Ứng dụng công nghệ UAV trong khảo sát địa hình và lập bản đồ số: Hiện trạng và hướng phát triển

Khi phân loại viễn thám theo tầng hoạt động của bộ thu thì chúng ta có các loại như: tầng vệ tinh, tầng máy bay, khinh khí cầu, tầng UAV… Công nghệ bay chụp ảnh UAV thuộc Viễn thám tầng thấp, chủ yếu bay trong khoảng từ vài chục mét đến vài km so với mực nước biển, thu nhận hình ảnh với độ phân giải siêu cao, trong thời gian nhanh và cung cấp kết quả xử lý gần thời gian thực, cho phép chủ động trong công tác bay chụp, thu nhận hình ảnh, chủ động, tranh thủ được thời tiết. Trong lĩnh vực trắc địa, bản đồ, công nghệ viễn thám bằng thiết bị bay chụp ảnh UAV phục vụ chủ yếu cho giám sát công trình giao thông, thủy lợi, nông nghiệp, khảo sát các khu vực có địa hình phức tạp, các tuyến ống dẫn nước, khí đốt, nhưng nhiều hơn cả là thành lập bản đồ tỷ lệ lớn. Với nhiều công trình đã thực hiện công nghệ UAV đã chứng tỏ được thế mạnh vượt trội của mình khi so sánh với các công nghệ truyền thống như: tạo ra hình ảnh trực quan, sinh động; cung cấp thông tin nhanh chóng và chính xác; sản phẩm phong phú (ảnh trực giao, DSM và DEM, Point cloud, mô hình 3D), đặc biệt là giá thành ngày càng hạ (UAV Phantom giá chỉ khoảng 1200$), tuy nhiên khi đi sâu vào phân tích tỉ mỉ từng công đoạn, từng sản phẩm cụ thể thì ta sẽ thấy còn nhiều công đoạn, nhiều vấn đề kỹ thuật cần phải cải tiến hơn nữa để có thể cho ra được một bộ sản phẩm UAV hoàn thiện, đáp ứng với người sử dụng.

Các loại thiết bị UAV và bộ cảm phổ biến hiện nay gồm: UAV dạng lên thẳng, UAV dạng cánh bằng, thiết bị bay không người lái dạng hỗn hợp.

UAV dạng lên thẳng có hai hoại: một động cơ (helicopter) hay nhiều động (multirotor) nhưng hiện nay loại nhiều động cơ được sử dụng rộng rãi hơn và được các hãng lớn trên thế giới phát triển rất đa dạng như loại UAV 04 động cơ md4-1000 (hãng microdrone Thụy sỹ), Phantom (của hãng DJI). Loại UAV lên thẳng này có những ưu điểm như sau: do sử dụng nhiều động cơ nên sức nâng tương đối lớn nên có khả năng lắp lẫn nhiều bộ cảm biến khác nhau; có khả năng bay theo các quỹ đạo phức tạp, bay theo tuyến hoặc treo đứng do vậy có thể thực hiện đa mục đích như quay phim, truyền hình trực tiếp, chụp ảnh panorama, bay theo tuyến thành lập bản đồ, thành lập mô hình 3D, hỗ trợ cứu hộ cứu nạn; cần một diện tích nhỏ để cất hạ cánh. Tuy nhiên thiết bị này cũng có một số nhược điểm như: thời gian bay ngắn khoảng 10 phút đối với máy bay DJI hoặc 40 phút đối với máy bay của hãng Microdrones. Do thời gian bay ngắn nên ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất công việc. Nếu muốn thực hiện một công việc (Project) trên một phạm vi rộng thì cần phải thực nhiện nhiều chuyến bay. Hoặc khi truyền hình trực tiếp thời gian dài ta cần thay pin cho UAV nhiều lần. Tốc độ gió tối đa để thiết bị bay ổn định tương đối thấp do vậy trong điều kiện gió to không thể thực hiện được các chuyến bay. Khả năng vận hành hệ thống phức tạp.

Về UAV dạng cánh bằng, trên thế giới có một số hãng đã chế tạo thành công và đưa vào ứng dụng trong thực tế hiệu quả các thiết bị bay dạng cánh bằng như: UAV Trimble UX5 (của hãng Trimble Mỹ), UAV Ebee, SwingletCam (của hãng SenseFly, Thụy sỹ), UAV GeoScan (hãng Geoscan, Nga). UAV dạng cánh bằng được khai thác trong lĩnh vực trắc địa bản đồ phổ biến hơn do những tính năng vượt trội của mình như: thời gian bay chụp lâu, độ ổn định cao, chịu được tốc độ gió lớn, vận hành hệ thống đơn giản. Tuy nhiên UAV dạng này cũng có một vài nhược điểm đó là: thường được thiết kế với một số lượng hạn chế các loại máy ảnh đi kèm, ít có khả năng mở rộng; không có khả năng bay treo, bay chụp ảnh xiên bị hạn chế; cất hạ cánh cần một khu vực bãi đáp khá rộng, tùy vào từng chủng loại UAV nhưng trung bình bãi cất hạ cánh kích thước khoảng 50x100m (UX5); hạ cánh bằng bụng hoặc bằng dù do vậy thân UAV dễ bị xước, hỏng hóc thiết bị, vật mang nên nhanh phải thay thế.

Thiết bị bay không người lái dạng hỗn hợp với mục đích tích hợp điểm mạnh của hai loại UAV nói trên, đồng thời hạn chế tối đa những khuyết điểm của chúng, trong thời gian gần đây đã xuất hiện một loại máy bay dạng lai ghép (hybrid) giữa UAV lên thẳng và cánh bằng. Các sản phẩm UAV lai ghép này tiêu biểu như loại HQ-40 hay HQ-60 (hãng Latitude). Loại UAV này có ưu điểm chỉ cần một bãi trống cất hạ cánh nhỏ (như UAV lên thẳng), nhưng khi vào tuyến bay thì bay với tốc độ cao, tính ổn định tốt (như UAV cánh bằng) do đó hiệu suất làm việc được tăng lên đáng kể nhất là ở những khu vực khó chọn được bãi cất hạ cánh và thời tiết không thuận lợi. Tuy nhiên loại UAV này giá thành còn cao nên việc tiếp cận còn khó khăn.

Hiện nay, bay chụp ảnh UAV được sử dụng với 02 mục đích là mục đích phi địa hình và mục đích địa hình.

Với mục đích phi địa hình sử dụng máy bay UAV có thể áp dụng trong giám sát công trình hay phục vụ tìm kiếm cứu hộ cứu nạn. Bên cạnh đó còn một số lĩnh vực khác được áp dụng như xây dựng mô hình 3D các khu di tích lịch sử, khu nhà máy; giám sát các tuyến đường dây tải điện; giám sát đường giao thông hay hỗ trợ phát hiện các hành vi buôn lậu hoặc nhập cư bất hợp pháp. Đối với mục đích chụp ảnh phi địa hình thì phần xử lý ảnh khá đơn giản, cung cấp tấm ảnh đơn hoặc ảnh ghép ở mức thô, chưa khử được biến dạng xuyên tâm của hình ảnh.

Đối với mục đích địa hình, sản phẩm cơ bản của UAV cho mục đích khảo sát địa hình là ảnh trực giao (orthophoto), mô hình số bề mặt (DSM) và đám mây điểm (point clouds). Với mục đích này ngoài việc thu thập hình ảnh ngoài thực địa vô cùng quan trọng thì còn phải tính đến phần xử lý nội nghiệp cũng tương đối phức tạp, mất nhiều thời gian và công sức của tác nghiệp viên. Đối với các nhà sản xuất UAV thường kết hợp với một bên thứ 3 chuyên về xử lý ảnh sau khi bay. Phần mềm xử lý ảnh sẽ được tùy biến để phù hợp với trang thiết bị của các hãng sản xuất và cung cấp kèm theo hệ thống phần cứng UAV. Điển hình là hãng máy bay Sensefly với phần mềm xử lý ảnh Postflight 3D. Tuy nhiên phần mềm Postflight 3D này không phải do hãng Sensefly sản xuất mà do hãng phần mềm Pix4mapper cung cấp phần lõi.

Trong tương lai gần, công nghệ bay chụp ảnh không người lái còn có những bước phát triển theo chiều sâu hơn, và giải quyết được nhiều bài toán hơn nữa. Để đạt được điều đo chúng ta phải xây dựng được một môi trường hoạt động cho công nghệ UAV từ việc phát triển các hệ thống UAV khác nhau đến xây dựng các bãi chuẩn chuyên cho việc thử nghiệm UAV.

Chúng ta cũng cần có những phương hướng phát triển cho hệ thống UAV có thể nâng được vật mang có trọng lượng lớn hơn, thời gian bay lâu hơn và phát triển các hệ thống UAV hybrid có giá thành rẻ hơn và hoàn thiện hơn, phát triển các máy đo phổ, máy chụp ảnh đa phổ, siêu phổ, máy quét lidar hoàn thiện hơn cho UAV. Phát triển hệ thống xác định tọa độ tâm ảnh (RTK) chính xác cho UAV để giảm bớt đo đạc các điểm khống chế ngoại nghiệp. Phát triển các sensor kết hợp giữa chụp ảnh và quét lidar có thể lắp đặt và thu nhận dữ liệu trên UAV để tăng độ chính xác cho việc thành lập bình đồ ảnh và chiết xuất mô hình số địa hình.

Kết luận: Công nghệ UAV ngày càng phát triển với tốc độ ngày càng cao, nhưng đã đến lúc công nghệ UAV phải nhìn lại mình để có những bước đi mới, toàn diện và chuyên sâu hơn. Đáp ứng được nhiều lĩnh vực khoa học cũng như trong cuộc sống. Hệ thống bay có độ an toàn cao và hiệu quả. Tạo ra được nhiều sản phẩm có chất lượng với quy trình xử lý tự động hóa và độ chính xác cao. Do vậy, lĩnh vực nghiên cứu thiết bị bay không người lái vấn đang rất mở nhưng cũng đặt ra cho các nhà nghiên cứu những bài toán phưc tạp hơn nhưng cũng không kém phần thú vị cần được giải quyết.