Lựa chọn chế độ định vị tâm chụp chính xác của máy bay không người lái

1-Đặt vấn đề

Những lợi ích khi tư liệu ảnh chụp máy bay không người lái có sử dụng định vị tâm chụp bằng hệ định vị toàn cầu GNSS trong đo ảnh đã được khẳng định (Michael Blake, 2020; Wingtra, 2020) như: Tính an toàn cao vì không cần cán bộ kỹ thuật đi đo khống chê ảnh mặt đất ở những vùng khó khăn, nguy hiểm; Tiết kiệm thời gian, tăng năng suất và hiệu quả (ở điều kiện thực tế chỉ cần vài điểm để kiểm tra). Có 3 phương pháp định vị tâm chụp ảnh của máy bay không người lái là: phương pháp định vị động tức thời với trạm Cors GNSS (Network RTK), phương pháp định vị động tức thời với trạm cơ sở đồng bộ D-RTK2, phương pháp định vị động xử lý sau PPK; Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm, nhược điểm khác nhau, để đảm bảo yêu cầu cho thành lập bản đồ tỷ lệ lớn nên trong nghiên cứu này sẽ phân tích lựa chọn chế độ định vị tâm chụp hợp lý.

2-Phân tích ưu nhược điểm của các phương pháp định vị tâm chụp

Ngoài những ưu điểm chung trong đo ảnh của các phương pháp định vị tâm chụp thì mỗi phương pháp còn có những đặc điểm sau đây:

2.1-Phương pháp định vị động tức thời Network RTK tâm chụp ảnh UAV với trạm Cors

Các hệ thống trạm tham chiếu liên tục thường thu/phát dữ liệu cải chính GNSS với tần số 1Hz tức là 1 giây có 1 trị đo dữ liệu được truyền đi qua mạng internet (vngeonet, 2020) đến của máy bay không người lái.

Ưu điểm:

Cung cấp tọa độ tức thời cho tâm chụp ảnh.
Trị đo tâm chụp ảnh độ chính xác cao được gắn trực tiếp vào thông số ảnh chụp.
Không cần phải thêm bước xử lý sau tọa độ tâm chụp.
Không cần đầu tư trạm cơ sở cho người dùng.
Khoảng cách hoạt động khá lớn (có thể lên đến vài chục km) từ trạm Cors.

Nhược điểm:

Mất nhiều thời gian kết nối và khởi tạo.
Cần phải có sim kết nối mạng internet và mua dịch vụ của bên cung cấp hệ thống trạm Cors.
Phụ thuộc vào mật độ trạm Cors và không chủ động trong giải quyết sự cố về truyền dẫn.
Tín hiệu cải chính với tần suất 1Hz của hệ thống trạm Cors cùng với độ trễ của mạng internet 3G/4G chưa đáp ứng được yêu cầu định vị chính xác cho UAV (tốc độ bay chụp thường từ 5-7m/s).
Không chủ động có số liệu đo gốc để làm minh chứng vì liên quan đến đơn vị cung cấp dịch vụ Cors.
Có thể gặp sự cố khi xác định tọa độ tức thời (thường gặp).

Hình 1. Phương pháp định vị tâm chụp cho UAV bằng Network RTK (nguồn: Escadrone.com, 2020).

2.2-Phương pháp định vị động tức thời RTK tâm chụp ảnh UAV với trạm cơ sở đồng bộ D-RTK2

Định vị tâm chụp theo phương pháp RTK với trạm cơ sở đồng bộ D-RTK2 của hãng cùng với máy bay Phantom 4RTK là một giải pháp chủ động, các tín hiệu cải chính nhanh chóng được gửi tức thời đến thiết bị bay và tính toán ngay tại thời điểm chụp ảnh.

Hình 2. Phương pháp định vị tâm chụp cho UAV bằng RTK với trạm cơ sở đồng bộ D-RTK2 (nguồn: Escadrone.com, 2020).

Ưu điểm:

Cung cấp tọa độ tức thời cho tâm chụp ảnh.
Trị đo tâm chụp ảnh độ chính xác cao được gắn trực tiếp vào thông số ảnh chụp.
Chủ động trong định vị tâm chụp.
Không cần phải thêm bước xử lý sau tọa độ tâm chụp.
Có thể hỗ trợ bay chụp với sự tham gia của mô hình số bề mặt (độ cao bay được thay đổi linh hoạt theo nền độ cao bề mặt địa hình).

Nhược điểm:

Mất nhiều thời gian kết nối và khởi tạo.
Phải đầu tư trạm cơ sở đồng bộ hãng (thêm chi phí).
Phạm vi hoạt động hay khoảng cách không dài (vài km), cần thông hướng giữa trạm điều khiển và thiết bị bay dẫn đến ảnh hưởng của địa hình đến khả năng cung cấp tín hiệu cải chính tức thời tọa độ tâm chụp.
Không lưu lại số liệu đo gốc để làm minh chứng.
Có thể gặp sự cố khi xác định tọa độ tức thời.

2.3-Phương pháp định vị động xử lý sau tâm chụp ảnh PPK

Giải pháp định vị PPK cho phép sử dụng thiết bị làm trạm cơ sở của hãng thử 3, lưu ý khi cài đặt tần suất thu tín hiệu cần đạt tối thiểu 5Hz (0.2s một trị đo) đề đảm bảo độ chính xác nội suy tâm chụp ảnh. Phương pháp PPK cần một quá trình tiền xử lý trong phòng để xác định tọa độ tâm chụp. Tâm chụp ảnh được ghi nhận lúc chụp ảnh có độ chính xác thấp, cần thay thế trong quá trình xử lý trên phần mềm đo ảnh sau khi có tâm chụp được giải bằng PPK.

Hình 3. Phương pháp định vị tâm chụp cho UAV bằng PPK (nguồn: Escadrone.com, 2020).

Ưu điểm:

Tiết kiệm thời gian chuẩn bị vì quá trình kết nối ít hơn.
Thiết lập trạm cơ sở dễ dàng, không cần kết nối với thiết bị bay.
Đáng tin cậy hơn phương pháp RTK do không phụ thuộc vào cường độ tín hiệu hoặc thông tin cải chính GNSS trong thời gian tức thời. Có thể chính xác hơn RTK vì dùng kết hợp lời giải đi và về trong xử lý tọa độ tâm chụp.
Phạm vi hoạt động xa hơn, không cần thông hướng giữa trạm cơ sở và thiết bị bay.
Cho phép linh hoạt hơn khi bay chụp do không cần kết nối thiết bị ngoại vi.
Lưu lại số liệu gốc để làm minh chứng.

Nhược điểm:

Cần thêm thời gian xử lý tọa độ tâm chụp sau khi bay chụp.
Quy trình dễ mắc lỗi về đồng bộ hệ quy chiếu do thay đổi các trạm cơ sở ở những khu bay chụp lớn.

3-Xây dựng quy trình công nghệ

Trong quy trình ở hình 4 thì thao tác tại thực địa khi xác định tọa độ tâm chụp của phương pháp định vị động thời gian thực RTK có yêu cầu cao hơn PPK vì cần đảm bảo kết nối thông suốt, còn phương pháp định vị động xử lý sau PPK không có yêu cầu gì nhiều. Phần xử lý trong phòng thì phương pháp RTK không phải can thiệp thêm, còn phương pháp PPK thì các công đoạn xử lý khá dài dòng, phức tạp. Vấn đề ở đây là kiểm soát độ chính xác, phương pháp RTK có thể thông báo ngay trong quá trình bay chụp thì tâm chụp đạt độ chính xác định vị như thế nào, lời giải Fixed hay Float; Còn phương pháp PPK thì không thông báo ngay, chỉ có thể kiểm soát độ chính xác sau khi xử lý, còn độ chính xác tâm chụp lúc bay khá thấp chỉ đạt độ chính xác định vị tuyệt đối.

Hình 4. Quy trình công nghệ đo ảnh UAV với định vị tâm chụp RTK/PPK

4-Kết luận

Định vị tâm chụp cho công nghệ đo ảnh không người lái UAV đem lại lợi ích rất lớn vì độ chính xác cao, không phải bố trí các điểm khống chế ảnh mặt đất (chỉ cần số lượng rất ít điểm kiểm tra) cho nên tiết kiệm thời gian và công sức ở thực địa. Kết quả phân tích ưu điểm, nhược điểm của 3 phương pháp định vị gồm định vị RTK với trạm Cors, định vị RTK với trạm cơ sở đồng bộ D-RTK2 và định vị động xử lý sau PPK cùng với phân tích về độ chính xác đạt được thì tùy tình hình thực tiễn mà chọn phương pháp nào cho tốt. Trong điều kiện nước ta hiện nay các hệ thống trạm Cors chưa được phổ quát, dịch vụ chưa được sử dụng rộng rãi cùng với tần suất thu/phát tín hiệu chỉ là 1Hz kèm độ trễ nên chưa đáp ứng được cho định vị tâm chụp cho UAV. Định vị tâm chụp bằng phương pháp đo động tức thời RTK với trạm cơ sở đồng bộ D-RTK2 trong khu vực không lớn ở vùng thực nghiệm, điều kiện thông thoáng giữa trạm điều khiển và thiết bị bay cho kết quả tốt, đáp ứng được yêu cầu thành lập bản đồ tỷ lệ lớn, tuy thao tác tại thực địa mất nhiều thời gian hơn nhưng nhận được thành quả tâm chụp độ chính xác cao gắn luôn trong từng tấm ảnh chụp giúp cho quá hình xử lý trong phòng được đơn giản hơn. Phương pháp định vị động xử lý sau PPK tâm chụp cho kết quả độ chính xác tốt hơn cả, số liệu an toàn, không phụ thuộc vào sự kết nối thông suốt trong quá trình bay, tuy quá trình xử lý trong phòng để ra sản phẩm tâm chụp khá dài dòng, phức tạp, nếu số lượng ca bay nhiều, số lượng ảnh lớn thì có thể dẫn đến sai sót. Tuy nhiên để có tính an toàn và chủ động cao có thể kết hợp cả 2 phương pháp RTK với trạm cơ sở của hãng D-RTK2 và định vị xử lý sau PPK với trạm cơ sở của hãng thứ 3. Việc xây dựng quy trình công nghệ chặt chẽ ở hình 4 giúp cho người dùng nắm được và linh hoạt chủ động trong sử dụng biện pháp định vị tâm chụp phù hợp với điều kiên thiết bị, con người của cơ sở sản xuất.

(Trích nguồn: Trần Trung Anh, Quách Mạnh Tuấn (2020). Phân tích lựa chọn chế độ định vị tâm chụp chính xác của máy bay không người lái trong thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn, Hội nghị toàn quốc Khoa học Trái đất và Tài nguyên với phát triển bền vững, ERSD 2020).

Link download bản gốc: Click tại đây