Nghiên cứu lựa chọn quy trình xử lý ảnh UAV tích hợp công nghệ GNSS trong trắc địa bản đồ

NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN QUY TRÌNH XỬ LÝ ẢNH UAV TÍCH HỢP
CƠNG NGHỆ GNSS TRONG TRẮC ĐỊA BẢN ĐỒ
Trần Thanh Sơn, Dương Thị Mai Chinh,
Lê Thị Hoa Huệ, Vũ Thị Thu Hiền
Phân hiệu Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nợi tại Thanh Hóa
Tóm tắt
Máy bay khơng người lái (UAV/ Drone) được sử dụng trong khảo sát địa hình, địa chính,
bản đồ, quản lý dữ liệu đất đai và quy hoạch đô thị,… và chúng cũng được sử dụng để tạo DEM,
DSM, đường đồng mức, đám mây điểm 3D và bình đồ ảnh trực giao (Orthomosaic). Chúng ta thấy
có nhiều quy trình khác nhau được sử dụng trong UAV để thu thập dữ liệu, tất cả quy trình đều
có những ưu điểm và nhược điểm của mình. Quy trình xử lý bay chụp RTK và PPK đều có thể đạt
được độ chính xác đến từng centimet. Đây được xem là hai phương pháp phổ biến cho công tác
thành lập bản đồ. Tuy nhiên, về tính ổn định, tiện dụng, an tồn và chính xác cao thì phương pháp
PPK vẫn đang là lựa chọn hàng đầu cho công tác thành lập bản đồ hiện nay. Bài báo tiến hành so
sánh hai quy trình kỹ thuật bay chụp UAV: RTK và PPK để tìm ra phương pháp định vị GNSS trên
khơng phù hợp với từng thiết bị bay chụp, trên cơ sở đó có thể lựa chọn quy trình xử lý ảnh chụp
UAV đáp ứng độ chính xác theo quy định hiện hành.
Từ khóa: Máy bay khơng người lái; Đo động thời gian thực; Đo động xử lý sau; Đám
mây điểm.
Abstract
Researching and selecting of treating process of uav image which is intergrated gnss
technology in surveying and mapping engineering
Unmanned aerial vehicle (UAV/drone) is used in survey tophographic, cadastre, map,
management of land data, urban planning,.... it is also used to make DEM, DSM, contour, 3D point
clouds, Orthomosaic. We can be see that there are different processes applied in UAV to collect data,
all the processes have its advantage and disadvantage. The flying treatment processes take both of
RTK and RTK image that achieve to centimeter accuracy. This has been two common methods in
map construction. However, in terms of stability, convenience, safety and high accuracy, the PPK
method is still the first choice for map construction today. The paper has done comparison between
RTK and PPK technique of The flying treatment processes (UAV) to find out locating way in air
which is suitable with each shooting aircraf, on that basic, it can be selected a flying procedure to

treat photoes which is taken from UAV and adapted accuracy to regulation today.
Keywords: Unmanned aerial vehicle; Real - time dynamic measurement; Post - processing
dynamic measurement; Point clouds.
1. Mở đầu
Công nghệ bay chụp UAV hiện nay đang trở thành công cụ đắc lực hỗ trợ cho các công tác
trắc địa. Công nghệ định vị GNSS phát triển được tích hợp vào Drone/UAV khơng những giúp
giảm cơng sức so với quy trình truyền thống sử dụng điểm khống chế ảnh mà độ chính xác cịn cho
phép thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn theo Thông tư số 07/2021/TT-BTNMT của Bộ Tài nguyên
và Mơi trường (Bộ TNMT) ngày 30/6/2021 [1]. Với sự tích hợp công nghệ GNSS vào công nghệ
bay chụp, trong bài báo này khơng đánh giá về độ chính xác so với việc sử dụng các điểm kiểm
tra mặt đất truyền thống mà chỉ so sánh đánh giá các quy trình công nghệ để xử lý tấm ảnh bay
Hội thảo Quốc gia 2022

