Ứng dụng công nghệ thiết bị bay không người lái UAV Inspire 2 xây dựng bản đồ 3D cho mỏ lộ thiên
THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ
ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ THIẾT BỊ BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI UAV
INSPIRE 2 XÂY DỰNG BẢN ĐỒ 3D CHO MỎ LỘ THIÊN
KS. Trần Vũ Thăng, ThS. Nguyễn Duy Long
Viện Khoa học Công nghệ Mỏ - Vinacomin
TS. Nguyễn Viết Nghĩa
Trường Đại học Mỏ - Địa chất
Biên tập: TS. Nhữ Việt Tuấn
Tóm tắt:
Ngày nay, sự xuất hiện của các thiết bị bay không người lái (UAV) thực sự là cuộc cách mạng giúp
cho công tác khảo sát đo vẽ thành lập bản đồ, giám sát và theo dõi sự biến động các thành phần và các
đối tượng trên bề mặt Trái đất ngày càng hiệu quả. Trên thế giới, đã có nhiều nghiên cứu ứng dụng
UAV trong xây dựng mô hình 3D các công trình và trong đo đạc địa hình và công trình. Hiện nay, các
nghiên cứu ứng dụng UAV trong thành lập bản đồ khai thác mỏ ở Việt Nam chưa nhiều. Vẫn chưa có
một nghiên cứu nào về ứng dụng công nghệ này trong thành lập mô hình số độ cao (DEM) ở các mỏ
lộ thiên khai thác sâu, chênh cao địa hình trên bề mặt mỏ và đáy moong lớn tại Việt Nam. Do đó, mục
tiêu chính của bài báo là đánh giá độ chính xác DEM thành lập từ phương pháp đo ảnh máy bay không
người lái UAV cho địa hình mỏ lộ thiên khai thác sâu.
1. Thiết bị bay và phần mềm xử lý
1.1. Thiết bị bay Inspire 2
bấm điều khiển quá trình bay, có cổng kết nối với
máy tính bảng hoặc điện thoại thông minh để cài
Hiện nay, trên thế giới có nhiều thiết bị bay đặt các thông số bay chụp hoặc hình hiển thị ảnh
được sử dụng trong đo đạc khảo sát địa hình như: chụp trực tiếp từ máy bay (Hình 1).
Mavic 2, DJI Mavic Air 2, Matrice 300 RTK, Inspire
2; trong đó, Inspire 2 là thiết bị bay điển hình,
1.2. Bộ phận chụp ảnh (camera)
Camera của Inspire 2 có thể tùy biến, có thể
được được sử dụng khá rộng rãi. Trọn bộ thiết bị dùng các camera có cùng một kiểu ngàm kết
Inspire 2 bao gồm thân máy và bộ điều khiển. Các nối với thân máy bay. Hiện nay, 2 loại camera là
bộ phận chính gắn trên thân máy bao gồm các Zenmuse X4S và Zenmuse X5S (Hình 2) được sử
cảm biến tránh va đập theo 5 hướng, bốn mô tơ, dụng khá rộng rãi. Các camera này có thể chụp
4 cánh quạt có thể tháo rời, chân hạ cánh cố định ảnh tĩnh với độ phân giải 24 MP ở định dạng JPEG
phía bên dưới. Bộ điều khiển từ xa gồm các nút hoặc DNG RAW, có khả năng quay video với độ
Hình 1. Bộ thiết bị bay Inspire 2
KHCNM SỐ 2/2021 * ĐỊA CƠ MỎ
51
THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ
Hình 2. Camera của thiết bị bay Inspire 2
phân giải 4K. Cảm biến camera có kích thước lớn Business Center, Erdas Leica Photogrammetry
hơn các thế hệ trước đó, nên trong điều kiện thiếu Suite,PhotoModelerScanner,Pix4UAVDesktop,...
