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

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

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
Chuyên ngành: Bản đồ, viễn thám và Hệ thông tin địa lý
Mã số:60440214

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS Trần Anh Tuấn

Hà Nội –2014

2


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 chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công
trình nào khác.

Tác giả luận văn

Trương Xuân Quyền

3


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 tƣợng và phạm vi nghiên cứu của đề tài .............................................................. 10
4. Dữ liệu sử dụng ........................................................................................................... 10
5. Phƣơng pháp nghiên cứu ............................................................................................. 10
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài .................... Error! Bookmark not defined.
7. Cấu trúc của luận văn .................................................. Error! Bookmark not defined.
Chƣơng 1: TỔNG QUAN ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ LIDARTRONG THÀNH
LẬP BẢN ĐỒ 3D ................................................................ Error! Bookmark not defined.
1.1 Một số khái niệm cơ bản ........................................... Error! Bookmark not defined.

1.2 Cơ sở lý thuyết công nghệ Lidar ............................... Error! Bookmark not defined.
1.2.1 Cấu trúc hệ thống Lidar ..................................... Error! Bookmark not defined.
1.2.2 Nguyên lý hoạt động của Lidar ......................... Error! Bookmark not defined.
1.2.3. Cơ sở toán học xác định tọa độ của điểm Lidar Error! Bookmark not defined.
1.2.4. Độ chính xác xác định vị trí điểm Lidar ........... Error! Bookmark not defined.
1.2.5 Nguồn sai số do mô hình toán học xây dựng DEM.......... Error! Bookmark not
defined.
1.2.6 Nguồn sai số do mật độ điểm quét laser ............ Error! Bookmark not defined.
1.2.7 Nguồn sai số do mức độ phức tạp của địa hình . Error! Bookmark not defined.
1.3 Khả năng ứng dụng của công nghệ tích hợp LiDAR và máy ảnh số trong lĩnh vực
trắc địa bản đồ ................................................................. Error! Bookmark not defined.
1.3.1 Sự phụ thuộc của cƣờng độ phản hồi của tín hiệu Lidar vào lớp phủ mặt đất
.................................................................................... Error! Bookmark not defined.
1.3.2 Khả năng ứng dụng ảnh cƣờng độ phản hồi Lidar trong phân loại lớp phủ bề
mặt .............................................................................. Error! Bookmark not defined.
1.3.3 Khả năng ứng dụng của công nghệ tích hợp LiDAR và máy ảnh số trong lĩnh
vực trắc địa bản đồ...................................................... Error! Bookmark not defined.
1.4 Lịch sử ứng dụng Lidar trên thế giới và Việt nam .... Error! Bookmark not defined.
1.5 Các phƣơng pháp nghiên cứu thành lập bản đồ 3D .. Error! Bookmark not defined.
Chƣơng 2: PHƢƠNG PHÁP THÀNH LẬP BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH 3D TỪ DỮ LIỆU
LIDAR ................................................................................. Error! Bookmark not defined.
2.1

Dữ liệu sử dụng ..................................................... Error! Bookmark not defined.

2.1 Phƣơng pháp triết xuất thông tin lớp phủ bề mặt từ dữ liệu Lidar .................Error!
Bookmark not defined.

4

2.2.1 Lọc điểm và nắn ảnh trực giao .......................... Error! Bookmark not defined.
2.2.2 Lọc các đối tƣợng địa hình ................................ Error! Bookmark not defined.
2.2.3 Tái tạo mô hình mái nhà từ dữ liệu Lidar .......... Error! Bookmark not defined.
2.2.3 Tái tạo mô hình bề mặt tƣờng nhà ..................... Error! Bookmark not defined.
2.2.4 Dán ảnh bề mặt mái và tƣờng nhà ..................... Error! Bookmark not defined.
2.2.6 Phân tích và lựa chọn mức độ chi tiết cho các đối tƣợng hiển thị 3D ........Error!
Bookmark not defined.
Chƣơng 3: ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ LIDAR THÀNH LẬP BẢN ĐỒ 3D HUYỆN
THANH OAI, THÀNH PHỐ HÀ NỘI ............................... Error! Bookmark not defined.
3.1. Khái quát chung về khu vực thử nghiệm, hệ thống máy quét Lidar .................Error!
Bookmark not defined.
3.2. Bay quét và xử lý dữ liệu Lidar................................ Error! Bookmark not defined.
3.2.1. Công tác chuẩn bị ............................................. Error! Bookmark not defined.
3.2.2. Bay quét Lidar .................................................. Error! Bookmark not defined.
3.2.3. Xử lý dữ liệu Lidar ........................................... Error! Bookmark not defined.
3.3 Kết quả xử lý dữ liệu Lidar và triết tách thông tin 3D ............. Error! Bookmark not
defined.
3.3.1 Tách thông tin DSM và DTM từ đám mây điểm ............. Error! Bookmark not
defined.
3.3.2 Nắn ảnh trực giao .............................................. Error! Bookmark not defined.
3.3.3 Phủ ảnh trực giao trên nền mô hình số địa hình Error! Bookmark not defined.
3.3.5 Thể hiện các đối tƣợng khác trên bản đồ ........... Error! Bookmark not defined.
3.4 Thảo luận ................................................................... Error! Bookmark not defined.
3.4.1 Độ chính xác thành lập mô hình 3D từ dữ liệu Lidar ....... Error! Bookmark not
defined.
3.4.2 Khả năng ứng dụng Lidar trong quản lý dữ liệu đất đai 3D ... Error! Bookmark
not defined.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................. Error! Bookmark not defined.
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................... 11

5


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Mô hình DSM và DTM ........................................ Error! Bookmark not defined.
Hình 1.2 Cơ chế phát xung laser trong hệ thống quét Lidar Error! Bookmark not defined.
Hình 1.3 Mô hình hệ thống bay chụp Lidar ......................... Error! Bookmark not defined.
Hình 1.4 Dữ liệu Lidar trong một dải quét .......................... Error! Bookmark not defined.
Hình 1.5 Mức độ đâm xuyên và phản hồi của laser khi gặp các đối tƣợng ..................Error!
Bookmark not defined.
Hình 1.6: Đám mây điểm Lidar (a) Đám mây điểm của phản hồi đầu (b) Đám mây điểm
của phản hồi cuối ................................................................. Error! Bookmark not defined.
Hình 1.7 Cơ sở toán học xác định tọa độ điểm Lidar .......... Error! Bookmark not defined.
Hình 1.8 Vị trí hệ thống GPS, IMU, SBF (sensor) trên máy bay ....... Error! Bookmark not
defined.
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). ................................................................ Error! Bookmark not defined.
Hình 1.10: Chùm tia Laser và các xung phản hồi ................ Error! Bookmark not defined.
Hình 1.11 Mô hình số địa hình DEM/DTM ........................ Error! Bookmark not defined.
Hình 1.12 Hiển thị dữ liệu theo tầng độ cao ........................ Error! Bookmark not defined.
Hình 1.13 Mô hình số bề mặt DSM_FE và DSM_LE ......... Error! Bookmark not defined.
Hình 1.14 Nắn ảnh từ phép chiếu xuyên tâm về thẳng đứng .............. Error! Bookmark not
defined.
Hình 1.15 Xây dựng mô hình 3D (Sông Nhuệ – Hà Đông) Error! Bookmark not defined.
Hình 1.16: Mô hình 3D khu vực đô thị từ dữ liệu Lidar ..... Error! Bookmark not defined.
Hình 1.17: Mô hình 3D đƣợc xây dựng từ dữ liệu đo trực tiếp tại thực địa .................Error!
Bookmark not defined.
Hình 1.18: Bản đồ 3D thành lập từ phƣơng pháp ảnh hàng không .... Error! Bookmark not
defined.

Hình 1.19: Mô hình 3D thành lập từ bản đồ địa chính ........ Error! Bookmark not defined.
Hình 1.20: Mô hình 3D sử dụng ảnh viễn thám .................. Error! Bookmark not defined.
Hình 2.1: Quy trình công nghệ thành lập bản đồ 3D từ dữ liệu Lidar
Error!
Bookmark not defined.
Hình 2.2 Loại bỏ chênh cao giữa hai dải bay ...................... Error! Bookmark not defined.
Hình 2.3 Dữ liệu tập hợp điểm Lidar ................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 2.4 Bóc tách đối tƣợng địa vật để tạo DTM................ Error! Bookmark not defined.
Hình 2.5 Tham số địa hình trong pháp lọc DTM từ DSM... Error! Bookmark not defined.
Hình 2.6 Kết quả tạo mô hình số bề mặt (a) và mô hình số địa hình (b) .. Error! Bookmark
not defined.
Hình 2.7 Sơ đồ tách lọc đối tƣợng nhà ................................ Error! Bookmark not defined.
Hình 2.8 Đối tƣợng nhà sau khi đƣợc tách lọc .................... Error! Bookmark not defined.
Hình 2.9 Mô hình 3D đƣợc xây dựng bằng phần mềm Sketchup ...... Error! Bookmark not
defined.
Hình 2.10 Cấp độ chi tiết LoD đối với các đối tƣợng nhà, khối nhà .. Error! Bookmark not
defined.
Hình
3.1
Vị
trí
địa
lý
thị
trấn
Kim
Bài
……………………………………………Error! Bookmark not defined.

6

Hình 3.2 DSM tại khu vực nghiên cứu đƣợc nội suy từ đám mấy điểm Lidar .............Error!
Bookmark not defined.
Hình 3.3 DTM sau khi đƣợc bóc các đối tƣợng trên bề mặt. ............. Error! Bookmark not
defined.
Hình 3.4 Ảnh trực giao khu vực Thị trấn Kim lâm ............. Error! Bookmark not defined.
Hình 3.5 Ảnh vệ tinh thị trấn Kim Bài ................................ Error! Bookmark not defined.
Hình 3.6 Triết tách đối tƣợng nhà từ DSM và DTM ........... Error! Bookmark not defined.
Hình 3.7 Triết tách đối tƣợng cây độc lập và tập hợp khu vực có câyError! Bookmark not
defined.
Hình 3.8 Đối tƣợng nhà đƣợc chồng lên nền ảnh với basehight là DTM . Error! Bookmark
not defined.
Hình 3.9 Các khối nhà đƣợc thể hiện chi tiết bằng Sketchup ............ Error! Bookmark not
defined.
Hình 3.10 Mô hình nhà trên nền ảnh vệ tinh ....................... Error! Bookmark not defined.
Hình 3.11 Đối tƣợng cây độc lập ở tỷ lệ lớn thể hiện trên nền ảnh .... Error! Bookmark not
defined.

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 lƣơi 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.

7


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay, với biến đổi khí hậu, tai biến cũng ngày càng nhiều hay nhƣ 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, đƣa ra các biện pháp tốt hơn.Với công nghệ ngày càng phát triển đã
không ngừng cải thiện để có thể đƣa ra đƣợc 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 đƣa đến cho mọi ngƣời
xem, ngƣời nghiên cứu một cái nhìn trực quan hơn. Các loại bản đồ 3D có thể ứng
dụng trong các nghiên cứu ảnh hƣởng của môi trƣờng 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 phƣơng án tìm kiếm cứu hộ, cứu nạn, chỉ huy tham
mƣu 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 vƣợt 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 vƣợt 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 ƣu điểm so với bản đồ hai chiều (bản
đồ 2D), nó bao gồm nền mô hình số địa hình, các đối tƣợng địa hình và địa vật dạng
vector đƣợc gắn kết với các thuộc tính và đƣợc hiển thị trong không gian ba

8


chiều.Bản đồ 3D có thể đƣợc 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 đƣợc 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 ƣu nhất.
Ở Việt Nam, việc thành lập bản đồ địa hình 3D chủ yếu sử dụng ảnh máy
bay nhƣ 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 đƣợc 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 nhƣ “Building Extract - Lidar R&D
Program for NASA/ICREST Studies Project” (09/16/01) của NASA/ ICREST (tách
nhà- chƣơng 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 Thƣợng Hải,
Trung Quốc.
Với những ƣu 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 đƣợc 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 đƣợc mục tiêu của đề tài luận văn, các nội dung nghiên cứu sau
đƣợc 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.

9


- 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 20050'37,5” đến 21051'37,5” độ vĩ Bắc.
Từ 105045’37,5” đến 1050 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 đƣợc 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 phƣơng pháp
nghiên cứu chính sau đây:
- Phƣơng pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết, tài liệu: Tổng hợp các công
trình đã đƣợc công bố trên các thế giới và ở Việt Nam để nắm đƣợc 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.
- Phƣơng pháp bản đồ: đây là một trong các phƣơng pháp chính do mục tiêu
của đề tài là thành lập bản đồ 3D từ dữ liệu LIDAR cho khu vực thực nghiệm.
- Phƣơng pháp khảo sát và đo đạc ngoài thực địa: Để có thể thực hiện đƣợc
nhiệm vụ đánh giá đƣợc độ chính xác của kết quả, phƣơng pháp này là cần thiết.

10


TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tài liệu tiếng Anh
1. Armand, K. (1991). "Guarding the water environment with GIS. London: Taylor
and Francis."
2. Armin Gruen, S. K., L.Zang and D.Poli (2006). "3D City Modeling from Highresolution Satellite Images." International Archives of Photogrammetry, Remote
Sensing and Spatial Information Sciences, Vol 36, Part 1/W41.
3. Barretta, E. C., & Curtis, L. F. (1992). "Introduction to Environmental Remote
Sensing. 3rd Edition. London: Chapman & Hall."
4. ESRI (2013). ArcGIS for 3D cities: Introduction.
5. G. Prisestnall, J. J., and A. Duncan (2007). "Extraction of Urban Features from
Lidar Digital Surface Models." Computers, Environment $ Urban Systems, Vol.
24, pp.65-78.
6. H.Lin, H. T. J., L.P. Zhang (2008). "Fast reconstruction of three dimensional city
model bases on airborn Lidar." The International Archives of the

Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences,
vol.XXXVII, part B1, pp 453-457, Beijing
7. Hristo Stanchev, A. P., Margarita Stancheve (2009). "3D Gis Model for Flood
Risk Assessent of Varna Bay Due to Extreme Sea Level Rise." Journal of Coastal
Research, Special Issue 56, pp.1597-1601.
8. Lohani, B. (2008). "Airborne Altimetric LiDAR Tutorial: Principle, Data
collection, Processing and Applications."
9. Molenaar, M., A (2008). Formal Data Structure for Three Dimensional Vector
Maps. Proceedings, 4th International Symposium on Spatial Data handling,
Zỹrich, Vol 2, pp. 830-843.
10. Soininen, A. (2004). TerraScan User’s Guide, Terrasolid.
Tài liệu tiếng Việt
1. Lê Minh, H. N. L., Nguyễn Tuấn Anh (2007). Ứng dụng công nghệ lidar ở Việt
Nam, Trung tâm viễn thám.
2. Lộc, P. V. (2004). "Tự động hóa đo ảnh." Bài giảng cho NCS và HVCH, Đại học
Mỏ - Địa chất, Hà Nội.
3. Lƣơng Chính Kế (2009). "Thành lập DTM bằng công nghệ Lidar." Tạp chí Viễn
thám và địa tin học, Tr.20-27.
4. Quyên, T. X. (2007). Báo cáo kết quả ứng dụng hệ thống tích hợp ảnh số và
LIDAR Harrier56 tại Việt Nam, Công ty đo đạc ảnh địa hình, Hà nội.
5. VNCDC (2004). Nghiên cứu và thử nghiệm thành lập bản đồ địa hình 3D.

11