ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

XÂY DỰNG BẢN ĐỒ 2D TỪ TẬP ẢNH
CHỤP TỪ UAV


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ..........................................................................................VII
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU.......................................................................................IX
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT.....................................................................................X
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU VỀ KỸ THUẬT XÂY DỰNG BẢN ĐỒ............................1
1.1

GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI......................................................................................................1

1.2

CÁC PHƯƠNG PHÁP THÀNH LẬP BẢN ĐỒ HIỆN NAY....................................................1

1.3

MỤC TIÊU, NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI..............................................................................3

CHƯƠNG 2. CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG BẢN ĐỒ DÙNG TẬP ẢNH........................5
2.1

TỔNG QUAN UAV.......................................................................................................5

2.1.1

Hệ thống máy bay không người lái (UAV)..........................................................5

2.1.2

Cấu tạo hệ thống UAV trong xây dựng bản đồ [4].............................................7

2.2

QUY TRÌNH CHỤP ẢNH DÙNG UAV [4].......................................................................9

2.2.1

Thiết kế độ cao bay của UAV dựa trên kích cỡ điểm ảnh cho trước..................9

2.2.2

Tính tổng số đường bay của UAV.....................................................................11

2.2.3

Tính tổng số ảnh cần chụp và tổng dung lượng ảnh số....................................12

2.2.4

Tính toán tốc độ chụp (shooting rate hoặc capture rate).................................12

2.3

KỸ THUẬT XỬ LÝ ẢNH XÂY DỰNG BẢN ĐỒ..............................................................13

2.3.1


Các dữ liệu đầu vào..........................................................................................13

2.3.2

Thiết lập điểm khống chế..................................................................................14

2.4

CÁC PHẦN MỀM THƯƠNG MẠI ĐỂ XÂY DỰNG BẢN ĐỒ 2D.......................................14

2.4.1

So sánh chức năng, điểm mạnh yếu của một số phần mềm..............................14

2.4.2

Ứng dụng các phần mềm trong xây dựng bản đồ.............................................15

CHƯƠNG 3. MÔ HÌNH GIẢI THUẬT XÂY DỰNG BẢN ĐỒ 2D............................18
3.1

TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ ẢNH......................................................................................18

3.1.1

Khái niệm về ảnh số [1]....................................................................................18

3.1.2


Một số bước xử lý ảnh dùng trong xây dựng bản đồ [6]..................................20


3.2

MÔ HÌNH GIẢI THUẬT GHÉP ẢNH..............................................................................22

3.2.1

Tìm điểm đặc trưng [6].....................................................................................22

3.2.2

Tìm điểm tương đồng giữa hai bức ảnh [6]......................................................25

3.2.3

Tính ma trận Homography [6].........................................................................26

3.2.4

Chọn ma trận H tốt nhất bằng RANSAC [6]....................................................28

3.2.5

Ghép hai bức ảnh [6]........................................................................................29

CHƯƠNG 4. THỰC HIỆN PHẦN MỀM XÂY DỰNG BẢN ĐỒ 2D.........................30
4.1


MÔI TRƯỜNG CÀI ĐẶT..............................................................................................30

4.2

THỰC HIỆN GIẢI THUẬT GHÉP ẢNH...........................................................................31

4.3

CHẠY CHƯƠNG TRÌNH THỰC NGHIỆM.......................................................................34

CHƯƠNG 5. TÌM HIỂU PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG BẢN ĐỒ 3D......................40
5.1

TỔNG QUAN VỀ CƠ SỞ DỮ LIỆU 3D..........................................................................40

5.1.1

Về chuẩn ngôn ngữ và công nghệ phần mềm [4].............................................40

5.1.2

Cơ sở dữ liệu 3D [4].........................................................................................41

5.1.3

Chuẩn hóa cơ sở dữ liệu...................................................................................43

5.2

XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU 3D.................................................................................44


5.2.1

Cơ sở dữ liệu 3D...............................................................................................44

5.2.2

Thiết kế mô hình 3D từ ảnh UAV [4]................................................................45

5.2.3

Xây dựng bản đồ 3D bằng Pix4D.....................................................................48

CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN................................................53
6.1

KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC.................................................................................................53

6.2

HẠN CHẾ CỦA ĐỀ TÀI:..............................................................................................53

6.3

ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN:.......................................................................................53

TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................................54

