THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ BAY CHỤP ẢNH KHÔNG NGƯỜI LÁI SWINGLET-CAM XÂY DỰNG MÔ HÌNH SỐ ĐỊA HÌNH MỎ THAN LỘ THIÊN 

1.   MỞ ĐẦU

Trong điều kiện khai thác xuống sâu mỏ lộ thiên, diện tích khai trường mỏ sẽ tăng lên rất lớn, làm tăng số lượng tầng khai thác và khối lượng xúc bốc đất đá, khoáng sản dẫn đến sự gia tăng số lượng, công suất thiết bị đồng thời hoạt động trên mỏ. Do vậy, quá trình hoạt động khai thác đã làm thay đổi địa hình mỏ nhanh chóng theo thời gian và không gian.

 Để đảm bảo quá trình khai thác được liên tục đòi hỏi công tác trắc địa mỏ phải kịp thời cập nhật và cung cấp các loại bản đồ, tài liệu cần thiết cho mỏ khai thác xuống sâu. Theo công nghệ truyền thống để đo vẽ chi tiết địa hình mỏ lộ thiên đã áp dụng các phương pháp điển hình dưới đây:

- Phương pháp toàn đạc là phương pháp đo vẽ phổ biến ở mỏ lộ thiên. Nó được sử dụng để đo vẽ từng phần, từng tầng hoặc toàn bộ mỏ, đặc biệt áp dụng ở các mỏ lộ thiên có kích thước và chiều sâu khai thác lớn, hình dạng tầng phức tạp và tốc độ khai thác lớn. Nguyên lý của đo vẽ toàn đạc là xác định tọa độ điểm chi tiết bằng phương pháp toạ độ cực kết hợp với đo cao lượng giác.Phương pháp toàn đạc nhanh gọn, đơn giản khi đo đạc ở thực địa, ít phụ thuộc vào điều kiện thời tiết, nhưng thường bị gián đoạn giữa công tác ngoại nghiệp và nội nghiệp, dễ gây ra nhầm lẫn khi biểu diễn các điểm đo lên bản đồ.

- Phương pháp chụp ảnh mặt đất là phương pháp ưu việt ở mỏ lộ thiên, đặc biệt với các mỏ lớn, hình dạng tầng phức tạp. Với khối lượng công việc ngoài thực địa không nhiều, năng suất và độ chính xác không cao, phương pháp chụp ảnh lập thể mặt đất có thể thu nhận và biểu thị thông tin chi tiết toàn bộ khu vực đo chụp, ngay cả những nơi sụt lở nguy hiểm, không đo trực tiếp được. Phương pháp chụp ảnh lập thể mặt đất giảm một khối lượng lớn công tác ngoài thực địa và cho độ chính xác cao.Có thể đo vẽ ở những vị trí mà máy toàn đạc và các phương pháp khác không thể thực hiện. Công tác xác định toạ độ cho các điểm trạm chụp được tiến hành đồng thời với công tác đo chụp. Do đó, không cần tính xong toạ độ các điểm khống chế mới đo chụp.Tuy nhiên với những mỏ có hình dạng cấu trúc phức tạp công nghệ khai thác không qui chuẩn, việc đo chụp sẽ bỏ sót. Khi thành lập bản đồ cần phải đo vẽ bổ sung vùng đó bằng các phương pháp thông thường.

Từ nhu cầu thực tiễn ở các mỏ, đã đặt ra vấn đề nghiên cứu khả năng áp dụng các công nghệ mới trong đo vẽ chi tiết thành lập bản đồ khai thác mỏ và tự động hóa quá trình xử lý số liệu thành lập bản đồ và tính khối lượng mỏ. Qua thực tế ứng dụng thiết bị bay chụp ảnh không người lái Swinglet CAM của Thụy sỹ, cho thấy thiết bị này có thể dùng để thành lập bản đồ và tính khối lượng mỏ lộ thiên khai thác xuống sâu và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực mỏ khác nhau, vì vậy đã tiến hành thử nghiệm tại mỏ Cọc Sáu Quảng Ninh.

2. GIỚI THIỆU VỀ THIẾT BỊ BAY CHỤP ẢNH KHÔNG NGƯỜI LÁI SWINGLET CAM

2.1 Những đặc tính cơ bản của hệ thống Swinglet CAM

Swinglet CAM là loại máy bay cánh bằng sử dụng 1 động cơ điện gắn phía sau, có chức năng hạ cánh khẩn cấp trong khoảng cách 50m rộng 40m. Sải cánh dài 80cm, nặng 0,5kg là thiết bị bay nhẹ nhất trên thị trường hiện nay, cũng đồng nghĩa với độ an toàn cao nhất. Có thể dễ dàng cất cánh bằng tay không cần thiết bị nâng đỡ phụ trợ nào khác. Hệ thống pin Lithium Polymer nhẹ, có thể bay 30 phút cho mỗi lần cất cánh, với tốc độ 36km/h (10/s), chịu được sức gió 25km/h (7m/s). Tín hiệu điều khiển, truyền số liệu Radio tần số 2.4GHz lên tới khoảng cách 1km. Trong điều kiện mất tín hiệu Radio link cũng không có ảnh hưởng lớn, vì toàn bộ số liệu thu nhận trong quá trình bay được lưu trữ trên bộ nhớ của thiết bị bay và thẻ nhớ của máy ảnh.

Swinglet CAM sử dụng máy ảnh nhỏ CanonIXUS 127HS, được hãng Sensefly đặt hàng để có thể xác định các yếu tố đo ảnh. Độ phân giải 16MP, tiêu cự 4.3mm, độ phân giải mặt đất có thể đạt đến 3cm ở độ cao bay khoảng 100m.

2.2 Phần mềm lập kế hoạch bay và xử lý số liệu

- Phần mềm lập kế hoạch bay, cũng là phần mềm điều khiển trong quá trình bay chụp. Các tuyến bay tự động được tính toán khi có các thông số về khu đo như: phạm vi bay chụp, độ phân giải ảnh (chiều cao bay chụp), độ phủ ảnh. Có thể tự động xác định độ cao bay thay đổi theo bề mặt địa hình dựa trên dữ liệu độ cao SRTM 90m miễn phí trên mạng Internet hoặc dữ liệu độ cao được cung cấp bởi người dùng. Có thể mô phỏng quá trình bay chụp trước khi bay ngoài thực địa  để kiểm tra tiến trình cất, hạ cánh.Trong quá trình bay chụp tự động vẫn có thể điều khiển thực hiện lệnh khẩn cấp như hạ cách hoặc quay về vị trí xuất phát.

- Phần mềm xử lý kết quả bay chụp Postflight Terra 3D dựa trên nguyên lý tăng dày chùm tia, tự động nhận dạng điểm ảnh cùng tên và liên kết khối, với sự đổi mới áp dụng độ phủ lớn từ 70% đến 90%. Phần mềm Postflight Terra 3D hoàn toàn tự động trong công tác tăng dày, nắn ảnh trực giao thực (TrueOrtho), tạo dữ liệu độ cao đám mây điểm (Point clouds) và mô hình số bề mặt (DSM).

3. THỰC NGHIỆM

3.1 Giới thiệu khu đo

Khu đo nằm trong khu vực mỏ than Cọc Sáu, tỉnh Quảng Ninh, diện tích khoảng 80ha, là khu vực đang tiến hành khai thác than. Độ cao từ 150m đến 400m so với mặt nước biển, địa hình có độ dốc lớn, khu vực gần bờ biển, sức gió tương đối lớn.  

3.2 Các bước thực hiện

3.2.1 Xây dựng mốc và đo lưới khống chế ảnh

Lưới khống chế ảnh được thiết kế gồm 6 điểm gồm 4 điểm khống chế và 2 điểm kiểm tra. Dấu mốc khống chế ảnh được đánh dấu bằng bìa cứng, cố định bằng cọc gỗ và đinh ghim, hình chữ thập với kích thước mỗi cánh 40x15cm.

   3.2.2 Thiết kế, bay chụp ảnh

  - Đối với khu vực mỏ, địa hình có thay đổi lớn về độ cao, nên bay theo dáng địa hình để đảm bảo đồng nhất về tỷ lệ ảnh (hay độ phân giải ảnh) trên toàn khu bay. Thông thường bay với độ phân giải 6cm; độ phủ 80%-80%; độ cao bay 200m so với vị trí cất cánh. 

 - Thời gian bay: Mỗi chuyến bay không quá 30 phút

 - Diện tích phủ khoảng từ 1,5km² đến 6km²

 Thời gian chụp ảnh là ngày 23/3/2014 trong điều kiện thời tiết có mây, tốc độ gió trung bình 7m/s.

Số lượng ảnh chụp:        356 ảnh

Độ phân giải:                 6cm/pixel

Độ phủ ngang, dọc:       80%x80%

Kích thước ảnh:             4068x3456 pixel

          Số chuyến bay:              2 chuyến

          Số tuyến chụp:               18 tuyến

Diện tích đã chụp ảnh      : 80 ha

Hệ tọa độ tham chiếu       : VN2000, kinh tuyến trục 107^o75’

Chiếu hình Tranverse Mecator, múi 3^o,    k=0.9999

3.3.3.Tính toán tăng dày, lập mô hình số độ cao và bình đồ ảnh

Sai số trung phương mặt phẳng tại các điểm kiểm tra là 0,2m, sai số trung phương về độ cao tại các điểm kiểm tra là 0,27m. Sai số đạt yêu cầu theo “Quy phạm đo vẽ  bản đồ địa hình tỷ lệ 1/500, 1/1.000, 1/2.000, 1/5.000 - 96 TCN 4390, Tổng cục Địa chính 1990.

4. ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ VỚI PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐẠC TRUYỀN THỐNG BẰNG MÁY TOÀN ĐẠC ĐIỆN TỬ

Phương pháp kiểm tra về nguyên tắc phải xác định số lượng điểm kiểm tra trước khi tiến hành bay chụp bằng việc đánh dấu mốc ngoài thực địa, sau đó  tiến hành đo xác định tọa độ điểm kiểm tra bằng cả hai phương pháp. Tuy nhiên, do điều kiện kinh phí không cho phép, nên đã sử dụng kết quả đo trước cũng trong tháng 4 của phòng Trắc địa mỏ thuộc Công ty Than Cọc Sáu để so sánh.

Trong hình 3, những khu vực có số liệu  đo màu đỏ là khu vực đang tạm dừng khai thác than, không có sự thay đổi địa hình, số liệu được đo từ vài tháng trước; những khu vực có số liệu đo màu vàng, tím xanh là khu vực đang khai thác than, địa hình thay đổi hàng ngày, số liệu mới đo trong tháng 4.

-   Lựa chọn 150 điểm đo bằng máy toàn đạc, nằm trong khu vực ít thay đổi địa hình (khu màu đỏ), phân bố đều trong phạm vi bay chụp (các điểm đen)

4.1 Đánh giá về độ chính xác độ cao

        Sử dụng phương pháp so sánh độ sai lệch giữa độ cao trên mô hình số địa hình với độ cao điểm đo bằng máy toàn đạc điện tử.

Z_i = Z_uav-i-Z_tc-i

Z_uav-i: độ cao được xác định bằng phương pháp UAV của điểm i

Z_tc-i: độ cao điểm kiểm tra đo bằng máy toàn đạc điện tử của điểm i

Sai số trung phương độ cao của các điểm kiểm tra được tính theo công thức:

m_z =  

Trong đó n: số lượng điểm độ cao được kiểm tra.

Áp dụng công thức trên để tính cho 150 điểm kiểm tra:

      m_z  =  = 0,177 m

               Sai số lớn nhất Zmax= 0,317 m

               Sai số nhỏ nhất Zmin= 0,004 m

4.2 Đánh giá về mức độ chi tiết của mô hình số địa hình

- Tại khu vực khai thác mỏ lộ thiên, địa hình trơ trụi, vì vậy có thể coi mô hình số bề mặt (DSM) và mô hình số địa hình (DTM) là như nhau, không có nhiều khác biệt, gọi chung là mô hình số địa hình.

- Xây dựng mô hình số địa hình từ các điểm đo bằng máy toàn đạc, khoảng cách mắt lưới bằng khoảng cách các điểm đo chi tiết, trung bình từ 1,5m đến 10m/điểm. So sánh độ chi tiết với mô hình số bề mặt được tạo ra từ thiết bị bay không người lái UAV, độ phân giải 6cm. Trong hình 4a và hình 4b, vùng màu đỏ được phóng to để thấy rõ độ chi tiết bề mặt địa hình tại cùng một vị trí trong hai mô hình được so sánh.

- Ta thấy rằng mô hình số địa hình của thiết bị UAV mô tả chính xác dáng địa hình, bề mặt mô hình số địa hình sát với bề mặt thực địa, không bị đứt quãng bởi các tam giác cạnh lớn như mô hình số địa hình đo bằng máy toàn đạc.

5. KẾT LUẬN

Kết quả thực nghiệm ban đầu cho thấy hệ thống thu nhận ảnh sử dụng thiết bị bay không người lái hoàn toàn có thể đáp ứng được công tác xây dựng mô hình số địa hình mỏ, thành lập bản đồ tỷ lệ lớn phục vụ khai thác mỏ lộ thiên. Ngoài khả năng  đáp ứng về độ chính xác, công nghệ UAV còn có một số ưu điểm như:

-  Giá thành rẻ nhất so với tất cả các phương pháp thành lập bản đồ hiện nay.

- Phù hợp với địa hình trung du và đồng bằng, vùng ven sông, ven biển, đặc biệt là với độ phủ lớn đến 90% khi bay chụp ảnh những vùng đô thị, bình đồ ảnh có thể thể hiện  được tối đa hình ảnh của các địa vật gần sát chân các công trình xây dựng cao tầng.

- Kết quả có thể đưa ra nhiều định dạng khác khau để sử dụng trong các phần mềm chuyên ngành như: ArcGIS, GlobalMapper, Quantum GIS, Solidworks, AutoCAD…

- Sản phẩm đa dạng, có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như: Tính toán khối lượng đào, đắp trong khai thác mỏ lộ thiên; Quản lý tài nguyên, môi trường; Mô phỏng địa hình trong không gian 3 chiều; Tính toán dự báo khu vực ngập lụt; Dự báo trượt lở tại khu vực bãi thải.

Tài liệu tham khảo

1.     https://www.sensefly.com/drones/swinglet-cam.html

 2.     https://www.sensefly.com/user-cases/10-mining.html

SUMMARY

 To ensure safety and effect exploitation process, updating and supplement of maps are required. Researching the application of new technology  in excavation map plotting, survey data automatic processing and volume calculation. The paper deal with the overall traditional survey methods, the basic features of Swinglet CAM, Swinglet CAM’ camera, Postflight Terra 3D software, technology processing of Swinglet CAM and experimental results at Coc Sau mine. The first experimental results show that image sensor system is used on UAV complet supplying big scale map making.