Luận án Nghiên cứu công nghệ quét Laser 3 chiều mặt đất trong lĩnh vực địa hình và phi địa hình ở Việt Nam

MỤC LỤC

Lời cam đoan. i

Lời cảm ơn . ii

Danh mục các chữ viết tắt. vii

Danh mục các bảng . viii

Danh mục các hình vẽ. ix

MỞ ĐẦU .1

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ

QUÉT LASER 3D MẶT ĐẤT TRONG LĨNH VỰC ĐỊA HÌNH VÀ PHI ĐỊA

HÌNH .7

1.1. Sơ lược về công nghệ quét laser .7

1.1.1. Công nghệ quét Laser cố định.7

1.1.2. Công nghệ quét laser di động.8

1.3. Các tiêu chí phân loại thiết bị quét laser mặt đất.11

1.4. Đánh giá một số loại máy quét laser mặt đất đang sử dụng ở Việt Nam .13

1.5. Tổng quan về các công trình nghiên cứu công nghệ quét laser mặt đất.14

1.5.1. Trên thế giới .14

1.5.2. Trong nước .19

1.6. Một số ứng dụng công nghệ quét laser 3D mặt đất .22

1.6.1. Đo vẽ và đánh giá biến động địa hình.22

1.6.2. Ứng dụng trong lĩnh vực phi địa hình .23

1.7. Những vấn đề được phát triển trong luận án .30

1.8. Đánh giá ban đầu về hiệu quả khi sử dụng công nghệ quét laser 3D mặt đất

trong lĩnh vực địa hình.31

Tiểu kết Chương 1 .32

Chương 2. CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ CÁC NGUỒN SAI SỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN

KẾT QUẢ QUÉT LASER 3D MẶT ĐẤT.33

2.1. Nguyên lý hoạt động của hệ thống quét laser mặt đất.33

2.1.1. Nguyên lý chung .33

2.1.2. Nguyên lý hoạt động khối đo dài của thiết bị quét laser mặt đất .36iv

2.1.3. Nguyên lý hoạt động của khối quay thiết bị quét laser mặt đất .43

2.1.4. Các phương pháp đo góc bằng hệ thống quét laser mặt đất.44

2.2. Các nguồn sai số ảnh hưởng đến kết quả quét laser mặt đất .47

2.2.1. Phân loại các sai số quét laser mặt đất .47

2.2.2. Những sai số thiết bị quét laser mặt đất .48

2.2.3. Các sai số phương pháp khi quét laser mặt đất .54

Tiểu kết Chương 2 .68

pdf167 trang | Chia sẻ: thinhloan | Ngày: 12/01/2023 | Lượt xem: 171 | Lượt tải: 2download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Luận án Nghiên cứu công nghệ quét Laser 3 chiều mặt đất trong lĩnh vực địa hình và phi địa hình ở Việt Nam, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
khi kiểm định thiết bị. Hiện nay phương pháp kiểm định máy đo dài sóng điện từ khi thiết bị và gương chiếu được định tâm với sai số đạt 0,1mm. Thực tế giá trị đó mang đặc tính giới hạn độ chính xác để xác định sai số thiết bị. Sai số xác định hiệu pha mα chủ yếu phụ thuộc độ chính xác thiết bị pha và gồm cả sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên. Nguyên nhân chính xuất hiện những sai số đều liên quan tới các đặc tính vật lý học đó là [59]: - Những độ ầm khi đo; - Không tuyến tính của đặc tính pha; - Không tuyến tính của đặc tính biên độ - pha; - Ảnh hưởng độ nhịp nhàng của những thành phần tín hiệu đo; - Sự biến đổi ghi pha – code (máy đo pha số). Trong các thành phần sai số thì sai số xác định hiệu pha dẫn đến tổng sai số đo dài khoảng cách của trạm quét laser mặt đất là lớn nhất. Sai số mf do sự không ổn định của tần số và pha chuẩn cùng một tính chất. Với sự thay đổi mềm mại tần số của máy quét laser, mf chủ yếu sẽ phụ thuộc vào phương pháp đo pha. Sai số đo pha gồm cả sai số ngẫu nhiên và hệ thống do lắp đặt tần số về chuẩn và do sự chậm trễ trôi tần số của bộ tạo tần số. Thực tế theo công thức (2.16) hai thành phần sai số đầu không phụ thuộc vào khoảng cách, hai thành phần sai số sau ảnh hưởng tỷ lệ thuận với khoảng cách đo. Vì vậy sai số trung phương đo dài khoảng cách trên trạm quét laser bằng phương pháp đo pha cũng như đo xung có thể biểu thị qua công thức [65]. 𝑀𝑅 = a + bR (2.17) Ở đây a và b là các hệ số thực nghiệm trên cơ sở đo độ dài khoảng cách theo chuẩn kiểm định. Mỗi thiết bị đo có giá trị riêng kèm theo. Khi đo khoảng cách không xa bằng đo pha thì các sai số đếm hiệu pha, sai số tần số, tốc độ truyền sóng điện từ giao động trong khí quyển hầu như rất nhỏ không đáng kể. Độ chính xác đo dài khoảng cách và đo góc của trạm quét laser phụ thuộc vào nhiều yếu tố nêu trên, ngoài ra trong hệ thống thiết bị quét còn lắp đặt hệ điều khiển 51 chương trình. Điều này góp phần khử được một phần sai số mang tính hệ thống. Chương trình này khử sai số bằng các tham số kiểm định hiệu chỉnh. Để từng mô hình quét số lượng những tham số kiểm định giống mô hình toán học khử sai số hệ thống trực tiếp từ kết quả đo khác nhau. Tuy nhiên phân tích các phương pháp kiểm định thiết bị quét laser mặt đất cho phép đưa ra các tham số và các sai số chung cho các máy quét laser khác nhau mà ảnh hưởng có thể làm giảm bởi các yếu tố sau [44]:  Hệ số tỷ lệ b được tính trong khoảng đo dài cạnh;  Sai số hiệu chỉnh thiết bị;  Sự không trùng quay trục đứng thiết bị các trục quay của lăng kính quét;  Sự không trùng quay trục đứng thiết bị với véc tơ lan truyền của tia laser;  Sự không trùng trục quay lăng kính quét với véc tơ lan truyền của tia laser;  Sai số của trục ngang;  