Nghiên cứu một số giải pháp kỹ thuật xử lý ảnh viễn thám độ phân giải cao cho mục đích thành lập bản đồ chuyên đề tỷ lệ 1 10000 và lớn hơn

Thực nghiệm trên các ảnh phân giải cao và siêu cao hiện có ở Việt Nam như ảnh SPOT5, Qickbird, IKONOS nhằm khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố như độ chính xác điểm khống chế ảnh, số lượng

Bộ tài nguyên và môi trường

Trung tâm viễn thám

Báo cáo tổng kết khoa học và công nghệ đề tài

Nghiên cứu một số giải pháp kỹ thuật

xử lý ảnh viễn thám độ phân giải cao cho mục đích thành lập bản đồ chuyên

bộ tài nguyên và môi trường

Nghiên cứu một số giải pháp kỹ thuật xử lý

ảnh viễn thám độ phân giải cao cho mục đích

thμnh lập bản đồ chuyên đề

tỷ lệ 1:10000 vμ lớn hơn

Số đăng ký:

Hà Nội, ngày tháng năm 2007 Hà Nội, ngày tháng năm 2007

chủ nhiệm đề tμi cơ quan chủ trì đề tμi

P giám đốc

trung tâm viễn thám

TS Nguyễn Xuân Lâm Nguyễn Văn Vinh

Hà Nội, ngày tháng năm 2007 Hà Nội, ngày tháng năm 2007

hội đồng đánh giá chính thức cơ quan quản lý đề tμi

chủ tịch hội đồng TL bộ trưởng

bộ tài nguyên và môi trường

Q vụ trưởng vụ khoa học công nghệ

TS Lê Kim Sơn

Hμ nội, 6- 2007

Danh sách những người thực hiện đề tμi

1 TS Nguyễn Xuân Lâm –

Chủ nhiệm đề tài

Trung tâm Viễn thám

7 Th.S Đỗ Thị Phương Thảo Trường Đại học Mỏ - Địa chất Hà Nội

và một số cán bộ kỹ thuật khác

Bμi tóm tắt

ảnh vệ tinh phân giải cao và siêu cao ngày càng xuất hiện nhiều trên thị trường thế giới và ở Việt nam ưu điểm của ảnh vệ tinh là có khả năng cung cấp thông tin nhanh ở bất cứ nơi nào, lấp khoảng trống trong cung cấp thông tin địa hình bằng

ảnh hàng không, nhất là khi cần có thông tin đáp ứng nhu cầu khảo sát, đo đạc trong một thời gian ngắn ở Việt nam ảnh vệ tinh phân giải cao đã được sử dụng trong công tác hiện chỉnh bản đồ tỷ lệ 1:25 000 và trong Tổng kiểm kê đất đai 2005 và một số dự

án khác Hiện nay đang dự kiến sử dụng ảnh vệ tinh SPOT 5 để hiện chỉnh bản đồ địa hình tỷ lệ 1:10 000, ảnh QUICK BIRD để làm bản đồ địa vật tỷ lệ 1:5000 Tuy nhiên khả năng sử dụng chúng cho những mục đích cụ thể nào, sử dụng đến mức độ nào tỷ lệ nào là một vấn đề cần khảo cứu Đề tài nói trên được đặt ra với mục tiêu là :

- Nghiên cứu cơ sở khoa học và thực nghiệm nhằm ứng dụng ảnh phân giải cao (SPOT5 2,5 m, QUICK BIRD, IKONOS v.v ) cho bản đồ tỷ lệ lớn, cụ thể là hỗ trợ thông tin trong hiện chỉnh và thành lập bản đồ, trong suy giải các yếu tố mặt đất phục

vụ thành lập một số loại bản đồ chuyên đề như hiện trạng sử dụng đất, hiện chỉnh bản

đồ nền, biến động đất đô thị,v.v

- Đề xuất quy trình công nghệ và thử nghiệm ở một khu vực xác định

Đề tài đã áp dụng phương pháp nghiên cứu như sau: Thu thập thông tin, tài liệu hiện có tìm hiểu khả năng lý thuyết của ảnh phân giải cao và siêu cao cho mục đích bản đồ Nghiên cứu tìm hiểu đặc tính kỹ thuật của các loại ảnh vệ tinh phân giải cao hiện nay Thực nghiệm trên các ảnh phân giải cao và siêu cao hiện có ở Việt Nam như

ảnh SPOT5, Qickbird, IKONOS nhằm khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố như độ chính xác điểm khống chế ảnh, số lượng điểm khỗng chế sử dụng trong mô hình và phân bố

đồ hình của chúng, mô hình nắn chỉnh hình học và mô hình số độ cao để đảm bảo cho việc nắn ảnh đạt độ chính xác hình học cao Nghiên cứu độ chính xác đạt được cho việc thành lập bình đồ ảnh vệ tinh

Khảo sát khả năng thông tin của ảnh, đáp ứng nhu cầu khai thác thông tin cho nội dung bản đồ tỷ lệ lớn và công tác hiện cỉnh bản đồ nền tỷ lệ 1:10 000 và lớn hơn, lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất và bản đồ đô thị.v.v

Trên cơ sở các nghiên cứu, đề xuất các giải pháp kỹ thuật và quy trình công nghệ nắn chỉnh hình học ảnh vệ tinh phân giải cao và quy trình hiện chỉnh bản đồ nền, bản đồ sử dụng đất và bản đồ đô thị tỷ lệ 1:10000 và 1:5000

Xác định một khu vực cụ thể và tiến hành thử nghiệm theo quy trình đề xuất

Sản phẩm của đề tài gồm có:

1-Báo cáo nắn chỉnh hình học ảnh vệ tinh độ phân giải cao cho mục đích bản đồ tỉ lệ lớn

2-Quy trình công nghệ lập bản đồ chuyên đề tỉ lệ lớn bằng ảnh vệ tinh

3- Sản phẩm thực nghiệm : Các bản đồ địa hình và bản đồ chuyên đề (ví dụ minh hoạ công nghệ)

5- Báo cáo tổng kết đề tài

Mục lục

Danh mục hình vẽ 3

Danh mục bảng biểu 4

Mở đầu 5

Chương 1: ảnh phân giải cao-siêu cao vμ Một số kết quả nghiên cứu lý thuyết về tiềm năng ứng dụng của chúng 8

1.1 ảnh vệ tinh phân giải cao và siêu cao 8

1.1.1 SPOT 5 8

1.1.2 QUICK BIRD 9

1.1.3 IKONOS 11

I.2 Bản đồ ảnh vệ tinh: 13

I.3 ứng dụng ảnh vệ tinh thành lập bản đồ chuyên đề: 14

I.4 Các phương pháp đo vẽ ảnh thành lập bản đồ : 15

I.5 Khả năng lý thuyết để lập bản đồ của ảnh vệ tinh so sánh với ảnh hàng không 16

I.6 Mối quan hệ giữa tỷ lệ bản đồ thành lập và độ phân giải ảnh vệ tinh [2] 17

Chương II: Nghiên cứu các giải pháp kỹ thuật xử lý ảnh viễn thám độ phân giải cao 21

II.1- Nắn chỉnh hình học ảnh vệ tinh 21

II.1.1 Phương pháp thành lập bình đồ ảnh vệ tinh: 21

II.1.2 Nắn chỉnh hình học ảnh vệ tinh và các phương pháp nắn chỉnh : 22

II.1.2.1 Mô hình hàm đa thức 22

II.1.2.2 Mô hình vật lí để nắn ảnh SPOT : 23

II.1.2.3 Mô hình hàm hữu tỷ 24

II.1.3 Độ chính xác xác định khống chế ảnh: 24

II.1.4 Nghiên cứu ảnh hưởng đồ hình bố trí khống chế ảnh: 25

II.1.4.1 Khảo sát đối với trường hợp ảnh SPOT: 25

II.1.4.1.1 Trường hợp cảnh ảnh vệ tinh đơn: 27

II.1.4.1.2 Thử nghiệm trên khối ảnh vệ tinh 31

II.1.4.2Khảo sát nắn ảnh QUICK BIRD 37

II.1.5 Nghiên cứu ảnh hưởng của DEM: 38

II.1.6 Các giải pháp nâng cao độ chính xác nắn chỉnh hình học: 40

II.2 Nghiên cứu khả năng điều vẽ ảnh phân giải cao và các giải pháp nâng cao độ tin cậy kết quả giải đoán cho bản đồ chuyên đề .41

II.2.1- Khả năng thông tin của ảnh vệ tinh 41

II.2.1.1 ảnh SPOT Panchromatic phân giải 10 m 41

II.2.1.2 ảnh SPOT 5 màu tự nhiên phân giải 2,5 m 43

II.2.1.3 ảnh phân giải siêu cao: 44

II.2.2- Giải pháp kỹ thuật nâng cao độ tin cậy giải đoán ảnh vệ tinh: 46

Chương III: Nghiên cứu quy trình thμnh lập một số bản đồ chuyên đề bằng ảnh vệ tinh , Thực nghiệm vμ đánh giá 49

