Nghiên cứu ứng dụng công nghệ Lidar thành lập bản đồ 3D khu vực đô thị

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu là
trung thực và chưa từng được công bố trong các công trình khác.

Tác giả luận văn

Đặng Thanh Tùng

1


MỤC LỤC
Mục lục: ..................................................................................................................... 2
Danh mục chữ viết tắt: ................................................................................................ 4
Danh mục hình ảnh: .................................................................................................... 5
Danh mục bảng biểu: ............................................................................................... ...6

MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 7
1. Tính cấp thiết của đề tài............................................................................... 7
2. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu ................................................................ 8
3. Cấu trúc của luận văn .................................................................................. 9
CHƯƠNG 1 .........................................................................................................
CỞ SỞ LÝ LUẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................... 10
1.1. Cơ sở lý thuyết của công nghệ Lidar ...................................................... 10
1.1.1. Cấu trúc hệ thống Lidar.............................................................................................. 10
1.1.2. Nguyên lý hoạt động của Lidar................................................................................... 11
1.1.3. Cơ sở toán học xác định tọa độ của điểm Lidar........................................................... 12
1.1.4. Độ chính xác xác định vị trí điểm Lidar...................................................................... 15

1.2. Khả năng ứng dụng Lidar và bản đồ 3D................................................ 18

1.2..2 Ứng dụng trong công tác khảo sát, thiết kế, giám sát công trình.......................................... 19
1.2.3. Ứng dụng trong công tác thiết kế, quy hoạch, phát triển đô thị.................................... 19
1.2.4. Ứng dụng trong quân sự ............................................................................................. 20
1.2.5. Ứng dụng trong du lịch............................................................................................... 20

1.3. Các vấn đề cơ bản về bản đồ 3D ............................................................. 20
1.3.1. Các khái niệm cơ bản ................................................................................................. 20
1.3.2. Khả năng ứng dụng dữ liệu Lidar trong thành lập bản đồ 3D ...................................... 22

1.3.3. Các phương pháp nghiên cứu thành lập bản đồ 3D ............................. 22
a. Phương pháp Lidar........................................................................................................... 23
b. Phương pháp đo vẽ trực tiếp thực địa ............................................................................... 25
c. Phương pháp do vẽ ảnh hàng không ................................................................................. 26
d. Phương pháp bản đồ địa hình, địa chính ........................................................................... 27
e. Thành lập bản đồ địa hình 3D từ các nguồn ảnh viễn thám khác ....................................... 28
f. Phương pháp Radar độ mở tổng hợp giao thoa (IFSAR - InterFerometric Synthetic Aperture
Radar).................................................................................................................................. 29

CHƯƠNG 2 ..................................................................................................... 31
QUY TRÌNH ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ LIDAR THÀNH LẬP BẢN ĐỒ 3D .. 31
2.1. Xử lý dữ liệu Lidar .................................................................................. 31
2.1.1. Chiết tách các thông tin về địa hình và địa vật (phân tầng độ cao dữ liệu Lidar – tách bề
mặt địa hình thực và bề mặt địa vật)..................................................................................... 32
2.1.2. Nhận dạng, tái lập mô hình các công trình xây dựng................................................... 36
a. Tìm kiếm, nhận dạng các công trình xây dựng.................................................................. 38
b. Tái lập các công trình xây dựng trên bản đồ 3D................................................................ 40

2

2.2. Phương pháp hiển thị các đối tượng trên bản đồ 3D............................. 42
2.2.1. Phương pháp hiển thị các đối tượng 3D ...................................................................... 42
2.2.2. Mô hình số địa hình.................................................................................................... 43
2.2.3. Các đối tượng địa hình 3D.......................................................................................... 45
2.2.4. Phân tích và lựa chọn mức độ chi tiết cho các đối tượng hiển thị 3D.................................. 46

CHƯƠNG 3 ..................................................................................................... 49
ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ LIDAR .....................................................................
THÀNH LẬP BẢN ĐỒ 3D THÀNH PHỐ BẮC GIANG .................................... 49
3.1. Khái quát chung về khu vực thử nghiệm, hệ thống máy quét Lidar .... 49
3.2. Công tác chuẩn bị, bay quét và xử lý dữ liệu Lidar............................... 53
3.2.1. Công tác chuẩn bị....................................................................................................... 53
3.2.2. Bay quét Lidar............................................................................................................ 53
3.2.3. Xử lý dữ liệu Lidar ..................................................................................................... 56
3.2.4. Xây dựng mô hình 3D khu vực thử nghiệm ................................................................ 61
d. Thể hiện các đối tượng khác trên bản đồ .......................................................................... 67
- Thuỷ hệ và các đối tượng liên quan.................................................................................... 67
- Giao thông và các đối tượng liên quan ............................................................................... 68
- Các đối tượng kinh tế, văn hoá xã hội ................................................................................ 69
- Dáng đất, chất đất .............................................................................................................. 70
- Thực vật ............................................................................................................................ 71
- Ranh giới ........................................................................................................................... 73
- Ghi chú.............................................................................................................................. 73

