Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu công nghệ quét laser 3D mặt đất lĩnh vực địa hình và phi địa hình tại Việt Nam - Ngô Sỹ Cường

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO NGÔ SỸ CƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT NGÔ SỸ CƯỜNG NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ QUÉT LASER 3 CHIỀU MẶT ĐẤT TRONG LĨNH VỰC ĐỊA HÌNH LUẬN ÁN TIẾN SĨ VÀ PHI ĐỊA HÌNH Ở VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA – BẢN ĐỒ HÀ NỘI - 2022 HÀ NỘI - 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT NGÔ SỸ CƯỜNG NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ QUÉT LASER 3 CHIỀU MẶT ĐẤT TRONG LĨNH VỰC ĐỊA HÌNH VÀ PHI ĐỊA HÌNH Ở VIỆT NAM NGÀNH : KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ MÃ SỐ : 9520503 LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Trần Xuân Trường HÀ NỘI - 2022 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân, được xuất phát từ yêu cầu phát sinh trong công việc để hình thành hướng nghiên cứu. Các số liệu có nguồn gốc rõ ràng tuân thủ đúng nguyên tắc và kết quả trình bày trong luận án được thu thập trong quá trình nghiên cứu là trung thực, chưa từng được ai công bố. Hà Nội, ngày tháng năm 2022 Tác giả Ngô Sỹ Cường ii LỜI CẢM ƠN Sau thời gian học tập, nghiên cứu tại Trường Đại học Mỏ - Địa chất, tôi đã hoàn thành Luận án Tiến sĩ với kết quả là đề tài “Nghiên cứu công nghệ quét Laser 3 chiều mặt đất trong lĩnh vực địa hình và phi địa hình ở Việt Nam”. Luận án này hoàn thành ngoài sự nỗ lực, phấn đấu của bản thân, đó là sự quan tâm giúp đỡ của quý thầy, quý cô đang giảng dạy tại Trường Đại học Mỏ - Địa chất đã trang bị nguồn kiến thức về công nghệ quét Laser 3 chiều gắn với việc xây dựng dữ liệu trắc địa – bản đồ nhanh chóng, chính xác và gợi mở cho tôi những hướng nghiên cứu mới trong quá trình học tập.

Xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ quý báu đó. Đặc biệt xin trân trọng cảm ơn PGS. Trần Xuân Trường đã quan tâm, tạo điều kiện, hướng dẫn tận tình về nội dung và phương pháp nghiên cứu khoa học để tôi hoàn thành Luận án. Xin chân thành cảm ơn tới các thầy, cô giáo đang công tác tại Khoa Đào tạo Sau đại học Trường Đại học Mỏ - Địa chất; Ban lãnh đạo Công ty Tài nguyên và Môi trường Việt Nam đã tạo điều kiện thuận lợi, cung cấp tài liệu, số liệu, giúp tôi có cơ sở để nghiên cứu và hoàn thành Luận án của mình.

Cuối cùng, xin cảm ơn sự chia sẻ, động viên, ủng hộ của gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã hỗ trợ trong suốt quá trình học tập để tôi đạt được kết quả nghiên cứu này. Tác giả iii MỤC LỤC Lời cam đoan. ii Danh mục các chữ viết tắt. vii Danh mục các bảng.

viii Danh mục các hình vẽ. ix MỞ ĐẦU. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ QUÉT LASER 3D MẶT ĐẤT TRONG LĨNH VỰC ĐỊA HÌNH VÀ PHI ĐỊA HÌNH. Sơ lược về công nghệ quét laser.

Công nghệ quét Laser cố định. Công nghệ quét laser di động. Các tiêu chí phân loại thiết bị quét laser mặt đất. Đánh giá một số loại máy quét laser mặt đất đang sử dụng ở Việt Nam.

Tổng quan về các công trình nghiên cứu công nghệ quét laser mặt đất. Trên thế giới. Một số ứng dụng công nghệ quét laser 3D mặt đất. Đo vẽ và đánh giá biến động địa hình.

