Dựng mô hình 3D công trình bằng drone: bay ảnh nghiêng, quỹ đạo vòng và đám mây điểm

Để dựng mô hình 3D công trình bằng drone, cần chụp sao cho mọi bề mặt (mái, bốn mặt đứng, các góc khuất) đều xuất hiện trên nhiều ảnh từ nhiều hướng khác nhau: thường kết hợp lưới ảnh nhìn thẳng xuống, lưới ảnh nghiêng camera khoảng 45 độ theo bốn hướng, và quỹ đạo vòng quanh công trình ở vài độ cao. Chỉ bay lưới nhìn xuống như làm trực ảnh thì mái đẹp nhưng tường nhà thành những vệt kéo dài, cửa sổ biến dạng.

Bài này dành cho người bay nhận việc số hoá hiện trạng nhà cũ, nhà xưởng, di tích, cầu nhỏ hay công trình đang thi công. Nội dung gồm cách chọn kiểu bay, cài góc camera, giữ khoảng cách an toàn với công trình, xử lý đám mây điểm và lưới 3D, các lỗi điển hình và cách bàn giao. Bay sát công trình cao tiềm ẩn rủi ro mất định vị, nhiễu la bàn; phần an toàn bay và xử lý sự cố có ở trang Không Phận, ở đây chỉ nói kỹ thuật chụp.

Ba kiểu bay và mỗi kiểu chụp được gì

Không có kiểu bay nào đủ cho mọi công trình. Chọn theo hình dạng công trình và mức chi tiết khách cần.

Với một ngôi nhà cổ đứng riêng giữa sân, phương án thường gặp là một lưới nhìn xuống cho mái và sân, cộng hai hoặc ba vòng quỹ đạo ở các độ cao khác nhau, vòng thấp camera gần ngang, vòng cao camera chúc xuống. Với một khu nhà xưởng nhiều dãy, lưới ảnh nghiêng theo bốn hướng hiệu quả hơn bay vòng từng nhà.

Cài đặt quỹ đạo vòng cho đúng

Khoảng cách góc giữa hai ảnh. Trên một vòng tròn, mỗi ảnh nên cách ảnh trước một góc nhỏ để chồng phủ cao, thường vài độ đến khoảng mười độ tuỳ khoảng cách tới công trình và tiêu cự. Ứng dụng bay vòng thường cho đặt số ảnh mỗi vòng; nhiều ảnh hơn an toàn hơn ít ảnh.

Các vòng ở độ cao khác nhau phải chồng lên nhau. Vòng thấp và vòng cao cần cùng nhìn thấy một dải tường chung, nếu không phần mềm không nối được hai vòng. Cách làm đơn giản: giữa hai vòng, phần tường nhìn thấy nên trùng khoảng một nửa đến hai phần ba.

Tâm vòng đặt đúng tâm khối. Tâm lệch thì một mặt công trình chụp gần, mặt kia chụp xa, độ chi tiết không đều. Với công trình chữ nhật dài, chia thành hai vòng hoặc bay quỹ đạo hình bầu dục nếu ứng dụng hỗ trợ.

Giữ khoảng cách đủ xa với vật cản. Cây, dây điện, cột ăng-ten quanh công trình là nguyên nhân hàng đầu khiến không bay được vòng thấp. Đi một vòng dưới đất trước, ghi lại vật cản, chọn bán kính và độ cao cho từng vòng. Không tắt cảm biến tránh vật cản để bay sát hơn.

Ánh sáng đều quanh công trình. Nắng gắt một phía làm mặt sáng cháy, mặt kia tối đen, mô hình loang màu. Trời mây phủ là lý tưởng cho mô hình 3D; nếu phải bay nắng, chọn giờ mặt trời cao hơn để bóng ngắn.

Đám mây điểm: đọc, làm sạch và dùng

Sau bước căn chỉnh, phần mềm dựng đám mây điểm dày: hàng triệu đến hàng trăm triệu điểm có toạ độ và màu. Đây là nguyên liệu gốc, mọi sản phẩm khác (lưới 3D, mô hình bề mặt, mặt cắt) đều sinh ra từ nó. Kỹ sư thiết kế thường muốn nhận đám mây điểm để tự vẽ trong phần mềm của họ, chứ không chỉ một mô hình đẹp để xoay.

Đám mây điểm thô luôn có nhiễu: điểm lơ lửng giữa trời ở chỗ có dây điện, đám điểm mờ quanh tán cây, lớp điểm "ma" trên mặt kính phản chiếu. Làm sạch gồm lọc điểm đơn lẻ theo khoảng cách tới điểm lân cận, cắt bỏ vùng ngoài phạm vi công trình, và xoá tay những đám nhiễu còn lại. Công cụ phân loại tự động có thể tách mặt đất, công trình, cây; kết quả cần kiểm bằng mắt, nhất là ở chân tường và quanh vật liệu tập kết.