3.3. Đánh giá kết quả sản phẩm..................................................................... 74
3.3.1. Đánh giá độ chính xác ................................................................................................ 74
3.3.2. So sánh với một số phương pháp ................................................................................ 74
3.3.3. Đánh giá khả năng ứng dụng và hiệu quả: ................................................................. 76

Trang bị công nghệ Lidar giúp chúng ta tiếp cận với công nghệ tiên tiến

trên thế giới, góp phần nâng cao được trình độ khoa học công nghệ trong
lĩnh vực đo đạc và bản đồ. ............................................................................. 77
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ............................................................................. 79
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................. 82
PHỤ LỤC ........................................................................................................ 83

3


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Tên viết vắt
LIDAR
IMU
DTM
DEM
DSM
GIS
GPS

Nghĩa tiếng Anh
Light Detection And
Ranging
Inertial Measurement Unit
Digital Terrain Model
Digital Elevation Model
Digital Surface Model
Geographic Information
System
Global Positioning System

GRID
TIN
LoD
IFSAR
2D
3D
3D City Model
Photorealistic
Symbolised
Intensity
MicroRelief
MultiLoD

Triangulated Irregular
Network
Level of Detail
InterFerometric Synthetic
Aperture Radar:
Two Dimensions
Three Dimensions

Multiple Level of Detail

4

Nghĩa tiếng Việt
Công nghệ đo Laser
Thiết bị xác định quán tính
Mô hình số địa hình
Mô hình số độ cao

Mô hình số bề mặt
Hệ thống thông tin địa lý
Hệ thống định vị toàn cầu
Cấu trúc lưới đều của mô
hình số độ cao
Cấu trúc mạng tam giác
không đều của mô hình số
độ cao
Cấp độ chi tiết
Radar độ mở tổng hợp
giao thoa
Hai chiều
Ba chiều
Mô hình thành phố 3D
Ảnh thực
Ký hiệu hoá
Ảnh cường độ xám
Vi địa hình
Đa cấp độ chi tiết


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Tổng quan hệ thống bay quét Lidar .................................................. 11
Hình 1.2: Cơ sở toán học xác định vị trí điểm Lidar......................................... 13
Hình 1.3 Bản đồ địa hình 3D............................................................................ 19
Hình 1.4 Bản đồ 3D khu vực đô thị ................................................................. 20
Hình 1.5 Mô hình 3D khu vực đô thị từ dữ liệu Lidar....................................... 25
Hình 1.6 Mô hình 3D được xây dựng từ dữ liệu đo trực tiếp tại thực địa.......... 26
Hình 1.7 Bản đồ 3D thành lập từ phương pháp ảnh hàng không..................... 27
Hình 1.8 Mô hình 3D thành lập từ bản đồ địa chính ........................................ 28

Hình 1.9 Mô hình 3D sử dụng ảnh viễn thám ................................................... 29
Hình 2.1 Dữ liệu tập hợp điểm Lidar................................................................ 32
Hình 2.2 Phân loại các điểm Lidar giữa địa hình và địa vật ............................ 34
Hình 2.3 Phân loại các điểm Lidar giữa địa hình và địa vật ............................ 35
Hình 2.4 Kết quả phân loại, tạo mô hình số bề mặt và mô hình số địa hình ..... 36
Hình 2.5Ttìm kiếm, nhận dạng công trình xây dựng ......................................... 40
Hình 2.6 Xác định ranh giới công trình xây dựng............................................. 41
Hình 2.7 Xây dựng mô hình 3D của các công trình xây dựng........................... 41
Hình 2.8: Mô tả mô hình số địa hình và các đối tượng trên nó......................... 42
Hình 2.9 Mô tả nhà trong bản đồ 3D được hiện thị một cách đơn giản trên nền
mô hình số địa hình .......................................................................................... 46
Hình 2.10 Cấp độ chi tiết LoD đối với các đối tượng nhà, khối nhà ................. 48
Hình 3.1 Sơ đồ tuyến bay quét Lidar khu vực thành phố Bắc Giang................. 56

5


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Sơ đồ 2.1: Sơ đồ quy trình xử lý dữ liệu Lidar lập bản đồ 3D…………………...30
Bảng2.1:Bảng kết quả phân loại điểm địa hình, địa vật nhà cửa, cây cối…….34
Bảng3.1: Bảng tư liệu các điểm địa chính cơ sở…………………………….……49
Sơ đồ 3.1: Quy trình công nghệ thành lập bản đồ 3D từ dữ liệu Lidar….….….50
.