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ



HÌNH 1-1: SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ BIÊN VẼ BẢN ĐỒ TRUYỀN THỐNG....................2
HÌNH 1-2: SƠ ĐỒ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SỐ BIÊN VẼ BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH
HÌNH 2-1: MỘT SỐ MÔ HÌNH MÁY BAY PHỔ BIẾN VỚI CÁNH CỐ ĐỊNH (BÊN
TRÁI) VÀ MÁY BAY CÁNH QUAY (BÊN PHẢI) [4].......................................................8
HÌNH 2-2: MÁY ẢNH THƯỜNG ĐƯỢC DÙNG ĐỂ CHỤP ẢNH TỪ UAV [4]...........8
HÌNH 2-3: BỘ ĐIỀU KHIỂN CỦA HÃNG PHANTOM [4].............................................9
HÌNH 2-4: TÍNH KHOẢNG CÁCH LẤY MẪU MẶT ĐẤT [4]....................................10
HÌNH 2-5: CÁC TUYẾN BAY CHỤP ẢNH KỀ NHAU VÀ ĐỘ PHỦ CỦA ẢNH [4].11
HÌNH 2-6: MÁY ẢNH ĐẶT VUÔNG GÓC VỚI HƯỚNG BAY (BÊN TRÁI), MÁY
ẢNH ĐẶT SONG SONG VỚI HƯỚNG BAY (BÊN PHẢI) [4]......................................13
HÌNH 2-7: CÁC DỮ LIỆU ĐẦU VÀO...............................................................................13
HÌNH 2-8: TẬP ẢNH ĐẦU VÀO........................................................................................15
HÌNH 2-9: KẾT QUẢ GHÉP ẢNH DÙNG HUGIN.........................................................15
HÌNH 2-10: KẾT QUẢ GHÉP ẢNH DÙNG PIX4D.........................................................16
HÌNH 2-11: KẾT QUẢ GHÉP ẢNH DÙNG PTGUI.....................................................16Y
HÌNH 3-1: SƠ ĐỒ QUÁ TRÌNH XỬ LÝ ẢNH.................................................................18
HÌNH 3-2: LƯỢC ĐỒ VỀ ẢNH XÁM [2]..........................................................................20
HÌNH 3-3: SƠ ĐỒ GIẢI THUẬT GHÉP ẢNH.................................................................22
HÌNH 3-4: CỬA SỔ TRƯỢT PHÁT HIỆN GÓC HARRIS [6]......................................23
HÌNH 3-5: MÔ TẢ SỰ KHÔNG HOÀN THIỆN CỦA THUẬT TOÁN HARRIS [6] 24
HÌNH 3-6: VÍ DỤ VỀ ĐỐI SÁNH HAI TẬP ĐẶC TRƯNG [6].....................................26
HÌNH 3-7: PHÉP CHIẾU HOMOGRAPHY [6]...............................................................27

Hình 3-8: Ghép hai bức ảnh

2

HÌNH 4-1: SƠ ĐỒ THỰC HIỆN GIẢI THUẬT GHÉP ẢNH........................................31
HÌNH 4-2: ẢNH ĐẦU VÀO.................................................................................................31

HÌNH 4-3: ĐỐI SÁNH ẢNH THỨ NHẤT VÀ ẢNH THỨ HAI.....................................32
HÌNH 4-4: ẢNH GHÉP TỪ ẢNH A VÀ B.........................................................................32
HÌNH 4-5: ẢNH GHÉP TỪ ẢNH A, B VÀ C....................................................................33
HÌNH 4-6 ẢNH GHÉP TỪ ẢNH A, B, C VÀ D.................................................................33
HÌNH 4-7: ẢNH GHÉP TỪ ẢNH A, B, C, D VÀ E..........................................................34
HÌNH 4-8: KẾT QUẢ GHÉP TỪ 6 ẢNH...........................................................................34


HÌNH 4-9: ẢNH ĐẦU VÀO.................................................................................................35
HÌNH 4-10: ẢNH KẾT QUẢ CHỤP LỆCH CHÉO.........................................................35
HÌNH 4-11: ẢNH ĐẦU VÀO................................................................................................35
HÌNH 4-12: KẾT QUẢ ẢNH GÓC CHỤP KHÁC NHAU..............................................36
HÌNH 4-13: KẾT QUẢ ẢNH GHÉP...................................................................................36
HÌNH 4-14: KẾT QUẢ ẢNH GHÉP...................................................................................36
HÌNH 4-15: KẾT QUẢ ẢNH GHÉP...................................................................................37
HÌNH 4-16: KẾT QUẢ ẢNH GHÉP...................................................................................37
HÌNH 4-17: KẾT QUẢ ẢNH GHÉP...................................................................................37
HÌNH 4-18: ẢNH ĐẦU VÀO...............................................................................................38
HÌNH 4-19: HAI ẢNH CÓ TỶ LỆ TRÙNG NỘI DUNG THẤP....................................38

Hình 4-20: Ảnh bị chênh lệch về độ sáng3
HÌNH 5-1: DỮ LIỆU KHÔNG GIAN VÀ DỮ LIỆU THUỘC TÍNH TRONG CƠ SỞ
DỮ LIỆU [4]...........................................................................................................................42
HÌNH 5-2: NĂM MỨC ĐỘ CHI TIẾT (LOD) ĐƯỢC ĐỊNH NGHĨA BỞI CITYGML
[4]..............................................................................................................................................46
HÌNH 5-3: QUY TRÌNH XÂY DỰNG MÔ HÌNH 3D MÔ PHỎNG.............................46
HÌNH 5-4: KẾT QUẢ THU NHẬN HÌNH ẢNH ĐỐI TƯỢNG THEO 4 HƯỚNG CƠ
BẢN [4]....................................................................................................................................47
HÌNH 5-5: QUY TRÌNH XÂY DỰNG MÔ HÌNH 3D THỰC........................................48
HÌNH 5-6: CHỌN HÌNH ẢNH............................................................................................49

HÌNH 5-7: CHỌN HỆ THỐNG TỌA ĐỘ ĐẦU RA.........................................................49
HÌNH 5-8: CHỌN MẪU MONG MUỐN...........................................................................50
HÌNH 5-9: NHẬP DỮ LIỆU ĐẦU VÀO.............................................................................50
HÌNH 5-10: NHẬP ĐIỂM KHỐNG CHẾ TỌA ĐỘ VÀ CAO ĐỘ.................................51
HÌNH 5-11: XỬ LÝ VÀ GHÉP ẢNH MẶT BẰNG...........................................................51
HÌNH 5-12: MÔ HÌNH 3D...................................................................................................52