III.1- Các bản đồ chuyên đề thử nghiệm: 49

III.2- Quy trình công nghệ đề xuất để xử lý ảnh vệ tinh phân giải cao để thành lập bản đồ chuyên đề tỷ lệ lớn 50

III.2.1 Quy trình công nghệ thành lập bình đồ ảnh vệ tinh: 50

III.2.2 Hiện chỉnh bản đồ : 53

III.2.2.1 Tài liệu sử dụng .55

III.2.2.2 Khối lượng công việc đã làm 56

III.2.2.3 Đánh giá về công việc điều vẽ 1/10000 56

III.2.3 Thực nghiệm thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất 59

III.2.3.1 Sơ đồ qui trình công nghệ: 59

III.2.3.2 Tư liệu sử dụng: 60

III.2.3.3 Nội dung công việc đã tiến hành: 60

III.2.4 Thực nghiệm thành lập bản đồ diễn biến đất ven đô bằng ảnh QUICK BIRD 65

III.2.4.1 Sơ đồ quy trình công nghệ sử dụng: 65

III.2.4.2 Tư liệu sử dụng: 66

III.2.4.3 Nội dung các bước thực hiện: 66

III.2.5 Thực nghiệm thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất phục vụ xây dựng và quy hoạch đô thị 69

III.2.5.1 Sơ đồ quy trình công nghệ lập bản đồ biến động đất đô thị (ven Hà nội) 69

III.2.5.2 Kết quả thử nghiệm: 70

III.3 Đánh giá chung kết quả 75

III.4 Sản phẩm: 76

Kết luận 77

Tμi liệu tham khảo 81

Phụ lục 82

Phụ lục 1: Một số mẫu ảnh vệ tinh QUICK BIRD 82

Phụ lục 2: Giải pháp xử lý nắn chỉnh hình học ảnh vệ tinh độ phân giải cao ứng dụng cho bản đồ tỷ lệ lớn 87

Danh mục hình vẽ

Hình I- 1 : Vệ tinh Quickbird và ảnh vệ tinh Quickbird 9

Hình I- 2 : Vệ tinh IKONOS 11

Hình I- 3 : ảnh vệ tinh IKONOS khu Thành cổ Hà nội 12

Hình II- 1: Cảnh ảnh đơn vệ tinh SPOT 25

Hình II- 2: Dải ảnh vệ tinh SPOT 25

Hình II- 3 : Khối ảnh vệ tinh SPOT 26

Hình II- 4 : Đồ thị sai số đối với ảnh SPOT- Pan 2 5 m 27

Hình II- 5 : Đồ thị sai số đối với cảnh ảnh 271308 29

Hình II- 6: Đồ thị sai số đối với cảnh ảnh 271307 29

Hình II- 7: Đồ thị sai số đối với dải ảnh 271308-271309 ở khu vực có địa hình bằng phẳng 30

Hình II- 8 : Đồ thị sai số đối với dải ảnh ở khu vực có chênh cao địa hình lớn 31

Hình II- 9: Đồ hình bố trí điểm KCA trên khối ảnh theo phương án 1 32

Hình II- 10 : Đồ hình bố trí điểm KCA trên khối ảnh theo phương án 2 32

Hình II- 11 : Đồ hình bố trí điểm KCA trên khối ảnh theo phương án 3 33

Hình II- 12 : Đồ thị sai số trung phương vị trí điểm đối với khối ảnh vệ tinh 33

Hình II- 13 : Đồ hình bố trí điểm treo 1 góc trên cảnh ảnh đơn đối với vùng có độ cao trung bình 1m 35

Hình II- 14 : Đồ hình bố trí điểm treo 1 góc trên cảnh ảnh đơn đối với vùng có độ cao trung bình 70m 35

Hình II- 15: Đồ hình bố trí điểm treo 1 góc trên dải ảnh gồm 2 ảnh đơn 36

Hình II- 16: sai số vị trí của các điểm khống chế mặt đất khi sử dụng 12 điểm KCA 37

Hình III- 1: Sơ đồ quy trình nắn ảnh vệ tinh 50

Hình III- 2 : Sơ đồ bố trí điểm khống chế ảnh vệ tinh theo cảnh ảnh đơn 51

Hình III- 3 : Sơ đồ bố trí điểm khống chế ảnh vệ tinh theo segment 52

Hình III- 4 : Sơ đồ quy trình công nghệ hiện chỉnh bản đồ nền tỷ lệ lớn bằng ảnh vệ tinh 54

Hình III- 5 : Sơ đồ qui trình công nghệ 59

Hình III- 6 : Sơ đồ quy trình thành lập bản đồ đất ven đô bằng ảnh QUICK BIRD 65

Hình III- 7 : Bản đồ hiện trạng sử dụng đất ven đô 69

Hình III- 8: Sơ đồ quy trình công nghệ lập bản đồ biến động đất đô thị 69

Hình III- 9 : ảnh vệ tinh khu vực thực nghiệm 70

Hình III- 10 : Kết quả phân loại và xử lý sau phân loại đất đô thị từ ảnh vệ tinh 71

Hình III- 11 : Kết quả sau khi phân tích, tính toán biến động đất đô thị giai đoạn 2001-2005 72

Hình III- 12 : Biểu đồ biến động đô thị khu vực quận Cầu Giấy, Hà Nội giai đoạn 2001-2005 73

Danh mục bảng biểu

Bảng I- 1 : Danh mục các sản phẩm ảnh vệ tinh SPOT5 9

Bảng I- 2: Các đặc tính của vệ tinh Quickbird 10

Bảng I- 3 : Các đặc tính của vệ tinh IKONOS 12

Bảng I- 4: Độ lớn pixel thực địa và tỷ lệ bản đồ 18

Bảng I- 5 : Giá trị lý thuyết và thực nghiệm của GSD (m) 19

Bảng II- 1 : Sai số vị trí điểm trung bình của từng trường hợp 27

Bảng II- 2 : Sai số vị trí điểm trung phương trung bình của các phương án trong trường hợp ảnh có góc nghiêng lớn, địa hình bằng phẳng 28

Bảng II- 3 : Sai số vị trí điểm trung phương trung bình của các phương án trong trường hợp ảnh có góc nghiêng lớn, địa hình núi cao 29

Bảng II- 4 : Sai số vị trí điểm trung phương trung bình của khối ảnh ở khu vực có địa hình bằng phẳng 30

Bảng II- 5 : Sai số vị trí điểm trung phương trung bình của khối ảnh trong trường hợp 1 cảnh có địa hình bằng phẳng, 1 cảnh có địa hình núi cao 31

Bảng III- 1: Khả năng xác định các loại đất trên bình đồ ảnh vệ tinh Spot5 61

Bảng III- 2 : Bảng ma trận chéo sau khi tính biến động giữa hai thời kỳ 2001-2005 73

Mở đầu

ảnh vệ tinh phân giải cao và siêu cao ngày càng xuất hiện nhiều trên thị trường và

ở Việt nam ưu điểm của ảnh vệ tinh là có khả năng lấp chỗ trống trong cung cấp thông tin địa hình bất cứ nơi nào, thay vì phải đi tìm ảnh hàng không, nhất là khi cần có thông tin đáp ứng nhu cầu khảo sát, đo đạc trong một thời gian ngắn

Tuy nhiên khả năng sử dụng chúng cho những mục đích cụ thể nào, sử dụng đến mức độ nào tỷ lệ nào là một vấn đề cần khảo cứu

Đặt vấn đề nghiên cứu trên góc độ khả năng đáp ứng thông tin địa hình của ảnh vệ tinh phân giải cao và siêu cao là trả lời câu hỏi:

+Độ chính xác nắn chỉnh hình học đáp ứng cho việc làm bản đồ tỷ lệ nào

là lớn nhất đối với một loại ảnh vệ tinh cụ thể

+Độ tin cậy kết quả điều vẽ trên ảnh vệ tinh đáp ứng cho tỷ lệ bản đồ nào + Các giải pháp nào có thể được áp dụng để nâng cao khả năng ứng dụng của ảnh vệ tinh phân giải cao và siêu cao

Với mục đích nêu trên Trung tâm Viễn thám đề xuất và thực hiện đề tài có tên

gọi là: “Nghiên cứu một số giải pháp kỹ thuật xử lý ảnh viễn thám độ phân giải

cao cho mục đích thành lập bản đồ chuyên đề tỷ lệ 1: 10 000 và lớn hơn ”

Thời gian thực hiện 12 tháng (từ tháng 6/2005 đến tháng 6/2006)

Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Xuân Lâm

Học hàm, học vị, chuyên môn: Tiến sỹ

Chức vụ: Phó giám đốc Cơ quan: Trung tâm Viễn thám

Địa chỉ: 108 phố Chùa Láng - Đống Đa - Hà Nội Điện thoại: 8 343 811

Cơ quan chủ quản: Bộ Tài nguyên và Môi trường

Cơ quan chủ trì: Trung tâm Viễn thám

Mục tiêu đề tài là:

- Xác định giải pháp kỹ thuật xử lý ảnh phân giải cao (như SPOT5 2,5 m, IKONOS,v.v ) cho thành lập bản đồ chuyên đề tỷ lệ lớn, cụ thể như trong hiện chỉnh và thành lập bản đồ địa hình, lập bản đồ hiện trạng và bản đồ biến động sử dụng đất, bản đồ xói mòn tiềm năng, v.v

- Đề xuất quy trình công nghệ thành lập một số loại bản đồ chuyên đề tỷ lệ lớn

- Thử nghiệm các đề xuất kỹ thuật ở một số khu vực

Nội dung nghiên cứu:

1 Khảo sát các biến dạng hình học của các ảnh vệ tinh phân giải cao như ảnh SPOT5, IKONOS, Qickbird, v.v

2 Khảo sát khả năng thông tin của ảnh phục vụ suy giải chuyên đề

3 Đo điểm khống chế ảnh bằng GPS, nghiên cứu phân bố và số lượng điểm khống chế sử dụng trong mô hình để đạt độ chính xác hình học cao Khảo sát các phương pháp mô hình hóa ảnh phân giải cao trên các phần mềm mô hình hóa ảnh, lựa chọn giải pháp thích hợp

4 Đề xuất quy trình xử lý ảnh và quy trình thành lập một số loại bản đồ chuyên

đề

5 Xác định một số khu vực cụ thể và tiến hành thử nghiệm và hoàn thiện quy trình đề xuất

Phương pháp nghiên cứu:

• Nghiên cứu tìm hiểu bản chất hình học và các đặc tính kỹ thuật của các loại

ảnh vệ tinh hiên nay Thu thập, tận dụng các nguồn ảnh phân giải cao và siêu cao hiện có ở Việt Nam Khảo sát các biến dạng hình học của các ảnh vệ tinh phân giải cao như ảnh SPOT5, IKONOS, Qickbird Nghiên cứu các giải pháp kỹ thuật liên quan tới việc đo điểm khống chế ảnh bằng GPS (độ chính xác đo đạc, phân bố điểm khống chế ảnh và số lượng điểm khống chế

sử dụng trong mô hình) để đảm bảo cho việc nắn ảnh đạt độ chính xác hình học cao Đo bổ sung các điểm khống chế ảnh bằng GPS khi cần thiết Khảo sát các phương pháp mô hình hóa ảnh phân giải cao trên các phần mềm mô hình hóa ảnh hiện có tại Trung tâm Viễn thám, lựa chọn phương pháp thích hợp Nghiên cứu độ chính xác đạt được cho việc thành lập bình đồ ảnh vệ tinh độ phân giải cao

• Khảo sát khả năng thông tin của ảnh, đáp ứng nhu cầu khai thác thông tin cho nội dung bản đồ chuyên đề tỷ lệ lớn trong công tác địa chính, lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất v.v

• Nghiên cứu các phương pháp khai thác thông tin từ ảnh vệ tinh để thành lập

bản đồ chuyên đề tỷ lệ lớn

• Trên cơ sở các nghiên cứu, đề xuất quy trình thành lập bản đồ chuyên đề tỷ

lệ lớn

• Xác định một khu vực cụ thể và tiến hành thử nghiệm và hoàn thiện quy

trình đề xuất

Kết quả dự kiến:

1- Báo cáo kết quả nghiên cứu về các giải pháp xử lý nắn ảnh vệ tinh phân giải cao và

đánh giá khả năng thông tin của ảnh vệ tinh độ phân giải cao cho mục đích bản đồ tỉ lệ lớn

2- Quy trình công nghệ thành lập bản đồ chuyên đề tỉ lệ lớn bằng ảnh vệ tinh

3- Một số bản đồ địa hình và bản đồ hiện trạng đất (ví dụ minh hoạ công nghệ)

4- Báo cáo tổng kết đề tài

Báo cáo tổng kết đề tài gồm các phần chính sau đây:

Chương IV: Thực nghiệm thành lập một số bản đồ chuyên đề bằng ảnh vệ tinh và

đánh giá

Kết luận

Tài liệu tham khảo

Phụ lục

Chương 1: ảnh phân giải cao-siêu cao vμ Một số kết quả

nghiên cứu lý thuyết về tiềm năng ứng dụng của chúng

1.1 ảnh vệ tinh phân giải cao và siêu cao

1.1.1 SPOT 5

Họ vệ tinh SPOT bắt đầu hoạt động trên quỹ đạo từ 1986 và do Trung tâm

Nghiên cứu Không gian (Centre National d'Etudes Spatiales - CNES) của Pháp vận

hành Vệ tinh SPOT bay ở độ cao 832 km, góc nghiêng của mặt phẳng quỹ đạo là 98,7o

thời điểm bay qua xích đạo là 10h30’ sáng và chu kỳ lặp 26 ngày Khả năng chụp

nghiêng của SPOT cho phép tạo cặp ảnh lập thể từ hai ảnh chụp vào hai thời điểm với

góc chụp nghiêng khác nhau

Vệ tinh SPOT - 5, phóng lên quỹ đạo ngày 03 tháng 5 năm 2002, được trang bị

một cặp Sensors HRG (High Resolution Geometric), là loại Sensor ưu việt hơn các loại

trước đó Mỗi một Sensor HRG có thể thu được ảnh với độ phân giải 5m đen - trắng và

10 m mầu Với kỹ thuật xử lý ảnh đặc biệt, có thể đạt đuợc ảnh độ phân giải 2,5 m,

Đây chính là ưu điểm của ảnh SPOT, điều mà các loại ảnh vệ tinh khác cùng

thời đều không đạt được độ phân giải này Kỹ thuật thu ảnh HRG (High Resolution

Geometric) cho phép định vị ảnh với độ chính xác trên 50 m nhờ hệ thống định vị vệ

tinh DORIS và Star Tracker lắp đặt trên vệ tinh Trên vệ tinh SPOT - 5 còn lắp thêm hai

máy chụp ảnh nữa

Máy thứ nhất HRS (High Resolution Stereoscopic) - Máy chụp ảnh lập thể lực

phân giải cao Máy này chụp ảnh lập thể dọc theo đường bay với độ phủ 120x600 km

Nhờ ảnh lập thể độ phủ rộng này mà tạo lập mô hình số độ cao (DEM) với độ chính

xác trên 10m mà không cần tới điểm không chế mặt đất

Máy chụp ảnh thứ hai mang tên VEGETATION, giống như VEGETATION lắp

trên vệ tinh SPOT4 hàng ngày chụp ảnh mặt đất trên một dải rộng 2250 km với kích

thước phần tử ảnh (pixel) 1x1 km trong 4 kênh phổ ảnh VEGETATION được sử dụng

rất hữu hiệu cho mục đích theo dõi biến động địa cầu và đo vẽ bản đồ hiện trạng đất

ảnh SPOT được sử dụng chủ yếu trong các lĩnh vực sử dụng đất, hiện trạng đất,

đo vẽ bản đồ và theo dõi biến động môi trường như mất rừng, xói mòn, phát triển đô thị

v.v ảnh SPOT5 có độ phân giải cao, đặc biệt ảnh độ phân giải 2,5 m mở ra triển vọng

của nhiều ứng dụng mà trước đây chỉ có thể thực hiện với ảnh chụp từ máy bay như

thành lập bản đồ tỷ lệ lớn, quy hoạch đô thị, quản lý điều hành sân bay, bến cảng, quản

lý hiểm họa và thiên tai.…

Dưới đây là bảng danh sách các loại ảnh vệ tinh SPOT 5 cung cấp :

Bảng I- 1 : Danh mục các sản phẩm ảnh vệ tinh SPOT5

1.1.2 QUICK BIRD

Vệ tinh Quickbird đã được phóng vào tháng 10 năm 2001 ở California Vệ tinh

được định vị ở độ cao quĩ đạo là 450 km với góc nghiêng quĩ đạo là 97,2o , đồng bộ mặt trời

Hình I- 1 : Vệ tinh Quickbird và ảnh vệ tinh Quickbird

Vệ tinh QuickBird của Công ty Digital Globe cung cấp dải quét rộng nhất, khả năng lưu trữ trong lớn nhất và độ phân giải cao nhất trong tất cả các loại vệ tinh thương mại hiện hành Vệ tinh QuickBird có khả năng thu nhận trên 75 triệu km2 dữ liệu ảnh mỗi năm (lớn hơn 3 lần diện tích vùng Bắc Mỹ), cho phép Công ty Digital Globe có thể chụp và cập nhật các dữ liệu lưu trữ của Công ty với tốc độ cao chưa từng có trước đây

Vệ tinh Quickbird đã và đang nhanh chóng trở thành sự lựa chọn tốt nhất cho việc sử dụng ảnh vệ tinh phân giải cao cho mục đích thành lập bản đồ Sẽ mô tả các quá trình

đó như sau :

