THÀNH LẬP DEM/DTM DSM BẰNG CÔNG NGHỆ LiDAR

TÓM TẮT:

Do có nhiều ưu điểm, công nghệ LiDAR ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong công tác nghiên cứu địa

hình, trước hết phục vụ thành lập DEM/DTM và DSM với độ chính xác cao, ít phụ thuộc vào điều kiện thời tiết và cung cấp sản phẩm trong thời gian ngắn. Bài báo trình bầy những nội dung đại cương cơ bản về công nghệ LiDAR bao gồm các phần: giới thiệu hệ thống LiDAR với các thông số kỹ thuật; đặc biệt nhấn mạnh công đoạn xử lý số liệu LiDAR; và sau cùng là kết quả ứng dụng LiDAR để thành lập DSM, DEM/DTM.

1. MỞ ĐẦU

Công nghệ LiDAR (Light Detecting And Ranging) hay còn gọi là công nghệ đo dài bằng la-de từ máy bay ALR (Airborne Laser Ranging) phục vụ cho công tác nghiên cứu địa hình bắt đầu vào những năm thập niên 90 của kỷ nguyên XX. Bản thân kỹ thuật la-de đã được phát minh và ứng dụng trong các ngành kỹ thuật từ những năm 60, 70, 80 của kỷ nguyên trước. Vào đầu những năm 90, kỹ thuật la-de được NASA (Mỹ) đưa vào ứng dụng trong công tác nghiên cứu địa hình. Kỹ thuật ALR ngày càng được cải tiến cả về thiết bị lẫn công nghệ. Do vậy, kỹ thuật la-de có giá thành ngày càng giảm. Các hệ thống LiDAR thương mại ứng dụng vào địa hình của nhiều hãng sản xuất chế tạo đã có sức cạnh tranh mạnh trên thị trường thế giới vào cuối những năm 90 của thế kỷ XX. Nắm bắt xu thế phát triển công nghệ LiDAR, tổ chức Đo ảnh thực nghiệm châu Âu OEEPE trong khuôn khổ của tổ chức Đo ảnh thế giới ISPRS, đã thành lập nhóm nghiên cứu ứng dụng LiDAR trong lĩnh vực địa hình vào mùa Xuân 1998. Hội thảo khoa học chuyên đề đầu tiên về công nghệ LiDAR "Mapping Surface structure and topography by airborne and spaceborne lasers" của tổ chức ISPRS do nhóm WG III/5 và 2 đã tổ chức tại La Jolla, USA từ ngày 9 - 11 tháng11/1999. Trong hội nghị đã có trên 25 báo cáo khoa học xung quanh ứng dụng công nghệ LiDAR. Kể từ năm 1999 cho tới nay, hàng năm ISPRS tiến hành tổ chức hội thảo khoa học về chuyên đề LiDAR. Năm 2005 vừa qua (từ 12 đến 14 tháng 9), hội thảo do nhóm WG III/3-4 V/3 của ISPRS tổ chức tại Hà Lan dưới đầu đề: "Laser Scanning

2005". Số báo cáo khoa học trong hội nghị là 39. Các báo cáo khoa học trong hội thảo tập trung vào các vấn đề sau:

• Cải tiến và hoàn thiện hệ thống LiDAR nhằm nâng cao độ chính xác, mở rộng tính toàn năng và giảm giá thành của thiết bị.

• Đánh giá độ chính xác thành lập DEM/DTM (Digital Elevation Model / Digital Terrain Model), DSM (Digital Surface Model), mô phỏng 3D ( 3-Dimensions) thành phố.

• Kết hợp số liệu LiDAR với các số liệu khác, như với ảnh hàng không số, InSAR (Interferometer Synthetic Aperture Radar).

• Đánh giá hiệu quả kinh tế (giá thành và thời gian) ứng dụng LiDAR vào các mục đích khác nhau như trong kiến trúc, giao thông, viễn thông, v.v. Ưu điểm nổi bật của LiDAR cho công tác nghiên cứu địa hình là số liệu LiDAR có độ chính xác cao. Cụ thể, sai số mặt bằng và độ cao toạ độ điểm đạt mX,Y,Z = ±0,15m – ±0,30m cho vùng địa hình cứng (không có thực, vật phủ); mZ = ±0,5m cho vùng địa hình mềm (có thực, vật phủ) và mZ = ±0,75m cho các vùng địa hình đồi núi [4]. Thời gian thu nhận thông tin về địa hình tiến hành rất nhanh với 5000 điểm quét có toạ độ không gian ba chiều X, Y, Z trong vòng một giây. Mật độ điểm quét ở dạng lưới ô vuông GRID với cạnh có thể điều chỉnh từ vài đề-xi-mét đến 10m. Ngay từ năm đầu của kỷ nguyên XXI, chi phí của LiDAR để thành lập DEM đã được đánh giá [10] ước chừng 200USD/1km2 cho vùng địa hình khoảng 100km2. Chi phí này tăng khi khu vực thành lập DEM bằng LiDAR nhỏ hơn 100km2, và giảm đáng kể cho vùng địa hình có 2 diện tich rộng trên 100km2. Giá thành DEM còn phụ thuộc vào lấy mẫu thực địa (kích cỡ cạnh ô vuông của lưới GRID, hay độ dài cạnh tam giác của lưới TIN).

Độ chính xác của DEM phụ thuộc vào 4 yếu tố: mật độ điểm, độ chính xác toạ độ điểm, mô hình toán học thành lập DEM và tính phức tạp của địa hình [1, 10, 11]. Do ưu điểm của LiDAR nêu ở trên, DEM xây dựng từ LiDAR có độ chính xác cao. Nếu mật độ điểm quét lớn hơn 1điểm/m2, DEM của địa hình cứng có thể đạt độ chính xác mZ = ±0,05m [4]. Bài báo giới thiệu đại cương về công nghệ LiDAR với các nội dung chính: nguyên lý hoạt động hệ thống LiDAR và xử lý số liệu LiDAR để thành lập DEM/DTM, DSM.

2. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG HỆ THỐNG LiDAR

LiDAR gồm nhiều hệ thống liên kết với nhau, trước hết cần kể đến thiết bị (T/B) đo dài lade đặt trên máy bay, cho phép đo khoảng cách D từ máy bay đến điểm địa vật hay địa hình. Thiết bị la-de có thể quét tuyến địa hình với độ rộng từ vài chục mét tới vài trăm mét, nhờ tấm gương quay. Tấm gương gắn ở phần đầu của thiết bị quét bẻ chùm tia la-de hướng về bề mặt địa hình. Tia la-de hoạt động theo nguyên lý xung điện (có loại theo nguyên lý sóng) có tần số lớn tới vài kHz phát ra từ nguồn sáng la-de. Phần năng lượng phản hồi từ bề mặt địa hình hay địa vật qua hệ thống quang học được ghi thu lại. Trên cơ sở biết thời gian (t) phản hồi của tín hiệu từ bề mặt địa hình về thiết bị ghi thu và tần số của xung điện (v) chúng ta sẽ xác định được khỏang cách D từ điểm địa hình hay địa vật đến máy bay tại thời điểm quét. Thiết bị đo dài la-de hoạt động trong dải phổ hồng ngoại, cận hồng ngoại với bước sóng tới 1540nm. Độ chính xác đo khoảng cách bằng la-de có thể đạt với sai số mD = ±1cm. Hoạt động đồng thời với thiết bị quét la-de là hệ thống thu GPS (Global Positioning System) nhằm xác định vị trí không gian X, Y, Z của thiết bị quét la-de đặt trên máy bay tại thời điểm quét. Nhờ kỹ thuật đo dGPS (với trạm GPS mặt đất), hiệu số toạ độ không gian giữa thiết bị quét la-de trên máy bay và trạm GPS mặt đất sẽ được xác định trong hệ thống toạ độ lựa chọn. Kỹ thuật dGPS có thể đạt độ chính xác xác định toạ độ điểm với sai số ±10cm.

Cùng làm việc với thiết bị quét la-de và hệ thống thu GPS là hệ thống điều khiển hàng hướng INS (Inertial Navigation System). Hệ thống INS thực hiện nhiệm vụ đo gia tốc theo 3 hướng X, Y, Z và góc nghiêng của máy bay, cho phép xác định góc phương vị (ψ) của tia quét la-de tại thời điểm quét. Toạ độ không gian X, Y, Z của điểm địa vật hay địa hình sẽ được xác định dựa vào độ dài (D) và góc phương vị tương ứng (ψ), trong hệ thống toạ độ lựa chọn GPS. Hình 1 giới thiệu nguyên lý làm việc của hệ thống LiDAR.