Ứng dụng thiết bị bay không người lái (UAV) trong giám sát tiến độ thi công công trình tuyến metro số 1 Bến Thành Suối Tiên

|ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------- oOo ---------

*

NGUYỄN HỮU NHẬT

ỨNG DỤNG THIẾT BỊ BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI (UAV)
TRONG GIÁM SÁT TIẾN ĐỘ THI CÔNG CÔNG TRÌNH
TUYẾN METRO BẾN THÀNH - SUỐI TIÊN

Chuyên ngành: Bản Đồ, Viễn Thám Và Hệ Thống Thông Tin Địa Lý
Mã số: 60 44 02 14

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2016


CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐHQG.HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Lê Trung Chơn
Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS. Vũ Xuân Cường
Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS. Phan Hiền Vũ
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM ngày
22 tháng 07 năm 2016
Thành phần Hội đồng đánh giả luận văn thạc sĩ gồm:
1. PGS.TS. Trần Trọng Đức - Chủ tịch Hội đồng
2. TS. Lê Thanh Hòa –Thư ký
3. TS. Vũ Xuân Cường - Phản biện 1

4. TS. Phan Hiền Vũ-Phản biện 2
5. TS. Trần Thị Vân-ủy viên

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi Luận văn đã được sửa chữa.
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA


ĐẠI HỌC QUÓC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHÚ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: NGUYỄN HỮU NHẬT

MSHV: 13100998

Ngày, tháng, năm sinh: 04-10-1980

Nơi sinh: Thừa Thiên - Huế

Chuyên ngành: Bản Đồ, Viễn Thám Và Hệ Thống Thông Tin Địa Lý.
Mã số: 60440214
I. TÊN ĐỀ TÀI: “ứng dụng thiết bị bay không người lái (UAV) trong giám sát tiến độ
thỉ cồng cồng trình tuyến Metro Bến Thành - Suối Tiên”.
II.

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1) Xây dựng quy trình vận hành và khai thác hệ thống UAV Falcon 8.
2) Xử lý ảnh sau khi bay chụp để tạo ra sản phẩm ảnh trực giao, mô hình DSM và xây
dựng hiển thị mô hình 3D.
3) Đánh giá độ chính xác mặt bằng của sản phẩm ảnh sau xử lý dụa vào các điểm
khống chế mặt đất
4) Đánh giá so sánh độ cao của mô hình DSM với dữ liệu LiDAR
5) Xây dựng chương trình hỗ trợ theo dõi tiến độ thi công công trình
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 11/01/2016
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 17/06/2016
V.

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS. Lê Trung Chơn
Tp. HCM, ngày 17 tháng 06 năm 2016.
CÁN Bộ HƯỚNG DẪN

(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM Bộ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

(Họ tên và chữ ký)


Luận Văn Thạc Sĩ

Lời Cám ơn
Để có được những kiến thức nhát định cho việc hoàn thành quyển Luận văn này, em
đã nhận được sụ đào tạo và giúp đỡ tận tình của quý Thầy, Cô thuộc Bộ môn Địa Tin Học,
Trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM trong suốt quá trình học tập vừa qua. Đó là những
kết quả quý giá và trân trọng. Thông qua quyển Luận văn này, em xỉn chân thành cám ơn
quý Thầy, Cô trong Bộ môn Địa Tin Học, đã truyền đạt kiến thức và kinh nghiệm cho em
trong suốt thời gian học tập tại trường.
Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến PGS.TS. Lê Trung Chơn, người thầy đã
tận tình giảng dạy, giúp đỡ và hướng dẫn trực tiếp em thực hiện quyển Luận văn này.
Em cũng xin chân thành cám ơn PGS.TS. Trần Trọng Đức, người đã có những góp
ý chuyên môn cho Luận văn trong đợt báo cáo tiến độ thực hiện Luận văn.
Đặc biệt, em xin gửi lời cám ơn chân thành đến PGS.TS. Lê Văn Trung, Giám đốc
Trung tâm Địa Tin Học - Đại học Quốc Gia Tp.HCM, cơ quan nơi em công tác, đã tạo mọi
điều kiện tốt nhất về cơ sở vật chất, trang thiết bị cho em theo đuổi quá trình học tập,
nghiên cứu và thực hiện quyển Luận văn này.
Xin cám ơn cảc anh, chị, em đồng nghiệp ở Trung tâm Địa Tin Học đã cùng đồng
hành và nhiệt tình giúp đỡ trong suốt thời gian vừa qua.
Cuối cùng, con xin tỏ lòng biết ơn đến Ba, Mẹ và những người thân trong gia đình
đã động viên, giúp đỡ trong suốt thời gian qua, tạo mọi điều kiện tốt nhất đề con có thề tập
trung học tập, nghiên cứu và thực hiện thành công quyển Luận văn này.
Xỉn kính dâng lên quý Thầy, Cô, Ba, Mẹ và người thân kết quả nghiên cứu này thay
cho lời cám ơn chân thành nhất./.