sáng, có thể tạo ra ảnh/video chất lượng tốt hơn. Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả sử dụng phần
Ống kính của camera có khẩu độ lớn nhất F/2.8, mềm Agisoft Photoscan phiên bản 1.42 để xử lý
cho góc nhìn rộng 94 độ, được thiết kế đặc biệt để toàn bộ quy trình từ khớp ảnh, tạo đám mây điểm,
chống méo ở vùng rìa ảnh. Camera được nối với xây dựng mô hình số bề mặt (DSM), và thành lập
bộ chống rung 3 chiều giúp cho ảnh chụp ổn định bình đồ ảnh. Theo các kết quả nghiên cứu (Sona
(DJI, 2017). Các thông số chụp ảnh có thể đặt ở Giovanna, et al., 2014), đây là phần mềm xử lý
chế độ tự động hoặc điều khiển thông qua bộ điều ảnh UAV tốt nhất. Giao diện phần mềm Agisoft
khiển mặt đất.
Photoscan thể hiện tại Hình 3.
1.3. Phần mềm xử lý ảnh chụp từ UAV
2. Thực nghiệm xây dựng mô hình DSM cho
Hiện nay có nhiều phần mềm xử lý ảnh UAV mỏ lộ thiên sâu
khác nhau như Agisoft Photoscan, ENVI, Trimple 2.1. Địa điểm thực nghiệm bay chụp
Hình 3. Giao diện phần mềm Agisoft Photoscan
KHCNM SỐ 2/2021 * ĐỊA CƠ MỎ
52
THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ
Hình 4. Thiết bị đo GNSS/RTK và tiêu đánh dấu điểm khống chế
HÌnh 5. Phân bố điểm nắn ảnh và điểm đánh giá độ chính xác
Phần thực nghiệm được tiến hành tại mỏ lộ
Điểm khống chế ảnh được đo đạc bằng công
thiên Cọc Sáu. Đây là một trong những mỏ lộ thiên nghệ định vị vệ tinh (GNSS) xử lý thức thời (Real
khai thác than sâu nhất tại Việt Nam, hiện tại đáy Time Kinematic - RTK). Những điểm này được sử
moong có độ sâu - 250 m, chênh cao với bề mặt dụng cho hai mục đích là nắn ảnh về hệ tọa độ
mỏ khoảng 500 m, diện tích bay chụp là 400 ha.
VN - 2000 và đánh giá độ chính xác của mô hình
bề mặt (DSM). Các tiêu đánh dấu điểm khống chế
2.2. Xây dựng điểm khống chế và kiểm tra
KHCNM SỐ 2/2021 * ĐỊA CƠ MỎ
53
THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ
ảnh có đường kính 50 cm, được làm bằng vật liệu đập vào các ngọn núi, độ cao bay chụp được lựa
phản chiếu cao để tăng cường độ tương phản, dễ chọn sao cho luôn cao hơn điểm cao nhất của khu
dàng phát hiện trên ảnh (Hình 4). Tổng số điểm vực bay. Do hạn chế về dung lượng pin, nên thời
khống chế và kiểm tra là 35 điểm, trong đó 17 gian bay mỗi ca chỉ xấp xỉ 20 phút. Vì thế để hoàn
điểm dùng để nắn ảnh và 8 điểm còn lại dùng để thành được diện tích bay chụp lớn, cần thiết kế
đánh giá độ chính xác mô hình, các điểm dùng để nhiều dải bay liên tiếp. Độ phủ ngang và phủ dọc
đánh giá độ chính xác được phân bố đều trên khu của các tuyến bay thiết kế là 70%.
