Khảo sát quy mô lớn UAV-Lidar ở vùng nhiệt đới
22/11/2021
Với tổng chiều dài 2.789 km, Dự án Đường thu phí xuyên Sumatra là một trong những Dự án Chiến lược Quốc gia của Indonesia và là Dự án đường thu phí dài nhất Đông Nam Á. Để giữ cho dự án đúng tiến độ dự kiến hoàn thành vào năm 2024, UAV-Lidar đã được chọn làm phương pháp thu thập dữ liệu địa hình, kết hợp với mô hình hóa thông tin tòa nhà (BIM), nhằm tối ưu hóa thời gian lập kế hoạch và chi phí. Dự án Đường thu phí xuyên Sumatra sẽ kết nối các thành phố ở phía bắc, nam, đông và tây của Sumatra, hòn đảo đông dân thứ hai của Indonesia. Chính phủ Indonesia đã giao dự án lớn này cho PT Hutama Karya với tư cách là một công ty doanh nghiệp nhà nước. Công ty được giao nhiệm vụ không chỉ xây dựng Đường thu phí xuyên Sumatra mà còn cung cấp tài chính, lập kế hoạch xây dựng và cuối cùng là vận hành nó.

Lập bản đồ UAV-Lidar: sự lựa chọn đúng đắn

Trong quá trình tìm kiếm giải pháp lập bản đồ phù hợp để thực hiện dự án to lớn này, Hutama Karya đã cân nhắc nhiều lựa chọn khác nhau. Sử dụng máy bay có người lái Lidar nhanh chóng bị loại bỏ vì nhóm nghiên cứu kết luận rằng phương pháp này sẽ không đáp ứng được các kỳ vọng về độ chính xác cũng như các mục tiêu về chi phí. Ngoài ra, việc sử dụng máy bay sẽ không cho phép thu thập dữ liệu từng phần quy mô nhỏ cần thiết cho dự án này. Do đó, Hutama Karya đã lựa chọn lập bản đồ UAV-Lidar để mang lại sự linh hoạt để thích ứng với quy mô dự án, cây cối rậm rạp và địa hình cũng như các yêu cầu về độ chính xác, ngân sách và lịch trình. Ở góc độ khảo sát, sử dụng UAV-Lidar có thể giảm thời gian thu nhận trung bình 13-15km/ngày so với các phương pháp khảo sát trên đất liền truyền thống. Công việc cũng có thể được thực hiện bởi một nhóm duy nhất. Điều này dẫn đến hiệu quả thời gian 80-85% và nhân lực giảm dẫn đến chi phí khảo sát tổng thể thấp hơn. Ngoài ra, Hutama Karya đã sử dụng các phương pháp khảo sát khác dựa trên các yêu cầu về tỷ lệ bản đồ và quy cách công việc. Ví dụ, các cuộc khảo sát đất đai đã được thực hiện để nắm bắt chi tiết cho các tính toán kết cấu và cả những khu vực có tán cây rậm rạp. Trong quá trình thực hiện dự án, khảo sát độ sâu cũng được thực hiện đối với các con sông và đập vì những hạn chế của Lidar.

Lập kế hoạch cẩn thận

Đảo Sumatra có một dãy núi lớn. Việc lập bản đồ hành lang trong những trường hợp này là một thách thức vì việc lập kế hoạch bay phải tính đến khả năng của máy bay không người lái (UAV hoặc 'máy bay không người lái') trong địa hình mà không ảnh hưởng đến chất lượng dữ liệu. Do đó, công ty luôn tiến hành khảo sát chi tiết trước và thảo luận kế hoạch bay với các chuyên gia UAV của họ và cả với nhà sản xuất UAV để đảm bảo một kế hoạch bay an toàn và tối ưu. Trong trường hợp này, để lập bản đồ cho con đường thu phí dự kiến, Hutama Karya đã sử dụng UAV eVTOL Tron cánh cố định của Quantum Systems. Nó được trang bị trọng tải cảm biến YellowScan Surveyor Ultra UAV Lidar.

Description: https://www.gim-international.com/cache/a/a/a/5/8/aaa5853626f109c7e0602918d3049e6a9d644016.png

Hình 1: Bản đồ Dự án Đường thu phí Xuyên Sumatra. (Nguồn: Hutama Karya)

Bởi vì dự án đường thu phí hầu hết đi qua các khu vực vắng vẻ không có dân cư, một thách thức khác được đặt ra là tình trạng của các con đường hiện có. Do khả năng tiếp cận kém, ô tô 4x4 là những phương tiện cần thiết cho cuộc khảo sát Lidar và các tùy chọn tuyến đường cần phải lập kế hoạch cẩn thận.

Quá trình lập bản đồ hành lang được chia thành các đoạn dài 10km. Trong trường hợp tốt nhất, điều này được chuyển thành 220 nhiệm vụ bay. Kế hoạch tình huống xấu nhất - có tính đến các mối đe dọa thực tế do các yếu tố như điều kiện thời tiết xấu, khả năng hư hỏng đối với UAV hoặc cảm biến và nhu cầu sửa chữa - dự kiến ​​350 nhiệm vụ bay.

Description: https://www.gim-international.com/cache/f/1/2/1/e/f121e2354980ef9fb0fd4f311a1afdf7a0c891b4.jpeg

Hình 2: Ảnh chụp từ trên không của Đường thu phí xuyên Sumatra đang được xây dựng. (Nguồn: Hutama Karya)

Những thách thức của việc lập bản đồ ở vùng nhiệt đới

Thách thức lớn nhất đối với nhóm khi làm nhiệm vụ thu thập dữ liệu là thời tiết; điều kiện kém đã cản trở đáng kể quá trình thu nhận Lidar. Có lần họ không thể bay cả tuần vì thời tiết xấu. Ngoài ra, thời tiết đã gây ra sự cố trên các tuyến đường địa phương, chẳng hạn như sạt lở đất, cây đổ hoặc các hố lớn, buộc nhóm khảo sát phải đi đường vòng mất thời gian từ tuyến đường dự kiến ​​ban đầu của họ. Quy trình tiêu chuẩn là quan sát chặt chẽ các điều kiện thời tiết trong một hoặc hai ngày để xác định mô hình của các hành vi thời tiết địa phương. Dựa trên những quan sát này, nhóm có thể lập kế hoạch cho các chuyến bay, có tính đến thời gian nhiệm vụ, độ dài chuyến bay và thời điểm chính xác khi dự báo điều kiện thời tiết tốt.

Một thách thức khác của dự án là đáp ứng yêu cầu độ chính xác của LE90 là 0,25m đối với tỷ lệ bản đồ 1: 1.000 (dựa trên Tiêu chuẩn của Cơ quan Thông tin Không gian Địa lý cho Bản đồ Tỷ lệ lớn). Trong ba cuộc khảo sát đầu tiên của Lidar cho các đoạn từ Muara Enim đến Bengkulu, Padang đến Pekanbaru và Aceh đến Sigli (611km), nhóm nghiên cứu đã phải vật lộn để đáp ứng dung sai độ chính xác đó cho từng điểm khảo sát. Để giải quyết những thách thức về độ chính xác này, nhóm dự án đã tiến hành các kịch bản thử-và-sai và nghiên cứu thực tế trong nhà, đồng thời trao đổi kiến ​​thức với các nhà nghiên cứu cũng như với nhóm hỗ trợ YellowScan để thảo luận về chiến lược thu nhận, xử lý và hậu xử lý. Sau nhiều cuộc thảo luận qua lại, nhóm nghiên cứu hiện đã tìm ra một công thức thành công và đang tiếp tục điều chỉnh nó cho toàn bộ dự án.

Thử thách thứ ba liên quan đến địa hình đồi núi và rừng rậm, đặc biệt là xung quanh các khu vực Muara Enim, Padang, Bengkulu và Pekanbaru. Để khắc phục điều này, dự án đã được bay ở độ cao 150m, mặc dù YellowScan khuyến nghị độ cao bay tối đa là 80m cho Surveyor Ultra của nó. Điều này đã đẩy ranh giới của hệ thống Lidar, nhưng được cho là cần thiết để tránh rủi ro khi bay ở độ cao thấp trên địa hình khắc nghiệt như vậy. Trên thực tế, ở địa phương đầu tiên, dự án đã tận dụng các quy định ở Indonesia để thực hiện các chuyến bay vượt tầm nhìn (BVLOS) trong khu vực xung quanh Muara Enim trên mỗi đoạn khảo sát dài 30 km. Việc lập bản đồ hành lang dài 30 km này được thực hiện từ ba điểm cất cánh và hạ cánh, sử dụng một trạm cơ sở GPS của Leica trên mặt đất. Mặc dù khu rừng nhiệt đới rậm rạp (cây cọ) gây khó khăn cho việc xác định điểm kiểm soát mặt đất ban đầu (GCP), nhóm đã thành công trong việc đáp ứng các yêu cầu về độ chính xác.

Description: https://www.gim-international.com/cache/3/8/1/e/5/381e5dc089ef94cd9142a2406973fdc15ae33ece.jpeg 

Hình 3: Đám mây điểm hiện thời của đoạn đường thu phí Pekanbaru đến Dumai

 (Nguồn: Hutama Karya)

Các khuyến nghị để cải thiện hơn nữa

Trải qua hơn 18 tháng trong dự án uy tín này, Hutama Karya đã tiến hành lập bản đồ hành lang 1.478 km bằng hệ thống UAV-Lidar. Trên thực tế, cuộc khảo sát này của Lidar đã trở thành cuộc khảo sát địa hình nhanh nhất với độ chính xác của thiết kế kỹ thuật chi tiết (DED) ở Indonesia. Thành tích này khiến người ta lạc quan về mục tiêu hoàn thành tất cả các cuộc khảo sát hành lang vào cuối năm 2021. Tuy nhiên, vẫn còn một số việc phải làm để đạt được dung sai chính xác LE90 cho tất cả các phần của dự án.

Nhóm dự án liên tục hoàn thiện các kỹ năng vận hành và sử dụng hệ thống UAV-Lidar, những kinh nghiệm của họ cũng tạo cơ sở cho các đề xuất cải tiến tiếp theo. Thứ nhất, họ muốn UAV cánh cố định VTOL được chế tạo có khả năng chống chịu thời tiết tốt hơn để chúng có thể được sử dụng trong nhiều điều kiện khác nhau. Thứ hai, hệ thống UAV-Lidar hiện tại có khả năng đo xa ± 5km. Việc cải thiện hơn nữa phạm vi đo từ xa của hệ thống, với kết nối vô tuyến hoặc 5G, sẽ làm cho các chuyến bay của UAV an toàn hơn cho mọi người - đặc biệt là đối với BVLOS. Hơn nữa, các thành viên trong nhóm hy vọng sẽ thấy sự kết hợp tốt hơn giữa laser, IMU và GNSS trong hệ thống Lidar để có thể thu thập dữ liệu khảo sát chi tiết hơn. Cuối cùng, nhóm nghiên cứu đang mong đợi những hệ thống Lidar thậm chí còn nhẹ hơn và bền hơn trong tương lai, với độ bền cao hơn để chúng có thể kết hợp nhiều trọng tải hơn. Lý tưởng nhất là có thể kết hợp UAV-Lidar và một máy ảnh RGB trong một UAV cánh cố định. Tất cả những cải tiến này sẽ tạo ra chất lượng dữ liệu tốt hơn khi được kết hợp với một kỹ thuật viên điều khiển có năng lực và kinh nghiệm.

Description: https://www.gim-international.com/cache/6/f/6/7/c/6f67cfef4f97a4707a98ed3e0eb53736eb876edd.png

Hình 4: DTM của phần Betung đến Jambi (trên) và BIM trong phần mềm InfraWorks sử dụng Lidar DTM của phần Betung đến Jambi (dưới). (Nguôn: Hutama Karya)

Kết luận

Nhìn chung, Dự án Đường thu phí Xuyên Sumatra đang đi đúng hướng và những trở ngại chính trong quá trình thu thập dữ liệu Lidar phần lớn đã được khắc phục. Phương pháp lập bản đồ UAV-Lidar mà nhóm dự án sử dụng đã được chứng minh là có khả năng thực hiện các nhiệm vụ thu thập dữ liệu Lidar quy mô rất lớn để lập bản đồ hành lang. Giải pháp lập bản đồ được chọn, YellowScan Surveyor Ultra, đã được chứng minh là hoạt động tốt trong các điều kiện đôi khi khắc nghiệt, kể cả khi hoạt động trên độ cao bay khuyến nghị, trong điều kiện độ ẩm cao và các điều kiện nhiệt đới khác. Do đó, hệ thống UAV-Lidar có thể tối ưu hóa thời gian và chi phí liên quan đến việc thu thập dữ liệu địa hình chính xác làm cơ sở cho việc ra quyết định tốt hơn trong giai đoạn lập kế hoạch dự án. Dự án quy mô lớn này là bằng chứng về việc UAV khảo sát đã tiếp tục phát triển như thế nào kể từ khi trở thành một công cụ tiêu chuẩn cho các nhà khảo sát chuyên nghiệp và liên tục mở ra những cơ hội mới.

 

Nguồn: GIM International

Nguyễn Thị Thanh Bình

Nguyễn Thị Phương Hoa

(Sưu tầm và dịch

Nguồn tin: GIM International