Đánh giá khả năng ứng dụng mô hình đa thức hữu tỷ trong nắn ảnh vệ tinh SPOT 6 (Luận văn thạc sĩ)

Đánh giá khả năng ứng dụng mô hình đa thức hữu tỷ trong nắn ảnh vệ tinh SPOT 6 (Luận văn thạc sĩ)Đánh giá khả năng ứng dụng mô hình đa thức hữu tỷ trong nắn ảnh vệ tinh SPOT 6 (Luận văn thạc sĩ)Đánh giá khả năng ứng dụng mô hình đa thức hữu tỷ trong nắn ảnh vệ tinh SPOT 6 (Luận văn thạc sĩ)Đánh giá khả năng ứng dụng mô hình đa thức hữu tỷ trong nắn ảnh vệ tinh SPOT 6 (Luận văn thạc sĩ)Đánh giá khả năng ứng dụng mô hình đa thức hữu tỷ trong nắn ảnh vệ tinh SPOT 6 (Luận văn thạc sĩ)Đánh giá khả năng ứng dụng mô hình đa thức hữu tỷ trong nắn ảnh vệ tinh SPOT 6 (Luận văn thạc sĩ)Đánh giá khả năng ứng dụng mô hình đa thức hữu tỷ trong nắn ảnh vệ tinh SPOT 6 (Luận văn thạc sĩ)Đánh giá khả năng ứng dụng mô hình đa thức hữu tỷ trong nắn ảnh vệ tinh SPOT 6 (Luận văn thạc sĩ)Đánh giá khả năng ứng dụng mô hình đa thức hữu tỷ trong nắn ảnh vệ tinh SPOT 6 (Luận văn thạc sĩ)Đánh giá khả năng ứng dụng mô hình đa thức hữu tỷ trong nắn ảnh vệ tinh SPOT 6 (Luận văn thạc sĩ)

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

NGUYỄN THỊ THU GIANG

ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG

MÔ HÌNH ĐA THỨC HỮU TỶ TRONG NẮN ẢNH VỆ TINH SPOT 6

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, NĂM 2017

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG

MÔ HÌNH ĐA THỨC HỮU TỶ TRONG NẮN ẢNH VỆ TINH SPOT 6

NGUYỄN THỊ THU GIANG

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ

MÃ SỐ: 60520503

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS BÙI THỊ HỒNG THẮM

HÀ NỘI, NĂM 2017

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNGĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

Cán bộ hướng dẫn chính: TS Bùi Thị Hồng Thắm

Cán bộ chấm phản biện 1: TS Chu Hải Tùng

Cán bộ chấm phản biện 2: PGS.TS Trần Xuân Trường

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại:

HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

Ngày 31 tháng 12 năm 2017

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực, không vi phạm luật sở hữu trí tuệ và pháp luật Việt Nam Nếu sai, tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước pháp luật

Hà Nội, ngày 31tháng 12 năm 2017

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Nguyễn Thị Thu Giang

Mặc dù có nhiều cố gắng nhưng do kiến thức chuyên môn còn hạn chế, thời gian nghiên cứu thực hiện đề tài còn có hạn nên nội dung luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, tôi rất mong nhận được sự góp ý của các thầy, cô để bản luận văn được hoàn thiện hơn

Tôixin trân trọng cảm ơn!

iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 4

1.1 Khái quát về ảnh vệ tinh, bình đồ ảnh vệ tinh 4

1.1.1 Khái quát về ảnh vệ tinh 4

1.1.2 Khái quát về bình đồ ảnh vệ tinh 8

1.2 Một số đặc điểm của ảnh vệ tinh SPOT 6 9

1.2.1 Khái quát về vệ tinh SPOT 9

1.2.2 Ảnh vệ tinh SPOT 6 10

1.3 Tình hình nghiên cứu khả năng ứng dụng mô hình đa thức hữu tỷ trong nắn ảnh vệ tinh SPOT 6 15

1.3.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 15

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH ĐA THỨC HỮU TỶ 19

TRONG NẮN ẢNH VỆ TINH 19

2.1 Khái quát về nắn ảnh vệ tinh 19

2.1.1 Sai số trong quá trình thu nhận ảnh vệ tinh 19

2.1.2 Nguyên lý chung để nắn chỉnh hình học ảnh vệ tinh 20

2.1.3 Thành lập bình đồ ảnh vệ tinh 22

iv

2.2 Khái quát phương pháp mô hình đa thức hữu tỷ 25

2.2.1 Hàm đa thức tổng quát 25

2.2.2 Đa thức nội suy nhiều biến 26

CHƯƠNG 3 THỰC NGHIỆM 30

3.1 Giới thiệu khu vực thực nghiệm 30

3.1.1 Điều kiện tự nhiên và đặc điểm kinh tế, văn hóa, xã hội 30

3.1.2 Mục đích, yêu cầu thực nghiệm 32

3.1.3 Số liệu thực nghiệm 33

3.2 Đánh giá khả năng sử dụng mô hình đa thức hữu tỷ trong nắn ảnh vệ tinh SPOT6 36

3.2.1 Quá trình nắn ảnh vệ tinh SPOT 6 sử dụng mô hình đa thức hữu tỷ 36

3.2.2 Đánh giá khả năng sử dụng mô hình đa thức hữu tỷ trong nắn ảnh vệ tinh SPOT 6 42

3.3 Đánh giá khả năng sử dụng mô hình đa thức hữu tỷ kết hợp với các điểm khống chế ảnh trong nắn ảnh vệ tinh SPOT6 45

3.3.1 Quá trình nắn ảnh vệ tinh SPOT 6 sử dụng mô hình đa thức hữu tỷ kết hợp với các điểm khống chế 45

3.2.2 Đánh giá khả năng sử dụng mô hình đa thức hữu tỷ kết hợp với các điểm khống chế ảnh trong nắn ảnh vệ tinh SPOT 6 47

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 52

TÀI LIỆU THAM KHẢO 54

PHỤ LỤC 1

PHỤ LỤC………

v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

TT Chữ viết tắt/Tiếng nước ngoài Giải thích

1 IFOV - Instantaneous Field Of View Trường nhìn tức thời

3 MSS - Multi spectral Scanner Bộ cảm đa phổ

4 GSD - Ground sampling distance Khoảng cách lấy mẫu

5 VHR - Very High Resolution Độ phân giải siêu cao

6 RPC - Rational Polynomial Coefficient Mô hình đa thức hữu tỷ

7 GPS - Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu

8 GIS - Geographic Information System Hệ thống thông tin địa lý

10 GLT - Geospatial Light Table Cửa sổ liên kết địa lý động

11 DEM - Digital Elevation Model Mô hình số độ cao

vi

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng1.1 Độ phân giải không gian của dữ liệu ảnh viễn thám 6 Bảng 3.1 Tọa độ của các điểm khống chế ảnh 34 Bảng 3.2 Tọa độ của các điểm khống chế ảnh trên ảnh vệ tinh nắn chỉnh bằng

mô hình đa thức hữu tỷ 42 Bảng 3.3 Độ lệch của các điểm khống chế ảnh trong trường hợp 1 43 Bảng 3.4 Tọa độ của các điểm khống chế ảnh trên ảnh vệ tinh nắn chỉnh bằng

mô hình đa thức hữu tỷ kết hợp với điểm khống chế ảnh 47 Bảng 3.5 Độ lệch của các điểm khống chế trong trường hợp 2 48

vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Mô tả về độ phân giải không gian của ảnh 6