Sai số đĩa chia độ góc đứng;  Sai số đĩa chia độ góc ngang. Trong chương trình xử lý hệ số tỷ lệ b và sai số hiệu chỉnh thiết bị tiến hành bằng hai cách: Cách thứ nhất khi xác định riêng các tham số trong quá trình kiểm định, các số hiệu chỉnh được khử vào các trị đo. Cách thứ hai đưa các số hiệu chỉnh vào cạnh đo, tổng ảnh hưởng của các tham số kiểm định phụ thuộc vào khoảng cách cụ thể đo. Cách thứ hai xử lý sai số hệ thống kết quả đo thông dụng và phổ biến hơn bởi khoảng cách đo bằng quét laser biến động từ 1 đến 1200 mét. Trong khoảng đó công suất tín hiệu ảnh hưởng rất lớn đến khả năng phản xạ của các đối tượng quét. Vì vậy trường hợp khi bộ thu bức xạ nhận được tín hiệu quá mạnh có thể dẫn đến hỏng thiết bị. Khắc phục hiện tượng trên khi quét thường đặt trước bộ thu thiết bị làm giảm công suất tín hiệu một cách giả tạo, càng gần đối tượng quét càng cần làm yếu công suất nhận tín hiệu, việc này sẽ dẫn đến biến dạng hình dạng đối tượng địa vật quét. Kết quả này sẽ gây khó cho việc hiệu chỉnh theo cách thứ nhất. Một yếu tố nữa ảnh hưởng đến kết quả đo góc và đo cạnh là sự không đồng thời cùng lúc (tức thời) ghi trị đo R, α, θ trên trạm quét laser mặt đất. Mỗi trị đo R, α, θ, khi ghi lại chúng phải qua một khoảng TR, Tα, Tθ. Những sai số do ghi không tức thời trị đo được thể hiện theo hàm sau: 52 ∆ = F (R, 𝑇𝑅 , 𝑇𝛼 , 𝑇𝜃, t) (2.18) t – là thời gian làm việc quét kể từ thời điểm phóng tia quét. Các sai số do ghi không tức thời không thể xác định trong quá trình xử lý kết quả quét laser mặt đất. Cách duy nhất xử lý các sai số đó là TR, = Tα = Tθ ngay khi lắp ráp kiểm định thiết bị. Các máy quét hãng Riegl, Leica, Zoller + Frohlich và các hãng khác khi quét laser các đối tượng quét theo hướng nằm ngang và hướng đứng sử dụng đầu quang học và lăng kính quay liên tục. Trong quá trình quét nguồn laser gửi tín hiệu đến lăng kính và phản xạ tia tới đối tượng địa vật, từ địa vật tia laser quay trở lại bộ thu. Trong thời gian tín hiệu tia laser phát đi đến đối tượng và quay trở lại đầu quang học thì lăng kính luôn quay theo vòng đứng và vòng ngang và đo được giá trị góc thay đổi ∆α và ∆θ. Câu hỏi được đặt ra là khi nào cần ghi lại giá trị các góc đó: - θphát – là thời điểm tín hiệu từ nguồn bức xạ laser phát đi; - θthu – là thời điểm bộ thu tín hiệu nhận được tia phản hồi; - Tính giá trị góc trung bình θTB = (θphát + θthu )/ 2. Để có cơ sở cần thiết đưa các các số hiệu chỉnh vào các hướng đo khi tiến hành quét laser, chúng ta tính góc mà lăng kính quay trở về trong thời gian xung truyền từ trạm quét laser mặt đất đến đối tượng địa vật và ngược lại. Trong trường hợp này chỉ cần tính góc quét đứng bởi tốc độ quét theo hướng nằm ngang thấp hơn nhiều so với hướng đứng. Vận tốc cực đại và cự tiểu quét theo hướng đứng đạt từ 1 đến 20 đường/giây. Điều này có nghĩa là, tốc độ tối thiểu vòng quay của tia quét sẽ là 𝑉𝑚𝑖𝑛=1 đường/giây 2 × 3600 3 =2400/giây và 𝑉𝑚𝑎𝑥= 20 đường/giây 2 × 3600 3 = 4800/giây Theo công thức (2.2) có thể tính được thời gian mà tia laser đi qua khoảng cách từ trạm quét đến đối tượng địa vật và ngược lại, sau đó tính giá trị góc quay của gương quét ∆θ trong thời gian đó (bảng 2.1). Bảng 2.1. Đại lượng góc quay của gương máy quét laser mặt đất từ thời điểm tín hiệu phát đi tới đối tượng quét và ngược lại về bộ thu 53 R, m t, c (thời gian, giây) ∆𝜃 khi 𝑉𝑚𝑖𝑛0 ∆𝜃 khi 𝑉𝑚𝑎𝑥0 50 3, 33 x 10−7 0, 000 08 0, 001 60 100 6, 67 x 10−7 0, 000 16 0, 003 20 200 1, 33 x 10−6 0, 000 32 0, 006 40 400 2, 67 x 10−6 0, 000 64 0, 012 80 1000 6, 67 x 10−6 0, 001 60 0, 032 00 Từ kết quả bảng trên cho thấy, giá trị ∆θ khi νmin và ∆θ khi νmax khá lớn và chứng minh cho tính cần