HVTH; NGUYỄN HỮU NHẬT
MSHV: 13100998

CBHD: PGS.TS. LÊ TRUNG CHƠN

Luận Văn Thạc Sĩ
TÓM TẮT
UAV là thiết bị bay không người lái. Do đó ứng dụng UAV trong không ảnh được
xem là một công nghệ mới trong chụp ảnh hàng không, ứng dụng UAV trong trắc địa ảnh
mở ra nhiều ứng dụng mới ửong các lĩnh vực khác nhau, với chi phí thấp, là giải pháp có
thể thay thế cho phương pháp trắc địa ảnh truyền thống.
Luận văn được thực hiện với đề tài: “Ứng dụng thiết bị bay không người lái (UAV)
trong giám sát tiến độ thi công công trình tuyến Metro Bến Thành - Suối Tiên”.
Luận văn trình bày một giải pháp mới trong việc giám sát tiến độ thi công công trình
của dự án đường sắt đô thị TP.HCM bằng cách sử dụng hệ thống UAV thu nhận ảnh độ
phân giải cao trong các giai đoạn khác nhau của dự án. Với hệ thống UAV AscTec Falcon
8 có thể hoạt động linh hoạt và đạt hiệu quả cao trong việc chụp ảnh bề mặt đất với độ cao
bay thấp. Ngoài ra, sử dụng phần mềm Pix4Dmapper để xử lý ảnh tạo ra các sản phẩm
như: ảnh trực giao, mô hình DSM, mô hình 3D dựa trên độ phủ của các tờ ảnh. Các điểm
khống chế mặt đất GCPs và dữ liệu GIS được sử dụng để so sánh, đánh giá độ chính xác
đạt được của giải pháp ứng dụng UAV. Thuật toán biến đổi Helmert được sử dụng để cải
thiện độ chính xác cho sản phẩm ảnh trực giao.
Nghiên cứu này cho thấy tính khả thi của việc ứng dụng hệ thống UAV trong việc
chụp không ảnh có độ phân giải cao và đưa ra kỹ thuật mới cho việc giám sát tiến độ thi
công công trình theo thời gian.

HVTH: NGUYỄN HỮU NHẬT
MSHV: 13100998

CBHD: PGS.TS. LÊ TRUNG CHƠN


Luận Văn Thạc Sĩ

ABSTRACT

UAVs are unmanned aerial vehicles. Hence, UAV photogrammetry can be
understood as a new technology for capture aerial images. UAV photogrammetry opens
various new applications in the difference domains, but also introduces low- cost
alternatives to the classical manned aerial photogrammtery.
This thesis deals with the task: “Using Unmanned Aerial Vehicles (UA V) for
mornitoring the construction progress of Metro Ben Thanh - Suoi Tien project”
This thesis describes a new approach for monitoring construction progress of the
Urban Railway Construction Project by using Unmanned Aerial Vehicles (UAV) to
capture high resolution imagery at different stages of the project. The advantage of the
UAV AscTec Falcon 8 systems lies in their high flexibility and efficiency in capturing the
surface of an area from a low flight altitude. In addition, Pix4Dmapper image processing
software can permit to create ortho-images, DSM model and 3D model based upon
overlapped images. The Ground Control Points (GCPs) and GIS data were used to
compare the achieved accuracy of UAV method. The Helmert transformation algorithm
were used to to improve accuracy for the ortho-images.
This study shows the feasibility of using an UAV system for acquiring the high
resolution aerial images and the new opportunities for momitoring the construction
progress over time.
LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nghiên cứu nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được
ai công bố ửong bất kỳ công trình nào khác.

Tác giả Luận vãn
Học viên

HVTH: NGUYỄN HỮU NHẬT
MSHV: 13100998

CBHD: PGS.TS. LÊ TRUNG CHƠN

Luận Văn Thạc Sĩ
NGUYỄN HỮU NHẬT

MỤC LỤC
BẢNG VIẾT TẮT ............................................................................................... I
DANH MỤC HÌNH .......................................................................................... II
DANH MỤC BẢNG.......................................................................................... V
PHẦN MỞ ĐẦU................................................................................................. 1
1.

SỰ CẰN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI ......................................................................................... 1

2.

MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU .............................................................................................. 3

3.

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .............................................................................................. 3

4.

ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU.................................................................. 4

5.

Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN ...................................................................... 5

CHƯƠNG 1 ........................................................................................................ 7
TỔNG QUAN ..................................................................................................... 7
1.1

TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC .............. 7

1.1.1 Tĩnh hĩnh nghiên cứu ở ngoài nước ................................................. 7
1.1.2 Tĩnh hĩnh nghiên cứu trong nước................................................... 10
1.1.3 Kết luận .......................................................................................... 12
1.2
1.3

GIỚI THIỆU MỘT SỐ HỆ THỐNG UAV ỨNG DỤNG TRONG KHÔNG ẢNH..

CƠ SỞ PHÁP LÝ CHO ỨNG DỤNG UAV Ở VIỆT NAM ........................................ 15

1.3.1 Thành phần hồ sơ cấp giấy phép

bay ......................................... 15

1.3.2 Trình tự thực hiện cap giấy phép ................................................... 16
1.3.3 Thấm quyền cap phép hoạt động bay............................................. 16
1.3.4 Thời hạn cap giấy phép hoạt động................................................. 16
1.4

TỐNG QUAN DỰ ÁN ĐƯỜNG SẮT ĐÔ THỊ TP.HCM [1] ............................. 17

1.4.1 Quy hoạch phát triển dự án đường sắt đô thị TP.HCM................. 17
1.4.2 Giới thiệu tuyến metro so 1 Ben Thành - Suối Tiên ....................... 19

HVTH: NGUYỄN HỮU NHẬT
MSHV: 13100998

CBHD: PGS.TS. LÊ TRUNG CHƠN

13


Luận Vẳn Thạc Sĩ
CHƯƠNG 2 ...................................................................................................... 21
XÂY DỰNG QUY TRÌNH VẬN HÀNH VÀ KHAI THÁC HỆ THỐNG
UAV FALCON 8 .............................................................................................. 21
2.1

CƠ SỞ LÝ THUYẾT ...................................................................................................... 21

2.1.1 Mối quan hệ giữa độ cao bay, tiêu cự và độ phân giải không gian.
....................................................................................................... 21
2.1.2 Mối quan hệ giữa độ cao bay, tỉ lệ ảnh và độ phủ giữa các tờ ảnh.
........................................................................................................ 23
2.1.2.1 ......................................................................................... Tính
khoảng cách giữa các điểm waypoints ...................................................24
2.1.2.2 ......................................................................................... Tính
thời gian cho một chuyến bay.................................................................27
2.2

GIỚI THIỆU HỆ THỐNG UAV FALCON 8

[14] ..................................... 28

2.2.1 Thông sổ kỹ thuật của UAVFalcon 8..............................................28
2.3

XÂY DỰNG QUY TRÌNH VẬN HÀNH VÀ KHAI THÁC UAV FALCON 8...

30

2.3.1 Sơ đồ quy trình vận hành UAVFalcon 8 ........................................ 30
2.3.2 Mô tả chi tiết các bước của quy trình .......................................... 30
2.3.2.1

Khảo sát thực địa .................................................................... 30

2.3.2.2

Thiết kế tuyến bay .................................................................. 31

2.3.2.3

Kiểm tra hệ thống ................................................................... 32

2.3.2.4

Tiến hành bay chụp ................................................................ 32

2.3.2.5

Kết thúc phi vụ bay ................................................................ 33

2.3.2.6

2.4

Xử lý ảnh ................................................................................ 33

2.3.2.7

Kiểm tta kết quả ..................................................................... 33

2.3.2.8

Sản phẩm ................................................................................ 33

BAY CHỤP THỰC ĐỊA TUYẾN METRO SÓ 1............................................. 34

2.4.1 Yêu cầu ........................................................................................... 34
2.4.2 số liệu thiết kế tuyến bay ................................................................ 34
2.4.3 Tiến độ bay chụp thực tế. ...............................................................35
2.4.1 Thiết kế vùng không gian bay chụp ................................................36

HVTH: NGUYỄN HỮU NHẬT
MSHV: 13100998

CBHD: PGS.TS. LÊ TRUNG CHƠN


Luận Vẳn Thạc Sĩ
CHƯƠNG 3 ..................................................................................................... 38
XỬ LÝ ẢNH BẰNG PHẦN MỀM PIX4DMAPPER .................................. 38
3.1

YÊU CẰU CHUNG VỀ XỬ LÝ ẢNH ...........................................................................38

3.2

GIỚI THIỆU PHẰN MỀM PIX4DMAPPER [15] .......................................... 39

3.2.1 Dữ liệu đầu vào cho Pix4Dmapper ................................................ 39
3.2.2 Chức năng xử lý ảnh....................................................................... 41
3.2.3 Yêu cầu cấu hình cài đặt Pix4Dmapper ......................................... 42
3.3

QUY TRÌNH XỬ LÝ ẢNH CHỤP BẰNG CÔNG NGHỆ UAV ................................. 43

3.3.1 Dữ liệu ảnh bay chụp ..................................................................... 44
3.3.2 Kiểm tra kết quả quá trình bay chụp và chất lượng ảnh chụp ...... 44
3.3.3 Xác định các yếu tố định hướng ngoài của từng tấm ảnh ............. 45
3.3.4 Tạo dữ liệu đầu vào cho quá trình xử lý ........................................ 47
3.3.5 Xử lý ảnh bằng phần mềm Pix4Dmapper....................................... 48
3.3.6 Kiểm tra sản phẩm sau xử lý .......................................................... 49
3.3.7 ............................................................................................... Đóng
gói sản phẩm ............................................................................................. 50
CHƯƠNG 4 ..................................................................................................... 51
PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ..................................................... 51
4.1

CƠ SỞ ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC .......................................................................... 51

4.1.1 Xác định các điểm khổng chế mặt đẩt ........................................... 51
4.1.2 Xác định tọa độ của các điểm khổng chế mặt đẩt trên ảnh trực

giao ............................................................................................................ 52
4.1.3 Công thức Gauss [17] .................................................................... 54
4.1.4 Giới thiệu thuật toán biến đối Helmert [19] .................................. 54
4.1.5 Các phương ản đảnh giả độ chính xác ........................................... 58
4.2

ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC MẶT BẰNG ................................................................. 59

4.2.1 Ảnh xử lý bằng Pix4Dmapper không sử dụng điểm GCP ............. 59
4.2.2 Ảnh xử lý bằng Pix4Dmapper cố sử dụng điểm GCP ................... 61
4.2.3 Sử dụng thuật toán biến đối Helmert ............................................. 62

HVTH: NGUYỄN HỮU NHẬT
MSHV: 13100998

CBHD: PGS.TS. LÊ TRUNG CHƠN


Luận Vẳn Thạc Sĩ

4.2.3.1 ..........................................................................................
Chuyển đổi kinh tuyến trung ương và múi chiếu .................................. 62
4.2.3.2 .......................................................................................... Chọn
điểm trùng cho thuật toán Helmert ........................................................ 63
4.2.3.3

Tìm bộ tham số chuyển đổi..................................................... 64

4.2.3.4

Đánh giá độ chính xác của ảnh trực giao khi sử dụng thuật

toán Helmert ........................................................................................... 68
4.2.4 Biểu diễn độ lệch của điểm khống chế trên ảnh so với thực địa.. 69
4.3

ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC VỀ ĐỘ CAO ............................................................... 71

4.3.1 Dữ liệu đầu vào .............................................................................. 71
4.3.2 Xử lý dữ liệu ................................................................................... 72
4.3.3 Đánh giá so sánh giá trị độ cao ..................................................... 73
4.3.3.1

So sánh độ cao LiDAR với độ cao toàn đạc ........................... 73

4.3.3.2

So sánh độ cao của mô hình DSM với độ cao toàn đạc .......... 75

4.3.3.3

So sánh độ cao của mô hình DSM với độ cao LiDAR ........... 76

CHƯƠNG 5 ...................................................................................................... 79
XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH THEO DÕI TIẾN ĐỘ THI CÔNG
CÔNG TRÌNH TUYẾN METRO BẾN THÀNH - SUỐI TIÊN ................. 79
5.1
5.2

MỤC ĐÍCH - YÊU CẲU ................................................................................................ 79

XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU .....................................................................................79

5.2.1 ............................................................................................... Cơ sở
dữ liệu dạng raster .................................................................................... 80
5.2.2 Cơ sở dữ liệu dạng vector. ............................................................ 80
5.2.2.1 .......................................................................................... Thiết
kế cấu trúc dữ liệu .................................................................................. 80
5.2.2.2 ..........................................................................................
Chuyển đổi dịnh dạng dữ liệu ................................................................ 83
5.3

XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ................................................................................... 83

5.3.1 Giới thiệu chương trình .................................................................. 83
5.3.2 Cẩu trúc chương trình .................................................................... 84
5.3.3 Các chức năng chinh của chương trình ......................................... 86

HVTH: NGUYỄN HỮU NHẬT
MSHV: 13100998

CBHD: PGS.TS. LÊ TRUNG CHƠN


Luận Vẳn Thạc Sĩ

5.3.3.1

Tắt/hiển thị dữ liệu không ảnh theo thời gian ......................... 86

5.3.3.2 .......................................................................................... Chức
năng tìm kiếm ........................................................................................ 86
5.3.3.3 .......................................................................................... Chức
năng cập nhật ......................................................................................... 88
CHƯƠNG 6 ...................................................................................................... 90
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ......................................................................... 90
6.1

KẾT LUẬN ...................................................................................................................... 90

6.2

KIẾN NGHỊ ..................................................................................................................... 91

6.3

HƯỚNG MỞ RỘNG CỦA ĐỀ TÀI............................................................................... 91

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ......................................... 92
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................ 93
PHỤ LỤC 1....................................................................................................... 95
GIỚI THIỆU HỆ THỐNG UAV FALCON 8 VÀ LẬP KẾ HOẠCH BAY 95
PHỤ LỤC 2..................................................................................................... 103
XỬ LÝ TẠO ẢNH TRỰC GIAO BÀNG PHẦN MÈM PIX4DMAPPER 103
PHẰN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG .............................................................. 111

HVTH: NGUYỄN HỮU NHẬT
MSHV: 13100998

CBHD: PGS.TS. LÊ TRUNG CHƠN

Luận Vẳn Thạc Sĩ

I
BẢNG VIẾT TẮT

stt

Diễn giải

Chữ viết tắt

1

CSDL

Cơ sở dữ liệu

2

DSM

Digital Surface Model

3

DTM

Digital Terrain Model

4

ĐHQG.HCM

Đại học Quốc gia TP.HCM

5
6

GCP
GIS

Ground Control Points
Geographic Information System

7

GPS

Global Positioning System

8

IMU

Inertial Measurement Unit

9

10

JICA
MGS

Japan International Cooperation Agency
Mobile Ground Station

11

MTP

Manual Tie Point

12

NIR

Near - Infrared

13

RGB

Red Green Blue

14

scc

Sumitomo - Cienco 6 Consortium

15

UAV

Unmanned Aerial Vehicle

HVTH: NGUYỄN HỮU NHẬT
MSHV: 13100998

CBHD: PGS.TS. LÊ TRUNG CHƠN


Luận Vẳn Thạc Sĩ

II
DANH MỤC HÌNH

Hĩnh 1.1 Khu vực nghiên cứu và các điểm GCP (dấu + màu đỏ) ................................ 8
Hĩnh 1.2 Biểu diễn mối quan hệ giữa độ chính xác của ảnh sau xử lỷ và độ phân
giải của ảnh chụp [8].................................................................................................... 9
Hình 1.3 Ảnh trực giao khu dân cư Nunspeet (Hà Lan) ............................................... 9
Hình 1.4 Hệ thống UAV Swinglet CAM...................................................................... 10
Hình 1.5 Sản phẩm ảnh của khu vực ga bảo trì (Depot) ............................................12
Hĩnh 1.6 Sản phẩm ảnh của tuyến trên cao ................................................................12
Hình 1.7 UAV trực thăng - Helicopter ....................................................................... 14
Hình 1.8 UAV nhiều động cơ -Mmulti rotor. .............................................................. 14
Hĩnh 1.9 UAV cánh bằng - Fixwing [9] ..................................................................... 15
Hình 1.10 Mô hình hệ thống metro TP.HCM ............................................................. 17

Hình 1.11 Sơ đồ các tuyến metro TP.HCM ................................................................ 19
Hĩnh 1.12 Biểu đồ thể hiện vốn đầu tư .......................................................................20
Hĩnh 1.13 Một đoạn trên cao của tuyến metro số 1 ................................................... 20
Hĩnh 2.1 Ảnh hưởng của độ cao bay và tiêu cự đến vùng thu ảnh [15] ..................... 22
Hĩnh 2.2 Ảnh hưởng của độ cao bay và tỉ lệ ảnh đến độ phủ giữa các ảnh [15] ....24 Hĩnh
2.3 Vùng phủ của ảnh khi chiều rộng của cảm biến vuông góc với hướng bay ........25
Hình 2.4 Vùng phủ của ảnh khi chiều rộng của cảm biến song song với hướng bay 26
Hĩnh 2.5 Tính thời gian bay giữa 2 waypoints ........................................................... 27
Hình 2.6 Hệ thống UAVFalcon 8................................................................................ 28
Hình 2.7 Sơ đồ quy trình vận hành UAV Falcon 8 ..................................................... 30
Hình 2.8 Điểm khổng chế ngoài thực địa và trên ảnh chụp ....................................... 31
Hình 2.9 Các điểm waypoints khu vực ga bảo trì (Depot) - tuyến metro sổ 1 ........... 34
Hình 2.10 Xác định khu vực bay chụp cho các chuyến bay ở khu Depot ................... 36
Hình 2.11 Xác định khu vực bay chụp cho các chuyến bay thuộc tuyến trên cao.... 37
Hình 3.1 Giao diện chính của phần mềm Pix4Dmapper ............................................ 39
Hình 3.2 Sơ đồ quy trình xử lý ảnh ............................................................................. 43
Hình 3.3 Ảnh đơn thu được sau quá trình bay chụp ................................................... 44

HVTH: NGUYỄN HỮU NHẬT
MSHV: 13100998

CBHD: PGS.TS. LÊ TRUNG CHƠN


Luận Vẳn Thạc Sĩ

III

Hĩnh 3.4 Các yếu tố định hướng ngoài của ảnh [17] ................................................. 46
Hình 3.5 Ba góc xoay của ảnh theo ba trục tọa độ .................................................... 47

Hĩnh 3.6 Dữ liệu ảnh và giá trị các yểu tố định hướng ngoài .................................... 47
Hình 3.7 Sản phắm ảnh trực giao và mô hình DSM ................................................... 48
Hình 3.8 Ảnh trực giao, mô hình DSM và mô hình 3D khu vực Trạm 2 .................... 49
Hĩnh 4.1 Phân bố các điểm khống chế trên Depot ..................................................... 51
Hĩnh 4.2 Nhận biết các điểm khống chế trên ảnh ....................................................... 52
Hình 4.3 Xác định tọa độ của các điểm khổng chế trên ảnh trực giao ...................... 53
Hình 4.4 Quan hệ giữa 2 hệ tọa độ trong thuật toán Helmert ................................... 55
Hình 4.5 Sơ đồ đánh giá độ chính xác ảnh trực giao theo 3 phương án .................... 59
Hĩnh 4.6 Chuyển đổi múi chiểu và kinh tuyến trung ương bằng GeoTools ................ 62
Hĩnh 4.7 Kết quả chuyển đổi múi chiểu và kinh tuyến trung ương ............................ 63
Hĩnh 4.8 Biểu đồ biểu diễn độ lệch tọa độ trên ảnh so với thực địa .......................... 70
Hĩnh 4.9 Ảnh trực giao và dữ liệu điểm khu vực Trạm 2 ........................................... 73
Hĩnh 4.10 Kết quả thống kê giá trị chênh cao giữa LiDAR và toàn đạc .................... 74
Hĩnh 4.11 Kết quả thống kê giá trị chênh cao mô

hình DSM và toàn đạc ............. 75

Hình 4.12 Kết quả thống kê giá trị chênh cao mô

hình DSM và LiDAR ................ 77

Hình 4.13 Mô hình 3D từ dữ liệu UAV và LiDAR ...................................................... 78
Hình 5.1 CSDL raster ................................................................................................. 80
Hình 5.2 Dữ liệu ảnh trực giao tuyến trên cao ........................................................... 80
Hình 5.3 Cẩu trúc không gian dữ liệu geodatabase ................................................... 81
Hình 5.4 Cấu trúc lưu trữ dữ liệu không gian theogeodatabase ................................ 83
Hình 5.5 Sơ đồ cẩu trúc chương trình ....................................................................... 84
Hình 5.6 Giao diện chính của chương trình .............................................................. 85
Hình 5.7 Hiển thị không ảnh theo thời gian ............................................................... 86
Hình 5.8 Các chức năng tìm kiếm ............................................................................... 86

Hĩnh 5.9 Tìm trụ theo tên trụ ...................................................................................... 87
Hình 5.10 Tìm trụ theo lý trình ................................................................................... 87
Hĩnh 5.11 Tìm kiểm trụ theo nhà thầu thi công .......................................................... 88
Hĩnh 5.12 Tìm kiểm trụ theo viaduct .......................................................................... 88

HVTH: NGUYỄN HỮU NHẬT
MSHV: 13100998

CBHD: PGS.TS. LÊ TRUNG CHƠN


Luận Vẳn Thạc Sĩ

IV

Hình 5.13 Cập nhật thuộc tính cho trụ ....................................................................... 89
Hình 5.14 Cập nhật thông tin nhà thầu ...................................................................... 89

HVTH: NGUYỄN HỮU NHẬT
MSHV: 13100998

CBHD: PGS.TS. LÊ TRUNG CHƠN


Luận Vẳn Thạc Sĩ

V

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Danh sách các depot của dự án metro ......................................................... 18
Bảng 2.1 Thông số thiết kế tuyển bay cho khu vực Depot. .......................................... 34
Bảng 2.2 Thông số thiết kế tuyển bay cho tuyến trên cao: .......................................... 35
Bảng 2.3 Thời gian và số lượng bay chụp thực tế cho công trình tuyến Metro số 135
Bảng 3.1 Dữ liệu nhập cho một phiên xử lý bằng Pix4Dmapper................................ 40
Bảng 3.2 Các tinh năng xử lý ảnh của Pix4Dmapper. ................................................ 41
Bảng 3.3 Giá trị các yểu tố định hướng ngoài của tờ ảnh .......................................... 46
Bảng 4.1 Tọa độ toàn đạc của điểm khổng chế mặt đẩt trên khu Depot .................... 52
Bảng 4.2 Tọa độ của các điểm khổng chế trên ảnh trực giao ..................................... 53
Bảng 4.3 Đánh giá độ chính xác mặt bằng khi không sử dụng GCP .......................... 60
Bảng 4.4 Đánh giá độ chính xác mặt bằng có sử dụng GCP...................................... 61
Bảng 4.5 Giá trị tọa độ của 10 điểm trùng ngoài thực địa và trên ảnh ...................... 64
Bảng 4.6 Kết quả tính chuyển tọa độ các điểm khổng chế theo Helmert .................... 67
Bảng 4.7 Kết quả tính toán sai số trung phương đơn vị trọng số p ........................... 68
Bảng 4.8 Kết quả đảnh giả độ chính xác khi sử dụng thuật toán Helmert ................ 69
Bảng 4.9 Giá trị độ lệch tọa độ AS của 15 điểm khổng chế. ....................................... 69
Bảng 4.10 Kết quả so sảnh độ cao LiDAR với độ cao toàn đạc ................................. 74
Bảng 4.11 Kết quả so sảnh độ cao mô hình DSM với độ cao toàn đạc ...................... 75
Bảng 4.12 Kết quả so sảnh độ cao mô hình DSM với độ cao LiDAR ......................... 76
Bảng 5.1 Mô tả các đoi tượng trong cấu trúc geodatabase ........................................ 81
Bảng 5.2 Cấu trúc thuộc tính lớp TramDung.............................................................. 82
Bảng 5.3 Cấu trúc thuộc tính lớp TRU........................................................................ 82
Bảng 5.4 Cấu trúc thuộc tính lớp Km_100.................................................................. 82

HVTH: NGUYỄN HỮU NHẬT
MSHV: 13100998

CBHD: PGS.TS. LÊ TRUNG CHƠN

Luận Vẳn Thạc Sĩ

1
PHẦN MỞ ĐẦU

1. Sự cần thiết của đề tài
Để quan sát một khu vực của bề mặt trái đất, trong các hoạt động giám sát, người
ta có thể sử dụng ảnh vệ tinh hay ảnh hàng không (bay chụp bằng máy bay có người lái),
tuy nhiên hiệu quả của phương pháp này không cao khi áp dụng cho khu vực nhỏ hẹp,
vì chi phí cho một lần bay lớn, độ chính xác và độ phân giải không gian thấp, ửong khi
phạm vi khu vực cần quan sát nhỏ hẹp và cần độ chính xác, độ phân giải không gian
cao.
Với hệ thống ƯAV (thiết bị bay không người lái) có thể bay chụp ở độ cao tối đa
đến 300m, hình ảnh thu rõ nét, tạo ra sản phẩm bình đồ ảnh trực giao có độ chính xác
và độ phân giải không gian cao, trong khi chi phí bay thấp. Mặt khác hệ thống nhỏ gọn,
hoạt động ổn định và linh hoạt kể cả ửong khu vực nhỏ hẹp. Do đó ứng dụng hệ thống
ƯAV trong hoạt động giám sát tiến độ thi công công trình, giám sát rừng, giám sát sông,
kênh rạch,... cho phạm vi nhỏ là giải pháp tối ưu.
Nguồn: />Heiglíi

#00 km
500 km

Aiiplane

-ALOSTRISM. PAL-5AR
- TeftiASnjl

1000 UI

30thn

. ■ **-

teílí raiíl
râ? ramiFf?
- Dkit.-I camvra
Mti - Near IR ctrnera Ị - Tberwa] ER

150 m
Lũm
■ 100 CUI

5-100 cm
spaiial lesúlLtioti

Hình 1. Biểu diễn mối tương quan giữa độ cao bay và độ phân giải không gian
của các hệ thong bay chụp

HVTH: NGUYỄN HỮU NHẬT
MSHV: 13100998

CBHD: PGS.TS. LÊ TRUNG CHƠN


Luận Vẳn Thạc Sĩ

2

Dự án tuyến meửo số 1 Bến Thành - Suối Tiên TP.HCM, với ga bảo trì (Depot)

có diện tích 27,7 ha, toàn bộ tuyến trên cao dài 17,1 km và tuyến ngầm dài 2,6km [1],
Toàn bộ công trình có nhiều hạng mục khác nhau với nhiều đơn vị thi công khác nhau.
Vì vậy một vấn đề đã được chủ đầu tư và nhà thầu chính đặt ra là làm thế nào để theo
dõi và giám sát tiến độ thi công công trình của từng hạng mục của từng đơn vị thi công
và của cả dự án một cách trực quan và bao quát theo thời gian bằng không ảnh có độ
phân giải cao dưới 5cm, độ phủ ngang của ảnh theo chiều dài tuyến là 80m. Đồng thời
tạo công cụ hỗ trợ quản lý và khai thác dữ liệu không ảnh, cung cấp nhanh chóng và
chính xác thông tin, hình ảnh theo yêu cầu.
Trước các yêu cầu của nhà thầu chính, trong khi khu vực có tuyến metro số 1 đi
qua là khu vực đô thị, đông dân cư và phương tiện giao thông đông đúc thì việc ứng
dụng hệ thống máy bay có người lái để bay chụp không ảnh là không khả thi và ứng
dụng các ƯAV cần đường băng để cất/hạ cánh là không hiệu quả và khó thực hiện. Từ
điều kiện và nhu cầu thực tế đó, được nhà thầu chính (SCC) đặt hàng trực tiếp, Trung
tâm Địa Tin Học - ĐHQG.HCM (nơi học viên hiện đang công tác) đã ứng dụng hệ thống
UAV Falcon 8 để bay chụp không ảnh từ độ cao 100m, với độ phân giải không gian đạt
dưới 3cm cho ga bảo trì có diện tích 27,7 ha và toàn bộ tuyến trên cao dài 17,1 km với
độ phủ ngang dọc tuyến là 120m đã đáp ứng được yêu cầu của chủ đầu tư và nhà thầu
chính đặt ra.
Học viên với vai trò là người thực hiện chính cho việc chụp không ảnh bằng UAV
và tham gia xử lý ảnh cho toàn bộ dự án tuyến metro so 1, ghi nhận trong quá trình thực
hiện vẫn còn nhiều vấn đề cần làm rõ thêm như: độ chính xác vị trí của các đối tượng
trên ảnh sau xử lý, độ phân giải không gian thay đổi khi độ cao bay thay đổi, đánh giá
so sánh với sản phẩm của công nghệ LiDAR,... để từ đó có thể mở rộng ứng dụng hệ
thống UAV cho các lĩnh vực khác với các mục đích khác nhau.
Nhằm tiếp tục phát triển mở rộng việc ứng dụng UAV trong các lĩnh vực khác,
việc nghiên cứu để đưa ra những đánh giá so sánh có cơ sở khoa học là điều cần thiết,
để từ đó vận hành hệ thống UAV trong hoạt động thực tiễn đảm bảo được sự
an toàn và đạt hiệu quả cao, cũng như việc xử lý ảnh sau khi bay chụp đạt được độ chính

HVTH: NGUYỄN HỮU NHẬT

MSHV: 13100998

CBHD: PGS.TS. LÊ TRUNG CHƠN


Luận Vẳn Thạc Sĩ

3

xác tốt nhất.
Với điều kiện và thực tế đó, luận văn được thực hiện với đề tài: “Ứng dụng thiết
bị bay không người lái (UAV) trong giám sát tiến độ thỉ cồng cồng trình tuyến metro
Bến Thành - Suối Tiên”. Đề tài là một ứng dụng mới cần được nghiên cứu và phát triển
mở rộng trong tương lai với nhiều ứng dụng khác nhau cho nhiều lĩnh vực. Kết quả đạt
được giúp làm chủ công nghệ mới ửong việc tạo ảnh độ phân giải cao, đa thời gian nhằm
cung cấp nhanh thông tin hỗ ửự công tác quản lý, theo dõi và giám sát cho các mục đích
khác nhau, góp phần phát triển kinh tế-xã hội.
2.

Mục tiêu nghiên cứu
*- Mục tiêu tổng quát: ứng dụng thiết bị bay không người lái (ƯAV) ửong giám
sát tiến độ thi công công trình tuyến metro Ben Thành - Suối Tiên.
4- Mục tiêu cụ thể:
-

Xây dựng quy trình vận hành và khai thác hệ thống ƯAV ửong việc chụp
không ảnh phục vụ giám sát tiến độ thi công công trình tuyến Meửo.

-

Xử lý ảnh sau bay chụp.

-

Đánh giá độ chính xác mặt bằng và độ cao của sản phẩm sau xử lý.

-

Đánh giá so sánh các sản phẩm ảnh sau xử lý từ hệ thống UAV với dữ
liệu LiDAR của cùng khu vực và cùng thời điểm.

-

Xây dựng phần mềm theo dõi tiến độ thi công công trình tuyến mctro so
1 dựa vào ảnh đã xử lý.

3.

Nội dung nghiên cứu

1) Xây dựng quy trình vận hành và khai thác hệ thống UAV Falcon 8.
2) Sử dụng phần mềm Pix4Dmapper xử lý ảnh sau khi bay chụp để tạo ra sản phẩm
ảnh trực giao, mô hình DSM và xây dựng hiển thị mô hình 3D. Trong quá trình xử
lý có sử dụng các điểm khống chế mặt đất (GCPs) và thuật toán nắn chỉnh ảnh trực
giao để tăng độ chính xác cho sản phẩm.
3) Đánh giá độ chính xác mặt bằng của sản phẩm sau xử lý. Sử dụng các điểm khống
chế hạng 4 và cấp đường chuyền được bố trí dọc 2 bên tuyến metro để làm cơ sở

HVTH: NGUYỄN HỮU NHẬT
MSHV: 13100998

CBHD: PGS.TS. LÊ TRUNG CHƠN


Luận Vẳn Thạc Sĩ

4

đánh giá độ chính xác mặt bằng của sản phẩm ảnh sau xử lý.
4) Đánh giá so sánh các sản phẩm ảnh sau xử lý từ hệ thống ƯAV Falcon 8 khi bay
chụp từ độ cao 100m với dữ liệu LiDAR của cùng khu vực và cùng thời điểm về
độ chính xác độ cao.
5) Sử dụng ngôn ngữ .Net để xây dựng phần mềm theo dõi tiến độ thi công công trình.
Phần mềm có các chức năng chính như: tìm kiếm và hiển thị hình ảnh theo vị trí,
thời gian và tên của đơn vị thi công, cập nhật thông tin thuộc tính.
6) Đánh giá khả năng phát triển mở rộng ứng dụng cho các lĩnh vực khác, như: nông
nghiệp, giao thông, đô thị, thành lập bản đồ,.„
4.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài:
-

Nghiên cứu hệ thống UAV Falcon 8 để đưa ra quy trình vận hành và khai thác
hệ thống trong việc bay chụp thu nhận ảnh độ phân giải cao cho tuyến metro
số 1.
Phần mềm Pix4Dmapper ttong việc xử lý ảnh bay chụp tạo ảnh trực giao và
mô hình DSM, mô hình 3D.
Thuật toán nắn chuyển tọa độ được sử dụng nắn chỉnh ảnh trực giao nhằm
tăng độ chính xác.

-

Xây dựng công cụ hỗ trợ theo dõi tiến độ thi công công trình tuyến metro số 1
bằng không ảnh.

Phạm vi nghiên cứu của đề tài được giới hạn như sau:
-

Khu vực nghiên cứu: Dự án tuyến metro số 1 Ben Thành - Suối Tiên TP.HCM,
với ga bảo trì (Depot) có diện tích 27,7 ha và toàn bộ tuyến ttên cao dài 17,1
km.

-

Hệ thổng UAV sử dụng: Hệ thống Falcon 8 của công ty Ascending
Technologies (Đức).

-

Phần mềm sử dụng:
•

Sử dụng phần mềm AscTec AutoPilot Control để thiết kế, điều khiển và

HVTH: NGUYỄN HỮU NHẬT
MSHV: 13100998

CBHD: PGS.TS. LÊ TRUNG CHƠN

Luận Vẳn Thạc Sĩ

5

thực hiện bay chụp với Falcon 8.
•

Sử dụng phần mềm Pỉx4Dmapper để xử lý ảnh sau bay chụp.

•

Sử dụng phần mềm ArcGIS để chuyển đổi về hệ tọa độ VN2000, trình bày
bản đồ, hiển thị và xuất các sản phẩm ảnh sau xử lý.

•

Sử dụng ngôn ngữ .Net để xây dựng phần mềm theo dõi tiến độ thi công
công trình.

-

Dữ liệu sử dụng:
•

Tọa độ của các điểm khống chế hạng IV và cấp đường chuyền được bố trí
dọc tuyến meửo số 1 do nhà thầu chính cung cấp.

•

Dữ liệu CAD do nhà thầu chính cung cấp, bao gồm khu ga bảo trì, các
trạm dừng, vị trí các trụ, giới hạn phạm vi của tuyến meửo số 1.

•

Dữ liệu LiDAR khu vực cầu vượt Trạm 2, phường Linh Trung, quận Thủ
Đức.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

5.

ỉ- Ý nghĩa khoa học
Đề tài mở ra một hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực không ảnh: nghiên
cứu ứng dụng hệ thống UAV ttong việc thu nhận ảnh độ phân giải cao.
-

Nghiên cứu xử lý ảnh bay chụp tạo sản phẩm ảnh trực giao, mô hình DSM,
mô hình 3D.
Đề tài đề xuất giải pháp sử dụng thuật toán biến đổi Helmert để chuyển hệ tọa
độ tờ ảnh trực giao về hệ tọa độ địa phương thông qua các điểm khống chế
mặt đất.
Đề xuất quy trình ứng dụng công nghệ UAV ttong theo dõi tiến độ thi công
công trình xây dựng bằng không ảnh.

-

Kết quả đạt được giúp làm chủ công nghệ mới ửong việc tạo ảnh độ phân giải
cao, đa thời gian nhằm cung cấp nhanh thông tin hỗ ửự công tác quản lý, theo
dõi và giám sát và cho các mục đích khác nhau.

ị- Ỷ nghĩa thực tiễn
-

Đề tài đưa ra một hướng ứng dụng mới ửong các hoạt động như: khảo sát địa
hình, giám sát môi trường, đô thị, giám sát sạt lở/lấn chiếm bờ sông, kênh rạch,

HVTH: NGUYỄN HỮU NHẬT
MSHV: 13100998

CBHD: PGS.TS. LÊ TRUNG CHƠN


Luận Vẳn Thạc Sĩ

6

theo dõi tiến độ thi công công trình.
-

Kết quả của đề tài được ứng dụng cho việc giám sát tiến độ thi công công trình
tuyến meửo số 1 Bến Thành - Suối Tiên của TP.HCM, mang lại hiệu quả cao
được nhà thầu chấp nhận và đánh giá tích cực, như giảm thời gian khảo sát thực
địa, theo dõi tiến độ một cách tổng quát, trực quan, tạo công cụ hỗ trợ quản lý
và khai thác dữ liệu không ảnh hiệu quả, phục vụ cho mục đích giám sát công
trường của dự án.

Chương 1
TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

A í, ĩ Tình hình nghiên cứu ở ngoài nước
Ngày nay, ở các nước phát triển như Đức, Anh, Pháp, Mỹ, Isreal,... thiết bị bay
không người lái (UAV) đã được sử dụng rộng rãi cả trong lĩnh vực quân sự lẫn dân sự.
Tuy nhiên, ƯAV chỉ được được nghiên cứu và phát triển chủ yếu phục vụ các nhu cầu
của quân đội như tuần tra, trinh sát,.... Đến những năm 2000 trở lại đây, ƯAV mới bắt
đầu được phát triển rộng rãi và được ứng dụng cho mục đích chụp không ảnh độ phân
giải cao trong các lĩnh vực như:
-

Nông nghiệp: các nhà sản xuất có thể đưa ra các quyết định đáng tin cậy về khu
vực cây trồng bị sâu bệnh, nhờ vào các dữ liệu và hình ảnh độ phân giải cao thu
nhận được một cách nhanh chóng và chính xác từ ƯAV [2],

-

Lâm nghiệp: Dữ liệu thu nhận từ ƯAV có thể được sử dụng để giám sát thảm thực
vật, tính toán sinh khối, khảo sát diện tích rừng bị cháy, nhận dạng một số loài
mới [3],

-

Khảo cổ học và kiến trúc: Khảo sát và thành lập bản đồ 3D của các vị trí, các công
trình thông qua các hình ảnh được thu nhận từ UAV [4],

-

Môi trường: Tiến hành các chuyến bay thường xuyên và nhanh chóng với chi phí
thấp bằng hệ thống UAV, giúp cung cấp các dữ liệu quan trọng ttong việc giám

HVTH: NGUYỄN HỮU NHẬT

MSHV: 13100998

CBHD: PGS.TS. LÊ TRUNG CHƠN


Luận Vẳn Thạc Sĩ

7

sát môi trường đất, nước theo thời gian [5].
-

Quản lý các tình huống khẩn cấp và cứu trợ: UAV có thể nhanh chóng thu nhận
các hình ảnh nhằm phục vụ công tác đánh giá và lập kế hoạch cứu hộ, cứu nạn
một cách nhanh chóng [6].

-

Giám sát giao thông: khảo sát, đánh giá mật độ phương tiện tham gia giao thông
theo thời gian, lộ trình, xu hướng di chuyển [7].
Đã có các công trình nghiên cứu đánh giá về độ chính xác của các sản phẩm được

tạo ra từ kỹ thuật ứng dụng ƯAV trong việc chụp không ảnh đã được công bố và trình
bày tại các hội nghị quốc tế:
Nhóm nghiên cứu: o. Kung et al [8], đã sử dụng hệ thống ƯAV swinglet CAM của
công ty senseFly (Thụy Sĩ) để bay chụp thử nghiêm trong các điều kiện khác nhau như:
độ cao bay, vùng phủ, thời tiết,... và sử dụng phần mềm xử lý ảnh tự động Pix4Dmapper
để xử lý tạo ảnh trực giao và mô hình DSM. Kết quả đã được báo cáo tại Hội nghị ửng
dụng thiết bị bay không người lải trong lĩnh vực Địa Tin Học tại Thụy Sĩ năm 2011.

Hình 1.1 Khu vực nghiên cứu và các điểm GCP (dấu + màu đỏ)
Hệ thống UAV swinglei CAM [9] cũng có các đặc điểm kỹ thuật tương đương với
hệ thống hệ thống UAV Falcon 8 (được trình bày trong chương 2):
+ Trọng lượng: 0,5 kg (chưa bao gồm pin)
+ Kích thước cánh: 80cm
HVTH: NGUYỄN HỮU NHẬT
MSHV: 13100998

CBHD: PGS.TS. LÊ TRUNG CHƠN