Ứng dụng công nghệ thiết bị bay không người lái UAV Inspire 2 xây dựng bản đồ 3D cho mỏ lộ thiên

 KHCNM SỐ 2/2021 * ĐỊA CƠ MỎ
 THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ
51
ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ THIẾT BỊ BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI UAV 
INSPIRE 2 XÂY DỰNG BẢN ĐỒ 3D CHO MỎ LỘ THIÊN
KS. Trần Vũ Thăng, ThS. Nguyễn Duy Long
Viện Khoa học Công nghệ Mỏ - Vinacomin
TS. Nguyễn Viết Nghĩa
Trường Đại học Mỏ - Địa chất
Biên tập: TS. Nhữ Việt Tuấn
Tóm tắt: 
Ngày nay, sự xuất hiện của các thiết bị bay không người lái (UAV) thực sự là cuộc cách mạng giúp 
cho công tác khảo sát đo vẽ thành lập bản đồ, giám sát và theo dõi sự biến động các thành phần và các 
đối tượng trên bề mặt Trái đất ngày càng hiệu quả. Trên thế giới, đã có nhiều nghiên cứu ứng dụng 
UAV trong xây dựng mô hình 3D các công trình và trong đo đạc địa hình và công trình. Hiện nay, các 
nghiên cứu ứng dụng UAV trong thành lập bản đồ khai thác mỏ ở Việt Nam chưa nhiều. Vẫn chưa có 
một nghiên cứu nào về ứng dụng công nghệ này trong thành lập mô hình số độ cao (DEM) ở các mỏ 
lộ thiên khai thác sâu, chênh cao địa hình trên bề mặt mỏ và đáy moong lớn tại Việt Nam. Do đó, mục 
tiêu chính của bài báo là đánh giá độ chính xác DEM thành lập từ phương pháp đo ảnh máy bay không 
người lái UAV cho địa hình mỏ lộ thiên khai thác sâu.
1. Thiết bị bay và phần mềm xử lý
1.1. Thiết bị bay Inspire 2
Hiện nay, trên thế giới có nhiều thiết bị bay 
được sử dụng trong đo đạc khảo sát địa hình như: 
Mavic 2, DJI Mavic Air 2, Matrice 300 RTK, Inspire 
2; trong đó, Inspire 2 là thiết bị bay điển hình, 
được được sử dụng khá rộng rãi. Trọn bộ thiết bị 
Inspire 2 bao gồm thân máy và bộ điều khiển. Các 
bộ phận chính gắn trên thân máy bao gồm các 
cảm biến tránh va đập theo 5 hướng, bốn mô tơ, 
4 cánh quạt có thể tháo rời, chân hạ cánh cố định 
phía bên dưới. Bộ điều khiển từ xa gồm các nút 
bấm điều khiển quá trình bay, có cổng kết nối với 
máy tính bảng hoặc điện thoại thông minh để cài 
đặt các thông số bay chụp hoặc hình hiển thị ảnh 
chụp trực tiếp từ máy bay (Hình 1).
1.2. Bộ phận chụp ảnh (camera)
Camera của Inspire 2 có thể tùy biến, có thể 
dùng các camera có cùng một kiểu ngàm kết 
nối với thân máy bay. Hiện nay, 2 loại camera là 
Zenmuse X4S và Zenmuse X5S (Hình 2) được sử 
dụng khá rộng rãi. Các camera này có thể chụp 
ảnh tĩnh với độ phân giải 24 MP ở định dạng JPEG 
hoặc DNG RAW, có khả năng quay video với độ 
Hình 1. Bộ thiết bị bay Inspire 2
52 KHCNM SỐ 2/2021 * ĐỊA CƠ MỎ
THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ
phân giải 4K. Cảm biến camera có kích thước lớn 
hơn các thế hệ trước đó, nên trong điều kiện thiếu 
sáng, có thể tạo ra ảnh/video chất lượng tốt hơn. 
Ống kính của camera có khẩu độ lớn nhất F/2.8, 
cho góc nhìn rộng 94 độ, được thiết kế đặc biệt để 
chống méo ở vùng rìa ảnh. Camera được nối với 
bộ chống rung 3 chiều giúp cho ảnh chụp ổn định 
(DJI, 2017). Các thông số chụp ảnh có thể đặt ở 
chế độ tự động hoặc điều khiển thông qua bộ điều 
khiển mặt đất.
1.3. Phần mềm xử lý ảnh chụp từ UAV
Hiện nay có nhiều phần mềm xử lý ảnh UAV 
khác nhau như Agisoft Photoscan, ENVI, Trimple 
Business Center, Erdas Leica Photogrammetry 
Suite, PhotoModeler Scanner, Pix4UAV Desktop,... 
Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả sử dụng phần 
mềm Agisoft Photoscan phiên bản 1.42 để xử lý 
toàn bộ quy trình từ khớp ảnh, tạo đám mây điểm, 
xây dựng mô hình số bề mặt (DSM), và thành lập 