thiết tạo cho đo góc và đo cạnh tức thời trong cùng thời điểm của trạm quét laser mặt đất. 2.2.2.3. Những sai số của các khối đo góc trạm quét laser mặt đất Chúng ta thấy ngẫu nhiên sinh ra những sai số của các khối đo góc thiết bị quét laser mặt đất, mang đến những vạch code, đĩa code với những mảng phủ bảng số, những đĩa xung, những bảng tổ hợp. Việc phân loại hệ thống sai số của các thiết bị đo góc máy kinh vĩ, toàn đạc đã được phổ biến trong nhiều các tài liệu. Trên cơ sở đó sai số các khối đo góc của trạm quét laser mặt đất được chia thành các nhóm sau đây [29]:  Độ lệch tâm của thiết bị:  Độ lệch tâm trục xoay cấu tạo đọc ghi số để đo góc đứng;  Độ lệch tâm trục xoay cấu tạo đọc ghi số để đo góc ngang;  Độ lệch tâm trục xoay lăng kính tiêu chỉnh tia laser;  Những sai số bàn chia độ:  Sai số bàn độ đứng (đại lượng điểm cách, tương ứng khởi đầu đo khoảng cách bằng thiết bị đo dài laser, từ trục quay ngang của lăng kính);  Sai số bàn độ ngang (đại lượng điểm cách, tương ứng khởi đầu đo khoảng cách bằng thiết bị đo dài laser, từ trục quay đứng của thiết bị);  Sự nghiêng trục quay ngang của lăng kính hoặc gương:  Dao động nghiêng của trục ngang;  Sự không vuông góc giữa trục đứng với trục ngang;  Độ nghiêng trục ngang do độ nghiêng trục đứng; 54  Sự nghiêng trục quay đứng của thiết bị:  Dao động nghiêng của trục đứng;  Sự nghiêng của trục đứng do sự biến dạng co dãn bất thường của trục xoay;  Những sai số nghiêng của mặt phẳng bộ phận đọc số tương ứng với trục xoay của nó. Bên cạnh đó khi sử dụng bộ phận vi chỉnh góc nghiêng máy quét laser còn mang thêm sai số do nghiêng trục đứng thiết bị vào vị trí thẳng đứng (có sai số khi lắp ráp bộ phận vi chỉnh các góc nghiêng). Ngoài ra còn dạng sai số đo góc bằng quét laser do cấu tạo của bộ phận đọc số theo chu kỳ dài và chu kỳ ngắn. Hệ thống để quét laser mặt đất được trang bị máy tính tốc độ cao với chương trình chuyên dụng cho phép khử một phần sai số kết quả đo góc như: sai số chia bàn độ, độ lệch tâm bộ phận đọc số. Những sai số đó được xác định bằng các tham số khi kiểm định và được tự động đưa vào xử lý bước đầu kết quả đo bằng chương trình điều hành. Như vậy người sử dụng trạm quét laser mặt đất luôn được phép cải chính vào các đại lượng góc đo. Hiệu chỉnh các sai số đó có thể làm tăng độ chính xác đo góc tới 40%. Các mô hình trạm quét laser mặt đất cho phép đo góc đứng và góc ngang với dung sai từ 2 đến 9” [15]. 2.2.3. Các sai số phương pháp khi quét laser mặt đất 2.2.3.1. Ảnh hưởng của môi trường xung quanh tạo nên khi quét laser mặt đất Bao gồm ảnh hưởng của các yếu tố (khí quyển, khúc xạ, sóng điện từ suy giảm, độ rung của thiết bị.). Các đại lượng được đo bằng trạm quét laser mặt đất (khoảng cách, góc đứng, góc ngang, cường độ điểm, màu thực bề mặt đối tượng địa vật, tín hiệu được phản xạ lại từ chúng) cho thấy đều bị ảnh hưởng không được thuận lợi từ khí quyển, đặc biệt lớp gần bề mặt đất. Tại đây thay đổi đáng kể mật độ không khí, sự di chuyển và dao động khối không khí dẫn tới làm giảm tốc độ truyền ánh sáng và thay đổi hướng bức xạ (hiện tượng khúc xạ) cũng như làm giảm mật độ tín hiệu phản xạ, sai truyền màu sắc thường gọi là hiệu ứng mờ [59]. Kết quả ảnh hưởng khúc xạ tia sáng, khối đo khoảng cách đo độ dài bước sóng 55 quang học vượt với đo độ dài hình học. Ngoài ra khí quyển làm thay đổi các tham số bức xạ bởi sự tắt dần (cường độ yếu đi) bởi sự khuếch tán và tắt dần năng lượng sóng trong khí quyển. Biến đổi ngẫu nhiên các tham số sóng bởi sự biến đổi nhiễu loạn không khí trong không trung. Tắt dần biến động sóng điện từ bởi khí quyển, đặc biệt mang đặc tính đối với dải sóng quang học được sử