Khảo sát địa hình bằng UAV – Giải pháp nhanh và chính xác

Khảo sát địa hình bằng UAV đang trở thành xu hướng tất yếu trong ngành trắc địa – bản đồ nhờ tốc độ thu thập dữ liệu nhanh, độ chính xác cao và chi phí tối ưu hơn phương pháp truyền thống. UAV không chỉ giúp tạo bản đồ 2D, mô hình 3D mà còn hỗ trợ đo đạc diện tích, khối lượng và giám sát công trình theo thời gian thực. Đây là công nghệ mang tính đột phá, mở ra nhiều ứng dụng trong xây dựng, giao thông, thủy lợi và quản lý đất đai

UAV là gì?

UAV (Unmanned Aerial Vehicle – phương tiện bay không người lái) là thiết bị bay được điều khiển từ xa bởi người vận hành hoặc hoạt động tự động theo lộ trình định sẵn nhờ hệ thống định vị GPS/GNSS. UAV thường tích hợp camera quang học, camera đa phổ, hoặc cảm biến LiDAR để thu thập dữ liệu không gian. Trong khảo sát trắc địa, UAV được sử dụng như một giải pháp hiện đại thay thế hoặc bổ trợ cho các phương pháp đo truyền thống.

Tại sao UAV phù hợp cho khảo sát địa hình?

• Bay ở độ cao thấp, linh hoạt: UAV có thể bay ở độ cao từ vài chục đến vài trăm mét, cho phép chụp ảnh chi tiết bề mặt địa hình với độ phân giải cao (tới centimet/pixel).
• Bao phủ diện tích rộng trong thời gian ngắn: Một chuyến bay UAV có thể khảo sát hàng chục đến hàng trăm hecta chỉ trong vài giờ, nhanh hơn nhiều so với đo đạc thủ công hoặc toàn đạc.
• Thu thập dữ liệu số hóa: Dữ liệu ảnh từ UAV được xử lý thành bản đồ số 2D, mô hình 3D, mô hình số địa hình (DTM/DSM). Nhờ đó, việc tính toán diện tích, khối lượng đào đắp, và quy hoạch công trình trở nên chính xác và trực quan hơn.
• Tiết kiệm chi phí nhân lực và an toàn: UAV có thể khảo sát ở những khu vực khó tiếp cận (đồi núi, sông ngòi, mỏ khai thác) mà vẫn đảm bảo an toàn cho kỹ sư.

Với những ưu điểm này, UAV ngày càng trở thành công cụ không thể thiếu trong khảo sát địa hình, thiết kế xây dựng, quản lý tài nguyên và nghiên cứu môi trường.

Công nghệ cốt lõi trong khảo sát địa hình bằng UAV

Công nghệ UAV trong khảo sát địa hình không chỉ dừng lại ở việc sử dụng một thiết bị bay không người lái, mà thực chất là sự kết hợp đồng bộ của nhiều thành phần hiện đại, bao gồm hệ thống bay, cảm biến quang học và laser, định vị GNSS độ chính xác cao, cùng phần mềm xử lý ảnh chuyên dụng, nhằm tạo ra dữ liệu không gian số hóa chi tiết, phục vụ trực tiếp cho công tác trắc địa, xây dựng và quản lý tài nguyên.

Hệ thống bay UAV

UAV cánh bằng (Fixed-wing)

Đây là dòng UAV có sải cánh dài, khả năng bay xa và thời gian hoạt động kéo dài từ 1–2 giờ, thích hợp cho việc bao phủ diện tích lớn chỉ trong một chuyến bay. UAV cánh bằng thường được sử dụng trong khảo sát khai thác mỏ, quy hoạch đô thị, nông nghiệp quy mô lớn nhờ khả năng tiết kiệm thời gian và chi phí so với đo đạc thủ công. Tuy nhiên, loại này đòi hỏi bãi cất hạ cánh rộng và khó triển khai trong địa hình chật hẹp.

UAV đa cánh quạt (Multi-rotor)

Hoạt động linh hoạt, cất hạ cánh thẳng đứng, có thể bay ở độ cao thấp và phù hợp với khu vực phức tạp hoặc không gian hạn chế. Nhờ khả năng chụp ảnh chi tiết và điều khiển dễ dàng, UAV đa cánh quạt rất phù hợp cho các khảo sát công trình dân dụng, khu đô thị nhỏ, hay địa hình đồi núi hiểm trở. Điểm hạn chế của loại này là thời gian bay ngắn (20–40 phút), diện tích phủ sóng nhỏ, nhưng bù lại độ chi tiết hình ảnh rất cao.

Thiết bị cảm biến gắn trên UAV

• Camera quang học độ phân giải cao: Các UAV chuyên dụng thường gắn camera từ 20MP đến 50MP, giúp chụp ảnh địa hình với độ phân giải vài cm/pixel. Ảnh sau khi xử lý có thể tạo thành bản đồ trực ảnh (orthophoto), mô hình 3D, hoặc bản đồ địa hình số, phục vụ công tác đo đạc và quy hoạch.
• LiDAR (Light Detection and Ranging): Đây là cảm biến cao cấp, sử dụng chùm tia laser để quét bề mặt địa hình và thu về hàng triệu điểm dữ liệu trong thời gian ngắn. LiDAR có ưu điểm vượt trội là có thể xuyên qua tán cây rừng để thu được mô hình địa hình chính xác dưới mặt đất, điều mà camera quang học khó thực hiện. Nhờ đó, UAV gắn LiDAR thường được dùng trong khảo sát rừng, thủy điện, khai thác mỏ, và nghiên cứu địa chất.
• GNSS RTK/PPK: Để đảm bảo độ chính xác tọa độ, UAV thường tích hợp GNSS RTK (hiệu chỉnh thời gian thực) hoặc PPK (xử lý hậu kỳ). Hệ thống này giúp dữ liệu ảnh đạt sai số chỉ ở mức 2–3 cm, đáp ứng tiêu chuẩn trắc địa thay vì chỉ là ảnh chụp tham khảo.

Phần mềm điều khiển bay và xử lý ảnh

• Pix4D: Chuyên về xử lý ảnh UAV, tạo bản đồ trực ảnh, DSM/DTM và mô hình 3D có độ chính xác cao.
• Agisoft Metashape: Mạnh về dựng mô hình 3D và phân tích cấu trúc địa hình từ ảnh.
• DJI Terra: Thân thiện với người dùng, hỗ trợ trực tiếp cho UAV DJI, thường dùng trong xây dựng và khảo sát công trình.
• Trimble Business Center, Leica Infinity: Dùng cho việc kết hợp dữ liệu GNSS và UAV, xử lý bình sai và quy chiếu về hệ tọa độ quốc gia (VN-2000). Các phần mềm này đảm bảo tính chính xác và đồng bộ dữ liệu theo tiêu chuẩn quốc tế.

 Quy trình Photogrammetry (Trắc địa ảnh số)

• Lập kế hoạch bay: Xác định khu vực khảo sát, độ cao bay, tỷ lệ chồng lấn ảnh (thường 70–90%) để đảm bảo dữ liệu liền mạch.
• Chụp ảnh chồng lấn: UAV bay theo lộ trình định sẵn, chụp ảnh liên tục để tạo bộ dữ liệu phủ kín toàn bộ khu vực.
• Xử lý dữ liệu SfM (Structure from Motion): Phần mềm tự động phát hiện các điểm ảnh chung để tái tạo bề mặt 3D từ tập hợp ảnh 2D.
• Tạo sản phẩm bản đồ số: Kết quả cuối cùng bao gồm bản đồ trực ảnh (orthophoto 2D), mô hình số bề mặt (DSM), mô hình số địa hình (DTM) và mô hình 3D trực quan, có thể tích hợp trực tiếp vào GIS hoặc CAD để phục vụ thiết kế kỹ thuật, quy hoạch và tính toán khối lượng đào đắp.

So sánh UAV Camera vs UAV LiDAR trong khảo sát địa hình

Quy trình khảo sát địa hình bằng UAV

Chuẩn bị

• Thu thập thông tin khu vực khảo sát: Nghiên cứu đặc điểm địa hình, mật độ dân cư, tình trạng che khuất (cây cối, nhà cao tầng) cũng như yếu tố thời tiết để đảm bảo an toàn và hiệu quả bay.
• Xác định vùng cấm bay: Kiểm tra quy định pháp luật về an toàn hàng không, tránh các khu vực hạn chế như sân bay, căn cứ quân sự, khu công nghiệp nhạy cảm.
• Lập kế hoạch bay: Xác định độ cao bay, khoảng cách giữa các dải bay, tỷ lệ chồng ảnh dọc và ngang (thường 70–90%), thời gian bay dự kiến và dung lượng bộ nhớ cần thiết.

Tiến hành bay khảo sát

• Cất cánh UAV: UAV được cất cánh từ bãi an toàn, sau đó bay theo lộ trình định sẵn bằng phần mềm điều khiển tự động.
• Chụp ảnh liên tục: Camera gắn trên UAV chụp ảnh với độ phân giải cao và chồng lấn theo kế hoạch, đảm bảo dữ liệu đầy đủ để dựng mô hình 3D.
• Ghi nhận tọa độ GNSS: Mỗi bức ảnh đều được gắn thông tin tọa độ GNSS (RTK/PPK), giúp nâng cao độ chính xác khi xử lý bản đồ.

Xử lý dữ liệu

• Chồng ảnh (Photogrammetry): Sử dụng phần mềm chuyên dụng như Pix4D, Agisoft Metashape hoặc DJI Terra để ghép ảnh, tạo thành đám mây điểm dày đặc.
• Tái tạo mô hình 3D: Phần mềm dựng lại bề mặt địa hình dựa trên ảnh chồng lấn, cho ra mô hình không gian trực quan.
• Sản phẩm đầu ra: Sinh ra bản đồ trực ảnh (orthophoto) với tọa độ chuẩn, mô hình số bề mặt (DSM) và mô hình số địa hình (DTM) phục vụ đo vẽ, quy hoạch.

Kiểm tra & hiệu chỉnh

• Sử dụng điểm khống chế mặt đất (GCP): Đặt và đo GNSS tại một số điểm chuẩn để đối chiếu với dữ liệu UAV, đảm bảo tính chính xác toàn cục.
• Hiệu chỉnh sai số: Điều chỉnh sai số tọa độ và cao độ bằng phần mềm, đưa kết quả về hệ quy chiếu quốc gia (VN-2000) hoặc quốc tế (WGS84).
• Đánh giá độ chính xác: Kết quả cuối cùng phải đạt chuẩn sai số theo quy định trắc địa hiện hành (ví dụ: ≤2 cm đối với đo địa chính bằng UAV RTK).

Các sản phẩm đo đạc địa hình từ UAV

Bản đồ trực giao (Orthophoto Map)

Đây là bản đồ ảnh 2D được hiệu chỉnh hình học để loại bỏ méo dạng do góc chụp và địa hình, trong đó mỗi pixel đều mang tọa độ chính xác. Orthophoto có độ phân giải cao (vài cm/pixel) và thường dùng cho các bản đồ tỷ lệ lớn 1/500 – 1/2000, phục vụ hiệu quả cho quản lý đất đai, đo đạc địa chính, lập quy hoạch đô thị và giám sát biến động sử dụng đất.

Mô hình số bề mặt (DSM – Digital Surface Model)

DSM tái hiện toàn bộ bề mặt địa hình cùng với các đối tượng trên đó như cây cối, nhà cửa, công trình. Nhờ dữ liệu chiều cao của tất cả vật thể, DSM rất hữu ích trong quy hoạch đô thị, phân tích tầm nhìn, thiết kế cảnh quan và mô phỏng che khuất sóng viễn thông, đặc biệt phù hợp cho các dự án hạ tầng kỹ thuật.

Mô hình số địa hình (DTM – Digital Terrain Model)

DTM biểu diễn bề mặt địa hình trần sau khi đã loại bỏ cây cối và công trình nhân tạo. Đây là cơ sở dữ liệu quan trọng để phân tích địa mạo, thiết kế đường sá, cầu cống, đập thủy lợi, cũng như tính toán chính xác khối lượng đào đắp và mô phỏng thoát nước bề mặt, góp phần đảm bảo an toàn và tối ưu trong xây dựng hạ tầng.

Đám mây điểm 3D (Point Cloud)

Point Cloud được tạo từ hàng triệu đến hàng trăm triệu điểm không gian 3D, mỗi điểm mang thông tin tọa độ (X, Y, Z) và màu sắc. Nhờ mật độ dày đặc, sản phẩm này có thể dùng để đo khoảng cách, tính thể tích khai thác mỏ, giám sát biến dạng công trình và tạo cơ sở dữ liệu chi tiết cho các mô hình số khác.

Mô hình 3D trực quan

Đây là sản phẩm tái tạo khu vực khảo sát dưới dạng không gian ba chiều trực quan, gần giống thực tế, thường được dựng từ Point Cloud và DSM. Mô hình 3D giúp nhà quy hoạch, kiến trúc sư và nhà đầu tư hình dung rõ ràng hiện trạng, thuận lợi cho thiết kế kiến trúc, quy hoạch đô thị, xây dựng thành phố thông minh và trình diễn dự án cho cơ quan quản lý cũng như cộng đồng.

Ứng dụng UAV trong khảo sát địa hình

Xây dựng – giao thông

• Khảo sát tuyến đường, cầu, hầm: UAV giúp đo vẽ nhanh dọc theo tuyến công trình với độ chính xác cao, hỗ trợ kỹ sư trong thiết kế và kiểm soát chất lượng thi công.
• Lập bản đồ phục vụ thiết kế: Hình ảnh UAV xử lý thành bản đồ 2D/3D, mô hình số địa hình (DTM/DSM) dùng trực tiếp trong phần mềm CAD/BIM để thiết kế tuyến đường, công trình hạ tầng.
• Giám sát thi công: UAV hỗ trợ kiểm tra tiến độ và đối chiếu với thiết kế, phát hiện sai lệch hoặc sụt lún kịp thời.

Địa chính – quản lý đất đai

• Lập bản đồ địa chính tỷ lệ lớn: Ảnh UAV chỉnh hình (orthophoto) có thể thay thế đo vẽ truyền thống, đảm bảo độ chính xác và tiết kiệm thời gian.
• Giám sát biến động sử dụng đất: Dữ liệu UAV được cập nhật định kỳ, giúp cơ quan quản lý phát hiện nhanh các trường hợp lấn chiếm, xây dựng trái phép hoặc chuyển đổi mục đích sử dụng đất.
• Hỗ trợ cấp sổ đỏ: Ảnh UAV gắn tọa độ GNSS RTK/PPK cung cấp bằng chứng pháp lý rõ ràng trong cấp giấy chứng nhận quyền sử dụng đất.

Khai thác mỏ – thủy lợi

• Tính toán trữ lượng mỏ: Đám mây điểm 3D từ UAV cho phép tính toán thể tích khai thác còn lại, khối lượng đất đá, trữ lượng khoáng sản.
• Quan trắc bãi thải, đập thủy điện: UAV giám sát biến dạng bãi thải, sạt trượt mái dốc và kiểm tra an toàn đập thủy điện một cách định kỳ với độ chi tiết cao.
• Giảm rủi ro cho nhân lực: Thay vì phải trực tiếp vào vùng nguy hiểm, UAV thu thập dữ liệu từ trên cao đảm bảo an toàn lao động

Quy hoạch đô thị – nông nghiệp

• Lập bản đồ quy hoạch 2D/3D: Dữ liệu UAV tích hợp vào GIS/BIM giúp xây dựng bản đồ quy hoạch đô thị, đánh giá không gian và mô phỏng phát triển trong tương lai.
• Giám sát diện tích cây trồng: Camera đa phổ (multispectral) gắn trên UAV cho phép đánh giá sức khỏe cây trồng, diện tích gieo trồng và năng suất.
• Quản lý rừng: UAV kết hợp LiDAR đo được cả dưới tán cây, hỗ trợ kiểm kê rừng, theo dõi suy giảm diện tích rừng hoặc nguy cơ cháy rừng.

Phòng chống thiên tai và môi trường

• Khảo sát vùng sạt lở, lũ quét: UAV có thể bay đến khu vực nguy hiểm, thu thập dữ liệu tức thì, hỗ trợ cơ quan chức năng đánh giá mức độ rủi ro.
• Lập bản đồ hiện trạng nhanh: Sau bão, lũ lụt, UAV tạo bản đồ trực ảnh để xác định diện tích bị ngập, thiệt hại công trình và hỗ trợ cứu hộ.
• Giám sát biến đổi khí hậu: UAV cung cấp dữ liệu định kỳ phục vụ nghiên cứu nước biển dâng, xói lở bờ biển và biến đổi địa mạo.

Ưu điểm và hạn chế của khảo sát UAV

Ưu điểm

• Tiết kiệm thời gian và chi phí nhân công: So với đo toàn đạc hay GNSS truyền thống, UAV có thể khảo sát diện tích hàng chục đến hàng trăm hecta chỉ trong vài giờ, giảm đáng kể số lượng nhân lực phải triển khai ngoài thực địa.
• Khả năng khảo sát diện rộng, địa hình khó tiếp cận: UAV có thể bay qua các khu vực nguy hiểm hoặc khó tiếp cận như đồi núi, rừng rậm, hồ chứa, khu vực sau thiên tai mà không gây rủi ro cho kỹ sư đo đạc.
• Tạo dữ liệu số hóa đa dạng: Sản phẩm từ UAV bao gồm orthophoto 2D, DSM, DTM, đám mây điểm 3D và mô hình trực quan 3D, dễ dàng tích hợp vào hệ thống GIS, CAD, BIM để phục vụ quy hoạch, thiết kế và quản lý.
• Độ chính xác cao: Với UAV gắn GNSS RTK/PPK hoặc LiDAR, dữ liệu đạt sai số cm, đáp ứng các tiêu chuẩn đo đạc trắc địa.
• Tăng cường an toàn: Hạn chế tối đa việc con người phải làm việc ở khu vực nguy hiểm như khai thác mỏ, bờ sông sạt lở, hay mái dốc dễ trượt.

Hạn chế

• Phụ thuộc điều kiện thời tiết: UAV không thể bay trong điều kiện mưa, gió mạnh hoặc sương mù dày đặc. Điều này khiến kế hoạch khảo sát dễ bị gián đoạn, nhất là ở vùng khí hậu nhiệt đới mưa nhiều như Việt Nam.
• Quy định và giấy phép bay: Việc xin phép bay ở các khu vực nhạy cảm (gần sân bay, khu quân sự, đô thị đông dân cư) khá phức tạp, đôi khi mất nhiều thời gian chuẩn bị hồ sơ pháp lý.
• Chi phí đầu tư ban đầu cao: Các UAV chuyên dụng cho khảo sát (gắn camera quang học độ phân giải cao hoặc LiDAR) cùng phần mềm xử lý ảnh như Pix4D, Agisoft Metashape có giá thành lớn, không phù hợp với các đơn vị nhỏ lẻ.
• Hạn chế về thời gian bay: UAV đa cánh quạt chỉ bay được 20–40 phút/lần, cần nhiều chuyến bay cho diện tích rộng, trong khi UAV cánh bằng tuy bay lâu hơn nhưng khó sử dụng ở địa hình chật hẹp.
• Yêu cầu kỹ năng vận hành và xử lý dữ liệu: Người vận hành UAV cần được đào tạo chuyên môn, trong khi việc xử lý dữ liệu 3D đòi hỏi phần
• cứng mạnh và kiến thức phần mềm chuyên sâu.

Có thể thấy, khảo sát UAV là giải pháp hiện đại với nhiều ưu điểm nổi bật, song để khai thác hiệu quả cần đầu tư bài bản về thiết bị, phần mềm, nhân lực cũng như tuân thủ đầy đủ quy định pháp lý.

Kết luận

Khảo sát địa hình bằng công nghệ GNSS và UAV đã và đang trở thành xu hướng tất yếu trong ngành trắc địa – bản đồ, nhờ ưu thế về tốc độ, độ chính xác, khả năng bao phủ diện tích rộng và cung cấp dữ liệu số hóa phục vụ hiệu quả cho quy hoạch, xây dựng, quản lý tài nguyên cũng như phòng chống thiên tai. Tuy còn tồn tại một số hạn chế về chi phí, điều kiện thời tiết và quy định pháp lý, nhưng đây vẫn là công nghệ then chốt, mang lại giá trị thực tiễn cao trong quá trình hiện đại hóa ngành đo đạc.

BÁCH KHOA tự hào là đơn vị hàng đầu tại Thành phố Hồ Chí Minh trong lĩnh vực đo đạc, pháp lý nhà đất, xin phép xây dựng và thi công công trình. Với phương châm hoạt động uy tín – chuyên nghiệp – minh bạch – chi phí hợp lý, chúng tôi cam kết mang đến cho khách hàng những dịch vụ toàn diện, từ khảo sát đo đạc chính xác, hỗ trợ pháp lý minh bạch, đến triển khai thi công hiệu quả.