Giáo trình trắc địa ảnh và viễn thám

Giáo trình trắc địa ảnh và viễn thámGiáo trình trắc địa ảnh và viễn thámGiáo trình trắc địa ảnh và viễn thámGiáo trình trắc địa ảnh và viễn thámGiáo trình trắc địa ảnh và viễn thámGiáo trình trắc địa ảnh và viễn thámGiáo trình trắc địa ảnh và viễn thámGiáo trình trắc địa ảnh và viễn thámGiáo trình trắc địa ảnh và viễn thámGiáo trình trắc địa ảnh và viễn thámGiáo trình trắc địa ảnh và viễn thámGiáo trình trắc địa ảnh và viễn thámGiáo trình trắc địa ảnh và viễn thámGiáo trình trắc địa ảnh và viễn thámGiáo trình trắc địa ảnh và viễn thámGiáo trình trắc địa ảnh và viễn thámGiáo trình trắc địa ảnh và viễn thám

Trang 1

PGS TS PHAN ĐÌNH BINH (Chủ biên)

TS NGUYỄN QUANG KHÁNH, TS VŨ THỊ THANH THỦY

ThS NGUYỄN NGỌC ANH, ThS NGUYỄN LÊ DUY

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM

NHÀ XUẤT BẢN NÔNG NGHIỆP

Hà Nội – 2016

GIÁO TRÌNH

TRẮC ĐỊA ẢNH VÀ VIỄN THÁM

Trang 3

1.1 Bản chất và nhiệm vụ của phương pháp đo ảnh 3 1.2 Đặc điểm và phạm vi ứng dụng của phương pháp đo ảnh 6 1.3 Sơ lược lịch sử phát triển của ngành trắc địa ảnh trên thế giới 7 1.4 Tình hình phát triển ngành trắc địa ảnh ở Việt Nam 13

C hương 2 Cơ SỞ TOÁn hỌC CỦA Phương PhÁP ĐO Ảnh 17

2.1 Khái niệm về ảnh đo và các yếu tố hình học của ảnh hàng không 17 2.2 Các hệ thống tọa độ trong đo ảnh 20 2.3 Các nguyên tố định hướng của ảnh 23

C hương 3 ngUYÊn LÝ nhÌn LẬP ThỂ VÀ ĐO Ảnh LẬP ThỂ 27

3.1 Mắt người và khả năng nhìn của mắt người 27 3.2 Nguyên lý nhìn lập thể 30 3.3 Phương pháp nhìn lập thể 35 3.4 Nguyên lý đo lập thể 36

C hương 4 ĐOÁn ĐỌC VÀ ĐIỀU VẼ Ảnh hÀng KhÔng 41

4.1 Khái niệm về đoán đọc và điều vẽ 41 4.2 Các chuẩn đoán đọc điều vẽ 42 4.3 Đối tượng điều vẽ và độ chính xác của quá trình điều vẽ 49 4.4 Điều vẽ ngoài trời và điều vẽ trong phòng 51 4.5 Điều vẽ trực tiếp bằng công cụ ngoài trời 54 4.6 Kiểm tra, nghiệm thu công tác điều vẽ 58

Trang 4

iv MỤC LỤC

trường đại học nông lâm thái nguyên

5.1 Khái niệm chung về viễn thám 61 5.2 Lịch sử phát triển của viễn thám 63 5.3 Nguyên lý cơ bản của viễn thám 66 5.4 Cơ sở của viễn thám 67

C hương 6 CÁC hỆ ThỐng VIỄn ThÁM PhỔ BIẾn TRÊn ThẾ gIỚI 75

6.1 Vệ tinh Landsat của Mỹ 75 6.2 Vệ tinh SPOT của Pháp 77 6.3 Các dạng dữ liệu viễn thám của Liên Xô cũ và Nga 79 6.4 Các tư liệu viễn thám của Ấn Độ 80 6.5 Các tư liệu viễn thám của Nhật Bản 81 6.6 Vệ tinh Vnredsat của Việt Nam 83 6.7 Các vệ tinh khí tượng và môi trường 84 6.8 Các vệ tinh nghiên cứu biển 86 6.9 Các hệ thống viễn thám quan trắc trái đất quốc tế 89 6.10 Các nguồn dữ liệu Radar 91 6.11 Dữ liệu ảnh LIDAR 94 6.12 Trạm vũ trụ cho viễn thám 95 6.13 Đặc điểm và phương pháp thu nhận tư liệu viễn thám 95

C hương 7 MỘT SỐ Ứng DỤng CỦA VIỄn ThÁM 103

7.1 Giới thiệu chung 103 7.2 Ứng dụng viễn thám thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất 104 7.3 Ứng dụng viễn thám thành lập bản đồ biến động các loại thực phủ 108 7.4 Ứng dụng viễn thám trong bảo vệ môi trường 112 7.5 Ứng dụng viễn thám trong nông lâm nghiệp 114 7.6 Một số ứng dụng của LIDAR 115

Tài liệu tham khảo ��118

Trang 5

LỜINÓIĐẦU

Giáo trình “Trắc địa ảnh và Viễn thám” được tập thể giảng viên khoa Quản lý Tài

nguyên biên soạn phục vụ việc giảng dạy cho hệ đại học chuyên ngành Quản

lý đất đai, Địa chính môi trường, Quản lý Tài nguyên và Môi trường, Quản lý Tài nguyên thiên nhiên và du lịch sinh thái Giáo trình được biên soạn chủ yếu theo đề cương môn Trắc địa ảnh và Viễn thám ở các trường đại học do Bộ Giáo dục và Đào tạo quy định, kết hợp với nhu cầu thực tế đào tạo cán bộ Địa chính cho các tỉnh miền núi phía Bắc Ngoài ra, giáo trình còn là tài liệu tham khảo cho cán bộ địa chính các cấp

Giáo trình biên soạn với 2 phần bao gồm các chương như sau:

• Phần I: Trắc địa ảnh

• Chương 1: Khái niệm về phương pháp đo ảnh

• Chương 2: Cơ sở toán học của phương pháp đo ảnh

• Chương 3: Nguyên lý nhìn lập thể và đo ảnh lập thể

• Chương 4: Đoán đọc điều vẽ ảnh hàng không

• Phần II: Viễn thám

• Chương 5: Cơ sở về viễn thám

• Chương 6: Các hệ thống viễn thám phổ biến trên thế giới

• Chương 7: Một số ứng dụng của viễn thám

Giáo trình này do tập thể tác giả biên soạn:

• PGS TS Phan Đình Binh: Chủ biên và biên soạn chương 3, 4

• TS Nguyễn Quang Khánh: Biên soạn chương 2,3

• TS Vũ Thị Thanh Thuỷ: Biên soạn chương 5, 6

• ThS Nguyễn Ngọc Anh: Biên soạn chương 6, 7

• ThS Nguyễn Lê Duy: Biên soạn chương 1

Chúng tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Phòng Đào tạo, Trường Đại học Nông Lâm - Đại học Thái Nguyên đã tạo mọi điều kiện để chúng tôi hoàn thành giáo trình này

Tuy tập thể tác giả đã hết sức cố gắng nhưng giáo trình vẫn không tránh khỏi sai sót, chúng tôi mong nhận được sự góp ý của độc giả và các bạn đồng nghiệp

TẬP THỂ TÁC GIẢ

Trang 6

vi Giáo trình Trắc địa ảnh và Viễn thám

DANHMỤC

Bảng 5.1: Tóm tắt sự phát triển của viễn thám qua các sự kiện 63

Bảng 5.2: Đặc điểm của dải phổ điện từ sử dụng trong kỹ thuật viễn thám 67

Bảng 6.2: Hệ thống các thiết bị thu và tính chất cơ bản của vệ tinh Landsat 76

Bảng 6.4: Các đặc tính cơ bản của hệ thống tạo ảnh SPOT 78

Bảng 6.5: Các thông số của bộ cảm vệ tinh SPOT-5 loại HRG 78

Bảng 6.6: Một số thông số kỹ thuật của thiết bị đo thực vật trên SPOT-5 79

Bảng 6.7: Các tính năng chủ yếu của các máy quét đa phổ của Nga 80

Bảng 6.8: Hệ thống máy chụp ảnh và các đầu thu của Ấn Độ 81

Bảng 6.12: Các dải phổ của vệ tinh Nhật (Marine Observation System) 86

Bảng 6.18: Đặc điểm của đối tượng trên phim ảnh màu thông thường và hồng ngoại 99

