TEDI ứng dụng công nghệ chụp ảnh hàng không bằng máy bay không người lái

TEDI ứng dụng công nghệ UAV vào Dự án đường cao tốc Hạ Long - Vân Đồn

Qua các bài báo và công trình nghiên cứu ứng dụng thiết bị bay không người lái (UAV) (Unmanned Aerial Vehicle - Phương tiện hàng không không người lái) hay còn gọi là Hệ thống máy bay không người lái UAS (Unmanned Aircraft System) vào việc chụp ảnh tại một số dự án tại Việt Nam như khai thác mỏ, hành lang tuyến điện cao thế, bản đồ địa hình tỷ lệ 1/500 đã cho thấy những ưu điểm nổi bật như tiến độ thực hiện, quy trình bay chụp xử lý ảnh nhanh, độ chính xác cao và dễ dàng tạo mô hình dữ liệu số 3D, đặc biệt thích hợp với những dự án thành lập bản đồ khu vực nhỏ, hẹp dạng tuyến như các công trình giao thông.

Với công nghệ UAV cho phép ta lập bản đồ địa hình với dải băng tuyến đủ rộng với thời gian ngắn để nghiên cứu hướng tuyến mà với các phương pháp truyền thống không cho phép do chi phí quá cao và tiến độ gấp, do đó cho phép người kỹ sư thiết kế có nhiều lựa chọn trong cách nhìn nhận tổng quan để lựa chọn được hướng tuyến tối ưu nhất cho dự án và có tính thuyết phục nhất đối với các chủ thể liên quan trong trình bày báo cáo phản biện dự án…

Tổng quan về công nghệ

Cấu tạo hệ thống chụp ảnh hàng không kỹ thuật số bằng máy bay không người lái (UAV) để xây dựng bản đồ địa hình được chia thành 4 thành phần chính: Hệ thống máy bay, Máy ảnh kỹ thuật số, Trạm điều khiển mặt đất và Trạm xử lý ảnh tạo mô hình số mặt đất.

Hệ thống máy bay: Hệ thống bao gồm: Thân máy bay, đầu thu GPS, cảm biến tốc độ gió, cảm biến độ cao, cảm biến áp xuất, cảm biến cân bằng và bộ thu phát tín hiệu. Ngoài ra trên máy bay còn mang theo 1 quả pin dùng để cung cấp nguồn điện cho toàn bộ các thiết bị trên máy bay.

TEDI ứng dụng công nghệ UAV vào Dự án hoàn thiện đường cao tốc Hà Nội - Thái Nguyên

Máy bay không người lái có nhiều hình dạng và kích cỡ khác nhau, mỗi loại đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, do đó tùy từng công việc cụ thể mà người sử dụng lựa chọn loại máy bay phù hợp. UAV được chia ra làm 2 loại chính theo cấu tạo là máy bay cánh cố định (Fixed Wing UAV) và máy bay cánh quay (Rotary Wing UAV).

Máy ảnh kỹ thuật số: Thông thường các máy ảnh sử dụng để chụp ảnh mặt đất bằng UAV là các loại máy ảnh kỹ thuật số có kích thước nhỏ gọn, có tiêu cự cố định và khả năng lấy nét tự động.

Trạm điều khiển mặt đất: Mỗi hệ thống máy bay UAV đều phải được điều khiển bằng trạm điều khiển mặt đất. Cấu tạo của trạm điều khiển mặt đất bao gồm 2 bộ phận chính. Thứ nhất, máy tính bảng hoặc điện thoại thông minh được cài đặt phần mềm lập trình bay và điều khiển bay. Đây là các phần mềm chuyên dụng để thiết kế bay, điều khiển bay và có thể lập kế hoạch vị trí hướng cất cánh, hạ cánh tại thực địa. Thứ hai, Bộ điều khiển có thiết bị thu phát tín hiệu dùng để kết nối máy tính bảng với máy bay.

Trạm xử lý ảnh UAV tạo mô hình số mặt đất: Trạm xử lý ảnh bao gồm máy tính trạm Workstations có cấu hình mạnh được cài đặt phần mềm chuyên xử lý ảnh máy bay để tạo mô hình số mặt đất. Đặc điểm chung của các phần mềm xử lý này là từ các bức ảnh số được chụp từ UAV với độ phủ từ 70 - 90%, sau khi xử lý sẽ tạo ra mô hình đám mây điểm (Point Cloud), mô hình số bề mặt (DSM), mô hình số độ cao (DEM) và ảnh trực giao (Orthomosaic).

Quy trình thực hiện và kết quả đạt được

Công tác chuẩn bị bao gồm hoạch định vị trí và phạm vi cần bay chụp, kiểm tra vùng cấm bay, tiếp đến là kiểm tra các điều kiện thời tiết có phù hợp cho công tác bay chụp hay không. Việc kiểm tra điều kiện thời tiết và vùng cấm bay được thực hiện bởi phần mềm UAV Forecast được cung cấp miễn phí, chạy trên hệ điều hành iOS hoặc Android. Tiếp đến là thiết kế tuyến bay bằng phần mềm chuyên dụng và tiến hành bay chụp ảnh.

