XÂY DỰNG MÔ HÌNH SỐ BỀ MẶT VÀ BẢN ĐỒ TRỰC ẢNH SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ ĐO ẢNH MÁY BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI (UAV) PHẦN 3

4. PHẦN THỰC NGHIỆM
Phần thực nghiệm được tiến hành trên Phantom 3 Professional UAV trang bị máy ảnh Sony EXMOR. Khu vực bay chụp là khuôn viên Đại học Đông Nam Nauy (59o24’30’’Bắc, 0o03’33’’Đông). Khu vực này được chọn là bởi có sẵn một số điểm khống chế trắc địa, phục vụ cho việc đánh giá độ chính xác. Độ rộng của khu đo là 168 x 156 m và độ cao so với mực nước biển là 78 m (được đo từ Google Earth). Để thuận lợi trong khôi phục mô hình 3 chiều từ ảnh, độ phủ dọc và độ phủ ngang của ảnh được chọn là 80%. Theo quy định hiện hành của Nauy đối với các UAV có trọng lượng nhỏ hơn 2.5 kg, độ cao cao nhất được phép bay là 120 m so với mặt đất. Tốc độ tối đa được phép bay là 30 m/s. Các UAV chỉ được phép bay trong tầm mắt còn nhìn thấy được. Do điểu kiện thời tiết, chúng tôi chọn thời gian bay là 12 h trưa. Hình 2. Phantom 3 Professional UAV và máy ảnh Sony EXMOR (chụp bởi Bùi Tiến Diệu tháng 5/2016)

4.1 Các thông số chính của Phantom 3 Professional UAV và máy ảnh Sony EXMOR Phantom 3 Professional là UAV nhỏ có tổng trọng lượng 1.28 kg, chiều cao là 185 mm và rộng của UAV và 289 mm (Hình 2). Với 04 mô tô điện, UAV có khả năng cất và hạ cánh thẳng đứng, ngoài ra UAV được tích hợp cả công nghệ GPS (Global Positioning System) and GLONASS (Global Navigation Satellite system). Theo đó vị trí và hướng bay được quản lý và điều chỉnh thông qua hệ thông Inertial Measuring Unit (IMU) và các cảm biến khí áp (barometric sensor). UAV được điều khiển thông qua hệ thống Radio Control (RC), các thông tin về tình trạng pin, tín hiệu GNSS (GPS and GLONASS), độ cao UAV và góc quay của máy ảnh được cập nhật về trạm điều khiển. Về mặt lý thuyết, tổng thời gian bay dài nhất của Phantom 3 Professional là 23 phút, tốc độ bay lớn nhất đạt được là 16m/s, chịu được sức cản của gió cao nhất là 20 m/s, và về lý thuyết có thể hoạt động trong điều kiện nhiệt độ từ 0o đến 40o[16]. Các thông tin chi tiết khác Phantom 3 Professional UAV có thể xem trong Dji [17]. UAV được tích hợp máy ảnh phổ thông Sony EXMOR gồm 03 kênh Red, Green và Blue. Tiêu cự của máy ảnh là 3.61 mm với khẩu độ là f/2.8 và góc nhìn (field-of-view, FOV) 94o. Kích cỡ của cảm biến chụp là 6.30 x 4.72 mm, tương ứng với kích cỡ ảnh chụp là 4000 x 3000 pixels. Máy ảnh tích hợp sẵn Micro-SD cạc với dung lượng 16 GB và sử dụng định dạng FAT32/exFAT. Các ảnh chụp lưu trữ dưới dạng số, sử dụng chuẩn nén JPEG và DNG.
4.2 Thiết kế và đo đạc tọa độ các điểm khống chế mặt đất Vì các sản phẩm bản đồ từ công nghệ UAV cần thể hiện trong hệ tọa độ quy chiếu quốc gia (hệ quy chiếu EUREF89 tại Nauy), công tác chuyển đổi tọa độ là bắt buộc. Công tác này có thể thực hiện thông qua hai phương pháp: (i) chuyển đổi trực tiếp dựa trên tham số máy ảnh và tọa độ GPS của UAV và (ii) dựa vào các điểm khống chế mặt đất GPS, được cung cấp cho phần mềm xử lý ảnh. Turner, Lucieer [18] chỉ ra rằng, phương pháp thứ hai cho độ chính xác cao hơn, do đó được lựa chọn cho thực nghiệm này. Hình 3. Kích cỡ điểm khống chế mặt đất phục vụ công tác bay chụp bằng công nghệ UAV