Bảng 7.1: Điểm mạnh, điểm yếu của các phương pháp thành lập bản đồ thực vật khác nhau 105

Bảng 7.2: Hệ thống phân loại thực phủ của khu vực nghiên cứu 109

Trang 7

viiDANH MỤC

Hình 1.2: Quy trình công nghệ cơ bản của phương pháp đo ảnh 5

Hình 2.1: Sự hình thành ảnh đo theo phép chiếu xuyên tâm 18

Hình 2.9: Các nguyên tố định hướng ngoài của ảnh hàng không 25

Hình 2.10: Các nguyên tố định hướng ngoài của ảnh mặt đất 25

Hình 3.2: Sự hình thành cặp ảnh lập thể và cảm giác lập thể nhân tạo 31

Hình 3.3: Mở rộng hiệu ứng lập thể bằng cạnh đáy mắt quan sát 34

Hình 3.4: Mở rộng hiệu ứng lập thể thông qua mở rộng tiêu cự hệ thống quan sát 34

Hình 4.2: Sơ đồ một số loại cấu trúc hình ảnh thường gặp 48

Hình 4.3: Xác định điểm bằng phương pháp giao hội thuận 54

Hình 4.5: Xác định điểm nằm trên đường thẳng và 1 điểm rõ ràng 55

Hình 4.6: Xác định điểm nằm trên đường thẳng và 2 điểm rõ ràng 56

Hình 4.8: Xác định điểm nằm gần đường thẳng và 2 điểm rõ ràng 57

Hình 4.10: Xác định điểm trên đường thẳng và hướng ngắm rõ ràng 57

Hình 5.2: Viễn thám từ việc thu nhận thông tin đến người sử dụng 65

Trang 8

Giáo trình Trắc địa ảnh và Viễn thám

Hình 5.5: Sự phân bố các dải sóng trong quang phổ điện từ 69

Hình 5.6: Sự thay đối cực trị của đường cong bức xạ nhiệt của vật chất ở nhiệt độ khác nhau 71

Hình 5.7: Các cửa sổ khí quyển và tác động của khí quyển tới ánh sáng mặt trời 72

Hình 5.8: Đặc điểm phổ phản xạ của nhóm các đối tượng tự nhiên chính 74

Hình 6.1: Ảnh vệ tinh SPOT-3 khu vực Hà Nội chụp tháng 10 năm 1995 (độ phân giải 20m) 79

Hình 6.4: Viễn thám SONAR sử dụng sóng Radar để nghiên cứu chụp ảnh đáy biển 87

Hình 6.5: Ảnh Radar do vệ tinh ERS chụp khu vực Đông Nam Á 92

Hình 6.7: Cấu tạo phim ảnh đen trắng (a), quá trình lộ sáng (b) và tráng phim đen trắng (c) 96

Hình 6.6: Sơ đồ cấu tạo của phim ảnh và giấy ảnh đen trắng 96

Hình 6.8: Cấu trúc của phim ảnh màu và cơ chế hoạt động 97

Hình 6.13: Sơ đồ cấu trúc dữ liệu kiểu BSQ, BLL và BIP 101

Hình 6.14: Các độ phân giải không gian của ảnh tại một vùng 102

Hình 7.1: Quy trình thành lập bản đồ biến động các loại thực phủ 108

Trang 9

PhầnI

TRẮCĐỊAẢNH

Chương 1 KHÁI NIỆM VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐO ẢNH 3

Chương 2 CƠ SỞ TOÁN HỌC CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐO ẢNH 17

Chương 3 NGUYÊN LÝ NHÌN LẬP THỂ VÀ ĐO ẢNH LẬP THỂ 27

Chương 4 ĐOÁN ĐỌC VÀ ĐIỀU VẼ ẢNH HÀNG KHÔNG 41

Trang 11

Chương1

KHÁINIỆMVỀ PHƯƠNGPHÁPĐOẢNH

1.1 BẢN CHẤT VÀ NHIỆM VỤ

CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐO ẢNH

Phương pháp đo đạc chụp ảnh (gọi tắt là phương pháp đo ảnh) ra đời trong những năm

50 của thế kỷ 19 với những kỹ thuật chụp ảnh vào công tác trắc địa, địa hình và vào lĩnh vực đo đạc kiến trúc của các nhà khoa học Lausedat (người Pháp) và Meydenbauer (người Đức) Ngày nay phương pháp đo ảnh đã trở thành một ngành khoa học quan trọng của

kỹ thuật đo đạc với những cơ sở lý thuyết hoàn chỉnh và những hệ thống máy móc chính xác và hiện đại

Bản chất của phương pháp đo ảnh là phương pháp đo gián tiếp thông qua hình ảnh

hoặc các nguồn thông tin thu được của đối tượng đo Nhiệm vụ của phương pháp đo ảnh

là xác định trạng thái hình học của đối tượng đo gồm: Vị trí, hình dáng, kích thước và mối quan hệ tương hỗ của các đối tượng đo

Phương pháp đo ảnh được gọi là phương pháp viễn thám hiện đại trong lĩnh vực khoa học về trái đất

Phương pháp đo ảnh có 2 quá trình cơ bản:

1 Quá trình thu nhận hình ảnh hoặc các thông tin ban đầu của đối tượng đo được

thực hiện trong một thời điểm nhất định với nhiều phương thức khác nhau, như:

• Chụp ảnh đối tượng đo với các loại thiết bị chụp ảnh và vật liệu cảm quang khác nhau

• Thu nhận các thông tin bức xạ của đối tượng bằng các hệ thống quét điện tử khác nhau

Quá trình thu nhận hình ảnh của đối tượng đo trong phương pháp đo ảnh được thực hiện bằng phương pháp “chụp ảnh quang học” theo nguyên lý của phép chiếu

Trang 12

xuyên tâm (Photogrammetry) hay bằng phương pháp “quét ảnh điện từ” (Electronic - Photogrammetry) với hai phương thức:

• Chụp ảnh trên không: Tức là các thiết bị chụp ảnh được đặt trên các thiết bị trên không, như máy bay, vệ tinh nhân tạo hay trên các con tàu vũ trụ v.v Hình ảnh thu được là các ảnh hàng không hay ảnh vệ tinh

• Chụp ảnh mặt đất: Tức là thiết bị chụp ảnh được đặt trên mặt đất

2 Quá trình dựng lại và đo đạc trên mô hình của đối tượng đo từ các ảnh chụp hoặc

các thông tin thu được có thể thực hiện bằng 3 phương pháp cơ bản trên các hệ thống thiết bị tương ứng:

Quá trình cơ bản trên của phương pháp đo ảnh được mô tả trong hình 1.1

h Ình 1.1: Các quá trình cơ bản của phương pháp đo ảnh

Hình ảnh và các thông tin của đối tượng đo Quá trình xử lý ảnh và các thông tin liên quan

Phương pháp tương tự

Phương pháp giải tích

Phương pháp số

Tán xạ

Trang 13

5Chương 1 KHÁI NIỆM VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐO ẢNH

h Ình 1.2: Quy trình công nghệ cơ bản của phương pháp đo ảnh

ĐỐI TƯỢNG ĐO ĐẠC

Các tư liệu ảnh và số liệu

QUÁ TRÌNH ĐO ĐẠC CÁC ẢNH ĐO

Trang 14

1.2 ĐẶC ĐIỂM VÀ PHẠM VI ỨNG DỤNG

CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐO ẢNH

Với phương thức đo gián tiếp trên ảnh của các đối tượng đo, phương pháp đo ảnh có những đặc điểm nổi bật sau đây:

