Ứng dụng công nghệ thiết bị bay không người lái UAV inspire 2 xây dựng bản đồ 3D cho mỏ lộ thiên

Nội dung text: Ứng dụng công nghệ thiết bị bay không người lái UAV inspire 2 xây dựng bản đồ 3D cho mỏ lộ thiên

1. 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 bấm điều khiển quá trình bay, có cổng kết nối với 1.1. Thiết bị bay Inspire 2 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 1.2. Bộ phận chụp ảnh (camera) 2; trong đó, Inspire 2 là thiết bị bay điển hình, 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
2. 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, PhotoModeler Scanner, Pix4UAV Desktop, 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 52 KHCNM SỐ 2/2021 * ĐỊA CƠ MỎ
3. 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 2.2. Xây dựng điểm khống chế và kiểm tra bề mặt (DSM). Các tiêu đánh dấu điểm khống chế KHCNM SỐ 2/2021 * ĐỊA CƠ MỎ 53
4. 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, 3. Đánh giá độ chính xác của mô hình số bề 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 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 ∆= − độ bay an toàn (Safe mode), UAV sẽ tự động bay XXDS M X CCP theo các dải đã thiết kế bao gồm tự động cất cánh, ∆=YYDS M − Y CCP bay lên độ cao thiết kế, sau đó bay đến các điểm (1) ∆= − thiết kế để dừng và chụp ảnh như đã thiết lập ZZDS M Z CCP trong phần mềm. Khi ảnh cuối cùng được chụp ∆=XYZ XYZDMS − XYZCCP xong, UAV sẽ tự động bay về và hạ cánh tại điểm xuất phát. Trong quá trình bay chụp, trạng thái 1 n hoạt động của UAV và máy ảnh được hiện thị liên =⋅−2 tục trên máy tính bảng hoặc điện thoại thông minh. RMSEX SQRT∑() XDSM X GCPi n i=1 Tùy vào độ an toàn của UAV (ví dụ tình trạng năng lượng của pin, nguy cơ va chạm với vật thể, 1 n = ⋅−2 động vật trên không, ) người điều khiển có thể RMSEY SQRT∑() YDSM Y GCPi n i=1 dừng quá trình bay tự động để điều khiển UAV hạ n cánh. Để đảm bảo an toàn cho máy bay, tránh va 1 2 RMSEZ = SQRT ⋅−∑() ZDSM Z GCPi n i=1 1 n = ⋅ −22 +− + − 2 RMSEXYZ SQRT∑ ( XDSM X GCPi )( Y DSM Y GCPi )( Z DSM Z GCPi ) n i=1 Hình 6. Thiết kế dải bay tại cụm mỏ Cọc Sáu 54 KHCNM SỐ 2/2021 * ĐỊA CƠ MỎ
5. n 1 2 RMSEX =⋅− SQRT∑() XDSM X GCPi n i=1 n n THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ 1 2  RMSE=⋅− SQRT() X X 1 2 X ∑ DSM GCPi RMSEY = SQRT ⋅−∑() YDSM Y GCPi n i=1 n i=1 n n các điểm dùng để nắn ảnh như sau: sai số trung 1 2  RMSE= SQRT ⋅−() Y Y 1 2 bình các thành phần X, Y, XY, Z, XYZ tương ứng Y ∑ DSM GCPi RMSEZ = SQRT ⋅−∑() ZDSM Z GCPi n i=1 n i=1 là 0,011 m, 0,017 m, 0.016 m, 0,049 m và 0,051 m. n n Sai số lớn nhất theo trục X là - 0,025 m và trục Y là 1 2 1 RMSE= SQRT ⋅−() Z Z = ⋅ −22 +−0,028 m, sai +số tổng hợp − mặt 2bằng theo cả trục X Z ∑ DSM GCPi RMSEXYZ SQRT∑ ( XDSM X GCPi )( Y DSM Y GCPi )( Z DSM Z GCPi ) n i=1 n i=1 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 1 n = ⋅ −22 +− + − 2là 0,095 m. RMSEXYZ SQRT∑ ( XDSM X GCPi )( Y DSM Y GCPi )( Z DSM Z GCPi ) (2) n i=1 Sai số trung phương của các thành phần X, Y, XY, Z, XYZ của tất cả các điểm kiểm tra độ chính Trong đó: ∆X, ∆Y, ∆X , ∆Z, ∆XYZ - Các giá trị xác mô hình số địa hình (DTM) tương ứng là 0,011 chênh lệch các thành phần tọa độ, độ cao và vị m, 0,017 m, 0,016 m, 0,049 m, và 0,051 m (Bảng trí điểm; RMSE - Sai số trung phương; n tổng số 2). Sai số lớn nhất theo trục X là - 0,120 m và trục điểm kiểm tra; X và X , Y và Y , Z và Y là 0,166 m, sai số tổng hợp mặt bằng theo cả GCPi DSM GCPi DSM GCPi trục X và Y lớn nhất 0,205 m, sai số lớn nhất theo ZDSM - Tương ứng là thành phần tọa độ theo trục X, trục Y và trục Z của điểm khống chế và mô hình trục Z là 0,255 m và sai số tổng hợp theo vị trí DSM. điểm XYZ là 0,309 m. Mô hình DTM của mỏ Cọc 4. Kết quả và thảo luận Sáu như trên hình 7. Sau khi xử lý ghép ảnh bằng phần mềm Agisoft Từ kết quả đánh giá độ chính xác ở trên cho Photoscan, sai số trung phương của tất cả các thấy mô hình DTM có độ trùng khớp cao với địa điểm nắn ảnh như trong Bảng 1. Cụ thể, sai số của hình thực tế. Theo qui phạm Việt Nam ngành Bảng 1. Tọa độ và độ cao các điểm nắn ảnh và độ chính xác Sai số ∆X Tên điểm Sai số ∆Y (m) Sai số ∆XY (m) Sai số ∆Z (m) Sai số ∆XYZ (m) (m) GCP01 0,003 0,002 0,004 0,011 0,012 GCP02 - 0,004 - 0,014 0,015 - 0,02 0,058 danho GCP04 - 0,012 0,001 0,012 0,021 0,016 T2 - 0,004 0,013 0,014 0,013 0,019 T5 0,007 0,007 0,010 - 0,016 0,019 T7 0,005 - 0,002 0,005 - 0,054 0,054 T8 - 0,02 - 0,028 0,034 - 0,063 0,072 T14 0,015 - 0,012 0,019 - 0,054 0,057 T18 0,004 - 0,007 0,008 - 0,025 0,026 T19 - 0,008 0,001 0,008 0,095 0,095 T20 - 0,007 - 0,003 0,008 - 0,014 0,016 T21 - 0,007 - 0,011 0,013 0,091 0,092 T22 0,006 - 0,008 0,010 0,004 0,011 T27 - 0,025 - 0,017 0,030 0,063 0,07 T29 - 0,016 0,012 0,020 0,079 0,081 T30 - 0,007 - 0,013 0,015 - 0,028 0,032 T1 - 0,004 - 0,008 0,009 - 0,017 0,019 RMSE 0,011 0,017 0,016 0,049 0,051 KHCNM SỐ 2/2021 * ĐỊA CƠ MỎ 55
6. 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 Sai số ∆Z Sai số ∆ XYZ Tên điểm Sai số ∆Y (m) Sai số ∆XY (m) (m) (m) (m) GCP03 0,120 0,166 0,205 - 0,195 0,283 T3 - 0,060 - 0,020 0,063 - 0,080 0,102 T4 - 0,098 0,000 0,098 0,128 0,161 T6 - 0,005 - 0,032 0,032 - 0,207 0,210 T9 0,053 - 0,003 0,053 - 0,204 0,309 T10 0,069 0,037 0,078 0,255 0,267 T11 0,094 - 0,094 0,133 0,148 0,199 T12 0,022 0,003 0,022 - 0,148 0,150 T15 0,035 - 0,011 0,037 0,090 0,097 T16 0,044 - 0,032 0,054 - 0,035 0,065 T17 0,033 - 0,089 0,095 - 0,081 0,125 T23 - 0,016 - 0,064 0,066 - 0,075 0,068 T24 0,006 - 0,058 0,058 - 0,071 0,059 T25 0,070 0,077 0,136 0,085 0,144 T26 - 0,079 0,002 0,079 - 0,071 0,079 T28 - 0,108 - 0,017 0,169 0,159 0,232 T31 0,082 - 0,062 0,128 0,068 0,145 GCP02 dato 0,006 0,015 0,016 0,138 0,139 RMSE 0,066 0,061 0,090 0,138 0,164 Hình 7. Mô hình 3D mỏ Cọc Sáu 56 KHCNM SỐ 2/2021 * ĐỊA CƠ MỎ
7. 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 [4]. Bùi Tiến Diệu, Nguyễn Cẩm Vân, Hoàng 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). 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