Vì các điểm khống chế mặt đất được thể hiện thành các pixel trên ảnh khi chụp từ UAV, kích thước của điểm khống chế này phải đủ lớn để có thể đọc được trên ảnh. Tuy nhiên nếu kích cỡ quá lớn sẽ gây khó khăn khi xác định tọa độ tâm của điểm. Theo Morgan and Falkner [11], tùy theo tỷ lệ ảnh, kích thước của điểm khống chế ảnh mặt đất có thể tính theo công thức sau: W M*0.002;L 10*W (5) Với W là độ rộng, còn L là độ dài của điểm khống chế ảnh; M là mẫu số tỷ lệ ảnh (Hình 3) Trong thực nghiệm này, đã thiết lập tổng số 06 điểm khống chế. Các điểm này được đo bằng phương pháp đo GNSS động (Real Time Kinematic GSNN) sử dụng máy Topcon HiPer GNSS (sau đây gọi tắt là Topcon). Máy Topcon được coi là trạm đo động (Rover) được kết nối với các trạm Base (đã được nhà nước thiết lập sẵn) trên toàn quốc (Nauy) thông qua gói cung cấp dịch vụ có tên CPOS từ Cục bản đồ Nauy (StatensKartverk). Độ chính xác trung bình cho các điểm khống chế GPS nói trên là khoảng 2-3 cm cho mặt bằng và khoảng 5 cm cho độ cao. Phân bố của các điểm GPS được trình bày trong Hình 4b. Cần giải thích thêm là các trạm Base GNSS được thiết lập phủ trùm toàn quốc và được quản lý bởi Cục bản đồ Nauy (độc giả có thể xem thêm trong http://www.kartverket.no/en/Positioning/). Cục bản đồ Nauy cung cấp các gói dịch vụ định vị cho dân sự, theo thuê bao trả hàng năm có tên DPOS (độ chính xác decimet), CPOS ( độ chính xác centimet), và MPOS (độ chính xác mm). Một khi trạm đo động (Rover) được kết nối các gói dịch vụ, số cải chính theo thời gian thực về tọa độ được gửi trực tiếp về trạm Rover, giúp xác định độ chính xác điểm đo đến dm, cm, hoặc mm, tùy theo gói dịch vụ. Độ chính xác của sản phẩm bản đồ nên được đánh giá bằng các điểm không tham gia trong quá trình xử lý ảnh, vì thế 3 điểm khống chế độc lập (Fastmerke, FM) sẵn có trong khu đo được dùng cho công tác kiểm tra. Các điểm này nằm trong mạng lưới điểm khống chế trắc địa mặt bằng và độ cao sẵn có của khu vực. 4.3 Thiết kế và thực hiện quá trình bay chụp ảnh Quá trình thiết kế bay chụp được thực hiện trên phần mềm Microsoft Excel 2013, trên cơ sở các công thức ở mục 2 nói trên. Các tham số sau đó được nhập vào phần mềm thiết kế và quản lý bay Pix4Dcapture. Đây là phần mềm miễn phí, được chọn vì có thể cài đặt trên máy tính bảng, trên hệ điều hành iOS (với iPhone, iPad) và hệ điều hành Android OS (ví dụ Samsung Galaxy Tab). Nhược điểm chính của Pix4Dcapture là chỉ cho phép thiết kế tối đa 7 đường bay. Trong thực nghiệm này, Pix4Dcapture được cài trên iPad mini được sử dụng (Hình 2 và 4a).

Hình 4 (a) Sơ đồ đường bay cho khu vực nghiên cứu site; (b) Sơ đồ phân bố 6 điểm khống chế mặt đất GPS và 3 điểm kiểm tra FM Hình 5: (a) Ảnh chụp cho khu vực thực nghiệm; (b) Cơ sở dữ liệu điểm đám mây (3D point cloud) Các tham số khu đo được thiết kế như sau: Khu đo có kích cỡ là 168 m dài x 156 m rộng, độ phân giải điểm ảnh 2 cm, độ phủ dọc và ngang là 80%, độ cao bay chụp là 60 m so với mặt đất. Chế độ bay Safe Mode được chọn, giúp quá trình tự động cất cánh, chụp, và hạ cánh hoàn toàn tự động. Tổng số 05 đường bay (flight lines) được thực hiện với 45 ảnh (Hình 5a). Tổng dung lượng ảnh là 225 MB, 06 điểm GPS được sử dụng cho khống chế ảnh, 03 điểm độc lập (FM) dùng cho công tác kiểm tra (Bảng 2).