• Có khả năng đo đạc với tất cả các đối tượng đo mà không nhất thiết phải tiếp xúc hoặc đến gần chúng, miễn các đối tượng này có thể chụp ảnh được (bằng phim toàn sắc, phim màu, hoặc phim quang phổ) Vì vậy, đối tượng của phương pháp đo ảnh rất đa dạng, từ các miền thực địa rộng lớn của mặt đất đến các vi vật thể rất nhỏ bé (10-6nm - Nanometer)

• Nhanh chóng thu được các tư liệu đo đạc trong thời gian chụp ảnh, nên cho phép giảm nhẹ công tác ngoài trời, tránh các ảnh hưởng của thời tiết đối với công tác

đo đạc

• Có thể đo trong cùng một thời điểm nhiều điểm đo khác nhau của các đối tượng

đo Do đó không những cho phép đo các vật thể tĩnh (như địa hình, địa vật) mà còn

có thể đo được các vật thể đang chuyển động cực nhanh (như quỹ đạo của tên lửa, máy bay v.v.) hoặc cực chậm (như sự biến dạng của các công trình xây dựng v.v)

• Quy trình công nghệ của phương pháp rất thuận lợi cho việc tự động hoá công tác

đo tính, nâng cao hiệu suất công tác và tính kinh tế của phương pháp

• Nhược điểm chủ yếu của phương pháp đo ảnh là trang bị kỹ thuật cồng kềnh và đắt tiền, đòi hỏi những điều kiện nhất định trong sử dụng và bảo quản, đặc biệt là đối với khí hậu nhiệt đới của nước ta

Ngày nay ở nhiều nước trên thế giới, phương pháp đo ảnh đã trở thành một phương pháp cơ bản trong công tác đo vẽ bản đồ địa hình các loại và được gọi là phương pháp trắc địa ảnh Ngoài lĩnh vực địa hình, phương pháp đo ảnh còn được ứng dụng rộng rãi trong các ngành khoa học kỹ thuật khác như:

• Trong công trình: Đo biến dạng và dịch động các công trình, nghiên cứu các mô hình xây dựng, vật liệu xây dựng v.v

• Trong công nghiệp: Đo tính khối lượng khai thác mỏ, nghiên cứu các phương án thiết kế và gia công tối ưu, kiểm tra công tác lắp ráp thiết bị công nghiệp, kiểm tra

về chất lượng tạo hình trong công nghiệp chế tạo máy bay, ôtô, tàu thuỷ

• Trong nông lâm nghiệp: Điều tra quy hoạch đất đai, điều tra nghiên cứu rừng, nghiên cứu quá trình phát triển của gia súc, các loại cây trồng v.v

• Trong khí tượng thuỷ văn: Nghiên cứu các hiện tượng về khí tượng (mây, mưa, gió), nghiên cứu dòng chảy và các hiện tượng thuỷ văn (sóng, thủy triều )

• Trong kiến trúc và bảo tồn bảo tàng: Gìn giữ và khôi phục các công trình kiến trúc, các di tích lịch sử - văn hoá có giá trị

Trang 15

• Trong lĩnh vực quân sự: Nghiên cứu quỹ đạo và tốc độ của các loại đầu đạn, tên lửa, máy bay , nghiên cứu các vụ nổ v.v

• Trong các ngành khoa học kỹ thuật khác như: Y học, địa chất, sinh vật học, hoá lý Tuỳ theo đối tượng đo đạc trong từng lĩnh vực, mà người ta sử dụng phương pháp chụp ảnh và phương pháp đo ảnh thích hợp

Trong trắc địa địa hình, phương pháp đo ảnh hay còn gọi là trắc địa ảnh có hai phương pháp cơ bản sau đây:

• Phương pháp trắc địa ảnh hàng không

• Phương pháp trắc địa ảnh mặt đất

Trong đó phương pháp trắc địa ảnh hàng không là phương pháp chủ yếu trong công tác đo vẽ bản đồ địa hình các loại tỷ lệ khác nhau, đặc biệt là đo vẽ bản đồ địa hình tỷ lệ vừa và nhỏ Phương pháp chụp ảnh mặt đất là phương pháp bổ sung cho phương pháp chụp ảnh hàng không trong công tác đo vẽ bản đồ tỷ lệ lớn ở vùng đồi núi, đặc biệt là vùng núi đá khó đi lại

Ngày nay với những thành tựu phát triển hiện đại về kỹ thuật và công nghệ, phương pháp đo ảnh có khả năng đáp ứng được các yêu cầu đa dạng về thành lập bản đồ địa hình, bản đồ địa chính, các loại tỷ lệ và các nhiệm vụ đo đạc trong các lĩnh vực khác

1.3 SƠ LƯỢC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA

NGÀNH TRẮC ĐỊA ẢNH TRÊN THẾ GIỚI

Sự hình thành và phát triển của ngành trắc địa ảnh gắn liền với sự phát triển của khoa học

kỹ thuật nói chung và lĩnh vực đo đạc bản đồ nói riêng Sự ra đời và phát triển của các lĩnh vực chụp ảnh, quang học, hàng không, cơ khí chính xác, điện tử đã ảnh hưởng có tính quyết định đến phương pháp và các hệ thống máy móc của phương pháp đo ảnh Sự phát triển của đo đạc chụp ảnh có thể tóm tắt trong 5 giai đoạn chính sau:

1.3.1 GIAI ĐOẠN HÌNH THÀNH PHƯƠNG PHÁP ĐO ẢNH (1859 - 1900)

Đặc trưng chủ yếu của giai đoạn này là thí nghiệm thành công của các nhà khoa học người Pháp Lausedat (1859) và người Đức Meydenbauer (1857) về ứng dụng kỹ thuật chụp ảnh mặt đất đơn giản Cùng thời gian đó (1858) thợ chụp ảnh tại Paris tên là Gaspard-Félix Tournachon - còn gọi là Nadar - đã thực hiện việc chụp ảnh trên không bằng một máy ảnh đơn giản từ một khinh khí cầu Trong giai đoạn phát triển đầu tiên này, phương pháp đo ảnh chưa thoát khỏi quy trình công nghệ của phương pháp giao hội thuận với các hướng được xác định từ các điểm ảnh trên mặt đất Chính vì thế người ta còn gọi phương pháp

đo ảnh là phương pháp giao hội ảnh hoặc phương pháp bàn đạc ảnh

Trang 16

Nhược điểm cơ bản nhất của phương pháp giao hội ảnh là việc nhận biết khó khăn các điểm đo cùng tên trên các tấm ảnh đơn được chụp từ các trạm chụp khác nhau Do đó, khả năng ứng dụng của phương pháp này vào công tác đo đạc địa hình rất hạn chế

Cần chỉ ra rằng, những thí nghiệm tương tự như vậy cũng tiến hành ở nhiều nước khác nhau như ở Italia (1872), ở Áo (1874), ở Canada (1889), và ở Nga (1895) Đặc biệt

có ý nghĩa về mặt xây dựng cơ sở lý thuyết của phương pháp đo ảnh là năm 1899 các nhà

khoa học Nga Sebyet và Veselopxky đã công bố công trình “Cơ sở hình học của đo đạc chụp ảnh”.