bình đồ ảnh. Theo các kết quả nghiên cứu (Sona 
Giovanna, et al., 2014), đây là phần mềm xử lý 
ảnh UAV tốt nhất. Giao diện phần mềm Agisoft 
Photoscan thể hiện tại Hình 3.
2. Thực nghiệm xây dựng mô hình DSM cho 
mỏ lộ thiên sâu
2.1. Địa điểm thực nghiệm bay chụp
Hình 2. Camera của thiết bị bay Inspire 2
Hình 3. Giao diện phần mềm Agisoft Photoscan
 KHCNM SỐ 2/2021 * ĐỊA CƠ MỎ
 THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ
53
Phần thực nghiệm được tiến hành tại mỏ lộ 
thiên Cọc Sáu. Đây là một trong những mỏ lộ thiên 
khai thác than sâu nhất tại Việt Nam, hiện tại đáy 
moong có độ sâu - 250 m, chênh cao với bề mặt 
mỏ khoảng 500 m, diện tích bay chụp là 400 ha. 
2.2. Xây dựng điểm khống chế và kiểm tra
Điểm khống chế ảnh được đo đạc bằng công 
nghệ định vị vệ tinh (GNSS) xử lý thức thời (Real 
Time Kinematic - RTK). Những điểm này được sử 
dụng cho hai mục đích là nắn ảnh về hệ tọa độ 
VN - 2000 và đánh giá độ chính xác của mô hình 
bề mặt (DSM). Các tiêu đánh dấu điểm khống chế 
Hình 4. Thiết bị đo GNSS/RTK và tiêu đánh dấu điểm khống chế
HÌnh 5. Phân bố điểm nắn ảnh và điểm đánh giá độ chính xác
54 KHCNM SỐ 2/2021 * ĐỊA CƠ MỎ
THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ
ảnh có đường kính 50 cm, được làm bằng vật liệu 
phản chiếu cao để tăng cường độ tương phản, dễ 
dàng phát hiện trên ảnh (Hình 4). Tổng số điểm 
khống chế và kiểm tra là 35 điểm, trong đó 17 
điểm dùng để nắn ảnh và 8 điểm còn lại dùng để 
đánh giá độ chính xác mô hình, các điểm dùng để 
đánh giá độ chính xác được phân bố đều trên khu 
vực bay chụp và nằm ở các độ cao khác nhau, 
đảm báo tính khách quan trong đánh giá kết quả 
(Hình 5).
2.3. Thiết kế và thực hiện bay chụp
Quá trình bay chụp được thiết kế trên phần 
mềm Pix4D Capture (Hình 6), có thể thiết kế độ 
cao bay, tốc độ bay, độ chồng phủ theo hướng 
dọc và ngang, góc chụp ảnh,... Khi cài đặt ở chế 
độ bay an toàn (Safe mode), UAV sẽ tự động bay 
theo các dải đã thiết kế bao gồm tự động cất cánh, 
bay lên độ cao thiết kế, sau đó bay đến các điểm 
thiết kế để dừng và chụp ảnh như đã thiết lập 
trong phần mềm. Khi ảnh cuối cùng được chụp 
xong, UAV sẽ tự động bay về và hạ cánh tại điểm 
xuất phát. Trong quá trình bay chụp, trạng thái 
hoạt động của UAV và máy ảnh được hiện thị liên 
tục trên máy tính bảng hoặc điện thoại thông minh.
Tùy vào độ an toàn của UAV (ví dụ tình trạng 
năng lượng của pin, nguy cơ va chạm với vật thể, 
động vật trên không,...) người điều khiển có thể 
dừng quá trình bay tự động để điều khiển UAV hạ 
cánh. Để đảm bảo an toàn cho máy bay, tránh va 
đập vào các ngọn núi, độ cao bay chụp được lựa 
chọn sao cho luôn cao hơn điểm cao nhất của khu 
vực bay. Do hạn chế về dung lượng pin, nên thời 
gian bay mỗi ca chỉ xấp xỉ 20 phút. Vì thế để hoàn 
thành được diện tích bay chụp lớn, cần thiết kế 
nhiều dải bay liên tiếp. Độ phủ ngang và phủ dọc 
của các tuyến bay thiết kế là 70%.
3. Đánh giá độ chính xác của mô hình số bề 
mặt (DSM)
Độ chính xác của mô hình DSM mỏ được đánh 
giá trên cơ sở so sánh tọa độ và độ cao của các 
điểm trên mô hình với các điểm khống chế mặt 
đất, độ chính xác của mô hình 3D được đánh giá 
theo các công thức sau:
(1)
Hình 6. Thiết kế dải bay tại cụm mỏ Cọc Sáu
S
S
S
S
D M CCP
D M CCP
D M CCP
D M CCP
X X X
Y Y Y
Z Z Z
XYZ XYZ XYZ
∆ = −
∆ = −
∆ = −
∆ = −
2
1
2
1
2
1
2 2 2
1
1 ( )
1 ( )
1 ( )
1 ( ) ( ) ( )
n
X DSM GCPi
i
n
Y DSM GCPi
i
n
Z DSM GCPi
i
n
XYZ DSM GCPi DSM GCPi DSM GCPi
i
RMSE SQRT X X
n
RMSE SQRT Y Y
n
RMSE SQRT Z Z
n
RMSE SQRT X X Y Y Z Z
n
=
=
=
=
 
