2.3 Tái tạo mô hình bề mặt tường nhà .................................................................. 54 2.2.4 Dán ảnh bề mặt mái và tường nhà .................................................................. 54 2.2.6 Phân tích và lựa chọn mức độ chi tiết cho các đối tượng hiển thị 3D .............. 55 Chương 3: ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ LIDAR THÀNH LẬP BẢN ĐỒ 3D HUYỆN THANH OAI, THÀNH PHỐ HÀ NỘI ............................................................................ 58 3.1. Khái quát chung về khu vực thử nghiệm, hệ thống máy quét Lidar ....................... 58 3.2. Bay quét và xử lý dữ liệu Lidar ............................................................................ 59 3.2.1. Công tác chuẩn bị ......................................................................................... 59 3.2.2. Bay quét Lidar .............................................................................................. 59 3.2.3. Xử lý dữ liệu Lidar ....................................................................................... 60 3.3 Kết quả xử lý dữ liệu Lidar và triết tách thông tin 3D ............................................ 64 3.3.1 Tách thông tin DSM và DTM từ đám mây điểm ............................................ 65 3.3.2 Nắn ảnh trực giao .......................................................................................... 66 3.3.3 Phủ ảnh trực giao trên nền mô hình số địa hình .............................................. 67 3.3.5 Thể hiện các đối tượng khác trên bản đồ ........................................................ 72 3.4 Thảo luận .............................................................................................................. 77 3.4.1 Độ chính xác thành lập mô hình 3D từ dữ liệu Lidar ...................................... 77 3.4.2 Khả năng ứng dụng Lidar trong quản lý dữ liệu đất đai 3D ............................ 78 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ......................................................................................... 82 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................... 84 5 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Mô hình DSM và DTM ..................................................................................... 12 Hình 1.2 Cơ chế phát xung laser trong hệ thống quét Lidar .............................................. 14 Hình 1.3 Mô hình hệ thống bay chụp Lidar...................................................................... 16 Hình 1.4 Dữ liệu Lidar trong một dải quét ....................................................................... 17 Hình 1.5 Mức độ đâm xuyên và phản hồi của laser khi gặp các đối tượng........................ 18 Hình 1.6: Đám mây điểm Lidar (a) Đám mây điểm của phản hồi đầu (b) Đám mây điểm của phản hồi cuối ............................................................................................................ 19 Hình 1.7 Cơ sở toán học xác định tọa độ điểm Lidar........................................................ 21 Hình 1.8 Vị trí hệ thống GPS, IMU, SBF (sensor) trên máy bay ...................................... 