Hình 6: (a) Vị trí máy ảnh khi chụp, và độ phủ ảnh; (b) Phân bố sai số kiểm định máy ảnh Sony EXMOR Quá trình bay chụp được thực hiện trên chế độ bay an toàn (Safe mode), cho phép UAV tự động bay theo chương trình đã thiết kế, bao gồm tự động cất cánh, rồi bay đến điểm đầu tiên của giải bay, dừng lại và tiến hành chụp ảnh, sau đó tự động bay đến các điểm khác để chụp theo thiết kế đã được tính toán và đã nạp vào phần mềm. Một khi ảnh cuối cùng được chụp xong, UAV sẽ tự động bay về và hạ cánh tại điểm xuất phát. Trong quá trình bay chụp, các chỉ số hoạt động của UAV và máy ảnh liên tục được gửi về trạm điều khiển, tùy vào độ an toàn của UAV (ví dụ tình trạng năng lượng của pin, nguy cơ va chạm với vật thể, động vật trên không) người điều khiển có thể dừng quá trình bay tự động để UAV hạ cánh.

Khi quá trình bay chụp kết thúc, các ảnh được chuyển từ Micro-SD cạc của máy ảnh vào máy tính để xử lý bằng phần mềm Agisoft PhotoScan. Dựa trên tọa độ thông tin sơ bộ khi bay chụp, phần mềm sẽ sắp xếp các ảnh theo trình tự (Hình 5a và 6a). Tiếp theo, tổng số 168320 các điểm “khóa” (key point features hoặc tie points) trên các ảnh được tự động phát hiện. Cộng thêm 06 điểm GPS mặt đất, cơ sở dữ liệu điểm (3D point cloud) được xây dựng phục vụ cho quá trình khớp ảnh tự động (Hình 5b). Bước tiếp quá trình tự động xử lý tam giác ảnh không gian AAT (Automatic Aerial Triangulation) được tiến hành bao gồm các công đoạn xử lý : (i) Tính toán các tham số định hướng trong và ngoài dựa trên cơ sở dữ liệu điểm ở bước trên; (ii) Thực hiện bình sai khối theo phương pháp số bình phương nhỏ nhất (least squares block adjustment). Bước tiếp, quá trình nội suy (building mesh) được tiến hành để xây dựng mô hình số bề mặt (Hình 7a) và bản đồ trực ảnh (Hình 7b). 4.4 Đánh giá độ chính xác

Đánh giá độ chính xác của sản phẩm bản đồ là khâu rất quan trọng, thiếu công tác này, sản phẩm bản đồ không có ý nghĩa sử dụng, kết quả nghiên cứu sẽ không có ý nghĩa khoa học. Độ chính xác của bản đồ có thể được đánh giá trên cơ sở sử dụng công thức sau [11]: n2 2 2i map testi1RMSE E / n;E e ; e v v    (6) Với vmap tọa độ x, hoặc tọa độ y, hoặc tọa độ z trên bản đồ; vtest là tọa độ x, hoặc tọa độ y, hoặc tọa độ z tại các điểm khống chế; RMSElà sai số trung phương; n tổng số điểm kiểm tra. Bảng 2. Đánh giá độ chính xác mô hình số bề mặt khu vực thực nghiệm Tên điểm khống chế Độ cao đo bằng GPS (m) Cao độ mô hình số bề mặt (m) Sai số (cm) GPS1 72.317 72.387 -7.0 GPS3 71.883 71.954 -7.1 GPS4 74.474 74.465 0.9 GPS5 73.975 73.859 11.6 GPS8 76.82 76.786 3.4 GPS9 74.538 74.505 3.3 FM8 71.339 71.203 13.6 FM18 73.122 72.999 12.3 FM14 73.691 73.726 -3.5 Trong thực nghiệm này, chỉ sai số về cao độ được đánh giá. Chi tiết sai số 06 điểm khống chế mặt đất GPS và 3 điểm kiểm tra FM (Fastmerke) được trình bày trong Bảng 2. Theo công thức (6), sai số trung phương cho các điểm GPS, RMSE = 6.57 cm. Sai số trung phương cho các điểm kiểm tra độc lập FM, RMSE =10.76 cm.

Hình 7: (a) Mô hình số bề mặt khu vực thực nghiệm; (b) Bản đồ trực ảnh cho khu vực thực nghiệm
Bài viết được tài trợ bởi Đại học NAUY
Nguồn www.researchgate.net