1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
Trương Xuân Quyền
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG DỮ LIỆU LIDAR PHỤC VỤ CÔNG TÁC
QUẢN LÝ ĐẤT ĐAI KHU VỰC ĐÔ THỊ THUỘC THÀNH PHỐ HÀ
NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG DỮ LIỆU LIDAR PHỤC VỤ CÔNG TÁC
QUẢN LÝ ĐẤT ĐAI KHU VỰC ĐÔ THỊ THUỘC THÀNH PHỐ HÀ
NỘI Chuyên ngành: Bản đồ, viễn thám và Hệ thông tin địa lý
Mã số:60440214
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS Trần Anh Tuấn Hà Nội –2014
3

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu riêng của tôi. Các số liệu, kết
quả trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công
trình nào khác.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài 10
4. Dữ liệu sử dụng 10
5. Phương pháp nghiên cứu 10
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 11
7. Cấu trúc của luận văn 11
Chương 1: TỔNG QUAN ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ LIDARTRONG THÀNH
LẬP BẢN ĐỒ 3D 12
1.1 Một số khái niệm cơ bản 12
1.2 Cơ sở lý thuyết công nghệ Lidar 13
1.2.1 Cấu trúc hệ thống Lidar 13
1.2.2 Nguyên lý hoạt động của Lidar 16
1.2.3. Cơ sở toán học xác định tọa độ của điểm Lidar 21
1.2.4. Độ chính xác xác định vị trí điểm Lidar 24
1.2.5 Nguồn sai số do mô hình toán học xây dựng DEM 27
1.2.6 Nguồn sai số do mật độ điểm quét laser 28
1.2.7 Nguồn sai số do mức độ phức tạp của địa hình 28
1.3 Khả năng ứng dụng của công nghệ tích hợp LiDAR và máy ảnh số trong lĩnh vực
trắc địa bản đồ 29
1.3.1 Sự phụ thuộc của cường độ phản hồi của tín hiệu Lidar vào lớp phủ mặt đất 29
1.3.2 Khả năng ứng dụng ảnh cường độ phản hồi Lidar trong phân loại lớp phủ bề
mặt 30
1.3.3 Khả năng ứng dụng của công nghệ tích hợp LiDAR và máy ảnh số trong lĩnh
vực trắc địa bản đồ 32
1.4 Lịch sử ứng dụng Lidar trên thế giới và Việt nam 35
1.5 Các phương pháp nghiên cứu thành lập bản đồ 3D 37
Chương 2: PHƯƠNG PHÁP THÀNH LẬP BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH 3D TỪ DỮ LIỆU
LIDAR 45
2.1 Dữ liệu sử dụng 45
2.1 Phương pháp triết xuất thông tin lớp phủ bề mặt từ dữ liệu Lidar 46
2.2.1 Lọc điểm và nắn ảnh trực giao 48

Hình 1.1 Mô hình DSM và DTM 12
Hình 1.2 Cơ chế phát xung laser trong hệ thống quét Lidar 14
Hình 1.3 Mô hình hệ thống bay chụp Lidar 16
Hình 1.4 Dữ liệu Lidar trong một dải quét 17
Hình 1.5 Mức độ đâm xuyên và phản hồi của laser khi gặp các đối tượng 18
Hình 1.6: Đám mây điểm Lidar (a) Đám mây điểm của phản hồi đầu (b) Đám mây điểm
của phản hồi cuối 19
Hình 1.7 Cơ sở toán học xác định tọa độ điểm Lidar 21
Hình 1.8 Vị trí hệ thống GPS, IMU, SBF (sensor) trên máy bay 25
Hình 1.9 Toạ độ điểm quét P và anten GPS trong mối quan hệ giữa các hệ toạ độ SBF,
IBF, ECEF (A,B). 26
Hình 1.10: Chùm tia Laser và các xung phản hồi 32
Hình 1.11 Mô hình số địa hình DEM/DTM 33
Hình 1.12 Hiển thị dữ liệu theo tầng độ cao 33
Hình 1.13 Mô hình số bề mặt DSM_FE và DSM_LE 34
Hình 1.14 Nắn ảnh từ phép chiếu xuyên tâm về thẳng đứng 34
Hình 1.15 Xây dựng mô hình 3D (Sông Nhuệ – Hà Đông) 35
Hình 1.16: Mô hình 3D khu vực đô thị từ dữ liệu Lidar 39
Hình 1.17: Mô hình 3D được xây dựng từ dữ liệu đo trực tiếp tại thực địa 40
Hình 1.18: Bản đồ 3D thành lập từ phương pháp ảnh hàng không 41
Hình 1.19: Mô hình 3D thành lập từ bản đồ địa chính 42
Hình 1.20: Mô hình 3D sử dụng ảnh viễn thám 43
Hình 2.1: Quy trình công nghệ thành lập bản đồ 3D từ dữ liệu Lidar 48
Hình 2.2 Loại bỏ chênh cao giữa hai dải bay 48
Hình 2.3 Dữ liệu tập hợp điểm Lidar 48
Hình 2.4 Bóc tách đối tượng địa vật để tạo DTM 49
Hình 2.5 Tham số địa hình trong pháp lọc DTM từ DSM 50
Hình 2.6 Kết quả tạo mô hình số bề mặt (a) và mô hình số địa hình (b) 50
Hình 2.7 Sơ đồ tách lọc đối tượng nhà 51
Hình 2.8 Đối tượng nhà sau khi được tách lọc 53