dụng trong tất cả các trạm quét laser mặt đất. Trước hết làm giảm khả năng đo xa khi quét và làm giảm độ tin cậy xác định khả năng phản xạ của các đối tượng địa vật trong đo vẽ laser mặt đất. Các biến đổi ngẫu nhiên do nhiễu loạn không khí dẫn tới sự dao động biên độ (cường độ), pha, tần số, phân cực, hướng truyền sóng và góc bị phân tán. Ngoài ra ảnh hưởng đó còn làm tăng mật độ phổ, công suất tiếng ồn về bộ thu, kết quả làm giảm quan hệ tín hiệu/ tiếng ồn [59]. Sự nhiễu loạn xuất hiện mạnh khi đo tại giải quang học. Để loại trừ các ảnh hưởng trên tốt nhất lựa chọn điều kiện thuận lợi khi đo mà trong thực tiễn thường gọi là thời gian (ảnh yên tĩnh). Ảnh hưởng lên sai số trong việc xác định vận tốc ánh sáng do nhiều yếu tố gây nên. Một trong độ sai lớn là xác định giá trị trung bình hệ số khúc xạ trên đoạn từ máy quét tới điểm địa vật. Thường vận tốc ánh sáng trong chân không xác định với sai số tương đối 10-9, hầu như không ảnh hưởng tới sai số chung xác định vận tốc ánh sáng trong khí quyển. Sai số hệ số khúc xạ khí quyển phụ thuộc vào thành phần tán sắc và sai số xác định thông số khí tượng dọc theo tia quét. Việc sử dụng nguồn tín hiệu laser giải phổ bước sóng ngắn trong thiết bị đo dài và quét laser cho phép tránh được sai số tán sắc. Hệ số khúc xạ n cho điều kiện môi trường cụ thể là hàm của mật độ khí quyển, để xác định dùng máy đo áp kế và đo tức thời áp suất khí quyển, nhiệt độ và độ ẩm không khí. Nguyên lý đo khoảng cách bằng máy đo dài và trạm quét laser mặt đất tương tự như nhau, để xác định hệ số khúc xạ của các sóng điện từ có tính đến các số liệu khí tượng khi quét vật thể có thể sử dụng công thức [61]: 𝑛𝑅 = 1 + 𝑛𝐺−1 1+ 𝛼 (𝑇+273,16) 𝑃 760 - 55𝐸 1+ 𝛼 (𝑇+273,16) x 10−9 (2.19) 56 Ở đây: α - là hằng số khí và bằng 1/273, 16; P - là áp suất khí quyển, đo mm cột thủy ngân; E - độ ẩm tuyệt đối không khí, đơn vị đo gram/m3 ; T - nhiệt độ không khí, đơn vị đo Kelvin; nG - hệ số khúc xạ chuẩn khí quyển tính theo công thức [61]: (𝑛𝐺 – 1). 10 7 = 2876, 04 + 16,288 𝜆2 + 0,136 𝜆4 (2.20) λ – độ dài bước sóng bức xạ. Tốc độ truyền dao động sóng điện từ trong môi trường không khí, từ công thức (2.14) và (2.19) phụ thuộc vào tính chất vật lý của môi trường và độ dài sóng điện từ. Hệ số khúc xạ của sóng điện từ trong môi trường bình thường đối với bước sóng cụ thể có thể được tính theo công thức: (n - 1) x 10-8 = A + 𝐵 𝐶− 𝛿2 + 𝐷 𝐸−𝛿2 + 𝐹 (𝐺− 𝛿) 𝐾+(𝐺− 𝛿)2 (2.21) Ở đây: A, B, C, D, E, F, K là các hệ số. Các hệ số do các tác giả khảo sát đưa ra riêng của mình đối từng vùng. δ – đại lượng nghịch đảo độ dài sóng trong chân không, đơn vị µkm-1. Để giải quyết vấn đề khử ảnh hưởng của điều kiện khí quyển đến kết quả đo dài trên cơ sở bức xạ sóng điện từ có nhiều giải pháp khác nhau, trong đó có giải pháp hiệu quả nhất là tán xạ tính tích phân trung bình hệ số khúc xạ theo công thức (2.21). Hiện thực hóa phương pháp này bằng cách thường ứng dụng hai nguồn bức xạ có tần số khác nhau [58]. Về ý nghĩa vật lý chiết quang ngang là hàm của hệ số khúc xạ sóng điện từ tại các lớp khí quyển khác nhau. Sự phụ thuộc của hàm này mô tả đặc biệt phức tạp bằng toán học cho cả vùng khí quyển không đồng nhất. Trong thực tiễn để khử chiết quang ngang sử dụng công thức tích phân chỉ số của khí quyển (nhiệt độ, áp suất, và độ ẩm). Theo khảo sát của các chuyên gia khác nhau [64] cho thấy biến dạng khá lớn khi đo hướng do chiết quang môi trường xung quanh các công trình xây dựng tạo ra (thậm chí đến 20 giây đo góc ngang khi tia đi qua cách công trình đến 1,5 mét). Nghiên cứu sâu từ các hiện tượng ảnh hưởng tới chiết quang đứng là nhiệt độ và áp suất khí quyển. 57 Ảnh hưởng độ rung của trạm quét laser mặt đất với tần số không dưới 50hz dẫn đến sai số đo cả góc và cả đo cạnh. Độ rung dẫn tới sự chuyển dịch thiết bị dọc theo đường thẳng đo cũng như làm sai lệch vuông góc với các mặt phẳng ngang và mặt phẳng đứng. Độ rung ảnh hưởng cơ bản nhất đến đo dài, nó dẫn đến sự dịch chuyển hỗn loạn chùm tia laser so với hướng định trước tới điểm quét và dẫn đến biến điệu ngẫu nhiên biên độ và pha. Ảnh hưởng ngẫu nhiên biến đổi biến điệu tín hiệu biên độ do độ rung thiết bị tỷ lệ tương xứng với sự tác động đa chiều của nhiễu. Ảnh hưởng này có thể dẫn đến biến dạng lớn trong quá trình đo dài khoảng cách [63]. Sự biến đổi ngẫu nhiên pha gắn với sự không đồng nhất pha của bức xạ biến đổi và theo kết quả khảo sát [59,60] dẫn đến sai số đo khoảng cách khoảng 1 - 2mm. Do ảnh hưởng độ rung cách trạm quét laser mặt đất đến đối tượng từ 20 – 30 mét chỉnh sai sẽ tăng 40–50% so với trường hợp không bị rung. Cách khoảng cách 60 – 70 mét chỉnh sai tăng đến 3 – 4 lần. Trong khoảng cách 80 – 90 mét sai số đạt từ 10 đến 15 cm. Ảnh hưởng độ rung luôn làm tăng độ dài khoảng cách đo [63]. Hầu như tất cả các yếu tố nêu trên ảnh hưởng đến độ chính xác quét thực tiễn không được khử khi thực hiện đo vẽ laser mặt đất. Như vậy dẫn đến làm giảm các đặc tính đo của máy quét. 2.2.3.2. Sai số do các đặc tính của các đối tượng quét tạo nên Các đặc tính của đối tượng quét ảnh hưởng đến kết quả quét laser mặt đất có thể kể đến là kích thước, hướng quét, cấu trúc, màu... Ảnh hưởng đến kết quả quét laser mặt đất cho thấy những tính chất cơ bản của đối tượng quét là: hình dáng và khả năng phản xạ, trong đó được xác định bằng cấu tạo vật chất và màu. Ảnh hưởng của đối tượng đo vẽ đến độ chính xác nhận được thông tin không gian, trong đó chủ yếu xuất hiện về độ sai của các khoảng cách đo. Trong quá trình đo khoảng cách bằng phương pháp đo xung hình dáng tín hiệu laser trong phần lớn các trường hợp tương ứng với đường cong phân bố chuẩn Gauss với độ rộng nhất định. Độ dài của xung laser cho điôt được sử dụng trong các máy quét hiện đại thay đổi trong giới hạn từ hàng chục pico giây đến một vài nano giây, vì vậy trong thực tế để xác định khoảng cách từ máy quét đến địa vật và ngược lại 58 cần phải đo thời gian truyền tín hiệu giữa hai hàm cực đại (xem hình 2.12), tương ứng tín hiệu điện từ đầu ra (điểm gốc) và tín hiệu điện từ đầu vào (điểm đo). Hình 2.12. Thời gian truyền xung trong không gian [63] Tương tự như vậy xác định khoảng cách bằng phương pháp đo pha, giống như đo chia đều độ dài nửa bước sóng giống như phương pháp đo xung. Sử dụng thiết bị đo pha số ghi các xung ngắn nhất thời, mỗi một xung tương ứng với pha nhất định của dòng ánh sáng bức xạ hoặc hấp thụ. Xung ngắn nhất thời được tạo nên từ tín hiệu điện tích hình sin được chuyển sang thiết bị đo pha. Trong quá trình quét laser mặt đất ảnh hưởng đến kết quả tìm hai hàm cực đại gồm: sự hiện có tiếng ồn trong tín hiệu điện từ, lỗ tín hiệu ra laser, độ phân tán tia laser, khoảng cách đến địa vật, hình dáng địa vật và khả năng phản xạ của mục tiêu. Giả thiết rằng đối tượng để chúng ta đo khoảng cách có hình dáng là hình cầu với bán kính R bằng khoảng cách từ nguồn quét laser đến mục tiêu địa vật. Lúc đó thời gian truyền tín hiệu laser đến các điểm khác nhau của địa vật và ngược lại đến bộ thu (tính trùng với nguồn bức xạ laser) sẽ là đại lượng không đổi (xem hình 2.13). Trong trường hợp này độ rộng của xung ra và xung vào sẽ trùng nhau và khoảng cách sẽ được xác định với độ chính xác cao nhất. Tuy nhiên trong thực tế trường hợp như vậy không thể xảy ra. 59 Hình 2.13. Khoảng cách từ nguồn laser đến các điểm khác nhau của địa vật hình cầu với bán kính R [63] Giả sử mục tiêu đến là mặt phẳng, lúc này tín hiệu vào sẽ rộng hơn tín hiệu ra, trong trường hợp này mức độ sai lệch phụ thuộc vào việc định vị mặt phẳng đối với vector truyền tia laser (độ sai lệch nhỏ nhất khi mặt phẳng vuông góc với tia (xem hình 2.14). Như vậy độ chính xác xác định khoảng cách trường hợp A cao hơn trường hợp B. Hình 2.14. Sự phụ thuộc độ rộng của xung vào định vị mặt phẳng địa vật [63] Nếu chú ý tới sự đối xứng đường cong Gauss, thì có thể thay tìm các hàm cực đại bằng việc xác định vị trí tâm khối của nó theo trục thời gian. Khi đó thời gian truyền tín hiệu từ nguồn bức xạ đến đối tượng địa vật và ngược lại đến bộ thu sẽ được tính theo công thức: 𝑡0 = ∫ 𝑡𝑓(𝑡)𝑑𝑡 𝑡𝑛 𝑡1 ∫ 𝑓(𝑡)𝑑𝑡 𝑡𝑛 𝑡1 (2.22) Ở đây: + f (t) – là hàm của tín hiệu đầu vào; 60 + t1 , tn - thời điểm thời gian ghi tín hiệu vào ban đầu và tín hiệu vào cuối cùng (Hình 2.14), thể hiện giới hạn tích phân. Mặc dù vậy cần thiết ghi nhận rằng, tính đối xứng của tín hiệu phản xạ sẽ bị phá vỡ bởi phụ thuộc vào hình dáng của mục tiêu, định vị của nó đối với tia quét laser cũng như hàm vô hướng về khả năng phản xạ của địa vật khi tia quét đến. Trong trường hợp khi tia laser quét đến ranh giới hai địa vật (xem hình 2.15), hàm tín hiệu phản xạ sẽ có hai cực đại. Nếu không tính đến trường hợp này, thì thời gian tính theo công thức (2.22), tiếp theo khoảng cách nhận được theo công thức (2.2) và (2.4) sẽ tương ứng một số điểm M (xem hình 2.15), mà hoàn toàn không thuộc điểm quét vật thể. Hình 2.15. Hình dáng tín hiệu vào khi tia laser đến ranh giới hai đối tượng [63] Giải quyết sự không đồng nhất có thể trong điều kiện nếu như xác định được vị trí hai hàm cực đại tín hiệu đầu vào. Chất lượng giải quyết bài toán này phụ thuộc vào sự kéo dài của xung laser và khoảng cách giữa hai đối tượng địa vật A và B (xem hình 2.15). Khoảng cách giữa hai đối tượng cực tiểu, trong đó có thể chia tách một hàm cực đại với hàm kia có thể gọi là phương pháp giải quyết tách đôi hai đối tượng, phụ thuộc vào sự kéo dài xung của nguồn laser. Cấu tạo và màu của đối tượng quét trực tiếp ảnh hưởng đến độ mạnh của tín hiệu phản xạ, từ đó dẫn đến thay đổi hình dáng của hàm tín hiệu phản xạ. Ví dụ hình 2.16 chỉ rõ, khi quét đối tượng phẳng, phần có màu trắng, phần khác có màu đen, kết quả chụp quét sẽ có thành phần nhiễu ồn lớn tại ranh giới hai màu. 61 Hình 2.16. Ảnh hưởng của cấu tạo và màu sắc đối tượng đến kết quả quét [70] Quá trình truyền xung laser vào không gian rất phức tạp. Hàm tín hiệu vào có dạng chung như sau: 𝐹𝑣à𝑜(t) =∫ ∫ ∆𝜐 −∆𝜐 ∆𝜑 −∆𝜑 [𝐹𝑟𝑎 (𝑡 − 2𝐷(𝜑,𝜐) 𝐶 )𝐾𝑝ℎ.𝑥𝑎(𝜑, 𝜐) 𝜓 (𝜑, 𝜐)]d𝜑. D𝜐 + η(t) (2.23) Ở đây: Fvào (t) – là hàm tín hiệu vào; D (φ, υ) – là hàm mô tả thay đổi từ nguồn phát laser đến các điểm khác nhau của đối tượng địa vật (phản ảnh hình dáng địa vật); Kph.xa (φ, υ) – là hàm mang đặc tính hệ số phản xạ tín hiệu từ các điểm khác nhau của địa vật; ψ (φ, υ) - là hàm mô tả phân bố tín hiệu trong không gian, đại lượng phân tán tia laser; ɳ(t) - là hàm mang đặc tính thành phần nhiễu ồn của kết quả quét. Sử dụng công thức (2.23) có thể thực hiện mô hình hóa toán học quá trình chụp quét laser và nghiên cứu ảnh hưởng của các đặc tính đối tượng địa vật như hình dáng, cấu trúc, màu tới độ chính xác nhận được những đặc tính đó. Kinh nghiệm thực tiễn chụp quét laser cho thấy, sai số đo khoảng cách liên quan đến các tính chất đo của đối tượng địa vật, có thể tới hàng mét (nếu sự phân tán tia laser lớn hơn 3,5 phút), thường trung bình đạt khoảng 1–3 cm. Như vậy phần lớn các vấn đề liên quan đến sự ảnh hưởng của cấu trúc, hình dáng, định vị và màu sắc của đối tượng địa vật đều ảnh hưởng đến kết quả quét. Có thể tránh nếu chúng ta giảm độ phân tán tia laser, tức là làm tăng mức độ chuẩn hội tụ, tốt nhất là tăng chất lượng đặc tính đo của quét laser. 62 Việc tăng độ chính xác quét laser mặt đất đối với các đối tượng địa vật giải quyết tốt nhất bằng các phương pháp tính toán mô hình hóa quá trình chụp quét laser đối với đối tượng cụ thể với việc sử dụng công thức (2.23). 2.2.3.3. Ảnh hưởng các tham số quét và các đặc tính máy quét đến độ chính xác kết quả đo vẽ Khi thực hiện quét laser mặt đất cần thiết phải lựa chọn thiết bị, các thông số kỹ thuật và quy trình công nghệ để cho phép xây dựng mô hình số địa hình và mô hình bề mặt theo yêu cầu về độ chính xác cũng như mức độ chi tiết. Xác định các đặc tính của trạm quét laser mặt đất bao gồm: - Độ phân giải quét đứng và quét ngang cực đại; - Độ dài sóng bức xạ laser; - Độ chính xác đo cạnh, đo các góc đứng và ngang; - Độ phân tán của tia laser. Nếu tiến hành với các hệ thống quét chụp laser mặt đất thì ba đặc tính đầu tiên nêu trên sẽ xác định độ chính xác hình học của dòng quét, đặc tính sau sẽ là độ phân giải của hệ thống, chính đại lượng này cho thấy kích thước nhỏ nhất của địa vật khi ở khoảng cách xa định trước từ máy quét để tìm được hàm tín hiệu ra cực đại duy nhất. Độ phân giải của hệ thống ở mức độ thấp phụ thuộc vào độ phân giải quét, càng tránh phân tán tia laser, hơn nữa trong khi giảm giá trị góc của bước quét thì vùng phủ giữa hai đối tượng quét sẽ được tăng lên theo hình 2.17 [9]. Như vậy độ phân giải máy quét laser cơ bản phụ thuộc vào độ phân tán tia laser. Từ hình 2.17 có thể thấy rằng độ phân giải góc có giá trị nhỏ hơn là độ phân tán tia laser. Điều này có nghĩa là khi định trước độ phân tán tia laser trong máy quét cụ thể không thể nhận được trên dòng quét những chi tiết nhỏ của địa vật chỉ nhờ tính đến tăng độ phân giải quét. 63 a). Độ phân giải cực đại khi quét b) Độ phân giải cực tiểu khi quét Hình 2.17. Phân tích độ phân giải trạm quét laser mặt đất [9] Từ kiến thức vật lý cho thấy các loại vật liệu khác nhau sẽ phản xạ khác nhau từ bức xạ cùng độ dài của sóng. Vì vậy máy quét sẽ ghi lại từng cường độ phản xạ tín hiệu trong độ dài sóng nhất định. Điều này chứng tỏ về các biên độ khác nhau và các trường sóng của các tín hiệu nhận được. Trong trường hợp phụ thuộc vào độ dốc của trường sóng, theo nguyên tắc có thể đặt thời điểm thời gian đầu tiên và cuối cùng xung của laser đến bộ thu, điều này sẽ ảnh hưởng trực tiếp tới sai số đo khoảng cách. Theo kết quả quét laser mặt đất cho thấy việc khôi phục mô hình 3D bề mặt địa hình, để mô tả đúng nó thì mỗi địa vật quét chụp cần phản xạ càng nhiều xung laser, số lượng xung này phụ thuộc vào độ phân giải của quá trình quét. 2.2.3.4. Các sai số trong quá trình thực hiện chuyển đổi tham chiếu dữ liệu Ở các tiểu mục trên đã nêu ra các nhóm sai số gây ra trong quá trình quét laser mặt đất. Tuy nhiên khi triển khai ngoài thực địa, ngoài việc cố định các trạm máy quét để giảm thiểu tối đa sự rung của máy trong quá trình quét, thì các sai số liên quan đến việc thu nhận, phản hồi dữ liệu của tia quét từ các địa vật ở dạng đám mây điểm để quy về hệ tham chiếu trắc địa. Các yếu tố ảnh hưởng này sẽ được mô tả khá chi tiết đến chất lượng dữ liệu [25] bao gồm: 1. Độ chính xác xác định tọa độ điểm quét v

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdfluan_an_nghien_cuu_cong_nghe_quet_laser_3_chieu_mat_dat_tron.pdf
  • pdfTóm tắt luận án_Tiếng Việt_Ngô Sỹ Cường.pdf
  • pdfTóm tắt luận án_Tiếng Anh_Ngô Sỹ Cường.pdf
  • pdfThông tin về KL mới của LATS- Ngô Sỹ Cường.pdf
  • pdfQĐ Hoi dong cap truong-Ngo Sy Cuong.pdf
Tài liệu liên quan