25 Hình 1.9 Toạ độ điểm quét P và anten GPS trong mối quan hệ giữa các hệ toạ độ SBF, IBF, ECEF (A,B)............................................................................................................. 26 Hình 1.10: Chùm tia Laser và các xung phản hồi ............................................................. 32 Hình 1.11 Mô hình số địa hình DEM/DTM ..................................................................... 33 Hình 1.12 Hiển thị dữ liệu theo tầng độ cao ..................................................................... 33 Hình 1.13 Mô hình số bề mặt DSM_FE và DSM_LE ...................................................... 34 Hình 1.14 Nắn ảnh từ phép chiếu xuyên tâm về thẳng đứng............................................. 34 Hình 1.15 Xây dựng mô hình 3D (Sông Nhuệ – Hà Đông) .............................................. 35 Hình 1.16: Mô hình 3D khu vực đô thị từ dữ liệu Lidar ................................................... 39 Hình 1.17: Mô hình 3D được xây dựng từ dữ liệu đo trực tiếp tại thực địa ....................... 40 Hình 1.18: Bản đồ 3D thành lập từ phương pháp ảnh hàng không.................................... 41 Hình 1.19: Mô hình 3D thành lập từ bản đồ địa chính ...................................................... 42 Hình 1.20: Mô hình 3D sử dụng ảnh viễn thám................................................................ 43 Hình 2.1: Quy trình công nghệ thành lập bản đồ 3D từ dữ liệu Lidar 48 Hình 2.2 Loại bỏ chênh cao giữa hai dải bay ................................................................... 48 Hình 2.3 Dữ liệu tập hợp điểm Lidar ............................................................................... 48 Hình 2.4 Bóc tách đối tượng địa vật để tạo DTM ............................................................. 49 Hình 2.5 Tham số địa hình trong pháp lọc DTM từ DSM ................................................ 50 Hình 2.6 Kết quả tạo mô hình số bề mặt (a) và mô hình số địa hình (b) ........................... 50 Hình 2.7 Sơ đồ tách lọc đối tượng nhà ............................................................................. 51 Hình 2.8 Đối tượng nhà sau khi được tách lọc ................................................................. 53 Hình 2.9 Mô hình 3D được xây dựng bằng phần mềm Sketchup...................................... 54 Hình 2.10 Cấp độ chi tiết LoD đối với các đối tượng nhà, khối nhà ................................. 56 Hình 3.1 Vị trí địa lý thị trấn Kim Bài ……………………………………………58 Hình 3.2 DSM tại khu vực nghiên cứu được nội suy từ đám mấy điểm Lidar................... 65 Hình 3.3 DTM sau khi được bóc các đối tượng trên bề mặt. ............................................ 66 Hình 3.4 Ảnh trực giao khu vực Thị trấn Kim lâm ........................................................... 67 Hình 3.5 Ảnh vệ tinh thị trấn Kim Bài ............................................................................. 68 Hình 3.6 Triết tách đối tượng nhà từ DSM và DTM......................................................... 70 Hình 3.7 Triết tách đối tượng cây độc lập và tập hợp khu vực có cây ............................... 70 Hình 3.8 Đối tượng nhà được chồng lên nền ảnh với basehight là DTM .......................... 