Sau khi có kết quả bay chụp, số liệu bay chụp bao gồm ảnh số và tọa độ các điểm khống chế ảnh được đưa vào phần mềm xử lý ảnh Agisoft Photoscan hoặc các phần mềm xử lý ảnh có chức năng tương tự để ghép ảnh và tạo mô hình số mặt đất. Để có được kết quả tốt hơn còn sử dụng một số phần mềm xử lý ảnh kỹ thuật số khác như: Global Mapper, Photoshop…

Kết quả xử lý ảnh UAV

Để đánh giá khả năng ứng dụng của công nghệ chụp ảnh bằng UAV trong khảo sát địa hình mặt đất, TEDI đã tiến hành bay chụp thử nghiệm ở một số công trình cụ thể như: Dự án QL3 (Hà Nội - Thái Nguyên), nút giao Chùa Bộc - Phạm Ngọc Thạch, nút Cổ Bi - QL5, nút giao Bạch Mai - Lê Thanh Nghị, nút giao Kim Đồng - đường Giải Phóng, Dự án Vân Đồn - Móng Cái. Sau khi bay chụp và xử lý số liệu ảnh bằng phần mềm chuyên dụng, sản phẩm có được là mô hình đám mây điểm, mô hình số bề mặt, mô hình số độ cao và bình đồ ảnh trực giao.

Ứng dụng thực tế

Qua thời gian nghiên cứu, thực nghiệm và đạt được một số kết quả nhất định, Tổng công ty Tư vấn Thiết kế GTVT - CTCP (TEDI) đã cho áp dụng công nghệ UAV trong công tác khảo sát, thiết kế ở một số dự án cụ thể mà TEDI đang nghiên cứu như: Các nút giao thông Hà Nội, Dự án đường bộ cao tốc Ninh Bình - Thanh Hóa, tuyến đường bao biển nối TP. Hạ Long với TP. Cẩm Phả và huyện Vân Đồn (tỉnh Quảng Ninh)…

Ứng dụng trong khảo sát, thiết kế các nút giao thông Hà Nội

Các nút giao thông tại Hà Nội do TEDI đang nghiên cứu như: Chùa Bộc - Phạm Ngọc Thạch, Ô Đông Mác - Nguyễn Khoái, Bạch Mai - Lê Thanh Nghị, Cổ Bi - QL5 và Cầu Đại Từ - Linh Đàm... Tại các dự án này, công nghệ UAV được ứng dụng để thực hiện một số hạng mục công việc như: Chụp ảnh mặt đất từ trên cao để xây dựng bình đồ ảnh toàn khu vực để phục vụ công tác thiết kế chọn tuyến; quay video từ trên cao để phục vụ đánh giá tình trạng các phương tiện lưu thông tại nút giao trong giờ cao điểm và kiểm đếm lưu lượng phương tiện giao thông.

Ứng dụng trong khảo sát, thiết kế Dự án Ninh Bình - Thanh Hóa và tuyến đường bao biển nối TP. Hạ Long với TP. Cẩm Phả và huyện Vân Đồn

Đối với 2 dự án tuyến đường này thì công nghệ UAV được đưa vào ứng dụng chụp ảnh mặt đất để xây dựng bình đồ ảnh chi tiết toàn tuyến phục vụ công tác nghiên cứu chọn tuyến tối ưu.

Như vậy, qua các kết quả thực nghiệm tại một số công trình kể trên, chúng ta có thể thấy công nghệ chụp ảnh hàng không bằng UAV hoàn toàn có thể ứng dụng tốt trong công tác khảo sát địa hình phục vụ thiết kế các công trình giao thông, đặc biệt phù hợp với các tuyến đường mới.

Đặc điểm của công nghệ chụp ảnh hàng không bằng UAV là bay chụp theo từng dải bay, do đó rất phù hợp để ứng dụng trong công tác khảo sát địa hình các công trình dạng tuyến như các tuyến đường giao thông. Việc kết hợp phương pháp đo truyền thống với phương pháp bay chụp sẽ đem lại hiệu quả và độ chính xác cao. Việc sử dụng công nghệ này sẽ cho ta sản phẩm là mô hình số độ cao, bình đồ ảnh một cách nhanh chóng và trực quan, giúp cho người thiết kế chọn được các phương án tuyến tối ưu, phù hợp cho công tác giải phóng mặt bằng và bước lập đề xuất dự án.

Để có thể ứng dụng công nghệ chụp ảnh hàng không bằng UAV vào các dự án cần độ chính xác và mức độ chi tiết cao như thiết kế kỹ thuật thì cần phải tiếp tục nghiên cứu, đánh giá độ chính xác của kết quả bay chụp cũng như hoàn thiện phương pháp xử lý ảnh để nâng cao độ chính xác, đặc biệt trong các địa hình có thực phủ lớn và khu vực đông dân cư. Ngoài ra, cần nghiên cứu và đưa ra quy trình số hóa bản đồ 3D từ mô hình đám mây điểm và bình đồ ảnh trực giao để có sản phẩm phù hợp với quy trình, quy phạm hiện hành.