6


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong những năm gần đây, việc ứng dụng công nghệ mới trong lĩnh vực

bản đồ viễn thám và GIS đã có những bước tiến vượt bậc và đã tạo ra những sản
phẩm có chất lượng cao. Công nghệ Laser đã được ứng dụng hiệu quả trong
nhiều lĩnh vực, trong đo có lĩnh vực đo đạc bản đồ. Trước đây, trong lĩnh vực đo
đạc bản đồ, công nghệ Laser đã được sử dụng trong các máy đo dài, định tuyến.
Hiện nay, rất nhiều nước trên thế giới và trong khu vực đã ứng dụng công nghệ
Laser kết hợp với hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu, hệ thống xác định quán tính
để lập mô hình số địa hình, mô hình số bề mặt phục vụ thành lập bản đồ địa
hình, bản đồ dải ven biển, bản đồ không gian ba chiều và xây dựng cơ sở dữ liệu
nền thông tin địa lý.
Việc thành lập mô hình số địa hình, đặc biệt là mô hình số bề mặt thực địa
có độ chính xác cao bằng công nghệ ảnh hàng không hoặc bằng các phương
pháp đo đạc trực tiếp khác trước đây gặp nhiều khó khăn, chi phí cao, tốn nhiều
thời gian để hoàn thành sản phẩm. Công nghệ Lidar kết hợp với các công nghệ
khác như định vị vệ tinh, xác định quán tính, bay chụp ảnh số cỡ trung bình cho
phép xác định chính xác bền mặt địa hình và bền mặt thực địa theo một hệ tọa
độ không gian xác định. Sản phẩm của công nghệ Lidar giúp xây dựng mô hình
số địa hình cũng như mô hình số bề mặt có độ chính xác cao, mật độ dữ liệu
điểm lớn, thậm chí là rất lớn đảm bảo được tính chi tiết của địa hình thực tế. Dữ
liệu Lidar thu nhận được là tập hợp các điểm có giá trị mặt bằng và độ cao (đám
mây điểm) trong một hệ tọa độ xác định. Từ dữ liệu đám mây điểm Lidar, cho
phép tiến hành lọc điểm, biên tập xây dựng nên mô hình số địa hình và mô hình
số bề mặt và dựng mô hình 3D các công trình xây dựng, từ đó có thể xây dựng
bản đồ không gian ba chiều khu vực đô thị một cách nhanh chóng, chính xác.
Công nghệ Lidar có sự tiến bộ vượt trội so với các công nghệ đi trước trong
việc thành lập mô hình số địa hình, mô hình số bề mặt phục vụ công tác lập

7


bản đồ địa hình, bản đồ không gian ba chiều (bản đồ 3D) và 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 gồm nền mô hình số địa hình, các đối tượng địa lý dạng vector
được gắn kết với các thuộc tính và được hiển thị trong không gian ba 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.
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 công nghệ Lidar thành lập bản đồ 3D khu vực đô
thị”.
2. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
* Mục tiêu đề tài: Nghiên cứu, xây dựng quy trình thành lập bản đồ 3D khu
vực đô thị dựa trên nguồn dữ liệu Lidar.
* 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.
- Xây dựng bản đồ 3D khu vực đô thị thành phố Bắc Giang.

8

3. 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. Cơ sở lý luận và phương pháp nghiên cứu.
Chương 2. Quy trình ứng dụng công nghệ Lidar thành lập bản đồ 3D.
Chương 3. Ứng dụng công nghệ hoặc dữ liệu Lidar thành lập bản đồ 3D
thành phố Bắc Giang.

9


CHƯƠNG 1
CỞ SỞ LÝ LUẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
1.1. Cơ sở lý thuyết của công nghệ Lidar
1.1.1. Cấu trúc hệ thống Lidar
Công nghệ quét laser từ máy bay (Airborne Laser Scanning) hay còn gọi là
Lidar (Light Detection And Ranging) là công nghệ mới được áp dụng tại Việt
Nam, cho phép đo đạc độ cao chi tiết địa hình một cách nhanh chóng và chính
xác.
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.
Bộ máy quét laser (bộ cảm biến): gồm hai bộ phận được gắn vào bên dưới
máy bay: một bộ phận có vai trò phát xung laser hẹp đến bề mặt trái đất trong
khi máy bay di chuyển với 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.
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

10


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. Các
thông tin này được lưu trữ và xử lý, để xác định giá trị tọa độ (x,y,z) chính xác
của mỗi điểm 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.