71 Hình 3.9 Các khối nhà được thể hiện chi tiết bằng Sketchup ........................................... 72 Hình 3.10 Mô hình nhà trên nền ảnh vệ tinh .................................................................... 76 Hình 3.11 Đối tượng cây độc lập ở tỷ lệ lớn thể hiện trên nền ảnh ................................... 77 6 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT 2D: Two dimensions: Hai chiều. 3D: Three dimension: Ba chiều. DEM: Digital Elevation Model: mô hình số độ cao. DSM: Digital Surface Model: mô hình số bề mặt. DSMFE: Digital surface model first echo: mô hình bề mặt ở lần phản xạ đầu tiên. DSMLE: Digital surface model last echo: mô hình bề mặt ở lần phản xạ cuối. DSMRGBI: mô hình bề mặt với 4 kênh phổ đỏ, lục, lam và cận hồng ngoại. DTM: Digital terrain model: mô hình số địa hình. GPS: Global Positioning System: Hệ thống định vị toàn cầu. GRID: Cấu trúc lươi đều của mô hình số độ cao. IFSAR: InterFerometric Synthetic Aperture Radar: Radar độ mở tổng hợp giao thoa. INS: Inertial Navigation System: Hệ thống đạo hàng quán tính. LIDAR: Light Detection And Ranging: Công nghệ đo dài bằng laser. TIN: Triangulated Irregular Networks: Tam giác không đều. 7 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Ngày nay, với biến đổi khí hậu, tai biến cũng ngày càng nhiều hay như với cuộc sống ngày càng nâng cao, đô thị, giao thông cũng phát triển… để nghiên cứu các vấn đề về tai biến, hay qui hoạch… đều cần có một cơ sở dữ liệu về địa hình chính xác và chi tiết. Nền dữ liệu địa hình càng chính xác và chi tiết sẽ giúp cho việc đánh giá, đưa ra các biện pháp tốt hơn.Với công nghệ ngày càng phát triển đã không ngừng cải thiện để có thể đưa ra được dữ liệu tốt nhất. Công nghệ xây dựng các mô hình DEM, DTM cũng ngày càng phát triển.Từ những bản đồ mặt phẳng đơn thuần dần phát triển lên những bản đồ ba chiều (3D) để đưa đến cho mọi người xem, người nghiên cứu một cái nhìn trực quan hơn. Các loại bản đồ 3D có thể ứng dụng trong các nghiên cứu ảnh hưởng của môi trường trong khu vực lòng hồ thủy điện, ngập lụt, hay nghiên cứu lớp phủ thực vật và các quá trình ngoại sinh liên quan, giúp cho xây dựng các phương án tìm kiếm cứu hộ, cứu nạn, chỉ huy tham mưu hay ngay trong cả vấn đề mô phỏng địa hình các công trình văn hóa, kiến trúc phục vụ quốc kế dân sinh…. Công nghệ LIDAR có những tính năng vượt trội có thể tạo DTM với hiệu suất cao, độ chính xác lớn, tốc độ nhanh.LIDAR có thể biểu diễn chi tiết địa hình bề mặt Trái Đất cả ở những vùng địa hình khó khăn, cây phủ dày đặc và thực hiện trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt, cả ngày và đêm.Đặc biệt LIDAR có thể giúp thành lập bản đồ 3D thuận lợi hơn so với ảnh hàng không và ảnh viễn thám.(Molenaar 2008) Công nghệ Lidar thể hiện sự tiến bộ vượt trội so với các công nghệ khác trong việc thành lập mô hình số địa hình, mô hình số bề mặt phục vụ công tác lập bản đồ địa hình, bản đồ không gian ba chiều (bản đồ 3D) và phục vụ cho xây dựng cơ sở dữ liệu nền thông tin địa lý. Nó cho phép đẩy nhanh tiến độ thi công một cách đáng kể, giảm chi phí thi công và đạt độ chính xác cao. Bản đồ không gian ba chiều có rất nhiều ưu điểm so với bản đồ hai chiều (bản đồ 2D), nó 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 8 