1.3.2 GIAI ĐOẠN TỪ NĂM 1900 - 1914

Đặc trưng cơ bản của giai đoạn này là sự hình thành phương pháp đo ảnh lập thể với sự

ra đời các máy đo ảnh và máy chụp ảnh chuyên dùng Năm 1901, Carl P Pulfrich 1927), nhà khoa học Đức đã thành công trong việc đưa nguyên lý đo ảnh lập thể vào lĩnh vực đo đạc chụp ảnh Nhờ đó đã khắc phục được nhược điểm cơ bản của phương pháp đo đạc chụp ảnh trong giai đoạn thứ nhất và thúc đẩy nhanh chóng sự phát triển của phương pháp đo ảnh lập thể mặt đất với các máy chụp ảnh mặt đất và các máy đo toạ độ lập thể Stereokomparator, máy đo vẽ ảnh lập thể Streoautograph do xưởng C Zeiss (đặt tại Jena, Đức) nghiên cứu chế tạo

Khoảng 15 năm tiếp theo, các máy đo vẽ ảnh hàng không không ngừng được cải tiến

và hoàn chỉnh Nhờ đó phương pháp đo ảnh đã được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực

đo vẽ bản đồ

Ở Liên Xô, sau Cách mạng tháng 10 Nga, ngành đo ảnh được chú ý xây dựng và phát triển cùng với ngành trắc địa và bản đồ nói chung Trong các năm 1928 - 1929, người ta tiến hành tổ chức các xí nghiệp trắc địa ảnh và đào tạo cán bộ, đồng thời ứng dụng các phương pháp đo vẽ phối hợp vào công tác đo vẽ bản đồ địa hình và xây dựng cơ sở lý thuyết và máy móc cho các phương pháp đo vẽ lập thể vi phân và toàn năng

Trang 17

1.3.4 GIAI ĐOẠN TỪ 1930 - 1945

Đặc trưng của giai đoạn này là việc phát triển các phương pháp chụp ảnh hàng không cho công tác đo vẽ bản đồ địa hình, đồng thời không ngừng hoàn thiện các máy móc đo vẽ và chụp ảnh, mặc dù hầu như không có sự thay đổi về nguyên lý cấu tạo máy

Từ năm 1933 trở đi, xưởng Carl Zeiss (Jena - Đức) đã chế tạo nhiều máy chụp ảnh hàng không gần như hoàn chỉnh, như máy RMKHS 1818 (1938) và nhiều máy đo vẽ có

1.3.5 GIAI ĐOẠN SAU CHIẾN TRANH THẾ GIỚI

LẦN THỨ HAI ĐẾN NHỮNG NĂM 70

Đặc trưng cơ bản của giai đoạn này là việc ứng dụng ngày một nhiều các thành tựu của

kỹ thuật điện tử và máy tính điện tử vào việc chế tạo các máy móc đo đạc chụp ảnh và vào các quá trình đo vẽ ảnh Các linh kiện điện tử đã thay thế ngày càng nhiều cho các bộ phận cơ học trong các máy đo ảnh, làm cho máy móc thiết bị trở nên gọn nhẹ, góp phần giảm nhẹ cường độ lao động, nâng cao hiệu suất công tác

Các hệ thống máy đo vẽ ảnh có độ chính xác cao ngày càng được hoàn chỉnh, như các máy Stecometer, Topocart, Stereometrograph, của hãng Carl Zeiss (CHDC Đức cũ), Stereokomparator PSK2, Planicart E3, Planimat D2 của hãng Zeiss (LB Đức), Autograph A8, Autograph A10, Aviograph B8S của hãng Wild (Thụy Sỹ) v.v

Đồng thời trong giai đoạn này, các hệ thống máy đo vẽ bán tự động và tự động xuất hiện ngày càng nhiều, như hệ thống máy đo vẽ ảnh giải tích Aviolys BC1 của hãng Wild (Thuỵ Sỹ), hệ thống máy đo vẽ giải tích AP/C (Italia), Planicomp C100 của hãng Zeiss (LB Đức), máy đo ảnh giải tích DSR1 của hãng Kerm (Thụy Sỹ), hệ thống máy đo vẽ tự động Aviomap AMH và AMU của hãng Wild (Thụy Sỹ) và nhiều hệ thống đo vẽ ảnh số của các nước

Đặc trưng cơ bản nói trên cũng được thể hiện rõ nét trong quá trình phát triển không ngừng của ngành đo đạc chụp ảnh Liên Xô từ sau chiến tranh thế giới lần thứ 2 đến nay,

Trang 18

đặc biệt các nhà khoa học Liên Xô như: Kosin, T.B Romannovxki, Drobưsev, Lobonov v.v ) đã có công xây dựng cơ sở lý thuyết thay đổi chùm tia và đã thành công trong việc chế tạo các máy đo vẽ theo nguyên lý này, như các máy SD-3 và SPR-3

Ngày nay với các cơ sở lý thuyết hoàn chỉnh và các máy móc có độ chính xác cao, có hiệu suất công tác lớn, với việc ứng dụng ngày càng rộng rãi thành tựu của máy tính điện

tử, phương pháp đo đạc chụp ảnh có khả năng giải quyết nhiệm vụ đo vẽ bản đồ địa hình

tỷ lệ nhỏ đến tỷ lệ cực lớn (1:200 - 1:50.000) đồng thời giải quyết nhiều nhiệm vụ đo đạc phức tạp trong các lĩnh vực khoa học kỹ thuật khác

1.3.6 GIAI ĐOẠN PHÁT TRIỂN HIỆN ĐẠI CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐO ẢNH

Với sự phát triển nhảy vọt của máy tính điện tử và kỹ thuật tính toán, nhiều nhiệm

vụ đo ảnh có thể giải quyết có hiệu quả bằng những công thức tính toán chặt chẽ thay thế cho việc thiết kế và chế tạo các thiết bị đo ảnh quang cơ có độ chính xác cao rất đắt tiền

Từ những năm 50 của thế kỷ 20 đã hình thành phương pháp đo ảnh giải tích Ngày nay khi tính năng của máy tính điện tử ngày càng ổn định và kỹ thuật tính toán, xử lý số liệu phát triển không ngừng, phương pháp đo ảnh giải tích đã trở thành phương pháp đo ảnh chủ yếu và đang phát triển theo xu hướng thay thế cho phương pháp đo ảnh tương tự Quá trình phát triển từ phương pháp đo ảnh tương tự đến phương pháp đo ảnh giải tích bao gồm các nội dung chủ yếu sau:

• Phát triển phương pháp tam giác ảnh không gian giải tích thay thế phương pháp tam giác ảnh không gian quang cơ

• Phát triển hệ thống đo ảnh giải tích trên cơ sở liên kết chặt chẽ giữa các thiết bị đo ảnh có độ chính xác cao với các máy tính điện tử và các phần mềm chuyên dùng

Về cơ bản, phương pháp đo ảnh giải tích có cùng nguyên lý và quy trình công nghệ với phương pháp đo ảnh tương tự Sự khác biệt cơ bản giữa hai phương pháp là phương pháp đo ảnh giải tích lấy phương thức tính toán để thực hiện điều kiện giao hội của các tia chiếu trong không gian thay cho phương thức giao hội quang cơ trong phương pháp

đo ảnh tương tự

Phương pháp đo ảnh giải tích có hai nhiệm vụ chủ yếu:

• Xây dựng lưới tam giác ảnh không gian nhằm tăng dày điểm khống chế ảnh có độ chính xác cao phục vụ cho công tác đo vẽ ảnh Nhiệm vụ này được gọi là phương pháp xử lý điểm trong đo ảnh

• Sử dụng máy đo ảnh giải tích thông qua điều khiển số để đo đạc xác định hình dạng,

độ lớn, vị trí, và mối quan hệ tương hỗ của các yếu tố hình học của đối tượng đo và

tự động đo vẽ các nội dung của bản đồ Nhiệm vụ này được gọi là phương pháp xử

lý tuyến trong đo ảnh

Trang 19

Trong phương pháp đo ảnh giải tích, trước hết lượng di động của điểm ảnh hoặc điểm mô hình được biến đổi thành dữ liệu số (qua bộ biến đổi A/D) và đưa vào máy tính, thông qua việc tính toán và gia công, số liệu này được biến đổi thành dữ liệu điều khiển

hệ thống vẽ biểu diễn các nội dung trên bản đồ

Mặc dù sự ra đời và phát triển của phương pháp đo ảnh giải tích đã tạo ra một bước ngoặt quan trọng của công tác đo ảnh, nhưng vấn đề tự động hoá đo ảnh vẫn là lý tưởng

mà các nhà khoa học về đo ảnh luôn theo đuổi Ý tưởng này lần đầu tiên được thực hiện vào năm 1950 với máy đo ảnh tự động được chế tạo nhờ sự hợp tác giữa phòng nghiên cứu công trình quân sự Mỹ và công ty chế tạo máy quang học Bausch & Lomb (Mỹ) Nguyên lý hoạt động của máy đo ảnh tự động đầu tiên này là biến đổi độ xám trên ảnh thành các tín hiệu điện và sử dụng máy tính điện tử, các phần mềm chuyên dùng để xử lý các tín hiệu này và thực hiện quá trình tự động đo vẽ ảnh Đó chính là nguyên lý cơ bản của phương pháp đo ảnh số

Phương pháp đo ảnh số là giai đoạn phát triển thứ 3 của phương pháp đo ảnh Sự khác biệt giữa phương pháp đo ảnh số với phương pháp đo ảnh tương tự và phương pháp

đo ảnh giải tích được mô tả trong bảng 1.1

Hiện nay trên thế giới có hai khái niệm về phương pháp đo ảnh số:

Khái niệm thứ nhất cho rằng: Phương pháp đo ảnh số là phương pháp xử lý các

thông tin hình học và thông tin vật lý của ảnh đo dựa trên nguyên lý cơ bản của phương pháp đo ảnh kết hợp vận dụng lý luận và phương pháp của nhiều lĩnh vực khoa học khác, như: Kỹ thuật máy tính, kỹ thuật xử lý số liệu ảnh số, kỹ thuật nhận dạng và biểu đạt kết quả bằng dạng số Khái niệm này được định nghĩa là phương pháp đo ảnh toàn số (All Digital Photogrammetry, hoặc Full Digital Photogrammetry) Theo định nghĩa này, trong phương pháp đo ảnh số, không những sản phẩm của nó là dạng số mà tư liệu đầu vào (ảnh chụp) cũng như các kết quả trung gian cũng đều là dạng số

Khái niệm thứ hai cho rằng: Tất cả các phương pháp đo ảnh trong đó các kết quả xử

lý trung gian và sản phẩm cuối cùng của nó dưới dạng số đều được gọi là phương pháp

đo ảnh số

Theo định nghĩa mở rộng này, sẽ có hai phương pháp đo ảnh số sau đây:

■ Phương pháp đo vẽ bản đồ số với sự trợ giúp của máy tính là phương pháp đo vẽ

ảnh sử dụng các hệ thống đo vẽ ảnh giải tích hoặc máy đo vẽ ảnh quang cơ kết hợp với máy

Bảng 1.1: Các đặc trưng cơ bản của phương pháp đo ảnh

Trang 20

tính để tiến hành thu nhận số liệu và xử lý số liệu, thành lập mô hình số độ cao (DEM) và bản đồ số và truy nhập vào cơ sở dữ liệu tương ứng Tùy theo nhu cầu sử dụng, từ cơ sở

dữ liệu này có thể đưa ra các sản phẩm là bản đồ đồ giải, bản đồ ảnh trực giao hoặc in các loại biểu đồ Trong phương pháp này, tư liệu sử dụng vẫn là các ảnh chụp truyền thống, quá trình đo ảnh thực hiện theo phương pháp nhìn lập thể và máy tính tham gia vào quá trình ghi nhận và xử lý số liệu Vì vậy, có thể coi phương pháp đo ảnh số này là phương pháp đo ảnh bán tự động, là bước quá độ từ phương pháp giải tích sang phương pháp số

■ Phương pháp đo vẽ ảnh số là phương pháp sử dụng máy tính và các phần mềm

chuyên dùng để tiến hành xử lý ảnh số hoặc ảnh số hoá, kết hợp với khả năng tổ hợp và nhận biết hình ảnh bằng máy tính thay cho mắt người, tự động thực hiện quá trình xử lý thông tin hình học và thông tin vật lý của đối tượng đo Đây là phương pháp đo ảnh số hoàn toàn tự động, không cần sử dụng các máy đo ảnh quang cơ và thao tác truyền thông của con người

Khâu đầu tiên của phương pháp đo ảnh số là quá trình số hoá ảnh, căn cứ vào quá trình số hoá ảnh có thể phân thành 3 phương pháp đo ảnh sau:

Phương pháp đo ảnh số hỗn hợp: Trong phương pháp số hoá này, thông thường người

ta lắp đặt một bộ số hoá CCD trên máy đo ảnh giải tích để tiến hành số hoá cục bộ từng phần của ảnh và nhờ bộ tổ hợp mà thu nhận được toạ độ không gian và điểm ảnh Hiện nay đã có nhiều hệ thống đo vẽ ảnh số loại này như:

• Hệ thống Indu SURF (Industrial Surface Measurement) được cấu thành từ máy

đo ảnh giải tích C100 của hãng Zeiss có lắp bộ số hoá CCD

• Hệ thống DCCS (Digital Comparator Correlation System) của hãng Helara

• Hệ thống đo vẽ giải tích của hãng Wild và Kern

Phương pháp đo ảnh toàn số: Trong phương pháp này số liệu đưa vào xử lý là ảnh số,

tức là các tín hiệu ảnh quét được ghi nhận thông qua các hệ thống điện tử Nếu tư liệu đầu vào là tư liệu truyền thống, thì trước hết phải số hoá ảnh bằng thiết bị số hoá Quá trình

đo vẽ ảnh số trong hệ thống này bao gồm các nội dung chủ yếu sau: Xác định các yếu tố định hướng ảnh, nhận dạng và tổ hợp ảnh, tính toán độ không gian điểm ảnh, nội suy bề mặt mô hình, tự động vẽ địa hình trên bản đồ ảnh trực giao được thực hiện theo phương thức nắn ảnh số Hệ thống đo vẽ ảnh số đầu tiên theo nguyên lý này được chế tạo tại Mỹ trong thập niên 60 của thế kỷ này có tên là DAMCS (Digital Automatic Map Compilation System) Đến thập niên 90 cùng với sự nhảy vọt của kỹ thuật máy tính, các hệ thống đo

vẽ ảnh toàn số được chế tạo ở nhiều nước, như trạm đo ảnh số DPW của Helara (Digital Photogrammetry Workstation), Image Workstation của Intergraph (Mỹ) và WUDAMS của trường Đại học Trắc địa Vũ Hán (Wuhan Digital Automatic Mapping System)

Phương pháp đo ảnh số tức thời: Trong phương pháp này, quá trình thu nhận thông

tin ảnh và xử lý thông tin xảy đồng thời với sự liên kết chặt chẽ giữa thiết bị chụp ảnh

và hệ thống máy tính có tính năng cao Phương pháp đo ảnh số tức thời được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghiệp Trong đo ảnh, phương pháp này được ứng dụng để phát triển phương pháp đo ảnh tự động trong phạm vi gần Hiện nay đã có các hệ

Trang 21

thống đo ảnh số tức thời như MAPVITION của Phần Lan, IRI 256 của Canada, và RTP của Thụy Sĩ

Sự khác biệt của phương pháp đo ảnh toàn số với phương pháp đo ảnh tương tự và đo ảnh giải tích là quá trình số hoá và xử lý các thông tin bức xạ của ảnh Trước đó, các thông tin bức xạ của ảnh được xử lý một cách đơn giản thông qua nguồn chiếu sáng và xử lý bằng mắt và não người Cùng với sự phát triển của kỹ thuật viễn thám, các thông tin bức xạ của đối tượng chụp ảnh đã trở nên hết sức quan trọng trong công tác đo ảnh Có thể nói, nếu không sử dụng thông tin bức xạ thì không thể thực hiện tự động hoá trong đo ảnh