= ⋅ − 
 
 
= ⋅ − 
 
 
= ⋅ − 
 
  = ⋅ − + − + −   
∑
∑
∑
∑
 KHCNM SỐ 2/2021 * ĐỊA CƠ MỎ
 THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ
55
 (2)
Trong đó: ∆X, ∆Y, ∆X , ∆Z, ∆XYZ - Các giá trị 
chênh lệch các thành phần tọa độ, độ cao và vị 
trí điểm; RMSE - Sai số trung phương; n tổng số 
điểm kiểm tra; XGCPi và XDSM, YGCPi và YDSM, ZGCPi và 
ZDSM - Tương ứng là thành phần tọa độ theo trục 
X, trục Y và trục Z của điểm khống chế và mô hình 
DSM.
4. Kết quả và thảo luận
Sau khi xử lý ghép ảnh bằng phần mềm Agisoft 
Photoscan, sai số trung phương của tất cả các 
điểm nắn ảnh như trong Bảng 1. Cụ thể, sai số của 
các điểm dùng để nắn ảnh như sau: sai số trung 
bình các thành phần X, Y, XY, Z, XYZ tương ứng 
là 0,011 m, 0,017 m, 0.016 m, 0,049 m và 0,051 m. 
Sai số lớn nhất theo trục X là - 0,025 m và trục Y là 
0,028 m, sai số tổng hợp mặt bằng theo cả trục X 
và Y lớn nhất 0,034 m, sai số lớn nhất theo trục Z 
là 0,095 m và sai số tổng hợp theo vị trí điểm XYZ 
là 0,095 m.
Sai số trung phương của các thành phần X, Y, 
XY, Z, XYZ của tất cả các điểm kiểm tra độ chính 
xác mô hình số địa hình (DTM) tương ứng là 0,011 
m, 0,017 m, 0,016 m, 0,049 m, và 0,051 m (Bảng 
2). Sai số lớn nhất theo trục X là - 0,120 m và trục 
Y là 0,166 m, sai số tổng hợp mặt bằng theo cả 
trục X và Y lớn nhất 0,205 m, sai số lớn nhất theo 
trục Z là 0,255 m và sai số tổng hợp theo vị trí 
điểm XYZ là 0,309 m. Mô hình DTM của mỏ Cọc 
Sáu như trên hình 7.
Từ kết quả đánh giá độ chính xác ở trên cho 
thấy mô hình DTM có độ trùng khớp cao với địa 
hình thực tế. Theo qui phạm Việt Nam ngành 
2
1
2
1
2
1
2 2 2
1
1 ( )
1 ( )
1 ( )
1 ( ) ( ) ( )
n
X DSM GCPi
i
n
Y DSM GCPi
i
n
Z DSM GCPi
i
n
XYZ DSM GCPi DSM GCPi DSM GCPi
i
RMSE SQRT X X
n
RMSE SQRT Y Y
n
RMSE SQRT Z Z
n
RMSE SQRT X X Y Y Z Z
n
=
=
=
=
 
= ⋅ − 
 
 
= ⋅ − 
 
 
= ⋅ − 
 
  = ⋅ − + − + −   
∑
∑
∑
∑
2
1
2
1
2
1
2 2 2
1
1 ( )
1 ( )
1 ( )
1 ( ) ( ) ( )
n
X DSM GCPi
i
n
Y DSM GCPi
i
n
Z DSM GCPi
i
n
XYZ DSM GCPi DSM GCPi DSM GCPi
i
RMSE SQRT X X
n
RMSE SQRT Y Y
n
RMSE SQRT Z Z
n
RMSE SQRT X X Y Y Z Z
n
=
=
=
=
 
= ⋅ − 
 
 
= ⋅ − 
 
 
= ⋅ − 
 
  = ⋅ − + − + −   
∑
∑
∑
∑
Bảng 1. Tọa độ và độ cao các điểm nắn ảnh và độ chính xác
Tên điểm Sai số ∆X (m) Sai số ∆Y (m) Sai số ∆XY (m) Sai số ∆Z (m) Sai số ∆XYZ (m)
GCP01 0,003 0,002 0,004 0,011 0,012
GCP02 
danho - 0,004 - 0,014 0,015 - 0,02 0,058
GCP04 - 0,012 0,001 0,012 0,021 0,016
T2 - 0,004 0,013 0,014 0,013 0,019
T5 0,007 0,007 0,010 - 0,016 0,019
T7 0,005 - 0,002 0,005 - 0,054 0,054
T8 - 0,02 - 0,028 0,034 - 0,063 0,072
T14 0,015 - 0,012 0,019 - 0,054 0,057
T18 0,004 - 0,007 0,008 - 0,025 0,026
T19 - 0,008 0,001 0,008 0,095 0,095
T20 - 0,007 - 0,003 0,008 - 0,014 0,016
T21 - 0,007 - 0,011 0,013 0,091 0,092
T22 0,006 - 0,008 0,010 0,004 0,011
T27 - 0,025 - 0,017 0,030 0,063 0,07
T29 - 0,016 0,012 0,020 0,079 0,081
T30 - 0,007 - 0,013 0,015 - 0,028 0,032
T1 - 0,004 - 0,008 0,009 - 0,017 0,019
RMSE 0,011 0,017 0,016 0,049 0,051
56 KHCNM SỐ 2/2021 * ĐỊA CƠ MỎ
THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ
Bảng 2. Tọa độ và độ cao các điểm kiểm tra và độ chính xác.
Tên điểm Sai số ∆X (m) Sai số ∆Y (m) Sai số ∆XY (m)
Sai số ∆Z 
(m)
Sai số ∆ XYZ 
(m)
GCP03 0,120 0,166 0,205 - 0,195 0,283
T3 - 0,060 - 0,020 0,063 - 0,080 0,102
T4 - 0,098 0,000 0,098 0,128 0,161
T6 - 0,005 - 0,032 0,032 - 0,207 0,210
T9 0,053 - 0,003 0,053 - 0,204 0,309
T10 0,069 0,037 0,078 0,255 0,267
T11 0,094 - 0,094 0,133 0,148 0,199
T12 0,022 0,003 0,022 - 0,148 0,150
T15 0,035 - 0,011 0,037 0,090 0,097
T16 0,044 - 0,032 0,054 - 0,035 0,065
T17 0,033 - 0,089 0,095 - 0,081 0,125
T23 - 0,016 - 0,064 0,066 - 0,075 0,068
T24 0,006 - 0,058 0,058 - 0,071 0,059
T25 0,070 0,077 0,136 0,085 0,144
T26 - 0,079 0,002 0,079 - 0,071 0,079
T28 - 0,108 - 0,017 0,169 0,159 0,232
T31 0,082 - 0,062 0,128 0,068 0,145
GCP02 dato 0,006 0,015 0,016 0,138 0,139
RMSE 0,066 0,061 0,090 0,138 0,164
Hình 7. Mô hình 3D mỏ Cọc Sáu
 KHCNM SỐ 2/2021 * ĐỊA CƠ MỎ
 THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ
57
Trắc địa mỏ (Bộ Công Thương 2015) và thông tư 
số 68/2015/TT - BTNMT (Bộ Tài Nguyên và Môi 
Trường 2015), độ chính xác của cả hai mô hình ở 
trên là đáp ứng được yêu cầu thành lập bản đồ địa 
hình tỷ lệ lớn 1:1000. 
Từ mô hình 3D, sử dụng các phần mềm đồ họa 
như Autocad, Microstation để biên tập các bản đồ 
địa hình, bản đồ hiện trạng sử dụng đất của các 
mỏ, Nhờ mô hình có độ phân giải cao, hình ảnh 