chiều.Bản đồ 3D có thể được thành lập từ nhiều nguồn dữ liệu khác nhau có khả năng mô phỏng cấu trúc cảnh quan đô thị phục vụ quy hoạch, xây dựng phát triển đô thị, phục vụ giáo dục, quốc phòng, du lịch… Để có được độ chính xác cao cho các vị trí điểm trên bản đồ thì hiện nay nguồn dữ liệu thu nhận từ công tác bay quét Lidar đang thể hiện là tối ưu nhất. Ở Việt Nam, việc thành lập bản đồ địa hình 3D chủ yếu sử dụng ảnh máy bay như đề tài của viện nghiên cứu địa chính (2004) “Nghiên cứu và thử nghiệm thành lập bản đồ địa hình 3D” còn LIDAR còn mới chủ yếu được sử dụng để thành lập DEM/ DTM. Trong khi trên thế giới, có nhiều nghiên cứu, ứng dụng LIDAR vào trong việc thành lập bản đồ địa hình 3D như “Building Extract - Lidar R&D Program for NASA/ICREST Studies Project” (09/16/01) của NASA/ ICREST (tách nhà- chương trình LIDAR R&D cho đề tài nghiên cứu NASA/ICREST); hay ở Trung Quốc cũng có đề tài nghiên cứu của (H.Lin 2008): “Fast reconstruction of three dimensional city model bases on airborn Lidar” ( Thiết lập nhanh mô hình thành phố 3D dựa vào LIDAR) ứng dụng cho khu vực thành phố Thượng Hải, Trung Quốc. Với những ưu thế và hiệu quả của việc xây dựng bản đồ không gian ba chiều và các 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 ứng dụng công nghệ Lidar để xây dựng bản đồ không gian ba chiều là rất cần thiết trong thời điểm hiện nay Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn và khả năng đáp ứng của công nghệ, đề tài được lựa chọn với tiêu đề: “Nghiên cứu ứng dụng dữ liệu Lidar phục vụ công tác quản lý đất đai khu vực đô thị thuộc thành phố Hà Nội”. 2. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu Để thực hiện được mục tiêu của đề tài luận văn, các nội dung nghiên cứu sau được thực hiện: - Tổng quan tài liệu nghiên cứu ứng dụng Lidar trong việc xây dựng bản đồ 3D. - Nghiên cứu quy trình xây dựng bản đồ 3D bằng công nghệ lidar. 9 - Xây dựng bản đồ 3D khu vực đô thị thành phố Hà Nội. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài Phạm vi khoa học: Công nghệ LIDAR đang ngày càng phổ biến trên thế giới và cũng đã xuất hiện ở Việt Nam trong những năm gần đây. Không những vậy, ngày nay công nghệ ngày càng phát triển, những yêu cầu bức thiết về việc mô phỏng lại thế giới thực ngày càng tăng. Chính vì vậy giới hạn của nghiên cứu là từ dữ liệu LIDAR thành lập bản đồ 3D, thí điểm tạithị trấn Kim Bài, Kim Lâm tại huyện Thanh Oai, Hà Nội Thành Phố Hà Nội Khu vực thử nghiệm tại thị trấn Kim Bài, Kim Lâm tại huyện Thanh Oai, Hà Nội trong phạm vi: Từ 20050'37,5” đến 21051'37,5” độ vĩ Bắc. Từ 105045’37,5” đến 1050 47'00” độ kinh Đông. Khu vực thử nghiệm nằm trong phạm vi mảnh 6 mảnh bản đồ địa hình tỷ lệ 1/2.000, có phiên hiệu mảnh là F-48-80-(73-[d,e,f,g,h,k] ). 4. Dữ liệu sử dụng Dữ liệu LIDAR thu được từ hệ thống tích hợp máy ảnh số và LIDAR Harrier 56/G3 5. Phương pháp nghiên cứu Đê giải quyết các nhiệm vụ đề ra, đề tài đã thực hiện các phương pháp nghiên cứu chính sau đây: - Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết, tài liệu: Tổng hợp các công trình đã được công bố trên các thế giới và ở Việt Nam để nắm được tình hình nghiên cứu, phân tích lý thuyết, tài liệu các cơ sở lý luận về bản đồ, bản đồ 3D và công nghệ LIDAR. - Phương pháp bản đồ: đây là một trong các phương pháp chính do mục tiêu của đề tài là thành lập bản đồ 3D từ dữ liệu LIDAR cho khu vực thực nghiệm. - Phương pháp khảo sát và đo đạc ngoài thực địa: Để có thể thực hiện được nhiệm vụ đánh giá được độ chính xác của kết quả, phương pháp này là cần thiết. 