Điều khiển tối ưu quá trình đa biến trong công nghiệp lọc hóa dầu.

Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu nguyên lý thu nhận và đặc điểm của ảnh vệ tinh độ phân giải cao; quy trình và các nguồn sai số ảnh hưởng đến độ chính xác trong quá trình thành lập bình

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội, Năm 2016

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng đây là công trình nghiên cứu của riêng bản thân tôi Toàn bộ quá trình nghiên cứu được tiến hành một cách khoa học, các

số liệu, kết quả trình bày trong luận án là chính xác, trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào

Tác giả

Đỗ Thị Hoài

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ viii

DANH MỤC PHỤ LỤC x

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 2

3 Đối tượng nghiên cứu 3

4 Nội dung nghiên cứu 3

5 Phương pháp nghiên cứu 4

6 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn 4

7 Các luận điểm bảo vệ 5

8 Những điểm mới của luận án 5

9 Cơ sở tài liệu viết luận án 5

10 Khối lượng và kết cấu của luận án 6

11 Lời cảm ơn 6

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 7

1.1 Tình hình nghiên cứu sử dụng ảnh vệ tinh độ phân giải cao để thành lập bình đồ ảnh phục vụ cho công tác thành lập và hiện chỉnh bản đồ 7

1.1.1 Trên thế giới 7

1.1.2 Ở Việt Nam 12

1.2 Kết luận 19

CHƯƠNG 2 ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA ẢNH VỆ TINH ĐỘ PHÂN GIẢI CAO 21

2.1 Các đặc tính kỹ thuật của vệ tinh độ phân giải cao 21

2.1.1 Các hệ thống vệ tinh độ phân giải cao 21

2.1.2 Đặc điểm của quỹ đạo vệ tinh 24

2.1.3 Đặc điểm của bộ cảm biến 26

2.2 Một số đặc tính hình học của ảnh vệ tinh độ phân giải cao 30

2.2.1 Đặc tính hình học 30

2.2.2 Sai số méo hình của ảnh vệ tinh 33

2.2.3 Độ phân giải và khả năng chiết tách thông tin từ ảnh vệ tinh 35

2.3 Thành lập bản đồ tỷ lệ lớn từ ảnh vệ tinh độ phân giải cao 38

2.3.1 Khả năng chiết tách thông tin từ ảnh vệ tinh độ phân giải cao 38

2.3.2 Yêu cầu độ chính xác của ảnh vệ tinh độ phân giải cao cho việc thành lập bản đồ 42

2.4 Kết luận chương 2 45

CHƯƠNG 3 BÌNH ĐỒ ẢNH VỆ TINH VÀ QUY TRÌNH THÀNH LẬP 46

3.1 Khái niệm về bình đồ ảnh vệ tinh và phương pháp thành lập bình đồ ảnh 46

3.1.1 Khái niệm bình đồ ảnh vệ tinh 46

3.1.2 Cơ sở khoa học của phương pháp nắn ảnh 48

3.2 Quy trình thành lập bình đồ ảnh vệ tinh 49

3.3 Các phương pháp nắn ảnh vệ tinh 55

3.3.1 Phương pháp nắn theo mô hình vật lý 56

3.3.2 Phương pháp nắn ảnh theo hàm đa thức 60

3.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của nắn ảnh vệ tinh 71

3.4.1 Ảnh hưởng của độ phân giải của ảnh vệ tinh 72

3.4.2 Ảnh hưởng của mô hình toán học sử dụng để nắn ảnh 73

3.4.3 Ảnh hưởng của điểm khống chế ảnh 73

3.4.4 Ảnh hưởng của mô hình số độ cao (DEM) 76

3.5 Trộn ảnh 78

3.5.1 Phương pháp biến đổi hệ màu RGB-IHS-RGB 78

3.5.2 Phương pháp phân tích thành phần chính - PCA 80

3.5.3 Phương pháp tổ hợp các kênh 81

3.5.4 Phương pháp nhân ảnh (Multiplicative method) 82

3.5.5 Phương pháp trộn ảnh lọc tần số cao (HPF- High Pass Filter 82

3.6 Tiêu chuẩn đánh giá độ chính xác của bình đồ ảnh 83

3.7 Kết luận chương 3 85

CHƯƠNG 4 CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA BÌNH ĐỒ TRỰC ẢNH TỶ LỆ LỚN TỪ ẢNH VỆ TINH ĐỘ PHÂN GIẢI CAO 86

4.1 Phân tích dữ liệu và khu vực thực nghiệm 86

4.1.1 Dữ liệu thực nghiệm 86

4.1.2 Đặc điểm địa lý khu vực thực nghiệm 90

4.2 Giải pháp số lượng, đồ hình bố trí điểm khống chế ảnh 94

4.2.1 Sơ đồ phương án bố trí điểm khống chế ảnh 94

4.2.2 Kết quả đánh giá độ chính xác 97

4.3 Lựa chọn mô hình nắn với trường hợp khối ảnh 100

4.4 Độ chính xác của bình đồ ảnh từ ảnh vệ tinh độ phân giải cao khi sử dụng mô hình DEM 102

4.5 Lựa chọn phương pháp trộn ảnh đối với ảnh độ phân giải cao 108

4.5 Xây dựng phần mềm đánh giá chất lượng bình đồ ảnh 114

4.5.1 Sơ đồ khối của chương trình 116

4.5.2 Công cụ của chương trình 117

4.5.3 Tính năng 117

4.5.4 Giao diện của chương trình 117

4.5.5 Các bước thực hiện của chương trình 118

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 123 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ CÓ LIÊN QUAN TỚI LUẬN ÁN 126 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ

DBM Digital Building Model Mô hình nhà

DEM Digital Elevation Model Mô hình số độ cao

DLT Direct Linear

Transforma-tion

Mô hình chuyển đổi tuyến tính trực tiếp

DSM Digital Surface Model Mô hình số bề mặt

DTM Digital Terrain Model Mô hình số địa hình

GIS Geographic Information

GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu

GSD Ground Sampling Distance Độ phân giải trên mặt đất

LiDAR Light Detection And

OLI Operational Land Imager Bộ thu nhận ảnh mặt đất

PT Projective Transform Mô hình phép chiếu

RFCs Rational Function

RFM Rational Function Model Mô hình hàm hữu tỷ

TDI Time Delay and Integration Bộ cảm biến tích hợp và làm trễ

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Bảng tổng hợp các đặc tính kỹ thuật của ảnh vệ tinh độ phân giải cao22Bảng 2.2 Nội dung thông tin có thể đoán đọc được trên ảnh IKONOS đối chiếu với yêu cầu thành lập bản đồ 1:5 000 theo [27] 39Bảng 2.3 Nội dung thông tin có thể được nhận biết từ ảnh QuickBird 41Bảng 3.1: Số lượng điểm không chế tối thiểu cho các mô hìnhhàm đa thức 61Bảng 3.2 Giá trị xê dịch vị trí điểm ảnh nắn vệ tinh do ảnh hưởng của sai số mô hình số độ cao 77Bảng 4.1 Thông số của ảnh WorldView - 2 dùng trong thử nghiệm 87Bảng 4.2 Các hệ số của mô hình RPC 89Bảng 4.3 SSTP vị trí điểm kiểm tra của mô hình nắn chỉnh hình học (đơn vị mét) 98Bảng 4 4 Chỉ số đánh giá chất lượng phổ ảnh sau trộn 113Bảng 4.5 Chỉ số tương quan (Corr) của ảnh trước và sau khi trộn 114

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Ảnh GeoEye - 1 với các điểm khống chế và điểm kiểm tra 10

Hình 1.2 Ảnh Geoeye với các điểm khống chế dùng để nắn ảnh 11

Hình 1.3 Bình đồ ảnh Quickbird [19] 14

Hình 1.4 Mối quan hệ hình học giữa ảnh và bề mặt trái đất 16

Hình 2.1 Quỹ đạo đồng bộ Mặt trời 25

Hình 2.2 Phạm vi của trạm thu ảnh vệ tinh 26

Hình 2.3 Cách bố trí các phần tử CCD của bộ cảm biến thu chụp 27

Hình 2.4 Cách bố trí các hàng CCD so le với nhau của bộ cảm biến toàn sắc 28

Hình 2.5 Bộ cảm biến TDI đối với chế độ quét theo hai hướng Bắc sang Nam với dòng quét đầu tiên là nét đứt và ngược lại với hướng từ Nam sang Bắc 30

Hình 2.6 Nguyên tắc quét ảnh dạng chổi quét 31

Hình 2.7 Nguyên tắc quét ảnh của dạng máy quét chổi đẩy 33

Hình 2.8 Méo hình do các nguồn sai số trong của bộ cảm biến 34

Hình 2.9 Méo hình do các nguồn sai số ngoài của bộ cảm biến 34

Hình 2.10 Ảnh toàn sắc và ảnh pan-sharpened QuickBird 42

Hình 3.1 Xê dịch vị trí điểm ảnh do chênh cao địa hình 47

Hình 3.2 Sơ đồ quy trình công nghệ thành lập bình đồ ảnh vệ tinh 50

độ phân giải cao 50

Hình 3.3: Sai số xác định điểm khống chế trên ảnh 74

Hình 3.4: Sai số đoán nhận điểm ảnh trên ảnh vệ tinh 75

Hình 3.5 Xê dịch vị trí điểm ảnh do ảnh hưởng của chênh cao giữa điểm địa hình và mặt phẳng nắn ảnh, hoặc sai số của DEM 76

Hình 4.1 Sự khác biệt về độ phân giải giữa kênh toàn sắc và kênh đa phổ 91

Hình 4.2 Vị trí có chênh cao địa hình trên ảnh toàn sắc - WorldView2 92

Hình 4.3 Phân bố khu vực địa hình trên ảnh WorldView-2 – Bắc Giang 93

Hình 4.4 Nội dung của cơ sơ dữ liệu 95

Hình 4.5 Sơ đồ phương án sử dụng điểm khống chế 97

Hình 4.6 Sơ đồ bố trí điểm khống chế và điểm kiểm tra 101

Hình 4.7: DEM được lấy từ CSDL bằng bay quét Lidar 103

Hình 4.8 Bình đồ ảnh số lấy từ CSDL nền thông tin địa lý tỷ lệ 1:5 000 103

Hình 4.9 Sơ đồ bố trí điểm khống chế 104

Hình 4.11 Một số pixel bị trượt khi sử dụng DEM 1 (b) 107

Hình 4.12 Kết quả các phương pháp trộn ảnh 110

Hình 4.13 Phân tích đồ thị Histogram của các phương pháp trộn ảnh 111

Hình 4.14 Sơ đồ khối của chương trình 116

Hình 4.15 Menu Đánh giá chất lượng bình đồ ảnh 117

Hình 4.16 Sơ đồ các bước thực hiện của chương trình 118

Hình 4.17 File ảnh nắn 119

Hình 4.18 Chương trình Đánh giá chất lượng của bình đồ ảnh 119

Hình 4.19 Xuất điểm khống chế ngoại nghiệp lên bình đồ cần kiểm tra 120

Hình 4.20 Kiểm tra độ chính xác của ảnh nắn 121

Hình 4.21 Kết quả sai số nắn ảnh 121

Hình 4.22 Kết quả sai số tiếp biên 122

DANH MỤC PHỤ LỤC

Phụ lục 1: Kết quả nắn ảnh theo mô hình hàm đa thức 146 Phụ lục 2: Kết quả nắn ảnh theo mô hình chuyển đổi tuyến tính trực tiếp 155 Phụ lục 3: Kết quả nắn ảnh theo mô hình chuyển đổi phép chiếu 157 Phụ lục 4: Kết quả nắn ảnh theo mô hình hàm đa thức hữu tỷ 166 Phụ lục 5: Kết quả sai số mặt phẳng của điểm khống chế khi sử dụng DEM khác nhau 176 Phụ lục 6: Nguồn của chương trình 180

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay, sự phát triển của công nghệ viễn thám và đặc biệt là việc nâng cao độ phân giải không gian đã mở ra những triển vọng quan trọng trong việc sử dụng tư liệu viễn thám cho việc lập bản đồ từ ảnh vệ tinh Với công nghệ truyền thống, thành lập và hiện chỉnh bản đồ chủ yếu dựa trên ảnh hàng không Với sự phát triển của khoa học công nghệ, việc chế tạo ra các bộ cảm biến có độ phân giải hình học cao (độ phân giải mặt đất nhỏ hơn 1 m) cho phép chúng ta tin tưởng rằng trong một thời gian ngắn ảnh vệ tinh sẽ được sử dụng rộng rãi trong việc thành lập và hiện chỉnh bản đồ tỷ lệ lớn Đặc biệt là các vệ tinh được lắp đặt các bộ cảm biến cho phép thu nhận những cảnh ảnh toàn sắc có độ phân giải cao đã được phóng lên và đang vận hành, khai thác tốt như IKONOS, QuickBird, OrbView-3, Worldview-1,2,3 (Mỹ), EROS-A (Israel) Tần suất chụp lặp lại cùng một vị trí trên bề mặt đất cũng là rất cao (trong khoảng từ 1 ngày đến 3,5 ngày) Trong tương lai sẽ có nhiều quốc gia tiếp tục phóng lên quỹ đạo những vệ tinh thu chụp ảnh độ phân giải cao

Cùng với việc phát triển của công nghệ thu chụp ảnh vệ tinh là sự phát triển của công nghệ xử lý ảnh độ phân giải cao, tư liệu viễn thám đã được sử dụng rất nhiều trong các lĩnh vực kinh tế, khoa học kỹ thuật, đặc biệt là trong lĩnh vực thành lập và hiện chỉnh bản đồ Hiện nay, để thành lập và hiện chỉnh bản đồ địa hình người ta sử dụng bình đồ ảnh được thành lập từ tư liệu ảnh vệ tinh Để có được bình đồ ảnh từ dữ liệu là ảnh vệ tinh, phải tiến hành nắn chỉnh hình học nhằm loại trừ hay hạn chế các ảnh hưởng của rất nhiều nguyên nhân khác nhau tới vị trí từng điểm ảnh Với ảnh đã được nắn, tiến hành thành lập bình đồ ảnh Bình đồ ảnh sẽ được sử dụng để đo vẽ phần địa vật của nội dung bản đồ

Chất lượng của bình đồ ảnh vệ tinh trước hết phụ thuộc vào chất lượng

tư liệu ảnh gốc, vào phương pháp nắn chỉnh hình học, vào trình độ, kỹ năng

và kinh nghiệm của người xử lý

Ở Việt Nam các loại ảnh SPOT 5m và SPOT 2,5m đã được sử dụng trong các công trình hiện chỉnh bản đồ địa hình tỷ lệ 1:25 000, thành lập trực ảnh vệ tinh tỷ lệ 1:10 000 hỗ trợ cho đợt Tổng kiểm kê đất đai năm 2005 và

2015 Hiện chỉnh bản đồ nền là ứng dụng của ảnh vệ tinh độ phân giải cao được áp dụng nhiều ở Việt Nam và có xu hướng tăng tỷ lệ bản đồ hiện chỉnh lên1:5 000 và lớn hơn Tuy ảnh vệ tinh độ phân giải cao đã có những ứng dụng trong thực tế ở Việt Nam nhưng quy mô ứng dụng còn hạn chế, chưa áp dụng sản xuất rộng rãi, chưa mang tính sản xuất đại trà Việc lựa chọn tư liệu ảnh viễn thám, thành lập và đánh giá độ chính xác của bình đồ ảnh vệ tinh độ phân giải cao chủ yếu được thực hiện theo kinh nghiệm cho nên quá trình khai thác thông tin từ bình đồ ảnh chưa thể hiện rõ ưu thế về kinh tế - kỹ thuật Với nhu cầu cấp thiết đó và lòng mong muốn đóng góp phần nhỏ của trí thức bản thân cho sự phát triển của công nghệ viễn thám, nghiên cứu sinh

chọn đề tài: “Nghiên cứu một sô giải pháp kỹ thuật nâng cao độ chính xác

của bình đồ ảnh tỷ lệ lớn từ ảnh vệ tinh độ phân giải cao”

2 Mục đích nghiên cứu

- Nghiên cứu nguyên lý thu nhận và đặc điểm của ảnh vệ tinh độ phân giải cao; quy trình và các nguồn sai số ảnh hưởng đến độ chính xác trong quá trình thành lập bình đồ ảnh vệ tinh độ phân giải cao để từ đó đưa ra giải pháp

kỹ thuật nhằm nâng cao độ chính xác của bình đồ ảnh tỷ lệ lớn từ ảnh vệ tinh

độ phân giải cao;

- Nâng cao trình độ tiếp cận và phục vụ sản xuất theo hướng chính xác

và nhanh chóng mà hiện đại đáp ứng được nhu cầu thực tiễn;

- Bổ sung kiến thức cho bản thân nhằm phục vụ tốt cho công tác nghiên cứu khoa học và ứng dụng vào thực tiễn sản xuất tại đơn vị

3 Đối tƣợng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận án là:

- Ảnh vệ tinh quang học độ phân giải cao;

- Các mô hình toán học sử dụng để nắn ảnh trên cơ sở sử dụng các số liệu gốc khác nhau;

- Các nguồn sai số ảnh hưởng đến độ chính xác của bình đồ ảnh tỷ lệ lớn được thành lập từ ảnh vệ tinh độ phân giải cao, phục vụ cho công tác thành lập và hiện chỉnh bản đồ địa hình

4 Nội dung nghiên cứu

- Tổng quan các tài liệu, các công trình nghiên cứu đã có trên thế giới cũng như ở Việt Nam liên quan đến phương pháp nắn chỉnh hình học ảnh vệ tinh

- Nghiên cứu đặc điểm kỹ thuật của ảnh vệ tinh độ phân giải cao;

- Nghiên cứu quy trình thành lập bình đồ ảnh từ ảnh vệ tinh độ phân giải cao;

- Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sai số nắn chỉnh hình học ảnh

vệ tinh bao gồm các nguồn sai số, mô hình toán học nắn chỉnh ảnh vệ tinh

- Độ chính xác nắn chỉnh hình học của ảnh vệ tinh và các sai số ảnh hưởng đến độ chính xác đáp ứng cho việc thành lập bình đồ ảnh phục vụ thành lập hiện chỉnh bản đồ địa hình với tỷ lệ phù hợp;

- Triển khai thử nghiệm và xây dựng phần mềm đánh giá chất lượng bình đồ ảnh

5 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tìm kiếm thu thập các tài liệu

và cập nhật thông tin trên mạng Internet có liên quan đến ảnh vệ tinh độ phân giải cao của các nhà khoa học trên thế giới và ở Việt Nam Từ đó rút

ra được ưu nhược điểm để khắc phục, giải quyết những tồn tại mà đề tài sẽ nghiên cứu đến

- Phương pháp phân tích: Sử dụng các phương pháp tổng hợp tài liệu,

so sánh chọn lọc các mô hình kỹ thuật hợp lý cho bài toán nắn ảnh vệ tinh, đánh giá khách quan các yếu tố để đưa ra kết luận chính xác làm cơ sở để giải quyết các vấn đề đặt ra

- Phương pháp chuyên gia: Trao đổi, học hỏi kinh nghiệm của đội ngũ chuyên gia trong lĩnh vực ảnh viễn thám để tìm ra các giải pháp tối ưu trong quá trình nghiên cứu

- Phương pháp thực nghiệm: Tiến hành thực nghiệm làm rõ vấn đề đặt

ra trong nghiên cứu

6 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

- Ý nghĩa khoa học:

+ Góp phần bổ sung, hoàn thiện một số vấn đề về phương pháp luận trong việc thành lập bản đồ địa hình và hiện chỉnh bản đồ bằng ảnh vệ tinh độ phân giải cao;

+ Đưa ra được cơ sở khoa học và đề xuất các giải pháp kỹ thuật nhằm nâng cao độ chính xác của bình đồ ảnh được thành lập từ ảnh vệ tinh độ phân giải cao, phục vụ cho công tác đo vẽ và hiện chỉnh bản đồ tỷ lệ lớn

- Ý nghĩa thực tiễn:

+ Đưa ra một số giải pháp nâng cao độ chính xác của bình đồ ảnh được thành lập từ ảnh vệ tinh độ phân giải cao, phục vụ cho công tác đo vẽ và hiện chỉnh bản đồ tỷ lệ lớn

7 Các luận điểm bảo vệ

Luận điểm 1: Ảnh vệ tinh độ phân giải cao hoàn toàn có khả năng sử

dụng để thành lập và hiện chỉnh bản đồ tỷ lệ lớn

Luận điểm 2: Để nâng cao hiệu quả kinh tế, kỹ thuật sử dụng ảnh vệ

tinh độ phân giải cao trong thành lập và hiện chỉnh bản đồ, công tác nắn ảnh phục vụ cho thành lập bình đồ ảnh phải được thực hiện theo các thuật toán nắn ảnh phù hợp với từng tư liệu ảnh, số liệu gốc và dạng địa hình

Luận điểm 3: Cơ sở dữ liệu nền thông tin địa lý hoàn toàn có thể sử

dụng như một loại số liệu gốc để nắn ảnh vệ tinh

8 Những điểm mới của luận án

- Nghiên cứu xác lập cơ sở khoa học và đề xuất giải pháp nâng cao độ chính xác của nắn ảnh vệ tinh độ phân giải cao

- Đề xuất giải pháp sử dụng số liệu gốc trong quá trình nắn chỉnh hình học nhằm tăng hiệu quả kinh tế và độ chính xác của bình đồ ảnh từ ảnh vệ tinh độ phân giải cao phục vụ công tác thành lập và hiện chỉnh bản đồ tỷ lệ lớn từ ảnh vệ tinh độ phân giải cao

- Hoàn thiện cơ sở lý thuyết và xây dựng phần mềm đánh giá chất lượng của bình đồ ảnh

9 Cơ sở tài liệu viết luận án

- Các tài liệu trong và ngoài nước trong lĩnh vực trắc địa, trắc địa ảnh viễn thám và hệ thống thông tin địa lý

- Các bài viết, công trình nghiên cứu, các báo cáo, các luận văn, trên tạp chí khoa học chuyên ngành Đo ảnh và viễn thám trong và ngoài nước

- Một số kết quả thực nghiệm tại Viện Khoa học Đo đạc và Bản đồ, Cục Viễn thám Quốc gia và một số cơ quan trong lĩnh vực viễn thám

- Các công trình nghiên cứu của tác giả

10 Khối lƣợng và kết cấu của luận án

Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận án có 4 chương:

Chương 1 Tổng quan về tình hình nghiên cứu Chương 2 Ảnh vệ tinh độ phân giải cao

Chương 3 Bình đồ ảnh vệ tinh độ phân giải cao và quy trình thành lập Chương 4 Các giải pháp kỹ thuật nâng cao độ chính xác của bình đồ ảnh tỷ lệ lớn từ ảnh vệ tinh độ phân giải cao

11 Lời cảm ơn

Luận án được hoàn thành tại Bộ môn Đo ảnh và Viễn Thám - Khoa Trắc địa Bản đồ và Quản lý đất đai, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Trần Đình Trí và TS Nguyễn Xuân Lâm

Trong quá trình thực hiện luận án, tác giả luôn nhận được sự giúp đỡ của các thầy, cô giáo trong Bộ môn Đo ảnh và Viễn Thám, Phòng Đào tạo sau đại học, Khoa Trắc địa - Bản đồ và Quản lý đất đai, Lãnh đạo Trường đại học

Mỏ - Địa chất, Viện Khoa học Đo đạc và Bản đồ, Cục Viễn thám Quốc gia, Cục Đo đạc và Bản đổ Việt Nam

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đến tất cả các nhà khoa học, các thầy cô giáo, các cơ quan, các bạn đồng nghiệp và những người thân đã tận tình giúp đỡ tác giả hoàn thành luận án.,

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU

Hiện nay, các nước phát triển trên thế giới đang nghiên cứu và sản xuất các vệ tinh chụp ảnh có độ phân giải ngày càng cao Ảnh vệ tinh độ phân giải cao đang được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt trong lĩnh vực thành lập và hiện chỉnh bản đồ địa hình Nội dung chương 1 trình bày tổng quan và đánh giá những kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước về các phương pháp nâng cao độ chính xác thành lập và hiện chỉnh bản đồ địa hình tỷ lệ lớn từ ảnh

vệ tinh độ phân giải cao

1.1 Tình hình nghiên cứu sử dụng ảnh vệ tinh độ phân giải cao để thành lập bình đồ ảnh phục vụ cho công tác thành lập và hiện chỉnh bản đồ

lệ lớn, thành lập các bản đồ chuyên đề lớp phủ và các ứng dụng từ ảnh vệ tinh độ phân giải cao

Quy trình để thành lập bản đồ hoặc hiện chỉnh bản đồ địa hình từ tư liệu ảnh độ phân giải cao cần thực hiện qua các bước chính sau:

- Tiền xử lý ảnh bao gồm hiệu chỉnh về giá trị phổ phản xạ và các sai số hình học của hệ thống vệ tinh

- Nắn và hiệu chỉnh ảnh về hệ tọa độ quốc gia, loại bỏ sai số ảnh hưởng của chênh cao địa hình

- Đo vẽ và biên tập bản đồ

Như vậy, kết quả độ chính xác đo vẽ và biên tập bản đồ phụ thuộc vào

độ chính xác của bước tiền xử lý ảnh và hiệu chỉnh hình học ảnh Các nhà khoa học trên thế giới đã đưa ra các kỹ thuật xử lý nhằm nâng cao độ chính xác hình học của ảnh vệ tinh dựa trên các tư liệu ảnh vệ tinh khác nhau Các nghiên cứu về kỹ thuật xử lý nâng cao độ chính xác của anh vệ tinh độ phân giải cao vẫn đang được các nhà khoa học trên thế giới quan tâm thử nghiệm cùng với sự ra đời của các thế hệ vệ tinh mới

Các kết quả nghiên cứu được thể hiện qua các lĩnh vực chính như sau:

Thứ nhất: Về hiệu chỉnh ảnh hưởng các sai số do bản thân chuyển

động và do cấu tạo của bộ cảm đến độ chính xác hình học của ảnh Quá trình

chuyển động của vệ tinh bao gồm việc xác định chính xác các thông số quỹ đạo, vị trí góc chụp, góc ngưỡng, cấu tạo và đặc tính thu nhận của bộ cảm vệ tinh sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác hình học của các pixel trên ảnh

Năm 2001, Saeid Sadeghian và các cộng sự [54], trong nghiên cứu này nhóm tác giả đã đưa ra kết quả nghiên cứu nâng cao độ chính xác hiệu chỉnh hình học bằng cách sử dụng các điểm khống chế ngoại nghiệp khi không có đầy đủ các dữ liệu chụp ảnh như thông số quỹ đạo, vị trí chụp, góc ngưỡng cấu tạo và đặc tính thu nhận của bộ cảm vệ tinh sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác hình học của các pixel trên ảnh Nhóm tác giả đã sử dụng mô hình chuyển đổi tuyến tính trực tiếp (DLT) để nắn chỉnh Khu vực thử nghiệm trên một khu vực của miền Tây của Iran, sử dụng tư liệu ảnh SPOT 5 m và kết quả

là RMSExy là 8,44 m đáp ứng với việc hiện chỉnh bản đồ tỷ lệ 1:50 000 Ngoài ra nhóm tác giả còn so sánh với kết quả hiệu chỉnh hình học trên ảnh hàng không KFA-1000 thì kết quả đạt độ chính xác tương đương nhau

Thứ hai: Về hiệu chỉnh ảnh hưởng của các điều kiện thu nhận ảnh vệ

tinh bao gồm các điều kiện chiếu sáng của mặt trời, ảnh hưởng của khí quyển,

ảnh hưởng của chênh cao địa hình và độ cong của quả đất

Năm 2008, Jindong Wu và các cộng sự trong tài liệu [41] đã đề xuất phương pháp hiệu chỉnh ảnh hưởng của chênh cao địa hình trong các điều kiện chiếu sáng khác nhau đến độ chính xác xác định vị trí các điểm trên ảnh

vệ tinh độ phân giải cao

- Đề xuất phương pháp nâng cao độ chính xác thành lập bản đồ địa hình

tỷ lệ lớn từ ảnh vệ tinh độ phân giải cao Các phương pháp được các nhà khoa học đề xuất chủ yếu để nâng cao độ chính xác về mặt phẳng và độ chính xác

về độ cao trong quá trình thành lập bản đồ tỷ lệ lớn

+ Năm 2006, Didier Massonnet, Charles Elachi [25], trong nghiên cứu này nhóm tác giả đã nghiên cứu các giải pháp kỹ thuật nâng cao độ chính xác thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn từ ảnh vệ tinh độ phân giải cao có sử dụng

kỹ thuật giao thoa ảnh radar

+ Năm 2007, Li Zhang, Armin Gruen [44], nhóm tác giả đã nghiên cứu khả năng tự động tạo mô hình số bề mặt từ ảnh vệ tinh độ phân giải cao như IKONOS, SPOT 5 HRG/HRS (ảnh lập thể độ phân giải cao HRS - High Stereoscopic Resolution) lấy khu vực thử nghiệm với diện tích là 1,6 km2 thuộc thành phố Thun thuộc bang Bern của Thụy Sỹ Và kết quả đạt độ chính xác: đối với khu vực cây và bụi cây là 2 m ÷ 3 m, trong khi đối với khu vực đất trống độ chính xác là khoảng 1 m hoặc thậm chí tốt hơn

- Ngoài ra trong tài liệu của Y.Meguro và C.S.Fraser [64], nhóm tác giả

đã đề cập đến phương pháp thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn từ ảnh vệ tinh lập thể GeoEye - 1 trong khu vực với diện tích khoảng 250 km2 thuộc thành phố Tsukuba thuộc tỉnh Ibaraki của Nhật Bản Trong nghiên cứu này sử dụng

hơn 100 điểm khống chế (hình 1.1) và kết quả đạt được độ chính xác về mặt

phẳng là 0.4 m và độ cao là 0.8 m

Hình 1.1 Ảnh GeoEye - 1 với các điểm khống chế và điểm kiểm tra

- Năm 2012, Martina L Hobi và Christian Ginzler [49], trong nghiên

cứu nhóm tác giả đã đề xuất thành lập mô hình số độ cao trong khu vực giữa hai thành phố Zurich và Baden ở Thụy Sỹ bằng ảnh vệ tinh độ phân giải cao lập thể Worlview-2 và sử dụng mô hình hàm đa thức hữu tỷ để hiệu chỉnh sai

số Và kết quả đạt được độ chính xác về độ cao đối với khu vực bằng phẳng

và thực phủ ít là 0.24 m, còn đối với khu vực địa hình khó khăn có thực phủ lớn là 1.85 m

Thứ 3: Về khả năng nâng cao độ chính xác vị trí điểm địa vật thì

phương pháp chủ yếu là hiệu chỉnh hình học, sử dụng các mô hình hiệu chỉnh

và nâng cao độ chính xác và số lượng các điểm khống chế nắn ảnh

Năm 2009, Shijie Liu [55], trong nghiên cứu tác giả đã quan tâm đến việc nắn chỉnh ảnh Theos của Thái Lan Tác giả đã nghiên cứu ứng dụng của ảnh Theos trong quá trình nắn ảnh, tác giả đã tập trung vào mô hình định hướng cảm biến Cụ thể tác giả đã sử dụng hệ thống phần mềm Barista đo ảnh của ảnh vệ tinh để đánh giá độ chính xác tham chiếu địa lý của ảnh Theos, bao gồm các cảnh ảnh và dải ảnh, đã được tiến hành trong vùng thực nghiệm tại Úc diện tích (25 km x 100 km) Tác giả đã thực nghiệm trên một tập hợp 5 ảnh nằm cùng trên một qũi đạo Kết quả chứng minh với 06 điểm khống chế sử dụng 03 ảnh thì độ chính xác mặt phẳng của các điểm ảnh có thể đạt được nhỏ hơn khoảng 02 pixel so với số lượng điểm khống chế đó trên tập hợp 05 ảnh

Năm 2010, trong tài liệu Kyaw Sann OO và Masataka TAKAGI [43], tác giả dùng ảnh Geoeye độ phân giải cao sử dụng để nắn Trong nghiên cứu này, các tác giả quan tâm đến các điểm khống chế ảnh và coi đó như một yếu

tố quyết định độ chính xác của bình đồ ảnh tạo ra

Hình 1.2 Ảnh Geoeye với các điểm khống chế dùng để nắn ảnh

Các điểm khống chế được sử dụng trong việc nắn ảnh vệ tinh, tọa độ và

độ cao có thể được xác định bằng các phương pháp khác nhau như: Đo trực tiếp ngoại nghiệp; lấy từ bản đồ địa hình tỷ lệ lớn hoặc từ các cơ sở dữ liệu đã được xây dựng trước đó Khi nắn ảnh vệ tinh độ phân giải cao dưới 1m với mục đích thành lập bình đồ ảnh tỷ lệ lớn, thì số lượng các điểm khống chế phải nhiều lên và yêu cầu độ chính xác tọa độ của các điểm không chế phải có

độ chính xác cao Trong nghiên cứu này nhóm tác giả đã thử nghiệm một khu vực có diện tích rất lớn, địa hình đặc biệt khó khăn Dẫn đến việc đi lại cho quá trình đo nối điểm khống chế ngoại nghiệp gặp rất nhiều khó khăn thậm chí có những nơi không thể đo được Vì thế,nhóm tác giả đã lựa chọn phương

án là sử dụng 10 điểm khống chế ảnh đã có tọa độ và độ cao có sẵn ở các tài liệu khác Kết quả đã khẳng định khống chế ảnh này có thể sử dụng như khống chế đo ngoại nghiệp

Các vấn đề nghiên cứu nâng cao độ chính xác của nắn ảnh vệ tinh được trình bày trong các tài liệu Tuy nhiên, khi tham khảo các báo cáo khoa học này gần như chỉ là những thông tin cơ sở, rất khó tiếp thu và triển khai

1.1.2 Ở Việt Nam

Ở Việt Nam cùng với sự phát triển công nghệ viễn thám và hệ thông tin địa lý, việc xử lý số liệu ảnh vệ tinh từ nhiều nguồn vệ tinh khác nhau nhằm quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trường là nhu cầu rất cần thiết trong nhiều năm qua Những cam kết bảo vệ tài nguyên thiên nhiên và môi trường được các địa phương đề cập và ký kết thành văn bản với sự tham gia của Bộ Tài nguyên và Môi trường nhấn mạnh sự cần thiết phải mở ra những dự án lớn trong đó có sử dụng ảnh vệ tinh độ phân giải cao đi đôi với độ phủ rộng Việc nghiên cứu ứng dụng có sự tham gia của dữ liệu viễn thám giúp ích cho khả năng dự báo và hạn chế các tác động không mong muốn Chính vì vậy,

việc sử dụng ảnh vệ tinh đã được các nhà khoa học đo ảnh rất quan tâm và được nghiên cứu trong nhiều lĩnh vực khoa học khác nhau

- Năm 2001, Nguyễn Xuân Lâm [5] báo cáo đề tài khoa học “Nghiên cứu quy trình đo vẽ địa hình tỷ lệ 1:5 0000 để hoàn thiện vùng trống, vẽ nháp trên bản đồ phủ trùm bằng tư liệu viễn thám” Đây là một trong những nghiên

cứu ban đầu về sử dụng ảnh vệ tinh để thành lập bản đồ địa hình Kết quả đo

vẽ độ chính xác đạt được thỏa mãn yêu cầu thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ 1: 50 000 ở khu vực có địa hình núi cao và ở những vùng địa hình đơn giản (núi đều) thì độ chính xác có thể đạt cho đo vẽ bản đồ địa hình tỷ lệ 1: 25 000

- Năm 2003, Cao Xuân Triều [10] báo cáo đề tài khoa học, tác giả đã nghiên cứu sử dụng ảnh vệ tinh độ phân giải cao để thành lập bản đồ địa hình, nhưng kết quả chỉ đạt được độ chính xác đáp ứng được tỷ lệ bản đồ địa hình cần thành lập là 1: 25 000

- Năm 2005, 2006, Lương Chính Kế [2], [3], tác giả đã nghiên cứu về ảnh vệ tinh độ phân giải cao Tác giả đã nghiên cứu từ tổng quan đến chi tiết

để đưa ra được khả năng ứng dụng của ảnh vệ tinh độ phân giải cao, đồng thời tác giả đã kết hợp so sánh độ chính xác của bản đồ tỷ lệ lớn được thành lập từ ảnh vệ tinh độ phân giải cao với bản đồ được thành lập từ ảnh hàng không truyền thống

- Cũng trong năm 2005, Phạm Bách Việt [19] Trong nghiên cứu này tác giả sử dụng phương pháp nắn ảnh theo bản đồ đã có sẵn Tác giả đã sử dụng ảnh viễn thám có độ phân giải cao là Quickbird Vị trí khu vực ảnh mẫu được chọn dùng trong nghiên cứu là một phần của Quận 1, khu vực trung tâm của thành phố Hồ Chí Minh, được thu nhận vào ngày 09 tháng 01 năm 2004

và được nắn theo phương pháp nắn ảnh theo bản đồ (sử dụng bản đồ tỷ lệ 1:2 000 thuộc hệ tọa độ VN 2000) Kết quả đạt độ chính xác nắn ảnh có độ tin

cậy cao, đã mở ra hướng ứng dụng mới trong lĩnh vực giám sát bề mặt Trái đất như: thành lập thành lập các bản đồ chuyên đề (bản đồ thực phủ, bản đồ rừng ) tỉ lệ 1:10 000 với độ chính xác cao được tiến hành rất nhanh chóng, tiết kiệm được nhiều thời gian và kinh phí

Hình 1.3 Bình đồ ảnh Quickbird [19]

- Về “Mô hình hình học của ảnh vệ tinh độ phân giải cao” được TS Lương Chính Kế, Wieslaw Wolniewicz thuộc Viện Trắc địa ảnh và Bản đồ, Trường đại học Bách khoa Warsaw, Ba Lan đã công bố trong [26] Trong nghiên cứu này nhóm tác giả đã trình bày tổng quan về các mô hình hình học như mô hình hệ số đa thức hữu tỷ, mô hình tham số để nắn ảnh vệ tinh độ phân giải cao Với mô hình tham số tác giả đã phát triển dựa trên phương trình cạnh thẳng nó phụ thuộc vào mối quan hệ toán học không gian vật và không gian ảnh vệ tinh thu được thông qua các CCD (charge couple device)

trên quỹ đạo vệ tinh và quỹ đạo trong hệ thống địa tĩnh Trong khi nắn chỉnh hình học, nghiên cứu cho thấy dùng hàm đa thức:

a Z Y X

Z Y X

b s s s Z Y X

Z Y X

y

x Z

Tùy thuộc vào bộ cảm biến hay nói đúng hơn tùy thuộc vào vệ tinh để các nhà sản xuất đưa ra các dạng của hàm đa thức hữu tỷ khác nhau, ví dụ như:

Với ảnh IKONOS, QUICKBIRD, ORBVIEW sử dụng hàm:

)(

)(

)(

)(

)(

)(

cos

)(

)(

)(

)(

)(

)(

0 9

0 8

0 7

0 5

0 5

0 4

0 9

0 8

0 7

0 3

0 2

0 1

Z Z a Y Y a X X a

Z Z a Y Y a X X a f y

Z Z a Y Y a X

X a

Z Z a Y Y a X X a f ftg

)(

)(

)(

)(

)(

sincos

sincos

)(

)(

)(

)(

)(

)(

0 9

0 8

0 7

0 5

0 5

0 4

0 9

0 8

0 7

0 3

0 2

0 1

Z Z a Y Y a X X a

Z Z a Y Y a X X a f f

f

f y

f

Z Z a Y Y a X

X a

Z Z a Y Y a X

X a f

6 5 4

3 2

a a a

a a a

a a a

i: góc nghiêng của mặt phẳng quỹ đạo;

γ: điểm xuân phân;

λ0: kinh độ của đường kinh tuyến gốc:

Ω: góc lên của vệ tinh;

K: điểm mọc;

ω: góc cận điểm;

π: cận điểm;

τ: góc lệch quỹ đạo so với cận điểm;

Λ: kinh độ địa tâm;

Φ: vĩ độ địa tâm;

OO’: bán kính trái đất;

O’S: độ cao quỹ đạo;

R = OO’ + O’S: bán kính của vệ tinh so với tâm trái đất tại thời điểm chụp;

O 1 xyz: hệ tọa độ ảnh;

SXSYS ZS: hệ tọa độ vệ tinh;

O’XLYL ZL: hệ tọa độ địa diện;

OXYZ: hệ tọa độ địa tâm

Tất cả các dải quét được ghi ở những thời điểm khác nhau t, vì thế các yếu tố định hướng ảnh là hàm của t Các yếu tố định hướng này biểu diễn như những hàm của t, n là số dải quét:

2 2 1

0 R t R t R

R  

hoặc

2 2 1

0 R t R t R

R  

2 2 1

0 i t i t i

2 1

0 i n i n i

i  

2 2 1

0 u t u t u

2 1

u

2 2 1

0  t  t



2 1



2 2 1



2 2 1

0  t  t



2 1

xã hội vùng đồng bằng Sông Cửu Long” bằng ảnh Quickbird, IKonos Chủ

đầu tư ban đầu là Viện Nghiên cứu Địa chính (nay là Viện Khoa học Đo đạc

và Bản đồ) sau chuyển sang Trung tâm Viễn thám Quốc gia (nay là Cục Viễn thám Quốc gia) Kết quả của dự án đã giải quyết nhiều vấn đề khoa học công nghệ mới phục vụ có hiệu quả cho công tác phòng chống lũ lụt và nhiều mục tiêu khác cho nhiều ngành, nhiều địa phương ở đồng bằng sông Cửu Long

- Năm 2008, Nguyễn Việt An [1], trong nghiên cứu này tác giả đã chỉ

ra cơ sở toán học của hai mô hình đó là mô hình vật lý và mô hình hữu tỷ Tư liệu sử dụng là ảnh SPOT 5 - PAN độ phân giải 2,5 mét Nghiên cứu đã tập trung vào việc đánh giá độ chính xác của ảnh nắn trong điều kiện số lượng điểm khống chế thay đổi và phân bố không đều, điều kiện các góc chụp khác nhau Nghiên cứu đã chỉ ra được sự khác biệt trong từng điều kiện và tiến hành thử nghiệm nhưng vẫn còn thiếu ở những khu vực địa hình khác nhau

- Năm 2009, Lương Chi Lan [6], đã công bố kết quả nghiên cứu của đề

tài “Xây dựng quy trình công nghệ phối hợp giữa các phần mềm ENVi và Mapinfo để xây dựng bản đồ chuyên đề lớp phủ mặt đất (lấy khu thực nghiệm

ở khu vực Hà Nội cũ)”

Trong đề tài, tác giả đã sử dụng công nghệ viễn thám - GIS với nhiều loại ảnh vệ tinh khác nhau cùng với các công cụ phần mềm hỗ trợ để thành

lập bản đồ lớp phủ mặt đất đã tạo được một bước tiến mới về quy trình thành lập bản đồ Ngoài ra, việc kết hợp ứng dụng các phần mềm xử lý ảnh và GIS

là một công cụ rất tốt trong việc nắn ảnh vệ tinh nó rút ngắn được thời gian thi công, chi phí sản xuất và nâng cao độ chính xác cho việc thành lập bản đồ và phân tích thông tin địa lý

Có thể nói, ứng dụng ảnh vệ tinh để thành lập bản đồ địa hình ở nước ta tuy không xa lạ nhưng chưa mang tính chất hệ thống và đại trà Các công trình công bố đã khẳng định: Ảnh vệ tinh độ phân giải cao có thể đạt được yêu cầu độ chính xác về mặt phẳng trong việc thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ 1:10 000 và đạt được yêu cầu độ chính xác về độ cao trong việc thành lập bản

đồ địa hình tỷ lệ 1:25 000, 1:50 000

1.2 Kết luận

Qua những nghiên cứu trên thế giới và ở Việt Nam cho thấy tư liệu viễn thám - đa độ phân giải, đa phổ và đa thời gian (đặc biệt là sản phẩm dưới dạng bình đồ ảnh) là tư liệu cơ sở quan trọng được sử dụng trong việc giám sát tài nguyên, thiên nhiên môi trường, trong thành lập và hiện chỉnh bản đồ

Các nghiên cứu được công bố trên các tạp chí khoa học trong và ngoài nước được thực hiện trên các tư liệu vệ tinh khác nhau, phương pháp hiệu chỉnh hình học khác nhau, số lượng điểm khống chế khác nhau, khu vực nghiên cứu khác nhau nên không có một phương pháp xử lý chung cho tất

cả các tư liệu vệ tinh độ phân giải cao Ngoài ra, mỗi vệ tinh thu nhận ảnh độ phân giải cao có những phương pháp thu nhận, kỹ thuật xử lý khác nhau nên

độ nét của hình ảnh địa vật trên ảnh sẽ ảnh hưởng đến độ chính xác chọn điểm khi thực hiện các phương pháp hiệu chỉnh hình học Vì vậy, đòi hỏi cần có những nghiên cứu thử nghiệm các phương pháp hiệu chỉnh hình học của tư

liệu ảnh vệ tinh độ phân giải cao đối với khu vực địa hình đặc trưng của Việt Nam

Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước tập trung về nghiên cứu xử

lý phổ, chiết tách thông tin từ ảnh hoặc sử dụng phương pháp nắn ảnh theo ảnh, hoặc nắn ảnh theo bản đồ Tuy nhiên, nguyên lý thu nhận ảnh vệ tinh độ phân giải cao, đặc biệt các vệ tinh có độ phân giải dưới 1m chưa được đề cập

cụ thể trong các công trình khoa học trong nước Các nghiên cứu trong nước vẫn tập trung sử dụng tư liệu ảnh vệ tinh SPOT với độ phân giải 5m và 2.5m trong thành lập và hiện chỉnh bản đồ, chưa có nhiều những nghiên cứu thử nghiệm đối với tư liệu ảnh vệ tinh độ phân giải cao dưới 1m Vì vậy, để có thể ứng dụng rộng rãi ảnh vệ tinh độ phân giải cao trong thực tế thì đòi hỏi cần có những nghiên cứu và thử nghiệm cụ thể về những nguyên lý thu nhận ảnh vệ tinh độ phân giải cao và giải pháp kỹ thuật nâng cao độ chính xác của bình đồ ảnh được thành lập từ ảnh vệ tinh độ phân giải cao

Do vậy, luận án tập trung và giải quyết các vấn đề cơ bản sau:

1 Nghiên cứu nguyên lý thu nhân và đặc tính kỹ thuật của vệ tinh độ phân giải cao, đặc biệt đối với các vệ tinh có độ phân giải nhỏ hơn 1m (kênh toàn sắc)

2 Nghiên cứu giải pháp để nâng cao độ chính xác của bình đồ ảnh từ ảnh vệ tinh độ phân giải cao phục vụ công tác thành lập và hiện chỉnh bản đồ địa hình tỷ lệ lớn

CHƯƠNG 2 ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA ẢNH VỆ TINH

ĐỘ PHÂN GIẢI CAO

Khái niệm về vệ tinh độ phân giải cao được thay đổi theo thời gian và được cập nhật dựa trên những tiến bộ về độ phân giải mặt đất (GSD) của các

thế hệ vệ tinh, đặc biệt là vệ tinh quang học Ví dụ: Cách đây khoảng 15 năm

các nhà khoa học trên thế giới định nghĩa ảnh vệ tinh độ phân giải cao là ảnh

có độ phân giải mặt đất là 10 m Tuy nhiên, khi các thế hệ vệ tinh IKONOS,

QuickBird… cho độ phân giải nhỏ hơn 1 m (kênh toàn sắc) thì định nghĩa ảnh

vệ tinh độ phân giải cao đã thay đổi

Hiện nay ảnh vệ tinh quang học với độ phân giải mặt đất nhỏ hơn 1m

đã phủ trùm trái đất Chất lượng bức xạ phổ và đặc trưng hình học của ảnh vệ

tinh có thể được so sánh với ảnh hàng không số và có chất lượng tốt hơn các

loại ảnh tương tự thông thường Các tham số đặc trưng của ảnh vệ tinh độ

phân giải cao, thời gian lặp và tốc độ xoay, độ phân giải cũng như tham số

thiết yếu cho việc tạo cặp ảnh lập thể và một số tham số quan trọng khác cũng

được đề cập đầy đủ Phương pháp thu nhận tín hiệu của bộ cảm sử dụng kỹ

thuật tích hợp và làm trễ thời gian (TDI - Time Delay and Integration) của các

vệ tinh độ phân giải cao đã tạo ra những bước tiến mới trong kỹ thuật xử lý

tín hiệu so với các vệ tinh quang học thông thường Điều này nâng cao cao độ

phân giải không gian của pixel ảnh, đồng thời giảm các sai số hình học trên

ảnh vệ tinh độ phân giải cao

2.1 Các đặc tính kỹ thuật của vệ tinh độ phân giải cao

2.1.1 Các hệ thống vệ tinh độ phân giải cao

Bảng 2.2 tổng hợp các đặc tính kỹ thuật của vệ tinh độ phân giải cao của vệ tinh IKONOS, QuickBird, OrbView3, WorldView-1,2,3,

GeoEyes-1, …

Bảng 2.1 Bảng tổng hợp các đặc tính kỹ thuật của ảnh vệ tinh độ phân giải cao

IKONOS-2 QuickBird-2 OrbView-3 WorldView

98 , đồng

bộ mặt trời

0

2

97 , đồng bộ mặt trời

0

97 đồng bộ mặt trời

0

2

97 , đồng

bộ mặt trời

98o, đồng bộ mặt trời

0

2

98 , đồng bộ mặt trời

0

2

Dọc theo vết quỹ đạo và cắt ngang vết quỹ đạo

Dọc theo vết quỹ đạo và cắt ngang vết quỹ đạo

Dọc theo vết quỹ đạo và cắt ngang vết quỹ đạo

Dọc theo vết quỹ đạo và cắt ngang vết quỹ đạo

Dọc theo vết quỹ đạo và cắt ngang vết quỹ đạo

Panchromatic, blue, green, red, Near IR

Panchromatic, blue, green, red, Near IR

Panchromatic

Panchromatic, blue, green, red, Near IR

Panchromatic, red, blue, green, near-IR, red edge, coastal, yellow, near-

Panchromatic, red, blue, green, near-IR, red edge, coastal, yellow,

Độ phân giải mặt

đất (tại điểm thiên

đế)

0.82m (toàn sắc) 3.2 m (đa phổ)

0.65 m (toàn sắc) 2.62m (đa phổ)

1.0 m (toàn sắc) 4.0 m (đa phổ)

0.5 m (toàn sắc),

0.41m (toàn sắc) 1.65 m (đa phổ

0.46 m (toàn sắc), 1.84 m (đa phổ)

0.31 m (toàn sắc) 1.24 m (đa phổ)

Số bít dữ liệu 11 bít/ pixel 11 bít/ pixel 11 bít/ pixel 11 bít/ pixel 11 bít/ pixel 11 bít/ pixel 11 bít /pixel

Chổi đấy (pushbroom)

Chổi đấy (pushbroom)

Chổi đấy (pushbroom)

Chổi đấy (pushbroom)

Từ dữ liệu (bảng 2.2) cho ta thấy:

- Các hệ thống vệ tinh đã nâng độ phân giải lên rất nhiều Các vệ tinh

có độ phân giải dưới 1m (kênh toàn sắc) thường là những vệ tinh bay ở độ cao lớn trên 650 km;

- Độ rộng dải quét nhỏ từ 8 km ~ 17.6 km;

- Đặc tính quét tín hiệu của các bộ cảm của vệ tinh độ phân giải cao vẫn chủ yếu là máy quét dạng chổi đẩy;

- Hệ thống vệ tinh độ phân giải cao cao đều sử dụng kỹ thuật thu nhận

TDI (bộ cảm biến tích hợp và làm trễ thời gian) tại các bộ cảm biến;

- Các vệ tinh đều có chế độ chụp ảnh lập thể;

- Chu kỳ lặp của vệ tinh đã rút ngắn xuống còn từ 1 ngày ÷ 3,5 ngày

2.1.2 Đặc điểm của quỹ đạo vệ tinh

Điều kiện ánh sáng là yếu tố rất quan trọng cho việc thu ảnh đạt chất lượng cao vì vậy nó phải ổn định, nghĩa là góc tới của ánh sáng mặt trời đối với mặt phẳng quỹ đạo luôn không thay đổi theo thời gian (trong một ngày hoặc giữa các mùa), chính vì vậy quỹ đạo của vệ tinh độ phân giải cao thường

có quỹ đạo đồng bộ mặt trời (sun-synchronous) (hình 2.1), quỹ đạo vệ tinh chuyển động theo hướng Bắc - Nam kết hợp với chuyển động quay của trái đất (Tây - Đông) sao cho vệ tinh luôn luôn nhìn được bề mặt trái đất tại thời điểm có độ chiếu sáng tốt nhất của mặt trời Như vậy góc nghiêng của mặt phẳng quỹ đạo này gần với góc nghiêng của trục quay của trái đất (so với mặt phẳng xích đạo) nên còn được gọi là quỹ đạo cận cực Những vệ tinh chuyển động theo quỹ đạo đồng bộ mặt trời sẽ thu thập thông tin trên vùng nào đó của trái đất theo giờ địa phương nhất định, thường từ 9 giờ đến 11 giờ theo giờ địa

phương Chu kỳ thời gian quan sát lặp lại một vị trí trên mặt đất là tương đối nhanh, khoảng 01 ngày ÷ 3.5 ngày

Hình 2.1 Quỹ đạo đồng bộ Mặt trời

Độ nghiêng của quỹ đạo (góc giữa quỹ đạo và mặt phẳng xích đạo): là một tham số có liên quan để xác định quỹ đạo vệ tinh Một vùng phủ sóng tốt không chỉ phụ thuộc vào sự lựa chọn quỹ đạo mà còn phụ thuộc vào các trạm thu nhận ảnh vệ tinh, và thời gian chụp lại của vệ tinh Phạm vi một trạm thu nhận về mặt hình học bị giới hạn bởi góc giữa ăng - ten mặt đất và vệ tinh (hình 2.2), và được xác định bởi độ cao của quỹ đạo và các thông số kỹ thuật, như các thông tin liên lạc giữa trạm thu và vệ tinh, độ cao tối thiểu của ăng - ten

Hình 2.2 Phạm vi của trạm thu ảnh vệ tinh

Chu kỳ chụp ảnh của vệ tinh cũng phụ thuộc vào độ nghiêng của quỹ đạo nếu như độ nghiêng quỹ đạo càng nhỏ thì chu kỳ càng ngắn

2.1.3 Đặc điểm của bộ cảm biến

Các vệ tinh chụp ảnh có độ phân giải cao hiện nay hầu hết là các vệ tinh quang học Ảnh thu được bởi các máy quét quang - điện tử, có các bộ cảm biến thu chụp (sensor) là các đầu thu, hoặc nhóm các đầu thu (dectector) được sắp xếp theo dạng đường CCD (linear array CCD), hoặc dạng mảng (array CCD) Trong đó, các CCD (charge couple device) là một thiết bị cảm biến thu ảnh, gồm một mạch tích hợp của các mảng tụ điện/ hay chíp bán dẫn được liên kết với nhau, hoặc được ghép thành từng đôi rất nhạy cảm với ánh sáng nhờ sự điều khiển của mạch ngoài mà mỗi một tụ điện hay chíp bán dẫn

có thể truyền điện tích của chúng sang một hay nhiều tụ điện hay chíp bán dẫn bên cạnh Thông thường có hai cách bố trí các phần tử CCD như sau:

2.1.3.1 Cách bố trí thông thường của các phần tử CCD của bộ cảm biến

Hình 2.3 Cách bố trí các phần tử CCD của bộ cảm biến thu chụp

Các bộ cảm biến thu chụp ảnh vệ tinh không chỉ có một hàng CCD mà

có rất nhiều hàng CCD ngắn, hoăc các mảng CCD, các hàng CCD được chuyển dịch ngược hướng và thu chụp ảnh toàn sắc [37]

Việc ghép các ảnh thành phần do các hàng CCD toàn sắc thu chụp được thực hiện trong quá trình định hướng trong, người sử dụng không được cung cấp thông tin về quá trình này Thông thường, độ chính xác khớp ảnh của các ảnh thành phần tương ứng luôn đạt mức nhỏ hơn giới hạn 1 kích thước pixel, vì thế tính chất hình học của cảnh ảnh sau khi được ghép lại từ các ảnh nhỏ không bị ảnh hưởng đáng kể nào

Tuy nhiên, giữa các hàng CCD có tồn tại sự khác nhau về thu chụp ảnh màu do độ chuyển dịch lớn hơn Trong quá trình xử lý trộn ảnh đa phổ đối với ảnh toàn sắc thì các đối tượng không di chuyển sẽ không gây nên vấn đề gì Về

lý thuyết thì chỉ ở những khu vực vùng núi rất cao có thể sẽ nhìn thấy những ảnh hưởng, nhưng không quan trọng Trong khi đó, đối với các đối tượng chuyển

động thì khác, việc trễ thời gian của các CCD màu ngược với các CCD toàn sắc

sẽ gây nên sự sai khác về vị trí của cường độ và màu Các băng ảnh màu khác nhau thể hiện qua cường độ Tuy nhiên, ảnh hưởng này cũng có thể coi là không quan trọng trong thành lập bản đồ, bởi vì chỉ các đối tượng không di chuyển trong quá trình chụp ảnh mới là đối tượng địa vật trên bản đồ

2.1.3.2 Bố trí các hàng CCD so le nhau

Hai hàng CCD của bộ cảm biến thu chụp ảnh toàn sắc được bố trí so le với nhau với độ xê dịch là ½ pixel nhờ đó mà nhiều chi tiết hơn có thể được quan sát trên ảnh được tạo ra Do việc lấy mẫu lặp, các nội dung thông tin không tương đương không tương ứng với sự chồng thông tin tuyến tính Đây

là công nghệ được áp dụng trong vệ tinh SPOT 5 Với kỹ thuật bố trí so le nhau thì độ phân giải không gian gốc trên SPOT5 HRG là 5m thì có thể tăng

độ phân giải lên đến 2.5m (hình 2.4)

Hình 2.4 Cách bố trí các hàng CCD so le với nhau của

bộ cảm biến toàn sắc