Mật độ điểm nên vừa với mục đích. Đám mây điểm quá dày làm tệp nặng hàng chục gigabyte, khách mở không nổi trên máy văn phòng. Hỏi khách cần chi tiết tới mức nào, rồi giảm mật độ đồng đều hoặc chia theo khu trước khi giao. Luôn giữ bản gốc đầy đủ ở phía mình phòng khi cần trích lại.

Định dạng phổ biến để trao đổi đám mây điểm là LAS hoặc dạng nén của nó; lưới 3D thường giao ở các định dạng lưới có kèm ảnh kết cấu. Hỏi khách phần mềm họ dùng để chọn đúng định dạng, đỡ phải chuyển đổi nhiều lần làm mất thông tin.

Lỗi điển hình trên mô hình 3D và cách tránh từ lúc bay

Phần lớn lỗi mô hình 3D sinh ra từ cách chụp, không phải từ phần mềm. Những lỗi dưới đây gặp rất thường xuyên ở công trình Việt Nam.

• Mặt kính, cửa nhôm kính thủng lỗ hoặc lồi lõm: kính phản chiếu cảnh xung quanh, mỗi ảnh thấy một hình khác. Khó tránh hoàn toàn; chụp lúc trời mây giảm phản chiếu, và báo khách đây là giới hạn của phương pháp.
• Mái tôn mới loáng, mất chi tiết: tôn bóng loá nắng, đều màu. Bay trời mây hoặc tăng chồng phủ, chụp nghiêng thêm để bắt mép sóng tôn.
• Dưới mái hiên, ban công đen ngòm hoặc méo: không ảnh nào nhìn thấy. Thêm vòng thấp camera gần ngang, hoặc bổ sung ảnh chụp từ mặt đất bằng máy ảnh cầm tay rồi đưa chung vào xử lý.
• Cây sát nhà che mặt tường: phần tường sau cây sẽ thiếu; ghi chú lại, đừng để phần mềm tự "vá" rồi coi như thật.
• Vòng thấp và vòng cao không nối: hai vòng thiếu vùng chồng chung; thêm vòng trung gian.
• Chi tiết mờ dù GSD nhỏ: ảnh nhoè do bay vòng nhanh hoặc màn trập chậm; giảm tốc độ vòng, chụp dừng từng điểm nếu ứng dụng cho phép.

Chọn khoảng cách chụp và mức chi tiết cho mô hình 3D

Với ảnh nhìn thẳng xuống, GSD phụ thuộc độ cao bay. Với ảnh nghiêng và quỹ đạo vòng, thứ quyết định chi tiết là khoảng cách từ máy ảnh tới bề mặt công trình theo hướng nhìn, không phải độ cao so với mặt đất. Cùng một vòng bay, phần tường gần có chi tiết tốt, phần mái xa hơn chi tiết kém hơn. Vì vậy khi khách yêu cầu "nhìn rõ được vết nứt trên tường", phải tính khoảng cách chụp từ yêu cầu đó, rồi mới chọn bán kính vòng và độ cao.

Cách làm thực tế là ngược từ yêu cầu: khách cần thấy chi tiết cỡ nào trên mặt tường, chẳng hạn hoa văn rộng vài xăng-ti-mét, thì mỗi điểm ảnh trên tường phải nhỏ hơn đáng kể so với kích thước đó. Dùng công thức GSD với khoảng cách tới tường thay cho độ cao bay để tính khoảng cách chụp tối đa. Nếu khoảng cách tính ra quá gần, vướng vật cản hoặc không an toàn, hãy nói với khách rằng chi tiết đó cần phương pháp khác như ảnh chụp tay từ mặt đất hay thiết bị leo cao, đừng cố bay sát.

Mức chi tiết khi xử lý cũng cần chọn có chủ đích. Dựng lưới 3D ở mức cao nhất cho cả khu nhà xưởng rộng là lãng phí; có thể xử lý toàn khu ở mức trung bình, rồi chỉ dựng chi tiết cao cho công trình chính. Cách chia này giữ tệp giao khách ở dung lượng dùng được, đồng thời vẫn đủ chi tiết ở nơi cần.

Mô hình 3D cho di tích và nhà cổ: thêm một lớp cẩn trọng

Số hoá di tích, đình làng, nhà cổ bằng drone ngày càng phổ biến vì nhanh và không chạm vào hiện vật. Ngoài yêu cầu kỹ thuật, có thêm vài điểm cần lưu ý. Thứ nhất, các khu di tích thường có quy định riêng về bay chụp, cần được ban quản lý đồng ý và có phép bay theo quy định hiện hành. Thứ hai, chọn giờ không có lễ hội, không có người đang hành lễ, tôn trọng sinh hoạt cộng đồng. Thứ ba, luồng gió xoáy của cánh quạt khi bay thấp có thể thổi bay đồ lễ, bụi, mảnh ngói lỏng; giữ khoảng cách và độ cao hợp lý.

Nên chụp thêm ảnh tư liệu mặt đất ghi lại hiện trạng trước và sau buổi bay, phòng khi có tranh luận về hư hỏng. Thông tin về di tích, hiện vật quý trong ảnh cũng cần được bảo vệ như dữ liệu của khách.

Về kỹ thuật, nhà cổ có nhiều chi tiết nhỏ như đầu đao, hoa văn, con giống trên mái, phần mềm cần ảnh rất dày quanh các vị trí đó. Vòng quỹ đạo thấp và ảnh chụp tay bổ sung là bắt buộc. Phần nội thất thì drone không thay được máy ảnh cầm tay hoặc máy quét mặt đất. Nên nói rõ với khách phạm vi của mô hình: lớp vỏ ngoài và mái, không phải kết cấu bên trong.

Bàn giao và trình bày mô hình

Khách không chuyên thường cần một cách xem mô hình mà không phải cài phần mềm. Có thể xuất video bay quanh mô hình, ảnh chụp mô hình từ các góc tiêu chuẩn, hoặc đường dẫn xem trực tuyến nếu dịch vụ xử lý cung cấp và khách đồng ý đưa dữ liệu lên. Khách kỹ thuật cần tệp gốc: đám mây điểm, lưới 3D, thông tin hệ toạ độ, báo cáo xử lý.

Dùng AI để viết phần mô tả mô hình cho hồ sơ là việc hợp lý. Câu lệnh mẫu: "Viết đoạn mô tả 120 chữ cho hồ sơ số hoá hiện trạng một nhà kho mái tôn hai gian, nêu: dựng từ ảnh drone gồm lưới nhìn xuống và hai vòng quỹ đạo, mặt kính cửa sổ phía tây chưa dựng được, dữ liệu dùng để tham khảo thiết kế cải tạo, không dùng thay đo đạc kết cấu." Đọc lại để chắc không có câu nào hứa hơn những gì mô hình làm được.

Câu hỏi thường gặp

Drone mini có dựng được mô hình 3D không?

Được với công trình nhỏ và mục đích tham khảo, trình bày. Máy nhỏ thường nhạy gió hơn và màn trập điện tử dễ gây méo khi bay vòng nhanh, nên cần bay chậm, chồng phủ cao. Với công trình lớn hoặc yêu cầu độ chính xác, máy có cảm biến lớn hơn và định vị chính xác cho kết quả ổn định hơn.

Góc nghiêng camera bao nhiêu là hợp cho ảnh nghiêng?

Khoảng 45 độ là mức hay dùng vì cân bằng giữa nhìn mái và nhìn mặt đứng. Vòng thấp có thể để camera gần ngang để bắt phần dưới mái hiên, vòng cao chúc xuống nhiều hơn. Thử vài ảnh ở hiện trường, xem mặt tường có hiện đủ rõ trên ảnh không rồi mới chốt.

Mô hình 3D từ ảnh có đo được kích thước chính xác không?

Đo được nếu mô hình có tỷ lệ đúng, nhờ điểm khống chế, định vị chính xác hoặc một khoảng cách đo thật đưa vào làm chuẩn. Độ chính xác phải kiểm bằng điểm hay cạnh đo độc lập. Không nên dùng mô hình 3D từ ảnh thay cho đo đạc kết cấu hay kiểm định công trình.

Có thể ghép ảnh chụp mặt đất với ảnh drone không?

Được, và đây là cách hay để bù phần dưới mái hiên, cổng, góc khuất. Điều kiện là ảnh mặt đất phải chồng phủ đủ với ảnh drone ở vùng chuyển tiếp, ánh sáng tương đồng. Nếu dùng máy ảnh khác, phần mềm sẽ giải riêng thông số ống kính của từng máy.

Đám mây điểm từ ảnh và từ quét laser khác nhau thế nào?

Đám mây điểm từ ảnh có màu sẵn, rất dày trên bề mặt có kết cấu nhưng yếu ở mặt đều màu, kính, và dưới tán cây. Quét laser đo trực tiếp khoảng cách nên ổn định trên mặt đều màu và lọt một phần qua tán lá. Nhiều dự án kết hợp hai nguồn.

Mô hình 3D giao khách có nặng không?

Bản đầy đủ có thể rất nặng, từ vài gigabyte trở lên với công trình lớn. Nên hỏi khách mở bằng phần mềm gì, máy cấu hình ra sao, rồi giao kèm bản đã giảm chi tiết để xem nhanh. Giữ bản gốc đầy đủ ở phía người làm theo thời hạn lưu trữ đã thoả thuận.