Trên cơ sở các nguyên lý hình học của thị giác máy tính, độ cao của các điểm trong trường ảnh được tính toán và chuyển đổi sang hệ tọa độ thực cũng như hệ tọa độ địa lý nhằm nâng cao khả năng ứng dụng thực tiễn. Kết quả thí nghiệm cho thấy phương pháp đề xuất đạt sai số trung bình tuyệt đối (MAE) khoảng 0,025 m. Các kết quả đo thực địa bước đầu chứng minh tính khả thi và độ tin cậy của thuật toán trong việc ước lượng độ cao bờ sông.
1. Giới thiệu

Mô hình độ cao địa hình (DEM – Depth Elevation Model) đóng vai trò then chốt trong các bài toán phân tích động lực học dòng chảy, mô phỏng ngập lụt và đánh giá rủi ro thiên tai. Dữ liệu độ cao thường được thu thập bằng nhiều phương pháp khác nhau, tùy thuộc vào khu vực và điều kiện đo đạc. Đối với địa hình đáy sông và đáy biển, các thiết bị như ADCP hoặc hệ thống sonar đơn tia, đa tia đã được ứng dụng rộng rãi và cho hiệu quả cao.

Tuy nhiên, một hạn chế phổ biến của các phương pháp đo tự động này là không thể thu thập dữ liệu tại khu vực gần bờ sông, nơi phương tiện đo khó tiếp cận. Vấn đề này đã được nhiều nghiên cứu trong lĩnh vực mô hình thủy lực sông chỉ ra. Việc thiếu hụt dữ liệu độ cao ven bờ ảnh hưởng đáng kể đến độ chính xác của các mô hình mô phỏng dòng chảy và xói lở.

Trong thời gian qua, nhiều giải pháp ứng dụng máy ảnh đã được đề xuất nhằm thu thập dữ liệu độ cao bề mặt. Hệ thống stereo camera, UAV kết hợp xử lý ảnh, cũng như công nghệ quét laser cho phép thu thập dữ liệu với độ chính xác cao và phạm vi rộng. Tuy nhiên, chi phí đầu tư lớn và yêu cầu kỹ thuật phức tạp vẫn là rào cản đối với việc triển khai rộng rãi.

Xuất phát từ thực tế đó, nghiên cứu này đề xuất một thuật toán ước lượng độ cao bờ sông sử dụng máy ảnh 3D – một giải pháp có chi phí thấp, cấu hình đơn giản và khả năng ứng dụng linh hoạt. Dữ liệu độ sâu trường ảnh được thu trực tiếp từ máy ảnh 3D, sau đó áp dụng các mô hình hình học để tính toán độ cao và chuyển đổi sang hệ tọa độ thực, phục vụ cho các nghiên cứu và ứng dụng liên quan đến DEM.

2. Phương pháp nghiên cứu

2.1. Tổng quan phương pháp

Nguyên lý cơ bản của phương pháp là xác định độ cao của một điểm trong không gian dựa trên khoảng cách từ điểm đó đến máy ảnh 3D và góc tạo bởi tia quan sát với mặt phẳng tham chiếu song song với mặt đất. Mặt phẳng đi qua tâm máy ảnh và song song với mặt đất được chọn làm mặt phẳng chuẩn, có độ cao bằng 0.

Từ dữ liệu độ sâu trường ảnh, tọa độ các điểm trong không gian thực được xác định. Nếu biết cao độ tuyệt đối của vị trí đặt máy ảnh, toàn bộ dữ liệu độ cao tương đối có thể được quy đổi về cao độ quốc gia hoặc mực nước biển trung bình.

2.2. Thuật toán ước lượng độ cao từ độ sâu trường ảnh

Giả sử máy ảnh được đặt song song với mặt đất, độ cao của một điểm ảnh bất kỳ được xác định thông qua mối quan hệ hình học giữa khoảng cách đo được và góc mở theo phương thẳng đứng của máy ảnh. Trong trường hợp thực tế, để tăng tính linh hoạt khi lắp đặt, máy ảnh có thể được nghiêng một góc β so với phương ngang. Khi đó, công thức ước lượng độ cao được hiệu chỉnh nhằm phản ánh đúng vị trí không gian của điểm đo.

Các tham số hình học như góc nhìn theo phương đứng (VFOV), độ phân giải ảnh và vị trí điểm ảnh trong trường ảnh được sử dụng để xác định góc quan sát tương ứng, từ đó tính toán độ cao tương đối của điểm.

2.3. Chuyển đổi từ tọa độ ảnh sang tọa độ thực

Sau khi xác định độ cao, các điểm trong hệ tọa độ ảnh được chuyển đổi sang hệ tọa độ thực với gốc tọa độ tại vị trí đặt máy ảnh. Tọa độ X và Y của điểm được xác định dựa trên khoảng cách đo được và góc lệch theo phương ngang. Kết quả thu được là tập hợp các điểm trong không gian thực, sẵn sàng để chuyển sang hệ tọa độ địa lý nếu biết tọa độ GPS của máy ảnh.

Việc chuyển đổi này cho phép dữ liệu độ cao thu được được tích hợp trực tiếp vào các hệ thống thông tin địa lý và phần mềm mô phỏng thủy lực.

2.4. Bố trí thí nghiệm

2.4.1. Đánh giá sai số trong phòng thí nghiệm

Trước khi triển khai đo đạc ngoài thực địa, thuật toán được kiểm chứng trong điều kiện phòng thí nghiệm. Các vật mẫu có độ cao xác định được bố trí tại nhiều khoảng cách và vị trí khác nhau so với máy ảnh. Máy ảnh 3D được lắp trên giá đỡ có khả năng điều chỉnh chính xác góc nghiêng.

Dữ liệu thu thập được sử dụng để đánh giá sai số của phương pháp theo khoảng cách đo, vị trí lệch trái – phải và góc nghiêng của máy ảnh.

2.4.2. Bố trí thí nghiệm thực địa

Sau khi hoàn tất kiểm chứng trong phòng thí nghiệm, hệ thống được lắp đặt tại một công trình thủy lợi ở quận Phong Điền, thành phố Cần Thơ. Khu vực thí nghiệm có bờ sông bê tông với độ dốc rõ ràng, thuận lợi cho việc so sánh kết quả ước lượng với các phép đo thực tế.

3. Kết quả và thảo luận

3.1. Đánh giá sai số phương pháp

Kết quả thí nghiệm cho thấy phương pháp đề xuất ước lượng tốt độ cao của các điểm đo trong không gian. Sai số trung bình tuyệt đối MAE đạt khoảng 0,025 m. Sai số có xu hướng tăng khi khoảng cách từ điểm đo đến máy ảnh lớn hơn, tuy nhiên vẫn nằm trong giới hạn chấp nhận được cho các ứng dụng thực tế.

Ngoài độ cao, độ chính xác của việc chuyển đổi tọa độ ảnh sang tọa độ thực cũng được đánh giá thông qua việc so sánh kích thước ước lượng của vật mẫu với kích thước thực tế. Sai số các kích thước này đều nhỏ hơn 0,03 m, chứng tỏ độ tin cậy của thuật toán.

3.2. Kết quả đo độ cao bờ sông

Kết quả đo thực địa cho thấy thuật toán có khả năng tái tạo hình dạng bờ sông tương đối chính xác. Phần bờ dốc và bề mặt bê tông phẳng được ước lượng phù hợp với các giá trị đo thủ công. Điều này cho thấy phương pháp đề xuất có tiềm năng ứng dụng trong thu thập dữ liệu độ cao ven bờ sông.

3.3. Thảo luận

Mặc dù kết quả bước đầu rất khả quan, thuật toán vẫn tồn tại một số hạn chế. Độ chính xác phụ thuộc nhiều vào góc đặt máy ảnh và điều kiện ánh sáng. Ngoài ra, nghiên cứu hiện tại mới chỉ tập trung vào việc ước lượng độ cao tại một khung ảnh đơn lẻ, chưa xem xét đến việc thu thập dữ liệu liên tục theo không gian và thời gian.

Việc sử dụng máy ảnh 3D chuyên dụng ngoài trời và tích hợp hệ thống cân bằng tự động cho máy ảnh là những hướng nghiên cứu tiếp theo nhằm nâng cao khả năng ứng dụng thực tế của phương pháp.

4. Kết luận

Nghiên cứu đã đề xuất thành công một thuật toán ước lượng độ cao bờ sông dựa trên dữ liệu độ sâu trường ảnh thu từ máy ảnh 3D. Phương pháp không yêu cầu các thuật toán xử lý ảnh phức tạp nhưng vẫn đạt độ chính xác cao trong cả môi trường phòng thí nghiệm và điều kiện thực địa. Dữ liệu độ cao thu được có thể dễ dàng chuyển đổi sang hệ tọa độ địa lý và quy chiếu về cao độ quốc gia, phục vụ cho các nghiên cứu và ứng dụng sử dụng DEM.