- Hiệu chỉnh dữ liệu Quickbird khác với các phương pháp hiệu chỉnh hình học khác

- Xử lí dữ liệu Quickbird panchromatic và dữ liệu đa phổ

- Tạo mô hình số DEM từ việc sử dụng dữ liệu Quickbird lập thể

Bảng I- 2: Các đặc tính của vệ tinh Quickbird

Từ khi phóng thành công vệ tinh Quickbird Digital Globe và có thể thu nhận

được dữ liệu, ảnh Quickbird nhanh chóng được đưa ra và sử dụng một cách phổ thông

và rộng rãi để thành lập bản đồ tỷ lệ lớn bằng dữ liệu vệ tinh phân giải cao

Lần đầu tiên vệ tinh cho ra ảnh toàn sắc panchromatic và ảnh đa phổ Multispectral với độ phân giải 61 - 72 cm và 2.44 - 2.88 m, phụ thuộc vào hình ảnh

Các đặc điểm của vệ tinh quickbird

Thời gian cắt qua xích đạo 10h 30’ sáng (điểm đi xuống)

Thời gian hoàn thành một quỹ đạo 93.5 phút

Thời gian lặp lại một vị trí 1 - 3.5 ngày phụ thuộc vĩ độ (30

0 tính từ điểm thiên đế)

Độ chính xác tính theo hệ mét 23 m mặt phẳng (theo tiêu chuẩn CE90)

Đỏ (red): 630 - 690 nm Cận hồng ngoại ( NIR): 760 - 900 nm

nadir thu nhận được với góc (0 - 25 độ) Bởi thế các đầu thu (sensor) có thể phủ trùm

độ rộng từ 16,5 - 19 km trong khi quét vuông góc với hướng chuyển động của vệ tinh (across - track direction) Thêm vào đó theo hướng dọc (along - track) và hướng ngang (across - track) có thể cung cấp một cặp ảnh lập thể với tần suất chụp lặp từ 1 - 3.5 ngày Kết quả, dữ liệu có thể có nhiều khuôn dạng khác nhau, giữ liệu thô (Basic Imagery), loại này được bảo toàn thông số hình học của vệ tinh, loại dữ liệu này được quan tâm hơn trong trắc địa ảnh, cụ thể là tăng dày, đo vẽ và thành lập bản đồ Sử dụng loại dữ liệu thô này cho kết quả độ chính xác hiệu chỉnh hình học cao và sản phẩm về

ảnh phổ tốt hơn nhiều

1.1.3 IKONOS

Hình I- 2 : Vệ tinh IKONOS

Vệ tinh viễn thám IKONOS được phóng lên quỹ đạo ngày 24 tháng 9 năm 1999

và do Space Imaging LLC của Mỹ quản lý, điều hành Vệ tinh IKONOS là loại vệ tinh phân giải cao, nó cho ảnh vệ tinh đa phổ với độ phân giải 3,2 m và ảnh toàn sắc với độ phân giải 0,82 m Đây là thế hệ vệ tinh thương mại đầu tiên cung cấp ảnh chụp mặt đất

độ phân giải siêu cao 1 m Các kênh đa phổ có độ phân giải mặt đất là 4 m, gồm kênh: xanh chàm (0,45 - 0,52 μm), xanh lục (0,51 - 0,60 μm), đỏ (0,63 - 0,70 μm), cận hồng ngoại (0,76 - 0,85 μm) Kênh toàn sắc (0,45 - 0,90 μm) có độ phân giải 1 m

Một cảnh ảnh IKONOS chuẩn có kích thước 11x11km Vệ tinh có thể chụp một dải rộng 11 km và dài 1000 km liên tục hoặc chụp và tạo ảnh ghép thành khối rộng tới 12.000 km2

Bảng I- 3 : Các đặc tính của vệ tinh IKONOS

Thời gian đi hết một vòng quanh Trái đất 98 phút

0,82 m Panchromantic 3,2 m Multispectral

26o off – Nadir 1,0 m Panchromantic 4,0 m Multispectral

13,8 km ở kiểu quét off - Nadir Thời gian bay qua mặt phẳng xích đạo Bình thường khoảng 10h30

xanh lá cây, đỏ, cận hồng ngoại

Với ảnh viễn thám IKONOS, có thể làm được nhiều việc mà trước đây chỉ có thể thực hiện với ảnh chụp từ máy bay Các ứng dụng ảnh IKONOS tập trung chủ yếu vào nhiệm vụ quy hoạch và theo dõi các đề án lớn, quản lý sân bay, bến cảng, quản lý

và theo dõi thảm họa, tai biến thiên nhiên, quản lý rừng và theo dõi môi trường, lập bản

đồ vùng bờ, nghiên cứu thực vật nhiệt đới, v.v

Hình I- 3 : ảnh vệ tinh IKONOS khu Thành cổ Hà nội

I.2 Bản đồ ảnh vệ tinh:

Bản đồ ảnh vệ tinh là một loại sản phẩm sử dụng ảnh vệ tinh làm nền ảnh, trên đó

có thể kết hợp một số thông tin khác (thông tin kinh tế-xã hội, ký hiệu bản đồ, đường bình độ vv ) được lấy từ bản đồ hiện có, cơ sở dữ liệu hoặc kết quả suy giải ảnh vệ tinh nền

Nền ảnh của bản đồ ảnh vệ tinh là trích ảnh từ một cảnh ảnh vệ tinh hoặc được ghép ảnh từ các cảnh ảnh vệ tinh khác nhau trong một khung có tọa độ của bản đồ truyền thống

Dữ liệu ảnh của bản đồ ảnh là kết quả xử lý chất lượng hình ảnh, loại trừ các nhiễu của quá trình chụp ảnh gây ra, đồng thời tăng cường chất lượng chung của hình

ảnh hoặc tuỳ theo chuyên đề đối tượng suy giải như áp dụng các phương pháp dãn ảnh tuyến tính, tăng độ tương phản cục bộ, tăng cường đường gờ, tổng hợp màu, phân lớp Cũng giống như một tờ bản đồ bản đồ ảnh có một số ghi chú về thông tin ngoài khung hỗ trợ cho việc sử dụng chúng, các thông tin đó là :

a, Các thông tin ngoài khung : bao gồm Hệ tọa độ sử dụng và quy chiếu trắc địa; Tên

mảnh, số hiệu mảnh; Tỷ lệ dưới dạng số và thước tỷ lệ; Bảng chắp mảnh bản đồ; Bản quyền và cơ quan sản xuất; Các ảnh vệ tinh sử dụng; Một số thông số của ảnh vệ tinh; Thông tin về mức xử lý của hình ảnh

b, Các thông tin chồng ghép: Đó là các thông tin suy giải ảnh hoặc thông tin bổ trợ

giúp cho việc sử dụng bản đồ ảnh: Địa danh ; Bình độ hoặc điểm độ cao; Địa giới hành chính; Đường giao thông, hệ thuỷ văn

* Bản đồ ảnh vệ tinh có thể chia ra:

3- Về sản phẩm bản đồ ảnh:

Tuỳ thuộc vào quy trình công nghệ, bản đồ ảnh được sử dụng dưới dạng số hoặc dạng giấy ảnh, hoặc cả hai dạng Bản đồ ảnh được sản xuất dưới dạng số với các khuôn

* Tóm lại:

Về hình thức bản đồ ảnh vệ tinh giống như bản đồ truyền thống về khía cạnh hình học và các thông tin cơ bản như lưới tọa độ

Về nội dung có thể chia ra:

- Bản đồ ảnh vệ tinh địa hình: trên đó số liệu ảnh chưa được suy giải, các yếu tố có thể thêm vào là địa danh, đường giao thông hoặc điểm độ cao và kèm theo mô tả trong chú giải

- Bản đồ ảnh vệ tinh chuyên đề: trên đó ảnh đã được suy giải theo chuyên đề đối tượng nào đó và được mô tả trong phần chú giải Trên loại bản đồ ảnh chuyên đề có

thể thêm một số thông tin về độ cao và mặt phẳng để tiện lợi cho sử dụng

Bình đồ ảnh vệ tinh là sản phẩm ảnh đã được nắn chỉnh nhưng chưa có đầy đủ các yêu tố kinh tế xã hội như một bản đồ ảnh hoàn chỉnh Bình đồ ảnh vệ tinh sử dụng

để thành lập và hiện chỉnh bản đồ nền hoặc để khai thác thông tin, điều vẽ các yếu tố nội dung bản đồ chuyên đề

I.3 ứng dụng ảnh vệ tinh thành lập bản đồ chuyên đề:

Hiện nay có thể sử dụng ảnh vệ tinh để thành lập và hiện chỉnh bản đồ địa hình

để cung cấp thông tin nền cho CSDL điạ lý; thành lập bản đồ chuyên đề về hiện trạng

sử dụng đất; thành lập bản đồ phục vụ quy hoạch đô thị

Hiện chỉnh bản đồ nền là khối việc được áp dụng nhiều nhất ở Việt Nam và có

xu hướng tăng tỷ lệ bản đồ hiện chỉnh lên 1/10 000 và lớn hơn Đã có nhiều công trình

