Nghiên cứu thành lập bản đồ địa hình bằng ảnh máy bay không người lái

http://vienthambien.blogspot.com/

1

LỜI MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay, công nghệ viễn thám trên thế giới phát triển khá đa dạng, có rất nhiều thiết bị thu nhận các hình ảnh có độ phân giải mặt đất từ vài centimet đến hàng chục mét, có thể chụp ở cự ly rất gần vài chục mét cho đến khoảng cách rất xa hàng trăm kilomet Tuỳ thuộc vào cự ly chụp và tính chất vật lý sóng chụp của các thiết bị thu nhận hình ảnh mà có thể phân loại thành các công nghệ như: chụp ảnh

vệ tinh, chụp ảnh hàng không bằng máy bay có người lái và không người lái (UAV), công nghệ quét Lidar

Công tác thành lập bản đồ địa hình trong dãy bản đồ tỷ lệ cơ bản 1:2.000, 1:5.000, 1:10.000, 1:25000 và 1:50.000 ở nước ta chủ yếu sử dụng phương pháp đo vẽ ảnh lập thể, nguồn tư liệu đầu vào cho phương pháp đo vẽ ảnh từ toàn năng, giải tích đến đo vẽ ảnh số được phát triển từ phim nhựa hàng không, đến tư liệu ảnh số được chụp từ máy ảnh kỹ thuật số chuyên dụng Tuy nhiên việc thu thập các dữ liệu ảnh chụp vệ tinh quang học và ảnh chụp hàng không có người lái có lúc không được kịp thời và bị ảnh hưởng rất lớn trong điều kiện thời tiết có mây Việt Nam nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới, tỷ lệ diện tích của lãnh thổ bị mây che phủ lên đến 70% nên hiệu suất có được ảnh vệ tinh không mây là rất thấp

Tư liệu ảnh hàng không chụp từ thiết bị bay không người lái bằng máy chụp ảnh phổ thông sẽ được bổ sung cho sự thiếu hụt về thu nhận dữ liệu từ vệ tinh và máy bay có người lái, nhằm nghiên cứu địa hình ở độ cao thấp bằng cách gắn các thiết bị máy chụp ảnh phổ thông và máy quay video chuyên dụng

Mặt khác, các phần mềm đo ảnh ở Việt Nam được các cơ quan, doanh nghiệp nhập rất nhiều, các phần mềm đều là các phần mềm thương mại, các mã nguồn đều bị khóa không có thể can thiệp vào chương trình Đối với máy chụp ảnh số phổ thông, qua các kết quả nghiên cứu trên thế giới sai số lớn nhất chủ yếu tập trung vào sai số méo hình kính vật Vì lý do đó, việc xử lý sai số méo hình của máy chụp ảnh phổ thông bằng phần mềm của Việt Nam tự viết cho phù hợp với các công

2

thức cải chính sai số méo hình kính vật của các hãng nước ngoài kết hợp các phần mềm đo vẽ hiện có hoàn toàn chúng ta có thể áp dụng thành công phương pháp đo ảnh khoảng cách gần sử dụng máy bay không người lái ở Việt Nam Điều này giảm nhẹ chi phí đầu tư cho việc mua các phần mềm của các hãng

Chính vì vậy, việc sử dụng máy chụp ảnh số gắn trên máy bay không người lái phục vụ trong công tác thành lập bản đồ bằng phương pháp đo ảnh là một đề tài nghiên cứu mang tính ứng dụng cao, bổ sung thêm nguồn tư liệu và công nghệ trong công tác thành lập bản đồ bằng công nghệ ảnh Do đó em đã chọn đồ án tốt

nghiệp: “Nghiên cứu ứng dụng thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ 1:10000 bằng ảnh máy bay không người lái”

3 Nội dung nghiên cứu

- Quy trình chụp ảnh bằng thiết bị máy bay không người lái;

- Quy trình thành lập bản đồ địa hình bằng ảnh máy bay không người lái;

- Sử dụng ảnh hàng không không người lái để thành lập bản đồ địa hình 1:10000

4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: sử dụng các tài liệu lý thuyết về bản đồ địa hình, đo ảnh Tìm kiếm tài liệu và cập nhật các thông tin trên mạng internet

- Phương pháp phân tích: sử dụng các phương tiện và các công cụ tiện ích, phân tích logic các tư liệu, đánh giá khách quan các yếu tố để đưa ra kết luận chính xác làm cơ sở giải quyết các vấn đề đặt ra

- Phương pháp thực nghiệm: thành lập bản đồ tỷ lệ 1:10.000 bằng ảnh máy bay không người lái

5 Cấu trúc của đồ án

3

Đồ án gồm có 3 chương với 37 hình và 3 bảng

Chương 1: Tổng quan nội dung nghiên cứu

Chương 2: Cơ sở khoa học sử dụng ảnh chụp bằng máy bay không người lái phục vụ thành lập bản đồ địa hình

Chương 3: Thực nghiệm thành lập bản đồ địa hình bằng ảnh máy bay không người lái

Kết luận và kiến nghị

Tài liệu tham khảo

Để hoàn thành đồ án, bản thân em không ngừng học tập, tìm hiểu công nghệ

và tham khảo rất nhiều tài liệu Trong quá trình thực hiện, em đã nhận được nhiều

sự giúp đỡ quí báu có hiệu quả từ các thầy, cô trong khoa Trắc địa – Bản đồ, Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội và các bạn bè đồng nghiệp Đặc biệt cho em gửi lời biết ơn chân thành tới ThS: Đỗ Thị Hoài - người đã trực tiếp tận tình hướng dẫn, chỉ bảo em trong suốt thời gian thực hiện đồ án tốt nghiệp

Mặc dù em đã có nhiều rất cố gắng nhưng trong quá trình làm đồ án không thể tránh được những sai sót Em rất mong nhận được ý kiến của các thầy cô cùng các bạn đồng nghiệp để kiến thức của em sẽ hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn !

Hà Nội, tháng 6 năm 2015

Bản đồ địa hình cần phải rõ ràng, dễ đọc, cho phép định hướng dễ dàng nhanh chóng ở thực địa Các yếu tố biểu thị trên bản đồ cần phải đầy đủ chính xác, cho phép người đọc xác định được định tính, định lượng của vùng địa hình

2 Phân loại bản đồ địa hình

a Phân loại theo tỷ lệ

- Bản đồ tỷ lệ lớn gồm các bản đồ có tỷ lệ 1:500 đến 1:200.000;

- Bản đồ tỷ lệ trung bình gồm các bản đồ tỷ lệ 1:250.000 đến 1:500.000;

- Bản đồ tỷ lệ nhỏ gồm các bản đồ tỷ lệ nhỏ hơn 1:1.000.000

b Phân loại theo nội dung

- Nhóm bản đồ địa hình tỷ lệ 1:500 đến 1:200.000 bao gồm:

5

- Nhóm bản đồ địa hình khái quát bao gồm các bản đồ có tỷ lệ nhỏ hơn 1:1.000.000

c Phân loại bản đồ theo mục đích sử dụng

Bản đồ địa hình cơ bản: là loại bản đồ phản ánh các yếu tố địa hình địa vật trên bề mặt lãnh thổ ở thời điểm đo vẽ với độ chính xác và tin cậy cao, mức độ chi tiết và tương đối đồng đều

Bản đồ địa hình chuyên dụng: là loại bản đồ thành lập để giải quyết mục đích

cụ thể của một hay nhiều ngành Trên bản đồ ưu tiên phản ánh các đối tượng địa hình, địa vật phục vụ cho mục đích chuyên dụng hoặc chuyên ngành thì được phản ánh một cách chi tiết, mặt khác thì phản ánh sơ sài hơn đối với những đối tượng địa hình, địa vật ít sử dụng

Bản đồ nền địa hình: là loại bản đồ đã được lược bớt đi một số đặc điểm tính chất của các yếu tố địa hình, địa vật nhằm giảm nhẹ trọng tải của bản đồ, có thể coi bản đồ đã được đơn giản hóa Về hình thức trình bày bản đồ nền địa hình vẫn giữ nguyên hệ thống ký hiệu của bản đồ địa hình cơ bản nhưng có giảm bớt số lượng màu in Bản đồ này dùng làm cơ sở địa hình thể hiện các yếu tố của bản đồ chuyên môn, chuyên đề

3 Vai trò bản đồ địa hình

Bản đồ địa hình cho phép ta bao quát những phạm vi bất kỳ của bề mặt Trái Đất Bản đồ địa hình tạo ra bề mặt nhìn thấy được của nhiều yếu tố, như dáng đất hình dạng kích thước và vị trí tương quan của các đối tượng