DANH MỤC CÁC BẢNG BI


BẢNG 1-1: SO SÁNH CÁC PHƯƠNG PHÁP THÀNH LẬP BẢN ĐỒ HIỆN NAY..3Y
BẢNG 2-1: MỘT SỐ PHẦN MỀM XỬ LÝ ẢNH CHỤP TỪ UAV TIÊU BIỂU..........14
BẢNG 5-1: DANH MỤC CÁC CHUẨN TTĐLCS [3].....................................................43

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
2D

Two Dimension


3D

Three Dimension

CSDL

Cơ Sở Dữ Liệu

DEM


Digital Elevation Model

DLT

Direct Linear Transformation

DSM

Digital Surface Model

GCP

Geo Control Points

GCS

Ground Control Systerm

GIS

Geographic Information System

GML

Geograghic MarkUp Language

GPS

Global Positioning System


GSD

Ground Sampling Distance

H

Homography

Matlab

MATrix LABoratory

RANSAC

RANdom SAmple Consensus

SIFT

The Scale Invariant Feature Transform

UAV

Unmanned Aerial Vehicle


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 1/56

CHƯƠNG 1.


GIỚI THIỆU VỀ KỸ THUẬT XÂY DỰNG BẢN ĐỒ

1.1 Giới thiệu đề tài
Sự phát triển hệ thống thông tin địa lý (GIS), qua mỗi giai đoạn sự phát triển nhằm
đáp ứng các nhu cầu thay đổi của con người, nhằm giải quyết các bài toán, vấn đề
liên quan đến thu thập, lưu trữ, quản lý, phân tích và mô hình hóa dữ liệu trong
không gian địa lý. Giai đoạn ban đầu, nhu cầu là số hóa các bản đồ, dữ liệu không
gian địa lý dưới dạng giấy được đưa vào lưu trữ, quản lý và phân tích các đối tượng
trong không gian hai chiều và từ đó hình thành hệ thống thông tin địa lý trên không
gian hai chiều (2D GIS). Tiếp đó, thực tế đặt ra các bài toán mà ở đó với mỗi đối
tượng trong không gian địa lý ngoài thông tin về tọa độ không gian hai chiều x, y
còn cần thêm thông tin về độ cao của các đối tượng đó, như vậy với mỗi đối tượng
trong không gian hai chiều cần gắn kèm thêm giá trị độ cao, sau đó hình thành nên
GIS thế hệ thứ hai, là hệ thống thông tin địa lý 2,5 chiều (2,5D GIS).
Song hành cùng sự phát triển là sự thay đổi trong nhu cầu, đòi hỏi của con người về
mô hình hóa, trực quan hóa, cộng với những vấn đề mà bài toán đặt ra như việc làm
thế nào để mô hình hóa được một thành phố, trong đó ngoài những yếu tố địa hình
như mô hình số độ cao (DEM), cần có các đối tượng nổi lên trên bề mặt, tại mỗi vị
trí trong không gian đia lý ngoài tọa độ x, y có thêm nhiều giá trị độ cao mà ta phải
quản lý.
1.2 Các phương pháp thành lập bản đồ hiện nay
Bản đồ địa hình có thể được thành lập bằng nhiều phương pháp nhưng có 3 phương
pháp đo vẽ chủ yếu:
 Phương pháp đo vẽ trực tiếp (toàn đạc, toàn đạc điện tử, GPS): Phương pháp
này dùng để xây dựng bản đồ tỷ lệ lớn ở những vùng chưa thành lập bản đồ
hoặc bản đồ đã cũ, không đảm bảo yêu cầu, chất lượng sử dụng.
 Thành lập bản đồ từ bản đồ địa hình tỉ lệ lớn hơn: Hiện nay thành lập bản đồ
địa hình từ bản đồ địa hình tỉ lệ lớn hơn thường được thực hiện bằng hai
dạng công nghệ: công nghệ truyền thống và công nghệ số.


Xây Dựng Bản Đồ 2D Từ Tập Ảnh Chụp Từ UAV


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 2/56

Hình 1-1: Sơ đồ công nghệ biên vẽ bản đồ truyền thống

Hình 1-2: Sơ đồ quy trình công nghệ số biên vẽ bản đồ địa hình

 Phương pháp ảnh hàng không: Phương pháp được sử dụng chủ yếu hiện nay,
từ nguồn tư liệu là ảnh máy bay kết hợp với mạng trắc địa, thủy văn, giao
thông…

Xây Dựng Bản Đồ 2D Từ Tập Ảnh Chụp Từ UAV


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 3/56

Ưu và nhược điểm của từng phương pháp trên được trình bày trong Bảng 1-1 dưới
đây:
Bảng 1-1: So sánh các phương pháp thành lập bản đồ hiện nay

Các phương pháp
Phương pháp đo vẽ
trực tiếp.

-


Thành lập bản đồ địa
hình từ bản đồ địa
hình tỉ lệ lớn hơn.

Phương pháp ảnh
hàng không.

Ưu điểm
Nhược điểm
Phản ánh trung thực, chính - Tốn nhiều thời gian
xác, chi tiết các đối tượng
do đó thông thường
nội dung bản đồ cần thể
chỉ thực hiện đo vẽ
hiện.
trên khu vực có diện
Thích ứng với khu vực
tích nhỏ.
(thiết bị chụp ảnh hàng
không) bị thực vật che phủ.
Loại bỏ khó khăn vất vả - Độ chính xác bản đồ
của việc đo vẽ trực tiếp.
phụ thuộc vào độ
Tận dụng các nguồn tư liệu
chính xác của các
bản đồ tư liệu.
bản đồ rút ngắn thời gian
- Quá trình tổng quát
xây dựng bản đồ.
hóa nội dung bản đồ,

biên tập bản đồ có
thể làm sai lệch,
giảm độ chính xác
của các thông tin thể
hiện trên bản đồ.
Loại bỏ khó khắn, vất vả - Độ chính xác bản đồ
của việc đo vẽ trực tiếp.
phụ thuộc vào chất
Cùng một lúc có thể đo vẽ
lượng và độ chính
xác đo vẽ, tỷ lệ ảnh
được vùng rộng lớn, rút
chụp.
ngắn thời hạn, giảm chi phí
- Quá trình xử lý tự
xây dựng bản đồ.
động có thể làm giảm
độ chính xác các
thông tin thể hiện
trên bản đồ.

1.3 Mục tiêu, nhiệm vụ của đề tài
Mục tiêu: Mục đích chính của đề tài này là xây dựng một mô hình thành lập bản đồ
2D dựa trên ảnh hàng không chụp từ thiết bị bay không người lái UAV.
Tên đề tài: Xây dựng bản đồ 2D từ tập ảnh chụp từ UAV.
Nhiệm vụ : Để hoàn thành mục tiêu đề tài đã được thực hiện bao gồm các nội dung
cụ thể sau đây:
1. Tìm hiểu về các kỹ thuật xây dựng bản đồ.

Xây Dựng Bản Đồ 2D Từ Tập Ảnh Chụp Từ UAV



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 4/56

2. Tìm hiểu về công nghệ xây dựng bản đồ dùng tập ảnh.
a. Quy trình chụp ảnh dùng UAV.
b. Kỹ thuật xử lý ảnh xây dựng bản đồ 2D.
c. Tìm hiểu một số phần mềm xây dựng bản đồ: tính năng các bước xử
lý để xây dựng được bản đồ.
3. Tìm hiểu giải thuật xử lý, ghép ảnh xây dựng bản đồ.
4. Viết phần mềm xây dựng bản đồ và đánh giá kết quả.
5. Tìm hiểu phương pháp xây dựng bản đồ 3D.

CHƯƠNG 2.

CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG BẢN ĐỒ DÙNG TẬP ẢNH

1.4 Tổng quan UAV
1.1.1 Hệ thống máy bay không người lái (UAV)
UAV là một phương tiện cơ giới trên không có thể điều khiển được từ xa, bán tự
động, tự động, hoặc có kết hợp giữa điều khiển từ xa và tự động. Có nhiều định
nghĩa khác nhau về thiết bị bay không người lái, tuy nhiên người ta vẫn thường sử
dụng thuật ngữ UAV (Unmanned Aerial Vehicle).
Trong quân sự, UAV được sử dụng từ rất sớm trong các cuộc chiến tranh thế giới và
cả ở Việt Nam. Nhiệm vụ của những UAV trong quân sự là trinh sát, tìm mục tiêu,

Xây Dựng Bản Đồ 2D Từ Tập Ảnh Chụp Từ UAV



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 5/56

thu thập hình ảnh vào cả ban ngày và ban đêm. Do vậy, thiết bị UAV được dùng
trong quân sự hiện đại phức tạp, đắt tiền và có tính bảo mật rất cao.
Trong những năm của thập niên 90 của thế kỷ trước, NASA đã xây dựng được một
chương trình phối hợp với các đối tác công nghiệp để phát triển công nghệ, hỗ trợ
cho thị trường UAV thương mại. Từ đó đến nay đã có nhiều những công ty của các
nước trên thế giới đã bắt tay vào việc nghiên cứu, chế tạo và thương mại hóa các
thiết bị này với mẫu và tên gọi khác. UAV được sử dụng trong dân sự thườn có hệ
thống đơn giản, trọng lượng nhẹ hoặc siêu nhẹ thuận tiện cho việc vận chuyển và
quan trọng là giá thành rẻ.
Đối với công tác Trắc địa, hệ thống UAV giống như một hệ thống viễn thám thông
thường, trong đó thiết bị bay không người lái (UAV) đóng vai trò là vật mang
(carriers) các thiết bị khác như: máy ảnh, máy quét laser phục vụ cho công tác quay
video và thu nhận hình ảnh.
1.1.1.1 Ưu điểm của UAV
Ưu điểm chính của UAV so với hệ thống máy bay có người lái là UAV có thể sử
dụng trong các khu vực có độ rủi ro cao mà không nguy hiểm và thiệt hại về con
người (phi công), các vùng không thể tiếp cận, bay gần với những đối tượng nơi mà
hệ thống có người lái không thể bay được hoặc rất nguy hiểm, những nơi xảy ra các
thảm họa tự nhiên, ví dụ các khu vực núi lửa, lũ lụt ở đồng bằng, động đất và vùng
sa mạc... Hơn nữa, trong điều kiện thời tiết bất lợi nhiều mây và mưa phùn, thu
nhận dữ liệu bằng UAV cũng vẫn tốt vì UAV có tầm bay thấp nên có thể bay dưới
những đám mây. Ngoài ra, UAV còn có khả năng thu nhận dữ liệu một cách nhanh
chóng ở thời điểm tức thời, truyền tải hình ảnh và những thông số định vị ở trong
thời gian đó xuống trạm điều khiển mặt đất.
Hầu hết những hệ thống UAV thương mại hiện đang có trên thị trường chủ yếu phục
vụ cho các mục đích dân dụng, thường tập trung vào yếu tố giá rẻ và như vậy một
ưu điểm lớn trong việc sử dụng UAV còn là yếu tố giá thành. Những hệ thống máy

bay không người lái (UAV) ít tốn kém và chi phí điều hành thấp hơn so với các máy
bay có người lái. Do đó, UAV có thể xem như việc bổ sung hoặc thay thế cho các
thiết bị chụp ảnh mặt bằng trong các ứng dụng ở một khu vực nào đó. Ngoài những
Xây Dựng Bản Đồ 2D Từ Tập Ảnh Chụp Từ UAV


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 6/56

ưu điểm này, hình ảnh thu nhận từ UAV cũng có thể được sử dụng để lập mô hình
số cấu trúc bề mặt 3D độ phân giải cao và các mô hình số địa hình, cũng như sử
dụng nó trong việc hiệu chỉnh hình ảnh. Mặt khác dữ liệu ảnh thu nhận từ UAV có
độ chồng phủ lớn. Ảnh chụp ở nhiều góc độ, hình ảnh trung thực, hàm lượng thông
tin lớn, độ phân giải cao cho phép người sử dụng có thể ước tính được độ chính xác
sản phẩm dự kiến. So với ảnh vệ tinh thì ảnh hàng không thường có độ phân giải
cao hơn và không bị ảnh hưởng bởi mây.
1.1.1.2 Nhược điểm của UAV:
Hệ thống UAV dân dụng thường sẽ hạn chế về trọng lượng, kích thước của cảm
biến và camera, vì vậy trọng lượng của vật mang thường nhẹ, camera thường là
dạng camera nghiệp dư vừa và nhỏ. Vì thế, để đạt được độ chính xác cao, UAV phải
có được số lượng hình ảnh cao hơn nhằm có được cùng độ bao phủ hình ảnh và độ
phân giải hình ảnh tương đương. Hơn nữa, bộ cảm biến thường kém ổn định hơn so
với bộ cảm biến cao cấp, kết quả là chất lượng hình ảnh giảm. Thêm vào đó, những
hạn chế về tải trọng đó dẫn đến nhu cầu việc sử dụng những thiết bị định vị nhẹ,
đồng nghĩa với kém độ chính xác trong việc xác định hướng của các cảm biến. Hơn
nữa, UAV dân dụng thường được trang bị với pin nhỏ, do vậy hạn chế về cao độ đạt
được và thời gian bay, ảnh hưởng đến năng suất hoạt động.
Công nghệ chụp ảnh hàng không bằng UAV hiện nay đang được ứng dụng rất
rộng rãi trong nhiều lĩnh vực đặc biệt là trong công tác khảo sát địa hình. Chụp ảnh
bằng UAV có nhiều ưu điểm vượt trội so với các phương pháp trước đó:

 Các thiết bị UAV hiện nay có thể bay được ở nhiều độ cao khác nhau. Và
với khả năng bay chụp ở độ cao dưới từ 300 mét trở xuống, ảnh chụp từ
UAV sẽ đạt được độ phân giải cao.
 Ảnh chụp từ UAV cũng không bị vướng mây.
 Thuật toán xử lý ảnh từ UAV luôn được phát triển và đổi mới, giúp cho các
kết quả ảnh mặt bằng đạt được độ chính xác cao (lên đến 5cm) phù hợp với
các tiêu chuẩn đo vẽ bình đồ địa hình mặt đất.
1.1.2 Cấu tạo hệ thống UAV trong xây dựng bản đồ [4]

Xây Dựng Bản Đồ 2D Từ Tập Ảnh Chụp Từ UAV


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 7/56

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.
 Trạm xử lý ảnh tạo mô hình số mặt đất.
1.1.1.3 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 dung lượng pin đủ lớn dùng để cung cấp nguồn điện cho toàn bộ
các thiết bị trên máy bay. 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 (Multirotor).


Hình 2-1: Một số mô hình máy bay phổ biến với cánh cố định (bên trái) và máy bay cánh
quay (bên phải) [4]

1.1.1.4 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.

Xây Dựng Bản Đồ 2D Từ Tập Ảnh Chụp Từ UAV


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 8/56

Hình 2-2: Máy ảnh thường được dùng để chụp ảnh từ UAV [4]

1.1.1.5 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:
 Máy tính bảng hoặc điện thoại thông minh được cài đặt phẩn mềm lập trình
bay và điều khiển bay và có thể lập kế hoạch vị trí hướng cất cánh, hạ cánh
tại thực địa.
 Bộ điều khiển có thiết bị thu phát tín hiệu dùng để kết nối máy tính bảng với
máy bay.
 Tay điều khiển dùng để kết nối với máy bay.

Hình 2-3: Bộ điều khiển của hãng Phantom [4]

1.1.1.6 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 để tạo mô hình số mặt đất. Một số phần mềm
thương mại như Pix4D, Hugin… sẽ được trình bày cụ thể trong phần 2.4.

Xây Dựng Bản Đồ 2D Từ Tập Ảnh Chụp Từ UAV


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 9/56

1.5 Quy trình chụp ảnh dùng UAV [4]
Việc sử dụng UAV bay chụp ảnh có thể bằng phương pháp điều khiển thủ công hoặc
thông qua hệ thống bay tự động.Trước khi bay chụp, phạm vi dự án phải được xác
định rõ nhằm thiết kế đường bay hợp lý. Phạm vi đường bay phải bao trùm cả phạm
vi dự án. Các bức ảnh được chụp kế tiếp nhau luôn có một độ phủ nhất định tùy
thuộc vào yêu cầu công việc và độ chính xác. Độ phủ càng dày sẽ cho độ chính xác
càng cao.
1.1.3 Thiết kế độ cao bay của UAV dựa trên kích cỡ điểm ảnh cho trước
Công tác chuẩn bị bao gồm hoạch định vị trí và phạm vi cần bay chụp, kiểm tra
vùng cấm bay, điều kiện thời tiết có phù hợp cho công tác bay chụp hay không. 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.
Đối với hầu hết các trường hợp các đề nghị chồng chéo là ít nhất 75 % chồng chéo
(đối với hướng bay) và tại ít nhất 60 % chồng chéo (giữa các chuyến bay). Máy ảnh
này được yêu cầu duy trì độ cao liên tục trên địa hình / đối tượng để đảm bảo GSD
mong muốn.
Vì kích cỡ của cảm biến thu nhận ảnh trong máy ảnh là cố định, do đó độ phân giải
điểm ảnh (kích thước của pixel) bị chi phối bởi độ cao bay chụp. Kích cỡ điểm ảnh
ảnh hưởng đến độ chính xác của bản đồ. Mối quan hệ giữa độ cao bay chụp và độ

phân giải điểm ảnh được thể hiện trong công thức dưới đây:

H =(imW*GSD*FR) / (Sw*100)

(1)

Với: H là độ cao bay được thiết kế cho UAV (m);
GSD (Ground Sample Distance) là khoảng cách lấy mẫu đất (kích cỡ điểm
ảnh cần chụp (cm));
imW (image width) là độ rộng của ảnh chụp tính bằng pixel;
FR (focal length) là độ dài tiêu cự của máy ảnh;
Sw (sensor width) là chiều rộng của cảm biến thu nhận ảnh của máy ảnh.

Xây Dựng Bản Đồ 2D Từ Tập Ảnh Chụp Từ UAV


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 10/56

Hình 2-4: Tính khoảng cách lấy mẫu mặt đất [4]

Ví dụ: nếu kích cỡ điểm ảnh thiết kế cho dự án là 3 cm. UAV sử dụng máy ảnh
Sony EXMOR có FR là 3.6 mm, imW là 4000 pixel, Sw là 6.31 mm. Độ cao bay của
UAV tính được là 68.46 m.
1.1.4 Tính tổng số đường bay của UAV
Tổng số đường bay của UAV phụ thuộc vào độ phủ ngang của tấm ảnh và có thể
tính toán dựa trên công thức sau :

FStrip=WidthPr/[M*Sh*((100- Q%) /100)]


(2)

Với: FStrip là tổng số đường bay cần tính;
WidthPr là độ rộng của khu vực cần bay chụp;
M là mẫu số của tỷ lệ ảnh (có thể tính bằng công thức FL/ HBC);
Sh (Sensor height) là chiều cao của cảm biến thu nhận ảnh của máy ảnh;
Q là độ phủ ngang của tấm ảnh (%).

Xây Dựng Bản Đồ 2D Từ Tập Ảnh Chụp Từ UAV


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 11/56

Hình 2-5: Các tuyến bay chụp ảnh kề nhau và độ phủ của ảnh [4]

Ví dụ: khu đo có diện tích là 168 m dài x 156 m rộng, độ phủ ngang của ảnh là
65%; Sh của máy ảnh Sony EXMOR là 4.72 mm; M là 19000 thì tổng số đường bay
tính được là 5 đường bay (làm tròn).
1.1.5 Tính tổng số ảnh cần chụp và tổng dung lượng ảnh số
Tổng số ảnh cần chụp từ UAV phụ thuộc vào độ cao bay chụp (tỷ lệ ảnh) và độ phủ
dọc, có thể tính toán bằng công thức sau :

TSA= Length Pr/ (M*Sw*[(100 - P%) /100]

(3)

Với: TSA là tổng số ảnh cần chụp của khu đo;
M là mẫu số của tỷ lệ ảnh;
Sw là chiều rộng của cảm biến trên máy ảnh;

P là độ phủ dọc của tấm ảnh (%).
Ví dụ: độ dài của khu chụp là 168 m, độ phủ dọc P là 80%, SSw của máy ảnh Sony
EXMOR là 6.30 mm, M là 19000, tổng số ảnh cho mỗi đường bay tính được là là 7
ảnh (làm tròn). Cộng thêm hai ảnh đầu và cuối của đường bay để phủ trùm khu bay
chụp, tổng số ảnh là 9 ảnh x 5 đường bay sẽ là 45 ảnh. Tổng dung lượng ảnh là 45
ảnh x 5 Mb = 225 Mb (với mỗi ảnh có dung lượng cho trước ≈ 5 Mb).
1.1.6 Tính toán tốc độ chụp (shooting rate hoặc capture rate)
Tốc độ chụp ảnh phụ thuộc vào vận tốc bay của UAV và có thể tính theo công thức
sau đây:

Xây Dựng Bản Đồ 2D Từ Tập Ảnh Chụp Từ UAV


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 12/56

VShooting =((imH / imW*GSD) /100)*((100 - P%) /100) / v

(4)

Với: VShooting là tốc độ chụp ảnh;
imH và imW là chiều cao và chiều rộng của tấm ảnh (tính theo đơn vị pixel);
GSD là kích cỡ điểm ảnh;
P là độ phủ dọc (%);
v là vận tốc bay của UAV.
Vì chiều cao và chiều rộng của cảm biến thu nhận ảnh trên máy ảnh là khác nhau,
do vậy tốc độ chụp ảnh phụ thuộc vào việc máy ảnh đặt song song hay vuông góc
với hướng bay (dễ dàng điều chỉnh), và do vậy, imH hay imW sẽ được chọn.

Hình 2-6: Máy ảnh đặt vuông góc với hướng bay (bên trái), máy ảnh đặt song song với hướng

bay (bên phải) [4]

Ví dụ: nếu máy ảnh Sony EXMOR đặt vuông góc với hướng bay, imH (3000 pixel)
được sử dụng; GSD là 3 cm, độ phủ dọc là 80%, tốc độ bay của UAV là 5m/s, tốc
độ chụp tính được là 3.6s/ảnh.
1.6 Kỹ thuật xử lý ảnh xây dựng bản đồ
1.1.7 Các dữ liệu đầu vào
Công tác xử lý ảnh mặt bằng từ UAV gồm ba bộ dữ liệu đầu vào chính:
 Ảnh chụp mặt bằng từ các thiết bị bay (Images): Ảnh chụp mặt bằng gồm
các hình, ảnh chụp từ trên cao bởi các thiết bị bay không người lái. Mỗi dự
án chụp mặt bằng thường có số lượng ảnh dao động từ vài chục đến vài
nghìn tấm, tùy thuộc vào quy mô dự án và yêu cầu độ chính xác.
 Điểm khống chế tọa độ và cao độ (Geo Control Points): Điểm khống chế mặt
đất được đo tĩnh bằng phương pháp GPS.
Xây Dựng Bản Đồ 2D Từ Tập Ảnh Chụp Từ UAV


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 13/56

 Bình đồ (photomap) đo vẽ để kiểm tra: Bình đồ kiểm tra cần có độ chính xác
cao và mật độ điểm đo thích hợp nhằm đảm bảo chất lượng ảnh mặt bằng.

Hình 2-7: Các dữ liệu đầu vào

1.1.8 Thiết lập điểm khống chế
Các điểm khống chế tọa độ và cao độ mặt đất sẽ được đo bằng phương pháp đo
GPS tĩnh. Điểm khống chế phải phân bố đều trên khắp khu đo. Điểm khống chế sẽ
được đánh dấu bằng những mục tiêu dưới mặt đất (ground target). Khi tiến hành
bay chụp, các điểm mục tiêu sẽ hiển thị rõ trên ảnh, giúp công tác nắn ảnh, xử lý

ảnh diễn ra thuận lợi và kết quả đạt độ chính xác cao.
1.7 Các phần mềm thương mại để xây dựng bản đồ 2D
Có rất nhiều phần mềm dùng để ghép ảnh 2D, sau đây là một số phần mềm phổ
biến được sử dụng hiện nay.
2.1.1 So sánh chức năng, điểm mạnh yếu của một số phần mềm
Bảng 2-1: Một số phần mềm xử lý ảnh chụp từ UAV tiêu biểu

STT

1

2

Phần
mềm

Pix4D

Hugin

Chức năng
- Ghép ảnh mặt bằng.
- Dựng mô hình 3D.
- Dựng mô hình độ
cao.
- Xử lý ảnh đa phổ.
- Đo đạc, tính toán
animation video.
-


Điểm mạnh
-

Ghép ảnh mặt bằng. Đo đạc, tính toán.
-

Xây Dựng Bản Đồ 2D Từ Tập Ảnh Chụp Từ UAV

Dễ sử dụng.
Hỗ trợ nhiều định
dạng camera.
Hỗ trợ kỹ thuật tốt.
Liên tục cập nhật, đổi
mới Hỗ trợ nhiều
định dạng camera.
Hỗ trợ tùy chỉnh hệ
tọa độ đa dạng.
Hỗ trợ nhiều định dạng camera.
Hỗ trợ tùy chỉnh hệ

Điểm yếu
Giá
cao.

thành

Ảnh mặt bằng
không được
rõ nét.



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 14/56

-

tọa độ đa dạng.
Sử dụng miễn phí.

-

3

PTGui

-

Ghép ảnh mặt bằng. Đo đạc, tính toán.
-

Giao diện đơn giản, dễ sử dụng.
Hỗ trợ kỹ thuật tốt.
Sử dụng miễn phí.

Hỗ trợ kỹ
thuật chậm.
Chậm
cập
nhật, đổi mới,
sửa lỗi.

Ít tùy chỉnh.
Ảnh mặt bằng
không được
rõ nét.

2.1.2 Ứng dụng các phần mềm trong xây dựng bản đồ
Sau đây là kết quả được xử lý từ các phần mềm trên cho cùng một cơ sở dữ liệu.

Hình 2-8: Tập ảnh đầu vào

Xây Dựng Bản Đồ 2D Từ Tập Ảnh Chụp Từ UAV


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 15/56

Hình 2-9: Kết quả ghép ảnh dùng Hugin

Hình 2-10: Kết quả ghép ảnh dùng Pix4d

Xây Dựng Bản Đồ 2D Từ Tập Ảnh Chụp Từ UAV


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 16/56

Hình 2-11: Kết quả ghép ảnh dùng PTGui

Từ kết quả trên ta có thể thấy được phần mềm Hugin tạo ra một bức ảnh hình chữ
nhật đã được cắt bớt đi những phần dư để tạo nên một bức tranh toàn cảnh đẹp hơn.

Tuy nhiên hình ảnh được tạo ra từ hai phần mềm PTGui và Hugin không được rõ
nét bằng phần mềm Pix4D.

Xây Dựng Bản Đồ 2D Từ Tập Ảnh Chụp Từ UAV


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 17/56

CHƯƠNG 3.

MÔ HÌNH GIẢI THUẬT XÂY DỰNG BẢN ĐỒ 2D

1.8 Tổng quan về xử lý ảnh
Xử lý ảnh là một môn khoa học tương đối mới mẻ so với những ngành khoa học
khác, nhất là trên lĩnh vực công nghiệp. Hai nhiệm vụ cơ bản của xử lý ảnh là nâng
cao chất lượng thông tin hình ảnh và xử lý số liệu cung cấp cho các quá trình khác.
Quá trình sử lý ảnh được tiến hành theo sơ đồ sau:

Hình 3-1: Sơ đồ quá trình xử lý ảnh

Quá trình xử lý ảnh bắt đầu từ việc thu nhận ảnh. Tiếp theo sau là quá trình số hóa
(Digitalizer) biến đổi tín hiệu từ tương tự qua tín hiệu rời rạc và số hóa trước khi
chuyển qua giai đoạn xử lý, phân tích hoặc lưu trữ lại.
Quá trình phân tích ảnh bao gồm nhiều công đoạn nhỏ. Trước hết là việc tăng cường
ảnh để nâng cao chất lượng ảnh đầu vào. Do những nguyên nhân khác nhau, có thể
là do chất lượng thiết bị thu nhận ảnh, nguồn sáng hay nhiễu, ảnh có thể bị suy biến.
Vì vậy cần tăng cường, khôi phục lại ảnh để có thể làm nổi bật một số đặc tính
chính của ảnh, hay đơn giản là làm cho ảnh gần giống với trạng thái gốc. Giai đoạn


Xây Dựng Bản Đồ 2D Từ Tập Ảnh Chụp Từ UAV


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 18/56

tiếp theo là phát hiện các đặc tính như: biên, phân vùng ảnh, trích chọn các đặc tính.
Cuối cùng, tùy theo mục đích của từng ứng dụng, sẽ là giai đoạn nhận dạng, phân
lớp hay các quyết định khác.
1.1.9 Khái niệm về ảnh số [1]
Ảnh số là tập hợp hữu hạn những điểm ảnh với mức xám phù hợp dùng để mô tả
gần nhất so với ảnh thật. Số điểm ảnh xác định được độ phân giải của ảnh, độ phân
giải ảnh càng cao thì càng thể hiện rõ nét những đặc điểm chính của tấm hình, làm
cho tấm ảnh trở nên thực và sắc nét hơn. Ảnh có thể biểu diễn được theo một trong
hai mô hình: mô hình Vector hoặc mô hình Raster.
-

-

Mô hình Vector: Ngoài những mục đích chính là tiết kiệm không gian lưu
trữ, dễ dàng hiển thị và in ấn, các ảnh biểu diễn theo mô hình vector còn có
ưu điểm là cho phép dễ dàng lựa chọn, sao chép, di chuyển, tìm kiếm…
Trong mô hình này, hướng vector của các điểm ảnh lân cận được sử dụng để
mã hóa, tái tạo lại hình ảnh ban đầu. Các ảnh vector được thu nhận trực tiếp
từ những thiết bị số hóa như Digitalize hoặc có thể được chuyển đổi từ các
ảnh Raster thông qua chương trình vector hóa.
Mô hình Raster: là một mô hình biểu diễn ảnh thông dụng nhất hiện nay.
Ảnh được biểu diễn dưới dạng ma trận của các điểm ảnh. Tùy theo nhu cầu
thực tế mà mỗi điểm ảnh được biểu diễn bởi một hay nhiều bit. Mô hình
Raster thuận lợi cho việc thu nhận, hiển thị và in ấn.


1.1.1.7 Điểm ảnh
Điểm ảnh (Pixel) là một phần tử của ảnh số tại tọa độ (x, y) với độ xám hoặc màu
nhất định. Kích thước và khoảng cách giữa những điểm ảnh đó được chọn thích hợp
sao cho mắt người sẽ cảm nhận được sự liên tục về không gian, mức xám (hoặc
màu) của ảnh số gần như so với ảnh thật. Mỗi một phần tử trong ma trận được gọi là
một phần tử ảnh.
1.1.1.8 Mức xám của ảnh
Là kết quả của sự biến đổi tương ứng một giá trị độ sáng của một điểm ảnh đối với
một giá trị nguyên dương. Thông thường nó được xác định trong khoảng từ 0 đến
255 tùy thuộc vào giá trị mà mỗi điểm ảnh cần được biểu diễn.
1.1.1.9

Lược đồ mức xám (Histogram)

Xây Dựng Bản Đồ 2D Từ Tập Ảnh Chụp Từ UAV