Hình 1.1: Tổng quan hệ thống bay quét Lidar
Hệ thống quản lý bay: Cho phép lập kế hoạch, thiết kế tuyến bay và theo
dõi quá trình bay quét Lidar.
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.
1.1.2. Nguyên lý hoạt động của Lidar
Hệ thống Lidar xác định được tọa độ các điểm trong không gian ba chiều
X,Y, Z) bằng cách đo độ D dài của tia laser, xác định góc phương vị của tia quét
(dựa vào các góc xoay của thiết bị và góc quay của gương quét được xác định

11


bằng hệ thống IMU) và hệ tọa độ GPS lựa chọn tại thời điểm quét laser.
Thiết bị Lidar có độ rộng dải quét có thể từ vài chục mét đến hàng trăm mét
phụ thuộc vào chiều cao bay và đặc biệt nhờ vào góc quay của tấm gương đước
gắn vào đầu thiết bị phát tia laser hướng về phía bề mặt địa hình.
Tia laser hoạt động theo nguyên lý xung điện có tần số lớn tới vài Khz. Sau
khi phát, năng lượng sẽ được phản hồi từ địa hình, địa vật qua hệ thống quang
học tới đầu thu của thiết bị xung điện. Dựa vào khoảng chênh lệch thời gian T
giữa tín hiệu phát đi và tín hiệu thu về, chúng ta xác định được chiều dài D của
tia laser tại thời điểm quét theo công thức (1.1):
Di = Ti

C
2

(1.1)

Trong đó:
Di: Chiều dài tia laser.
Ti: Thời gian từ thời điểm phát tia laser đến thời điểm nhận tín hiệu phản

hồi.
C: Vận tốc ánh sáng.
Thiết bị Lidar hoạt động trong dải phổ cận hồng ngoại với bước sóng
khoảng 1504nm cho phép xác định chiều dài D với độ chính xác cao với sai số
khoảng ± 1cm.
Các tia laser được quét liên tục với góc quét có thể lên tới 1500 và theo
hướng vuông góc với hướng bay của máy bay. Tần suất phát của thiết bị Lidar
có thể lê tói 100000 điểm trong 1 giây nên tùy theo tính chất, đặc điểm của bề
mặt địa hình và độ cao bay chụp mà ta có thể thu nhận được dữ liệu với mật độ
lên tới hàng triệu điểm trên 1 km 2 tương đương từ 0.3m đến 1m có 1 điểm.
1.1.3. Cơ sở toán học xác định tọa độ của 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 (1.2)
minh họa việc xác định tọa độ của điểm Lidar:

12


Z
A

Y

X

Server
C

b

u
S

D
t

d
Z

v
a

δ
G

Y

g

X

Mặt đất
P

Hình 1.2: Cơ sở toán học xác định vị trí điểm Lidar
Trong đó:
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 chuyển tọa độ từ hệ tọa độ của máy quét Lidar sang hệ tọa độ
đã được lựa chọn theo công thức sau:
(1.2)

g = d + AS

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 (1.2) ta có:
d = D - Ab

13


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:
æ a11a12 a13 ö
ç
÷
A = ç b11b12b13 ÷
çc c c ÷
è 11 12 13 ø

(1.3)

Trong đó:
a11 = cos g cos w
b11 = cos g sin w
c11 = sin g
a12 = sin b sin g cos w - cos b sin w
b12 = sin b sin g sin w + cos b cos w
c12 = cos g sin b
a13 = cos b sin g cos w + sin b sin w

(1.4)

b13 = cos b sin g sin w - sin b cos w
c13 = cos g cos b

æ p pö
g ç - , ÷, g :
è 2 2ø

Góc nghiêng ngang của máy bay.

w (0,2p ) , w :

Góc xoay của máy bay.

æ p pö
b ç - , ÷, b :
è 2 2ø

Góc nghiêng dọc của máy bay.

Thay vào công thức (1.3) vào công thức (1.2):

(

g = D+ A S -b

)

(1.5)

Viết dưới dạng ma trận:
æ XP - X0 ö æ Xa - X0 ö
ç
÷ ç
÷
ç YP - Y0 ÷ = ç Ya - Y0 ÷ + A S - b
çZ - Z ÷ çZ - Z ÷
0 ø
0 ø
è P
è a

(

14

)

(1.6)

Trong đó:
X 0 , Y0 , Z 0 : Toạ độ điểm G (điểm toạ độ GPS mặt đất)

X a , Ya , Z a , X p , Yp , Z p : toạ độ ăngten A và toạ độ điểm P cần tìm

Từ công thức (1.6) có thể xác định toạ độ điểm P:
éDX Pi ù éDX i ù
êDY ú = êDY ú + A S - b
ê Pi ú ê i ú
êëDZ Pi úû êëDZ i úû

(

)

(1.7)

Trên cơ sở công thức (1.7) tìm được toạ độ Xp, Y p, Zp.
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)
- 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.

Như vậy việc phân loại để xử lý các dữ liệu đo được thông qua các modul
và các chương trình phần mềm của hệ thống để mục đích bóc tách được các loại
dữ liệu này thông qua các phép lọc.
1.1.4. 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.
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.
15


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.