Từ bản đồ ta có thể xác định được các đặc trưng như toạ độ, phương hướng diện tích, độ cao độ dốc Bản đồ địa hình còn chứa nhiều thông tin về các đại lượng, số lượng, cấu trúc của các đối tượng và những mối liên hệ tồn tại giữa chúng Do vậy bản đồ địa hình có vai trò cực kỳ quan trọng và to lớn trong phát triển dân sinh, kinh tế của con người

Trong xây dựng công nghiệp, năng lượng, giao thông và các công trình khác, bản đồ sử dụng rộng rãi ở các giai đoạn khác nhau, từ công việc thiết kế kỹ thuật,

Các kết quả nghiên cứu khoa học về địa chất, thăm dò tìm kiếm đều được bắt đầu từ bản đồ địa hình và kết thúc bằng bản đồ chuyên đề Các kết quả nghiên cứu được thể hiện trên bản đồ, được chính xác hoá trên bản đồ và chúng làm phong phú thêm nội dung bản đồ

Trong mục đích quân sự bản đồ dùng để nghiên cứu, bố trí trận địa, các căn

cứ bảo vệ tổ quốc và đặc biệt là pháo binh

Với một số loại bản đồ có tỷ lệ lớn từ 1:5000 - 1:500 nó có công dụng sau:

- Thiết kế chi tiết mặt bằng cho thành phố, bố trí hệ thống cấp thoát nước điện dân dụng và các công trình khác khi xây dựng thành phố

- Lập bản đồ thiết kế kỹ thuật và bản đồ khái quát chung cho các cảng, xí nghiệp công trình thuỷ điện, đặt các tuyến đường và các kênh mương… Tùy theo từng yêu cầu kỹ thuật, từng dạng công việc mà chúng ta chọn tỷ lệ bản đồ cần thành lập

1.1.2 Cơ sở toán học bản đồ địa hình

Cơ sở toán học của bản đồ địa hình nhằm đảm bảo độ chính xác của bản đồ, đáp ứng yêu cầu sử dụng, đồng thời có thể ghép nhiều mảnh bản đồ lại với nhau mà vẫn giữ được tính nhất quán

1 Phép chiếu

Để biểu thị các yếu tố địa hình, địa vật lên mặt phẳng tờ bản đồ sao cho chính xác, ít bị biến dạng nhất ta phải sử dụng phép chiếu hình bản đồ thích hợp Các yếu tố địa hình, địa vật là tập hợp của vô số điểm có quy luật nhất định trong

7

không gian và ta chỉ cần biểu thị một số đặc điểm đặc trưng rồi dựa vào quy luật đó

để nội suy, khái quát hoá các điểm khác

Trong khi lựa chọn hệ quy chiếu phải đặc biệt ưu tiên giảm nhỏ đến mức có thể ảnh hưởng của biến dạng phép chiếu đến kết quả thể hiện các yếu tố trên bản đồ

Hiện nay, có hai phép chiếu đẳng góc có khả năng sử dụng cho bản đồ địa hình ở Việt Nam đó là phép chiếu Gauss - krueger (trong hệ HN - 72) và phép chiếu UTM (trong hệ VN - 2000)

a Phép chiếu Gauss - krueger

Hình 1.1: Phép chiếu Gauss - krueger Đặc điểm:

- Xích đạo sau khi chiếu là đoạn thẳng vuông góc với kinh tuyến giữa;

- Các vĩ tuyến khác là những đường cong khum giới hạn bởi 2 kinh tuyến biên của mỗi múi và quay bề lõm về phía hai cực và đối xứng với nhau qua đường xích đạo

- Kinh tuyến giữa là đường chuẩn không có biến dạng (ko = 1), càng xa đường chuẩn biến dạng càng tăng, biến dạng lớn nhất là giao của xích đạo với hai kinh tuyến biên

8

Lãnh thổ Việt Nam theo phép chiếu hình Gauss, phần đất liền chủ yếu trải trong phạm vi múi thứ 18 có kinh tuyến giữa là 105oĐ (trừ Mường Tè, Đà Nẵng, Bình Thuận ) Do đó, trong hệ HN - 72 sử dụng phép chiếu hình Gauss làm cơ sở toán học cho bản đồ địa hình là hợp lý

Nhằm đảm bảo độ chính xác ta dùng phép chiếu hình Gauss với múi chiếu 6o

để đảm bảo cơ sở toán học khi thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ 1:10.000 và nhỏ hơn, dùng phép chiếu Gauss với múi chiếu 3o hoặc nhỏ hơn để thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn từ 1:5.000 đến 1:500

b Phép chiếu UTM

Hình 1.2: Phép chiếu UTM Đặc điểm:

- Là phép chiếu đồng góc;

- Kinh tuyến giữa của múi 6o là các đoạn thẳng Các kinh tuyến khác là các đoạn cong khum quay bề lõm về kinh tuyến giữa và đối xứng với nhau qua kinh tuyến giữa của mỗi múi;

- Xích đạo sau khi chiếu là đoạn thẳng vuông góc với kinh tuyến giữa Các vĩ tuyến khác là những đường cong quay bề lõm về phía hai cực và đối xứng với nhau qua đường xích đạo;

- Hình chiếu của các kinh tuyến vuông góc với hình chiếu của các vĩ tuyến;

- Hai đường kinh tuyến chuẩn nằm về hai phí của kinh tuyến trục trên đường chuẩn không có biến dạng, càng xa đường chuẩn biến dạng càng tăng, biến dạng lớn nhất là giao của xích đạo với hai kinh tuyến biên và kinh tuyến giữa (ko = 0,9996)

9

Hiện nay, để thuận lợi cho việc sử dụng hệ toạ độ chung trong khu vực cũng như toàn cầu, trong hệ toạ độ quốc gia mới VN - 2000 sử dụng phép chiếu UTM thay cho phép chiếu Gauss

So với phép chiếu hình Gauss, phép chiếu UTM có ưu điểm là độ biến dạng được phân bố đồng đều và có trị số nhỏ Tỷ lệ độ dài trên kinh tuyến trục là k=0,9996 còn hai kinh tuyến biên lớn hơn 1

+ : vĩ độ địa lý, là góc hợp giữa phương của đường dây dọi qua M và hình chiếu của nó trên mặt phẳng xích đạo,  = 0o ÷ 90o

+ : kinh độ địa lý, là góc nhị diện hợp bởi mặt phẳng kinh tuyến đi qua điểm M và mặt phẳng kinh tuyến gốc,  = 0o ÷ 180o

Hình 1.3: Hệ tọa độ địa lý Việt Nam nằm hoàn toàn ở phía Bắc bán cầu và phía Đông kinh tuyến Greenwich nên tất cả các điểm nằm ở trên lãnh thổ nước ta đều có vĩ độ Bắc và kinh

độ Đông

10

Trên mảnh bản đồ địa hình người ta biểu thị mạng lưới kinh vĩ tuyến và toạ

độ địa lý ở đường khung

b Hệ toạ độ phẳng vuông góc Gauss(X,Y)

Hệ toạ độ này được xây dựng trên mặt phẳng múi 6o của phép chiếu hình Gauss Trong đó, nhận hình chiếu của kinh tuyến giữa múi làm trục X và xích đạo thuộc trục Y Trục X vuông góc với trục Y tại O Bắc bán cầu có X > 0 nhưng Y có thể âm hoặc dương

Để khi tính toán tránh được trị số âm cho hoành độ Y của các điểm nằm ở phía Tây của múi chiếu, người ta quy ước điểm gốc O có toạ độ xO = 0, yO = 500km, nghĩa là tịnh tiến kinh tuyến giữa múi về phía Tây 500km

Hình 1.4: Hệ tọa độ phẳng Gauss

Để tiện sử dụng trên bản đồ địa hình người ta kẻ sẵn lưới toạ độ vuông góc bằng những đường thẳng song song với OX và OY tạo thành lưới ô vuông Chiều dài cạnh của lưới có tính đến ảnh hưởng của biến dạng và tương ứng với tỷ lệ bản

đồ

c Hệ toạ độ vuông góc UTM (N,E)

Hệ toạ độ này được xây dựng trên mặt phẳng của múi chiếu hình UTM Toạ

độ được xác định bởi tung độ N (Bắc) và hoành độ E (Đông) Cũng giống như trong phép chiếu hình Gauss, trục tung cũng được dịch đi 500km

11

Hình 1.5: Hệ tọa độ vuông góc UTM Nếu cùng một kích thước Elipsoid và ở trên cùng một múi chiếu thì ta có thể tính chuyển (X,Y) sang (N,E) và ngược lại thông qua hệ số tỷ lệ chiếu bằng 0,9996

3 Cơ sở trắc địa

Cơ sở trắc địa của bản đồ được đặc trưng bởi Ellipxoid Trái Đất và hệ thống mạng lưới khống chế trắc địa

- Hiện nay các bản đồ địa hình Việt Nam được thành lập trong hệ quy chiếu

và hệ toạ độ quốc gia VN - 2000 với các thông số như sau:

+ Elipxoid quy chiếu quốc gia là Elipsoid WGS-84

+ Vị trí Elipxoid quy chiếu quốc gia là Ellipxoid WGS-84 toàn cầu được xác định phù hợp với lãnh thổ Việt Nam trên cơ sở sử dụng các điểm GPS cạnh dài có

độ cao thuỷ chuẩn phân bố trên toàn bộ lãnh thổ

+ Điểm gốc toạ độ quốc gia: Điểm N00 đặt tại khuôn viên Viện nghiên cứu địa chính Điểm gốc độ cao được lấy tại Hòn dấu - Hải Phòng

- Hệ thống mạng lưới khống chế trắc địa:

+ Là hệ thống các điểm được chọn và đánh dấu mốc vững chắc trên mặt đất, chúng liên kết với nhau tạo thành các mạng lưới Mạng lưới khống chế trắc địa được xây dựng theo nguyên tắc từ tổng thể đến cục bộ, từ độ chính xác cao đến độ chính xác thấp

12

+ Mạng lưới khống chế trắc địa nhà nước của Việt Nam cả về mặt phẳng và

độ cao đều được xây dựng theo 4 hạng tuần tự là hạng I, hạng II, hạng III và hạng

IV Lưới hạng I phủ trùm quốc gia, lưới hạng II được chêm vào lưới hạng I, sau đó được chêm dày thêm bằng lưới hạng III và hạng IV

+ Tuỳ vào yêu cầu của công việc mà lập thêm các lưới khống chế cấp thấp hơn như: lưới giải tích, lưới đường chuyền hoặc lưới khống chế đo vẽ Nhưng các lưới này phải đo nối với lưới khống chế nhà nước

Các quy định khác về cơ sở trắc địa phải tuân thủ theo các quy định của quy phạm hiện hành

4 Phân mảnh bản đồ địa hình

a Phân mảnh và đặt phiên hiệu bản đồ địa hình tỷ lệ 1:1.000.000

Mảnh bản đồ tỷ lệ 1:1.000.000 có kích thước  4o,   6o được đánh số cột bằng số Ả Rập 1,2,3 Bắt đầu từ cột số 1 nằm giữa kinh tuyến 180oĐ và 174oT Phiên hiệu mảnh bản đồ trong hệ VN-2000 có dạng X- YY(NX- YY) Trong đó X

là ký hiệu đai, YY là ký hiệu múi, phần trong ngoặc là phiên hiệu của bản đồ đó theo kiểu UTM quốc tế

F-48 (NF-48)

Ví dụ về mảnh bản đồ tỷ lệ 1:1.000.000:

b Phân mảnh và đặt phiên hiệu mảnh bản đồ địa hình tỷ lệ 1:500.000

Từ mảnh bản đồ 1:1.000.000 chia thành 4 mảnh có kích thước 2o x 3o đặt bằng các chữ cái Latinh A,B,C,D theo thứ tự từ trái qua phải, từ trên xuống dưới Phiên hiệu mảnh bản đồ tỷ lệ 1:500.000 gồm phiên hiệu mảnh bản đồ tỷ lệ 1:1.000.000 kèm theo dấu hiệu mảnh bản đồ đó

Ví dụ về mảnh bản đồ tỷ lệ 1:500.000: F-48-D

c Phân mảnh và đặt phiên hiệu mảnh bản đồ địa hình tỷ lệ 1:250.000

Mảnh bản đồ địa hình tỷ lệ 1:500.000 chia thành 04 mảnh có kích thước 1o x

1o30’ ký hiệu bằng các số Ả Rập 1,2,3,4 theo thứ tự như trên Phiên hiệu mảnh bản

đồ tỷ lệ 1:250.000 gồm phiên hiệu mảnh bản đồ tỷ lệ 1:500.000 và dấu hiệu mảnh bản đồ đã đánh dấu

Ví dụ về mảnh bản đồ tỷ lệ 1:250.000: F-48-D-4

13

d Phân mảnh và đặt phiên hiệu mảnh bản đồ địa hình tỷ lệ 1:100.000

Mảnh bản đồ tỷ lệ 1:1.000.000 chia thành 96 mảnh có kích thước 30’ x 30’ đặt bằng các số Ả Rập từ 1 đến 96 Phiên hiệu mảnh bản đồ tỷ lệ 1:100.000 gồm nhiều phiên hiệu mảnh bản đồ tỷ lệ 1:1.000.000 kèm theo số thự tự mảnh chia đó

F-48-96(6151)

Ví dụ về mảnh bản đồ tỷ lệ 1:100.000:

e Phân mảnh và đặt phiên hiệu mảnh bản đồ địa hình tỷ lệ 1:50.000

Mảnh bản đồ tỷ lệ 1:100.000 chia thành 04 mảnh có kích thước 15’x15’ đặt bằng các chữ cái A, B, C, D Phiên hiệu mảnh bản đồ tỷ lệ 1:50.000 gồm phiên hiệu mảnh bản đồ tỷ lệ 1:100.000 và dấu hiệu chữ cái mảnh 1:50.000

F-48-96-D(6151 IV)

Ví dụ về mảnh bản đồ tỷ lệ 1:50.000:

f Phân mảnh và đặt phiên hiệu mảnh bản đồ địa hình tỷ lệ 1:25.000

Mỗi mảnh bản đồ tỷ lệ 1:50.000 chia thành 4 mảnh có kích thước 7’30” x 7’30” đặt bằng a,b,c,d Phiên hiệu mảnh bản đồ tỷ lệ 1:25.000 gồm phiên hiệu mảnh bản đồ tỷ lệ 1:50.000 và ký hiệu mảnh bản đồ đó

F-48-96-D-d

Ví dụ về mảnh bản đồ tỷ lệ 1:25.000:

g Phân mảnh và đặt phiên hiệu mảnh bản đồ địa hình tỷ lệ 1:10.000

Mỗi mảnh bản đồ tỷ lệ 1:25.000 chia làm 4 mảnh có kích thước 3’45” x 3’45” ký hiệu bằng số Ả Rập 1,2,3,4 Phiên hiệu mảnh bản đồ tỷ lệ 1:10.000 gồm phiên hiệu mảnh bản đồ tỷ lệ 1:25.000 tiếp sau đó là ký hiệu mảnh bản đồ đó

F-48-96-D-d-4

Ví dụ về mảnh bản đồ tỷ lệ 1:10.000:

h Phân mảnh và đặt phiên hiệu mảnh bản đồ địa hình tỷ lệ 1:5.000

Mỗi mảnh bản đồ tỷ lệ 1:100.000 chia làm 256 mảnh có kích thước 1’52.5” x 1’52” ký hiệu bằng số Ả Rập từ 1 đến 256 Phiên hiệu mảnh bản đồ tỷ lệ 1:5.000 gồm phiên hiệu mảnh bản đồ tỷ lệ 1:100.000 và ký hiệu mảnh bản đồ đó đặt trong dấu ngoặc đơn

F-48-96-(256)

Ví dụ về mảnh bản đồ tỷ lệ 1:5.000:

i Phân mảnh và đặt phiên hiệu mảnh bản đồ địa hình tỷ lệ 1:2.000

Mỗi mảnh bản đồ tỷ lệ 1:2.000 chia làm 9 mảnh có kích thước 37.5” x 37.5”

ký hiệu bằng chữ số La Tinh a, b, c, d, e, f, g, h, k theo thứ tự từ trái qua phải, từ

k Phân mảnh và đặt phiên hiệu mảnh bản đồ địa hình tỷ lệ 1:1.000

Mỗi mảnh bản đồ tỷ lệ 1:2.000 chia làm 4 mảnh ký hiệu bằng số La Mã I, II, III, IV theo thứ tự từ trái qua phải, từ trên xuống dưới Phiên hiệu mảnh bản đồ tỷ lệ 1:1.000 gồm phiên hiệu mảnh bản đồ tỷ lệ 1:2.000 và ký hiệu mảnh bản đồ đó

F-48-96-(256-k-IV)

