Luận án Ứng dụng công nghệ GPS động và máy bay không người lái thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn trong điều kiện Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT HOÀNG THỊ THỦY ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS ĐỘNG VÀ MÁY BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI THÀNH LẬP BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH TỶ LỆ LỚN TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ HÀ NỘI - 2024 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT HOÀNG THỊ THỦY ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS ĐỘNG VÀ MÁY BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI THÀNH LẬP BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH TỶ LỆ LỚN TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM Ngành: Kỹ thuật trắc địa - bản đồ Mã số: 9520503 Người hướng dẫn khoa học: 1. GS.TSKH HOÀNG NGỌC HÀ 2. TS. DƯƠNG THÀNH TRUNG HÀ NỘI - 2024 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu và kết quả được nêu trong luận án là trung thực, chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. TÁC GIẢ LUẬN ÁN Hoàng Thị Thủy ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... I MỤC LỤC .................................................................................................................... II DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ........................................................................ VI DANH MỤC HÌNH VẼ .......................................................................................... VIII DANH MỤC BẢNG BIỂU ......................................................................................... X MỞ ĐẦU ....................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ GNSS VÀ UAV ỨNG DỤNG TRONG THÀNH LẬP BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH TỶ LỆ LỚN ....................................... 6 1.1 Bản đồ địa hình ....................................................................................................... 6 1.1.1 Bản đồ địa hình ............................................................................................. 6 1.1.2 Độ chính xác bản đồ địa hình ....................................................................... 6 1.1.3 Yêu cầu kỹ thuật thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn ................................... 7 1.2 Hệ thống định vị vệ tinh GNSS .............................................................................. 8 1.2.1. Nguyên lý đo trong định vị vệ tinh GNSS .................................................. 8 1.2.2. Cấu trúc hệ thống định vị vệ tinh GNSS ..................................................... 9 1.2.3. Cấu trúc tín hiệu GNSS.............................................................................. 10 1.2.4. Các nguồn sai số trong định vị GNSS ....................................................... 11 1.2.5. Công nghệ GNSS/CORS ........................................................................... 15 1.3 Công nghệ bay chụp UAV trong thành lập bản đồ địa hình ............................... 17 1.3.1 Khái niệm .................................................................................................... 17 1.3.2 Phân loại UAV ............................................................................................ 17 1.3.3 Yêu cầu về độ phân giải ảnh chụp trong lập bản đồ .................................. 20 1.4 Tổng quan về tích hợp công nghệ UAV, GNSS/CORS và toàn đạc điện tử trong thành lập bản đồ địa hình ............................................................................................ 22 1.4.1 Tổng quan các nghiên cứu trên thế giới ..................................................... 22 1.4.2 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu ở Việt Nam ............................................ 27 1.5 Định hướng nghiên cứu của đề tài........................................................................ 32 1.5.1 Điều kiện Việt Nam trong lĩnh vực nghiên cứu ......................................... 32 iii 1.5.2 Những định hướng nghiên cứu ................................................................... 34 CHƯƠNG 2 GIẢI PHÁP NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC MẶT BẰNG VÀ ĐỘ CAO ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GNSS/CORS TRONG THÀNH LẬP BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH TỶ LỆ LỚN ............................................................................................. 36 2.1 Công nghệ GNSS/CORS trong thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn ......................... 37 2.1.1 Giải pháp đo tương đối động với nhiều trạm cơ sở ................................... 37 2.1.2 Giải pháp đo GNSS với trạm ảo cố định .................................................... 38 2.1.2.1 Kỹ thuật trạm tham chiếu ảo VRS ........................................................... 38 2.1.2.2 Nguyên lý hoạt động trạm tham chiếu ảo ............................................... 39 2.1.3 Tính chuyển tọa độ GNSS/CORS với hệ tọa độ quốc tế ITRF ................. 41 2.1.4 Khảo sát độ chính xác đo GNSS/CORS ..................................................... 41 2.1.5 Mục đích của bài toán kết hợp công nghệ GNSS/CORS và công nghệ truyền thống ............................................................................................................................. 44 2.2 Tính chuyển độ cao điểm địa hình đo bằng công nghệ GNSS về độ cao thủy chuẩn............................................................................................................................ 45 2.2.1 Nội suy dị thường độ cao theo mô hình đa thức ........................................ 45 2.2.2 Các bước tính toán và sơ đồ khối modul chương trình .............................. 49 2.3 Tính chuyển tọa độ đo bằng công nghệ GNSS/CORS ........................................ 50 2.3.1 Thuật toán tính chuyển tọa độ mặt bằng .................................................... 50 2.3.2 Bài toán trọng số trong biến đổi phẳng và mô hình dị thường độ cao ...... 52 2.3.3 Độ chính xác trị đo bằng công nghệ GNSS/CORS khi kết hợp với điểm khống chế tọa độ và độ cao ......................................................................................... 53 2.3.4 Sơ đồ khối thuật toán tính chuyển tọa độ mặt bằng và độ cao .................. 54 2.4 Đồng bộ dữ liệu bản đồ địa hình tỷ lệ lớn ............................................................ 55 2.4.1 Nội dung bài toán đồng bộ dữ liệu ............................................................. 55 2.4.2 Bài toán kiểm tra tọa độ và độ cao các điểm song trùng ........................... 55 2.4.3 Sơ đồ khối modul đồng bộ hóa dữ liệu bản đồ .......................................... 56 CHƯƠNG 3 THÀNH LẬP BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH TỶ LỆ LỚN KHU VỰC CÓ THỰC PHỦ TỪ DỮ LIỆU ẢNH UAV ..................................................................... 59 iv 3.1 Giới thiệu chung .................................................................................................... 59 3.2 Hiệu chỉnh mô hình số bề mặt vùng có phủ thực vật từ dữ liệu UAV trong thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn ....................................................................................... 59 3.2.1 Phương pháp mô hình số bề mặt ................................................................ 59 3.2.2 Hiệu chỉnh mô hình số bề mặt vùng có phủ thực vật ................................. 61 3.2.3. Quy trình thực hiện hiệu chỉnh .................................................................. 63 3.2.4 Số liệu mô hình ........................................................................................... 64 CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN THỰC NGHIỆM ............................................................ 68 4.1 Kết quả đánh giá độ chính xác GNSS/CORS ...................................................... 68 4.1.1 Độ chính xác đo GPS động (RTK) ............................................................. 68 4.1.2 Độ chính xác đo GNSS/CORS (VRS)........................................................ 69 4.1.3 Nhận xét về độ chính xác đo GNSS/CORS (RTK và VRS) ...................... 71 4.2 Bài toán tính chuyển độ cao điểm địa hình đo bằng công nghệ GNSS về độ cao thuỷ chuẩn ................................................................................................................... 72 4.2.1 Modul tính chuyển trị đo GNSS ................................................................. 72 4.2.2 Sơ đồ và số liệu khu vực thực nghiệm ....................................................... 72 4.2.3 Kết quả tính toán bằng modul chương trình ............................................... 76 4.2.4 Kết quả hiệu chỉnh độ cao GNSS về độ cao thủy chuẩn áp dụng trọng số78 4.3 Bài toán tính chuyển toạ độ đo bằng công GNSS/CORS .................................... 82 4.3.1 Modul tính chuyển tọa độ và độ cao các điểm đo GNSS/CORS .............. 82 4.3.2 Độ chính xác đo GNSS (CORS) sau hiệu chỉnh ........................................ 82 4.4 Bài toán đồng bộ dữ liệu bản đồ địa hình tỷ lệ lớn ........................................................... 84 4.4.1 Modul chương trình đồng bộ dữ liệu bản đồ .............................................. 84 4.4.2 Kết quả thực hiện đồng bộ dữ liệu bản đồ.................................................. 85 4.5 Tính toán hiệu chỉnh mô hình số bề mặt vùng có phủ thực vật từ dữ liệu UAV trong thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn .................................................................... 87 4.5.1 Modul làm trơn mô hình số bề mặt thực phủ và xây dựng mô hình số địa hình87 4.5.2 Công tác thực nghiệm xây dựng mô hình số địa hình từ dữ liệu ảnh UAV khu vực có phủ thực vật .............................................................................................. 88 v KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................................... 98 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ .......................................................... 99 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 100 PHỤ LỤC .................................................................................................................. 107 vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tên đầy đủ bằng tiếng Anh Tên đầy đủ bằng tiếng Việt GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu GNSS Global Navigation Satellite Systems Hệ thống định vị vệ tinh UAV Unmanned Aerial Vehicle Phương tiện bay không người lái RTK Real Time Kinematic Đo tương đối động thời gian thực CORS Continuously operating Reference Station Các trạm tham chiếu thường trực VRS Virtual Reference Station Trạm tham chiếu ảo UAS Unmanned Aircraft System Hệ thống máy bay không người lái DEM Digital Elevation Model Mô hình số độ cao DTM Digital Terrain Model Mô hình số mặt đất DSM Digital Surface Model Mô hình số bề mặt NOAA National Oceanic and Atmospheric Administration Cục Quản lý Đại dương và khí quyển Hoa Kỳ NSRS U.S. National Spatial Reference System Hệ thống tham chiếu chính thức trong lĩnh vực dân sự NRS Net Reference Station Trạm tham chiếu GLONASS Globalnaya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu của Nga PPK Post-Processed Kinematic Đo động xử lý sau DGNSS Differential Global Navigation Satellite System Định vị vi phân toàn cầu NMEA National Marine Electronics Association Giao thức truyền thông hiệp hội điện tử hàng hải quốc gia MEO Medium Earth Orbit Quỹ đạo Trái Đất trung bình RTCM Radio Technical Commission Uỷ ban kỹ thuật vô tuyến vii For Maritime Services điện về dịch vụ hàng hải CDMA Code Division Multiple Access Technique Kỹ thuật truy cập phân chia theo mã 3D Three Dimension Ba chiều SfM Structure-from-Motion Cấu trúc chuyển động TLS Terrestrial Laser Scanning Quét laser trên mặt đất IMU Inertial Measurement Unit Đơn vị đo lường quán tính DOP Dilution of Precision Hệ số phân tản độ chính xác GDOP Geometric Dilution of Precision Hệ số phân tản độ chính xác hình học PDOP Position Dilution of Precising Hệ số phân tản độ chính xác vị trí HDOP Horizontal DOP Độ phân tản độ chính xác mặt bằng PRN Pseudo-Random Noise Mã nhiễu giả ngẫu nhiên NGS Nation Geodetic Survey Cơ quan Trắc đạc Hoa Kỳ ITRF International Terrestrial Reference Frame Khung quy chiếu mặt đất quốc tế EURE User Equivalent Range Error Sai số khoảng cách giả viii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1. 1 Nguyên lý định vị GNSS thông qua giao hội cạnh trong không gian ......... 9 Hình 1. 2 Cấu trúc hệ thống định vị vệ tinh GNSS.................................................... 10 Hình 1. 3 Số lượng trạm CORS trên lãnh thổ Việt Nam ........................................... 16 Hình 1. 4 Một số loại UAV, a. UAV dùng bệ phóng, b. UAV lên thẳng, c. Kết hợp ..................................................................................................................................... 18 Hình 1. 5 UAV thường (a) và UAV có tích hợp GNSS động (b) ............................. 20 Hình 1. 6 Chiều cao bay chụp 100 m và GSD đạt được thiết kế trên phần mềm DJI Pilot .............................................................................................................................. 22 Hình 2. 1 Trạm tham chiếu ảo trong công nghệ CORS ............................................. 39 Hình 2. 2 Mô hình một mạng lưới các trạm CORS ................................................... 40 Hình 2. 3 Đo thực nghiệm công nghệ GNSS/CORS tuyến Cát Linh - Hà Đông, Âu cơ ................................................................................................................................. 42 Hình 2. 4 Sơ đồ các điểm lưới đường chuyền Hạng II Cát Linh - Hà Đông và Âu Cơ ..................................................................................................................................... 42 Hình 2. 5 Sơ đồ lưới tọa độ và độ cao khu vực thành phố Hà Nội (500 km2) ......... 43 Hình 2. 6 Sơ đồ khối modul tính chuyển trị đo bằng công nghệ GNSS về hệ tọa độ VN-2000 và độ cao thủy chuẩn .................................................................................. 50 Hình 2. 7 Xác nhận thông tin dữ liệu thực hiện ......................................................... 53 Hình 2. 8 Sơ đồ khối thực hiện tính chuyển tọa độ điểm đo GNSS/CORS .............. 54 Hình 2. 9 Sơ đồ khối đồng bộ dữ liệu bản đồ GNSS/CORS và toàn đạc điện tử ..... 57 Hình 3. 1 Sơ đồ khối chương trình tự động xây dựng mô hình độ dầy lớp phủ thực vật và xác định độ cao địa hình .................................................................................. 64 Hình 3. 2 Mô hình số DEM trong bài toán thực nghiệm ........................................... 65 Hình 3. 3 Mô hình chiều cao cây ................................................................................ 66 Hình 3. 4 Mô hình số địa hình DEM sau khi thực hiện modul chương trình ........... 66 Hình 4.1 Modul tính chuyển trị đo bằng công nghệ GNSS về hệ tọa độ VN-2000 và độ cao thủy chuẩn ....................................................................................................... 72 Hình 4. 2 Khu vực thực nghiệm tại huyện Mù Cang Chải, tỉnh Yên Bái ................. 73 ix Hình 4. 3 Bình đồ dị thường độ cao xác định theo độ cao điểm thủy chuẩn khu vực Mù Cang Chải ............................................................................................................. 81 Hình 4. 4 Mô hình số dị thường độ cao xác định theo độ cao điểm thủy chuẩn khu vực Mù Cang Chải ...................................................................................................... 81 Hình 4. 5 Modul tính chuyển tọa độ và độ cao các điểm đo bằng GNSS/CORS ..... 82 Hình 4. 6 Modul đồng bộ dữ liệu bản đồ đo bằng các công nghệ khác nhau ........... 84 Hình 4. 7 Lựa chọn các thông tin thực hiện ............................................................... 85 Hình 4. 8 Dữ liệu bản đồ đo bằng công nghệ GNSS ................................................. 85 Hình 4. 9 Dữ liệu bản đồ đo hiện chỉnh bằng toàn đạc điện tử ................................. 86 Hình 4. 10 Dữ liệu bản đồ sau khi ghép nối ............................................................... 86 Hình 4. 11 Modul làm trơn mô hình số bề mặt thực phủ và xây dựng mô hình số địa hình .............................................................................................................................. 87 Hình 4. 12 Modul làm trơn mô hình số bề mặt DSM ................................................ 87 Hình 4. 13 Thông tin lựa chọn làm trơn mô hình số bề mặt DSM ............................ 87 Hình 4. 14 Modul xác định mô hình số địa hình từ mô hình số bề mặt DSM .......... 88 Hình 4. 15 Thông tin lựa chọn xác định mô hình số địa hình ................................... 88 Hình 4. 16 Máy bay UAV thực nghiệm tại Lạng Sơn ............................................... 89 Hình 4. 17 Sơ đồ dải bay ............................................................................................ 90 Hình 4. 18 Sơ đồ điểm khống chế ảnh đo bằng GPS động(CORS) .......................... 91 Hình 4. 19 Xác định tọa độ và độ cao điểm kiểm tra................................................. 91 Hình 4. 20 Kết quả bay chụp ...................................................................................... 92 Hình 4. 21 Ảnh bay chụp tại khu thực nghiệm Lạng Sơn ......................................... 92 Hình 4. 22 Mô hình số địa hình từ số liệu đo trực tiếp tại TP Lạng Sơn .................. 92 Hình 4. 23 Mô hình số bề mặt của lớp phủ thực vật DSM bằng công nghệ UAV ... 93 Hình 4. 24 Mô hình DSM nhận được sau khi tiến hành làm trơn ............................. 94 Hình 4. 25 Mô hình số địa hình nhận được từ dữ liệu DSM khu vực Lạng Sơn ...... 95 x DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1. 1 Kết quả tính toán yêu cầu về độ chính xác mặt bằng điểm địa vật............. 7 Bảng 1. 2 Khoảng cao đều cơ bản đối với các loại bản đồ [2] .................................... 7 Bảng 1. 3 Sai số trung phương đo vẽ dáng đất đối với các tỷ lệ bản đồ[2] ................ 8 Bảng 1. 4 Quan hệ giữa PDOP và chất lượng tọa độ điểm quan sát ......................... 15 Bảng 1. 5 So sánh giữa ba loại UAV.......................................................................... 18 Bảng 1. 6 Độ phân giải ảnh cần thiết tương ứng với tỷ lệ bản đồ [42] ..................... 20 Bảng 2. 1 Bảng tọa độ và độ cao các điểm lưới khu vực thành phố Hà Nội ............ 43 Bảng 2. 2 Kết quả đánh giá chất lượng điểm kiểm tra phục vụ đồng nhất dữ liệu ... 56 Bảng 3. 1 Tọa độ và độ cao dữ liệu mô hình ............................................................. 65 Bảng 3. 2 Độ chính xác xác định độ cao theo dữ liệu mô hình ................................. 67 Bảng 4. 1 Độ chính xác đo GPS động (RTK) tại Cát Linh - Hà Đông, Âu Cơ ........ 68 Bảng 4. 2 Độ chính xác đo CORS (VRS) lưới Cát Linh-Hà Đông, Âu Cơ .............. 69 Bảng 4. 3 Số liệu thực nghiệm đo GPS (tọa độ địa tâm- XYZ) ................................ 74 Bảng 4. 4 Tọa độ và độ cao các điểm thủy chuẩn hạng III Nhà nước và ĐCCS ...... 75 Bảng 4. 5 Số hiệu chỉnh độ cao GNSS về độ cao thủy chuẩn áp dụng trọng số, P=1 ..................................................................................................................................... 78 Bảng 4. 6 Số hiệu chỉnh độ cao GNSS về độ cao thủy chuẩn áp dụng P=1/SS ........ 79 Bảng 4. 7 Độ chính xác đo GNSS (CORS) sau hiệu chỉnh ....................................... 83 Bảng 4. 8 Thông số chính của Phantom 3 Pro ........................................................... 90 Bảng 4. 9 Tọa độ điểm lớp phủ thực vật DSM đo bằng công nghệ UAV ................ 93 Bảng 4. 10 Dữ liệu tọa độ DSM nhận được sau khi tiến hành làm trơn ................... 94 Bảng 4. 11 Tọa độ và độ cao điểm địa hình sau tách bỏ lớp phủ thực vật ................ 96 Bảng 4. 12 Độ chính xác xác