vực bay chụp và nằm ở các độ cao khác nhau,
đảm báo tính khách quan trong đánh giá kết quả mặt (DSM)
(Hình 5). Độ chính xác của mô hình DSM mỏ được đánh
2.3. Thiết kế và thực hiện bay chụp giá trên cơ sở so sánh tọa độ và độ cao của các
3. Đánh giá độ chính xác của mô hình số bề
Quá trình bay chụp được thiết kế trên phần điểm trên mô hình với các điểm khống chế mặt
mềm Pix4D Capture (Hình 6), có thể thiết kế độ đất, độ chính xác của mô hình 3D được đánh giá
cao bay, tốc độ bay, độ chồng phủ theo hướng theo các công thức sau:
dọc và ngang, góc chụp ảnh,... Khi cài đặt ở chế
∆X = XDSM − XCCP
độ bay an toàn (Safe mode), UAV sẽ tự động bay
theo các dải đã thiết kế bao gồm tự động cất cánh,
∆Y = YDSM −YCCP
bay lên độ cao thiết kế, sau đó bay đến các điểm
thiết kế để dừng và chụp ảnh như đã thiết lập
trong phần mềm. Khi ảnh cuối cùng được chụp
xong, UAV sẽ tự động bay về và hạ cánh tại điểm
xuất phát. Trong quá trình bay chụp, trạng thái
hoạt động của UAV và máy ảnh được hiện thị liên
tục trên máy tính bảng hoặc điện thoại thông minh.
Tùy vào độ an toàn của UAV (ví dụ tình trạng
năng lượng của pin, nguy cơ va chạm với vật thể,
động vật trên không,...) người điều khiển có thể
dừng quá trình bay tự động để điều khiển UAV hạ
cánh. Để đảm bảo an toàn cho máy bay, tránh va
(1)
∆Z = ZDSM − ZCCP
∆XYZ = XYZDSM − XYZCCP
n
1
2
RMSEX = SQRT
RMSEY = SQRT
⋅
(X
(Y
− XGCPi )
∑
DSM
n
i=1
n
1
2
⋅
−YGCPi )
∑
DSM
n
i=1
Hình 6. Thiết kế dải bay tại cụm mỏ Cọc Sáu
KHCNM SỐ 2/2021 * ĐỊA CƠ MỎ
54
THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ
các điểm dùng để nắn ảnh như sau: sai số trung
n
1
2
bình các thành phần X, Y, XY, Z, XYZ tương ứng
là 0,011 m, 0,017 m, 0.016 m, 0,049 m và 0,051 m.
Sai số lớn nhất theo trục X là - 0,025 m và trục Y là
0,028 m, sai số tổng hợp mặt bằng theo cả trục X
và Y lớn nhất 0,034 m, sai số lớn nhất theo trục Z
là 0,095 m và sai số tổng hợp theo vị trí điểm XYZ
là 0,095 m.
Sai số trung phương của các thành phần X, Y,
XY, Z, XYZ của tất cả các điểm kiểm tra độ chính
xác mô hình số địa hình (DTM) tương ứng là 0,011
m, 0,017 m, 0,016 m, 0,049 m, và 0,051 m (Bảng
2). Sai số lớn nhất theo trục X là - 0,120 m và trục
Y là 0,166 m, sai số tổng hợp mặt bằng theo cả
trục X và Y lớn nhất 0,205 m, sai số lớn nhất theo
trục Z là 0,255 m và sai số tổng hợp theo vị trí
điểm XYZ là 0,309 m. Mô hình DTM của mỏ Cọc
Sáu như trên hình 7.
RMSEZ = SQRT
⋅
(Z
− ZGCPi )
∑
DSM
n
i=1
n
1
2
RMSEXYZ = SQRT
⋅
(XDSM − XGCPi ) +
∑
n
i=1
+ (YDSM −YGCPi )2 + (ZDSM − ZGCPi
)
2
(2)
Trong đó: ∆X, ∆Y, ∆X , ∆Z, ∆XYZ - Các giá trị
chênh lệch các thành phần tọa độ, độ cao và vị
trí điểm; RMSE - Sai số trung phương; n tổng số
điểm kiểm tra; XGCPi và XDSM, YGCPi và YDSM, ZGCPi và
ZDSM - Tương ứng là thành phần tọa độ theo trục
X, trục Y và trục Z của điểm khống chế và mô hình
DSM.