Do tư liệu ban đầu của phương pháp đo ảnh số là các ảnh số, nên các thiết bị đo ảnh quang cơ truyền thống sử dụng trong phương pháp đo ảnh tương tự trở nên không cần thiết nữa, thay vào đó là các trạm máy tính đo ảnh chuyên dùng Hiện nay phương pháp

đo ảnh số được ứng dụng có hiệu quả trong việc thu thập, quản lý và sử dụng các thông tin ảnh trong kỹ thuật viễn thám và hệ thống thông tin địa lý (GIS)

Phương pháp đo ảnh số tuy mới phát triển, nhưng với tốc độ nhanh chóng và đã tạo

ra những kỳ tích đáng kinh ngạc Đó là hiệu suất và độ chính xác đạt được rất cao Nếu

sử dụng trạm công tác với máy tính trung bình, tốc độ đạt từ 6 - 32MIPS, thì tốc độ đo lập thể trên mô hình số DTM có thể đạt từ 100 - 200 điểm/s hoặc cao hơn Về độ chính xác, nếu khoảng cách giữa các pixel của ảnh số là 50 µm, thì sai số trung phương đo ảnh

có thể đạt ±3 µm đến ±5 µm

Cho đến nay, phương pháp đo ảnh số đã được ứng dụng vào hầu hết các khâu quan trọng của quá trình đo ảnh, như công tác tăng dày khống chế ảnh, xây dựng mô hình số địa hình (DTM), nắn ảnh số và đo vẽ địa hình

Trong phương pháp đo ảnh số, công tác biên tập được tiến hành trên cơ sở đồ hình bản đồ được hiển thị trên màn hình máy tính với phương thức giao diện trực tiếp giữa người và máy nên rất có hiệu quả Có thể nói, phương pháp đo ảnh số là sự phát triển hiện đại về công nghệ của phương pháp đo ảnh

Với những thành tựu đã đạt được nêu trên, cùng với việc ứng dụng các kỹ thuật hiện đại khác trong trắc địa, như: Kỹ thuật định vị vệ tinh GPS trong công tác bay chụp với công tác tăng dày khống chế ảnh, phương pháp đo ảnh ngày càng được ứng dụng rộng rãi

và có hiệu quả trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là lĩnh vực trắc địa bản đồ trên thế giới cũng như ở Việt Nam

1.4 TÌNH HÌNH PHÁT TRIỂN NGÀNH

TRẮC ĐỊA ẢNH Ở VIỆT NAM

Ngành trắc địa cũng như ngành trắc địa ảnh và bản đồ nói chung là một trong những ngành khoa học kỹ thuật non trẻ của nước ta Chỉ sau khi miền Bắc được hoàn toàn giải phóng (1954), ngành trắc địa ảnh và bản đồ của nước ta mới được chú ý xây dựng và phát triển

Trang 22

Năm 1958, chúng ta đã tiến hành chụp ảnh điều tra khảo sát rừng với sự giúp đỡ của CHDC Đức (cũ) Nhưng cho đến năm 1965, chúng ta mới bắt đầu sử dụng phương pháp đo ảnh hàng không vào việc đo vẽ bản đồ địa hình tỷ lệ cơ bản nhà nước: 1:50.000

và 1:25.000 Đồng thời, cũng từ năm 1966 chúng ta tiến hành đào tạo cán bộ kỹ thuật về trắc địa ảnh có trình độ đại học, bên cạnh việc đào tạo cán bộ kỹ thuật trung cấp đo vẽ ảnh của cơ sở sản xuất

Trong những năm đầu xây dựng ngành trắc địa ảnh (1965–1972) do tình hình khó khăn về kỹ thuật và máy móc, nên chủ yếu chỉ ứng dụng phương pháp đo vẽ phối hợp và phương pháp vi phân vào công tác đo vẽ bản đồ địa hình tỷ lệ 1:25.000, vùng đồng bằng

và vùng đồi với các loại máy đo vẽ STD-2, LCY, Stereokomparator 1818, máy nắn SEG-I, SEG-IV, bên cạnh việc sử dụng phương pháp đo vẽ toàn năng với máy Multiplex để tăng dày điểm khống chế và đo vẽ bản đồ tỷ lệ 1:25.000 ở một vài vùng núi Vào những năm cuối thập niên 60 một số cơ sở sản xuất của nước ta cũng đã nhập một số máy toàn năng chính xác như máy Stereoplanigraph-C và Stereoplanigraph-D của hãng Carl Zeiss Jena (CHDC Đức cũ)

Trong giai đoạn này, chúng ta đã xây dựng được đội bay chụp ảnh hàng không và tiến hành công tác bay chụp ảnh phục vụ đo vẽ bản đồ địa hình tỷ lệ 1:25.000 và 1:10.000, đồng thời tăng cường nhập thêm các máy đo vẽ mới như các máy: SD-3, SPR-3 của Liên Xô (1973), máy Stereometrograph F, Topocart B, Stecometer–Coordimeter, Interpretoscop v.v của CHDC Đức

Về phương pháp chủ yếu chúng ta sử dụng phương pháp đo vẽ toàn năng, kết hợp với phương pháp đo vẽ phối hợp ở vùng đồng bằng Đồng thời, chúng ta cũng đã bắt đầu nghiên cứu ứng dụng các phương pháp tiên tiến trong công tác tăng dày điểm khống chế (phương pháp tam giác ảnh không gian bán giải tích và giải tích)

Về công tác bay chụp, đã bắt đầu sử dụng các máy chụp ảnh và máy bay chụp ảnh

có tính năng và chất lượng tốt hơn, như máy chụp ảnh MRB 15/2323 (của CHDC Đức), AFA-TE 70 và máy bay AN-30 của Liên Xô (cũ)

Sau khi miền Nam hoàn toàn giải phóng, ngành trắc địa ảnh ở nước ta được bổ sung thêm một số máy móc và trang thiết bị tuy rất ít về số lượng nhưng khá hiện đại như các máy đo vẽ toàn năng B8S, A7, A8, A10 (Wild, Thụy Sỹ), máy nắn SEG-V, máy đo lập thể chính xác PSK-2 (CHLB Đức)

Đặc biệt từ những năm 1973, phương pháp đo đạc chụp ảnh mặt đất đã được bắt đầu

sử dụng vào việc đo vẽ bản đồ địa hình tỷ lệ lớn (1:500, 1:2.000) ở các vùng khai thác công nghiệp như (mỏ than, mỏ đá), các khu vực khai thác vật liệu xây dựng, thủy lợi với trang thiết bị tương đối đồng bộ như Phototheodolit 19/1318, Stereoautograph EL1318 hoặc Technocart - Stereokoparator 1818 hay Stecometer

Từ những năm 90 khi đất nước ta thực hiện đường lối đổi mới của Đảng, cùng với

sự phát triển chung của ngành Trắc địa - Bản đồ, ngành Trắc địa ảnh cũng nhanh chóng ứng dụng các tiến bộ kỹ thuật và công nghệ tiên tiến của thế giới vào nghiên cứu, sản xuất

và đào tạo cán bộ Đặc biệt là công tác bay chụp ảnh và tăng dày khống chế ảnh với kỹ

Trang 23

thuật định vị GPS, công nghệ đo vẽ ảnh với các trạm đo ảnh số (SSK) của hãng Intergraph (Mỹ), hệ thống phần mềm Desktop Digital Photographmetry System (DDPS) của công ty 3D Mapper Pty Ltd (Úc), phần mềm Photomod hãng RAKURS (Nga) và các phần mềm chuyên dùng khác

Hiện nay ở nước ta đã có rất nhiều cơ sở sản xuất xây dựng các xí nghiệp đo vẽ ảnh với các máy móc chính xác hiện đại như: Tổng cục Địa chính, Cục Địa chất - Khoáng sản, Cục Bản đồ Quân đội, Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, Bộ Xây dựng v.v