9


chụp đạt độ chính xác tốt nhất và ổn định nhất. Trên cơ sở về nguyên lý hoạt động và một số thực
nghiệm được thực hiện, nhóm tác giả đã đưa ra một số nhận xét về các quy trình xử lý ảnh UAV
tích hợp cơng nghệ GNSS.
2. Phương pháp nghiên cứu
2.1. Nguyên tắc hoạt động của UAV/RTK
Hệ thống đo RTK (Real - Time Kinematic) nói chung bao gồm ba phần: Thiết bị nhận GNSS;
Hệ thống truyền dữ liệu và hệ thống phần mềm để thực hiện phép đo động. Công nghệ đo RTK là
cơng nghệ đo độ lệch pha sóng mang dựa trên quan sát pha sóng mang và có chức năng định vị
nhanh và chính xác cao. Nó có thể thu được kết quả định vị ba chiều của trạm đo trong hệ tọa độ
được chỉ định trong thời gian thực và nó có độ chính xác định vị cấp độ centimet.

Hình 1: Bay chụp UAV bằng phương pháp RTK
(Nguồn: )

Nguyên lý hoạt động của phép đo RTK là: Một máy thu được đặt trên trạm tham chiếu và
một hoặc một số máy thu khác được đặt trên sóng mang (gọi là trạm di động). Trạm tham chiếu
và trạm di động nhận cùng một lúc, đối với các tín hiệu được truyền bởi cùng một vệ tinh GNSS,
các giá trị quan sát thu được từ trạm tham chiếu được so sánh với thơng tin vị trí đã biết để thu
được giá trị hiệu chỉnh vi sai GNSS. Sau đó, giá trị đã sửa đổi được truyền kịp thời đến trạm di
động của vệ tinh tầm nhìn chung thơng qua trạm vơ tuyến liên kết dữ liệu vô tuyến để tinh chỉnh
giá trị quan sát GNSS của nó, để có được vị trí thời gian thực chính xác hơn của trạm di động sau
khi hiệu chỉnh vi sai.
Hiện tại, độ chính xác mặt phẳng định vị của các nhà sản xuất chính RTK có thể đạt 8 mm
+ 1 ppm và độ chính xác độ cao có thể đạt 15 mm + 1 ppm [2, 3, 4]. Có hai phương thức liên lạc
chính giữa trạm gốc và trạm di động: Trạm vô tuyến và mạng. Tín hiệu nhà đài ổn định và khoảng
cách truyền tín hiệu mạng dài, mỗi loại đều có ưu điểm riêng.
2.2. Nguyên tắc hoạt động của UAV/PPK
Nguyên lý hoạt động của công nghệ PPK (Post - Processing Kinematic, GPS dynamic Post
10

Hội thảo Quốc gia 2022


- Processing - chênh lệch) là sử dụng một máy thu trạm tham chiếu để quan sát đồng bộ và ít nhất
một máy thu di động để quan sát đồng bộ vệ tinh GNSS; Có nghĩa là, trạm tham chiếu giữ quan
sát liên tục, trạm di động ban đầu di chuyển đến điểm chưa xác định tiếp theo và nó cần phải theo
dõi liên tục vệ tinh trong quá trình di chuyển, để chuyển toàn bộ mơ hồ đến điểm chưa xác định.

Hình 2: Bay chụp UAV bằng phương pháp PPK
(Nguồn: )

Dữ liệu nhận được đồng bộ bởi trạm tham chiếu và trạm di động được kết hợp tuyến tính
trong máy tính để tạo thành quan sát pha sóng mang ảo, xác định vị trí tương đối giữa các máy
thu và cuối cùng đưa ra tọa độ đã biết của trạm tham chiếu, để thu được ba tọa độ thứ nguyên của

trạm di động.
Công nghệ PPK là công nghệ khác biệt động GNSS sớm nhất (còn được gọi là phương pháp
bán động, phương pháp định vị tương đối gần như động, phương pháp Dừng và Đi (Stop and Go).
Sự khác biệt chính của nó so với cơng nghệ RTK nằm ở chỗ: Trạm tham chiếu và trạm di động,
không nhất thiết phải thiết lập truyền dữ liệu thời gian thực như RTK mà phải tiến hành xử lý
chung sau khi đo trên dữ liệu định vị do hai máy thu GNSS thu thập sau khi quan sát định vị, để
tính tốn vị trí tọa độ của trạm di động trong thời gian tương ứng và khoảng cách giữa trạm tham
chiếu và trạm di động không bị giới hạn nghiêm ngặt. Ưu điểm của nó là độ chính xác định vị cao,
hiệu quả hoạt động cao, bán kính hoạt động lớn và vận hành dễ dàng.
3. Kết quả thực nghiệm
3.1. Quy trình bay chụp và kiểm tra độ chính xác
Tiến hành thực hiện bay chụp cùng khu vực, cùng thông số bay chụp (độ phủ, tốc độ bay
chụp, độ cao bay chụp,…) với cả quy trình RTK và PPK. Để đảm bảo tính khách quan tiến hành
sử dụng tài khoản và trạm Cors của Cục Đo đạc bản đồ (VNGeoNet) [7] đối với máy GNSS-RTK
V200 và sử dụng để đo các điểm kiểm tra (Ground Control Points - GCP), sử dụng trạm Cors tư
nhân của Cơng ty cổ phần Tập đồn Việt Thanh đối với chế độ bay RTK. Các vị trí kiểm tra được
đánh dấu bằng các dấu sơn hoặc địa vật cố định và rõ nét ngồi thực địa. Quy trình bay chụp và
kiểm tra độ chính xác theo quy định tại Thông tư số 07/2021/TT-BTNMT [1]:
Hội thảo Quốc gia 2022

11


Hình 3: Quy trình thu nhận và xử lý dữ liệu từ UAV [1]
Nội dung đánh giá độ chính xác bao gồm đánh giá độ chính xác của mơ hình DEM và độ lệch
về vị trí mặt bằng của ảnh xử lý từ 2 quy trình RTK và PPK so với tọa độ kiểm tra bằng GNSS RTK. Để tính độ chính xác mơ hình DEM sử dụng các cơng thức sau [2 - 4]:
∆X=XDSM - XGCP
∆Y=YDSM - YGCP
∆H=HDSM - HGCP
∆XYH=XYHDEM - XYHCCP

(1)
(2)
(3)
(4)

Trong đó: ∆X, ∆Y, ∆H, ∆XYH - Các giá trị chênh lệch các thành phần tọa độ và vị trí điểm;
RMSE - Sai số trung phương; n tổng số điểm kiểm tra; XGCPi và XDEM, YGCPi và YDEM, ZGCPi, và
ZDEM: Tương ứng là thành phần tọa độ theo trục X, trục Y và trục H của điểm khống chế và mơ
hình DEM.
3.2. Khu vực thực nghiệm và thiết bị thực nghiệm
Khu vực thực nghiệm được lựa chọn là mặt bằng khu đơ thị ở thành phố Thanh Hóa, tỉnh
Thanh Hóa. Đây là khu vực khá thơng thống và được sự hỗ trợ trang thiết bị của Công ty cổ phần
Tập đoàn Việt Thanh [8]. Thiết bị bay được sử dụng máy bay Phantom 4 RTK có thơng số bay
chụp như Bảng 1.
12

Hội thảo Quốc gia 2022


Bảng 1. Thơng số chính của Phantom 4 Pro [8]
Trọng lượng
Cao; Dài; Rộng
Tốc độ bay lên tối đa
Tốc độ bay xuống tối đa
Tốc độ bay ngang tối đa
Thời gian bay
Tầm bay cao nhất
Nhiệt độ hoạt động
Định vị

Đặc tính kỹ thuật
P4P

1280 (g)
18,5; 28,9; 28.9 (cm)
5 (m/s)
3 (m/s)
16 (m/s)
23 (phút)
6000 (m)
0 ÷ 40 (độ ̣ C)
GPS/GLONAS/BEIDU
Các thông số về máy ảnh
Độ phân
Cảm biến
giải
1” CMOS
20 MP

Ghi chú

Tiêu cự

Kích thước ảnh

8,8 mm

4864 × 3648

Hình 4: Phantom 4 RTK và Phantom 4 PPK gắn TeoKit

(Nguồn: Internet)

Hình 5: Máy thu GNSS-RTK V200 - hãng Hi-Target
(Nguồn: Cơng ty cổ phần Tập đoàn Việt Thanh)

Thiết bị GNSS - RTK được sử dụng trong thực nghiệm là máy thu V200 của hãng công nghệ
Hi - Target, thông số cơ bản theo Bảng 2 [6].
Hội thảo Quốc gia 2022

13


Bảng 2. Thơng số chính của V200 (Hi-Target)

(Nguồn: )

Tiến hành bay chụp thử nghiệm với độ cao bay chụp là 100 m, tốc độ bay 6 m/s, độ phủ dọc/
ngang là 70/80 ở cả 2 chế độ RTK và PPK bằng drone Phantom 4 - RTK. Xử lý theo quy trình
được trình bày theo Hình 5. Ảnh bay chụp UAV được xử lý trên phần mềm Agisoft Professional.
Lựa chọn 8 điểm làm điểm kiểm tra (GCP), điểm để nâng hạ mơ hình DEM được đánh dấu bằng
tiêu hoặc vết sơn rõ nét ở thực địa. Các điểm GCP được chọn phân bố đều trên địa hình khu đo,
ở các mức độ cao khác nhau đảm bảo phản ánh được sự ảnh hưởng của thay đổi địa hình tới mơ
hình thành lập được.
Kết quả thực nghiệm đạt được như sau:

Hình 6: Sai số bình sai khối ảnh tổng hợp cho cả 2 phương pháp là 1 - 2,7 cm

Hình 7: Cả 2 phương pháp đạt độ chính xác cao về vị trí mặt bằng
14

Hội thảo Quốc gia 2022


Về vị trí mặt bằng, so với tọa độ đo bằng GNSS - RTK V200, độ lệch giữa 2 quy trình là
khơng đáng kể (cỡ 1 - 3 cm), sai số này hoàn toàn đáp ứng yêu cầu kỹ thuật khi thành lập các loại
bản đồ tỷ lệ lớn. Các sai số lớn ảnh hưởng đến sai số tổng hợp chủ yếu do ảnh hưởng từ xây dựng
mơ hình DSM, DEM.

Hình 8: Mơ hình đám mây điểm (Dense Cloud) khu vực thực nghiệm
Về độ cao có sự sai lệch đáng kể khi xử lý mơ hình từ 2 quy trình RTK và PPK so với độ cao
đo được bằng GNSS - RTK V200, đánh giá bằng công thức (4). Kết quả thể hiện bảng dưới đây:
Bảng 3. Bảng so sánh kết quả chênh lệch cao độ bay chụp ảnh giữa các quy trình
Độ cao
Độ cao
Chênh giữa DEM và
DEM từ DEM từ
Độ cao đo thực tế đo đo thực địa (mm)
quy trình quy trình
bằng máy GNSS DEMDEMbay RTK
PPK
RTK V200 (m)
RTK và PPK và
(DEM(DEM RTK
RTK
RTK)
PPK)

STT

Tọa độ X

Tọa độ Y

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

1
2
3
4
5
6
7
8

2187674.869
2187658.076

2187649.079
2187640.821
2187640.074
2187627.001
2187696.770
2187700.378

581359.022
581377.524
581387.479
581396.911
581387.496
581378.543
581334.959
581359.238

3.813
3.785
3.800
3.787
3.868
3.992
3.779
3.665

3.810
3.767
3.787
3.784
3.873

3.968
3.777
3.662

3.811
3.779
3.807
3.781
3.883
3.956
3.770
3.663

2
6
-7
6
-15
37
9
2

-1
-12
-20
3
-10
13
7
-1

RMSEH (mm)

15

10

Đánh giá chung quy trình bay chụp RTK và PPK
a. Điểm giống nhau giữa RTK và PPK
- Chế độ hoạt động giống nhau. Cả hai công nghệ đều áp dụng phương thức hoạt động của
trạm tham chiếu và trạm di động.
- Cả hai công nghệ đều cần khởi tạo trước khi hoạt động.
- Cả hai đều có thể đạt được độ chính xác cấp độ centimet.
Hội thảo Quốc gia 2022

15


b. Sự khác nhau giữa RTK và PPK
- Các phương thức truyền thông khác nhau. Công nghệ RTK yêu cầu các đài hoặc mạng vơ
tuyến và nó truyền dữ liệu khác biệt; Công nghệ PPK không cần sự hỗ trợ của công nghệ truyền
thơng mà ghi lại dữ liệu tĩnh (khi đó cơng nghệ RTK thì Drone UAV như một đầu thu GNSS).
- Các phương pháp hoạt động định vị khác nhau. Công nghệ định vị thời gian thực được RTK
áp dụng có thể xem tọa độ và độ chính xác của các điểm đo tại bất kỳ thời điểm nào trong trạm di
động; Định vị PPK thuộc về định vị sau xử lý và khơng thể nhìn thấy tọa độ của các điểm tại hiện
trường và chỉ có thể nhìn thấy kết quả sau khi xử lý.
- Bán kính hoạt động khác nhau. Hoạt động của RTK bị hạn chế bởi trạm Cosr kết nối và
khoảng cách làm việc thường không quá 10 km. Khu vực bay chụp cần được được bao phủ bởi tín
hiệu mạng, đảm bảo tín hiệu liên tục đạt lời giải Fix; Sử dụng hoạt động cơng nghệ PPK, bán kính
làm việc chung có thể đạt 50 km.

- Các mức độ ảnh hưởng khác nhau của tín hiệu vệ tinh. Trong q trình vận hành RTK, nếu ở
gần các chướng ngại vật như cây cối thì rất dễ bị mất tín hiệu. Trong q trình hoạt động PPK, sau
khi khởi tạo, nói chung khơng dễ bị mất tín hiệu, drone sẽ bay theo nhiệm vụ đã thiết lập từ trước.
- Các tần số định vị khác nhau. Tần số của trạm gốc RTK gửi dữ liệu vi sai và nhận trạm di
động nói chung là 1 - 2 Hz và tần số định vị PPK tối đa có thể đạt tới 50 Hz.
c. Phân tích tương đối
- Tốc độ bay của máy bay không người lái rất nhanh, địi hỏi tần suất định vị cao. Khó có
thể đạt được điều kiện này bằng điều hướng thời gian thực với công nghệ RTK. PPK hỗ trợ tần số
định vị 50 Hz, đáp ứng đầy đủ nhu cầu. Tuy nhiên trong điều kiện thực tế, chỉ cần chế độ đo tĩnh
đạt tần số 10 Hz là đạt yêu cầu bay chụp cho tốc độ bay chụp 15 m/s.
- RTK cung cấp thơng tin vị trí theo thời gian thực. PPK có thể tính tốn dữ liệu phần tử lịch
trong một khoảng thời gian thông qua xử lý hậu kỳ, điều này khơng chỉ có thể cải thiện tỷ lệ cố
định mà cịn cải thiện độ chính xác tính tốn.
- RTK cần sử dụng đài phát thanh hoặc mô - đun liên lạc mạng, trong khi PPK không cần
giảm tải thiết bị bay không người lái và tăng sức chịu đựng của máy bay.
- Khoảng cách hoạt động của RTK bị giới hạn và khoảng cách hoạt động của PPK có thể
lên đến 50 km. Trong phạm vi hoạt động xa và rộng, đặc biệt là các lĩnh vực dải băng như đường
dây tải điện, đường cao tốc, đường sắt, đường ống dẫn dầu khí thì PPK sẽ là sự lựa chọn tốt nhất.
4. Kết luận
Mặc dù RTK có thể cung cấp thơng tin vị trí có độ chính xác cao trong thời gian thực, nhưng
quy trình này có những vấn đề kỹ thuật lớn trong việc ứng dụng các phương tiện bay không người
lái. So với RTK, ưu điểm lớn nhất của PPK là có thể xử lý hậu kỳ và lọc ngược (Reverse Kalman
Filter), có thể giải quyết vấn đề mở khóa một số vệ tinh và cải thiện độ chính xác định vị thông
qua Forward & Reverse. Công nghệ PPK là công nghệ định vị không gian phù hợp hơn với các
phương tiện bay không người lái với sự phát triển của khoa học kỹ thuật. Với công nghệ UAV
ngày càng hồn thiện, hiệu quả của các hoạt động quy mơ lớn cao hơn nhiều so với cách đo RTK
truyền thống. Công nghệ PPK rõ ràng có triển vọng phát triển rộng rãi hơn trong lĩnh vực máy bay
không người lái.
Một nhược điểm lớn của bay UAV - RTK đánh giá là kém lợi thế so với RTK là sai số lớn,
thậm chí bị lệch khi sử dụng trạm Cors cục đo đạc bản đồ (VNGEONET), bởi sổ tay (điều khiển)

16

Hội thảo Quốc gia 2022


của Drone chưa cho phép cải chính số liệu đo (RCTM) như sổ tay của các máy thu GNSS-RTK sử
dụng trạm Cors của Cục Đo đạc bản đồ. Trong trường hợp khơng có Cors tư nhân thì chỉ nên sử
dụng quy trình bay PPK. Nhược điểm này có thể khắc phục nếu sử dụng trạm phát Base - Radio
trực tiếp cho sổ tay điều khiển của máy bay.
Vì vậy, quy trình bay chụp PPK là sự lựa chọn tốt hơn trong tất cả các khía cạnh của các
nhiệm vụ bay chụp, khảo sát bằng máy bay không người lái hiện nay. Nhưng trong tương lai, RTK
có thể trở nên vượt trội hơn PPK khi tiến bộ công nghệ dẫn đến việc liên lạc liên tục giữa các cảm
biến và có nhiều giao thức liên kết hơn với các trạm tham chiếu. Tuy nhiên, cả hai quy trình RTK
và PPK trong bay chụp UAV vẫn cần kết hợp các điểm kiểm soát mặt đất (Ground Control Points
- GCP) trong nhiệm vụ khảo sát vì chúng là những điểm kiểm tra tin cậy để thu thập dữ liệu. Công
nghệ PPK chắc chắn sẽ trở thành trụ cột của các phương tiện bay không người lái trong khảo sát
và thành lập bản đồ.
Thiết bị bay đồng bộ RTK ngoài sự tiện dụng khi bay bằng chế độ RTK cịn có thể chuyển
sang bay ở chế độ PPK, khi đó các quy trình kỹ thuật xử lý được tối ưu hóa và khơng cịn ranh
giới giữa quy trình RTK hay PPK. Sự đa dạng về thiết bị bay và Main định vị giúp người sử dụng
có nhiều lựa chọn phù hợp cho nhu cầu sử dụng riêng của mình, tương ứng với các nhiệm vụ bay
chụp khác nhau trong trắc địa - bản đồ.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Bộ Tài nguyên và Môi trường (2021). Thông tư số 07/2021/TT-BTNMT ngày 30/6/2021 về “Quy định
kỹ thuật thu nhận và xử lý dữ liệu ảnh số từ tàu bay không người lái phục vụ xây dựng, cập nhật cơ sở dữ
liệu nền địa lý quốc gia tỷ lệ 1:2.000, 1:5.000 và thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ 1:500, 1:1.000”. 17 tr.
[2]. Trần Trung Anh, Dương Thế Anh, Phạm Viết Kiên, Lê Như Ngọc (2019). Kết hợp công nghệ UAV, RTK
và SES trong thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn vùng rừng ngập mặn ven biển. Hội nghị toàn quốc Khoa
học trái đất và Tài nguyên với phát triển bền vững - ERSD2019.
[3]. Nguyễn Đại Đồng, Bùi Ngọc Quý (2020). Cơ sở khoa học phương pháp đo ảnh chụp từ thiết bị bay

không người lái UAV. Tạp chí Khoa học Đo đạc và Bản đồ số 46, tr. 19 - 27.
[4]. Nguyễn Quốc Long (2021). Đánh giá độ chính xác mơ hình số bề mặt mỏ lộ thiên thành lập từ dữ liệu
máy bay không người lái có định vị tâm chụp ảnh bằng cơng nghệ đo động xử lý sau. Tạp chí Khoa học Kỹ
thuật Mỏ - Địa chất tập 62, kỳ 4 (2021) 38 - 47.
[5].
[6].
[7].
[8].

BBT nhận bài: 11/8/2022; Chấp nhận đăng: 31/10/2022

Hội thảo Quốc gia 2022

17