cở sở viễn thám - Chương 4

Bài giảng giới thiệu các kiến thức cơ sở về viễn thám, do PGS. Nguyễn Ngọc Thạch, khoa Địa chất, trường Đại học Khoa học Tự nhiên biên soạn

Chtơng 4

chụp ảnh h~ng không

4.1 Giới thiệu chung

Thuật ngữ không ảnh l μ một khái niệm khoa học đ†ợc xử dụng cho các ảnh

đ†ợc chụp bằng phim ảnh trên các ph†ơng tiện hμng không nh† máy bay, kinh khí cầu vμ các ph†ơng tiện khác trên không vμ đ†ợc thực hiện với các loại máy ảnh khác nhau Nh† vậy lμ, khi nói đến không ảnh, không có nghĩa hẹp lμ chỉ nói tới ảnh chụp

từ máy bay Còn khi nói ảnh thu từ máy bay chính lμ một trong những ph†ơng pháp thu dữ liệu không ảnh Viễn thám hμng không lμ nghiên cứu đối t†ợng không gian

vμ các quá trình xẩy ra trên mặt đất qua không ảnh- các dữ liệu ảnh chụp trong ngμnh hμng không Nh† vậy, lịch sử phát triển của khoa học viễn thám bắt đầu bằng việc chụp ảnh vμ tách lọc thông tin về một vật trên các bức ảnh đ†ợc chụp bằng phim ảnh

Hình 4 1:ảnh chụp trên khinh khí cầu chụp vùng Booston, tác giả James

Wallace Black vμo 13 tháng 10 năm 1860 (Thomas)

ảnh chụp theo ph†ơng pháp nμy chỉ nhạy cảm với dải sóng nhìn thấy, hồng ngoại gần vμ đ†ợc gọi lμ ảnh photo Bức ảnh hμng không đầu tiên, dùng trong nghiên cứu về trái đất lμ ảnh đ†ợc chụp trên khinh khí cầu, ghi lại vùng Booston,

đ†ợc thực hiện bởi James Wallace Black vμo 13 tháng 10 năm 1860 Các ảnh chụp bằng máy ảnh có thể kể đến lμ các ảnh hμng không trắng đen vμ ảnh mμu nằm trong dải phổ nhìn thấy, đơn kênh hoặc đa kênh Thời kỳ đầu, ảnh photo đ†ợc chụp từ trên

các khinh khí cầu Giai đoạn tiếp theo khi ngμnh hμng không phát triển thì chụp ảnh

đ†ợc thực hiện trên các máy bay Bức ảnh đầu tiên chụp từ máy bay đ†ợc thực hiện vμo năm 1903 Trong chiến tranh thế giới thứ nhất vμ chiến tranh thế giới thứ hai không ảnh đã phát triển do yêu cầu của mục đích quân sự Một loạt các kiểu máy

ảnh vμ cả công nghệ đo đạc ảnh hμng không cùng với giải đoán thông tin từ không

ảnh ra đời.

4.2 Những ‡u điểm vμ hạn chế khi sử dụng không ảnh

4.2.1 Ưu điểm

Sử dụng không ảnh có các †u điểm cần kể đến sau đây:

ảnh chụp từ máy ảnh mô phỏng giống nh† mắt ng†ời vμ nhạy cảm với phổ nhìn thấy.

Độ phân giải cao vμ chứa đựng nhiều thông tin

Độ trung thực cao về mặt hình học

Giá thμnh rẻ

Cho ra cách nhìn tổng thể: nghiên cứu các đối t†ợng không gian với nhau.

Nghiên cứu vùng xa mμ không thể tiếp cận trực tiếp đ†ợc.

Tiếp kiệm thời gian

ứng dụng cho nhiều ngμnh khác nhau

4.2.2 Những hạn chế của ảnhhng không

Dải phổ của máy ảnh còn hẹp, chỉ có trong khoảng b†ớc sóng 0,3 - 0,9 micron (phổ nhìn thấy, cực tím vμ hồng ngoại gần)

Chịu nhiều ảnh h†ởng của điều kiện khí quyển,

Quá trình tìm lại phim tốn nhiều thời gian vμ phức tạp

Dễ bị h† hỏng theo thời gian

Mất thông tin trong quá trình rửa ảnh

4.2.3 Nguyên lý chụp ảnh hng không

Nguyên lý hoạt động cơ bản của máy ảnh đ†ợc tuân thủ theo hoạt động của một thấu kính lồi Hình ảnh của một vật đ†ợc ánh sáng ghi nhận vμ truyền qua thấu kính lồi ghi lại trên một mặt phẳng nằm sau thấu kính Trên mặt phẳng nμy đ†ợc bố trí cho phim chạy qua Sơ đồ của một máy ảnh đơn giản nhất đ†ợc minh họa trên hình 4.2

Thấu kÝnh

mÌy

F A

B'

2F B

2F

H A'

v

u

Mặt Ẽất

MÌy ảnh sữ dừng cho viễn thÌm lμ thiết bÞ chÝnh xÌc Hùp phần chÝnh cũa nọ bao gổm mờt thấu kÝnh lổi vμ phim ghi nhận hỨnh ảnh Ẽặt ẼÍng sau thấu kÝnh MÌy

ảnh Ẽ†ùc chia ra lμm 4 loỈi chÝnh: 1 MÌy ảnh phỗ thẬng khung ẼÈn; 2 MÌy chừp

ảnh toμn cảnh; 3 MÌy chừp ảnh theo Ẽ†ởng vμ 4 MÌy chừp Ẽa kành (Ẽ· nàu ỡ ch†Èng 3)

HỨnh 4.2: MẬ phõng ảnh cũa mờt vật qua thấu kÝnh lổi cũa mờt mÌy ảnh (a)

vμ ghi nhận hỨnh ảnh vật tràn phim (b)

4.2.4 Ẽặc Ẽiểm cũa ảnh hng khẬng

4.2.4.1ườ phũ mặt Ẽất cũa ảnh (Overlap)

HỨnh 4.3: Cặp ảnh lập thể cọ vủng phũ chổng

Lμ diện tích mặt đất mỗi lần chụp đ†ợc Khái niệm nμy liên quan đến đặc điểm của ống kính vμ khoảng cách hay độ cao chụp Nếu cùng một độ cao chụp thì độ che phủ mặt đất khác nhau liên quan đến độ mở ống kính

Ví dụ: Với ống kính độ mở 230mm thì diện tích phủ sẽ bằng 17,5 lần diện tích phủ của ống kính 5,5 x 5,5mm hay bằng 61 lần so với diện tích phủ của ống kính

24 x 36mm Nếu ống kính có tiên cự ngắn thì diện tích che phủ mặt đất sẽ lớn hơn

so với của ống kính tiêu cự dμi

(a) Điều kiện khi chụp

Phủ cuối Diện phủ ảnh đơn

Vùng có hiệu ứng nổi Stereo

Іờng nối các

điểmtrực tâm mặt

đất ( đ†ờng Nadir )

Biên biến thiên do

đ†ờng bay trôi dạt (b) kết quả ảnh chụp

Hình 4.4: Sơ đồ chụp ảnh đứng theo một đ‡ờng bay độ phủ

của các bức ảnh hμng không

Phủ về t

Đ-ờng bay

Phủ bên

Hình3.10 Sơ đồ tuyến chụp ảnh hμng không trên một khu vực

Hình 4.5: Sơ đồ tuyến chụp ảnh hμng không trên một khu vực

đ†ờng bay

Phủ bên

Phủ về phía tr†ớc

H†ớng bay

4.2.4.2.Tỷ lệ của ảnh hμng không

Tỷ lệ của ảnh hμng không (S) đ†ợc tính bằng bằng tỷ số của khoảng cách đo trên ảnh (L) chia cho khoảng cách thực trên mặt đất (D) (hình 4.5) :

S= l/D

Khoảng cách nμy có thể xác định theo bản đồ Nếu một bản đồ cùng một khu vực với ảnh thì tỷ lệ của ảnh có thể tính bằng cách đo khoảng cách giữa hai điểm trên bản đồ vμ trên ảnh, tỷ lệ ảnh sẽ đ†ợc tính theo công thức:

S = khoảng cách trên ảnh/ khoảng cách trên bản đồ/ tỷ lệ bản đồ

Nếu khoảng cách của hai điểm trên bản đồ bằng khoảng cách hai điểm trên

ảnh thì tỷ lệ của bản đồ vμ của ảnh bằng nhau

- Tỷ lệ ảnh sẽ dao động từ điểm nμy đến điểm khác tùy thuộc vμo độ cao của vật trên mặt đất Độ cao cμng lớn thì tỉ lệ ảnh cμng lớn

- Thông th†ờng tỷ lệ của ảnh có thể xác định bằng tỉ lệ của độ dμi tiêu cự máy

ảnh so với độ cao của máy bay so với mặt đất = f/H

trong đó: F lμ tiêu cự; H độ cao của máy bay so với mặt đất

- Nếu ta dùng mặt n†ớc biển lμm mốc độ cao để tính độ cao của đ†ờng bay thì

tỷ lệ của một ảnh hμng không đ†ợc xác định:

Tỉ lệ = f/ (H-h)

trong đó: H lμ độ cao của máy bay so với mặt n †ớc biển; h độ cao của địa hình so với mặt n†ớc biển (hình 4.6)

Phim âm

Tâm chiếu

Bản in d ‡ơng

Độ cao so với mặt đất

Độ cao

của máy

Độ cao địa hình

Hình 4.6: Sơ đồ tính tỷ lệ ảnh trên địa hình phẳng

- Tỷ lệ ảnh có thể đ†ợc thể hiện bằng cách :

1 Іa ra đơn vị t†ơng đ†ơng theo th†ớc tỉ lệ, ví dụ 1 cm trên ảnh bằng 1 km trên thực tế

2 Theo tỷ số ví dụ 1/24.000, 1/10000

3 Phân loại tỉ lệ ảnh theo mức độ chi tiết

ảnh hμng không có thể phân chia theo mức độ chi tiết nh† sau:

- Tỷ lệ lớn (th†ờng từ 1:10000 -1:25 000)

- Tỷ lệ trung bình (1:50000 - 1:200000)

- Tỷ lệ trung bình (1:50000 - 1:200000)

- Tỷ lệ nhỏ (1: 500000 - 1: 1000000 hoặc nhỏ hơn)

- Tỷ lệ của ảnh trên địa hình gồ ghề sẽ thay đổi vμ thay đổi nμy phụ thuộc vμo

độ biến thiêu của địa hình Trong tr†ờng hợp địa hình biến thiên ít có thể sử dụng công thức chung Trong tr†ờng hợp cần chính xác hóa thì tỷ lệ của ảnh cần xác định theo công thức:

- Tỷ lệ của ảnh = tiêu cự máy ảnh/độ cao địa hình

f h H h H

f H

f S

/ ) (

1

Độ cao trên địa hình lμ H’ = độ cao bay chụp (H) - độ cao địa hình (h) lμ độ cao trung bình của địa hình so với mặt n†ớc biển

Nh† vậy, cùng một độ cao bay chụp song độ cao địa hình khác nhau sẽ có tỉ lệ

ảnh khác nhau

Ví dụ: f = 0,152 m; h = 5000 m; R = 1200m

25000

1 152 0 / ) 1200 5000 (

1 1200

5000

152 0





S

4.2.4.3.Độ phân giải của ảnh hμng không

Lμ khái niệm dùng để xác định khả năng phân biệt đối t†ợng mặt đất Độ phân giải không gian phụ thuộc vμo nhiều yếu tố: độ phân giải của phim ảnh, năng lực của ống kính, đặc điểm hình ảnh lúc chụp, điều kiện khí quyển, điều kiện in tráng phim ảnh Độ phân giải của phim, ng†ời ta sử dụng khái niệm khả năng phân biệt số cặp đ†ờng trên 1mm Thông th†ờng phim có độ phân giải lμ 100 cặp đ†ờng/mm.

Đối với chụp ảnh máy bay, ng†ời ta cũng dùng khái niệm độ phân giải mặt đất lμ khả năng phân biệt số cặp đ†ờng trên khoảng cách 1m ở d†ới mặt đất Tuy nhiên để

so sánh, ng†ời ta hay dùng khái niệm độ phân giải không gian: lμ khoảng cách tối

thiểu để phân biệt hai đối t†ợng để gần nhau, hoặc lμ độ lớn tối thiểu của một đối t†ợng trên mặt đất mμ có thể phân biệt đ†ợc trên ảnh (tính bằng mét) (hình 4.7)

Hình 4.7: Hình chuẩn để kiểm tra độ phân giải

Độ phân giải không gian của ảnh phụ thuộc vμo nhiều yếu tố vμ tỷ lệ thuận với: 1)

2)

3)

4)

5)

6)

1)

Độ t†ơng phản giữa đối t†ợng vμ mầu

Tỷ số giữa chiều dμi trên chiều rộng

Tính cân đối về hình dạng của vật

Số l†ợng của vật trên mẫu phân giải

Sự đồng nhất của nền ảnh

Sự mở rộng của nền ảnh

Độ phân giải không gian tỷ lệ nghịch với:

Độ hạt của phim

2) L†ợng ánh sáng chạy qua phim trong thời gian rửa ảnh (ng†ợc điều kiện quyển khí )

Công thức để tính độ phân giải mặt đất (Ground Resolution Distance):

Tỉ lệ của ảnh (phần mẫu số)

GRD =

Độ phân giải của phim ảnh (của hệ thống chụp)

Ví dụ:

Tỉ lệ ảnh = 1: 50000

Độ phân giải hệ thống = 40 cặp đ†ờng/mm hay 40.000 đ†ờng/m

25 1 000 40

000 50

Nh† vậy việc phóng to hình ảnh cũng không có tác dụng lμm rõ hơn các đối t†ợng trên ảnh

4.2.4.4.Độ lệch của địa hình (Relief Displacement)

Hiện t†ợng lệch của địa hình lμ đặc điểm xuất hiện trong chụp ảnh thẳng đứng

Do sự chụp phối cảnh (chụp xuyên tâm) hình ảnh của đối t†ợng sẽ bị lệch đi so với thực tế Độ lệch đó do những yếu tố: độ cao tuyệt đối của

đối t†ợng vμ vị trí đối t†ợng

so với điểm cơ bản – hay tâm

ảnh.

Quy luật chung của hiện t†ợng lμ độ lệch sẽ tăng dần

từ trung tâm đối t†ợng ra phía xa hơn (tỏa tia) theo quy luật tỉ lệ thuận Độ lệch của

đối t†ợng tỉ lệ nghịch với độ cao tuyệt đối của máy ảnh so với đối t†ợng.

4.2.4.5 Hiệu ứng lập thể của

ảnh hμng không

Con ng†ời có khả năng quan sát lập thể các đối t†ợng tr†ớc mặt, tức lμ xem chúng không chỉ về chiều dμi, chiều rộng mμ cả chiều dμy nữa Có đ†ợc khả năng đó lμ do con ng†ời có hai mắt đ†ợc bố trí trên mặt để có thể cùng nhìn một lúc vμo một vật thể duy nhất Không phải động vật nμo cũng có khả năng đó

Mặt phẳng của ảnh in

độ cao máy

ảnh H

Tâm ảnh ( điểm chính )

địa hình (h )

trên ảnh máy bay

Hình 4.10.Sự lệch của địa hình

ở những ng†ời bình th†ờng, hai mắt chỉ có thể nhìn đồng thời vμo một vật duy nhất vμ đó lμ cách nhìn lập thể Hai mắt cho ta hai ảnh chụp cùng một vật, nh†ng

ghi nhận từ hai góc nhìn hơi khác nhau tạo ra hai ảnh gần giống nhau Khi ng†ời ta nhìn, hai ảnh đ†ợc chập lμm một, tạo ra một ấn t†ợng về độ dμy của vật thể Tuy nhiên, để nhìn lập thể phải có sự luyện tập khả năng điều tiết của mắt Hình 14 giới thiệu ph†ơng pháp luyện tập cho ng†ời mới sử dụng kính lập thể

Hình 4.11: Hình để kiểm tra khả năng nhìn lập thể (A) với các hình có vị trí sắp xếp khác

nhau theo chiều thẳng đứng (trên d‡ới).

A

B

C Hình 4.12: Chụp ảnh theo nguyên tắc khung (B) vμ phân tích hiệu ứng lập thể (C)

Trong viễn thám, phần chồng phủ cùng xuất hiện trên hai tấm ảnh kề nhau

đ†ợc chụp trên cùng một tuyến bay tạo ra một cặp ảnh lập thể Quan sát lập thể bất

cứ đối t†ợng nμo trên không ảnh cũng cần phải có cặp ảnh lập thể của đối t†ợng đó

Để quan sát lập thể các không ảnh, ng†ời ta không chỉ cần có cặp ảnh lập thể (đối t†ợng quan sát) mμ còn phải có kính lập thể (ph†ơng tiện quan sát) Kính lập thể lμ một dụng cụ đơn giản gồm hai kíp lúp (th†ờng chỉ phóng đại cỡ 2,5-3 lần để

có tiêu cự đủ xa) gắn trên một khung thép phẳng có thể dịch chuyển chút ít ra xa hoặc gần lại nhau sao cho khoảng cách giữa hai tâm điểm của hai thấu kính bằng khoảng cách giữa hai đồng tử của mắt ng†ời quan sát Khung thép nμy dựa lên một

bộ cμng chắc chắn có thể gập đ†ợc ít nhiều để điều chỉnh khoảng cách của hai mặt

kính so với mặt phẳng ảnh, có nh† vậy nhμ quan sát mới nhìn đ†ợc ảnh rõ nét (hình

4.12).

Hình 4.13: Một số kiểu kính soi khác nhau:a) steoreocope thấu kính; b)

Steoreoscope g†ơng c) Steoreos cope g†ơng bỏ túi; d) interpreterscope (Theo Wild Heerbrugg).

Hình 4.14: Hiệu ứng nhìn lập thể đôí với một đối t‡ợng có chiều cao

Sau khi điều chỉnh xong kính lập thể, ng†ời ta đặt mỗi tấm ảnh d†ới một mắt kính sao cho các điểm chính vμ điểm chính kép của hai ảnh phải nằm trên một

đ†ờng thẳng vμ diện chồng phủ phải h†ớng vμo nhau Đẩy từ hai tấm ảnh lại gần nhau vμ liên tục quan sát ảnh qua kính cho đến khi d†ới kính, hình ảnh của cùng một đối t†ợng trên hai tấm ảnh hoμn toμn trùng khớp nhau Khi đó ta có hình ảnh lập thể của đối t†ợng đó Dù rằng d†ới kính, hai ảnh của cùng một đối t†ợng trên hai tấm ảnh lμ trùng nhau, nh†ng trên thực tế chúng vẫn cách nhau một khoảng cách nhất định Hiện t†ợng đó lμ do mắt ng†ời điều tiết để tạo nên khả năng quan sát lập thể Một số nhμ nghiên cứu cho rằng độ lớn của khoảng cách giữa hai mắt phản ánh mức độ tiến hoá của con ng†ời vì lμm tăng khả năng quan sát lập thể

4.2.4.6 Sự phóng đại theo chiều thẳng đứng của ảnh máy bay

Khái niệm: Khi xem xét lập thể các không ảnh tỷ lệ lớn, các đỉnh cao d †ờng nh† cao hơn, các vực sâu d†ờng nh† sâu hơn, trong khi khoảng cách nằm ngang không biến đổi Hiện t†ợng đó gọi lμ sự phóng đại thẳng đứng của không ảnh Tỉ lệ phóng đại theo chiều thẳng đứng th†uờng lμ từ 3-5 lần (hình 4.15, 4.16)

Địa hình nhìn qua kính lập thể

Địa hình thực

Hình 4.15: Sự phóng đại theo chiều thẳng đứng khi nhìn lập thể

Hiện t†ợng phóng đại thẳng đứng giúp cho việc quan sát thực địa rõ rệt hơn, nhất lμ những vùng ít bị phân cắt sâu, tuy vậy, nó lại lμm sai lệch các tính toán về độ dốc của s†ờn, độ cao các đỉnh núi, thế nằm của các lớp đá Hiện t†ợng nμy xảy ra lμ

do sự biến đổi đáng kể của tỷ lệ của ảnh theo sự gần hơn của đỉnh cao vμ xa hơn của vực sâu đối với máy ảnh Các đỉnh cao có tỷ lệ ảnh lớn hơn tỷ lệ chung còn các thung lũng sâu có tỷ lệ ảnh nhỏ hơn tỷ lệ chung.

Tỉ lệ

phóng đại

theo chiều

thẳng đứng

Tỉ lệ AB/H

4

3

2

1

0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

Hình 4.16: Độ phóng đại theo chiều thẳng đứng của ảnh hμng không

Sự phóng đại theo chiều thẳng đứng (VE) cho kết quả lμ tỷ lệ theo chiều thẳng

đứng lớn hơn nhiều so với tỷ lệ theo chiều ngang trong mô hình lập thẻ Hệ số phóng đại đ†ợc tính gần đúng theo công thức sau:

VE =

EB

AVD H AB

trong đó:

AB: (air base): khoảng cách cơ sở, lμ khoảng cách mặt đất giữa trung tâm hai

ảnh có hiệu ứng lập thể

H: độ cao của máy ảnh phía trên vùng chụp ảnh

AVD: khoảng cách xuất hiện hiệu ứng lập thể (lμ khoảng cách từ thấu kính đến

bề mặt ảnh) Thông th†ờng giá trị nμy của mắt bình th†ờng lμ 45cm (Wolf, 1974)

EB: khoảng cách cơ sở của mắt (eye base) Đối với mắt ng†ời lớn, khoảng

cách nμy lμ 6,4cm

Ví dụ: AB = 1.700m

H = 3.000m

Độ phóng đại đ†ợc tính: AB = 4

4 , 6

45 000 3

700 1

cm cm

Nh† vậy, khi phân tích địa hình, ng†ời giải đoán phải có sự hiệu chỉnh tính ra

độ cao thực cũng nh† góc dốc thực của địa hình

Độ phóng đại thẳng đứng phụ thuộc vμo nhiều yếu tố

1 Tỷ lệ thuận với B (air base – khoảng cách giữa hai lần chụp kề nhau của cùng một tuyến bay) Do yêu cầu nghiên cứu không cần quá chi tiết hoặc do sự hạn hẹp của kinh phí, ng†ời ta có thể giảm số l†ợng không ảnh của mỗi tuyến bay bằng cách giảm độ chồng phủ, tức lμ tăng khoảng cách giữa hai lần chụp kề nhau, đồng thời với việc giảm số l†ợng lần chụp - độ phóng đại thẳng đứng tăng khi B tăng

2 Độ phóng đại thẳng đứng cũng tỷ lệ thuận với khoảng cách giữa kính quan sát lập thể vμ tấm ảnh, với khoảng cách giữa hai tấm ảnh khi quan sát lập thể

3 Độ phóng đại thẳng đứng giảm khi khoảng cách giữa hai con ng†ơi (eye base) của ng†ời quan sát tăng lên Điều đó cũng có nghĩa lμ những ng†ời có khoảng cách giữa hai mắt rộng hơn sẽ có khả năng nhìn không ảnh lập thể gần với hình ảnh thực hơn so với ng†ời bình th†ờng.

Do tác dụng của hiện t†ợng phóng đại thẳng đứng mμ các chi tiết của địa hình trở nên rất rõ rệt khi quan sát chúng d†ới kính lập thể, tuy nhiên cùng với sự dịch chuyển ảnh theo chiều ngang, chúng tạo ra những biến dạng đáng kể của hình ảnh

đối t†ợng, trừ những đối t†ợng dạng tuyến

4.2.4.7. Các điểm lu ý chính về ảnh hμng không

Chụp ảnh hμng không lμ một dạng chụp ảnh rất linh hoạt vμ có hiệu qủa do những lý do sau:

- Các phim có độ phân giải tốt, chứa đựng l†ợng thông tin cao

- Giá ảnh t†ơng đối thấp

- Các phim khác nhau có một dải nhạy cảm từ sóng cực tím đi qua dải nhìn thấy vμ đến vùng hồng ngoại phản xạ

- Các ảnh chụp với góc mặt trời thấp lμm nổi rõ các đối t†ợng mờ nhạt khó thấy mμ chúng đ†ợc định h†ớng thích hợp so với góc ph†ơng vị mặt trời

- ảnh máy bay lập thể lμ ph†ơng tiện có giá trị cho nhiều dạng phân tích Tuy nhiên, khi có sự tán xạ của khí quyển sẽ lμm giảm tỷ số t†ơng phản vμ năng lực phân giải, lμm giảm chất l†ợng hình ảnh Mặt khác, sự khác nhau về sự phản xạ

đ†ợc ghi lại trong điều kiện không hiệu chỉnh sẽ lμm giảm bớt chất l†ợng của việc phân tích thông tin từ ảnh máy bay