Ứng dụng trong lĩnh vực phi địa hình. Những vấn đề được phát triển trong luận án. Đánh giá ban đầu về hiệu quả khi sử dụng công nghệ quét laser 3D mặt đất trong lĩnh vực địa hình .31 Tiểu kết Chương 1. CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ CÁC NGUỒN SAI SỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN KẾT QUẢ QUÉT LASER 3D MẶT ĐẤT.

Nguyên lý hoạt động của hệ thống quét laser mặt đất. Nguyên lý hoạt động khối đo dài của thiết bị quét laser mặt đất. Nguyên lý hoạt động của khối quay thiết bị quét laser mặt đất. Các phương pháp đo góc bằng hệ thống quét laser mặt đất.

Các nguồn sai số ảnh hưởng đến kết quả quét laser mặt đất. Phân loại các sai số quét laser mặt đất. Những sai số thiết bị quét laser mặt đất. Các sai số phương pháp khi quét laser mặt đất .54 Tiểu kết Chương 2.

XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH XỬ LÝ DỮ LIỆU QUÉT LASER 3D MẶT ĐẤT TRONG LĨNH VỰC ĐỊA HÌNH. Thuật toán lọc điểm từ dữ liệu đám mây điểm để thành lập DEM. Thuật toán lọc dữ liệu dựa trên đám mây điểm được phân đoạn. Thuật toán lọc dữ liệu quét laser mặt đất bằng bộ lọc thích ứng độ dốc và xử lý dữ liệu thô bằng việc phân cụm.

Thuật toán lọc dữ liệu quét bằng bổ sung mô hình hóa bề mặt và phát triển mô hình TIN tăng cường bộ lọc. Xây dựng chương trình xử lý lọc đám mây điểm tự động. Sơ đồ khối của chương trình. Mô tả các bước của sơ đồ khối.

Đặc điểm chính của chương trình. Thực nghiệm để so sánh, đánh giá độ chính xác DEM sau khi áp dụng xử lý lọc đám mây điểm tự động. Khu vực tiến hành thực nghiệm thu thập dữ liệu. Kết quả thực nghiệm và đánh giá độ chính xác.

Đánh giá ưu, nhược điểm chương trình xử lý dữ liệu đám mây điểm. Nhược điểm. Định hướng phát triển .102 Tiểu kết Chương 3. XÂY DỰNG QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ QUÉT LASER 3D MẶT ĐẤT CHO VIỆC KHẢO SÁT MỘT SỐ ĐỐI TƯỢNG PHI ĐỊA HÌNH.

Quy trình công nghệ xây dựng mô hình 3D các đối tượng phi địa hình bằng quét laser mặt đất. Quy trình công nghệ. Khảo sát thực địa. Lập phương án thi công.

Thu nhận dữ liệu. Kiểm tra dữ liệu tại thực địa. Xử lý dữ liệu nội nghiệp. Trích xuất các sản phẩm.

Thực nghiệm quét laser 3D mặt đất đối với đối tượng hang động. Phạm vi và đối tượng hang động tiến hành thực nghiệm. Khảo sát địa hình, địa vật. Phương án đặt trạm máy và tiêu.

Thu thập số liệu. Kiểm tra sai số ghép nối. Trích xuất các sản phẩm 3D thực nghiệm. Thực nghiệm ứng dụng quét laser 3D mặt đối với tuyến phố cổ.

Khu vực các tuyến phố tiến hành thực nghiệm thu thập dữ liệu. Khảo sát thực địa. Phương án đặt máy quét và thi công thu thập số liệu. Kiểm tra đánh giá độ chính xác và sai số nắn ghép.

Trích xuất sản phẩm 3D thực nghiệm. Thực nghiệm quét laser 3D mặt đất đối với đối tượng di sản văn hóa. Khảo sát thực địa và phương án thi công. Quá trình thu thập dữ liệu chi tiết bảo vật tại các di sản văn hóa.

Kiểm tra dữ liệu các trạm máy tại thực địa. Trích xuất sản phẩm 3D thực nghiệm. Đánh giá ưu, nhược điểm của công nghệ quét laser mặt đất đối với từng đối tượng phi địa hình. Đối với đối tượng là hang động.

