Giám sát xói lở bờ biển bằng 2 loại UAV phổ biến nhất

Giám sát xói lở bờ biển bằng 2 loại máy bay không người lái UAV

Các nhà khảo sát bằng công nghệ máy bay không người lái tại thành phố Hobart (Úc) đã tiến hành lập bản đồ ảnh trực giao và mô hình số bề mặt (Digital Surface Model- DSM) của bờ biển Hobart. Thành phố cũng yêu cầu các dữ liệu bổ sung quy mô nhỏ của một phần của các đoạn bờ biển dễ bị xói lở. Dự án được thực hiện theo hai giai đoạn, lần đầu tiên vào tháng 9 năm 2016 và lần thứ hai vào tháng 1 năm 2017.

Giám sát xói lở bờ biển bằng máy bay không người lái UAV
Giám sát xói lở bờ biển bằng máy bay không người lái UAV

Kết quả và mục đích dự án giám sát xói lở bờ biển Hobart

Thông qua dự án giám sát xói lở bờ biển ờ Hobart, các kết quả và mục đích cần đạt được bao gồm:

  • Thành lập ảnh trực giao độ phân giải cao của bờ biển Hobart (New Town Creek để Cartwright Creek) nhằm:
    • Cung cấp đường cơ sở để đo lường thay đổi ven biển
    • Cho phép cơ quan chức năng Thành phố Hobart theo dõi các tai biến đường bờ nguy hiểm
    • Cung cấp công cụ tương tác cộng đồng
  • Mô hình 3D và mô hình số bề mặt độ chính xác cao cho một phần đại diện của bờ biển nhằm:
    • Cho phép mô hình hóa các thay đổi và / hoặc tác động của tài sản ven biển và liên quan do các rủi ro khí hậu
    • Cho phép mô hình hóa các phản ứng thích ứng như: giữ nguyên hiện trạng / bảo tồn, nuôi dưỡng động vật thân mềm và trồng cây ven biển, lắp đặt tường địa kỹ thuật bờ b biển và đê biển.
    • Cung cấp phương tiện thu hút cộng đồng trong lập kế hoạch thích ứng
  • Cảnh báo sự phát triển của chiến lược nguy hiểm ven biển của Thành phố Hobart và lên các chiến lược thích ứng.
  • Hình thành cơ sở cho chương trình giám sát liên tục (nhu cầu) xác định phạm vi và hậu quả của tác động của biến đổi khí hậu trên bờ biển của Hobart và các khu vực đã xác định các nguy cơ ngập lụt và xói mòn ven biển.
  • Thông báo về việc nghiên cứu và mô hình hóa cần thiết với các khoản ngân sách phù hợp để hiểu rõ những yếu tố gây ra biến đổi khí hậu, tác động của biến đổi khí hậu đối với các nguy cơ ngập lụt và xói lở bờ biển.

Cung cấp dữ liệu nền trên GIS để cảnh báo cho công trình dự án thích ứng và các mối nguy hiểm ven biển đang diễn ra.

Bạn có thể tham khảo ứng dụng UAV thành lập mô hình 3D tại đây: Khảo sát địa hình bằng Flycam thành lập mô hình 3D

Giám sát xói lở bờ biển bằng máy bay không người lái cánh cố định (Fix-wing)

Thực hiện khảo sát bằng công nghệ bay không người lái bao gồm ba bước chính như hình

Hình ảnh máy bay không người lái nhiều cánh quạt của Sandy Bay Rivulet tại bãi biển Short
Hình ảnh máy bay không người lái nhiều cánh quạt của Sandy Bay Rivulet tại bãi biển Short
Hình ảnh tiêu chuẩn từ máy bay không người lái cánh cố định của Sandy Bay Sailing Club (SBSC)
Hình ảnh tiêu chuẩn từ máy bay không người lái cánh cố định của Sandy Bay Sailing Club (SBSC)

Máy bay:

Máy bay eBee RTK  là thiết bị bay không người lái có cánh cố định hiệu quả nhất cho việc lập bản đồ các khu vực lớn hơn vài hecta là loại máy bay tốt nhất dựa trên tính linh hoạt và độ chính xác cao. Hơn 17km đường bờ biển đã được bay chụp và thu thập dữ liệu trong hai ngày.

Điểm khống chế mặt đất:

eBee RTK sử dụng bộ thu GNSS định vị trí theo thời gian thực (Bạn có thể tham khảo thêm phương pháp RTK/PPK tại giúp độ chính xác của GPS xuống đến vài centimet. Đồng thời, tiến hành thiết lập các điểm khống chế mặt đất và đo tọa độ bằng cách sử dụng GNSS Geodetic RTK, GCP. Tuy nhiên, số lượng GCP thiết lập sẽ ít hơn nhiều so với phương pháp GCP truyền thống.

Tạo ảnh trực giao:

Xử lý ảnh thu thập được kết hợp hợp nắn ảnh bằng các điểm khống chế mặt đất để tạo ảnh trực giao bao gồm khoảng 17 km bờ biển, một đoạn ở phía nam và một đoạn ở  phía bắc. Độ cao bay chụp: 120m trên mặt đất (AGL) cho độ phân giải trung bình của ảnh trực giao là 3,62 cm / pixel. Độ cao bay chụp bị hạn bởi trọng lượng của máy ảnh (giới hạn độ phân giải và chất lượng của camera) và chiều cao bay theo quy định của Cơ quan An toàn Hàng không Dân dụng (CASA) (cấm bay không người lái bay khoảng 120m mà không có giấy phép bổ sung). Để tìm hiểu thêm các văn bản pháp lý quy định về thiết bị bay không người lái bạn có thể tham khảo bài viết: Đừng để bị xử phạt Flycam vì không nắm rõ các bí kiếp sau

 Tạo DSM:

Ngoài việc tạo ảnh trực giao, chúng tôi còn tiến hành thành lập mô hình số bề mặt (DSM). Độ chính xác cao độ đạt khoảng +/- 9 cm ở những khu vực không bị che khuất bởi thảm thực vật hoặc nước.

 Đánh giá độ chính xác:

Để đánh giá độ chính xác tuyệt đối, mười hai điểm kiểm tra được trích dữ liệu trên trực giao (và giá trị chiều cao được trích xuất từ DSM) tại các vị trí được đánh dấu trên mặt đất và so sánh với các tọa độ thu được bằng RTK. Độ chính xác được đánh giá của ảnh trực giao được biểu thị bằng số liệu thống kê sai số RMS (bình phương gốc). Đó là:

    • Sai số RMS X: 68 mm
    • Sai số RMS Y: 54 mm
    • Sai số RMS Z: 90 mm (đối với DSM gốc)

Độ chính xác tuyệt đối có thể được cải thiện với nhiều kiểm soát mặt đất hơn, khoảng cách cảm biến mặt đất nhỏ hơn (bay thấp hơn) và, nếu yêu cầu khảo sát kiểm soát mặt đất chính xác hơn.

Các ví dụ dưới đây nêu bật tính rõ ràng của các tính năng được cải thiện khi được chụp từ UAV độ cao thấp so với hình ảnh trên không của máy bay có người lái truyền thống.
Bạn có thể tìm hiểu thêm về máy bay không người lái cánh cố định Ebee RTK:

Giám sát xói lở bờ biển bằng máy bay không người lái nhiều cánh quạt (Drone)

Như đã lưu ý, khảo sát bằng bộ 17km bằng máy bay không người lái cánh cố định chưa thể hiện rõ các khu vực dễ bị tổn thương do nước biển dâng. Vì vậy, chúng tôi sử dụng máy bay không người lái nhiều cánh quạt để khảo sát bổ sung các khu vực này. Dữ liệu được sử dụng để xác minh thêm dữ liệu được thu thập bởi cánh cố định. Để hiểu rõ thêm các loại máy bay không người lái phổ biến dùng cho khảo sát hiện nay bạn có thể tham khảo bài viết Tổng quan máy bay không người lái và quy định hiện hành

Máy bay:

Máy bay nhiều cánh quạt, chúng tôi đã bay một chiếc máy bay độ phân giải máy ảnh 20 megapixel trên Short Beach Reserve tại Marieville Esplanade, Hobart, Tasmania và chiều cao bay xấp xỉ 30 m.

Điểm khống chế mặt đất:

Các điểm khống chế mặt đất được đo tọa độ bằng GNSS khác biệt cùng với bảy điểm kiểm tra.

Tạo hình ảnh trực giao và mô hình số bề mặt:

Cuộc khảo sát bay chụp ở độ cao khoảng 30 m AGL, đồng thời còn chụp các hình ảnh thu nhỏ và góc xiên. Tổng cộng 537 hình ảnh đã được chụp và xử lý để tạo ra ảnh trực giao với độ phân giải trung bình là 6,1 mm / pixel.

Đánh giá độ chính xác:

Bảy điểm kiểm tra được đo trên ảnh trực giao (và giá trị chiều cao được trích xuất từ DSM) và so sánh với các tọa độ thu được với DGK DGPS. Kết quả sai số RMS bao gồm:

    • Sai số RMS X: 13,8 mm
    • Sai số RMS Y: 11,9 mm
    • Sai số RMS Z: 21,3 mm (đối với DSM gốc)

Theo các số liệu thống kê, khảo sát bằng drone ở độ cao thấp chính xác hơn nhiều ở cả ba phương X,Y và Z với mật độ kiểm soát mặt đất rất cao và hình ảnh dưới đây cung cấp bằng chứng rõ ràng. Tuy nhiên, các yếu như: thời gian và chi phí thu thập tăng cao so với sử dụng máy bay không người lái cánh cố định. Chứng minh tầm quan trọng của việc hiểu rõ các yêu cầu về  độ chính xác của sản phẩm đầu ra để lựa chọn độ phân giải, độ cao bay để thiết kế kế hoạch bay chụp phù hợp nhất.

Hình ảnh tiêu chuẩn từ máy bay thông thường của Sandy Bay Rivulet tại bãi biển Short
Hình ảnh tiêu chuẩn từ máy bay thông thường của Sandy Bay Rivulet tại bãi biển Short
Hình ảnh không người lái cánh cố định của Sandy Bay Rivulet tại bãi biển Short
Hình ảnh không người lái cánh cố định của Sandy Bay Rivulet tại bãi biển Short
Hình ảnh máy bay không người lái nhiều cánh quạt của Sandy Bay Rivulet tại bãi biển Short
Hình ảnh máy bay không người lái nhiều cánh quạt của Sandy Bay Rivulet tại bãi biển Short

 

Xem các tập dữ liệu trực tuyến bằng giao diện ba chiều có thể cung cấp thông tin chi tiết có giá trị đối với các vùng nghi ngờ khi xem dưới dạng bản đồ từ trên xuống. Chúng cung cấp các công cụ đo lường để tính toán độ dài, diện tích và khối lượng cũng như thay đổi khối lượng giữa các ảnh chụp theo thời gian.

Chế độ xem từ trên xuống của máy bay không người lái đa cánh quạt
Chế độ xem từ trên xuống của máy bay không người lái đa cánh quạt

Cũng như xem bản đồ và mô hình 3D, bạn cũng có thể trình bày hình ảnh xiên có độ phân giải cao trong giao diện kiểm tra, cho phép bạn xem hình ảnh nguồn từ máy bay không người lái và thậm chí đặt ghi chú vào hình ảnh để xem cộng tác.

Khung nhìn kiểm tra các bước cầu cảng gần Khu bảo tồn bãi biển Short
Khung nhìn kiểm tra các bước cầu cảng gần Khu bảo tồn bãi biển Short

Bạn có thể tìm hiểu thêm về máy bay không người lái cánh cố định Phantom 4 RTK tại:10 chế độ bay thông minh Phantom 4 pro

Những cân nhắc chính cho thiết kế khảo sát và giám sát xói lở bờ biển

Các cuộc khảo sát bằng máy bay không người lái để tạo ra ảnh trực giao (orthomosaic) và  mô hình số DSM yêu cầu cần phải lập kế hoạch cẩn thận. Như đã giải thích trong Hình 1, mật độ và phân bố kế hoạch bay và kiểm soát mặt đất là những cân nhắc chính liên quan đến các chỉ số độ chính xác yêu cầu, đồng thời còn phụ thuộc vào điều kiện thời tiết và các khu vực giám sát, hạ cánh máy bay đều phải tốt.

Giai đoạn xử lý dữ liệu sẽ phụ thuộc vào phần mềm và các yêu cầu của từng tập dữ liệu liên quan đến độ chính xác, chi tiết và tỷ lệ của chúng. Đối với phân tích biến động, việc thu thập dữ liệu phải được đồng tham chiếu, lặp lạiso sánh được.

Đối với đồng tham chiếu (co-registration):

  • Dữ liệu được thu thập trong một cuộc khảo sát phải ở gần vị trí tuyệt đối giống nhau, một khi được tham chiếu địa lý, như bất kỳ khảo sát trước đó và sau đó, đôi khi điều này yêu cầu các tính năng đồng tham chiếu vĩnh viễn tự hiển thị trong mỗi khảo sát.
  • Hướng dẫn xác định các đối tượng trong ảnh là một bước quan trọng và yêu cầu vị trí đánh dấu cẩn thận cho mỗi điểm khống chế mặt đất. Các đối tượng rõ ràng, có thể nhận dạng là cần thiết để đảm bảo tham chiếu chính xác.

Độ lặp lại (Repeatability)

  • Rất khó khăn khi sự thay đổi ở cấp độ pixel (mỗi điểm ảnh là 5-15 mm đối với các khảo sát bằng drone từ 20-50 m AGL và 25-40 mm đối với khảo sát fix-wing từ 80-120 m) bị ảnh hưởng bởi những thay đổi về ánh sáng, độ che phủ thực vật và những thay đổi trên bề mặt như xói mòn
  • Điều này bắt buộc làm thế nào so sánh (comparable) các tập dữ liệu được tạo thành sai khác là do thay đổi thực tế hay do sai số (thực tế có thể không biến động). Để thấy sự thay đổi ở mức centimet, số liệu cần đủ chính xác trong mỗi khảo sát để cho phép phát hiện thay đổi đáng tin cậy, thực tế điều này có thể yêu cầu các tập dữ liệu phụ và cẩn thận xử lý làm sạch các hiện vật (được thảo luận sau).

Tần suất thu thập dữ liệu:

Một số khu vực sẽ cần thu thập dữ liệu thường xuyên / tốt hơn so với các khu vực khác. Tần suất thu thập dữ liệu được quyết định bởi phạm vi ứng dụng mà dữ liệu sẽ được sử dụng.

  • Giám sát dựa trên sự kiện cung cấp thông tin chi tiết về tác động của các sự kiện bão, thủy triều cao, v.v.
  • Bay theo chu kỳ đều đặn cho phép theo dõi biến động, tuy nhiên rất khó để xác định nguyên nhân của sự biến động. Biến động được phát hiện có thể là tích lũy nhiều thay đổi dựa trên sự kiện lớn hoặc có thể là thay đổi dần dần chỉ có thể phát hiện theo thời gian (khi thay đổi vượt quá ngưỡng phát hiện thay đổi có thể cho độ phân giải dữ liệu đó).

Quyết định về quy mô:

Khi quyết định trên thang điểm, câu hỏi quan trọng cần trả lời là ‘Bạn muốn giám sát quy mô thay đổi thế nào?’

  • Giám sát quy mô siêu mịn (2-5 cm) là tốn kém nhưng cho phép phân tích thay đổi chi tiết hơn. Bộ dữ liệu tỷ lệ siêu mịn đòi hỏi nhiều nhiệm vụ lập bản đồ chuyên sâu hơn và tạo ra các bức ảnh chụp chi tiết của địa hình (và bề mặt thảm thực vật). Ở những nơi có những thay đổi nhỏ có thể có tác động lâu dài lớn, các khảo sát chi phí cao hơn này có thể cung cấp cái nhìn sâu sắc quan trọng về nguyên nhân và tác động của những thay đổi như xói lở.
  • Giám sát quy mô bậc thang phù hợp với những thay đổi lớn hơn 5-10 cm. Chúng hiệu quả về chi phí và cung cấp thông tin chi tiết có giá trị về toàn bộ thay đổi bờ biển.
  • Kết hợp hai phương pháp tiếp cận có thể cho phép giám sát liên tục toàn bộ bờ biển được bổ sung bằng cách lập bản đồ quy mô tốt các vị trí trọng tâm để cung cấp thông tin chi tiết về các thay đổi dọc theo các bờ biển còn lại mô tả các đặc điểm tương tự.

Điểm khống chế mặt đất:

Như đã đề cập, các điểm kiểm soát mặt đất rất quan trọng giúp độ chính xác tốt hơn (lý tưởng là 8-15 mỗi chuyến bay cho dữ liệu cực mịn, trừ khi sử dụng RTK trên máy bay), nhưng chi phí lại tăng lên.

  • Điểm khống chế cốc định có thể tiết kiệm tiền theo thời gian khi cần giám sát liên tục vì nó chỉ cần được khảo sát một lần.
  • Điểm kiểm soát tạm thời cần phải được đặt ra và khảo sát vào ngày của các chuyến bay và bay là phụ thuộc rất thời tiết.

Một khía cạnh khác của khống chế tạm thời là nhiễu loạn mục tiêu điểm kiểm soát mặt đất. Có một nguy cơ đáng kể các điểm kiểm tra bị thay đổi bởi người qua đường hoặc động vật có thể (lật,di chuyển vị trí điểm khống chế). Do đó, điều quan trọng là chúng được đặt an toàn và ký tên để không bị quấy rầy.

An toàn và bảo mật:

Đường bờ biển thành phố Hobart đặt ra một số thách thức thường gặp đối với các cuộc khảo sát bằng máy bay không người lái đô thị bao gồm cất cánh an toàn (khởi động) và hạ cánh, an toàn công cộng và duy trì tầm nhìn. Trong một số trường hợp, hình ảnh sẽ bao gồm mọi người và tài sản cá nhân có thể xâm phạm đến quyền riêng tư cá nhân. Giải pháp  cam kết bảo mật bao gồm

  • Truyền thông đến cộng đồng liên quan rằng việc thu nhận cả người và nhà của họ là một sản phẩm phụ và không nhằm mục đích xâm nhập vào sự riêng tư của họ.
  • Lọc các hình ảnh hoặc chỉnh sửa các tập dữ liệu được tạo để loại bỏ bất kỳ các yếu tố riêng tư.
  • Cho phép truy cập công khai vào các kết quả khảo sát từ máy bay không người lái

Xử lý dữ liệu và tinh chỉnh:

Một yếu tố quan trọng khác là tìm nguồn cung ứng cho xử lý dữ liệu và chỉnh. Các bộ dữ liệu được tạo ra từ dữ liệu khảo sát máy bay không người lái không phải là sự biểu diễn hoàn hảo của thực tế. Việc ghép các ảnh lại với nhau tạo ra sai số ở phần rìa. Tương tự, cây cối và bóng tối có thể tạo ra sai khác về địa hình. Vì vậy,chúng tôi tiến hành tinh chỉnh dữ liệu để loại bỏ các phần này. Khi địa hình sai khác nằm trong nước, việc xác định cẩn thận các tiêu chí cho việc phân định đường bờ này rất cần thiết.

Tổng kết giám sát xói lở bờ biển bằng UAV

Từ dự án giám sát xói mòn bãi biển, chúng ta có các nhận định sau:

    • Các cuộc khảo sát bằng máy bay không người lái được thực hiện ở Hobart vào năm 2016 cung cấp các bộ dữ liệu chuẩn có giá trị ở hai thang đo. Khảo sát bằng fix-wing giám sát các thay đổi lớn hơn 5-10 cm và khảo sát bằng drone giúp phát hiện các thay đổi ở mức dưới 3 cm. Các DSM, bản đồ địa hình, ảnh trực giao và mô hình 3D được tạo thành là một mô hình bờ biển hiệu quả và khảo sátt quy mô nhỏ của Short Beach Reserve cho thấy sức mạnh của tầm quang trắc gần của máy bay không người lái.
    • Việc cân bằng giữa độ chính xác và chi phí tác động đến kiểm soát mặt đất.
    • Tương tự, khảo sát bằng fix-wing nhanh hơn, rẻ hơn để lập bản đồ, nhưng chiều cao bay và độ phân giải không phù hợp để theo dõi thay đổi quy mô tốt. Quy định CASA làm cho bay thấp hơn 30 m ở những khu vực nhiều người gặp khó khăn, vì vậy cần tiến hành những biện pháp phòng ngừa an toàn.
    • Tương tự, bay trên 120 m có thể tăng độ bao phủ, tuy nhiên máy bay không thể thường chia sẻ không phận với máy bay có người lái ở Úc và vì vậy trên các khu vực rất lớn (> 10.000ha) thì các chuyến bay có người lái thành lập bản đồ có hiệu quả hơn.
    • Để tìm hiểu xem bạn có thể làm gì để đánh giá từng dự án tiềm năng và quyết định quy mô / độ phân giải dữ liệu phù hợp nhất cho mỗi ứng dụng khi chi phí tăng đáng kể khi dự án yêu cầu bản đồ tỷ lệ cực mịn (khoảng 2 cm) ).
    • Chi phí và thời gian của việc sử dụng máy bay không người lái để thành lập bản đồ so với các kỹ thuật khảo sát truyền thống
    • Dữ liệu gốc thường baoo gồm có các đối tượng ngẫu nhiên từ việc xử lý quang trắc, đặc biệt là trong các khu vực thực vật và nước dày đặc. Giai đoạn tinh chỉnh và trích xuất dữ liệu tốn nhiều thời gian và dựa vào chuyên môn, bạn cần đánh giá khả năng của mình trong lĩnh vực này hoặc sử dụng nhà cung cấp bên ngoài với nền tảng kỹ thuật đã được chứng minh để đảm bảo bạn tận dụng tối đa dữ liệu trong khi vẫn giảm chi phí.
    • Công nghệ LiDAR (quét bằng laser) đang tiến triển nhanh và có thể là một lựa chọn khả thi hơn trong tương lai, nhưng ở giai đoạn này, phương pháp tiếp cận quang trắc cung cấp mô hình chính xác nhất về địa hình không không thực phủ.

Một số dự án tương tự dovenhanh.com đã tiến hành:

Dovenhanh.com là một thành viên của Công ty TNHH Hợp Nhất Bách Việt.