Công tác đào tạo cán bộ cũng đang được đẩy mạnh và ngày càng nâng cao chất lượng Tính đến nay trường Đại học Mỏ - Địa chất đã đào tạo cho ngành Trắc địa ảnh Việt Nam hàng trăm cán bộ kỹ thuật có trình độ đại học và trên đại học

Nhiệm vụ cơ bản hiện nay của ngành đo đạc chụp ảnh của nước ta là không ngừng nâng cao trình độ của cán bộ kỹ thuật, tiếp thu và ứng dụng nhanh chóng các thành tựu

về tiến bộ kỹ thuật của ngành trên thế giới để giải quyết kịp thời nhiệm vụ đo vẽ bản đồ địa hình các loại tỷ lệ khác nhau, đáp ứng yêu cầu của công tác nghiên cứu lãnh thổ, điều tra cơ bản, phân vùng quy hoạch, khảo sát thiết kế, v.v của các ngành khoa học kỹ thuật, kinh tế quốc dân và sự nghiệp quốc phòng của nước ta

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

Trang 25

Chương2

CƠSỞTOÁNHỌCCỦA PHƯƠNGPHÁPĐOẢNH

2.1 KHÁI NIỆM VỀ ẢNH ĐO VÀ CÁC YẾU TỐ

HÌNH HỌC CỦA ẢNH HÀNG KHÔNG

2.1.1 ẢNH ĐO VÀ TÍNH CHẤT CỦA ẢNH ĐO

Các ảnh được dùng vào mục đích đo đạc được gọi là ảnh đo Ảnh đo là hình ảnh thu được của các đối tượng đo theo nguyên lý phép chiếu xuyên tâm Ảnh đo là nguồn thông tin gốc của đối tượng đo phục vụ cho các quá trình đo đạc trong phương pháp đo ảnh.Tuy nhiên định nghĩa này chỉ có ý nghĩa hình học đơn thuần Trên thực tế, ảnh đo là kết quả tổng hợp của quá trình tạo hình quang học (qua một hệ thống thấu kính có chất lượng cao) hoặc quá trình quét ảnh điện từ và được ghi lại trên vật liệu ảnh (phim mềm hoặc phim cứng) theo những nguyên lý cơ bản của phép chiếu xuyên tâm đối với phương thức chụp ảnh quang học, trên các băng từ đối với phương thức quét ảnh

Ảnh đo mang những tính chất cơ bản sau:

■ Nội dung của ảnh đo phản ánh trung thực các chi tiết bề mặt của đối tượng (như

địa hình địa vật trên mặt đất) nhưng chưa thể hiện được đúng và đầy đủ theo yêu cầu của nội dung bản đồ (hình 2.1) Trong khái niệm của thông tin học, ảnh đo là nguồn thông tin

cơ bản của đối tượng đo thu nhận được trong thời điểm chụp ảnh Chúng sẽ được khai thác tùy theo các mục đích khác nhau trong quá trình xử lý sau này

■ Mức độ chi tiết và khả năng đo đạc của ảnh đo phụ thuộc vào điều kiện và phương

thức chụp ảnh như: điều kiện khí tượng, thiết bị chụp ảnh, vật liệu ảnh, kỹ thuật chụp ảnh v.v

■ Ảnh đo chỉ là nguồn thông tin ban đầu nên không thể trực tiếp sử dụng như

những thành quả đo đạc khác (như: bản đồ ) vì:

Trang 26

• Quan hệ tọa độ giữa các điểm trên ảnh và các điểm tương ứng trên mặt đất là quan

hệ phối cảnh của phép chiếu xuyên tâm, chứ không phải là quan hệ chiếu thẳng như trên bản đồ

• Tỷ lệ của các hình ảnh trên ảnh không thống nhất như trên bản đồ, do đặc điểm của quá trình chụp ảnh (ảnh nghiêng và địa hình lồi lõm)

• Các hình ảnh trên ảnh không chính xác về vị trí và bị biến dạng do nhiều nguyên nhân gây ra (như: quy luật chiếu hình, sai số quang học, vị trí của ảnh chụp, biến dạng của vật liệu ảnh )

Vì vậy, muốn sử dụng ảnh đo cho các mục đích đo đạc, trước hết cần nghiên cứu các quy luật tạo hình về hình học, quang học và hoá học của ảnh đo

2.1.2 CÁC YẾU TỐ HÌNH HỌC CƠ BẢN CỦA ĐO ẢNH

1 Mặt phẳng E gọi là mặt phẳng vật Thông thường giả thiết mặt E là một mặt phẳng nằm ngang

2 Mặt P gọi là mặt phẳng ảnh Trong trường hợp chung, mặt P có một góc nghiêng bất kỳ ỏ đối với mặt phẳng vật E, góc ỏ gọi là góc nghiêng của ảnh

Trang 27

19Chương 2 CƠ SỞ TOÁN HỌC CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐO ẢNH

3 Điểm S gọi là tâm chụp hay tâm chiếu Vị trí của S đối với mặt P được xác định theo tiêu cự của máy chụp ảnh sao cho thoả mãn điều kiện S0 = fk

4 Qua tâm chiếu S dựng mặt phẳng W thẳng góc với mặt E và mặt P Mặt W gọi là mặt đứng chính

5 Vết của mặt phẳng W trên mặt phẳng ảnh P được gọi là đường dọc chính v.v

6 Vết của mặt phẳng W trên mặt phẳng vật E được gọi là đường hướng chụp VV

7 Giao tuyến giữa mặt phẳng ảnh P với mặt phẳng vật E được gọi là đường nằm ngang hay gọi là trục chụp TT

8 Từ tâm chụp S kẻ đường vuông góc xuống mặt phẳng ảnh P và giao điểm của chúng được gọi là điểm chính ảnh o So được gọi là tia sáng chính

9 Từ tâm chụp S kẻ đường vuông góc SN xuống mặt phẳng vật W và giao điểm của

nó với mặt phẳng ảnh được gọi là điểm đáy ảnh n

10 Trong mặt phẳng W từ tâm chụp S kẻ đường phân giác của góc oSn (oSn= ỏ), giao điểm của nó với mặt phẳng P được gọi là điểm đẳng giác c

11 Trong mặt phẳng W từ tâm chụp S kẻ đường song song với mặt phẳng E, giao điểm của nó với mặt phẳng P được gọi là điểm tụ chính I

12 Trong mặt phẳng ảnh P qua I kẻ đường song song với đường nằm ngang TT sẽ có đường chân trời hihi

13 Trong mặt phẳng ảnh P qua điểm chính ảnh o kẻ đường song song với đường nằm ngang TT sẽ có đường nằm ngang chính h0h0

14 Cũng trong mặt phẳng ảnh P qua điểm đẳng giác c kẻ đường thẳng song song với trục chụp TT sẽ có đường đẳng tỷ lệ hchc

15 Khoảng cách từ tâm chụp S đến mặt phẳng vật E theo đường dây dọi được gọi là

Trang 28

Trong phương pháp đo ảnh, ảnh đo có thể được chụp ở hai vị trí đặc biệt sau:

1 Khi góc nghiêng của ảnh α = 0, tức là mặt phẳng ảnh P nằm ngang (hình 2.3) Đây là trường hợp chụp ảnh hàng không lý tưởng Trong trường hợp này, các điểm chính ảnh o, điểm đáy ảnh n và điểm đẳng giác c trùng nhau tại một điểm Trên mặt phẳng ảnh, điểm

tụ chính I và đường hihi đều nằm ở vô cực

2 Khi góc nghiêng của ảnh α = 900, tức là mặt phẳng ảnh P thẳng đứng (hình 2.3b) Đây là trường hợp chụp ảnh mặt đất Trong trường hợp này điểm chính ảnh o sẽ trùng với điểm tụ chính I của ảnh Đường nằm ngang chính h0h0 trùng với đường chân trời hihi Điểm đáy ảnh n nằm ở vô cực