4. Kết quả và thảo luận
Từ kết quả đánh giá độ chính xác ở trên cho
thấy mô hình DTM có độ trùng khớp cao với địa
hình thực tế. Theo qui phạm Việt Nam ngành
Sau khi xử lý ghép ảnh bằng phần mềm Agisoft
Photoscan, sai số trung phương của tất cả các
điểm nắn ảnh như trong Bảng 1. Cụ thể, sai số của
Bảng 1. Tọa độ và độ cao các điểm nắn ảnh và độ chính xác
Sai số ∆X
(m)
Tên điểm
Sai số ∆Y (m) Sai số ∆XY (m) Sai số ∆Z (m) Sai số ∆XYZ (m)
GCP01
0,003
0,002
0,004
0,015
0,011
- 0,02
0,012
0,058
GCP02
danho
- 0,004
- 0,014
GCP04
T2
- 0,012
- 0,004
0,007
0,001
0,013
0,012
0,014
0,010
0,005
0,034
0,019
0,008
0,008
0,008
0,013
0,010
0,030
0,020
0,015
0,009
0,016
0,021
0,013
0,016
0,019
0,019
0,054
0,072
0,057
0,026
0,095
0,016
0,092
0,011
0,07
T5
0,007
- 0,016
- 0,054
- 0,063
- 0,054
- 0,025
0,095
T7
0,005
- 0,002
- 0,028
- 0,012
- 0,007
0,001
T8
- 0,02
T14
T18
T19
T20
T21
T22
T27
T29
T30
T1
0,015
0,004
- 0,008
- 0,007
- 0,007
0,006
- 0,003
- 0,011
- 0,008
- 0,017
0,012
- 0,014
0,091
0,004
- 0,025
- 0,016
- 0,007
- 0,004
0,011
0,063
0,079
0,081
0,032
0,019
0,051
- 0,013
- 0,008
0,017
- 0,028
- 0,017
0,049
RMSE
KHCNM SỐ 2/2021 * ĐỊA CƠ MỎ
55
THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ
Bảng 2. Tọa độ và độ cao các điểm kiểm tra và độ chính xác.
Sai số ∆X
(m)
Sai số ∆Z
(m)
Sai số ∆ XYZ
(m)
Tên điểm
Sai số ∆Y (m) Sai số ∆XY (m)
GCP03
T3
0,120
- 0,060
- 0,098
- 0,005
0,053
0,069
0,094
0,022
0,035
0,044
0,033
- 0,016
0,006
0,070
- 0,079
- 0,108
0,082
0,006
0,066
0,166
- 0,020
0,000
0,205
0,063
0,098
0,032
0,053
0,078
0,133
0,022
0,037
0,054
0,095
0,066
0,058
0,136
0,079
0,169
0,128
0,016
0,090
- 0,195
- 0,080
0,128
0,283
0,102
0,161
0,210
0,309
0,267
0,199
0,150
0,097
0,065
0,125
0,068
0,059
0,144
0,079
0,232
0,145
0,139
0,164
T4
T6
- 0,032
- 0,003
0,037
- 0,207
- 0,204
0,255
T9
T10
T11
- 0,094
0,003
0,148
T12
- 0,148
0,090
T15
- 0,011
- 0,032
- 0,089
- 0,064
- 0,058
0,077
T16
- 0,035
- 0,081
- 0,075
- 0,071
0,085
T17
T23
T24
T25
T26
0,002
- 0,071
0,159
T28
- 0,017
- 0,062
0,015
T31
0,068
GCP02 dato
RMSE
0,138
0,061
0,138
Hình 7. Mô hình 3D mỏ Cọc Sáu
KHCNM SỐ 2/2021 * ĐỊA CƠ MỎ
56
THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ
Trắc địa mỏ (Bộ Công Thương 2015) và thông tư “Thông tư 68/2015/TT - BTNMT: Quy định kỹ thuật
số 68/2015/TT - BTNMT (Bộ Tài Nguyên và Môi đo đạc trực triếp địa hình phục vụ thành lập bản
Trường 2015), độ chính xác của cả hai mô hình ở đồ địa hình và cơ sở dữ liệu nền địa lý tỷ lệ 1:500,
trên là đáp ứng được yêu cầu thành lập bản đồ địa 1:1000, 1:2000, 1:5000.”
hình tỷ lệ lớn 1:1000.