Hình 1.2 Một số hình ảnh về độ phân giải không gian của ảnh viễn thám 7

Hình 1.3 Vệ tinh SPOT 9

Hình 1.4 Ảnh thu nhận đầu tiên của SPOT 6 sau 3 ngày phóng lên quỹ đạo (Bora Bora, Frenvh Polynésia) 10

Hình 1.5 Chùm vệ tinh quan sát Trái Đất 11

Hình 1.6 Chế độ đa dải (trái) - Chế độ đơn dải (phải) 11

Hình 1.7 Chế độ tri-steoreo mở rộng dải quét ảnh vệ tinh 12

Hình 1.8 Ảnh SPOT6 tại đảo Ngọc Trai, Doha, Quatar 13

Hình 2.1 Méo ảnh tổng hợp 20

Hình 2.2 Méo hình do các nguyên tố định hướng ngoài 20

Hình 2.3 Sơ đồ quy trình thành lập bình đồ ảnh vệ tinh 24

Hình 2.4: Hệ thống cục bộ của khung ảnh được nắn 27

Hình 3.1 Khu vực thực nghiệm 30

Hình 3.2 Sơ đồ ghi chú các điểm khống chế ảnh 36

Hình 3.3 Giao diện của phần mềm ERDAS IMAGINE 2014 37

Hình 3.4 Giao diện modul IMAGINE Photogrametry 37

Hình 3.5 Tạo Block mới 38

Hình 3.6 Thao tác trên bảng Create New Block 38

Hình 3.7 Thao tác trên bảng Model Setup 39

Hình 3.8 Bảng Block Property 39

Hình 3.9 Bảng Projection Chooser 40

Hình 3.10 Thao tác nhập ảnh 40

Hình 3.11 Thao tác nhập DEM 41

Hình 3.12 Ảnh vệ tinh đã được nắn trong trường hợp sử dụng mô hình đa thức hữu tỷ 41

viii

Hình 3.13 Độ lệch các điểm khống chế ảnh trong trường hợp 1 theo

chiều X 43

Hình 3.14 Độ lệch của các điểm khống chế ảnh trong trường hợp 1 theo chiều Y 44 Hình 3.15 Độ lệch vị trí điểm của các điểm khống chế ảnh trong trường hợp 1 45

Hình 3.16 Thanh công cụ Start point measurent tool 45

Hình 3.17 Bảng Select Point Measurement Tool 46

Hình 3.18 Màn hình làm việc nhập điểm khống chế 46

Hình 3.19 Ảnh vệ tinh đã được nắn trong trường hợp sử dụng mô hình đa thức hữu tỷ kết hợp với các điểm khống chế ảnh 47

Hình 3.20 Độ lệch của các điểm khống chế ảnh trong trường hợp 2 theo chiều X 49

Hình 3.21 Độ lệch của các điểm khống chế ảnh trong trường hợp 2 theo chiều Y 49 Hình 3.22 Độ lệch về vị trí điểm của các điểm khống chế ảnh trong trường hợp 2 50 Hình 3.23 Độ lệch vị trí điểm của điểm khống chế ảnh trong hai trường hợp 51

ix

THÔNG TIN LUẬN VĂN

Họ tên học viên: Nguyễn Thị Thu Giang

Cán bộ hướng dẫn: TS Bùi Thị Hồng Thắm

Tên đề tài: Đánh giá khả năng ứng dụng mô hình đa thức hữu tỷ trong nắn ảnh vệ tinh SPOT 6

Từ khóa:Mô hình đa thức hữu tỷ, độ chính xác của ảnh vệ tinh

Tóm tắt: Đề tài luận văn nghiên cứu về việc nắn chỉnh hình học ảnh vệ tinh SPOT 6 trong 2 trường hợp đó là sử dụng mô hình đa thức hữu tỷ (trường hợp 1) và sử dụng mô hình đa thức hữu tỷ (RPC) kết hợp với các điểm khống chế ảnh ngoại nghiệp (trường hợp 2) trong quá trình nắn ảnh, thực nghiệm tại khu vực phía Bắc nước CHDCND Lào Kết quả cho thấy, độ chính xác của ảnh

vệ tinh sau khi nắn trong trường hợp 1 có độ chính xác đáp ứng được công việc thành lập bản đồ tỷ lệ 1:25.000, trong trường hợp 2 đáp ứng được công việc thành lập bản đồ tỷ lệ 1:10.000 Kết quả nghiên cứu của đề tài góp phần vào việc nâng cao hiệu quả khai thác ứng dụng mô hình RPC trong nắn ảnh vệ tinh

1

MỞ ĐẦU

1 Cơ sở khoa học và tính thực tiễn của đề tài

Viễn thám là công nghệ thu nhận từ xa thông tin về các đối tượng, hiện tượng trên Trái Đất và các hành tinh khác thông qua những đặc trưng riêng về phản xạ và bức sóng điện từ Với độ bao quát rộng, lượng thông tin phong phú

và khả năng cung cấp thông tin nhanh có độ tin cậy cao, hiện nay công nghệ viễn thám là một trong những lĩnh vực luôn được chú trọng, tập trung nghiên cứu và khai thác nhằm phục vụ nhiều mục đích khác nhau của con người Trong đó, tư liệu ảnh viễn thám SPOT là một trong những tư liệu được sử dụng rộng rãi Để bảo đảm tính liên tục dữ liệu của thế hệ vệ tinh này, ngày 9/9/2012

vệ tinh SPOT6 đã chính thức được đưa lên quỹ đạo, thể hiện những ưu điểm vượt trội hơn các thế hệ vệ tinh SPOT trước

Để có được bình đồ ảnh, ảnh vệ tinh SPOT6 phải được nắn chỉnh nhằm loại trừ hay hạn chế các ảnh hưởng của rất nhiều nguyên nhân khác nhau gây ra biến dạng hình học trên ảnh vệ tinh như ảnh hưởng bởi phép chiếu hình, góc nghiêng, vệt quét, điều kiện khí quyển, độ cong Trái Đất, chênh cao địa hình,… Việc nắn chỉnh nhằm hạn chế, loại trừ các sai số này được thực hiện dựa trên

cơ sở các mô hình toán học

Mô hình đa thức hữu tỷ là một trong những mô hình đã và đang được sử dụng để nắn ảnh vệ tinhđược xây dựng trên cơ sở của các điểm khống chế ảnh

là công cụ của hầu hết các phần mềm để xử lý ảnh vệ tinhhiện nay Trong mô hình đa thức hữu tỷ, mối quan hệ toạ độ giữa ảnh cần nắn và ảnh được hiệu chỉnh được mô tả bằng đa thức Mô hình đa thức hữu tỷ có thể áp dụng để nắn cho bất kỳ loại ảnh nào và dữ liệu cung cấp có thông tin bộ cảm không rõ ràng

Mặc dù, hiện nay trên thế giới ảnh vệ tinh SPOT được đưa vào sử dụng

2

rộng rãi trong hầu hết các quốc gia, tuy nhiên ở Việt Nam, việc sử dụng, tiếp cận với tư liệu ảnh SPOT6 còn nhiều hạn chế do bởi tư liệu ảnh này không miễn phí Bên cạnh đó, trong thực tiễn, việc xây dựng các điểm khống chế ảnh ngoại nghiệp phục vụ cho quá trình nắn ảnh là công việc khó khăn và tốn kém

về mặt kinh tế, đặc biệt là đối với vùng núi cao, vùng biên giới và vùng ngoài lãnh thổ Vậy, câu hỏi đặt ra là nếu chỉ sử dụng mô hình đa thức hữu tỷ để nắn ảnh vệ tinh thì độ chính xác của ảnh sau khi nắn là bao nhiêu, đáp ứng được công việc thành lập bản đồ tỷ lệ nào? Trên cơ sở ý tưởng đó, đề tài luận văn với tên gọi: "Đánh giá khả năng ứng dụng mô hình đa thức hữu tỷ trong nắn ảnh vệ tinh SPOT 6" đã được đặt ra để nghiên cứu Đề tài có ý nghĩa thiết thực trong thực tiễn sản xuất, góp phần vào việc nâng cao hiệu quả khai thác ứng dụng mô hình RPC trong nắn ảnh vệ tinh

2 Mục tiêu của đề tài

Đánh giá được khả năng ứng dụng mô hình đa thức hữu tỷ trong nắn ảnh

vệ tinh SPOT6trong 2 trường hợp:

- Sử dụng mô hình đa thức hữu tỷ để nắn ảnh vệ tinh SPOT6

- Sử dụng mô hình đa thức hữu tỷ kết hợp với các điểm khống chế ảnh

trên khu vực nghiên cứu để nắn ảnh vệ tinh SPOT6

3 Phương pháp nghiên cứu

Luận văn sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau đây:

- Phương pháp tổng hợp, phân tích và kế thừa: Thu thập các tài liệu đã có; cập nhật các thông tin trên mạng internet; tổng hợp, phân tích các tài liệu và các kết quả nghiên cứu, kế thừa có chọn lọc các thành quả có liên quan đến đề tài; tổng hợp, đánh giá các kết quả nghiên cứu của đề tài;

- Phương pháp thu thập và xử lý số liệu: Thu thập các tư liệu liên quan

3 phục vụ cho thực nghiệm của đề tài;

- Phương pháp ứng dụng công nghệ tin học: Khai thác, sử dụng phần mềm phục vụ cho quá trình nắn ảnh

4 Nội dung nghiên cứu

Để đạt được mục đích, luận văn giải quyết các vấn đề cơ bản sau:

- Tìm hiểu những kiến thức cơ bản về ảnh vệ tinh và nắn ảnh vệ tinh

- Nghiên cứu về đặc điểm kỹ thuật của ảnh vệ tinh SPOT6

- Cơ sở lý thuyết mô hình đa thức hữu tỷ trong nắn ảnh vệ tinh

- Sử dụng mô hình đa thức hữu tỷ để nắn ảnh vệ tinh SPOT6

- Sử dụng mô hình đa thức hữu tỷ kết hợp với các điểm khống chế ảnh trên khu vực nghiên cứu để nắn ảnh vệ tinh SPOT6

5 Bố cục của luận văn

Luận văn về cơ bản được trình bày trong 3 chương:

Chương 1 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Chương 2 Phương pháp mô hình đa thức hữu tỷ trong nắn ảnh vệ tinh Chương 3 Thực nghiệm

Ngoài những phần nêu trên luận văn còn có các phần mở đầu, kết luận, kiến nghị,tài liệu tham khảo và phụ lục

4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Khái quát về ảnh vệ tinh, bình đồ ảnh vệ tinh

1.1.1 Khái quát về ảnh vệ tinh

Ảnh vệ tinh hay còn gọi là ảnh viễn thám là ảnh số thể hiện các vật thể trên bề mặt Trái Đất được thu nhận bởi các bộ cảm biến đặt trên vệ tinh

* Đặc điểm chung của ảnh viễn thám

Đặc điểm chung của ảnh viễn thám được xác định dựa vào đặc điểm chuyển động của vệ tinh như độ cao, quỹ đạo và tốc độ chuyển động,… bên cạnh đó là kỹ thuật, vật liệu, thiết bị thu chụp và xử lý ảnh vệ tinh

- Ảnh viễn thám cung cấp thông tin trên phạm vi rộng được chụp trong cùng thời điểm và cùng điều kiện vật lý cho phép rút ngắn thời gian thu thập và

xử lý thông tin cho quá trình thành lập và hiện chỉnh bản đồ

- Ảnh viễn thám được chụp ở tỷ lệ nhỏ với những giải phổ khác nhau nên tính chất tổng quát hóa tự nhiên về mặt hình học và quang học khách quan

và chính xác, phản ánh tính quy luật của các hiện tượng tự nhiên

-Độ cao thu chụp của các vệ tinh lớn so với độ cao địa hình, do vậy vị

tríđiểm bị xê dịch trên ảnh không đáng kể, chỉ quan tâm ở vùng núi khi vượt quá hạn sai cho phép Ngược lại, ảnh phủ một diện tích rộng nên sai số do độ

cong quả đất lớn, vì vậy phải có phương pháp xử lý thích hợp

- Viễn thám có khả năng chụp lặp lại theo một chương trình với chu kỳ nhất định là nguồn thông tin đảm bảo tính tức thời, phản ánh cả những hiện

tượng, đối tượng biến đối nhanh

- Thiết bị thu nhận và xử lý ảnh hiện đại cho phép nhận được ảnh vũ trụ với lượng thông tin phong phú và tổng hợp về mặt đất Phản ánh tất cả các thành phần cảnh quan, ảnh vệ tinh là nguồn thông tin có ý nghĩa liên ngành, với các phương pháp xử lý khác nhau sẽ cho ra các nguồn thông tin hữu ích cho các chuyên ngành khác nhau

5

- Ảnh vệ tinh cũng có khả năng cung cấp thông tin ở các vùng con người khó tiếp cận một cách dễ dàng, đây là một trở ngại mà phương pháp truyền

thống phải mất rất nhiều công sức và tiền của để khắc phục

- Các sai số hệ thống trên ảnh vệ tinh có độ ổn định cao giúp cho công tác nắn chỉnh hình học được tiến hành với độ chính xác cao phục vụ cho thành

lập bản đồ địa hình

Tất cả các đặc điểm trên xác định được khả năng ứng dụng ảnh vệ tinh vào công tác bản đồ với hiệu quả cao về khoa học công nghệ, phương pháp luận cũng như hiệu quả kinh tế

* Độ phân giải không gian của ảnh

Độ phân giải không gian (spatial resolution) của ảnh vệ tinh là kích thước nhỏ nhất của một đối tượng hay khoảng cách tối thiểu giữa hai đối tượng liền kề có khả năng phân biệt được trên ảnh Ảnh có độ phân giải không gian càng cao thì kích thước pixel càng nhỏ Các yếu tố ảnh hưởng đến độ phân giải không gian là: trường nhìn tức thời - IFOV (Instantaneous Field Of View), tiêu

cự, hình dáng của đối tượng mục tiêu và các ảnh hưởng của khí quyển

Trường nhìn tức thời là góc hình nón của trường nhìn của bộ cảm biến,

và xác định một vùng trên bề mặt Trái Đất được quan sát từ một độ cao xác định tại một thời điểm cụ thể Kích thước của vùng quan sát thường được xác định bằng trường nhìn và khoảng cách từ mặt đất đến bộ cảm biến Kích thước của vùng lấy mẫu trên mặt đất của một bộ cảm biến vệ tinh được gọi là độ phân giải mặt đất (Ground Sampling Distance)

Độ phân giải không gian cũng được gọi là độ phân giải mặt đất khi hình chiếu của một pixel tương ứng với một đơn vị chia mẫu trên mặt đất Ví dụ, ảnh vệ tinh LANDSAT 7 ở các kênh blue, green, red có độ phân giải 30m x 30m, điều đó có nghĩa là trên các kênh ảnh này có thể nhận biết được vật thể có kích thước 30m x 30m trên mặt đất

6

Hình 1.1 Mô tả về độ phân giải không gian của ảnh [1]

Độ phân giải không gian của dữ liệu ảnh viễn thám thường được chia ra thành 4 cấp độ là: Phân giải siêu cao, phân giải cao, phân giải trung bình và phân giải thấp

Bảng1.1 Độ phân giải không gian của dữ liệu ảnh viễn thám

Toàn sắc (PAN)

Đa phổ (MS)

Độ phân

giải siêu

cao

Ikonos QuickBird GeoEye

1m 0,61m 0,41m

4m 2,88m 1,65m

11km 16,5km 15,2km

Độ phân

giải cao

ORBView KVR 1000 (Kosmos) VNREDSat-1 SPOT 1 -6

1m

2 - 3m 2,5m

5 ÷ 10m

4m

- 10m

10 ÷ 20m

8km 40km 17,5km 60km

Toàn sắc (PAN)

Đa phổ (MS)

TK - 350 (Kosmos)

15m

-

- 5.8m

- 10m

30 - 60m

30 - 120m 18m

- 23- 70m

-

185km 185km 75km 71km 142km 200km

Độ phân

giải thấp

LANDSAT 1 - 5 MSS RESURS - 01 IRS - 1C/D WIFS TIROS/AVHRR(NOA)

185km 600km 810km 3000km Trong công nghệ thành lập bản đồ địa hình bằng ảnh vệ tinh hiện nay, độ phân giải đóng vai trò đặc biệt đối với độ chính xác của bản đồ, là yếu tố quyết định đến tỷ lệ bản đồ cần thành lập

Hình 1.2 Một số hình ảnh về độ phân giải không gian của ảnh viễn thám [1]

sở nắn ảnh, ghép ảnh là các điểm khống chế được ghi trên bản gốc Bình đồ ảnh mang các thông tin tối đa bề mặt thực địa, là sản phẩm trung gian để thành lập hay hiện chỉnh bản đồ Trong trường hợp này, hình ảnh trên bình đồ ảnh được giải đoán và các yếu tố địa hình được đo vẽ trực tiếp trên đó bằng các phương pháp trắc địa hoặc phương pháp đo vẽ lập thể

Bình đồ ảnh có hai khái niệm là bình đồ ảnh được thành lập thông qua công tác nắn ảnh theo nguyên lý nắn ảnh vùng bằng phẳng và bình đồ ảnh trực giao được thành lập theo nguyên lý ảnh trực giao Ngày nay, bình đồ ảnh trực giao được thành lập theo dây chuyền công nghệ đo ảnh số

* Bình đồ ảnh vệ tinh

Bình đồ ảnh vệ tinh là sản phẩm ảnh vệ tinh dạng số, đã dược định vị trong hệ tọa độ của bản đồ cần thành lập, được hiệu chỉnh ảnh hưởng các nguồn sai số và ảnh hưởng do chênh cao địa hình

Có thể nói thành lập bình đồ ảnh vệ tinh là quá trình xử lý, hiệu chỉnh hình học ảnh vệ tinh ở cấp độ cao nhất, nhằm hiệu chỉnh hoặc khử ảnh hưởng của các nguồn sai số đối với dữ liệu ảnh và hiệu chỉnh ảnh hưởng của chênh cao địa hình để nhận được một tấm ảnh kết quả đảm bảo độ chính xác về mặt phẳng theo yêu cầu kỹ thuật tương ứng với một tỷ lệ bản đồ đã xác định

Bình đồ ảnh vệ tinh hiện được sản xuất và sử dụng trong quy trình hiện chỉnh bản đồ địa hình phục vụ cho việc điều vẽ các yếu tố địa vật Để sản xuất được các bình đồ ảnh vệ tinh đạt độ chính xác, người ta ứng dụng nguyên lý

9

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

1.2 Một số đặc điểm của ảnh vệ tinh SPOT 6

1.2.1 Khái quát về vệ tinh SPOT

Vệ tinh SPOT được phóng lên quỹ đạo lần đầu tiên vào tháng 2 năm

1986 Mỗi vệ tinh SPOT được trang bị hai bộ cảm HRV (High Resolution Visible imaging system) cho phép thu ảnh lập thể hoặc toàn cảnh

Hình 1.3 Vệ tinh SPOT [2]

* Các thông số của vệ tinh SPOT

- Độ cao bay: Vệ tinh SPOT 830km, góc nghiêng của mặt phẳng quỹ đạo là 98.7 độ

- Quỹ đạo đồng bộ mặt trời và bán lặp lại

- Thời điểm vệ tinh bay qua xích đạo 10:30 sáng

- Chu kỳ lặp: Chu kỳ lặp của vệ tinh SPOT 26 ngày trong chế độ quan sát bình thường

10

Mỗi cảnh được xác định theo số liệu trong hệ thống quy chiếu toàn cầu

1.2.2 Ảnh vệ tinh SPOT 6

* Khái quát về ảnh vệ tinh SPOT 6

SPOT 6 là một vệ tinh viễn thám quang học đang hoạt động thuộc dòng

vệ tinh có độ phân giải cao Ngày 9/9/2012, vệ tinh SPOT 6 đã chính thức được đưa lên quỹ đạo thu nhận thông tin quan sát Trái Đất Là vệ tinh được xây dựng bởi hãng Airbus Defence & Space, được phóng từ một bệ phóng từ trung tâm

vũ trụ Statish Dhawan ở Ấn Độ Cùng với SPOT 7 hai vệ tinh này đảm bảo hoạt động liên tục, tiếp tục công việc của hai vệ tinh SPOT 4, SPOT 5 trước đó, với sự kết hợp này sẽ mang lại khả năng cung cấp hình ảnh mọi nơi trên Trái Đất với diện tích phủ trùm mỗi ngày lên tới 6 triệu km2, SPOT 6 được lập trình hoạt động cho tới năm 2024

Trong hệ thống vệ tinh SPOT, vệ tinh ra đời sauvệ tinh SPOT 6 là SPOT

7 được đưa lên quỹ đạo năm 2014 cùng với hai vệ tinh Pléiades 1 và Pléiades 2 (Pléiades 1A và Pléiades 1B) ở cùng độ cao 694 km tạo thành một chùm các vệ tinh quan sát Trái Đất liên tục 24/7 của Pháp Bốn vệ tinh này lệch nhau

900trên quĩ đạo (SPOT 6 và 7 lệch nhau 1800, Pléiades 1A và Pléiades 1B lệch nhau 1800)

Hình 1.4 Ảnh thu nhận đầu tiên của SPOT6 sau 3 ngày phóng lên quỹ đạo

(Bora Bora, Frenvh Polynésia) [3], [4], [5]

11

Phân đoạn mặt đất và không gian trong SPOT 6 và 7 được thiết kế để cải thiện việc thực hiện tốt những nhiệm vụ của các vệ tinh thế hệ trước Hiện nay đang tập trung vào nghiên cứu nhằm tìm ra những giải pháp mới thoát li với bộ lưu trữ dữ liệu truyền thống, giải quyết những trở ngại khó khăn trong sản xuất

Hình 1.5 Chùm vệ tinh quan sát Trái Đất[3], [4], [5]

Sự linh hoạt của SPOT 6 hay của hai vệ tinh mới này(SPOT6 và 7) cung cấp khả năng lưu trữ dữ liệu đột phá, rất thuận lợi cho những nhu cầu vẽ bản

đồ Lưu trữ ở hai chế độ: chế độ đa dải và chế độ đơn giải Cho phép thu nhận hình ảnh một cách linh hoạt

Hình 1.6 Chế độ đa dải (trái) - Chế độ đơn dải (phải)[3], [4], [5]

12

Khi các vệ tinh đã đi vào hoạt động, phạm vi quan sát trong một đường bay có thể mở rộng tới 120 km hoặc thậm chí 180 km do các vệ tinh có thể phối hợp thu nhận ảnh cùng khu vực khi có yêu cầu Ngoài ra, bên cạnh chế độ thu nhận ảnh phía trước và phía sau (fore và aft mode) để tạo ảnh lập thể stereo (stereo pairs) thì có thể thu nhận ở chế độ tri-stereo (stereo-triplets)

Với tính linh hoạt của mình chất lượng thu hình ảnh không bị ảnh hưởng bởi góc nghiêng dọc đặc biệt khu vực gây khó khăn về vấn đề độ cao như khu vực đồi núi Hơn thế, SPOT 6 còn có khả năng thu ảnh ở nơi thường xuyên có mây che phủ, tại các khu vực giữa hai chí tuyến, việc phủ sóng của các vệ tinh quang học là rất thấp, khả năng thu nhận, cũng như chất lượng hình ảnh thu được không cao, tuy nhiên với SPOT 6 thì khó khăn đó có thể được cải thiện

và kết quả đầy hứa hẹn Sau bốn tháng hoạt động, SPOT 6 đã thu được 40% hình ảnh bề mặt Trái Đất trong khi với SPOT 5 phải thu trong vòng bảy năm (với cùng độ che phủ mây <10%)

Hình 1.7 Chế độ tri-steoreo mở rộng dải quét ảnh vệ tinh[3], [4], [5]

Như vậy có thể nói SPOT 6 là thế hệ mới của loạt vệ tinh quang học SPOT với nhiều cải tiến về kỹ thuật và khả năng thu nhận ảnh cũng như đơn giản hoá việc truy cập thông tin Về mặt kỹ thuật, thiết kế của vệ tinh SPOT 6 được thừa kế những ưu điểm của vệ tinh SPOT5 như: Quan trắc độ phân giải cao, dải quét rộng, khả năng chụp ảnh nhiều độ phân giải khác nhau Đồng

13

thời, vệ tinh SPOT 6 cập nhật những tiến bộ kỹ thuật mới nhất như: Độ phân giải tốt hơn, thêm kênh xanh lục để tạo ảnh tổ hợp màu tự nhiên, kết hợp khả năng của vệ tinh tăng diện tích chụp ảnh và khả năng chụp bắt đối tượng hơn 3 triệu km2 mỗi ngày, khả năng lập trình chụp linh hoạt với 6 chế độ lập trình để bảo đảm chụp ảnh không mây, bảo đảm khả năng vận hành đến năm 2024

* Thông số kỹ thuật

Độ phân giải không gian của vệ tinh SPOT6 đã được nâng lên 1,5 m so với 2,5 m của SPOT 5 cho phép nhận dạng được các đối tượng nhỏ hơn Độ phân giải không gian của các kênh là Panchromatic: 1.5 m, tổ hợp màu: 1.5 m, các kênh đa phổ : 8m (khi kết hợp có thể xử lý tăng cường lên 6m) Các kênh phổ có thay đổi so với các thế hệ trước (chỉ có các kênh (G,R,NIR, MID-IR),

đó là:Panchromatic (450 - 745 nm); Blue (450 - 525 nm); Green (530 -

590 nm); Red (625 - 695 nm); Near-infrared (760 - 890 nm)

Hình 1.8 Ảnh SPOT6 tại đảo Ngọc Trai, Doha, Quatar [6]

Như vậy sau nhiều thế hệ, kể từ SPOT 1 (1986) đến nay SPOT mới có thu nhận thông tin ở kênh Blue như các hệ thống vệ tinh khác (Landsat)

* Các mức xử lý của ảnh SPOT 6

14

Cũng tương tự như các dữ liệu ảnh viễn thám khác, nguồn dữ liệu ảnh thu được từ vệ tinh muốn sử dụng được thì phải trải qua các mức xử lý ảnh để cho ra một sản phẩm ảnh viễn thám cuối cùng, ban đầu ảnh mà ta nhận được từ

vệ tinh đó là ảnh viễn thám mức 0 và kết quả cuối cùng là đưa ra sản phẩm ảnh

ở mức 3B Sau đây là phần trình bày rõ hơn về các mức trong sản xuất ảnh viễn thám để chúng ta hiểu rõ hơn về quá trình sản xuất ảnh viễn thám nói chung và SPOT 6 nói riêng

Mức 1A: Ảnh 1A là sản phẩm ảnh viễn thám đã được hiệu chỉnh các ảnh hưởng của độ cong Trái Đất, loại bỏ các sai số của đầu thu ảnh và tín hiệu nhiễu do ảnh hưởng của khí quyển từ dữ liệu viễn thám mức 0

Mức 2A: Ảnh 2A là sản phẩm ảnh viễn thám được nắn về: Hệ quy chiếu

và Hệ tọa độ Quốc gia VN-2000, Hệ tọa độ phẳng UTM quốc tế,…sử dụng mô

hình vật lý, các thông tin quỹ đạo của vệ tinh

Mức 3A: Ảnh 3A là sản phẩm ảnh viễn thám được nắn chỉnh về hệ tọa

độ bản đồ Hệ quy chiếu và Hệ tọa độ Quốc gia VN-2000, Hệ tọa độ phẳng

UTM quốc tế, … sử dụng mô hình vật lý, các điểm khống chế ảnh và mô hình

số độ cao Ảnh 3A được xử lý phổ và tăng cường chất lượng hình ảnh theo cảnh ảnh

Mức 3B: Ảnh 3B là ảnh được xử lý ở mức 3A, được ghép và cắt mảnh theo phân mảnh bản đồ

15

caoVHR(Very High Resolution) cung cấp là rất tốn kém kinh tế để có Các kỹ thuật xử lý tự động hiện đại trên SPOT 6 cho phép tự động hóa nhiều khâu trong quy trình xử lý, giúp cho quá trình giám sát phát hiện biến động nhanh hơn, tiết kiệm thời gianhơn và chi phí thấp hơn

1.3 Tình hình nghiên cứu khả năng ứng dụng mô hình đa thức hữu tỷ trong nắn ảnh vệ tinh SPOT 6

1.3.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

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.Cùng với sự phát triển của kỹ thuật thu nhận ảnh là sự phát triển các nghiên cứu về các phương pháp xử lý dữ liệu ảnh vệ tinh phục vụ cho các công tác thành lập và hiện chỉnh bản đồ địa hình tỷ lệ lớn, thành lập các bản đồ chuyên đề lớp phủ và các ứng dụng từ ảnh vệ tinh

độ phân giải cao Để có được bình đồ ảnh, ảnh vệ tinh phải được nắn chỉnh nhằm loại trừ hay hạn chế các ảnh hưởng của rất nhiều nguyên nhân khác nhau gây ra biến dạng hình học trên ảnh vệ tinh như ảnh hưởng bởi phép chiếu hình, góc nghiêng, vệt quét, điều kiện khí quyển, độ cong Trái Đất, chênh cao địa hình,… Việc nắn chỉnh nhằm hạn chế, loại trừ các sai số này được thực hiện dựa trên cơ sở các mô hình toán học

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 Trong đó, mô hình đa thức hữu tỷ là một trong những mô hình đã và đang được sử dụng để nắn ảnh vệ tinh và là công cụ của hầu hết các phần mềm hiện nay để xử lý ảnh

16

vệ tinh Các kết quả nghiên cứu về phương pháp sử dụng mô hình đa thức hữu

tỷ để nắn ảnh vệ tinh được thể hiện qua các lĩnh vực chính như sau:

- Về khả năng ứng dụng của mô hình RPC, trong Dự án Trung tâm Quan trắc Trái Đất Quốc gia Độ phân giải Cao của Trung Quốc[7], nhóm tác giả đã nghiên cứu và phân tích một cách có hệ thống các đặc điểm kết hợp của hệ thống vệ tinh GF-3 và các yếu tố ảnh hưởng đến vị trí vệ tinh Từ nghiên cứu

đó, mô hình xử lý hình học RPC được sử dụng làm mô hình bù trừ hệ thống cho sai số vị trí hình học.Mô hình RPC thiết lập mối quan hệ giữa các tọa độ mặt đất (vĩ độ, kinh tuyến, chiều cao) và tọa độ pixel tương ứng

- Trong [8], nghiên cứu đã chỉ ra việc tính toán các tham số của mô hình RPC phụ thuộc vào giá trị ban đầu của tham số trongtất cả các tài liệu có sẵn.Mô hình RPC phù hợp cho cảcác hệ số đa thức hợp lý Mô hình RPC là một mô hình cảm biến tổng quát được sử dụngnhư là một giải pháp thay thế cho bộ cảm biến nghiêm ngặt, tính khả thi của mô hình RPC làtăng Mô hình RPC có những ưu điểmtrong việc có thể thay thế cho tất cả các mô hình cảm biến

Trong đề tài “How rational polynomial coefficients are calculated” [9], RPC được sử dụng để sửa sai số hệ thống trong hình ảnh phát sinh do hướng chụp ảnh trên máy bay, độ nghiêng máy ảnh và sai số hình học Mô hình RPC

là tỷ số của hai đa thức có thể được bắt nguồn từ mô hình cảm biến khắt khe và thông tin địa hình tương ứng, không tiết lộ các thông số cảm biến

1.3.2 Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam

Cùng với sự phát triển của công nghệ viễn thám, phương pháp sử dụng

mô hình đa thức hữu tỷ RPC đã được nghiên cứu và ứng dụng tại Việt Nam

Với đề tài “Khảo sát và đánh giá độ chính xác của nắn ảnh vệ tinh sử dụng mô hình vật lý và mô hình hàm hửu tỷ”[10], trong nghiên cứu này, độ

17

chính xác của ảnh vệ tinh SPOT5 khi nắn sử dụng mô hình vật lý,độ chính xác của ảnh vệ tinh Quickbird khi nắn sử dụng mô hình Satellite Orbit và mô hình

đa thức hữu tỷ đã được đánh giá độ chính xác

Trong đề tài “Nghiên cứu đặc điểm kỹ thuật và quy trình thành lập bình đồ ảnh vệ tinh SPOT 6 khu vực ngoài lãnh thổ” [6], tác giả đã đưa ra quy trình công nghệ thành lập bình đồ ảnh vệ tinh sử dụng mô hình RPC trên phần mềm ENVI

Trong nghiên cứu của mình, tác giả Hoàng Thị Hà[11] đã tiến hành thực nghiệm nắn ảnh vệ tinh sử dụng mô hình hàm hữu tỷ với ảnh vệ tinh QUICKBIRD Kết quả thực nghiệm cho thấy sử dụng mô hình RFM với các hệ

số RPC được cung cấp cùng dữ liệu ảnh đối với sản phẩm ảnh QUICKBIRD bậc tiêu chuẩn sẽ cho kết quả đạt độ chính xác khá cao trong việc thành lập bình đồ ảnh tỷ lệ lớn

Đề tài “Nghiên cứu 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” [12], tác giả Đỗ Thị Hoài

đã đưa ra phương pháp nắn ảnh theo hàm đa thức Mô hình hàm đa thức sử dụng để tính chuyển giữa tọa độ ảnh và tọa độ đối tượng.Nó được thể hiện ở các bậc khác nhau của đa thức dựa trên sai số méo hình của ảnh, số lượng các điểm khống chế mặt đất và dạng địa hình.Sử dụng mô hình này bắt buộc phải

có điểm khống chế ảnh, các điểm này dùng để xác định tham số của đa thức.Bậc của đa thức quyết định phép tính chuyển và dựa trên sai số méo hình của ảnh, số lượng các điểm khống chế ảnh và dạng địa hình

Như vậy, mô hình RPC đã được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu

và cũng đã được ứng dụng rất rộng rãi trong thực tiễn sản xuất ở nước ta.Cũng qua các nghiên cứu nêu trên cho thấy, vấn đề đánh giá độ chính xác của ảnh vệ tinh sau khi nắn trong trường hợp chỉ sử dụng mô hình đa thức hữu tỷ chưa được quan tâm đúng mức Vì vậy đề tài luận văn sẽ nghiên cứu

18

nhằm đánh giá khả năng ứng dụng mô hình đa thức hữu tỷ trong nắn ảnh vệ tinh SPOT6 trong 2 trường hợp đó là sử dụng mô hình đa thức hữu tỷ để nắn chỉnh hình học và sử dụng mô hình đa thức hữu tỷ bổ sung thêm các điểm khống chế ảnh trên khu vực nghiên cứu để nắn chỉnh hình học để từ đó đề xuất giải pháp khai thác, sử dụng mô hình đa thức hữu tỷ một cách hiệu quả

19

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH ĐA THỨC HỮU TỶ

TRONG NẮN ẢNH VỆ TINH 2.1 Khái quát về nắn ảnh vệ tinh

Như chúng ta đã biết, trong quá trình thu nhận thông tin theo kỹ thuật viễn thám, các thông tin hình học thu được trên ảnh của các đối tượng không đồng dạng với thực tế (hay nói cách khác là biến dạng hình học) do hai nhóm nguyên nhân chính gây ra là méo hình hình học của hệ thống Sensor và các yếu

tố ngoài hệ thống sensor

Trước quá trình phân tích, giải đoán, ảnh vệ tinh cần được nắn chỉnh hình học để hạn chế sai số vị trí và chênh lệch địa hình, sao cho hình ảnh gần với bản đồ địa hình ở phép chiếu trực giao nhất.Kết quả giải đoán phụ thuộc rất nhiều vào độ chính xác của ảnh Do vậy công đoạn nắn chỉnh hình học ảnh vệ tinh rất quan trọng cho các bước tiếp theo

2.1.1 Sai số trong quá trình thu nhận ảnh vệ tinh

Sai số làm méo ảnh vệ tinh có thể được chia làm hai nhóm là sai số méo hình học của chính hệ thống sensor và sai số méo hình do ảnh hưởng của các yếu tố bên ngoài hệ thống

* Sai số méo hình hình học của hệ thống sensor

Sai số này phát sinh chủ yếu từ sự thay đổi trong hoạt động của Sensor như: thay đổi tốc độ quét tuyến tính và sự lặp lại của các đường quét, sự thay đổi tốc độ cuộn phim của hệ thống,… Ảnh hưởng của sai số này sau khi kiểm định thường rất nhỏ so với sai số bên ngoài hệ thống vì vậy trong nhiều trường hợp có thể bỏ qua sai số này

* Sai số do các yếu tố bên ngoài hệ thống

Sai số do các yếu tố bên ngoài hệ thống chủ yếu là do sự thay đổi các nguyên tố định hướng ngoài,khúc xạ khí quyển, độ cong Trái Đất, chênh cao địa hình,

20

Khi nhận ảnh thẳng đứng, hình ảnh tạo ra cho từng hệ thống Sensor sẽ

có khuôn mẫu hình học khác nhau, các khuôn mẫu này phụ thuộc vào máy chụp ảnh được sử dụng Do đó sự méo hình sẽ có quan hệ tương ứng với khuôn dạng hình học tạo ảnh

Hình 2.1 Méo ảnh tổng hợp [13]

Hình 2.2 Méo hình do các nguyên tố định hướng ngoài [13]

2.1.2 Nguyên lý chung để nắn chỉnh hình học ảnh vệ tinh

*Nguyên lý nắn ảnh số

Như chúng ta đã biết, ảnh số có thể được xem như là mảng giá trị độ xám được lưu trữ trong máy tính, vì vậy việc nắn chỉnh ảnh số là sự thay đổi vị trí của các con số này và hiển thị giá trị độ xám của các pixel nằm trong mảng sắp xếp của ảnh số Sự biến đổi này dựa trên hàm số chuyển đổi toạ độ và các

21

phương pháp tái chia mẫu được lựa chọn thích hợp

Trong nắn chỉnh hình học ảnh số, vấn đề đầu tiên cần phải xác định là mối quan hệ hình học giữa ảnh gốc và ảnh sau khi nắn Giả sử rằng toạ độ của pixel P nào đó trước và sau khi nắn là các giá trị (x, y) và (X, Y), chúng ta sẽ

có hai hàm số quan hệ sau:

Hàm số (2.2) tương ứng với phương pháp nắn gián tiếp Phương pháp này lấy ảnh nắn làm cơ sở cho sự lựa chọn Đối với từng pixel trong ảnh nắn, việc hiệu chỉnh vị trí của chúng trong ảnh gốc cần phải được tính toán trước tiên thông qua hàm số chuyển đổi (2.2) Theo vị trí tính toán được chỉ ra nhờ tọa độ 𝑋, 𝑌 thì giá trị độ xám tương ứng có thể nhận được từ ảnh gốc và từ đó gán sang pixel vừa tính được trong ảnh nắn

Các hàm số 𝐹𝑥, 𝐹𝑦 hoặc 𝑓𝑥, 𝑓𝑦 thường là các biểu thức toán học của hình học chiếu hoặc đa thức

Khi nắn chỉnh hình học ảnh số (tức là vị trí hình học của các pixel đã thay đổi), nếu chúng ta muốn biết các giá trị độ xám của các pixel thì cần phải tiến hành lấy mẫu lại lần nữa trên cơ sở các giá trị đã lấy mẫu trước đây trên

22

ảnh gốc Theo lý thuyết lấy mẫu, khi bước nhẩy lấy mẫu x  1/2W, thành phần tần số phổ lớn hơn tần số giới hạn w thì khi đó ảnh gốc có thể được phục hồi theo quan hệ giữ ảnh gốc và hàm số phân bố SIN, trong đó hàm số SIN được xem như là hạt nhân ban đầu

Các hàm số thường được sử dụng trong thực tế để nội suy lại giá trị độ xám của các pixel là hàm song tuyến, hàm bậc ba,

* Nguyên lý nắn ảnh vệ tinh

Trong nắn ảnh vệ tinh, chênh cao địa hình trên ảnh rất nhỏ so với độ cao bay của vệ tinh, vì vậy ta có thể sử dụng hàm số (2.1) hoặc (2.2) làm cơ sở giải bài toán nắn ảnh Tuy nhiên, khi nắn ảnh đòi hỏi độ chính xác cao, ngoài ảnh hưởng của chênh cao địa hình, chúng ta còn quan tâm đến ảnh hưởng của độ cong quả đất Vì vậy ngoài các nguyên tố định hướng của ảnh, chúng ta cần phải có số liệu độ cao của vùng nắn (DEM) sử dụng trong quá trình nắn Khi

đó ta sử dụng phương trình biến đổi hình học chiều tương ứng (phương trình đồng phương) để thực hiện sự chuyển đổi giữa toạ độ ảnh (x, y) của ảnh gốc và toạ độ X, Y của ảnh nắn với độ cao Z của chúng Vì khối lượng tính toán đòi hỏi rất lớn, nên ta có thể chia nhỏ ảnh để thực hiện Đối với 4 điểm nằm ở 4 góc vùng nắn được chia nhỏ, ta sử dụng phương trình thay đổi hình học chiếu chặt chẽ, ngược lại đối với các điểm nắn khác, ta có thể sử dụng đa thức đơn giản để tính chuyển

2.1.3.Thành lập bình đồ ảnh vệ tinh

Bình đồ ảnh vệ tinh có thể được thành lập từ một cặp ảnh lập thể hoặc một ảnh đơn nhưng nhìn chung về cơ bản quá trình thành lập ảnh vệ tinh nói chung bao gồm các công đoạn được mô tả như sơ đồ hình 2.3

Các bước được trình bày cụ thể như sau:

* Bước 1: Chuẩn bị tư liệu, dữ liệu: Ảnh vệ tinh, mô hình số độ cao,

- Tạo Project của khu vực: Tạo hệ tọa độ của khu vực thực nghiệm, Ellipsoid WGS-84, khai báo kinh tuyến trục, múi chiếu 6 độ, chọn đơn vị tọa

độ, độ cao là m Khai báo thông số của bộ cảm, thông số của ảnh nhưtiêu cự,

độ phân giải của ảnh, số pixel hàng, cột, loại ảnh,… chọn mô hình nắn ảnh có sẵn trong hệ thống phần mềm của chương trình

- Load ảnh, dựa vào sơ đồ chọn chích và thuyết minh điểm khống chế ảnh, tiến hành đo tọa độ các điểm khống chế ảnh và tính toán bình sai Sai số cắt điểm và đối điểm khống chế ảnh phải đảm bảo nhỏ hơn 1 pixel trên ảnh

- Sử dụng DEM của của khu vực thực nghiệm để cải chính sai số vị trí điểm ảnh do chênh cao địa hình gây ra, giá trị độ xám của điểm ảnh được tính theo thuật toán nội suy bậc ba (cubic)

- Độ chính xác nắn ảnh tại điểm khống chế đảm bảo nhỏ hơn 0,5 mm (tính theo tỷ lệ bản đồ) Đối với khu vực giáp biên giới và ngoài biên giới mà không đủ các điểm khống chế và tài liệu tin cậy để nắn ảnh thì sai số trên được cho phép tăng 1,5 lần (0,75 mm)

* Bước 3: Tăng cường chất lượng ảnh

- Tổ hợp màu tự nhiên theo 3 kênh màu cơ bản Red, Green, Blue

- Kết hợp ảnh toàn sắc và ảnh đa phổ tạo thành ảnh P+XS vừa có độ

24

phân giải cao của ảnh toàn sắc, vừa có màu sắc trực quan của ảnh đa phổ

- Xử lý phổ bằng các phương pháp dãn tuyến tính, điều chỉnh tương tác, đảm bảo chất lượng hình ảnh tốt, độ tương phản trung bình, không thiếu màu

* Bước 4: Ghép ảnh và cắt mảnh bình đồ ảnh vệ tinh

Bình đồ ảnh sau khi nắn và xử lý phổ được cắt phù hợp với mục đích yêu cầu, có thể cắt theo mảnh, theo khu vực,… Nếu mảnh bản đồ không nằm trọn trên một cảnh ảnh vệ tinh thì tiến hành ghép các cảnh với nhau Vết ghép phải đảm bảo đi qua các địa vật có sai số tiếp khớp nhỏ nhất, không cắt dọc theo địa vật hình tuyến Các mảnh bình đồ ảnh tiếp biên với nhau phải có màu sắc tương đối đồng đều nhau

- Sai số ghép ảnh nhỏ hơn 0,6 mm theo mẫu số tỷ lệ bản đồ

- Tông màu hai bên vết ghép phải tương đối đồng đều

- Lưu bình đồ ảnh (thường ở định dạng Geotiff)

Chuẩn bị tư liệu, dữ liệu

𝑥, 𝑦 là toạ độ của các pixel trong ảnh gốc;

𝑋, 𝑌 là toạ độ tương ứng trong ảnh nắn;

ai, bi là các hệ số của đa thức

Hệ số của đa thức có thể xác định bằng hai cách, đó là:

-Gán cho một giá trị định trước;

-Xác định các hệ số này bằng phương pháp số bình phương nhỏ nhất trên

cơ sở các điểm khống chế đồng thời có trên mặt đất hoặc trên bản đồ và trên ảnh gốc Khi đó phương trình sai số đối với điểm khống chế nắn có thể được tạo dựng như sau:

V X Y X XY Y

a a

Với trọng số pi và i là số lượng điểm khống chế

Tương tự, viết được các phương trình đối với toạ độ y Nếu có n điểm

x x x

x v v v n

V

2 1

2.2.2 Đa thức nội suy nhiều biến

Khi ảnh viễn thám được xử lý theo phương thức chia nhỏ, đa thức nội suy nhiều biến có thể được sử dụng để nắn tất cả các pixel trong cùng ảnh Trên

cơ sở số liệu của 4 pixel nằm ở 4 góc, đa thức nội suy bậc 3 có ý nghĩa rất quan trọng trong thực tế, đa thức này có dạng:

11

Y Y

Y M A M X X X

00

X X

X X X







00 01

00

X X

X X Y

A là ma trận hệ số hoặc đối với toạ độ X hoặc Y Ma trận này bao gồm

vị trí và đạo hàm bậc một của bốn điểm gốc, lấy toạ độ X làm ví dụ thì ma trận

11 10

01 00

01 00

11 10

11 10

01 00

01 00

y x

x y

x

x y

x y

x

y x

x y

x

x y

x y

x

x

x x

x x

x

x

x x

x x

Việc xác định ma trận hệ số A có thể thực hiện bằng các phương pháp:

- Phương pháp tương tự như trong phương pháp nắn ảnh từng phần Điều này có nghĩa là vị trí (nếu cần thiết thì lấy đạo hàm điểm gốc đầu tiên bậc 1) của bốn góc để có thể thu được nhờ các dạng khác của hàm số chuyển đổi theo đa thức tổng quát

- Phương pháp bình sai khối đồng thời với tất cả các góc được nằm trên toàn bộ tấm ảnh

Nguyên lý của phương pháp này dựa trên thực tế các điểm góc nằm xung quanh vùng ảnh nắn, điều này cho phép thiết lập các phương trình điều kiện của các điểm nằm giữa các vùng ảnh kế cận, từ đó ta có thể bình sai liên hợp đồng thời với các trị đo của tất cả các điểm kiểm tra trên hệ phương trình chuẩn có dạng ma trận và nó sẽ được giải theo một số thuật toán chuẩn

* Phương pháp mô hình đa thức hữu tỷ có đặc điểm: