TMV - Công Ty TNHH MTV Tài Nguyên Và Môi Trường Việt Nam

Tin tức

Giải pháp đo vẽ ảnh hàng không Photogrammetry 14/02/2019

Đo vẽ ảnh hàng không (Photogrammetry) là kỹ thuật được sử dụng rộng rãi trong thu thập số liệu và thông tin 3D mật độ cao. Thực tiễn phương pháp này có tuổi đời tương đương với kỹ thuật chụp ảnh hiện đại, tức là vào khoảng giữa của thế kỷ 19. Tất cả các ngành khoa học kỹ thuật công nghệ đều phát triển theo thời gian đúng với nguyên lý vốn có, đặc biệt trong thời gian gần đây những bước phát triển mạnh mẽ trong lĩnh vực hiển thị xử lý thông tin từ các hệ thống máy tính và phần mềm, kỹ thuật Machine Learning đã làm cho chính kỹ thuật đo vẽ ảnh hàng không nói riêng không còn đơn giản như chúng ta đã từng thấy trước đây.

Các nhà nghiên cứu phát triển trang thiết bị và phần mềm trong lĩnh vực đo vẽ ảnh hàng không luôn phải đối mặt với những yêu cầu và thách thức từ cộng đồng các nhà bản đồ và đo vẽ ảnh hàng không liên quan tới việc phải có những giải pháp mới hơn, hiện đại hơn, đa chức năng hơn đáp ứng được tất cả mọi nhu cầu về mức độ thân thiện đối với người dùng. Phối hợp với tạp chí GIM International, nhóm các nhà nghiên cứu đã thực hiện cuộc điều tra thông qua mạng lưới bạn đọc trong lĩnh vực địa không gian nhằm tìm hiểu sâu và đưa ra những khuyến nghị giúp các nhà sản xuất từng bước tối ưu hoá các giải pháp của mình để đáp ứng được yêu cầu của khách hàng trên toàn thế giới.

Trước khi xem xét chi tiết các kết quả điều tra của tạp chí GIM International liên quan tới lĩnh vực đo vẽ ảnh hàng không thông qua mạng lưới bạn đọc, chúng ta sẽ cùng xem xét một cách kỹ lưỡng những tranh luận đang vẫn tiếp diễn giữa kỹ thuật đo vẽ ảnh hàng không (Photogrammetry) và kỹ thuật quét laser 3D hay còn được biết đến với tên gọi LiDAR. Khó có thể nói một cách chắc chắn rằng một phương pháp này tốt hơn hẳn so với phương pháp kia ở thời điểm hiện tại.

LiDAR

Hiện nay, số liệu thu thập được bởi kỹ thuật đo vẽ ảnh hàng không hay LiDAR đều có chung một khuôn dạng phổ biến đó chính là số liệu đám mây điểm (Point Cloud). Một câu hỏi luôn được đặt lên hàng đầu là số liệu đám mây điểm thu được từ kỹ thuật đo vẽ ảnh hàng không tốt hơn số liệu đám mây điểm thu được từ kỹ thuật LiDAR (hoặc ngược lại). Câu trả lời tốt nhất có lẽ là không có câu trả lời nào tuyệt đối rõ ràng về việc này, nó phụ thuộc vào ứng dụng. Mặc dù kỹ thuật LiDAR cung cấp số liệu có mức độ chi tiết cao hơn, nhưng kỹ thuật đo vẽ ảnh hàng không lại rất phù hợp đối với các khu vực rộng lớn bởi hiệu quả kinh tế mà nó mang lại. Kết luận phù hợp nhất ở thời điểm hiện tại có lẽ là đối với mỗi kỹ thuật chúng ta đều nhận thấy những ưu điểm và những nhược điểm cố hữu chứ không có kỹ thuật nào hoàn hảo vượt trội.

Quá trình khảo sát, nhóm nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng, kỹ thuật đo vẽ ảnh hàng không là kỹ thuật thu thập số liệu địa không gian phổ biến nhất trên trên thế giới vượt xa so với kỹ thuật LiDAR (đo vẽ ảnh hàng không chiếm 73%, trong khi LiDAR chỉ có 27%). Có ba gói phần mềm xử lý số liệu quét laser 3D phổ biến nhất trên thế giới gồm Leica Cyclone, Terrasolid và CloudCompare. Tuy kỹ thuật đo vẽ ảnh hàng không vẫn đang chiếm ưu thế ở thời điểm hiện tại, nhưng nhu cầu ứng dụng kỹ thuật LiDAR lại đang có xu hướng tăng nhanh, có khoảng trên 60% số câu trả lời cho biết kế hoạch đầu tư chính trong thời gian tới của họ là các thiết bị quét laser 3D, và cũng với tỷ lệ tương tự có dự định mua phần mềm xử lý số liệu quét laser phục vụ cho công việc của mình. Cụ thể hơn LiDAR là kỹ thuật thường được lựa chọn sử dụng phục vụ cho quá trình tổng hợp các mô hình số độ cao DEM (Digital Elevation Models).

BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH VÀ ĐO ĐẠC ĐỊA CHÍNH

Nhìn chung trong thực tiễn kỹ thuật đo vẽ ảnh hàng không được sử dụng nhiều trong hai hạng mục ứng dụng. Hạng mục thứ nhất là thành lập bản đồ địa hình (Topographic Mapping) trong đó có tới 60% các nhà đo đạc được hỏi đã trả lời rằng họ thích sử dụng kỹ thuật này. Các bản đồ địa hình được sử dụng trong nhiều ứng dụng ví dụ như xây dựng, khai khoáng, đo đạc điều tra sử dụng đất, quy hoạch phát triển đô thị và các ứng dụng xây dựng công nghiệp. Các kỹ thuật truyền thống sử dụng trong cập nhật các bản đồ địa hình thường mất nhiều thời gian với chi phí tăng cao, nhưng với môi trường đo vẽ ảnh kỹ thuật số sẽ có lợi thế hơn nhiều. Theo đó số liệu đám mây điểm 3D được tạo bởi quá trình ghép nối các bức ảnh số có độ phủ phù hợp để tạo mô hình toàn bộ khu đo. Đo đạc địa chính (Cadastral Surveying) là hạng mục ứng dụng thứ hai mà kỹ thuật đo vẽ ảnh hàng không phát huy được lợi thế và hiệu quả. Lợi thế cơ bản của kỹ thuật đo vẽ ảnh hàng không trong đo đạc địa chính là độ chính xác của các phép đo tương đương với việc triển khai đo đạc mặt đất bằng các thiết bị và kỹ thuật đo truyền thống như GNSS hay toàn đạc điện tử nhưng tốc độ triển khai nhanh và hiệu quả cao hơn nhiều. Tuy nhiên đối với các khu vực đất đai bị che phủ bởi các tán cây, nhà cao tầng … thì các phép đo bổ sung sử dụng các thiết bị và kỹ thuật đo truyền thống như GNSS và toàn đạc điện tử chắc chắn sẽ phải triển khai sử dụng.

Từ những phân tích trong phần trước, và có lẽ chỉ nhìn một cách logic vào những điểm mạnh và những bất lợi của cả hai phương pháp LiDAR và đo vẽ ảnh hàng không để xác định xu thế phát triển tất yếu trong lĩnh vực này chính là sự kết hợp cả hai phương pháp này lại với nhau (Như trong Bảng 1). Hơn một nửa số người hoạt động trong lĩnh vực đo đạc tham gia vào quá trình khảo sát đều cho biết tới thời điểm hiện tại họ đang sử dụng kết hợp kỹ thuật đo vẽ ảnh hàng không với LiDAR để tạo ra các mô hình 3 chiều phức hợp cho khu vực đô thị, trong lĩnh vực khảo cổ học và lâm nghiệp đây cũng chính là những lĩnh vực đã có nhiều ví dụ điển hình về lợi thế khi kết hợp hai kỹ thuật này lại với nhau.

Ví dụ khi tiến hành đo đạc cho những khu vực khảo cổ diện rộng, ở thời điểm hiện tại người ta hoàn toàn có khả năng triển khai sử dụng máy bay không người lái trang bị máy ảnh kỹ thuật số, máy ảnh sử dụng ở đây có thể là NADIR hoặc OBLIQUE kết hợp với bề mặt được quét một cách chi tiết ở tỷ lệ lớn bằng các máy quét laser 3D mặt đất để thể hiện toàn bộ khu vực và các đối tượng cần quan tâm đặc biệt.

Trong lĩnh vực lâm nghiệp, kỹ thuật LiDAR có khả năng tổng hợp các mô hình số độ cao DEM và máy chụp ảnh cho số liệu về độ phủ tán cây rừng, từ độ phủ tán cây này các nhà lâm nghiệp có khả năng đo đạc các thông số liên quan đến cấu trúc tán cây cũng như cung cấp nguồn thông tin không gian có liên quan. Ngược lại với kỹ thuật LiDAR, kỹ thuật đo vẽ ảnh hàng không hoàn toàn không có khả năng xuyên qua tán lá cây rừng xuống phía dưới, nhưng kỹ thuật đo vẽ ảnh hàng không lại giúp chúng ta có thể gắn kết các ảnh chụp lại với nhau tạo thành một mô hình ảnh thống nhất cho toàn bộ khu bay để từ đó giúp các nhà lâm nghiệp xác định một cách chính xác hiện trạng tán cây, chủng loại cây, độ phủ … trong khu vực một cách tiết kiệm và tin cậy hơn. Và có vẻ như khi kết hợp hai kỹ thuật này lại với nhau, chúng ta sẽ được một giải pháp hoàn chỉnh hơn nhiều. Bảng dưới đây thể hiện rõ hơn điều này.

Những ứng dụng chính liên quan tới sử dụng kỹ thuật đo vẽ ảnh hàng không và LiDAR thu được trong quá trình khảo sát.
PHẦN MỀM ĐO VẼ ẢNH HÀNG KHÔNG

Trên thị trường hiện có một số giải pháp phần mềm đo vẽ ảnh hàng không phổ biến, các phần mềm này có khả năng thực hiện toàn bộ quy trình xử lý đo vẽ cũng như tổng hợp các mô hình số liệu không gian 3D. Những nhà ứng dụng chuyên nghiệp có thể sử dụng các phần mềm này để tạo ra các khối ảnh, ảnh trực giao, đám mây điểm và các mô hình thành quả.

Một số phần mềm đo vẽ ảnh hàng không được thiết kế phù hợp với các bức ảnh khuôn dạng lớn (Large Format) từ các hệ thống chụp ảnh cao cấp và ảnh vệ tinh, trong khi một số phần mềm lại được phát triển dành riêng cho các bức ảnh khuôn dạng trung bình và nhỏ (Small and Medium Format) do các máy ảnh lắp trên thiết bị bay không người lái (UAV hoặc Drones) cung cấp. Pix4D và Agisoft PhotoScan hiện đang là các phần mềm ứng dụng chiếm ưu thế trên thị trường theo số liệu điều tra thu được lần này. Thông qua kết quả của một cuộc điều tra khác được Michael Schwind và Michael Starek công bố trong ấn bản GIM International năm 2017 thì cả hai phần mềm Pix4D và Agisoft PhotoScan đều khá tương đồng về mặt mật độ, khoảng cách và số lượng điểm trong quá trình xử lý chuyển đổi đám mây điểm.

Bên cạnh hai phần mềm Pix4D và Agisoft PhotoScan thì những phần mềm khác cũng được người sử dụng tìm kiếm lựa chọn gồm Inpho (Trimble), ContextCapture (Bentley), DroneDeploy, Photomod (Racurs), Correlator3D (SimActive) và SURE (nFrame).

Mô hình 3D khu vực đô thị

được dựng bởi phần mềm Context Capture của Bentley

NHỮNG ĐẶC ĐIỂM NGƯỜI DÙNG QUAN TÂM

Đứng đầu trong danh sách những nội dụng mà mọi người dành sự quan tâm nhất đó chính là độ chính xác (lên tới hơn 65%), tiếp theo đó là độ phân giải không gian/mật độ điểm (chỉ trên 50%) và mức độ tin cậy của phần mềm xử lý (33%). Những mối quan tâm còn lại liên quan đến các khía cạnh khác của quy trình triển khai như mức độ thân thiện trong giao thức của phần mềm xử lý, quy trình thực hiện đơn giản hay khả năng xử lý số liệu song song.

Tổng quan về những đặc điểm người sử dụng quan tâm

khi lựa chọn mua giải pháp đo vẽ hàng không nói chung.

Cũng không hề ngạc nhiên khi độ chính xác luôn được coi là yếu tố quan trọng hàng đầu. Tuy nhiên, độ chính xác lại chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố liên quan. PhotoModeler Technologies (thường được biết đến với trên gọi khác Eos Systems) công bố một blog có tên “Factors Affecting Accuracy in Photogrammetry” phân tích các khía cạnh luôn có ảnh hưởng tới độ chính xác trong đo vẽ ảnh hàng không. Theo như công bố trên blog, độ chính xác cao có liên quan mật thiết với độ phân giải ảnh, định chuẩn camera, góc chụp, chất lượng định hướng khối ảnh, ảnh chụp dự phòng và độ phủ, độ chính xác mốc và mục tiêu đánh dấu.

Một trong những yếu tố quan trọng nhất đó là làm thế nào để có được những bức ảnh tốt nhất. Sau tất cả các yếu tố ảnh hưởng tới độ chính xác, thì chất lượng ảnh đầu vào là vô cùng quan trọng. Các công ty đo vẽ ành hàng không luôn tìm mọi cách để tối ưu hoá độ phân giải ảnh, nhưng bản thân những nhà chuyên nghiệp trong lĩnh vực địa không gian còn có thể làm được nhiều hơn nữa để nâng cao các kết quả xử lý. Như vậy sự thật đã được làm rõ, số liệu đầu vào chất lượng cao sẽ cho chúng ta những sản phẩm đầu ra chất lượng cao.

NHỮNG ĐẶC ĐIỂM MÀ CÁC CHUYÊN GIA ĐỊA KHÔNG GIAN KHÔNG THÍCH

Để có được bức tranh trung thực về thị trường đo vẽ ảnh hàng không nói chung, chúng tôi cũng đã hỏi bạn đọc về những yếu tố khi lựa chọn đầu tư giải pháp thu nhận số liệu không gian mà họ ít quan tâm hoặc không thích nhất. Câu trả lời của những người được hỏi thể hiện chi tiết trong Biểu đồ 3 dưới đây. Sau khi phân tích kỹ những câu trả lời nhận được từ phía bạn đọc tham gia khảo sát, rõ ràng những nhà cung cấp các giải pháp đo vẽ hàng không vẫn có nhiều việc phải làm. Những phàn nàn tập trung nhiều vào yêu cầu đầu tư các nguồn lực máy tính đắt tiền (trên 40% than phiền về điều này), khả năng xử lý số liệu rất chậm (28%), lỗi phần mềm (26%). Hạn chế về số lượng định dạng số liệu có thể sử dụng (21%) và một yếu tố nữa là yêu cầu kinh nghiệm kỹ thuật trong vận hành phần cứng thiết bị và phần mềm (22%). Hy vọng rằng những phản hồi này sẽ giúp các nhà sản xuất và cung cấp các giải pháp đo vẽ hàng không những định hướng cần thiết trong bước phát triển tiếp theo.