BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
ỨNG DỤNG ẢNH HÀNG KHÔNG CHỤP TỪ MÁY BAY
KHÔNG NGƢỜI LÁI (UX5) XÂY DỰNG MÔ HÌNH SỐ
ĐỊA HÌNH TỶ LỆ 1: 10000 PHỤC VỤ QUẢN LÝ CÔNG TRÌNH
THỦY LỢI, THỦY ĐIỆN (THÍ ĐIỂM CHO HỒ CHỨA
THỦY LỢI IAM’LAH, HUYỆN KRÔNG PA, TỈNH GIA LAI)

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ

HOÀNG VIỆT HÙNG

HÀ NỘI, NĂM 2017


BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
ỨNG DỤNG ẢNH HÀNG KHÔNG CHỤP TỪ MÁY BAY
KHÔNG NGƢỜI LÁI (UX5) XÂY DỰNG MÔ HÌNH SỐ
ĐỊA HÌNH TỶ LỆ 1: 10000 PHỤC VỤ QUẢN LÝ CÔNG TRÌNH
THỦY LỢI, THỦY ĐIỆN (THÍ ĐIỂM CHO HỒ CHỨA
THỦY LỢI IAM’LAH, HUYỆN KRÔNG PA, TỈNH GIA LAI)

HOÀNG VIỆT HÙNG
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ
MÃ SỐ: 60520503
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC

ii

LỜI CẢM ƠN
Trƣớc hết tôi xin gửi tới các thầy cô khoa Trắc địa – Bản đồ lời chào trân
trọng, lời chúc sức khỏe và lời cảm ơn sâu sắc. Với sự quan tâm, dạy dỗ, chỉ bảo tận
tình chu đáo của thầy cô, đến nay tôi đã có thể hoàn thành luận văn, đề tài:“Ứng
dụng ảnh hàng không chụp từ máy bay không ngƣời lái (UX5) xây dựng mô hình số
địa hình tỷ lệ 1: 10000 phục vụ quản lý công trình thủy lợi, thủy điện (thí điểm cho
hồ chứa thủy lợi IAM’LAH, huyện KRông Pa, tỉnh Gia Lai)”.
Đặc biệt tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS. Nguyễn Bá Dũng đã quan
tâm giúp đỡ, hƣớng dẫn tôi hoàn thành tốt luận văn này trong thời gian qua.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến lãnh đạo Trƣờng Đại học Tài nguyên và Môi
trƣờng Hà Nội, các phòng ban chức năng đã trực tiếp và gián tiếp giúp đỡ tôi trong
suốt quá trình học tập và nghiên cứu đề tài.
Không thể không nhắc tới sự chỉ đạo và hƣớng dẫn của phân xƣởng Bay
chụp xử lý ảnh – Xí nghiệp Chụp ảnh Hàng không – Công ty TNHH MTV Trắc địa
Bản đồ – Cục Bản đồ – Bộ Tổng Tham Mƣu đã tạo điều kiện thuận lợi nhất cho
tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn
Với điều kiện thời gian cũng nhƣ kinh nghiệm còn hạn chếcủa một học viên,
luận văn này không thể tránh đƣợc những thiếu sót. Tôi rất mong nhận đƣợc sự chỉ
bảo, đóng góp ý kiến của cácthầy cô để tôi có điều kiện bổ sung, nâng cao ý thức
của mình, phục vụ tốt hơn công tác thực tế sau này.


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii
MỤC LỤC ................................................................................................................. iii


2.1. Giới thiệu tổng quan về máy bay không ngƣời lái UX5 ....................................23
2.2. Cấu tạo và đặc điểm kỹ thuật của hệ thống........................................................24
2.2.1. Thân máy bay Trimble UX5 ...........................................................................24
2.2.2. Máy ảnh ...........................................................................................................25
2.2.3. Trạm điều khiển mặt đất .................................................................................26
2.2.4. Bệ phóng .........................................................................................................27
2.2.5. Bộ dò tìm thiết bị.............................................................................................27
2.2.6. Giới thiệu một số phần mềm xử lý ảnh hàng không .......................................27
2.3. Quy trình tiến hành bay chụp .............................................................................31
2.3.1. Thu thập tài liệu ..............................................................................................31
2.3.2. Thực hiện bay chụp .........................................................................................31
2.3.3. Đo nối khống chế ảnh .....................................................................................36
2.3.4. Xử lý dữ liệu ...................................................................................................37
CHƢƠNG 3. THỰC NGHIỆM XÂY DỰNG MÔ HÌNH SỐ ĐỊA HÌNH PHỤC VỤ
QUẢN LÝ HỒ CHỨA THỦY LỢI IAM’LAH HUYỆN KRÔNGPA, TỈNH
GIA LAI ....................................................................................................................41
3.1. Khái quát khu vực thực nghiệm .........................................................................41
3.1.1. Điều kiện tự nhiên ...........................................................................................41
3.1.2. Quy mô, tính chất công trình...........................................................................44
3.1.3. Vai trò của công trình ......................................................................................45
3.2. Mục đích nhiệm vụ và yêu cầu kỹ thuật ............................................................46
3.2.1 Mục đích của nhiệm vụ ....................................................................................46
3.2.2 Yêu cầu kỹ thuật...............................................................................................46
3.3. Thiết kế bay chụp ...............................................................................................48
3.4. Tổ chức thực hiện bay chụp khống chế ảnh tại ngoại nghiệp ............................51
3.5. Tính toán, xử lý số liệu trên phần mềm Trimble Business Center 3.4 ..............51
3.6. Kết quả kiểm tra và đánh giá độ chính xác ........................................................57
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................................62
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................62


Chữ viết tắt

1

UAV

2

UX5

3

BQP

4

DEM

Digital Elavation Model

Mô hình số độ cao

5

DTM

Digital Terrain Model

Mô hình số địa hình


TBC

Trimble Business Center

Phần mềm xử lý ảnh

11

MP

Mega Pixel

Triệu điểm ảnh

12

BTTM

Unmanned Aerial Vehicles

Máy bay không ngƣời lái
Máy bay không ngƣời lái
UX5
Bộ Quốc Phòng

Tiêu chuẩn Việt Nam

Bộ Tổng tham mƣu


Hình 1.11. Hệ thống UAS Skate Small của Mỹ........................................................21
Hình 2.1. Hệ thống Trimble UX5 .............................................................................23
Hình 2.2. Cấu tạo mặt trên Trimble UX5 .................................................................24
Hình 2.3. Cấu tạo mặt dƣới Trimble UX5 ................................................................25
Hình 2.4. Máy ảnh Sony NEX-5T ............................................................................25
Hình 2.5. Góc chụp và diện tích 1 tấm ảnh chụp ......................................................25
Hình 2.6. Trạm điều khiển mặt đất ...........................................................................26
Hình 2.7. Bệ phóng ...................................................................................................27
Hình 2.8. Bộ dò tìm thiết bị.......................................................................................27
Hình 2.9. Quy trình tiến hành bay chụp ....................................................................31
Hình 2.10. Hƣớng thiết kế tuyến bay ........................................................................33
Hình 2.11. Hƣớng cất cánh và hạ cánh .....................................................................33
Hình 2.12. Thông số máy chụp ảnh ..........................................................................34
Hình 2.13. Bệ phóng máy bay...................................................................................35
Hình 2.14. Phần mềm Trimble Business Center 3.4 .................................................38
Hình 3.1. Ảnh một phần khu vực hồ thủy điện IAM’LAH ......................................42


ix

Hình 3.2. Lựa chọn phạm vi bay chụp ca bay 1 và thông số kỹ thuật ......................48
Hình 3.3. Lựa chọn phạm vi bay chụp ca bay 2 và thông số kỹ thuật ......................49
Hình 3.4. Lựa chọn vị trí và hƣớng cất hạ cánh ca bay 1 .........................................49
Hình 3.5. Lựa chọn vị trí và hƣớng cất hạ cánh ca bay 2 .........................................50
Hình 3.6. Bố trí vị trí các điểm khống chế ảnh .........................................................50
Hình 3.7. Đƣa 2 file dữ liệu bay “jxl” .......................................................................51
Hình 3.8. Gộp 2 ca bay tạo thành một Block để xử lý...............................................52
Hình 3.9. Bình sai khối ảnh với các điểm liên kết .....................................................53
Hình 3.10. Thể hiện các bƣớc xử lý ..........................................................................53
Hình 3.11. Chấp nhận kết quả bình sai từ các điểm liên kết .....................................53

thủy điện, yếu tố giá thành sản phẩm đóng vai trò rất quan trọng trong việc lựa chọn
công nghệ sử dụng. Do đó, việc thúc đẩy phát triển và ứng dụng các công nghệ mới
với giá thành thấp hơn là hết sức cấp thiết.
Thời gian gần đây, cùng với sự phát triển của công nghệ định vị vệ tinh, công
nghệ máy bay không ngƣời lái (Unmanned Aerial Vehicles – UAV), các thuật toán
tự động xử lý ảnh, xây dựng mô hình 3 chiều (Structure – from – Motion, SFM), giá


2
thành trang thiết bị cho công nghệ đo vẽ sử dụng UAV đã giảm xuống rất mạnh.
Khảo sát cho thấy công nghệ này đang đƣợc ứng dụng thành công, rộng rãi trong
nhiều lĩnh vực nhƣ công tác đo đạc thành lập bản đồ, giao thông, sản xuất nông
nghiệp, nghiên cứu địa chất và nghiên cứu môi trƣờng. Ngoài việc giá thành tƣơng
đối thấp, công nghệ UAV với các máy ảnh phổ thông dễ dàng thu nhận các ảnh số
với độ phân giải rất cao ( mm, cm), trong điều kiện địa hình phức tạp, khó tiếp cận
môi trƣờng nguy hiểm. Thêm nữa, các phần mềm mã nguồn mở và phần mềm
thƣơng mại đều tích hợp các thuật toán SFM, cho phép gần nhƣ hoàn toàn tự động
xử lý ảnh, xây dựng các sản phẩm bản đồ ( mô hình số bề mặt, mô hình số địa hình,
mô hình số độ cao, bản đồ trực ảnh, bản đồ 3D, video). Ngƣời sử dụng công nghệ này
không nhất thiết phải có kiến thức quá sâu về công nghệ đo ảnh truyền thống [1].
Chính vì thế công nghệ UAV đang rất hứa hẹn đƣợc ứng dụng rộng rãi hơn
nữa vào các lĩnh vực khác nhau.
Chính vì vậy, việc sử dụng máy chụp ảnh số gắn trên máy bay không ngƣời lái
phục vụ trong công tác thành lập mô hình số địa hình bằng phƣơng pháp đo ảnh là
một đề tài nghiên cứu mang tính ứng dụng cao, bổ su
ng thêm nguồn tƣ liệu và công nghệ trong công tác thành lập bản đồ bằng
công nghệ ảnh. Đƣợc sự hỗ trợ từ nhà nghiên cứu đề tài cấp bộ “ Nghiên cứu ứng
dụng công nghệ địa tin học nâng cao chất lƣợng dữ liệu không gian phục vụ công
tác điều tra quy hoạch tài nguyên nƣớc”, mã số 2015.02.12 đề tài luận văn thạc sĩ:
“Ứng dụng ảnh hàng không chụp từ máy bay không ngƣời lái UX5 xây dựng mô

hữu hạn thông qua số lƣợng điểm xác định, thành phần của mô hình số địa hình là
các điểm trên bề mặt đất đƣợc cho bởi tọa độ ( X, Y, Z) trong hệ tọa độ nào đấy.
Các vị trí này đƣợc bố trí tùy theo dáng địa hình có thể là điểm nút hoặc mắt lƣới
của mạng kèm theo hàm toán học mô phỏng bề mặt địa hình giữa các điểm nút
lƣới đó [2].
1.2.2. Các dạng thể hiện mô hình số địa hình
– Dạng GRID: Là một lƣới ô vuông đƣợc phủ trùm lên khu vực địa hình cần
nghiên cứu vị trí và độ cao của lƣới ô vuông sẽ đƣợc đo trực tiếp bằng phƣơng pháp
đo lập thể hoặc có thể nội suy. Kích thƣớc của lƣới ô vuông quyết định đến độ


5
chính xác của mô hình cần thành lập. Lƣới ô vuông là lƣới dễ thực hiện nhƣng độ
chính xác thể hiện địa hình là không cao.
– Dạng TIN: Là lƣới gồm các tam giác liên kết lại với nhau và đƣợc phủ trùm
lên bề mặt địa hình khu vực nghiên cứu. Lƣới TIN thể hiện xác thực nhất địa hình
khu vực nghiên cứu tuy nhiên khó xây dựng, vị trí và độ cao của các mắt lƣới TIN
sẽ đƣợc xác định thông qua phƣơng pháp đo lập thể hoặc nội suy. Thông thƣờng
lƣới TIN đƣợc nội suy trên cơ sở lƣới GRIT [2].
1.2.3. Tổng quan các phương pháp thành lập mô hình số địa hình
1.2.3. 1. Thành lập mô hình số địa hình bằng phương pháp đo trực tiếp ngoài thực địa
a. Các bƣớc tiến hành
– Khảo sát, thiết kế, xây dựng luận chứng kinh tế – kỹ thuật.
– Lập lƣới khống chế trắc địa (lƣới khống chế đo vẽ) làm cơ sở tọa độ để vẽ
chi tiết, đảm bảo cho việc xác định vị trí của bản đồ trong hệ tọa độ nhà nƣớc, bao
gồm các công việc: gắn mốc ngoài thực địa trên các điểm đã thiết kế, đo nối tọa độ
của các điểm với các điểm cấp cao đã có tọa độ trong hệ tọa độ nhà nƣớc, tính toán
bình sai kết quả đo, chuyển tọa độ của các điểm lƣới lên bản vẽ.
– Đo đạc chi tiết ngoài thực địa: đặt máy đo đạc lần lƣợt tại vị trí các điểm
của lƣới khống chế đo vẽ để tiến hành đo vẽ chi tiết các đối tƣợng xung quanh điểm đặt

độ cao nhà nƣớc, nhờ lƣới khống chế ảnh. Các điểm của lƣới khống chế ảnh là
những điểm đƣợc thiết kế, đánh dấu mốc trên mặt đất, và đƣợc nhận biết rõ trên
ảnh. Tọa độ của những điểm này hoặc là đã có hoặc đƣợc xác định nhờ đo nối với
điểm đã có tọa độ (gọi là đo nối khống chế ảnh ngoại nghiệp).
– Tăng dày khống chế ảnh nội nghiệp. Để phục vụ cho quá trình đo vẽ trên
ảnh và nắn ảnh thì các điểm khống chế ảnh đƣợc xác định ngoài thực địa nhƣ trên là
không đủ. Cần tiến hành tăng dày các điểm khống chế ảnh, tính toán tọa độ mặt
phẳng và độ cao của những điểm này ở trong phòng nhờ những thiết bị đo vẽ ảnh.
– Điều vẽ ảnh: trong phƣơng pháp thành lập bản đồ hàng không các đối
tƣợng địa hình mặt đất đƣợc nhận biết và đo vẽ lên bản đồ chủ yếu dựa vào cơ sở
giải đoán và đo vẽ hình ảnh trên ảnh. Quá trình xét đoán hình ảnh trên ảnh để nhận
dạng đối tƣợng đƣợc gọi là điều vẽ ảnh. Điều vẽ ảnh đƣợc đƣợc tiến hành trong


7
phòng trƣớc, sau đó tiến hành điều vẽ ngoài trời để xác định tính đúng đắn của quá
trình giải đoán trong phòng.
– Đo vẽ ảnh: đƣợc tiến hành theo các phƣơng pháp
+ Phƣơng pháp lập thể: ảnh chụp có độ phủ cùng hai tờ ảnh cùng hàng liền kề
sẽ tạo thành một mô hình lập thể, phƣơng pháp này đƣợc sử dụng cho mọi khu vực,
mọi điều kiện địa hình.
+ Phƣơng pháp tổng hợp bình đồ ảnh: phần địa vật đƣợc vẽ trên cơ sở bình
đồ ảnh, phần dáng đất có thể đo vẽ trực tiếp trên thực địa, trên bình đồ địa vật.
+ Phƣơng pháp đo vẽ ảnh số: đây là phƣơng pháp công nghệ tiên tiến nhất
hiện nay. Địa vật và địa hình đều đƣợc đo vẽ lập thể trên cơ sở ảnh đã chuyển sang
dạng số, trên trạm đo ảnh số.
=> Mô hình số địa hình DTM
b. Ƣu, nhƣợc điểm và khả năng ứng dụng
– Ƣu điểm:
+ Loại bỏ khó khắn, vất vả của công tác ngoại nghiệp.

thống dùng phim và gần đây là các máy ảnh số), ảnh viễn thám rất đa dạng, có thể
phân loại thành hai nhóm chính là các loại ảnh vệ tinh và ảnh laser với đầu thu đặt
trên máy bay. Thông thƣờng, ảnh đƣợc sử dụng làm nền để số hóa các dữ liệu vector,
các thông tin chi tiết về hình dạng và tính chất của các đối tƣợng nằm trên mặt địa
hình, ảnh trực giao để phủ lên mô hình số địa hình tạo ảnh thực bề mặt mặt đất. Độ
phân giải của các loại ảnh viễn thám thay đổi từ vài dm đối với ảnh laser chụp từ máy
bay đến trên dƣới 1m với các ảnh vệ tinh quang học panchromatic độ phân giải cao;
các ảnh vệ tinh quang học đa phổ và ảnh Radar có độ phân giải kém hơn, từ vài mét
đến vài trăm mét. Độ phân giải cũng nhƣ 29 khả năng đo vẽ lập thể là các yếu tố
quyết định các ảnh này có thể dùng để thành lập mô hình số địa hình tỷ lệ nào và sử
dụng nhƣ thế nào. Với sự đa dạng về đặc điểm cũng nhƣ khả năng ứng dụng của từng
loại ảnh viễn thám cũng nhƣ tỷ lệ mô hình số địa hình cần thành lập, khó có thể đƣa
ra một qui trình chính xác và chi tiết. Ngoài ra, có thể kết hợp với khu vực có sẵn mô
hình số địa hình và dữ liệu vector thì ảnh vệ tinh quang học đa phổ có thể đƣợc nắn
trực giao sử dụng mô hình số địa hình và dùng làm ảnh phủ bề mặt.


9
Đối với ảnh vệ tinh quang học độ phân giải cao nhƣ Ikonos, Quickbird hay
Spot5, độ phân giải trên dƣới 1m, độ che phủ lớn và có thể đo vẽ lập thể thì qui
trình thành lập mô hình số địa hình tƣơng tự nhƣ phƣơng pháp dùng ảnh máy bay.
1.3. Tổng quan ảnh hàng không
1.3.1. Khái niệm
Thuật ngữ không ảnh là một khái niệm khoa học đƣợc sử dụng cho các ảnh
đƣợc chụp bằng phim ảnh trên các phƣơng tiện hàng không nhƣ máy bay, kinh khí
cầu và các phƣơng tiện khác trên không và đƣợc thực hiện với các loại máy ảnh
khác nhau. Nhƣ vậy là, khi nói đến không ảnh, không có nghĩa hẹp là chỉ nói tới
ảnh chụp từ máy bay. Còn khi nói ảnh thu từ máy bay chính là một trong những
phƣơng pháp thu dữ liệu không ảnh. Viễn thám hàng không là nghiên cứu đối tƣợng
không gian và các quá trình xẩy ra trên mặt đất qua không ảnh – các dữ liệu ảnh

11
– Thông thƣờng tỷ lệ của ảnh có thể xác định bằng tỉ lệ của độ dài tiêu cự
máy ảnh so với độ cao của máy bay so với mặt đất = f/H
Trong đó: f là tiêu cự; H độ cao của máy bay so với mặt đất
– Nếu ta dùng mặt nƣớc biển làm mốc độ cao để tính độ cao của đƣờng bay
thì tỷ lệ của một ảnh hàng không đƣợc xác định:
Tỉ lệ = f/ (H – h)

(1.2)

Trong đó: H là độ cao của máy bay so với mặt nƣớc biển; h độ cao của địa
hình so với mặt nƣớc biển.
– Tỷ lệ ảnh có thể đƣợc thể hiện bằng cách:
1. Đƣa ra đơn vị tƣơng đƣơng theo thƣớc tỉ lệ, ví dụ 1 cm trên ảnh bằng 1 km
trên thực tế.
2. Theo tỷ số ví dụ 1/ 24.000, 1/ 10.000
3. Phân loại theo mức độ chi tiết
Ảnh hàng không có thể phân chia theo mức độ chi tiết nhƣ sau :
– Tỷ lệ lớn ( thƣờng từ 1: 1.000 – 1: 25.000)
– Tỷ lệ trung bình ( 1:50.000 – 1: 200.000)
– Tỷ lệ nhỏ ( 1: 500.000 – 1: 1.000.000)
– Tỷ lệ của ảnh trên địa hình gổ ghề sẽ thay đổi và thay đổi này phụ thuộc
vào độ biến thiêu của địa hình. Trong trƣờng hợp địa hình biến thiên ít có thể sử
dụng công thức chung. Trong trƣờng hợp cần chính xác hóa thì tỷ lệ của ảnh cần
xác định theo công thức:
Tỷ lệ của ảnh = tiêu cự máy ảnh/ độ cao địa hình
Độ cao trên địa hình là H’ = độ cao bay chụp (H) – độ cao địa hình (h) là độ
cao trung bình của địa hình so với mặt nƣớc biển
Nhƣ vậy, cùng một độ cao bay chụp song độ cao địa hình khác nhau sẽ có tỉ
lệ ảnh khác nhau.

13
so với thực tế. Độ lệch đó do những yếu tố: độ cao tuyệt đối của đối tƣợng và vị trí
đối tƣợng so với điểm cơ bản – hay tâm ảnh.

Hình 1.4. Ảnh hưởng độ lệch địa hình