Đối với đối tượng là tuyến phố. Đối với đối tượng là di sản văn hóa và bảo vật. So sánh các bước trong quy trình quét các đối tượng phi địa hình. Ứng dụng của sản phẩm .130 Tiểu kết Chương 4 .130 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .131 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN NỘI DUNG LUẬN ÁN .133 TÀI LIỆU THAM KHẢO .142 vii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT Chữ viết tắt Chữ viết đầy đủ tiếng Anh Chữ viết đầy đủ tiếng Việt 1 3D Three Dimentions Ba chiều 2 ALS Aerial Laser Scanning Hệ thống quét laser 3D hàng không 3 BS Backsight Hướng ngắm phía sau 4 CSDL Cơ sở dữ liệu 5 CSF Cloth Simulation Filtering Bộ lọc mô hình hóa bề mặt 6 DEM Digital Elevation Model Mô hình số độ cao 7 DTM Digital Terrain Model Mô hình số địa hình 8 FS Foresight Hướng ngắm phía trước 9 GIS Geographic Information System Hệ thống thông tin địa lý 10 LIDAR Light detection and ranging Hệ thống phát hiện và đo xa ánh sáng 11 TIN Triangular Irregular Network Mô hình lưới tam giác không đều 12 TLS Terrestrial 3D Laser Scanning Hệ thống quét laser 3D mặt đất viii DANH MỤC CÁC BẢNG TT Tên bảng Trang Bảng 1.

Đặc tính kỹ thuật chính của một số loại hệ thống quét laser mặt đất. Đánh giá so sánh công nghệ quét laser mặt đất so với công nghệ khác. Đại lượng góc quay của gương máy quét laser mặt đất từ thời điểm tín hiệu phát đi tới đối tượng quét và ngược lại về bộ thu. Bảng so sánh dữ liệu quét laser và dữ liệu địa hình đã có.

Bảng đánh giá sai số tuyệt đối của điểm địa vật đặc trưng. Bảng so sánh độ cao của hai phương pháp thành lập DEM. Thông số thiết bị quét laser 3D mặt đất – Faro Focus S350. Bảng so sánh quy trình quét các đối tượng phi địa hình .129 ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ TT Tên hình Trang Hình 1.

Hệ thống MDL Dynascan S250 được đặt trên ôtô. Các hệ thống quét Laser mặt đất phổ biến hiện nay. Khảo sát địa hình mỏ đất tại huyện Lạng Giang – tỉnh Bắc Giang. Mô hình 3D kiến trúc cảnh quan phố Tạ Hiện - Hoàn Kiếm - Hà Nội.

Mô hình 3D trong thiết kế và xây dựng công trình nhà dân dụng. Mô hình 3D “Ngói gắn lá đề” - Hoàng thành Thăng Long- Hà Nội. Mô hình 3D di tích Nhà bát giác – Chùa Láng – Hà Nội. Mô hình 3D đường ống dẫn dầu nhà máy Lọc dầu.

Ứng dụng công nghệ quét laser 3D trong phẫu thuật tạo hình. Ứng dụng trong theo dõi, dự báo, giám sát thảm họa khai thác mỏ. Thành phần và sơ đồ nguyên lý của hệ thống quét laser mặt đất. Chức năng, thành phần cấu tạo chính thiết bị quét laser mặt đất.

Kết quả quét laser mặt đất. Hệ tọa độ điểm trạm quét laser mặt đất. Nguyên lý phương pháp đo xung xác định độ dài khoảng cách. Sơ đồ xác định độ dài khoảng cách bằng phương pháp đo pha.

Nguyên lý làm việc của hệ thống quét laser mặt đất Mensi Soisic. Xác định khoảng cách bằng phương pháp tam giác quét laser. Ảnh hưởng đo kích thước thiết bị tích nạp tới độ sâu quá trình quét. Nguyên lý theo bước định vị ghi góc.

Nguyên lý định vị ghi liên tục góc. Thời gian truyền xung trong không gian .