10 Không những vậy, đề tài sử dụng còn phương pháp này để bổ sung thêm các yếu tố địa vật không giải đoán được trên ảnh hay không có thông tin từ dữ liệu LIDAR. - Phương pháp thống kê, phân tích toán học: để có thể đánh giá được độ chính xác, đề tài đã thống kê độ cao của một số nhà để so sánh và tính toán để ra được sai số. - Phương pháp viễn thám: công nghệ LIDAR là một trong những công nghệ viễn thám chủ động. Đề tài đã nghiên cứu về công nghệ LIDAR thì không thể thiếu phương pháp này. - Phương pháp hệ thông tin địa lý GIS: Bản đồ 3D không chỉ mang các yếu tố nhà mà cần có các đối tượng khác đưa lên như giao thông, cây cối… và các yếu tố này không chỉ được thể hiện trong không gian mà còn tích hợp thêm các thuộc tính giúp người sử dụng có khả năng truy vấn. Vì vậy, phương pháp này là cần thiết trong việc giải quyết nhiệm vụ đề ra. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Những kết quả nghiên cứu của đề tài có thể làm tài liệu tham khảo để xây dựng quy trình công nghệ xây dựng bản đồ 3D từ dữ liệu Lidar 7. Cấu trúc của luận văn Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo luận văn được cấu trúc trong ba chương: Chương 1. Tổng quan ứng dụng của công nghệ Lidar trong thành lập bản đồ 3D Chương 2. Nghiên cứu quy trình ứng dụng dữ liệu Lidar thành lập bản đồ 3D Chương 3. Ứng dụng công nghệ hoặc dữ liệu Lidar thành lập bản đồ 3D huyện Thanh Oai, thành phố Hà Nội 11 Chương 1: TỔNG QUAN ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ LIDARTRONG THÀNH LẬP BẢN ĐỒ 3D 1.1 Một số khái niệm cơ bản Hiện nay trên thế giới, ngành bản đồ ngày càng phát triền về hai loại bản đồ là bản đồ 3D và bản đồ động.Nghiên cứu về mô hình bản đồ địa hình 3D cần phân biệt một số khái niệm cơ bản về DEM, DTM, mô hình bản đồ 3D và mô hình bản đồ địa hình 3D. Trong đề tài “Nghiên cứu và thử nghiệm thành lập bản đồ địa hình 3D” của viện nghiên cứu địa chính (2004) cũng có đề cập giải thích các khái niệm này (VNCDC 2004)(Lương Chính Kế 2009)  “Mô hình số độ cao DEM là mô hình số mô tả cả về mặt phẳng và độ cao của một số bề mặt.  Mô hình số địa hình DTM là mô hình số mô tả cả về mặt phẳng và độ cao của một bề mặt đất nhưng các vật thể trên đó chỉ mô tả về mặt phẳng không mô tả về độ cao.  Mô hình số bề mặt DSM là mô hình số độ cao mô tả cả về mặt phẳng lẫn độ cao của bề mặt đất và bao gồm các cả các đối tượng vật thể trên đó như nhà cửa, cây, đường giao thông…” (VNCDC 2004) Hình 1.1 Mô hình DSM và DTM 12  “Mô hình bản đồ 3D (3D catorgraphic model- 3DCM) là mô hình bản đồ mô tả khái quát một hay nhiều khía cạnh của thế giới thực.  Mô hình bản đồ địa hình 3D ( 3D topo-catorgraphic model 3DTCM) là mô hình bản đồ địa hình mô tả bề mặt trái đất bao gồm các đối tượng vật thẻ trên đó được khái quát và ký hiệu hóa ở một mức độ nhất định theo nguyên tắc bản đồ, phản ánh mặt phẳng, độ cao của các đối tượng một cách chọn lọc.” (Lương Chính Kế 2009)  Cụm từ “mô hình” đi kèm với bản đồ địa hình 3D là do theo định nghĩa truyền thống về bản đồ đều có một khái niệm rõ ràng là “ bản đồ” được qui chiếu về mặt phẳng. Tuy nhiên, với định nghĩa của Hội bản đồ thế giới 2005, khái niệm về “ qui chiếu về mặt phẳng” không còn:  “Bản đồ là hình ảnh của thực tế địa lý, được ký hiệu hóa, phản ánh các yếu tố hoặc các điểm một cách có chọn lọc, là kết quả của sự nỗ lực sáng tạo trong lực chọn của tác giả bản đồ và được thiết kế để sử dựng chủ yếu liên quan đến mối quan hệ không gian” (VNCDC 2004, Lương Chính Kế 2009) Trong khi đó, bản đồ địa hình 3D mang đây đủ các đặc điểm của bản đồ 2D: phản ánh bề mặt trái đất, tuân theo qui tác toán học, khái quát hóa, kí hiệu hóa. Chính vì vậy, trong đề tài này quan niệm “bản đồ địa hình 3D” và “mô hình bản đồ địa hình 3D” là một. 1.2 Cơ sở lý thuyết công nghệ Lidar 1.2.1Cấu trúc hệ thống 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 địa hình một cách nhanh chóng và chính xác với mật độ các điểm dày đặc. 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. 13 Bộ máy quét laser (bộ cảm biến): được gắn chính xác vào bên dưới máy bay có vai trò phát xung laser hẹp đến bề mặt trái đất trong khi máy bay di chuyển với một tốc độ nhất định. Một máy thu gắn trên máy bay sẽ thu nhận phản hồi của những xung này khi chúng đập vào bề mặt trái đất và quay trở lại thiết bị thu trên máy bay. Hầu hết các hệ thống Lidar đều sử dụng một gương quét để tạo ra một dải xung. Sóng Laser nằm trong dải sóng cận hồng ngoại để phục vụ công tác đo đạc địa hình, bề mặt trên mặt đất, còn với laser dải sóng xanh lá cây phục vụ công tác đo sâu dưới mặt nước. Độ rộng của dải quét phụ thuộc vào góc dao động của gương, và mật độ điểm mặt đất phu thuộc vào các yếu tố như tốc độ máy bay và tốc độ dao động gương. Tốc độ dao động được xác định bằng cách tính toán tổng thời gian tia laser rời máy bay, đi đến mặt đất và trở lại bộ cảm biến. Hình 1.2 Cơ chế phát xung laser trong hệ thống quét Lidar 14 Hệ thống xác định quán tính IMU: Các giá trị góc xoay, góc nghiêng dọc, nghiêng ngang, hướng bay quét của hệ thống Lidar được xác định chính xác bằng thiết bị đạo hàng, góc quay gương tức thời và các khoảng cách thu nhận và dữ liệu GPS được dùng để tính toán tọa độ ba chiều của các điểm Lidar. Hệ thống GPS: Dữ liệu Lidar được kết hợp với các thông tin vị trí chính xác thu nhận từ thiết bị GPS và hệ thống thiết bị xác định các thông số định hướng góc xoay, góc nghiêng dọc, nghiêng ngang cùng đặt trên máy bay. Khi tất cả các thông tin này được lưu trữ và xử lý, kết quả sẽ là một giá trị tọa độ (x,y,z) chính xác của mỗi điểm quét được trên mặt đất. Hệ thống GPS cung cấp thông tin về vị trí và thời điểm thu nhận tín hiệu Lidar. Hệ thống GPS bao gồm một máy thu đặt trên máy bay và một máy thu đặt tại mặt đất quá trình xử lý dữ liệu này cho ra kết quả vị trí điểm có độ chính xác cao. Ngoài các thiết bị chính, hệ thống Lidar còn bao gồm các thiết bị ngoại vi khác như hệ thống lưu trữ, giao diện điều khiển thiết bị, điều khiển bay, bộ cấp nguồn. Một hệ thống Lidar thông thường được tích hợp một máy ảnh số kích thước trung bình, một số còn trang bị máy quay video để theo dõi vùng chụp và mây. Khi được tích hợp với máy ảnh số cỡ trung bình, có thể tiến hành đồng thời quá trình quét Lidar và chụp ảnh số của một khu vực.Quy trình này giúp giảm chi phí bay chụp, thu được các sản phẩm: trực ảnh, mô hình số độ cao và có thể tạo được mô hình thành phố ba chiều. 15 Hình 1.3 Mô hình hệ thống bay chụp Lidar 1.2.2 Nguyên lý hoạt động của Lidar LIDAR gồm nhiều hệ thống liên kết với nhau, trong đó có thiết bị đo dài laser đặt trên máy bay, cho phép đo khoảng cách từ máy bay đến điểm địa vật hay địa hình. Thiết bị laser quét tuyến địa hình với độ rộng từ vài chục mét tới vài trăm mét nhờ tấm gương quay. Tấm gương gắn ở phần đầu thiết bị quét bẻ chum tia laser hướng về bề mặt địa hình, góc quét tới 70º theo chiều vuông góc với hướng bay của máy bay, (hình 1.2). Tia laser là loại sóng điện từ, có cường độ lớn gấp bội lần cường độ tia sáng nhiệt chính vì vậy, tia laser có khả năng đâm xuyên mạnh. Khi gặp các đối tượng, tia laser sẽ có một phần sẽ phản hồi và tiếp tục đâm xuyên qua (Hình 1.6). Phần năng lượng phản hồi từ bề mặt địa hình hay địa vật qua hệ thống quang học được ghi và thu lại. Trên cơ sở biết thời gian phản hồi của tín hiệu từ bề mặt địa hình về thiết bị ghi thu và tần số xung điện, ta có thể tính được khoảng cách từ điểm địa hình hay địa vật đến máy bay tại thời điểm quét. Si=Ti*C/2 Si: Khoảng cách từ nguồn phát laser tới đối tượng. 16 Ti: Khoảng thời gian từ thời điểm phát tia laser đến thời điểm nhận tia laser phản xạ. C: Tốc độ ánh sáng (3.108 m/s). Với thông tin về thời gian phản hồi của xung và tính được tọa độ dựa vào GPS, và độ cao của máy bay có thể tính được độ cao của các đối tượng trên bề mặt. Độ cao của đối tương= độ cao máy bay- Si. Chiều cao của đối tượng= độ cao đối tượng-độ cao của mặt đất. Thiết bị đo dài laser hoạt động trong dải phổ hồng ngoại, cận hồng ngoại. Trên đường đi, các tia laser có khả năng đâm xuyên mạnh, khi gặp chướng ngại vật như cây cối, nhà cửa… sẽ phản hồi lại một phần về hệ thống, và một phần sẽ tiếp tục đâm xuyên (nếu có thể) qua chướng ngại vật và phản hồi lại, (hình 1.6). Hệ thống LIDAR có thể ghi nhận tới 5 mức của tín hiệu phản xạ của từng tia laser. Mỗi mức phản xạ thường là của một tầng đối tượng mà tia laser đi qua. Mỗi mức là có một cường độ tín hiệu laser phản xạ mà phần mềm sẽ xử lý và tạo được hình ảnh tương ứng với đối tượng trên mặt đất. Xung laser (Dải quét) Hình 1.4 Dữ liệu Lidar trong một dải quét Đồng thời với thiết bị laser, hệ thống GPS đặt trên máy bay và dưới đất sẽ giúp xác định vị trí không gian X, Y, Z của thiết bị laser trên máy bay tại thời điểm quét, còn hệ thống INS thực hiện các phép đo gia tốc các hướng X,Y và Z, đo các góc định hướng của tia quét laser đồng thời thực hiện xử lý số liệu và điều khiển 17 hoạt động đồng bộ và chính xác của toàn hệ thống LIDAR. Tổ hợp thiết bị đạo hàng quán tính, định vị toàn cầu GPS/INS dựa trên nguyên lý con quay và máy gia tốc để giải các bài toán về đạo hàng. (Sự phản hồi đầu tiên) (Các phản hồi trung gian) (Phản hồi cuối) Hình 1.5 Mức độ đâm xuyên và phản hồi của laser khi gặp các đối tượng a. Dữ liệu quét LIDAR Dữ liệu thu được trong công nghệ này cần đưa ra để xử lý gồm số liệu GPS, số liệu INS và số liệu quét LIDAR. Dữ liệu LIDAR thu được là các đám mây điểm. Mỗi tia laser phản hồi lại đều có các thông tin về X, Y, Z. Hai dữ liệu chính là dữ liệu điểm lần đầu phản hồi và lần cuối (hình 1.5) cùng hệ thống thu nhận được tín hiệu laser phản hồi lại. Dữ liệu lần đầu tiên phản hồi lại thường chứa các thông tin về độ cao của đối tượng địa vật hoặc của bề mặt đất nếu trên đường xuống bề mặt không có địa vật. Còn dữ liệu phản xạ cuối cùng mà hệ thống thu được thường chứa thông tin về bề mặt đất hoặc về độ cao của đối tượng lần cuối phản xạ lại. Với các đám mây điểm đó, ta có thể lấy được các thông tin về độ cao của địa hình và của địa vật. 18 a) b) Hình 1.6: Đám mây điểm Lidar (a) Đám mây điểm của phản hồi đầu (b) Đám mây điểm của phản hồi cuối Các hệ thống Lidar áp dụng trong đo vẽ địa hình có nguồn phát ánh sáng laser với bước sóng trong khoảng từ 1040 đến 1060 nm. Ánh sáng laser xanh với bước sóng vào khoảng 532 nm được sử dụng trong các hệ thống Lidar đo sâu tại các vùng nước trong và có thể sâu tới 50 m. Lidar là một hệ thống viễn thám chủ động do nó 19 phát năng lượng dưới dạng xung laser và thu nhận tín hiệu phản hồi của các xung này. Tín hiệu phản hồi này được chuyển ngay sang dạng số và được lưu giữ trong máy tính. Do là hệ thống viễn thám chủ động cho nên việc bay quét Lidar không phụ thuộc vào ánh sáng mặt trời, có thể được triển khai cả ngày lẫn đêm. Với mỗi xung phát ra có thể có tới 5 tín hiệu phản hồi. Các tín hiệu phản hồi này có thể thuộc các tầng khác nhau của thực phủ như: tán lá, cành cây hay mặt đất phía dưới tán cây; hoặc mép mái nhà và bề mặt mặt đất. Xung phản hồi thứ nhất có nhiều khả năng là các điểm nằm trên bề mặt tán cây còn xung phản hồi cuối cùng có nhiều khả năng là các điểm mặt đất. Do vậy xung phản hồi đầu tiên thường được sử dụng trong nắn trực ảnh và các ứng dụng liên quan tới quản lý và kiểm kê rừng. Xung phản hồi cuối cùng thường được dùng để thành lập mô hình số độ cao của bề mặt mặt đất (Lohani 2008). Hệ thống quét Lidar tạo ra dữ liệu gồm tập hợp các điểm, mỗi điểm có các giá trị tọa độ và độ cao, có thể được xem như là đám mây dữ liệu điểm 3D được phân bố bán ngẫu nhiên. Đám mây dữ liệu điểm này có thể chứa nhiều thông tin hơn là một mô hình bề mặt 2.5D, trong đó tại mỗi vị trí điểm có tọa độ X và Y chỉ có duy nhất một giá trị độ cao Z. Trong dữ liệu Lidar tại mỗi vị trí điểm có tọa độ X và Y có thể có nhiều giá trị độ cao Z khác nhau, chẳng hạn trên một bức tường thẳng đứng. Các điểm nằm dưới tán lá cây cũng có thể được đo. Dữ liệu độ cao có thể được thu thập với các thuộc tính khác nhau tùy thuộc vào các ứng dụng và hệ thống Lidar sử dụng. Một số thuộc tính ảnh hưởng tới các thuật toán lọc và mô hình hóa là:  Mật độ điểm;  Thu nhận nhiều xung phản hồi;  Cường độ xung phản hồi. Mật độ điểm phụ thuộc vào độ cao bay quét và vào một số yếu tố của hệ thống như tốc độ máy bay, góc quét, tần số xung và tần số quét. Mật độ điểm được thiết kế và điều chỉnh phù hợp với từng ứng dụng. Cho các ứng dụng liên quan đến mô hình hóa, chẳng hạn mô hình 3D thành phố hay khảo sát đường dây tải điện yêu cầu về mật độ điểm rất khác, cao hơn nhiều so với nhiệm vụ thành lập DEM với khoảng cách mắt lưới 5-10 m. Thuộc tính thứ hai, với mỗi xung phát đi có đa xung phản hồi.Điều này có thể là quan trọng trong các thuật toán lọc điểm và mô hình hóa liên quan tới thực phủ, 20