LIDAR: Light Detection And Ranging: Công nghệ đo dài bằng laser.
TIN: Triangulated Irregular Networks: Tam giác không đều.
8

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay, với biến đổi khí hậu, tai biến cũng ngày càng nhiều hay như với
cuộc sống ngày càng nâng cao, đô thị, giao thông cũng phát triển… để nghiên cứu
các vấn đề về tai biến, hay qui hoạch… đều cần có một cơ sở dữ liệu về địa hình
chính xác và chi tiết. Nền dữ liệu địa hình càng chính xác và chi tiết sẽ giúp cho
việc đánh giá, đưa ra các biện pháp tốt hơn.Với công nghệ ngày càng phát triển đã
không ngừng cải thiện để có thể đưa ra được dữ liệu tốt nhất. Công nghệ xây dựng
các mô hình DEM, DTM cũng ngày càng phát triển.Từ những bản đồ mặt phẳng
đơn thuần dần phát triển lên những bản đồ ba chiều (3D) để đưa đến cho mọi người
xem, người nghiên cứu một cái nhìn trực quan hơn. Các loại bản đồ 3D có thể ứng
dụng trong các nghiên cứu ảnh hưởng của môi trường trong khu vực lòng hồ thủy
điện, ngập lụt, hay nghiên cứu lớp phủ thực vật và các quá trình ngoại sinh liên
quan, giúp cho xây dựng các phương án tìm kiếm cứu hộ, cứu nạn, chỉ huy tham
mưu hay ngay trong cả vấn đề mô phỏng địa hình các công trình văn hóa, kiến trúc
phục vụ quốc kế dân sinh…. Công nghệ LIDAR có những tính năng vượt trội có thể
tạo DTM với hiệu suất cao, độ chính xác lớn, tốc độ nhanh.LIDAR có thể biểu diễn
chi tiết địa hình bề mặt Trái Đất cả ở những vùng địa hình khó khăn, cây phủ dày
đặc và thực hiện trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt, cả ngày và đêm.Đặc biệt
LIDAR có thể giúp thành lập bản đồ 3D thuận lợi hơn so với ảnh hàng không và
ảnh viễn thám.(Molenaar 2008)
Công nghệ Lidar thể hiện sự tiến bộ vượt trội so với các công nghệ khác trong
việc thành lập mô hình số địa hình, mô hình số bề mặt phục vụ công tác lập bản đồ
địa hình, bản đồ không gian ba chiều (bản đồ 3D) và phục vụ cho xây dựng cơ sở
dữ liệu nền thông tin địa lý. Nó cho phép đẩy nhanh tiến độ thi công một cách đáng
kể, giảm chi phí thi công và đạt độ chính xác cao.

được thực hiện:
- Tổng quan tài liệu nghiên cứu ứng dụng Lidar trong việc xây dựng bản đồ
3D.
- Nghiên cứu quy trình xây dựng bản đồ 3D bằng công nghệ lidar.
10

- Xây dựng bản đồ 3D khu vực đô thị thành phố Hà Nội.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
Phạm vi khoa học: Công nghệ LIDAR đang ngày càng phổ biến trên thế giới
và cũng đã xuất hiện ở Việt Nam trong những năm gần đây. Không những vậy,
ngày nay công nghệ ngày càng phát triển, những yêu cầu bức thiết về việc mô
phỏng lại thế giới thực ngày càng tăng. Chính vì vậy giới hạn của nghiên cứu là từ
dữ liệu LIDAR thành lập bản đồ 3D, thí điểm tạithị trấn Kim Bài, Kim Lâm tại
huyện Thanh Oai, Hà Nội Thành Phố Hà Nội
Khu vực thử nghiệm tại thị trấn Kim Bài, Kim Lâm tại huyện Thanh Oai, Hà
Nội trong phạm vi:
Từ 20
0
50'37,5” đến 21
0
51'37,5” độ vĩ Bắc.
Từ 105
0
45’37,5” đến 105
0
47'00” độ kinh Đông.
Khu vực thử nghiệm nằm trong phạm vi mảnh 6 mảnh bản đồ địa hình tỷ lệ
1/2.000, có phiên hiệu mảnh là F-48-80-(73-[d,e,f,g,h,k] ).
4. Dữ liệu sử dụng
Dữ liệu LIDAR thu được từ hệ thống tích hợp máy ảnh số và LIDAR Harrier

7. Cấu trúc của luận văn
Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo luận văn được cấu trúc
trong ba chương:
Chương 1. Tổng quan ứng dụng của công nghệ Lidar trong thành lập bản đồ 3D
Chương 2. Nghiên cứu quy trình ứng dụng dữ liệu Lidar thành lập bản đồ 3D
Chương 3. Ứng dụng công nghệ hoặc dữ liệu Lidar thành lập bản đồ 3D huyện
Thanh Oai, thành phố Hà Nội
12

Chương 1: TỔNG QUAN ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ LIDARTRONG
THÀNH LẬP BẢN ĐỒ 3D

1.1 Một số khái niệm cơ bản
Hiện nay trên thế giới, ngành bản đồ ngày càng phát triền về hai loại bản đồ
là bản đồ 3D và bản đồ động.Nghiên cứu về mô hình bản đồ địa hình 3D cần phân
biệt một số khái niệm cơ bản về DEM, DTM, mô hình bản đồ 3D và mô hình bản
đồ địa hình 3D. Trong đề tài “Nghiên cứu và thử nghiệm thành lập bản đồ địa hình
3D” của viện nghiên cứu địa chính (2004) cũng có đề cập giải thích các khái niệm
này (VNCDC 2004)(Lương Chính Kế 2009)
 “Mô hình số độ cao DEM là mô hình số mô tả cả về mặt phẳng và độ cao của
một số bề mặt.
 Mô hình số địa hình DTM là mô hình số mô tả cả về mặt phẳng và độ cao của
một bề mặt đất nhưng các vật thể trên đó chỉ mô tả về mặt phẳng không mô tả
về độ cao.
 Mô hình số bề mặt DSM là mô hình số độ cao mô tả cả về mặt phẳng lẫn độ
cao của bề mặt đất và bao gồm các cả các đối tượng vật thể trên đó như nhà
cửa, cây, đường giao thông…” (VNCDC 2004)

Hệ thống Lidar bao gồm bộ đầu quét (bộ cảm biến), hệ thống đo quán tính
(IMU), hệ thống GPS, hệ thống quản lý bay, hệ thống camera số và hệ thống các
thiết bị lưu trữ dữ liệu.
14

Bộ máy quét laser (bộ cảm biến): được gắn chính xác vào bên dưới máy bay
có vai trò phát xung laser hẹp đến bề mặt trái đất trong khi máy bay di chuyển với
một tốc độ nhất định. Một máy thu gắn trên máy bay sẽ thu nhận phản hồi của
những xung này khi chúng đập vào bề mặt trái đất và quay trở lại thiết bị thu trên
máy bay. Hầu hết các hệ thống Lidar đều sử dụng một gương quét để tạo ra một dải
xung. Sóng Laser nằm trong dải sóng cận hồng ngoại để phục vụ công tác đo đạc
địa hình, bề mặt trên mặt đất, còn với laser dải sóng xanh lá cây phục vụ công tác
đo sâu dưới mặt nước. Độ rộng của dải quét phụ thuộc vào góc dao động của
gương, và mật độ điểm mặt đất phu thuộc vào các yếu tố như tốc độ máy bay và tốc
độ dao động gương. Tốc độ dao động được xác định bằng cách tính toán tổng thời
gian tia laser rời máy bay, đi đến mặt đất và trở lại bộ cảm biến.

Hình 1.2 Cơ chế phát xung laser trong hệ thống quét Lidar
15

Hệ thống xác định quán tính IMU: Các giá trị góc xoay, góc nghiêng dọc,
nghiêng ngang, hướng bay quét của hệ thống Lidar được xác định chính xác bằng
thiết bị đạo hàng, góc quay gương tức thời và các khoảng cách thu nhận và dữ liệu
GPS được dùng để tính toán tọa độ ba chiều của các điểm Lidar.
Hệ thống GPS: Dữ liệu Lidar được kết hợp với các thông tin vị trí chính xác
thu nhận từ thiết bị GPS và hệ thống thiết bị xác định các thông số định hướng góc
xoay, góc nghiêng dọc, nghiêng ngang cùng đặt trên máy bay. Khi tất cả các thông
tin này được lưu trữ và xử lý, kết quả sẽ là một giá trị tọa độ (x,y,z) chính xác của
mỗi điểm quét được trên mặt đất. Hệ thống GPS cung cấp thông tin về vị trí và thời
điểm thu nhận tín hiệu Lidar. Hệ thống GPS bao gồm một máy thu đặt trên máy bay

i
*C/2
S
i
: Khoảng cách từ nguồn phát laser tới đối tượng.
17

T
i
: Khoảng thời gian từ thời điểm phát tia laser đến thời điểm nhận tia laser
phản xạ.
C: Tốc độ ánh sáng (3.10
8
m/s).
Với thông tin về thời gian phản hồi của xung và tính được tọa độ dựa vào
GPS, và độ cao của máy bay có thể tính được độ cao của các đối tượng trên bề mặt.
Độ cao của đối tương= độ cao máy bay- S
i
.
Chiều cao của đối tượng= độ cao đối tượng-độ cao của mặt đất.
Thiết bị đo dài laser hoạt động trong dải phổ hồng ngoại, cận hồng ngoại.
Trên đường đi, các tia laser có khả năng đâm xuyên mạnh, khi gặp chướng ngại vật
như cây cối, nhà cửa… sẽ phản hồi lại một phần về hệ thống, và một phần sẽ tiếp
tục đâm xuyên (nếu có thể) qua chướng ngại vật và phản hồi lại, (hình 1.6). Hệ
thống LIDAR có thể ghi nhận tới 5 mức của tín hiệu phản xạ của từng tia laser. Mỗi
mức phản xạ thường là của một tầng đối tượng mà tia laser đi qua. Mỗi mức là có
một cường độ tín hiệu laser phản xạ mà phần mềm sẽ xử lý và tạo được hình ảnh
tương ứng với đối tượng trên mặt đất.

Hình 1.4 Dữ liệu Lidar trong một dải quét


19
Hình 1.6: Đám mây điểm Lidar (a) Đám mây điểm của phản hồi đầu (b) Đám
mây điểm của phản hồi cuối
Các hệ thống Lidar áp dụng trong đo vẽ địa hình có nguồn phát ánh sáng laser
với bước sóng trong khoảng từ 1040 đến 1060 nm. Ánh sáng laser xanh với bước
sóng vào khoảng 532 nm được sử dụng trong các hệ thống Lidar đo sâu tại các vùng
nước trong và có thể sâu tới 50 m. Lidar là một hệ thống viễn thám chủ động do nó
a)
b)
20

phát năng lượng dưới dạng xung laser và thu nhận tín hiệu phản hồi của các xung
này. Tín hiệu phản hồi này được chuyển ngay sang dạng số và được lưu giữ trong
máy tính. Do là hệ thống viễn thám chủ động cho nên việc bay quét Lidar không
phụ thuộc vào ánh sáng mặt trời, có thể được triển khai cả ngày lẫn đêm.
Với mỗi xung phát ra có thể có tới 5 tín hiệu phản hồi. Các tín hiệu phản hồi
này có thể thuộc các tầng khác nhau của thực phủ như: tán lá, cành cây hay mặt đất
phía dưới tán cây; hoặc mép mái nhà và bề mặt mặt đất. Xung phản hồi thứ nhất có
nhiều khả năng là các điểm nằm trên bề mặt tán cây còn xung phản hồi cuối cùng có
nhiều khả năng là các điểm mặt đất. Do vậy xung phản hồi đầu tiên thường được sử
dụng trong nắn trực ảnh và các ứng dụng liên quan tới quản lý và kiểm kê rừng.
Xung phản hồi cuối cùng thường được dùng để thành lập mô hình số độ cao của bề
mặt mặt đất (Lohani 2008).
Hệ thống quét Lidar tạo ra dữ liệu gồm tập hợp các điểm, mỗi điểm có các giá
trị tọa độ và độ cao, có thể được xem như là đám mây dữ liệu điểm 3D được phân
bố bán ngẫu nhiên. Đám mây dữ liệu điểm này có thể chứa nhiều thông tin hơn là