trực quan, chân thực, rõ nét và chính xác, quá 
trình biên tập bản đồ thuận lợi.
Trong nghiên cứu này độ chính xác đạt được 
có thể dùng để thành lập bản đồ tỷ lệ 1:1000. 
Trong các nghiên cứu tiếp theo, tác giả sẽ tập 
trung theo hướng điều chỉnh độ cao bay chụp, 
tăng tỷ lệ chồng phủ dọc và ngang, cũng như thay 
đổi góc chụp của camera đối với các sườn tầng 
dốc nhằm đạt được độ chính xác cao hơn.
Tài liệu tham khảo:
[1]. Bộ Công Thương, (2015). “Tiêu chuẩn Việt 
Nam ngành Trắc Địa Mỏ.”
[2]. Bộ Tài Nguyên và Môi Trường, (2015). 
“Thông tư 68/2015/TT - BTNMT: Quy định kỹ thuật 
đo đạc trực triếp địa hình phục vụ thành lập bản 
đồ địa hình và cơ sở dữ liệu nền địa lý tỷ lệ 1:500, 
1:1000, 1:2000, 1:5000.”
[3]. Bùi Ngọc Quý, Phạm Văn Hiệp, (2017). 
“Nghiên cứu xây dựng mô hình 3D từ dữ liệu ảnh 
máy bay không người lái (UAV).” Tạp chí Khoa 
học kỹ thuật Mỏ - Địa chất.
[4]. Bùi Tiến Diệu, Nguyễn Cẩm Vân, Hoàng 
Mạnh Hùng, Đồng Bích Phương, Nhữ Việt Hà, 
Trần Trung Anh, Nguyễn Quang Minh, (2016). 
“Xây dựng mô hình số bề mặt và bản đồ trực ảnh 
sử dụng công nghệ đo ảnh máy bay không người 
lái”. Hội nghị khoa học: Đo đạc bản đồ với ứng phó 
biển đổi khí hậu, Hà Nội.
[5]. Võ Chí Mỹ, Robert Dudek, (2015). Nghiên 
cứu khả năng ứng dụng máy bay không người lái 
trong công tác trắc địa mỏ và giám sát môi trường 
mỏ”, Tuyển tập Hội nghị khoa học và Công nghệ 
mỏ Việt Nam: “Công nghiệp mỏ Việt Nam - cơ hội 
và thách thức”, Vũng Tàu.
Application of the UAV Inspire in the 3-D map construction for open pit mines
Eng. Tran Vu Thang, MSc. Nguyen Duy Long
Vinacomin – Instiute of Mining Science and Technology
Dr. Nguyen Viet Nghia - Hanoi University of Mining and Geology
Abstract:
Nowadays, the appearance of unmanned aerial vehicles (UAVs) is truly revolutionary for surveying, 
mapping, monitoring and tracking of fluctuations of components and objects on the Earth’s surface, 
which is increasingly effective. In the world, there have been lots of researches and applications of UAVs 
in the 3-D model construction of buildings and in measurement of topography and buildings. Currently, 
researches on the UAV application in mining map construction mining in Vietnam are still not much. 
There has not been any research on the application of this technology in establishment of the digital 
elevation model (DEM) in deep open pit mines, the topographic elevation on the mine surface and the 
large pit bottom in Vietnam. Therefore, the main objective of the paper is to evaluate the accuracy of the 
DEM establishment from the UAV’s image measurement method for the deep mining open pit terrain.