Việc thu nhận và xử lý kết quả đo GPS giữa hệ thống GPS trên máy bay và
dưới mặt đất đặc biệt quan trọng, đây chính là cơ sở để xác định tọa độ của các
điểm Lidar trong hệ tọa độ cần thành lập bản đồ 3D. Để đảm bảo độ chính xác
cần thiết, tọa độ của các điểm đặt máy GPS dưới mặt đất (điểm trạm Base) cần
phải được xác định chính xác, từ đó mới có thể xác định chính xác tọa độ của
điểm đặt máy GPS trên máy bay trong quá trình bay bằng các phương pháp xử
lý dữ liệu GPS. Ở đây, sau khi xác định chính xác vị trí của các điểm Lidar bằng
công nghệ GPS và IMU, chúng ta cần đặc biệt quan tâm tới độ chính xác của mô
hình Geoid địa phương (mô hình Geoid của khu phạm vi bay quét Lidar). Nếu
chỉ sử dụng kết quả đo GPS đơn thuần thì mới chỉ xác định chính xác được giá
trị độ cao H của các điểm Lidar (giá trị độ cao trên bề mặt Ellipsoid của hệ tọa
độ sử dụng để thành lập bản đồ 3D). Do đó phải sử dụng mô hình Geoid địa

16


phương có độ chính xác đảm bảo để có được các giá trị dị thường độ cao N tại
khu vực bay quét Lidar, từ đó xác định chính xác các giá trị độ cao thủy chuẩn h
của các điểm Lidar trong khu vực. Dựa trên các điểm Lidar có tọa độ chính xác
về mặt bằng và độ cao thủy chuẩn, tiến hành xây dựng mô hình 3D khu vực bay
quét.
1.1.5. Sản phẩm trực tiếp của công nghệ Lidar
Mô hình số địa hình(DTM): là các mô hình số miêu tả bề mặt mặt đất
nhưng không bao gồm các đối tượng vật thể trên đó. Dữ liệu thu nhận từ quá
trình bay quét Lidar bao gồm tập hợp các điểm có giá trị mặt bằng và giá trị độ
cao tạo ra mô hình số địa hình dạng Raster với mắt lưới lên đến 0.5m, độ chính
xác về độ cao có thể đạt tới 0.15m.
Mô hình số bề mặt(DSM): là một mô hình số độ cao miêu tả bề mặt mặt đất
và bao gồm cả các đối tượng vật thể trên đó như nhà cửa, cây cây cối, đường
dây điện, đường giao thông... Cũng như mô hình số độ cao, mô hình số bền mặt

được tạo ra dưới dạng Raster với kích thước mắt lưới Grid đạt tới 0,5m và độ
chính xác về độ cao lên tới 0,2m.
Ảnh cường độ xám (intensity): là sản phẩm thu được trong quá trình thu
nhận dữ liệu Lidar. Dựa trên cường độ tín hiệu phản hồi của tia laser thu được,
tiến hành nội suy tạo ảnh cường độ xám. Trên bề mặt thực địa bao gồm các đối
tượng khác nhau, do đó khả năng hấp thụ và cường độ phản hồi tín hiệu laser
cũng khác nhau, từ đó thu nhận và có thể phân biệt được các loại đối tượng khác
nhau trên ảnh cường độ xám. Điều này rất có ý nghĩa trong việc phân loại đối
tượng trong trường hợp không có ảnh hàng không hay ảnh vệ tinh độ phân giải
cao tại khu vực bay quét Lidar. Độ phân giải của ảnh cường độ xám có thể lên
tơi 0,25m. Độ chính xác về mặt bằng và độ cao của các điểm trên ảnh cường độ
xám tương đương với độ chính xác của dữ liệu Lidar gốc.
Bình đồ ảnh trực giao (true otrthophoto): là sản phẩm ảnh được nắn
chuyển hình học chính xác trong hệ tọa độ lựa chọn dựa vào các góc xoay được

17


xác định nhờ hệ thống IMU và tọa độ GPS cùng với mô hình số địa hình, mô
hình số bề mặt so dữ liệu Lidar tạo ra. Bình đồ ảnh trực giao trên lý thuyết là
ảnh nắn chỉnh hình học đã được loại trừ sai số vị trí điểm do chênh cao địa hình
gây ra dựa vào việc sử dụng mô hình số địa hình để nắn chỉnh. Đối với trường
hợp bay quét Lidar có kết hợp chụp ảnh số thì sản phẩm bình đồ ảnh trực giao là
sản phẩm trực tiếp của công nghệ Lidar đem lại hiệu quả rất lớn cho công tác đo
đạc lập bản đồ và xây dựng mô hình không gian ba chiều. Bình đồ ảnh trực giao
có thể được sử dụng làm lớp phủ bề mặt cho các đối tượng trên bản đồ 3D.
1.2. Khả năng ứng dụng Lidar và bản đồ 3D
Công nghệ Lidar thể hiện nhiều ưu thế vượt trội so với các công nghệ khác
trong việc đo đạc thành lập bản đồ và xây dựng cơ sở dữ liệu cũng như công tác
mô phỏng không gian ba chiều. Các nguồn dữ liệu thu nhận được từ hệ thống

Lidar có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như quân sự, giáo dục, viễn
thông, quy hoạch quản lý đô thị, đánh giá, theo dõi và khai thác mỏ, lập bản đồ
đường dây tải điện, nghiên cứu lập bản khu vực ngập lụt, bản đồ địa hình dải
ven biển, dự báo thảm họa...
1.2.1. Ứng dụng trong công tác thành lập bản đồ địa hình
Bản đồ địa hình tỷ lệ lớn là một trong những sản phẩm mà hiện nay được
thành lập nhiều nhất dựa trên công nghệ Lidar. Công nghệ Lidar cho phép lập
mô hình số địa hình độ chính xác cao với thời gian nhanh chóng và ít phụ thuộc
vào thời tiết, có thể bay quét Lidar cả ngày lẫn đêm. Hiện nay người ta thường
áp dụng công nghệ Lidar cho thành lập bản đồ các tỷ lệ 1/1000, 1/2000, 1/5000.

18


Hình 1.3 Bản đồ địa hình 3D
1.2.2. Ứng dụng trong công tác khảo sát, thiết kế, giám sát công trình
Dữ liệu Lidar có thể được thu nhận trong khoảng thời gian ngắn, có độ
chính xác và độ chi tiết rất cao giúp cho công tác khảo sát, đặc biệt là khảo sát
vê địa hình đạt hiệu quả cao.
Kết quả của sản phẩm Lidar phục vụ khảo sát, thiết kế, giám sát công trình
giúp cho việc tính toán khối lượng đào đắp, lên kế hoạch giải tỏa, đền bù được
sát thực tế hơn và bố trí các phương án, phương tiện thi công iệu quả.
1.2.3. Ứng dụng trong công tác thiết kế, quy hoạch, phát triển đô thị
Thiết kế - qui hoạch là một trong những lĩnh vực rộng lớn rất cần mô hình
chi tiết. Từ thiết kế giao thông, đô thị, công trình công cộng đến thiết kế nhà
máy thuỷ điện đều cần đến các thông tin chính xác này để nghiên cứu tình trạng
hiện thời, tính toán khối lượng đào đắp để đưa ra phương án tối ưu, lên kế hoạch
giải toả và tái định cư, hiển thị mô hình thiết kế, lấy ý kiến đóng góp, trình
duyệt.

19


Hình 1.4 Bản đồ 3D khu vực đô thị
1.2.4. Ứng dụng trong quân sự
Trong quân sự, việc sử dụng công nghệ Lidar để xây dựng các mô hình khu
vực tác chiến giúp cho khả năng phân tích tầm nhìn hay khả năng cơ động của
các trang thiết bị cơ giới, xác định mục tiêu cho dẫn đường tên lửa...được nhanh
chóng, chính xác, hiệu quả.
1.2.5. Ứng dụng trong du lịch
Cũng nhờ dữ liệu Lidar, cho phép tạo những tua du lịch ảo trên nền bản đồ
giúp khách hàng có khái niệm rõ ràng hơn về những nơi mình sẽ đến và cảnh
quan ở đó, đây cũng là một cách tiếp cận thị trường hiệu quả. Khách du lịch có
thể thực hiện việc quan sát ba chiều hay bay mô phỏng để tìm hiểu cảnh quan
thiên nhiên của vùng được quan tâm. Họ cũng có thể được cung cấp các thông
tin về cơ sở hạ tầng, khách sạn, các hoạt động vui chơi, giải trí ... nhờ các công
cụ hỏi đáp của GIS.
1.3. Các vấn đề cơ bản về bản đồ 3D
1.3.1. Các khái niệm cơ bản
Hiện nay, bản đồ địa hình 3D và 3D GIS đã được các nước trên thế giới
nghiên cứu và có các ứng dụng trong thực tế. Cấu trúc của bản đồ 3D bao gồm
nền địa hình, dữ liệu đồ họa của các đối tượng địa hình, dữ liệu thuộc tính gắn
với dữ liệu đồ họa này và tất cả được hiển thị trong môi trường 3D theo nguyên
tắc bản đồ. Các nghiên cứu lý thuyết cũng như kết quả của một số hệ thống ứng
dụng thực tế cũng đã được trình bày nhưng không nhiều và chưa đầy đủ trên các
tạp chí chuyên ngành hoặc trong các cuộc hội thảo quốc tế. Trong các

20

nghiên cứu trên, có một số lĩnh vực chính đã được nghiên cứu sâu liên quan đến
bản đồ địa chính, địa hình 3D và 3D GIS là xây dựng mô hình thành phố ba
chiều
Mô hình thành phố ba chiều (3D city model) là một hướng nghiên cứu
dành được nhiều quan tâm của ngành bản đồ, viễn thám và đã có nhiều ứng
dụng. Đối tượng được quan tâm nhiều ở đây là nhà và các khối nhà. Một số
nghiên cứu tập trung vào vấn đề cấu trúc topology của dữ liệu và cách thể hiện
nhiều cấp độ chi tiết trong một mô hình thành phố 3D bằng một ngôn ngữ mô
hình hoá. Vấn đề thể hiện các chi tiết của mô hình hình học các khối nhà là làm
sao cố gắng giảm kích thước dữ liệu. Các kết quả thử nghiệm thường được đưa
ra với độ chi tiết rất cao cho một không gian nhỏ như một khu phố nhỏ.
Trên thực tế, mô hình thành phố 3D được chính quyền nhiều thành phố
quan tâm. Bước đầu, họ xây dựng mô hình thành phố 3D dựa trên nền bản đồ
địa chính, độ cao của các khối nhà được xác định với độ chính xác tương đối từ
các nguồn có sẵn. Sau đó, song song với việc cập nhật mô hình, họ tìm cách xác
định lại độ cao cho từng khối nhà một cách chính xác và toàn diện hơn từ các
nguồn dữ liệu mới như ảnh máy bay tỷ lệ lớn, ảnh laser chụp từ máy bay. Tuy
nhiên, trên thực tế, việc xây dựng mô hình thành phố 3D chính xác và cập nhật
là quá trình rất lâu dài và tốn kém khi thực hiện với cả một thành phố nên cũng
chưa có một mô hình thành phố 3D hoàn chỉnh nào được công bố.
Bản đồ địa chính 3D ngày càng được các nước trên thế giới quan tâm khi
mà thị trường bất động sản ngày càng sôi động và có giá trị lợi nhuận cao như
hiện nay. Các vấn đề được quan tâm nhiều liên quan đến quan hệ topology giữa
các đối tượng của bản đồ địa chính trong môi trường 3D thực, quá trình chuyển
tiếp từ hệ thống địa chính 2D sang hệ thống địa chính 3D. Vấn đề quản lý và
luật đất đai gắn với các bất động sản 3D này hiện nay đang được nhiều nước
trên thế giới quan tâm nghiên cứu.

21

1.3.2. Khả năng ứng dụng dữ liệu Lidar trong thành lập bản đồ 3D
Bản đồ 3D đòi hỏi thông tin về kích thước của đối tượng trong chiều thứ ba
của không gian. Các thông tin này có thể được thu thập bổ sung bằng các nguồn
dữ liệu như: điều tra - đo vẽ thực địa; đo vẽ lập thể trên trạm ảnh số; dữ liệu giao
thoa radar, Lidar…
Tuy nhiên, trong các nguồn dữ liệu có thể sử dụng để thành lập bản đồ 3D
như đã nêu ở trên thì dữ liệu Lidar tỏ ra là nguồn dữ liệu có nhiều ưu thế nhất,
đáp ứng được nhiều yêu cầu của bản đồ 3D. Đặc biệt, đối với bản đồ 3D khu
vực đô thị, khi mà việc thể hiện các nhà và khối nhà trên nền mô hình địa hình là
một trong những yêu cầu được quan tâm nhất thì dữ liệu Lidar có thể đáp ứng
tốt hơn so với các nguồn dữ liệu khác.
Việc thể hiện các nhà, khối nhà 3D trên bản đồ cần có đầy đủ thông tin về
kích thước, hình dáng và dạng mái nhà. Đối với các dữ liệu như ảnh hàng không
hoặc dữ liệu thu nhận từ việc đo đạc trực tiếp ngoài thực địa gây ra tốn kém lớn
về kinh phí và thời gian để xử lý dữ liệu và rất khó khăn trong việc xác định
thông tin về dạng mái nhà, độ cao mái nhà. Dữ liệu Lidar với mật độ điểm chi
tiết rất lớn, có thể lên tới 5 điểm/m 2 và đặc biệt có độ chính xác rất cao (đạt tới
0.15m về độ cao) hoàn toàn có thể đáp ứng được yêu cầu về xây dựng bản đồ
3D khu vực đô thị.
Sử dụng dữ liệu Lidar cho việc xây dựng bản đồ 3D khu vực đô thị có khả
năng tiết kiệm chi phí lớn và rút ngắn được rất nhiều về mặt thời gian hoàn
thành sản phẩm so với việc sử dụng các nguồn dữ liệu khác.
Với những ưu điểm của dữ liệu Lidar so với các nguồn dữ liệu khác, khả
năng ứng dụng dữ liệu này để thành lập bản đồ 3D là rất hiệu quả, nhất là đối
với bản đồ tỷ lệ lớn, đòi hỏi độ chính xác cao.
1.3.3. Các phương pháp nghiên cứu thành lập bản đồ 3D
Có nhiều phương pháp có thể áp dụng để thành lập bản đồ 3D: sử dụng ảnh
máy bay; thành lập từ các nguồn số liệu viễn thám khác; thành lập sử dụng bản

22


đồ địa hình 2D có sẵn hay thành lập bằng phương pháp đo đạc thực địa.
Mỗi phương pháp thành lập bản đồ 3D có các ưu điểm và nhược điểm
riêng, phù hợp với các tỷ lệ hay độ chi tiết khác nhau. Việc thu thập các dữ liệu
chi tiết cho bản đồ 3D rất tốn công, chỉ với một yêu cầu tăng thêm về độ chi tiết
của một nhóm đối tượng có thể dẫn đến chi phí thành lập bản đồ tăng rất cao.
Nên bước đầu tiên mà dù theo phương pháp thành lập nào cũng cần tiến hành là
thiết kế nội dung bản đồ trong đó một trong những chi tiết quan trọng cần phải
quyết định là hình thức thể hiện nhà và các công trình xây dựng trong khu dân
cư. Tùy vào mục đích sử dụng, yêu cầu mà đưa ra tỷ lệ và phương pháp thành
lập. Tuy nhiên có thể điểm ra các bước chính áp dụng cho mọi phương pháp
thành lập bản đồ địa hình 3D như sau:
- Thiết kế nội dung: xác định nội dung, chọn lựa và qui định cách thể hiện
cụ thể cho từng đối tượng bản đồ 3D của khu đo.
- Tạo dữ liệu đồ họa nền 2D tương tự như bản đồ địa hình truyền thống.
- Tạo dữ liệu 3D bằng các phương pháp đo vẽ lập thể, đo vẽ thực địa,
Lidar…
- Thu thập các thông tin thuộc tính từ các nguồn tài liệu có sẵn hoặc thông
qua điều vẽ ngoại nghiệp.
- Gắn kết các thông tin thuộc tính với dữ liệu đồ họa.
- Hiển thị các nội dung bản đồ 3D dựa trên nền mô hình số địa hình, các dữ
liệu đồ họa 3D và các dữ liệu thuộc tính của đối tượng theo các nguyên tắc nhất
định.
a. Phương pháp Lidar
Giải pháp công nghệ quét laser đặt trên máy bay - Airborne Laser Scanning
(ALS) hay còn gọi là LIDAR phục vụ cho công tác nghiên cứu địa hình bắt đầu
vào những năm thập niên 90 của kỷ nguyên XX. Dữ liệu Lidar có thể thành lập
DTM với độ chính xác rất cao từ 0.15m – 0.50 m.

Cơ chế hoạt động của một hệ thống Lidar: thông thường bao gồm một máy

23


quet 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. Các giá trị tọa độ và độ cao chính xác đo được bằng thiết bị đạo hàng, góc
quay gương tức thời và các khoảng cách thu nhận được dùng để tính toán tọa độ
ba chiều của các điểm độ cao. 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 trong (INS) 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. Khi được tích hợp với máy ảnh số khổ 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.
Với khả năng thành lập cả mô hình số địa hình (DTM) lẫn mô hình số bề
mặt (DSM) công nghệ LIDAR đặc biệt tỏ ra hữu ích khi được ứng dụng tại các
vùng mà các phương pháp khác tỏ ra kém hiệu quả, chẳng hạn các vùng rừng,
vùng cửa sông, đụn cát, vùng đất ngập nước hay quản lý vùng bờ và đặc biệt là
có mức độ chi tiết cao để thực hiện xây dựng bản đồ 3D khu vực đô thị. Đặc
biệt trong trường hợp cần xây dựng mô hình đô thị trong một thời gian ngắn bao
gồm cả mô hình bề mặt mặt đất và cả mô hình nhà cửa với hình dạng chi tiết của
mái nhà (roof shape).

24

Hình 1.5 Mô hình 3D khu vực đô thị từ dữ liệu Lidar
Trong các ứng dụng dạng này, người ta thường kết hợp dữ liệu laser với
các tài liệu khác trong quá trình thành lập bản đồ 3D như: các dữ liệu GIS có sẵn
về khối nhà, ảnh hàng không và vệ tinh để có thể đạt được kết quả tốt nhất.
Thông thường, phương pháp Lidar được áp dụng đạt hiệu quả cao trong việc
thành lập bản đồ 3D tỷ lệ lớn cho các khu vưc đô thị.
b. Phương pháp đo vẽ trực tiếp thực địa
Phương pháp đo vẽ trực tiếp ngoài thực địa rất tốn kém về thời gian và kinh
phí, phương pháp này đòi hỏi rất nhiều công sức của con người. Để xây dựng
bản đồ 3D, người ta cần đo đạc trực tiếp ngoài thực địa các đối tượng địa hình,
địa vật, cây cối, đường dây, công trình xây dựng, giao thông như đối với bản đồ
2D truyền thống. Ngoài ra còn phải trực tiếp đo độ cao cho các đối tượng này để
tiến hành mô hình hóa ba chiều và gán các dữ liệu thuộc tính cho chúng. Trên
thực tế, vì đỏi hỏi quá nhiều thời gian và công sức nên người ta hầu như không
sử dụng phương pháp này để xây dựng bản đồ 3D mà chỉ áp dụng để xác định vị
trí và kích thước của một số đối tượng phục vụ cho công tác bổ trợ cho các
phương pháp khác.

25