Ví dụ về mảnh bản đồ tỷ lệ 1:1.000:

l Phân mảnh và đặt phiên hiệu mảnh bản đồ địa hình tỷ lệ 1:500

Mỗi mảnh bản đồ tỷ lệ 1:2.000 chia làm 16 mảnh tỷ lệ 1:500 ký hiệu bằng số

Ả Rập từ 1 đến 16 Phiên hiệu mảnh bản đồ tỷ lệ 1:500 gồm phiên hiệu mảnh bản

đồ tỷ lệ 1:2.000 kèm theo ký hiệu mảnh bản đồ đó

F-48-96-(256-k-16)

Ví dụ về mảnh bản đồ tỷ lệ 1:500:

15

Phân mảnh theo phép chiếu UTM

Hình 1.6: Sơ đồ phân mảnh bản đồ địa hình theo phép chiếu UTM

1:1.000.000 (F-48)

1:25.000 (a,b,c,d)

1:100.000 (1÷96)

1:50.000 (A,B,C,D)

1:10.000 (1,2,3,4)

96 mảnh (12x8)

9 mảnh

1:1.000 (I,II,III,IV)

4 mảnh

1:500 (1÷16)

16 mảnh (4x4)

16

1.1.3 Nội dung của bản đồ địa hình

Nội dung bản đồ địa hình được xác định theo ý nghĩa, tác dụng và các yêu cầu đối với bản đồ Việc xác định nội dung bản đồ rất quan trọng trong công tác biên tập thành lập bản đồ Những yếu tố cơ bản của nội dung bản đồ bao gồm:

Bên cạnh đó là những địa vật định hướng Đó là những đối tượng khu vực,

nó cho phép ta xác định vị trí nhanh chóng và chính xác trên bản đồ ví dụ như các tòa nhà cao, các nhà thờ, cột cây số… Các địa vật định hướng cũng bao gồm một số địa vật không nhô cao so với mặt đất nhưng dễ dàng nhận biết như ngã ba, ngã tư đường sá, các giếng ở ngoài vùng dân cư…

2 Dân cư

Các điểm dân cư là một trong những yếu tố quan trọng nhất của bản đồ địa hình Khi thể hiện các điểm dân cư trên bản đồ phải giữ được đặc trưng về quy hoạch, cấu trúc

Tỷ lệ bản đồ địa hình càng lớn thì mức độ càng chi tiết Khi thu nhỏ tỷ lệ phải tiến hành tổng quát hóa

Trên các bản đồ tỷ lệ lớn thì sự biểu thị các điểm dân cư càng tỉ mỉ, phạm vi dân cư phải biểu thị khép kín bằng các ký hiệu tương ứng Các công trình công

Sự biểu thị các yếu tố thuỷ hệ còn được bổ sung bằng các đặc trưng hướng dòng chảy và độ rộng

4 Giao thông

Trên các bản đồ địa hình mạng lưới đường được thể hiện tỉ mỉ về khả năng giao thông và trạng thái của đường Mạng lưới đường được thể hiện chi tiết hoặc khái lược và tuỳ thuộc vào tỷ lệ của bản đồ, cần phải phản ánh đúng mật độ của lưới đường, hướng và vị trí của các con đường, chất lượng của chúng Khi lựa chọn phải xét đến ý nghĩa của đường, phải biểu thị những con đường đảm bảo mối liên hệ giữa các điểm dân cư với nhau, với các ga xe lửa, các bến tàu, sân bay…

Trên các bản đồ tỷ lệ lớn phải biểu thị tất cả các con đường như: đường sắt, đường ô tô, đường rải nhựa, đường đất lớn - nhỏ, đường mòn

5 Thực vật

Trên các bản đồ địa hình biểu thị các loại rừng, vườn cây, đồn điền, ruộng, đồng cỏ, tài nguyên, cát, đất mặn, đầm lầy… Ranh giới các khu thực vật phủ và với các loại đất được biểu thị bằng các đường nét đứt hoặc dãy các dấu chấm, ở diện tích bên trong đường viền thì vẽ các ký hiệu quy ước đặc trưng cho từng loại thực vật hoặc đất Ranh giới của các loại thực vật và đất cần được thể hiện chính xác về phương diện đồ hoạ, thể hiện rõ ràng những chỗ ngoặt có ý nghĩa định hướng

6 Ranh giới

Bản đồ địa hình khi thể hiện ranh giới, địa giới hành chính thì ngoài đường biên giới quốc gia còn thể hiện đầy đủ địa giới hành chính của các cấp Các ranh giới phân chia hành chính, theo các tài liệu nhà nước Các mốc địa giới khi đo vẽ

đá, bãi đá

Quy định chung trên một tờ bản đồ chỉ có một khoảng cao đều, trong trường hợp địa hình có đột biến như núi và đồng bằng kề nhau, chen nhau thì cho phép trên một mảnh mảnh bản đồ có hai loại khoảng cao đều

Bảng 1.1: Khoảng cao đều các đường bình độ trên bản đồ địa hình

Tỷ lệ

bản đồ

Khoảng cao đều (m)

Tỷ lệ bản đồ

Khoảng cao đều (m)

Nhỏ nhất Trung

bình

Lớn nhất

Nhỏ nhất

Trung bình

Lớn nhất

19

núi, yên núi, thung lũng, các vách nứt, rãnh sói, đất trượt và các dạng có liên quan với sự hình thành nhân tạo như chỗ đắp cao, chỗ đào sâu… Sử dụng bản đồ có thể thu nhận được những số liệu về độ cao, về độ dốc với độ chính xác cao, đồng thời phải đảm bảo phản ánh đúng đắn sự cắt xẻ ngang và cắt xẻ đứng của bề mặt

1.1.4 Các phương pháp thành lập bản đồ địa hình

Hình 1.7: Sơ đồ các phương pháp thành lập bản đồ địa hình

Thành lập bản đồ địa hình ở Việt Nam có nhiều hướng:

- Thành lập bản đồ địa hình bằng phương pháp biên vẽ chuyển tiếp từ bản đồ địa hình tỷ lệ lớn hơn vừa mới đo vẽ kế cận và tỷ lệ nhỏ hơn

- Thành lập bản đồ địa hình bằng phương pháp đo vẽ trực tiếp ngoài thực địa

- Thành lập bản đồ địa hình bằng phương pháp đo vẽ trực tiếp sử dụng ảnh hàng không hoặc ảnh vệ tinh

PP đo ảnh tương tự

PP đo ảnh giải tích

Đo ảnh số

Đặc điểm của phương pháp: dùng bản đồ tỷ lệ lớn đã có chuyển về tỷ lệ kế cận và thông qua việc biên vẽ kết hợp với tổng quát hóa, khái quát và nội dung trên bản đồ tỷ lệ lớn hơn về tỷ lệ nhỏ hơn kế cận đảm bảo dung lượng trọng tải bản đồ hợp lý đúng theo quy phạm và ký hiệu hiện hành

Hiện nay việc thực hiện thành lập bản đồ bằng phương pháp biên vẽ hoàn toàn trên máy tính là chưa thực hiện được là bởi vì là còn nhiều bất cập trong biên vẽ Vì vậy quá trình tổng hợp, khái quát, lựa chọn thể hiện nội dung để lập bản vẽ hiện nay vẫn nằm trên giấy Còn lại các công đoạn khác đều thực hiện trên máy tính, công nghệ kết hợp được áp dụng khi tài liệu chính để thành lập bản đồ là các file bản đồ số cũ hoặc gốc mới hoặc cũng có thể là bản đồ giấy ở tỷ lệ lớn hơn Hiện nay ở các cơ sở sử dụng công nghệ kết hợp phổ biến hơn công nghệ truyền thống

Ưu điểm: Công tác thành lập bản đồ được thực hiện nhanh chóng, đạt

độ chính xác cao, công việc thành lập được tiến hành hoàn toàn trong phòng nên triển khai công việc khá thuận tiện, chỉ cần sử dụng các phương tiện, dụng cụ truyền thống

Nhược điểm: Phương pháp này chỉ thực hiện được ở khu vực cần thành lập đã có bản đồ địa hình tỷ lệ lớn hơn mới được thành lập hoặc mới hiệu chỉnh Độ chính xác của bản đồ đã thành lập phụ thuộc vào độ chính xác của bản đồ tài liệu và phương pháp chuyển vẽ

Thành lập bản đồ địa hình bằng phương pháp đo vẽ trực tiếp ngoài thực địa

Đo vẽ bản đồ địa hình là tập hợp các công việc trong nhà và ngoài trời nhằm xác định vị trí tương quan về mặt phẳng và độ cao của các điểm đặc trưng ở ngoài

vĩ quang học, toàn đạc điện tử

Thành lập bản đồ địa hình bằng phương pháp ảnh hàng không

Đây là công nghệ được sử dụng chủ yếu trong công nghệ thành lập bản đồ hiện nay Từ nguồn tư liệu là ảnh máy bay kết hợp với mạng lưới trắc địa, tiến hành các công việc là địa hình, thủy văn, giao thông, dân cư, ranh giới, thực vật Trong phương pháp này địa vật địa vật được thành lập chủ yếu dựa trên cơ sở giải đoán và

đo vẽ hình ảnh của địa vật có trên ảnh Quá trình khái quát, lựa chọn tổng hợp nội dung được thực hiện phần lớn ở ngay khâu điều vẽ Vì vậy công tác điều vẽ là công tác vô cùng quan trọng, công việc này đòi hỏi người điều vẽ phải có sự hiểu biết về địa hình, địa vật cũng như các nguyên tắc khái quát, lựa chọn tổng hợp nội dung theo quy định của quy phạm và ký hiệu hiện hành

- Phương pháp đo ảnh tương tự

Được thực hiện trên cơ sở sử dụng các tấm ảnh chụp bằng các máy chụp ảnh quang học để xây dựng lại mô hình tương tự của đối tượng chụp và tiến hành đo đạc các yếu tố hình học của các đối tượng đó trên mô hình Đây là một phương pháp kinh điển Trước năm 2000 thì phương pháp đo ảnh tương tự được sử dụng phổ biến trong đo đạc vẽ bản đồ và ngày nay phương pháp gần như không còn được sử dụng nữa

- Phương pháp đo ảnh giải tích

Về cơ bản thì phương pháp đo ảnh giải tích có cùng nguyên lý và quy trình công nghệ với phương pháp đo ảnh tương tự Nó khác nhau cơ bản là phương pháp

đo ảnh giải tích lấy phương thức tính toán để hiển thị điều kiện giao hội của các tia chiếu trong không gian thay cho phương thức giao hội quang cơ của phương pháp

đo ảnh tương tự

22

Phương pháp này có công thức tính toán chặt chẽ và đạt độ chính xác cao Ngày nay ở Việt Nam vẫn còn một số cơ sở sản xuất vẫn sử dụng phương pháp đo ảnh giải tích

- Phương pháp đo ảnh số

Với nguyên lý cơ bản vẫn dựa theo phương pháp đo ảnh giải tích, biến đổi độ xám của ảnh thành các tín hiệu điện và sử dụng các máy tính, các phần mềm chuyên ngành, chuyên dụng để xử lý các tín hiệu này rồi tiến hành quá trình tự động đo vẽ ảnh

Phương pháp này cho ta tính tự động xử lý cao, nâng cao hiệu quả kinh tế trong việc đo vẽ bản đồ và phương pháp này được sử dụng phổ biến ở Việt Nam Trong tương lai thì phương pháp đo ảnh số sẽ thay thế dần các phương pháp đo ảnh nêu trên

Hiện nay phương pháp thành lập bản đồ từ ảnh hàng không phổ biến theo công nghệ đo vẽ ảnh sử dụng trạm Image Station của Intergraph

1.1.5 Các yêu cầu chung

Bản đồ địa hình phải tuân thủ nghiêm ngặt các quy định về cơ sở toán học,

về nội dung, về cách trình bày, cũng như ngôn ngữ thể hiện trên bản đồ Các bản đồ địa hình tỷ lệ khác nhau phải phù hợp với nhau

Bản đồ địa hình phải dễ đọc, rõ ràng, cho phép định hướng được dễ dàng Các yếu tố biểu thị trên bản đồ phải đầy đủ chính xác với mức độ đầy đủ và chi tiết của nội dung phải phù hợp với mục đích sử dụng của bản đồ

Độ chính xác của việc biểu thị các yếu tố nội dung phải phù hợp với mục đích sử dụng của bản đồ

Sai số trung phương vị trí địa vật biểu thị trên bản đồ gốc so với vị trí của điểm khống chế ngoại nghiệp gần nhất tính theo tỷ lệ bản đồ thành lập, không được vượt quá 0.5 mm khi thành lập bản đồ ở vùng đồng bằng và vùng đồi và 0.7 mm khi thành lập bản đồ ở vùng núi và núi cao

23

- Trong thành phố và khu công nghiệp sai số tương hỗ giữa các địa vật cố định quan trọng không được lớn hơn 0.4 mm Đối với khu vực ẩn khuất và đặc biệt khó khăn các sai số trên được phép tăng lên 1.5 lần

- Sai số trung phương độ cao của đường bình độ, điểm đặc trưng địa hình, điểm ghi chú độ cao biểu thị trên bản đồ gốc so với độ cao điểm khống chế ngoại nghiệp gần nhất tính theo khoảng cao đều đường bình độ cơ bản không vượt quá các giá trị trong bảng

Bảng 1.2: Sai số trung phương độ cao các đường bình độ cơ bản

Khoảng cao đều đường

Khi kiểm tra, sai số lớn nhất không được vượt quá sai số giới hạn Nếu có thì số lượng các trường hợp có sai số vượt hạn sai phải bảo đảm về mặt phẳng không vượt quá 5% tổng số các trường hợp kiểm tra, về độ cao không vượt quá 5% tổng số các trường hợp kiểm tra ở vùng quang đãng và 10% tổng số các trường hợp kiểm tra ở vùng khó khăn ẩn khuất Trong mọi trường hợp các sai số đều không được mang tính hệ thống

- Sai số trung phương vị trí mặt phẳng của điểm khống chế ảnh ngoại nghiệp, điểm khống chế đo vẽ so với vị trí điểm toạ độ quốc gia gần nhất sau bình sai tính theo tỷ lệ bản đồ thành lập không vượt quá 0.1mm ở vùng quang đãng và 0.15mm ở vùng ẩn khuất

24

- Sai số giới hạn của điểm khống chế độ cao đo vẽ sau bình sai so với độ cao của mốc độ cao gần nhất không vượt quá 1/5 khoảng cao đều cơ bản ở vùng đồng bằng và 1/3 khoảng cao đều ở vùng rừng núi

- Sai số trung bình đo vẽ dáng đất so với điểm khống chế độ cao gần nhất, tính theo khoảng cao đều cơ bản không vượt quá 1/4 khoảng cao đều đối với vùng đồng bằng và 1/3 khoảng cao đều so với rừng núi

1.2 Tổng quan về tình hình sử dụng ảnh máy bay không người lái

1.2.1 Trên thế giới

Trên thế giới, việc nghiên cứu và sử dụng ảnh chụp bằng máy chụp ảnh số phổ thông lắp trên máy bay không người lái trong công nghệ đo vẽ ảnh số để thành lập bản đồ địa hình, bản đồ chuyên ngành và các mục đích đo đạc công trình khác

Về bản chất, đây là phương pháp đo ảnh khoảng cách gần, nhưng có đặc điểm cơ bản là không dùng máy chụp ảnh chuyên dụng mà thay vào đó là máy chụp ảnh số phổ thông

1.2.2 Tại Việt Nam

Tại Việt Nam, việc nghiên cứu sử dụng máy chụp ảnh số phổ thông trong phương pháp đo ảnh khoảng cách gần đã được một số các cơ quan, các nhà khoa học đề cập và tạo được nền tảng cơ sở ban đầu cho quá trình nghiên cứu, ứng dụng Năm 2011, Bộ Quốc phòng đã thử nghiệm và nhập hệ thống thiết bị của Công ty Microdone để nghiên cứu và sản xuất theo nhiệm vụ của Quốc phòng Thực tế cho thấy việc nghiên cứu, xây dựng và áp dụng phương pháp chụp ảnh bằng máy chụp ảnh số phổ thông gắn trên các loại thiết bị bay không người lái ở nước ta còn nhiều hạn chế và chưa triển khai sản xuất đại trà ở các dự án Các phần mềm xử lý cho công nghệ này hoàn toàn có thể áp dụng được các phần mềm đo vẽ ảnh mà phần mềm này ở Việt Nam được các cơ quan, doanh nghiệp nhập rất nhiều, các phần mềm đều là các phần mềm thương mại đều có thể sử dụng được Viện khoa học Đo đạc và Bản đồ ngoài các phần mềm đã được trang bị, trong dự án tăng cường năng lực đã được đầu tư phần mềm Envi, Scanex Image processor V3.0 có khả năng thực hiện bài toán này

25

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC SỬ DỤNG ẢNH CHỤP BẰNG MÁY BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI PHỤC VỤ THÀNH LẬP BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH 2.1 Định nghĩa và nền tảng đo vẽ ảnh

