Công Nghệ Bay Chụp UAV Và Xử Lý Ảnh

Thứ ba - 06/12/2022 19:42

UAV là viết tắt của Unmanned aerial vehicle, có nghĩa là thiết bị bay không người lái, hoặc máy bay không người lái, là tên gọi chỉ chung cho các loại máy bay mà không có phi công ở buồng lái và được điều khiển từ xa từ trung tâm. Loại máy bay này được dùng để phục vụ cho mục đích trinh thám quân sự, hoặc dân sự. Loại tổ hợp máy bay này có khả năng tự động hóa các hoạt động của máy bay cao, không đòi hỏi những trang thiết bị hàng không đặc chủng, giá thành khai thác sử dụng và bảo trì hệ thống để phục vụ lâu dài rẻ, trong quân sự, loại máy bay này có đặc tính tấn công chớp nhoáng.

I. Ứng dụng của công nghệ bay chụp và xử lý ảnh

Công nghệ bay chụp ảnh hiện nay được ứng dụng vào rất nhiều các lĩnh vực trong cuộc sống. Tuy nhiên ứng dụng của công nghệ bay chụp được chia thành 2 mục đích chính là: mục đích phi địa hình và mục đích địa hình. Một số ứng dụng của công nghệ bay chụp có thể kể tên như:

1. Phục vụ cho công tác trắc địa bản đồ.
Trong lĩnh vực trắc địa, bản đồ, công nghệ viễn thám bằng thiết bị bay chụp ảnh UAV phục vụ chủ yếu cho giám sát công trình giao thông, thủy lợi, nông nghiệp, lâm nghiệp, khảo sát các khu vực có địa hình phức tạp, các tuyến ống dẫn nước, khí đốt, nhưng nhiều hơn cả là thành lập bản đồ tỷ lệ lớn.

Với nhiều công trình đã thực hiện công nghệ UAV đã chứng tỏ được thế mạnh vượt trội của mình khi so sánh với các công nghệ truyền thống như: tạo ra hình ảnh trực quan, sinh động; cung cấp thông tin nhanh chóng và chính xác; sản phẩm phong phú (ảnh trực giao, DSM và DEM, Point cloud, mô hình 3D)
Công nghệ bay chụp và xử lý ảnh UAV có thể tiếp cận những vị trí, khu vực có địa hình phức tạp, nguy hiểm mà con người cũng như các công nghệ đo khác không thể tiếp cận.

Mo hinh 3D dia hinh bang flycam — Công Nghệ Bay Chụp UAV Và Xử Lý Ảnh

II. Một số thiết bị bay chụp đang được ưa chuộng trên thị trường hiện nay.

Máy bay DJI Phantom 4Pro V2.0
Máy bay DJI Phantom 4 Advanced
Máy bay DJI Phantom 3 SE
Máy bay DJI Teodrone
Máy bay khảo sát DJI MAVIC 3 ENTERPRISE SERIES

III. Một số phần mềm xử lý ảnh từ các thiết bị bay chụp thông dụng hiện nay.

1. Pix4D (Mỹ)

Được biết đến nhờ khả năng chụp ảnh từ hình ảnh thu được từ máy bay không người lái, phần mềm Pix4D tự động phân lớp dữ liệu đám mây điểm dựa trên các kỹ thuật học máy

Ưu điểm: dễ sử dụng, hỗ trợ nhiều định dạng camera, hỗ trợ kỹ thuật tốt, liên tục cập nhật đổi mới.
Nhược điểm: giá thành cao, ghép ảnh vùng nước còn hạn chế

2. Agisoft Photoscan (Nga)

Agisoft PhotoScan là giải pháp phần mềm Agisoft PhotoScan Reviews với chức năng và chi phí phù hợp cho các doanh nghiệp từ nhỏ và vừa (SMEs) tới các doanh nghiệp lớn. Phần mềm Agisoft PhotoScan được đánh giá cao bởi cả người dùng lẫn chuyên gia trong lĩnh vực Photogrammetry Software.

Ưu điểm: hỗ trợ nhiều định dạng camera, hỗ trợ tuỳ chỉnh hệ toạ độ đa dạng, ghép vùng nước tốt.
Nhược điểm: giá thành cao, ảnh mặt bằng bị xé, hỗ trợ kỹ thuật chậm, chậm cập nhật đổi mới

3. 3Dsurvey (Slovakia)

3Dsurvey là một giải pháp phần mềm để xử lý dữ liệu khảo sát đất. Chụp ảnh với bất kỳ máy ảnh kỹ thuật số tiêu chuẩn nào, nhập hình ảnh vào 3Dsurvey và tạo bản đồ orthophoto riêng, mô hình bề mặt kỹ thuật số và tính toán khối lượng nhanh hơn và dễ dàng hơn. Dữ liệu được xử lý tự động dựa trên các thuật toán phù hợp. Phần mềm 3Dsurvey này được thiết kế để hoạt động với mọi máy ảnh kỹ thuật số, DSLR hoặc GoPro. Sử dụng bất kỳ UAV nào để chụp ảnh địa hình trên không.

Ưu điểm: giao diện đơn giản, hỗ trợ nhiều định dạng camera, giá thành thấp
Nhược điểm: khó sử dụng, xử lý chậm

D4. rone Deploy (Mỹ)

DroneDeploy là giải pháp phần mềm DroneDeploy Reviews với chức năng và chi phí phù hợp cho các doanh nghiệp từ nhỏ và vừa (SMEs) tới các doanh nghiệp lớn. Phần mềm DroneDeploy được đánh giá cao bởi cả người dùng lẫn chuyên gia trong lĩnh vực Enterprise Drone Analytics Software.

Ưu điểm: dễ sử dụng, hỗ trợ kỹ thuật tốt, liên tục cập nhật đổi mới, xử lý Real-time
Nhược điểm: ít tuỳ chỉnh, xử lý chậm.

IV. Quy trình 6 bước Thành lập bản đồ bằng bay chụp không ảnh

1. Lên kế hoạch bay (Mission Planning)

Để thành lập bản đồ bằng bay chụp không ảnh mang lại hiệu quả, cần chuẩn bị kế hoạch bay chi tiết, cụ thể là:

Chuẩn bị thiết bị bay: Tùy vào mỗi dự án và mục tiêu của bản đồ muốn thành lập mà lựa chọn thiết bị bay khác nhau. Ví dụ: Đối với những bản đồ có vùng phủ nhỏ, có thể lựa chọn MultiRotor Drones (nhiều động cơ cánh quạt) sẽ tối ưu chi phí hơn các loại Fixed Wing Drones (cánh bằng) hoặc VTOL-Vertical take-off and landing (cất và hạ cánh thẳng đứng, bay ngang, lai giữa cánh quạt và cánh bằng).

Drone cánh cố định (bên trái) và Drone cánh quạt (bên phải) — **Thiết bị bay**

Hình 1. VTOL-Vertical take-off and landing (bên trái) và MultiRotor Drones (bên phải).

Lựa chọn phương pháp nắn chỉnh tâm ảnh: Có 3 phương pháp nắn chỉnh tâm ảnh người đo có thể lựa chọn trước khi tiến hành bay để thu thập dữ liệu thành lập bản đồ, đó là: Phương pháp điểm khống chế mặt đất (GCP), Phương pháp đo động thời gian thực (RTK) và Phương pháp đo động hậu xử lý (PPK). Việc lựa chọn phương pháp nào sẽ quyết định đến việc phân bổ thời gian, nhân lực thực hiện và độ chính xác của dữ liệu thu thập được.

Hình 2. 3 phương pháp nắn chỉnh tâm ảnh trong thành lập bản đồ bằng bay chụp không ảnh.

Lựa chọn tuyến bay: Bao gồm tuyến bay 2D / 3D / tuyến.

Hình 3. Lựa chọn tuyến bay 2D hoặc 3D tùy theo nhu cầu công việc.

Dự kiến độ cao bay (Fly height): Mỗi loại máy bay có một giới hạn độ cao bay khác nhau, do đó, cần lên kế hoạch về độ cao bay của Drone để đảm bảo vùng phủ dữ liệu và thu thập đầy đủ dữ liệu nhất.
Lựa chọn độ phủ: Bao gồm hai độ phủ là độ phủ dọc và độ phủ ngang (Overlap).
Lựa chọn độ phân giải mặt đất (Ground Sampling Distance – GSD): Là kích thước một điểm ảnh (pixel) của tấm ảnh hàng không được chiếu trên mặt đất hay là khoảng cách lấy mẫu trên mặt đất.

Lựa chọn tuyến bay và độ phân giải mặt đất

Hình 4. Lựa chọn độ cao bay và độ phân giải mặt đất.

Lựa chọn điểm khống chế mặt đất (GCP): Là các điểm (mục tiêu) được đánh dấu lớn trên mặt đất có vị trí địa lý (tọa độ) đã biết.

2. Thu thập dữ liệu (Data Collection)

Trước khi tiến hành thu thập dữ liệu, cần chuẩn bị đầy đủ các yếu tố sau để quá trình thành lập bản đồ bằng bay chụp không ảnh diễn ra thuận lợi và an toàn:

Chuẩn bị giấy phép bay: Tại Việt Nam, trước khi máy bay cất cánh, cần thực hiện xin giấy phép bay tại khu vực muốn bay, thời gian bay, thiết bị bay… theo quy định để đảm bảo thiết bị không bị bắn rơi và gây mất an toàn cho khu vực xung quanh.
Tìm hiểu về an toàn trước khi bay và cách vận hành bay: Các chế độ an toàn trước khi bay và cách vận hành bay rất quan trọng đối với mỗi chuyến bay. Càng hiểu sâu về cách vận hành sẽ giúp người thao tác linh hoạt hơn trong việc xử lý các vấn đề phát sinh trong suốt chuyến bay.

Đảm bảo điều kiện bay thuận lợi: Điều kiện bay thường bao gồm thời tiết (mưa, gió, tuyết…) và khu vực cất cánh (có bị cản trở bởi cây cối, nhà cửa hay bị quá hẹp không đủ không gian cất cánh hay không). Tránh bay trong các điều kiện thời tiết bất lợi như mưa to, gió lớn… để tránh gây thiệt hại (máy bay bị rơi) và dữ liệu thu thập không chính xác.

Mặc dù một số máy bay tiên tiến có thể bay trong điều kiện thời tiết bất lợi, nhưng bạn cũng nên cẩn thận để tránh rủi ro bất lợi cho thiết bị của mình

Hình 6. Mặc dù một số máy bay tiên tiến có thể bay trong điều kiện thời tiết bất lợi, nhưng bạn cũng nên cẩn thận để tránh rủi ro bất lợi cho thiết bị của mình.

3. Xử lý dữ liệu (Processing)

Xử lý dữ liệu là bước vô cùng quan trọng để cho ra kết quả của thành lập bản đồ bằng bay chụp không ảnh. Việc xử lý dữ liệu liên quan đến nhiều yếu tố như:

Nắn chỉnh ảnh: Nhằm chuyển đổi các ảnh quét đang ở tọa độ hàng và cột của Pixel về tọa độ trắc địa (tọa độ thực – hệ tọa độ địa lý hoặc tọa độ phẳng) để loại trừ sai số vị trí điểm ảnh do góc nghiêng của ảnh gây ra, hạn chế sai số điểm ảnh do chênh cao địa hình và đưa ảnh về tỷ lệ của bản đồ cần thành lập.
Tìm điểm đặc trưng (Tie point): Là điểm ảnh đặc trưng giữa các bức ảnh chụp được.
Tạo ảnh trực giao (Orthophoto): Là hình ảnh chụp địa hình mà hình chiếu trung tâm của nó đã được chuyển thành hình chiếu trực giao.
Xây dựng các đám mây điểm (Point Cloud): Là một tập hợp rất nhiều điểm được thể hiện dưới dạng tọa độ không gian ba chiều X, Y, Z và giá trị cường độ – Intensity value. Khi kết hợp lại với nhau, các điểm này tạo thành một đám mây điểm, một tập hợp các dữ liệu điểm trong không gian thể hiện hình dạng hoặc đối tượng 3D một cách chi tiết và chính xác.
Tạo mô hình số DSM / DTM / DEM: DSM là mô hình bề mặt trên (trái đất) bao gồm các đối tượng trên đó. DTM là mô hình số địa hình, miêu tả bề mặt mặt đất nhưng không bao gồm các đối tượng vật thể trên đó. DEM (Digital Elevation Model) là mô hình số độ cao, thể hiện bằng số độ cao của bề mặt đất, độ cao của tầng đất, của mực nước ngầm.

Hình 7. Các mô hình số trong thành lập bản đồ bằng bay chụp không ảnh.

Xây dựng mô hình lưới (3D Mesh): Là định dạng mô hình 3D lưu trữ các đối tượng dưới dạng tệp “lưới” 3D; tạo ra một biểu diễn kỹ thuật số của các mô hình hình học bằng cách sử dụng một tập hợp các đa giác để tạo thành bề mặt của mỗi đối tượng.

Quá trình xử lý dữ liệu đòi hỏi nhiều yêu cầu chuyên môn từ người thực hiện. Ngoài việc nắm rõ các phương pháp, cần hiểu về phần mềm xử lý ảnh và các thao tác thực hiện để việc xử lý dữ liệu được thực hiện đầy đủ và chính xác, kết quả cho ra đáp ứng yêu cầu công việc.

4. Đánh giá độ chính xác (Accuracy analysis)

Việc kiểm tra lại kết quả sau khi xử lý dữ liệu rất quan trọng, nó cho biết quá trình thu thập dữ liệu có đạt được mục tiêu kế hoạch đề ra (ở bước 1) hay không và dữ liệu sau khi xử lý có đáp ứng được các yêu cầu công việc tiếp theo hay không. Các yếu tố cần đánh giá lại bao gồm: Độ phân giải mặt đất (GSD), Độ chính xác điểm khống chế mặt đất (Ground Control Point – GCP) và Sai số mô hình số DTM/DSM/DEM.

Độ chính xác trong thành lập bản đồ bằng bay chụp không ảnh phải đáp ứng được các quy định của nhà nước đưa ra, ví dụ như:

THÔNG TƯ 68/2015/TT-BTNMT QUY ĐỊNH KỸ THUẬT ĐO ĐẠC TRỰC TIẾP ĐỊA HÌNH PHỤC VỤ THÀNH LẬP BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH VÀ CƠ SỞ DỮ LIỆU NỀN ĐỊA LÝ TỶ LỆ 1:500, 1:1000, 1:2000, 1:5000.
Thông tư 55/2013/TT-BTNMT Quy định về thành lập bản đồ địa chính.
Thông tư 25/2014/TT-BTNMT quy định về bản đồ địa chính.
Thông tư số 63/2015/TT-BTNMT ngày 21 tháng 12 năm 2015 của Bộ trưởng Bộ Tài nguyên và Môi trường quy định về hướng dẫn kiểm tra, thẩm định và nghiệm thu công trình, sản phẩm đo đạc và bản đồ.
Thông tư 08/2017/TT-BTNMT Quy định quy trình đo khống chế ảnh viễn thám.
Thông tư 09/2017/TT-BTNMT Quy định kỹ thuật xây dựng, cập nhật cơ sở dữ liệu viễn thám quốc gia.
Thông tư 10/2017/TT-BTNMT Quy định quy trình thành lập bản đồ chuyên đề bằng ảnh viễn thám tỷ lệ 1:5.000, 1:10.000, 1:500.000, 1:1.000.000.

5. Biên vẽ địa hình, địa vật (CAD – Drafting linework, Map)

Sử dụng dữ liệu sau khi xử lý và đánh giá kết hợp với các phần mềm chuyên dụng để biên vẽ địa hình, địa vật. Ví dụ như:

Mô hình bề mặt (TIN).
Đường đồng mức /Bình độ (Contour line).
Điểm độ cao.
Số hóa các đối tượng từ ảnh.

Hình 8. Biên vẽ đường đồng mức.

6. Biên tập bản đồ (Mapping)

Biên tập bản đồ là bước cuối cùng trong quy trình thành lập bản đồ bằng bay chụp không ảnh. Để biên tập bản đồ, cần thực hiện:

Xây dựng sản phẩm bản đồ, mặt cắt, mô hình 3D.
Tính toán khối lượng, mặt cắt.
Chuẩn hóa thông tin, ký hiệu, tỷ lệ.
Kiểm tra đánh giá chất lượng sản phẩm.

Hình 9. Mô hình bản đồ 3D.

Lựa chọn thiết bị UAV để thu thập dữ liệu thành lập bản đồ ở đâu?

Để thành lập bản đồ bằng bay chụp không ảnh, sự góp mặt của các thiết bị bay không người lái là vô cùng quan trọng, vì chất lượng của dữ liệu thu thập được đóng vai trò quyết định đến kết quả đầu ra. Hiện nay trên thị trường có nhiều dòng máy bay không người lái có khả năng đáp ứng các yêu cầu khắt khe của người dùng, điển hình là, DJI Phantom 4 RTK hay DJI Matrice 300 RTK… để liên hệ dịch vụ khảo sát bằng Flycame quý khách vui lòng liên hệ.