được sản xuất bằng phương pháp viễn thám Đã có quy định kỹ thuật quy trình công nghệ và các định mức kinh tế kỹ thuật hướng dẫn hiện chỉnh bản đồ bằng ảnh vệ tinh

tỷ lệ đến 1:50 000; 1:25 000 Tuy nhiên chưa có nghiên cứu nào khẳng định khả năng

kỹ thuật hiện chỉnh bản đồ bằng ảnh vệ tinh tỷ lệ đến 1:10 000 và lớn hơn

Thể loại bản đồ hiện trạng sử dụng đất đã được ứng dụng nhiều chỉ sau bản đồ

địa hình Tuy nhiên chưa có quy trình dùng riêng cho phương pháp viễn thám Trong

đợt Tổng kiểm kê đất 2005 Trung tâm Viễn thám đã ứng dụng ảnh viễn thám SPOT 5 2,5m sản xuất 1300 bình đồ trực ảnh tỷ lệ 1:10000 cho 1300 xã Các bình đồ trực ảnh này là tài liệu hỗ trợ trong công tác kiểm kê đất đai năm 2005 Tuy nhiên một quy trình

kỹ thuật chặt chẽ chưa được thiết lập

Thể loại bản đồ về đô thị là sản phẩm mới Các loại bản đồ này thông thường

được làm bằng ảnh hàng không Hiện nay các ảnh phân giải siêu cao như IKONOS, QUICK BIRD có độ phân giải rất cao tương đương ảnh hàng không, có thể giúp suy giải nhiều đối tượng trên mặt đất Tuy nhiên, đặc điểm kiến trúc đô thị với sự bùng nổ phát triển nhanh , kiến trúc các nhà cao tầng và mức độ dày đặc các chi tiết địa vật v.v ảnh hưởng nhiều đến khả năng khai ứng dụng của ảnh vệ tinh trong lĩnh vực này

Dù sao các loại ảnh này vẫn thể hiện một tiềm năng ứng dụng cho việc thành lập nền bình đồ trực ảnh khu vực đô thị ở tỷ lệ 1:10 000 và 1:5000 Với nền ảnh này có thể lập một số bản đồ khu vực đô thị

Trong thực tế còn nhiều thể loại bản đồ chuyên đề khác sử dụng ảnh vệ tinh Tuy nhiên tất cảc các loại bản đồ này đều được biên tập và thành lập trên cơ sở bình đồ

Theo phương pháp toàn năng, ảnh hàng không ở tỷ lệ gốc được xử lý trên các máy đo vẽ toàn năng hoặc các máy đo vẽ ảnh số, tỷ lệ bản đồ thành lập thông thường lớn hơn tỷ lệ ảnh từ 3-5 lần (cá biệt có thể khai thác thông tin địa vật tới tỷ lệ đo vẽ lớn hơn đến 10 lần) là đảm bảo độ chính xác đo vẽ địa hình dáng đất Quá trình đo vẽ địa vật cũng được thực hiện trực tiếp trên máy đo vẽ

quá trình đo vẽ thực địa trên nền bình đồ ảnh được hạn chế bằng việc chỉ điều vẽ ảnh

vệ tinh Nội dung của công việc điều vẽ này bao gồm từ khâu điều vẽ nội nghiệp tới khâu khảo sát ngoại nghiệp để kiểm tra độ tin cậy kết quả đã điều vẽ trong nội nghiệp,

điều vẽ bổ sung các yếu tố không nhận biết được trong phòng hoặc đo vẽ bù các đối tượng mới xuất hiện sau thời điểm chụp ảnh và thu thập các yếu tố kinh tế xã hội Việc hoàn thiện bản vẽ trên bình đồ ảnh sẽ được tiếp tục thực hiện trong nội nghiệp

Tiềm năng của ảnh vệ tinh phân giải cao để thành lập bản đồ được thể hiện trên hai mặt: độ chính xác hình học của địa vật trên ảnh vệ tinh và khả năng suy giải được

đối tượng địa vật

Dưới đây là một số khảo sát lý thuyết về khả năng sử dụng ảnh vệ tinh phân giải cao và siêu cao để thành lập bản đồ nói chung dưới góc độ đo vẽ ảnh hàng không theo

2 phương pháp nêu trên Các khảo sát này được tiến hành đầu tiên đối với ảnh kỹ thuật

số so với ảnh hàng không trên phim và mở rộng sang với ảnh vệ tinh mà bản chất là

ảnh kỹ thuật số với các đặc điểm quỹ đạo của mình Đối với ảnh số và ảnh vệ tinh cũng

sẽ khảo sát toàn bộ khả năng thông tin để đo vẽ nói chung và khả năng thành lập các bình đồ ảnh nói riêng để thực hiện đo vẽ theo phương pháp kết hợp

I.5 Khả năng lý thuyết để lập bản đồ của ảnh vệ tinh so sánh với ảnh hàng không

Độ phân giải không gian của ảnh :

Độ phân giải được định nghĩa như khả năng phân biệt hai đối tượng ở liền nhau trong cùng một bức ảnh Độ phân giải không gian: là phạm vi trường nhìn tức thời (IFOV) của hệ thống đầu thu hay dẫn xuất của nó là kích thước pixel

Trong các ứng dụng của ảnh viễn thám, độ phân giải không gian đóng một vai trò quan trọng Hiện nay đã có nhiều loại ảnh vệ tinh phân giải cao như SPOT 5 với độ phân giải 5m và 2,5m; ảnh IKONOS 1m ; ảnh QUICK BIRD 62cm phân giải mặt đất

Trong công nghệ thành lập bản đồ địa hình bằng ảnh vệ tinh hiện nay độ phân giải ảnh đóng vai trò đặc biệt đối với độ chính xác của bản đồ, là yếu tố quyết định đến

tỷ lệ bản đồ cần thành lập

Độ lớn pixel thực địa và độ phân giải của ảnh vệ tinh

Đến nay ảnh vệ tinh phân giải cao với độ lớn pixel đạt tới 2,5 m như ảnh SPOT5

và dưới 1m như ảnh IKONOS, Quickbird, Obview đã được đưa vào và ứng dụng trong thực tế sản xuất trên thế giới Trên các tài liệu đã có nhiều tác giả nghiên cứu về mối quan hệ giữa độ phân giải của ảnh vệ tinh với khả năng lập bản đồ của chúng [2]

ảnh hàng không vẫn sử dụng trong đo vẽ bản đồ là ảnh được chụp trên nền phim thông qua xử lí hoá ảnh Trong đo ảnh hàng không, khái niệm độ phân giải của

ảnh được biểu diễn bằng số cặp đường nét trắng đen phân biệt được trên đơn vị độ dài 1mm ảnh hàng không có độ phân giải trung bình là 40 đường nét/1mm, nghĩa là một vật nhỏ nhất có thể ghi được trên ảnh với độ lớn tương ứng là 1mm/40 = 0,025 mm có thể nhận biết được trên ảnh Điều này cũng cho thấy độ chính xác của ảnh hàng không

là rất cao với độ chi tiết như thế ảnh hàng không tương tự như vậy được xử lý bằng phương pháp đo vẽ toàn năng Trong đo vẽ ảnh số, ảnh hàng không trên phim phải thông qua một quá trình quét phim trên các máy quét độ chính xác cao để chuyển thành dạng số mới đưa vào máy tính để xử lý được

Đối với ảnh hàng không số, khả năng nhận biết và giải đoán ảnh để tạo file địa vật và khả năng bắt điểm độ cao để tạo file địa hình được mô tả bằng lí thuyết lấy lại mẫu ảnh Quá trình từ phát hiện đến nhận biết điểm đòi hỏi vật phải có độ lớn tối thiểu tương ứng trên ảnh bằng 2 đến 3 pixel Đây là điều kiện ngưỡng và chính là độ phân giải của ảnh ảnh có độ phân giải là 1m có nghĩa là độ lớn pixel thực địa GSD (Ground sampling distance - độ lớn tối thiểu của vật ở thực địa có thể được ghi trên CCD là 1m)

và khả năng phát hiện và nhận biết vật trên ảnh đòi hỏi vật đó phải có độ lớn từ 2 đến 3 lân pixel Nếu thiết bị quét ảnh có đường kính cửa mở ống quang học là d và trục quang trùng với phương dây dọi, với bước sóng ánh sàng λ trong dải quang phổ toàn sắc panchomatic, góc tán xạ ánh sáng α (đơn vị mi-li-ra-đi-an) tương ứng với độ lớn tối thiểu của địa vật ngoài thực địa (độ lớn pixel thực địa = GSD) nhìn từ độ cao H, được ghi nhận trên con chip CCD của bộ cảm biến, sẽ có mối liên hệ sau:

Mối liên hệ giữa dung lượng thông tin của ảnh và bản đồ :

Giữa dung lượng thông tin trên bản đồ và dung lượng thông tin trên ảnh có mối quan hệ chặt chễ Đặc biệt là khi thành lập bản đồ bằng phương pháp ảnh thì mức độ

Trong ảnh số nói chung và đo ảnh vệ tinh nói riêng :

- Mỗi đường quét ảnh ở mỗi thời điểm khác nhau, có tâm chiếu khác nhau và góc xoay nghiêng cũng khác nhau, một cảnh ảnh bao gồm nhiều đường quét

- Hai thiết bị quét ảnh số mặc dù có cùng độ lớn pixel thực địa GSD (độ lớn tối thiểu của vật ở thực địa có thể ghi trên CCD), nhưng độ lớn pixel trên ảnh sẽ khác nhau và tỷ lệ sẽ khác nhau

Phụ thuộc vào khả năng phân biệt của mắt người và độ chính xác khi in bản đồ, vật có kích thước nhỏ nhất được thể hiện trên bản đồ có độ lớn không nhỏ hơn 0.2mm

Để vật trên ảnh có thể dược giải đoán đòi hỏi vật đó phải có độ lớn tối thiểu trên ảnh là

2 đến 3 pixel Do vậy, độ lớn pixel của vật đó trên bản đồ sẽ là 0.2mm/(2 đến 3) = (0.07 đến 0.1)mm

Rõ ràng, giữa dung lượng thông tin ảnh số và bản đồ có mối liên hệ thông qua

độ lớn pixel thực địa GSD và mẫu số tỷ lệ bản đồ Mb như sau [3]:

Trên cơ sở công thức (2), ứng với từng tỷ lệ bản đồ chúng ta sẽ xác định được độ lớn pixel thực địa tương ứng ghi ở bảng :

Bảng I- 4: Độ lớn pixel thực địa và tỷ lệ bản đồ

Tỷ lệ bản đồ

1 : Mb

Độ lớn pixel thực địa GSD (m)

Từ công thức (1) và (2) chúng ta có mối liên hệ hàm số giữa mẫu số tỷ lệ bản đồ

và các tham số λ, d, H nghĩa là Mb = F(λ,d,H) có dạng sau :

Mb =

)1.007.0(

22.1

kính d và độ cao quĩ đạo H Nghĩa là không tồn tại mối quan hệ giữa tỷ lệ ảnh Ma và tỷ

lệ bản đồ Mb như trong ảnh hàng không

Độ lớn pixel thực địa GSD là một thông số quan trong để đánh giá chất lượng và dung lượng thông tin của ảnh vệ tinh độ phân giải cao và được coi là giá trị lí thuyết Trong thực tế chúng ta có thể kiểm nghiệm giá trị này thông qua phân tích mặt cắt giá trị độ mờ quang học của ảnh tại các vùng có giá trị đột biến dựa vào hàm biến đổi MTF ( Modulation transfer function) Bảng (3) giới thiệu giá trị lí thuyết và và giá trị thực tế kiểm nghiệm độ lớn pixel thực địa của một số ảnh vệ tinh độ phân giải cao và tỷ số biến đổi k

Bảng I- 5 : Giá trị lý thuyết và thực nghiệm của GSD (m)

IKONOS Mỹ

SPOT-5 HRS Pháp

1.0 5.0

1.0 5.0

1.0 1.0

Từ bảng I-5 chúng ta nhận thấy : ảnh IKONOS và ảnh SPOT-5 có giá trị lí thuyết và thực nghiệm như nhau Chúng ta có thể xác lập được sự tương ứng của ảnh

vệ tinh với ảnh hàng không photo ở tỷ lệ 1 : Ma và khả năng thành lập bản đồ ở tỷ lệ thích hợp 1 : Mb

Cụ thể về mặt địa hình, ảnh IKONOS Pan và ảnh Quickird pan với độ phân giải 0.82 m và 0.61 m có dung lượng thông tin tương đương với ảnh hàng không ở tỷ lệ

1 : 35000 và 1 :25000 Như vậy với ảnh vệ tinh SPOT 5 cho phép thành lập bản đồ địa hình 1 : 25000 còn ảnh IKONOS và Quickbird cho phép thành lập bản đồ địa hình

1 :10 000 và 1 :7000 tương ứng

Về mặt địa vật, khi thành lập bản đồ trực ảnh, nếu chấp nhận bản đồ trực ảnh có

độ phân giải 8 pixel/1mm thì ảnh SPOT5 cho phép thành lập bình đồ trực ảnh 1:

20000, ảnh IKONOS và Quickbird cho phép thành lập bình đồ trực ảnh 1: 8000 và 1:

5000 tương ứng

Bởi vì : độ phân giải SPOT5 = 2,5m = (1mm/8) x 20.000

độ phân giải IKONOS = 1 m = (1mm/8) x 8.000

độ phân giải Quickbird = 0,62 m ≈ (1mm/8) x 5.000 Nếu bình đồ trực ảnh được lập với độ phân giải 5 pixel/mm thì ảnh SPOT 5 cho phép thành lập bình đồ trực ảnh 1: 12500 , ảnh IKONOS và Quickbird cho pháp thành lập bình đồ trực ảnh 1: 5000 và 1: 3000

Bởi vì : độ phân giải SPOT5 = 2,5m = (1mm/5) x 12.500

độ phân giải IKONOS = 1 m = (1mm/5) x 5.000

độ phân giải Quickbird = 0,62 m ≈ (1mm/5) x 3.000

Đây chính là một số nội dung về tiềm năng bản đồ của ảnh vệ tinh phân giải cao

ở tỷ lệ thích hợp dựa vào độ lớn pixel thực địa của ảnh Một công đoạn cực kì cần thiết trước khi sử dụng ảnh vệ tinh phân giải cao vào sản xuất là cần thiết tiến hành khảo sát thực tiễn Công đoạn này không chỉ khảng định sự đúng đắn của cơ sở lí thuyết mà còn chứng minh trình độ áp dụng công nghệ của cơ sở sản xuất và hiệu quả kinh tế trong ứng dụng

Kết luận kết quả nghiên cứu Chương I:

- ảnh vệ tinh phân giải cao được thu nhận bằng các máy thu(sensor) có chất lương hình học và quang học tốt Các kết quả nghiên cứu đã công bố cho thấy xét từ góc độ so sánh khả năng thông tin với ảnh hàng không, tiềm năng của ảnh SPOT cho phép thành lập bản đồ tỷ lệ 1:20 000; ảnh IKONOS cho phép thành lập bản đồ tỷ lệ 1:8000 và QUICK BIRD cho phép thành lập bản đồ tỷ lệ 1:5000

- Hiện nay công nghệ khai thác ảnh vệ tinh sử dụng rộng rãi sản phẩm bình đồ

ảnh (hay còn gọi là trực ảnh vệ tinh Sản phẩm bình đồ ảnh có thể được in ra giấy ảnh

để sử dụng điều vẽ nội ngoại nghiệp trực tiếp, hoặc sử dụng ở dạng số để làm nền ảnh hiện chỉnh bản đồ hoặc giải đoán trên máy tính Về mặt lý thuyết, ảnh SPOT cho phép thành lập bình đồ ảnh tỷ lệ 1:12500; ảnh IKONOS cho phép thành lập bình đồ ảnh tỷ lệ 1:5000 và QUICK BIRD cho phép thành lập bình đồ ảnh tỷ lệ 1:3000

- Tuy nhiên trong thực tiễn sản xuất bình đồ ảnh SPOT được sản xuất ở tỷ lệ 1:10000, IKONOS, QUICK BIRD được sản xuất ở tỷ lệ 1:5000 in trên giấy ảnh Đối với các sản phẩm ảnh số, các loại bình đồ ảnh này được khai thác thông tin trên máy tính trực tiếp không phụ thuộc vào tỷ lệ, chỉ phụ thuộc độ phóng đại màn hình và khả năng nhận biết các đối tượng Trong các thực nghiệm ở chương IV sẽ trình bày rõ hơn các ứng dụng thực tiễn của các laọi bình đồ ảnh phân giải cao và siêu cao

Chương II: Nghiên cứu các giải pháp kỹ thuật xử lý ảnh viễn thám độ phân giải cao

đồ ảnh vệ tinh đảm bảo độ chính xác, người ta ứng dụng nguyên lí nắn chỉnh hình học

và dựa trên cơ sở các mô hình toán học để nắn chỉnh ảnh vệ tinh, sử dụng mô hình toán học thích hợp hợp tuỳ theo yêu cầu cụ thể để nắn chỉnh hình học ảnh

Khi ảnh hưởng của chênh cao địa hình gây ra sai số dịch vị điểm ảnh không lớn hơn 0,3 mm ở tỉ lệ bình đồ ảnh thành lập thì có thể áp dụng nắn ảnh theo độ cao trung bình khu vực Khi giá trị dịch vị điểm ảnh lớn hơn 0,3 mm ở tỉ lệ bình đồ ảnh thành lập thì phải áp dụng phương pháp nắn ảnh có sử dụng mô hình số độ cao (DEM)

Trong quá trình nắn ảnh số, giá trị độ xám của điểm ảnh được lấy mẫu lại và tính theo thuật toán nội suy bậc ba

Sản phẩm bình đồ ảnh số đã nắn chỉnh phải đạt độ chính xác hình học so với bản đồ cùng tỉ lệ

Trường hợp mảnh bình đồ ảnh không nằm trọn trên một cảnh ảnh vệ tinh mà để phủ kín nó phải dùng một số cảnh ảnh vệ tinh thì phải tiến hành ghép các cảnh ảnh vệ tinh này Vết ghép không được đi qua các điểm khống chế Vết ghép phải đi qua các

điểm địa vật có sai số tiếp khớp nhỏ nhất, không được cắt theo địa vật hình tuyến Thông thường góc kẹp giữa vết ghép và địa vật hình tuyến ở trong khoảng từ 30 - 150o

Theo quy trình thành lập bình đồ ảnh vệ tinh có thể thấy các yếu tố ảnh hưởng tới kết quả nắn ảnh vệ tinh đó là : Độ phân giải của ảnh vệ tinh; Số lượng điểm khống

lệ, độ nghiêng và góc xoay của ảnh Trong hầu hết các trường hợp, hàm đa thức bậc 1

được dùng vào phép chiếu hình ảnh thô, chuyển từ đối tượng đến một vùng phủ nhỏ dữ liệu

Biến đổi đa thức bậc 2 hoặc cao hơn là các biến đổi không tuyến tính (nonlinear) điều này có thể được sử dụng để chuyển đổi dữ liệu kinh độ/vĩ độ đến đối tượng hoặc hiệu chỉnh biến dạng không tuyến tính như là sự uốn cong của Trái đất, biến dạng của ống kính camera Dựa theo phương trình biến đổi của mô hình hàm đa thức 2D và 3D :

x= ao+a1X+a2Y+ a3XY+a4X2+a5Y2+a6X2Y+a7 XY2+a8X3+a9Y3

y= bo+b1X+b2Y+b3XY+b4X2+b5Y2+b6X2Y+b7 XY2+b8X3+b9Y3

(1.6)

Đa thức tổng quát ba chiều 3D

m k

m k

bijk XiYjZk (1.7)

ở đây a, b là ma trận hệ số, (X, Y) là ma trận tham số

Các mô hình toán học trên là phương tiện để giúp đưa những tấm ảnh về một hệ toạ độ xác định gần nhất với vị trí thực của chúng Tuy nhiên chúng vẫn chỉ là các mô hình mô phỏng bằng phương pháp xấp xỉ các biến dạng trên tấm ảnh Vì vậy để mô hình hoá chính xác số lượng điểm khống chế và đồ hình bố trí khóng chế ảnh rất ảnh hưởng đến độ chính xác xấp xỉ mô hình và như vậy ảnh hưởng đến độ chính xác nắn

Riêng với ảnh vệ tinh SPOP cảnh ảnh vệ tinh được sản xuất luôn gắn kèm với

ảnh một file dữ liệu bổ trợ đặc biệt quan trọng, trong đó có các thông só về mô hình vật lí của ảnh SPOT Mô hình vật lí cho biết các thông số của máy chụp đã tạo ra tấm

ảnh đó trên quỹ đạo Ngày nay nhà sản xuất còn tung ra các phần mềm chuyên dụng có khả năng đọc được các thông tin trên mô hình vật lí của ảnh SPOT và sử dụng các thông tin này trong quá trình bình sai, tăng dày hay dựng mô hình lập thể ảnh SPOT Hiện nay tại Trung tâm Viễn thám - Bộ Tài nguyên và Môi trường đã và đang ứng dụng vào sản xuất các phần mềm như SOCET SET, Deltamulti, ERDAS, PCI có khả năng đọc và tính toán bình sai sử dụng mô hình vật lí của ảnh SPOT Khi sử dụng mô hình vật lí việc định vị hay dựng mô hình lập thể tăng độ chính xác và giảm được một

số lượng điểm không chế ngoại nghiệp

Về nguyên lý, để mô hình hoá cảnh ảnh chỉ cần biết một số lượng điểm khống chế ảnh mặt đất đủ để giải hệ phương trình xác định các thông số cần thiết Như vậy đồ hình bố trí điểm khống chế trên cảnh ảnh sẽ không ảnh hưởng nhiều đến độ chính xác mô hình hoá, hay nói cách khác sẽ không ảnh hưởng đến độ chính xác nắn ảnh Tuy nhiên các thực nghiệm dưới đây sẽ cho thấy kết quả nắn chỉnh hình học ảnh vệ tinh SPOT với các số lượng và đồ hình bố trí khống chế ảnh khác nhau thể hiện trên thực tế như thế nào

Mô hình hàm hữu tỷ đưa ra một mối quan hệ xác định rõ ràng giữa hệ toạ độ

ảnh (x,y) và hệ toạ độ trắc địa 3D (X,Y, Z) thông qua liên hệ đa thức :

m k

m k

dijk XiYjZk

Trong đó P1,P2,P3,P4 là các giá trị đa thức bậc 3, tương ứng với 20 hệ số

II.1.3 Độ chính xác xác định khống chế ảnh:

Để nắn ảnh vệ tinh cần phải đo các điểm khống chế ảnh Điểm khống chế ảnh là

điểm có thể nhận biết rõ ràng trên ảnh đồng thời có mặt trên thực địa hoặc bản đồ tỷ lệ lớn, dựa vào đó mà người ta có thể xác định được được toạ độ và độ cao của nó bằng các thiết bị đo đạc như GPS hoặc từ bản đồ tỷ lệ lớn

Thực tiễn nắn chỉnh hình học ảnh số nói chung cho thấy sai số tồn tại tại điểm khống chế ảnh sau bình sai thường nằm trong khoảng 0,3-0,5 pixel Như vậy có thể thấy rằng độ chính xác đo đạc để xác định vị trí toạ độ của điểm khống chế ảnh trên thực địa không được lớn hơn 0,3-0,5 độ phân giải mặt đất của ảnh số Ví dụ với ảnh vệ tinh QUICK BIRD độ phân giải 0,62m cần đo đạc điểm khống chế ảnh ngoại nghiệp

với độ chính xác không vượt quá 0,2-0,3m Tương tự, với ảnh SPOT 5 độ phân giải mặt đất 2,5m cần đo đạc điểm khống chế ảnh ngoại nghiệp với độ chính xác không vượt quá 0,8-1,2m về mặt phẳng

Về độ cao, khoảng cao đều đường bình độ trên bản đồ tỷ lệ 1:10000 là 2,5m ở

đồng bằng và 5 m ở vùng đồi, núi Độ chính xác độ cao của khống chế ảnh cần đo đạc với độ chính xác không lớn hơn 0,2 khoảng cao đều đường bình độ ở vùng bằng phẳng

và 0,5m ở vùng đồi núi Tức là cần đo đạc điểm KCA với độ chính xác độ cao là 0.5m

ở vùng đồng bằng và không lớn hơn 2m ở vùng đồi, núi

Với các tiêu chí như trên cần lựa chọn các loại máy đo đạc, máy GPS để đảm bảo độ chính xác cần thiết của điểm khống chế ảnh

II.1.4 Nghiên cứu ảnh hưởng đồ hình bố trí khống chế ảnh:

II.1.4.1 Khảo sát đối với trường hợp ảnh SPOT:

Khái niệm cảnh ảnh, dải ảnh, khối ảnh vệ tinh và tăng dày khối ảnh vệ tinh:

Phương thức chụp ảnh SPOT cung cấp các ảnh đơn, gọi là cảnh ảnh (Scene) và các

ảnh theo một dải, gọi là dải ảnh (Segment) Các dải ảnh và các cảnh ảnh đơn ghép với nhau tạo nên một khối ảnh SPOT (Block) Cảnh ảnh vệ tinh là một ảnh vệ tinh đơn Dải ảnh vệ tinh (Segment) : Trong Chương I đã trình bày bản chất ảnh vệ tinh SPOT

được thu nhận theo một dải chụp, sau đó các cảnh ảnh vệ tinh được cắt ra theo kích thước số hàng bằng số cột Do vậy dải ảnh vệ tinh bao gồm các cảnh ảnh vệ tinh liên tục kế tiếp nhau được chụp cùng một ngày trên cùng một quỹ đạo

Khối ảnh vệ tinh được tạo nên khi kết hợp nhiều cảnh ảnh đơn, cảnh ảnh chụp cùng dải hoặc nhiều dải khác nhau và giữa ác cảnh, dải liền kề có độ phủ chờm lên nhau

Hình II- 1: Cảnh ảnh đơn vệ tinh SPOT

Khối ảnh vệ tinh được thành lập dựa trên quan hệ toán học giữa các đường quét trên cùng một cảnh , dải ảnh hoặc các cảnh, dải ảnh có độ phủ chờm Trong khối ảnh vệ tinh sẽ bao gồm các điểm khống chế ảnh , điểm nối dải, nối cảnh và các điểm tăng dày khống chế ảnh Khi tăng dày khống chế khối ảnh cần phải lựa chọn các phương án tối

ưu nhằm giảm thiểu số lượng điểm tính toán Các điểm nối giữa các ảnh nên đặt ở các vị trí phủ nhau của các cảnh ảnh và đảm bảo có độ chính xác đủ yêu cầu

vệ tinh thành lập các bình đồ ảnh sẽ đảm bảo tiếp biên hình ảnh giữa các cảnh ảnh khác nhau sẽ nằm trong hạn sai cho phép Cũng có thể sử dụng các điểm này để tính toán mô hình hoá các cảnh, dải ảnh và tiến hành nắn , ghép cả khối ảnh vệ tinh thành một ảnh, sau đố tiến hành cắt khối ảnh vệ tinh này theo các mảnh bình đồ ảnh, cũng

đảm bảo tiếp biên hình ảnh trong nội bộ bình đồ ảnh và giữa các bình đồ ảnh sẽ nằm trong hạn sai cho phép

Do đặc điểm riêng của ảnh SPOT mà dưới đây là các thực nghiệm tiến hành với các cảnh ảnh đơn lẻ và đối với dải và khối ảnh SPOT (Xem phụ lục 2)

II.1.4.1.1 Trường hợp cảnh ảnh vệ tinh đơn:

Khảo sát kết quả nắn ảnh vệ tinh Panchromatic độ phân giải 2.5m :

Khảo sát kết quả nắn ảnh với số điểm khống chế là 18 điểm , 12 điểm , 9 điểm ,

6 điểm và 5 điểm

1 Phương án 18 điểm khống chế đo GPS và 3 điểm kiểm tra:

2 Phương án 12 điểm khống chế đo GPS và 3 điểm kiểm tra:

3 Phương án 9 điểm khống chế đo GPS và 3 điểm kiểm tra:

4 Phương án 6 điểm khống chế đo GPS và 3 điểm kiểm tra:

5 Phương án 5 điểm khống chế đo GPS và 4 điểm kiểm tra:

Từ kết quả các sai số vị trí điểm trung bình của từng trường hợp ta có bảng sau :

Bảng II- 1 : Sai số vị trí điểm trung bình của từng trường hợp

m Điều này cho thấy về lý thuyết độ chính xác nắn ảnh có thể đạt mức ~ 2m đáp ứng

được yêu cầu về độ chính xác của bản đồ địa hình tỉ lệ 1/5 000

Sai số nắn ảnh (sử dụng mô hình số địa hình) so với các điểm kiểm tra là điểm đo GPS cũng đạt độ chính xác rất cao, phần lớn sai số tại các điểm đều ≤ 2,5m (tương

đương kích thước 1 pixel) Sự khác biệt về sai số mô hình hóa và sai số nắn ảnh có thể

do độ chính xác nhận dạng điểm kiểm tra trên ảnh và của mô hình số địa hình gây nên Qua đồ thị sai số nắn ảnh có thể nhận thấy rằng khi số lượng điểm khống chế tăng lên thì sai số nắn ảnh sẽ giảm Tuy nhiên, độ chính xác nắn ảnh không tăng đáng kể khi số lượng điểm khống chế thay đổi từ 5 đến 9 điểm, trong khi độ chính xác tăng lên một cách rõ ràng hơn khi tăng số điểm khống chế từ 9 lên 12 hoặc từ 12 lên 18 điểm

Đặc biệt là khi số lượng điểm khống chế tăng thì số điểm kiểm tra có sai số >2.5m cũng giảm đi rõ rệt như 5 điểm khi dùng 5 hoặc 6 điểm khống chế, 3 điểm khi dùng 9

điểm khống chế, 2 điểm khi dùng 12 điểm khống chế và 1 điểm khi dùng 18 điểm khống chế

Từ những kết quả trên có thể thấy rằng ảnh vệ tinh SPOT 5 PAN 2,5 m hoàn toàn có thể đáp ứng nhu cầu về thành lập hoặc hiện chỉnh bản đồ địa hình các tỉ lệ

Đồ thị sai số

0 1 2 3 4

số lượng điểm

Hình II- 5 : Đồ thị sai số đối với cảnh ảnh 271308

ảnh có góc nghiêng lớn, địa hình núi cao :

Tiến hành thử nghiệm trên cảnh ảnh vệ tinh số hiệu 271307, có góc nghiêng chụp ảnh 21˚, mô hình số địa hình thành lập từ bản đồ địa hình tỷ lệ 1 : 50 000, địa hình khu vực có chênh cao địa hình lớn:

Bảng II- 3 : Sai số vị trí điểm trung phương trung bình của các phương án trong

trường hợp ảnh có góc nghiêng lớn, địa hình núi cao

Đồ thị sai số

2.8 2.9 3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5

Trường hợp chọn điểm khống chế trên ảnh theo dải và theo khối

Thử nghiệm trên dải ảnh gồm 2 cảnh có địa hình bằng phẳng

Tiến hành thử nghiệm trên 2 cảnh ảnh vệ tinh số hiệu 271308 và 271309, có góc nghiêng chụp ảnh 21˚, mô hình số địa hình thành lập từ bản đồ địa hình tỷ lệ 1 : 50

000, địa hình khu vực địa hình bằng phẳng :

số l -ợ ng đi ểm

Hình II- 7: Đồ thị sai số đối với dải ảnh 271308-271309 ở khu vực có địa hình bằng phẳng Thử nghiệm trên dải ảnh gồm 2 cảnh : một cảnh địa hình bằng phẳng, một cảnh địa hình núi cao Tiến hành thử nghiệm trên 2 cảnh ảnh vệ tinh số hiệu 271307 và 271308,

có góc nghiêng chụp ảnh 21˚, mô hình số địa hình thành lập từ bản đồ địa hình tỷ lệ

1 : 50 000, địa hình khu vực địa hình bằng phẳng: Hmin = 1 m ; Hmax =1002 m; Htb =150 m

Bảng II- 5 : Sai số vị trí điểm trung phương trung bình của khối ảnh trong trường hợp

1 cảnh có địa hình bằng phẳng, 1 cảnh có địa hình núi cao

Đồ thị sai số

4.4 4.6 4.8 5 5.2 5.4

số lượng điểm

Hình II- 8 : Đồ thị sai số đối với dải ảnh ở khu vực có chênh cao địa hình lớn

Khi nắn ảnh số lượng điểm khống chế càng nhiều thì độ chính xác nắn ảnh càng cao, độ chính xác nắn ảnh tốt nhất khi số lượng điểm khống chế trong khoảng từ 9 đến

12 điểm Trong trường hợp này với phương án chọn 12 điểm khống chế chỉ đảm bảo độ chính xác để thành lập bình đồ ảnh tối đa ở tỉ lệ 1/25 000

II.1.4.1.2 Thử nghiệm trên khối ảnh vệ tinh

Thử nghiệm trên BLOCK gồm 4 cảnh 270308 (góc nghiêng +13°), 270309 (góc nghiêng +25°8), 271308 và 271309 (góc nghiêng -21°0)

1 Phương án 1

địa hình Do chưa có điều kiện thử nghiệm ở các cảnh có góc nghiêng nhỏ, địa hình tương đối bằng phẳng nhưng thực tế ở một số công trình thử nghiệm nhỏ thì sai số tính toán trên mô hình ở các cảnh này vẫn đảm bảo độ chính xác thành lập bình đồ ảnh tỷ

- Mô hình thuật toán sử dụng ( phụ thuộc vào phần mềm nắn ảnh)

1 Để nâng cao độ chính xác điểm khống chế ảnh cần năng cao độ chính xác khi đo khống chế bằng phương pháp GPS Độ chính xác của điểm GPS phụ thuộc chủ yếu vào khả năng định vị điểm đo GPS ngoài thực địa tương ứng trên ảnh Khi chọn

điểm chú ý chọn ở những nơi dễ nhận biết, dễ đi lại, thông thoáng để đảm bảo thu được tín hiệu vệ tinh

2 Đồ hình bố trí điểm khống chế ảnh : đối với ảnh đơn đồ hình tối ưu nhất là

bố trí thành 3 hàng, số điểm là từ 9 đến 12 điểm, tốt nhất là 12 điểm Vùng bằng phẳng khi nắn ảnh sử dụng mô hình số địa hình thành lập từ bản đồ địa hình tỷ lệ 1:50 000 là

đảm bảo độ chính xác cho thành lập bình đồ ảnh đến tỉ lệ 1: 10 000, còn đối với vùng núi cao thì phải sử dụng mô hình số địa hình thành lập từ bản đồ địa hình tỷ lệ : 25000 mới đảm bảo độ chính xác cho thành lập bình đồ ảnh tỉ lệ 1: 10 000

3 Trong trường hợp thi công trên một khu vực lớn phải sử dụng nhiều ảnh vệ tinh thì mô hình toán học sử dụng cho quá trình tăng dày khống chế ảnh tối ưu nhất là

Hình II- 13 : Đồ hình bố trí điểm treo 1 góc trên cảnh ảnh đơn đối với vùng có độ cao