2.1.1 Định nghĩa đo vẽ ảnh

Đo ảnh được định nghĩa là quá trình thu nhận các thông tin về đối tượng thông qua các phép đo đạc và giải đoán được tiến hành trên ảnh Với sự ra đời và phát triển của công nghệ thu nhận dữ liệu ảnh từ vũ trụ trong khoảng phổ rộng của phổ điện từ khái niệm về đo ảnh và giải đoán ảnh được mở rộng bao gồm cả viễn thám, chuyển từ việc giải đoán ảnh truyền thống (chủ yếu bằng mắt thường) sang các phép xử lý ảnh số và áp dụng các kỹ thuật phân tích trên máy tính [2]

Sách tra cứu về đo ảnh, định nghĩa đo ảnh là “nghệ thuật, khoa học và công nghệ để thu được các thông tin xác thực về các đối tượng vật lý và môi trường, thông qua các quá trình thu thập, đo đạc và giải đoán ảnh và các mô hình của năng lượng phát xạ điện từ và các hiện tượng khác mà không có tiếp xúc trực tiếp với đối tượng” Định nghĩa này được công nhận rộng rãi trong cộng đồng đo ảnh và viễn thám

Khi được đặt trong ngữ cảnh của một lĩnh vực khoa học ứng dụng, đo ảnh sử dụng hình ảnh 2 chiều (2D) để có được các thông tin 3 chiều của các bề mặt và đối tượng còn khi đặt trong ngữ cảnh của khoa học thông tin địa lý thì đo ảnh thường được hiểu là sử dụng ảnh để thành lập bản đồ của địa hình mặt đất và các lớp đối tượng trên đó như địa hình, giao thông, thủy hệ, công trình xây dựng vv

Sản phẩm truyền thống của đo ảnh là bản đồ địa hình thể hiện các đường bình độ để cung cấp các thông tin về độ cao và một số lớp đối tượng khác Sau này

có thêm sản phẩm nữa là mô hình số độ cao DEM Các ứng dụng khác của đo ảnh bao gồm thành lập bản đồ dưới lòng đất, thành lập bản đồ dưới nước và thành lập bản đồ của các hành tinh hay thiên thể như của Mặt trăng hay sao Hỏa

Ngoài ra còn có rất nhiều ứng dụng phi địa hình của đo ảnh như: trong đo đạc chính xác các công trình công nghiệp, trong y học, sinh trắc học, thành lập bản

Nhiệm vụ của phương pháp đo ảnh là xác định trạng thái hình học của đối tượng đo, bao gồm: vị trí, hình dáng, kích thước và mối quan hệ tương hỗ của các đối tượng đo

Song song với nhiệm vụ đo vẽ bản đồ địa hình, cần nhanh chóng mở rộng phạm vi ứng dụng của phương pháp đo đạc chụp ảnh trong các lĩnh vực khoa học kỹ thuật khác, trước mắt là trong xây dựng và kiến trúc, trong các loại công trình, trong công nghiệp – nông nghiệp và đặc biệt trong lĩnh vực kiểm soát và bảo vệ môi trường

2.1.3 Phân loại đo vẽ ảnh

1 Dựa vào đầu thu

Tùy theo vị trí của đầu thu hay máy ảnh sử dụng để thu nhận dữ liệu có thể chia đo ảnh ra làm 3 nhánh:

- Đo ảnh mặt đất khi ảnh được thu nhận bởi máy ảnh được đặt tại thực địa

- Đo ảnh hàng không khi ảnh được thu bởi máy ảnh đặt trên máy bay

- Đo ảnh vệ tinh khi ảnh của trái đất hay các hành tinh khác được chụp từ vệ tinh

27

- Đo ảnh hàng không: với độ cao bay chụp > 300m

- Đo ảnh mặt đất: đo đạc từ vị trí cố định trên mặt đất

- Đo ảnh khoảng cách gần: khoảng cách chụp ảnh < 300m

Trong các bài toán đo ảnh hiện đại, đo ảnh khoảng cách gần có thể chia làm

2 nhánh:

+ Đo ảnh mặt đất khoảng cách gần: với máy chụp ảnh đặt trên mặt đất;

+ Đo ảnh hàng không khoảng cách gần: với sự phát triển của khoa học công nghệ, ngày nay nhiều thiết bị bay không người lái, với tầm bay thấp trên đó có thể gắn máy chụp ảnh để chụp các khu vực có diện tích không lớn Những loại ảnh chụp như vậy người ta còn gọi là ảnh hàng không khoảng cách gần và tương ứng chúng ta có phương pháp đo ảnh hàng không khoảng cách gần

- Đo ảnh tỷ lệ lớn: tỷ lệ ảnh > 1 (ảnh chụp từ kính hiển vi)

2.2 Khái niệm chụp ảnh hàng không

Chụp ảnh là quá trình ghi nhận năng lượng phản xạ (hoặc bức xạ) ánh sáng (sóng điện từ) từ đối tượng chụp thông qua bộ phận quang học (kính vật) và được lưu trữ trên cảm quang hay các bộ cảm số

Chụp ảnh hàng không là dùng các thiết bị bay trên không như khinh khí cầu, tàu lượn, máy bay để mang máy ảnh lên cao chụp bề mặt của mặt đất Sản phẩm của chụp ảnh hàng không là các tấm ảnh theo một tỷ lệ phù hợp với mục đích sử dụng và dựa vào các tấm ảnh đó ta có thể tiến hành đo vẽ thành lập bản đồ gốc hoặc đoán đọc điều vẽ các địa vật chụp được trên ảnh Quá trình chụp ảnh hàng không có

thể được thực hiện nhờ các máy chụp ảnh quang cơ hoặc máy chụp ảnh [3]

2.3 Các dạng chụp ảnh hàng không

2.3.1 Chụp ảnh đơn

Là chụp ảnh của từng vùng nhỏ của các khu đo theo từng tấm ảnh riêng biệt Các tấm ảnh chụp kề nhau không có liên kết hình học với nhau, ảnh đơn được dùng cho điều tra khảo sát, do thám quân sự, trên những vùng tương đối nhỏ, hoặc để chụp ảnh bổ sung các khu vực chụp sót, chụp thiếu máy che

28

2.3.2 Chụp ảnh theo tuyến

Hình 2.1: Mô phỏng phương thức chụp ảnh theo tuyến Chụp ảnh theo tuyến là chụp ảnh theo một tuyến nào đó đã được bố trí sẵn có thể là thẳng, gấp khúc hay uốn cong Giữa các tấm ảnh liền kề nhau theo một tuyến

có độ chờm phủ lên nhau và gọi là độ phủ ngang p, nó được xác định theo công thức:

p% = px

lx 100% (2.1) Trong đó:

lx: kích thước của tấm ảnh theo hướng dải bay;

px: kích thước của phần phủ theo hướng dải bay

2.3.3 Chụp ảnh theo khối

Chụp ảnh theo nhiều tuyến là phương thức chụp theo nhiều tấm dải bay thẳng, song song và cách đều nhau Các tấm ảnh trên hai dải kề ngoài độ phủ ngang trong mỗi dải bay còn có độ phủ dọc nữa Đây là cách chụp thường dùng nhất để thành lập bản đồ địa hình Độ phủ dọc q được xác định theo công thức:

ly 100% (2.2) Trong đó:

ly: kích thước của tấm ảnh theo chiều vuông góc với dải bay;

qy: kích thước của phần phủ của 2 ảnh trên 2 dải bay kề nhau

Khi chụp thẳng, tỷ lệ ảnh hàng không là hàm số của độ cao bay chụp H, tiêu

cự kính vật máy ảnh fk, còn khi chụp nghiêng ngoài H và fk ra tỷ lệ ảnh còn phụ thuộc vào góc nghiêng trục quang so với đường dây dọi ∝0 và tung độ y của điểm ảnh trên ảnh Vì vậy:

1

m= F(H, fk, ∝0, y) (2.3) Thông thường tỷ lệ của ảnh chụp lớn hơn 1:10.000 gọi là tỷ lệ lớn; từ 1:10.000 – 1:30.000 gọi là tỷ lệ ảnh trung bình và nhỏ hơn 1:30.000 gọi là tỷ lệ ảnh

bé Tỷ lệ ảnh nhỏ nhất của ảnh dùng để lập bản đồ địa hình không được nhỏ hơn 1:70.000 – 1:80.000, với tỷ lệ đó ta mới có khả năng đoán đọc được các chi tiết nhỏ hơn nhưng quan trọng trên bản đồ 1:100.000

Quan hệ giữa tỷ lệ ảnh chụp và tỷ lệ bản đồ cần thành lập thể hiện bằng công thức:

m = C M (2.4) Trong đó:

M: mẫu số tỷ lệ của ảnh hàng không;

C: hệ số kinh tế (thường 130 – 400 tùy thuộc vào phương tiện kỹ thuật sử dụng)

Theo phương pháp đo vẽ

lập thể

Theo phương pháp phối hợp Vùng đồng

2.4 Các thiết bị phục vụ chụp ảnh hàng không bằng máy bay không người lái (UAV)

2.4.1 Giá đỡ máy ảnh

Khi hoạt động, động cơ máy bay sẽ tạo ra một lực nhiễu loạn chu kỳ truyền cho tất cả các bộ phận trên máy bay trong đó có máy chụp ảnh hàng không Lực này sẽ tạo ra mômen xoắn không đều của động cơ máy bay, tạo ra sự không cân bằng động lực, tĩnh lực Ngoài ra, do luồng không khí xoáy của cánh quạt và thân máy bay, lực nhiễu loạn khí động học sẽ xuất hiện Những lực này sẽ làm cho các bộ phận của máy bay dao động với biên độ nhỏ nhưng có tần số lớn

31

Hình 2.2: Giá đỡ máy chụp ảnh Nhờ có giá đỡ máy chụp ảnh nên máy ảnh được đưa về vị trí xác định, trong một số trường hợp máy ảnh còn được cân bằng và định hướng Ngoài ra, giá đỡ máy chụp ảnh còn giảm bớt tác dụng rung động của máy bay đến máy chụp ảnh, giảm bớt độ xóc của máy bay đến máy ảnh khi cất, hạ cánh cũng như khi chạy trên mặt đất

2.4.2 Thiết bị dẫn đường GPS

Hệ thống định vị toàn cầu GPS là hệ thống xác định vị trí bằng cách đo khoảng cách tới các vệ tinh và không chỉ tạo ra khả năng mới cho việc dẫn đường bay, mà còn cho cả việc xác định tọa độ không gian XS, YS của tâm chụp

Sau khi GPS được ứng dụng vào chụp ảnh hàng không, ta tính được tọa độ,

độ cao tâm ảnh vào thời điểm chụp ảnh và các thông số này là yếu tố hỗ trợ thêm trong phần mềm tăng dày tọa độ điểm khống chế ảnh nội nghiệp, nhưng chỉ có một mình số liệu GPS thì chưa tính được các nguyên tố định hướng ảnh Muốn xác định được nguyên tố định hướng ảnh tại thời điểm chụp ảnh, thì ta phải đưa vào khái niệm thiết bị định vị quán tính (IMU)

Khi kết hợp GPS và IMU vào chụp ảnh hàng không thì ta có thể tính toán được tọa độ tâm ảnh và nguyên tố định hướng ngoài của tấm ảnh tại thời điểm chụp ảnh

32

2.4.3 Máy chụp ảnh

Đặc trưng chủ yếu của các máy ảnh kỹ thuật số là có sai số méo hình kính vật nhỏ, độ ổn định cao và được thiết kế đồng bộ với các hệ thống GPS/IMU cùng với các phần mềm xử lý số liệu tâm chụp một cách chuyên dụng Hiện nay, trên thế giới cũng như ở Việt Nam dùng các loại máy ảnh phải đáp ứng được những tính năng cơ bản sau:

- Quang sai máy chụp ảnh phải nhỏ

- Độ phân giải ống kính phải cao và độ nét của ảnh phải được đảm bảo trong toàn bộ trường ảnh

- Các yếu tố định hướng trong phải được xác định chính xác, (ví dụ: chiều dài tiêu cự, toạ độ điểm chính ảnh )

- Trục quang của ống kính phải vuông góc với mặt phẳng phim

- Hệ thống chống nhòe phải đủ khả năng loại trừ ảnh hưởng của chuyển động tương đối giữa vật mang và quả đất nhất là khi chụp ảnh từ vũ trụ

2.5 Một số yêu cầu kỹ thuật của công tác chụp ảnh hàng không bằng máy bay không người lái (UAV)

2.5.1 Thiết bị bay

Trước khi bay, cần phải kiểm tra tổng thể thiết bị bay Mọi đối tượng lỏng lẻo trên hệ thống sẽ tạo ra các rung động có thể cảm nhận được và ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống Trong trường hợp hệ thống bị rơi hoặc hạ cánh khó khăn, trước khi thực hiện bất kỳ một chuyến bay nào đều phải được kiểm tra một cách trực quan tất cả các phần của hệ thống

Không gắn các vật bằng kim loại vào hệ thống mà không có sự cho phép của nhà sản xuất, điều này có thể gây ảnh hưởng từ đến hoạt động của hệ thống định vị GPS

- Trước và sau mọi chuyến bay đều kiểm tra các việc sau đây:

+ Quan sát cấu trúc tổng thể của hệ thống;

+ Các cánh tay mang động cơ của hệ thống được cố định chắc chắn;

+ Không có khe nứt ở bất kỳ phần nào của hệ thống;

33

+ Không có chất lỏng trong hệ thống;

+ Càng hạ cánh trong điều kiện tốt;

+ Rotor không bị vỡ hoặc bị hư hại;

+ Nắp mang GPS vừa vặn và cố định chắc chắn;

+ Ăng-ten nhận tín hiệu điều khiển được vặn chắc chắn

+ Không có nước bên trong lõi của hệ thống;

+ Không có tuyết hoặc băng bên trong lõi hoặc động cơ của hệ thống;

+ Trong môi trường độ ẩm cao, cho hệ thống vào hòm chứa (tránh độ ẩm) sau khi bay, đảm bảo giữ cho hệ thống ở một nơi khô trong ít nhất 2 giờ trước khi đóng gói;

Cần phải tránh để bụi hoặc cát tích tụ bên trong hệ thống hoặc trong các động

- Sạc đầy pin cho bộ điều khiển từ xa

- Kiểm tra hoạt động của tất cả các kênh điều khiển trước khi cất cánh

34

- Kiểm tra tín hiệu của ăng-ten, không nên đặt gần các nguồn gây nhiễu và nên đặt xa các đối tượng gây chướng ngại khác

Trong quá trình hoạt động luôn theo dõi chặt chẽ RC:

- Duy trì một khoảng cách tối thiểu 2m đến trạm cơ sở để tránh sự rối loạn của các mô-đun

- Khi tiếp tục bị nhiễu hoặc bị gián đoạn việc tiếp nhận tín hiệu của người điều khiển, hệ thống có thể bị trôi dạt do gió, việc điều khiển sẽ gặp khó khăn hơn

để đưa nó trở lại

- Khi thiết bị đang được điều khiển bằng tay, thiết bị sẽ hạ cánh an toàn sau

30 giây nếu không nhận được tín hiệu RC

- Luôn luôn lập trình các tuyến bay xuôi với hướng gió thổi về phía người điều khiển

2.5.3 Chạm điều khiển mặt đất

Trạm điều khiển mặt đất là công cụ quan trọng nhất hỗ trợ cho người sử dụng về tình trạng thực tế của hệ thống Để đảm bảo hoạt động của trạm cơ sở được trơn tru cần xem xét các điểm sau đây trước khi tổ chức bay:

- Sạc pin đầy đủ, kết nối nguồn để cung cấp năng lượng cho trạm;

- Tín hiệu video làm việc

- Chất lượng dữ liệu đường truyền tín hiệu xuống hoạt động tốt (chất lượng trên 70%)

- Cáp tín hiệu video được kết nối với các yếu tố đầu vào hoặc đầu ra của hệ thống

- Cáp nhận dữ liệu truyền xuống (qua cổng USB) phải ở trong tình trạng tốt

và cố định trong máy tính để có thể nhận được thông tin

- Máy tính nhận được các cổng kết nối USB mô phỏng cổng COM

- Cáp để cung cấp năng lượng cho trạm từ một phương tiện khác (ôtô, acquy…), hoặc từ nguồn điện lưới bên ngoài

- Không để trạm điều khiển tiếp xúc với chất lỏng hoặc bụi

- Kiểm tra các kết nối angten và liên lạc trong tình trạng tốt

35

2.5.4 Môi trường bay

Đây là trách nhiệm của người sử dụng và phi công để xác định các điều kiện phù hợp cho việc thực hiện các chuyến bay, cần phải thực hiện các nội dung sau:

- Xác minh điều kiện thời tiết trong khu vực bay trước khi thực hiện chuyến bay

- Xác định tốc độ gió trung bình, mưa, ánh sáng không có biểu hiện gây bất

kỳ rủi ro nào cho hệ thống

- Xác định nơi tốt nhất để đặt các điểm Base và điểm điều khiển cho phi công

- Luôn chọn địa điểm sao cho hướng gió thuận lợi cho việc điều khiển thiết

bị đến các điểm cất hạ cánh an toàn

- Các điểm điều khiển nên có tầm nhìn trực tiếp và thoáng đến khu vực làm việc của thiết bị bay

- Xác định các điểm quan trọng và cách tốt nhất để tiếp cận chúng

- Lập kế hoạch cho mọi chuyến bay theo chế độ điều khiển bằng tay hoặc chế

độ dẫn đường

- Luôn tính toán đảm bảo rằng trong ½ thời gian đầu của chuyến bay hệ thống phải tới được các điểm cao nhất hoặc xa nhất của tuyến bay này

- Nếu cần thực hiện một chuyến bay thử nghiệm với máy ảnh nhẹ nhất

- Chỉ bay tại các khu vực thoáng, nơi đảm bảo khoảng cách tầm nhìn tới hệ thống

- Khu vực cất cánh và hạ cánh phải có diện tích tối thiểu 10m x 10m và không có bất cứ chướng ngại vật nào (cáp, cây bụi, cây cao, ô tô, nước…);

- Không bay gần đến các đối tượng làm ảnh hưởng đến tín hiệu GPS, dưới gầm cầu, gần các tòa nhà cao tầng

- Tránh bay trên đường phố với những ngôi nhà hoặc gần các tòa nhà cao tầng và cáp

- Tránh bay gần ăng-ten thu phát ở các tần số cao và thấp

B = 2,5 A (2.7) Với A là chiều cao của đối tượng, B là khoảng cách tới đối tượng

Khi đang bay nếu gặp mưa hoặc nước bị vô tình rơi vào hệ thống, bạn không nên tiến hành bay tiếp, nó có thể dẫn đến những trục trặc không lường trước được

và có thể gây ra thiệt hại cho hệ thống

Bụi hoặc cát là một yếu tố quan trọng phải lưu ý Chúng có thể bay vào trong thân máy và có thể gây ảnh hưởng hoặc làm hỏng các bộ phận điện tử hoặc cơ khí Sau bất kỳ một chuyến bay nào ở vùng có nhiều cát, bụi cần phải sử dụng một máy hút bụi để đảm bảo các bộ phận được làm sạch bụi hoặc cát

2.5.5 Các nguồn sai số chính xác của bản đồ địa hình bằng UAV

1 Sai số ảnh

Do ảnh hưởng của các yếu tố kỹ thuật và điều kiện chụp ảnh như: nhiệt độ,

độ ẩm, quá trình xử lý ảnh… nên chụp ảnh thường bị biến dạng Biến dạng ảnh là một trong những yếu tố ảnh hưởng lớn đến quá trình xử lý các số liệu đo ảnh Sự biến dạng này được phân biệt thành các loại như sau:

- Biến dạng mang tính chất hệ thống, trong đó có thể có cả trường hợp biến dạng đều các hướng và trên từng hướng của trục toa độ (biến dạng affine)

- Biến dạng ngẫu nhiên và cục bộ, nó xuất hiện không có quy luật nhất định

và không đều trên toàn bộ mặt ảnh hoặc trên từng hướng Rõ ràng là ảnh hưởng của biến dạng hệ thống của ảnh đối với vị trí điểm ảnh có thể xác định được và loại trừ trong quá trình đo ảnh

37

Hình 2.3: Mô phỏng sự biến dạng ảnh

- Biến dạng đều của ảnh trên các hướng hoặc trên từng hướng mang tính chất

hệ thống

2 Sai số méo hình kính vật

Trong máy chụp ảnh, kính vật của máy là bộ phận có ảnh hưởng rất lớn đến

vị trí điểm ảnh Do thấu kính của kính vật là một khối của rất nhiều thấu kính hợp lại và khả năng kỹ thuật của nhà sản xuất nên vị trí một vật đi qua thấu kính sẽ không đúng như lý thuyết do thấu kính bị biến dạng hình học

Do ảnh hưởng của sai số méo hình xuyên tâm kính vật máy chụp ảnh, thị sai

: dọc tại điểm i trên mô hình được tính theo công thức

qi = a2a

+ b 2δr2i − δr2i (2.5) Với đồ hình phân bố chuẩn của các điểm sử dụng để định hướng tương đối nên:

ab qmh (2.7) d∆v= fk

a qmhNhư vậy: Sai số méo hình hệ thống chỉ ảnh hưởng tới các nguyên tố định hướng tương đối  và  và sai số của  do méo hình gây nên lớn gấp 2 lần 

38

Kính vật máy chụp ảnh hàng không là bộ phận quan trọng nhất quyết định đến chất lượng của hình ảnh trên tấm ảnh chụp Chúng ta chưa thể tạo ra một kính vật hoàn hảo, không có sai sót Sai sót lớn nhất mà trong công tác đo ảnh chúng ta cần quan tâm đến là sai số méo hình

3 Sai số độ cong quả đất

Độ cong quả đất gây nên sự xê dịch vị trí điểm ảnh theo bán kính vector r được tính theo công thức

Các nguồn sai số này được tính theo công thức:

δr = − r3

2R.H

fk2 (2.8) Trong đó:

H: độ cao bay chụp;

R: bán kính Trái Đất;

r: khoảng cách trên tấm ảnh từ điểm đáy ảnh đến điểm cần xác định;

fk: tiêu cự của máy ảnh

Sai lệch đó ảnh hưởng tới tọa độ y của điểm ảnh:

δy = − δr sinϑ = −y δrr (2.9) Thị sai dọc của mô hình lập thể:

qi = δy2i− δyli = −y(δr2i

r2i − δrli

rli) (2.10) Đối với các điểm phân bố chuẩn sẽ có các giá trị:

ab qR ; d = fk

ab qR ;

Có nghĩa là: Độ cong quả đất là nguồn gốc phát sinh sai số của các góc định hướng tương đối ;  và sai số d lớn gấp 2 lần d

39

Khi bay chụp ảnh, phương di chuyển của máy bay thường chọn vuông góc với phương dây dọi, mặt tham chiếu của tấm ảnh là mặt phẳng, trong khi bề mặt đất nằm trên bề mặt cong Do đó, khi chiếu ảnh các địa vật lên mặt phẳng ảnh, vị trí các địa vật trên ảnh sẽ bị lệch đi do ảnh hưởng của bề mặt cong quả đất

Hình 2.4: Ảnh hưởng độ cong Trái Đất đến vị trí điểm

H: chiều cao bay chụp ảnh

Trong phép chiếu ảnh, điểm địa vật M trên mặt đất khi chụp ảnh có ảnh là điểm m trên ảnh P

Nhưng nếu chiếu điểm M lên mặt phẳng ngang Q được M’, ảnh của M’ trên ảnh P là điểm m’, hai điểm ảnh m và m’ ở hai vị trí khác nhau chính là do điểm M nằm trên bề mặt cong của trái đất

Đoạn thẳng mm’ chính là sai số dịch vị trí điểm ảnh do ảnh hưởng của độ cong trái đất

Ta có:

40

mm′ = r3 H

2R.fk2 (2.11) Trong đó:

r: khoảng cách từ điểm ảnh m đến điểm chính ảnh;

R: bán kính cong của bề mặt đất

4 Sai số chiết quang khí quyển

Khí quyển là môi trường truyền sáng không đồng nhất, tính chiết quang của khí quyển rất phức tạp vì nó chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố như: nhiệt độ, áp suất,

độ ẩm, bụi Vì vậy, tia sáng truyền đi trong khí quyển không phải là một đường thẳng, điều này gây ra sự biến dạng của phép chiếu xuyên tâm và làm cho tọa độ của điểm ảnh bị biến đổi đi một lượng nào đó

Đối với công tác chụp ảnh phục vụ cho công tác đo vẽ địa hình, với máy móc

và trang thiết bị chụp ảnh hiện nay, độ cao bay chụp thường không vượt quá 11 km, thì sai số do ảnh hưởng của chiết quang khí quyển là:

δr = 1,15 10−11 H r (1 +r2

fk2) [1 − 0,035 (3 H0− H)] (2.12) Trong đó:

k: tiêu cự máy chụp ảnh;

r: khoảng cách đo được từ điểm ảnh đến điểm cần xác định (mm);

H0: độ cao tuyệt đối của máy bay (km);

H: độ cao bay chụp của điểm đang khảo sát (km)

5 Sai số chênh cao địa hình

Do bề mặt địa hình không phải là một mặt phẳng mà có độ lồi lõm, nên hình ảnh của nó trên mặt phẳng sẽ bị biến dạng (tính chất của phép chiếu xuyên tâm) Hình ảnh của các điểm trên bề mặt địa hình bị xê dịch không giống nhau về độ lớn

và hướng nếu chúng không nằm trên một mặt phẳng

Sự xê dịch điểm ảnh do độ chênh cao địa hình gây ra được xác định theo công thức:

δrh = hr′H (2.13) Trong đó: