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

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







LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội –2014
2



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
3

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
















4

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
5

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


6

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

7

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.
8

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
9

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.
10

- 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 20
0
50'37,5” đến 21
0
51'37,5” độ vĩ Bắc.
Từ 105
0
45’37,5” đến 105
0
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.
11

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



12

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

13

 “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.
14

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
15

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.
16


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.
S
i
=T

i
*C/2
S
i
: Khoảng cách từ nguồn phát laser tới đối tượng.
17

T
i
: Khoảng thời gian từ thời điểm phát tia laser đến thời điểm nhận tia laser
phản xạ.
C: Tốc độ ánh sáng (3.10
8
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- S
i
.
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.

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
Xung laser

(Dải quét)
18

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.

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.
(Sự phản hồi
đầu tiên)
(Các phản hồi
trung gian)
(Phản hồi cuối)

19



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
a)
b)
20

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,
21

tách bề mặt mặt đất với bề mặt của tán cây hay tính toán thể tích tán cây trong các
ứng dụng liên quan đến quản lý rừng.Hiện tựợng đa xung có thể còn được ghi nhận
tại các cạnh của nhà, cho ta thấy sự thay đổi rất nhanh về độ cao của các điểm
Lidar.
Thuộc tính thứ ba là cường độ phản hồi của xung Lidar cung cấp các thông tin
về bức xạ của bề mặt khảo sát. Sự phản hồi này có thể được xem như một "bức ảnh"
trong một kênh phổ rất hẹp. Cường độ phản hồi này có thể được dùng trong các
thuật toán phân loại, chẳng hạn như phân biệt vùng đường có lát gạch hay bê tông
với đất có cỏ.
1.2.3. Cơ sở toán học xác định tọa độ của điểm Lidar

Hình 1.7 Cơ sở toán học xác định tọa độ điểm Lidar
Việc xác định tọa độ của các điểm Lidar được tiến hành bằng cách xác định
tọa độ điểm Lidar trong hệ tọa độ của máy quét, sau đó xác định chính xác tọa độ
của điểm Lidar trong một hệ tọa độ không gian lựa chọn. Sơ đồ vector sau minh họa
việc xác định tọa độ của điểm Lidar:
Trong đó:
b
v
t
A

G

Z
Y

Z
X
S

D
d

Y
u
Serve
r
X
P
Mặt
g
22

G: điểm GPS mặt đất trong hệ tọa độ lựa chọn.
A: Anntena của máy GPS trên máy bay.
S: điểm đặt máy quét Lidar.
P: điểm phạn xạ tia laser tại mặt đất.
Ở đây ta có hai hệ tọa độ:
- Hệ tọa độ thứ nhất: là hệ tọa độ được lựa chọn GXYZ.
- Hệ tọa độ thứ hai: là hệ tọa độ đặt máy quét Lidar Suvt.
Do vậy cần thiết phải tính chuyển tọa độ từ hệ tọa độ đặt máy quét Lidar sang
hệ tọa độ đã được lựa chọn theo công thức sau:
SAdg 
(1.2)
Để xác định vector g từ điểm G đến điểm P (điểm phản xạ của các tia laser)
cần phải xác định vector d, ma trận chuyển vị A và vector b như hình trên ta có:

bADd 

Trong đó:
Vector D: luôn luôn xác định được bằng cách đo động GPS
S: khoảng cách từ máy quét tới điểm phản xạ P
b: khoảng cách đo trực tiếp từ Anten đến máy quét
A: ma trận chuyển vị từ hệ tọa độ Lidar sang hệ tọa độ lựa chọn
Ma trận trên có dạng:











131211
131211
131211
ccc
bbb
aaa
A
(1.3)
Trong đó:






coscossinsinsin
sincoscossinsin
sin
sincos
coscos
12
12
11
11
11





b
a
c
b
a

23






coscos
cossinsinsincos
sinsincossincos
sincos
13
13
13
12




c
b
a
c
(1.4)

,
2
,
2











: Góc nghiêng ngang của máy bay.
 

2,0
,

: Góc xoay của máy bay.
,
2
,
2










: Góc nghiêng dọc của máy bay.
Thay vào công thức (1.3) vào công thức (1.2):
 
bSADg 
(1.5)
Viết dưới dạng ma trận:
 

bSA
ZZ
YY
XX
ZZ
YY
XX
a
a
a
P
P
P





























0
0
0
0
0
0
(1.6)
Trong đó:

000
,, ZYX
: Toạ độ điểm G (điểm toạ độ GPS mặt đất)

pppaaa
ZYXZYX ,,,,,
: toạ độ ăngten A và toạ độ điểm P cần tìm
Từ công thức (1.6) có thể xác định toạ độ điểm P:
 
bSA

Z
Y
X
Z
Y
X
i
i
i
Pi
Pi
Pi





























(1.7)
Trên cơ sở công thức (1.7) tìm được toạ độ X
p
, Y
p
, Z
p
.
Như vậy trên cơ sở nguyên lý này sẽ xác định được tập hợp các điểm có toạ
độ, độ cao trên mặt đất. Tiến hành phân loại và lọc được các dữ liệu quét bằng tia
laser bao gồm:
- Dữ liệu mặt đất (các điểm nằm trên mặt đất) sử dụng để thành lập mô hình số
địa hình (DTM)
24

- Dữ liệu các điểm không nằm trên mặt đất như các điểm nằm trên cây, mái
nhà, dây điện… Các điểm này được sử dụng để thành lập mô hình số bề mặt (DSM)
- Dữ liệu ảnh cường độ phản xạ của tia laser cho phép nhận dạng địa vật một
cách tương đối rõ nét.
1.2.4. Độ chính xác xác định vị trí điểm Lidar

Dựa trên cấu trúc hệ thống và nguyên lý hoạt động của công nghệ Lidar,
chúng ta có thể nhận thấy độ chính xác xác định vị trí điểm Lidar chủ yếu phụ thuộc
vào độ chính xác của hệ thống quét laser, độ chính xác xác định các thông số định
hướng giữa hệ thống IMU và điểm đặt anntena trên máy bay, độ chính xác cơ sở
trắc địa.(Lộc 2004)
Độ chính xác của hệ thống quét Lidar bao gồm độ chính xác đo chiều dài của
tia laser và độ chính xác của thiết bị đo GPS, thiết bị đo quán tính IMU. Các thiết bị
trên luôn tồn tại sai số hệ thống và có thể thay đổi giá trị theo thời gian sử dụng như
các sai số do chuyển động quay của gương quét laser, sai số của hệ thống định vị vệ
tinh toàn cầu GPS, sai số của thiết bị đo quán tính IMU. Để giảm thiểu các sai số
này hay nói cách khác là đảm bảo cho chúng tồn tại trong hạn sai cho phép thì trong
thực tế chúng ta phải tiến hành kiểm định các thiết bị trên một cách định kỳ trong
các điều kiện nhất định nhằm xác định các thông số hiệu chỉnh thiết bị.
Độ chính xác xác định các thông số định hướng giữa hệ thống IMU và điểm
đặt anntena GPS trên máy bay về bản chất là xác định chính xác các vector tính
chuyển giữa hệ tọa độ của hệ thống IMU và hệ tọa độ được sử dụng để thành lập
bản đồ 3D. Hệ thống IMU thường được lắp đặt trùng hợp với hệ thống quét laser
một cách ổn định và chính xác. Truy nhiên, hệ thống GPS trên máy bay thường
được lắp đặt tại vị trí thông thoáng, có khả năng thu tín hiệu tốt nhất. Do đó, độ
chính xác xác định thông số định hướng giữa hệ thống IMU và tâm anntena GPS
càng chính xác càng tốt, thông thường độ chính xác này nhỏ hơn 1cm.
Để xác định các nguồn sai số ảnh hưởng đến toạ độ điểm thực địa (P) xác định
bằng công nghệ LiDAR, ta xét mối quan hệ toạ độ của các hệ thống thiết bị trong
quá trình bay quét laser.
25


Hình 1.8Vị trí hệ thống GPS, IMU, SBF (sensor) trên máy bay
Đầu quét laser LRF (Laser Range finder) hay còn gọi là sensor SBF (Sensor
Body Frame) gắn cùng thiết bị đo hàng hướng quán tính IMU (Inertial

Measurement Unit). Dữ liệu đo của IMU trong hệ toạ độ vật thể b-frame (SXYZ-
IBF) khi chuyển sang hệ toạ độ địa phương l-frame (hay n-frame) sẽ xác định các
góc nghiêng, xoay của máy bay: Nghiêng ngang

, nghiêng dọc

và góc xoay


(Hình 1.8). Khi liên kết hai hệ thống SBF (SXYZ-SBF) và IMU (SXYZ-IBF), các
hướng trục của hai hệ thống này bị lệch nhau, tạo thành các góc nghiêng xoay giữa
hai hệ trục toạ độ của SBF và IMU.Các giá trị góc lệch này được xác định thông
qua kiểm định hệ thống.
Trong hệ thống tích hợp LiDAR với máy ảnh số có 5 hệ toạ độ liên kết chặt
chẽ với nhau trong một thể thống nhất. Hệ toạ độ của IMU (b-frame) là IBF (IMU
Body Frame), hệ toạ độ của sensor là SBF (Sensor Body Frame), hệ toạ độ của máy
ảnh (C-xyz), hệ toạ độ trắc địa địa phương (l-frame) và hệ toạ độ địa tâm trái đất
ECEF (của GPS).
Đầu quét laser và máy ảnh là hai thiết bị độc lập nhau và tương tự về mặt quan
hệ hình học trong hệ thống tích hợp này và để đơn giản trong trình bày, nên ở mục
này chỉ đề cập tới 3 hệ toạ độ là IBF, SBF và ECEF.
Thông qua quan hệ chuyển đổi toạ độ giữa các hệ thống trên ta có:

)(
,,
,,
SBF
A
SBF
P

ILF
SIL
ECEF
A
ECEF
P
XXRXX 
(1)
Trong đó:
IMU
SBF
Z
A
SBF

X
A
SBF

Y
A
SBF

GPS
Z-SBF
X-SBF
Y-SBF
Z-IBF
Y-IBF
X-IBF