[3]. Bùi Ngọc Quý, Phạm Văn Hiệp, (2017).
Từ mô hình 3D, sử dụng các phần mềm đồ họa “Nghiên cứu xây dựng mô hình 3D từ dữ liệu ảnh
như Autocad, Microstation để biên tập các bản đồ máy bay không người lái (UAV).” Tạp chí Khoa
địa hình, bản đồ hiện trạng sử dụng đất của các học kỹ thuật Mỏ - Địa chất.
mỏ,… Nhờ mô hình có độ phân giải cao, hình ảnh
trực quan, chân thực, rõ nét và chính xác, quá Mạnh Hùng, Đồng Bích Phương, Nhữ Việt Hà,
trình biên tập bản đồ thuận lợi. Trần Trung Anh, Nguyễn Quang Minh, (2016).
[4]. Bùi Tiến Diệu, Nguyễn Cẩm Vân, Hoàng
Trong nghiên cứu này độ chính xác đạt được “Xây dựng mô hình số bề mặt và bản đồ trực ảnh
có thể dùng để thành lập bản đồ tỷ lệ 1:1000. sử dụng công nghệ đo ảnh máy bay không người
Trong các nghiên cứu tiếp theo, tác giả sẽ tập lái”. Hội nghị khoa học: Đo đạc bản đồ với ứng phó
trung theo hướng điều chỉnh độ cao bay chụp, biển đổi khí hậu, Hà Nội.
tăng tỷ lệ chồng phủ dọc và ngang, cũng như thay
[5]. Võ Chí Mỹ, Robert Dudek, (2015). Nghiên
đổi góc chụp của camera đối với các sườn tầng cứu khả năng ứng dụng máy bay không người lái
dốc nhằm đạt được độ chính xác cao hơn.
trong công tác trắc địa mỏ và giám sát môi trường
Tài liệu tham khảo:
mỏ”, Tuyển tập Hội nghị khoa học và Công nghệ
[1]. Bộ Công Thương, (2015). “Tiêu chuẩn Việt mỏ Việt Nam: “Công nghiệp mỏ Việt Nam - cơ hội
Nam ngành Trắc Địa Mỏ.”
và thách thức”, Vũng Tàu.
[2]. Bộ Tài Nguyên và Môi Trường, (2015).
Application of the UAV Inspire in the 3-D map construction for open pit mines
Eng. Tran Vu Thang, MSc. Nguyen Duy Long
Vinacomin – Instiute of Mining Science and Technology
Dr. Nguyen Viet Nghia - Hanoi University of Mining and Geology
Abstract:
Nowadays, the appearance of unmanned aerial vehicles (UAVs) is truly revolutionary for surveying,
mapping, monitoring and tracking of fluctuations of components and objects on the Earth’s surface,
which is increasingly effective. In the world, there have been lots of researches and applications of UAVs
in the 3-D model construction of buildings and in measurement of topography and buildings. Currently,
researches on the UAV application in mining map construction mining in Vietnam are still not much.
There has not been any research on the application of this technology in establishment of the digital
elevation model (DEM) in deep open pit mines, the topographic elevation on the mine surface and the
large pit bottom in Vietnam. Therefore, the main objective of the paper is to evaluate the accuracy of the
DEM establishment from the UAV’s image measurement method for the deep mining open pit terrain.
KHCNM SỐ 2/2021 * ĐỊA CƠ MỎ
57
7 trang
10340
Free
Bạn đang xem tài liệu "Ứng dụng công nghệ thiết bị bay không người lái UAV Inspire 2 xây dựng bản đồ 3D cho mỏ lộ thiên", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- ung_dung_cong_nghe_thiet_bi_bay_khong_nguoi_lai_uav_inspire.pdf