Hình 1.7 Cơ sở toán học xác định tọa độ điểm Lidar
Việc xác định tọa độ của các điểm Lidar được tiến hành bằng cách xác định
tọa độ điểm Lidar trong hệ tọa độ của máy quét, sau đó xác định chính xác tọa độ
của điểm Lidar trong một hệ tọa độ không gian lựa chọn. Sơ đồ vector sau minh họa
việc xác định tọa độ của điểm Lidar:
Trong đó:
b
v
t
A

G

Z
Y

bADd 

Trong đó:
Vector D: luôn luôn xác định được bằng cách đo động GPS
S: khoảng cách từ máy quét tới điểm phản xạ P
b: khoảng cách đo trực tiếp từ Anten đến máy quét
A: ma trận chuyển vị từ hệ tọa độ Lidar sang hệ tọa độ lựa chọn
Ma trận trên có dạng:











131211
131211
131211
ccc
bbb
aaa
A
(1.3)
Trong đó:



coscos
cossinsinsincos
sinsincossincos
sincos
13
13
13
12




c
b
a
c
(1.4)

,
2
,
2









bSA
ZZ
YY
XX
ZZ
YY
XX
a
a
a
P
P
P


















Z
Y
X
Z
Y
X
i
i
i
Pi
Pi
Pi



















Dựa trên cấu trúc hệ thống và nguyên lý hoạt động của công nghệ Lidar,
chúng ta có thể nhận thấy độ chính xác xác định vị trí điểm Lidar chủ yếu phụ thuộc
vào độ chính xác của hệ thống quét laser, độ chính xác xác định các thông số định
hướng giữa hệ thống IMU và điểm đặt anntena trên máy bay, độ chính xác cơ sở
trắc địa.(Lộc 2004)
Độ chính xác của hệ thống quét Lidar bao gồm độ chính xác đo chiều dài của
tia laser và độ chính xác của thiết bị đo GPS, thiết bị đo quán tính IMU. Các thiết bị
trên luôn tồn tại sai số hệ thống và có thể thay đổi giá trị theo thời gian sử dụng như
các sai số do chuyển động quay của gương quét laser, sai số của hệ thống định vị vệ
tinh toàn cầu GPS, sai số của thiết bị đo quán tính IMU. Để giảm thiểu các sai số
này hay nói cách khác là đảm bảo cho chúng tồn tại trong hạn sai cho phép thì trong
thực tế chúng ta phải tiến hành kiểm định các thiết bị trên một cách định kỳ trong
các điều kiện nhất định nhằm xác định các thông số hiệu chỉnh thiết bị.
Độ chính xác xác định các thông số định hướng giữa hệ thống IMU và điểm
đặt anntena GPS trên máy bay về bản chất là xác định chính xác các vector tính
chuyển giữa hệ tọa độ của hệ thống IMU và hệ tọa độ được sử dụng để thành lập
bản đồ 3D. Hệ thống IMU thường được lắp đặt trùng hợp với hệ thống quét laser
một cách ổn định và chính xác. Truy nhiên, hệ thống GPS trên máy bay thường
được lắp đặt tại vị trí thông thoáng, có khả năng thu tín hiệu tốt nhất. Do đó, độ
chính xác xác định thông số định hướng giữa hệ thống IMU và tâm anntena GPS
càng chính xác càng tốt, thông thường độ chính xác này nhỏ hơn 1cm.
Để xác định các nguồn sai số ảnh hưởng đến toạ độ điểm thực địa (P) xác định
bằng công nghệ LiDAR, ta xét mối quan hệ toạ độ của các hệ thống thiết bị trong
quá trình bay quét laser.
25 Hình 1.8Vị trí hệ thống GPS, IMU, SBF (sensor) trên máy bay
Đầu quét laser LRF (Laser Range finder) hay còn gọi là sensor SBF (Sensor
Body Frame) gắn cùng thiết bị đo hàng hướng quán tính IMU (Inertial

ILF
SIL
ECEF
A
ECEF
P
XXRXX 
(1)
Trong đó:
IMU
SBF
Z
A
SBF

X
A
SBF

Y
A
SBF

GPS
Z-SBF
X-SBF
Y-SBF
Z-IBF
Y-IBF
X-IBF