2.2 CÁC HỆ THỐNG TỌA ĐỘ TRONG ĐO ẢNH

2.2.1 CÁC HỆ TỌA ĐỘ TRONG KHÔNG GIAN ẢNH

Trong phương pháp đo ảnh người ta thường sử dụng các hệ tọa độ sau đây để biểu diễn và xác định vị trí của một điểm bất kỳ trên ảnh:

2.2.1.1 Hệ tọa độ mặt phẳng ảnh (o’ - x’ y’)

Hệ tọa độ mặt phẳng ảnh được xác định theo các mẫu khung của ảnh với trục x’ trùng với đường thẳng nối hai mẫu khung (hoặc hai dấu khung) tương ứng ở giữa mép ảnh trái

và mép ảnh phải, trục y’ trùng với đường thẳng nối hai mấu khung (hoặc hai dấu khung) tương ứng ở giữa mép ảnh trên và mép ảnh dưới, điểm gốc tọa độ trùng với giao điểm của hai trục x’ và y’ (Hình 2.4a)

Trang 29

Một điểm ảnh P’ được biểu diễn trong hệ tọa độ này bằng Vecter:

Trong đó x’, y’ là tọa độ ảnh của điểm ảnh P’

2.2.1.2 Hệ tọa độ không gian ảnh (S-xyz)

Hệ tọa độ không gian ảnh được định nghĩa như sau: Điểm gốc tọa độ trùng với tâm chụp

S, trục tọa độ z trùng với trục tia sáng chính S0 và hướng lên trên, các trục tọa độ x, y song song với trục x’, y’ của hệ tọa độ mặt phẳng ảnh (hình 2.4b)

Trong hệ tọa độ này một điểm ảnh P’ được biểu diễn bằng Vecter:

trong đó z = - fk

2.2.2 CÁC HỆ TỌA ĐỘ TRONG KHÔNG GIAN VẬT

2.2.2.1 Hệ tọa độ đo ảnh (O-X’Y’Z’)

Trong đo ảnh người ta thường sử dụng hệ tọa độ đo ảnh để xác định vị trí của các điểm

đo trên mô hình lập thể Hệ tọa độ đo ảnh được xác định như sau: Gốc tọa độ được chọn tùy ý, thường trùng với điểm tâm chiếu trái của mô hình hoặc một điểm bất kỳ trên mô hình Các trục tọa độ cũng được chọn tùy ý theo nguyên tắc hệ tọa độ không gian vuông góc Trong hình 2.5 thể hiện hai tọa độ đo ảnh thường dùng và thường được gọi là hệ tọa

độ mô hình

Trong hệ tọa độ đo ảnh hay hệ tọa độ mô hình, một điểm đo P sẽ được biểu diễn bằng Vecter sau:

h Ình 2.4: Các hệ tọa độ trong không gian ảnh

(a) Hệ tọa độ mặt phẳng; (b) Hệ tọa độ không gian ảnh

x'

y'

o' r' P' P

x

P'

f k

Trang 30

Trong đó X’, Y, ‘Z’ là trị tọa độ đo ảnh của điểm P trên mô hình

2.2.2.2 Các hệ tọa độ trắc địa thường dùng trong đo ảnh

Như bất kỳ nhiệm vụ đo đạc nào, trong đo ảnh các kết quả đo vẽ phải được xác định trong một hệ tọa độ nhất định trong không gian vật Trong đo ảnh thường sử dụng hai hệ tọa

độ trắc địa sau đây:

a Hệ tọa độ Gauss - Kruger (thường gọi là hệ tọa độ Gauss)

Đây là hệ tọa độ mặt phẳng vuông góc thường dùng trong công tác trắc địa Hệ tọa

độ Gauss là hình chiếu của múi 30 hoặc 60 của bề mặt trái đất theo phép chiếu hình trụ giữ góc, trong đó điểm gốc tạo độ trùng với giao điểm giữa kinh tuyến trung ương của múi chiếu với đường xích đạo, trục XG hướng Bắc, trục YG hướng Đông (hình 2.6)

h Ình 2.5: Hệ tọa độ mô hình trong đo ảnh

(a) Trường hợp chọn bất kỳ; (b) Trường hợp chọn đặc biệt

Trang 31

Một điểm P được xác định trong hệ tọa độ này bằng Vecter:

c Hệ tọa độ địa tâm

Hệ tọa độ địa tâm được định nghĩa như trong hình 2.7 trong đó điểm gốc tọa độ trùng với tâm trái đất, trục ZC trùng với trục quay của trái đất, trục XC trùng với giao tuyến của mặt kinh tuyến gốc với mặt xích đạo, trục YC vuông góc với trục XC

Vị trí một điểm trong hệ tọa độ được biểu diễn bằng Vecter:

Trong đó XCYCZC là trị tọa độ địa tâm của điểm P

Mối quan hệ giữa hệ tọa độ địa tâm và hệ tọa độ địa lý được biểu diễn theo các công thức sau:

1 2sin2 với a là bán trục lớn và e là độ dẹt của Elipsoid.

2.3 CÁC NGUYÊN TỐ ĐỊNH HƯỚNG CỦA ẢNH

Trang 32

2.3.2 CÁC NGUYÊN TỐ ĐỊNH HƯỚNG TRONG CỦA ẢNH

Các nguyên tố định hướng trong của ảnh đo là các yếu tố hình học xác định vị trí không gian của tâm chụp S đối với mặt phẳng ảnh nhằm phục hồi lại chùm tia chụp ảnh Chúng bao gồm:

• Tọa độ các điểm chính ảnh trong hệ tọa độ mặt phẳng ảnh: Điểm chính ảnh là giao điểm của chùm tia sáng chính với mặt phẳng ảnh, thường ký hiệu là o

◆ Đối với ảnh hàng không tọa độ của nó là x’0,y’0 (Hình 2.8a).

◆ Đối với ảnh mặt đất tọa độ của nó là x’0,z’0 (Hình 2.8b).

• Khoảng cách từ tâm chụp S (tiết diện sau của hệ thống kính vật) đến mặt phẳng ảnh được định nghĩa là tiêu cự của máy chụp ảnh, thường ký hiệu là fk

2.3.3 CÁC NGUYÊN TỐ ĐỊNH HƯỚNG NGOÀI CỦA ẢNH

Các nguyên tố định hướng ngoài của ảnh đo là các yếu tố hình học xác định vị trí của chùm tia chụp (ảnh đo) trong không gian vật

Các nguyên tố định hướng ngoài của ảnh hàng không bao gồm:

■ Tọa độ không gian của tâm chụp trong hệ tọa độ trắc địa X0, Y0, Z0.

■ Các góc định hướng của hệ tọa độ không gian ảnh trong hệ tọa độ trắc địa Chúng

có thể được xác định theo hai nhóm sau đây:

Nhóm I (Hình 2.9a) gồm:

k - góc kẹp giữa đường dọc chính vv trên mặt phẳng ảnh với trục tọa độ ảnh y’

α - góc nghiêng của ảnh, tức là góc kẹp giữa trục quang chính So của chùm tia với đường dây dọi qua tâm chụp S

t - góc kẹp giữa đường hướng chụp VV với trục tọa độ XG

Nhóm II (Hình 2.9b) gồm:

φ - góc nghiêng dọc của ảnh, tức là góc kẹp giữa hình chiếu của tia sáng chính So trên mặt tọa độ O - YZ với trục Z của hệ tọa độ không gian vật

y' o y' x' o

h Ình 2.8: Các nguyên tố định hướng trong của ảnh đo

(a) Ảnh hàng không; (b) Ảnh mặt đất

Trang 33

ϖ - Góc nghiêng ngang của ảnh, tức là góc kẹp giữa tia sáng chính So với hình chiếu của nó trên mặt O - YZ của hệ tọa độ không gian vật

k - góc xoay của ảnh, tức là góc kẹp giữa trục y’ của hệ tọa độ mặt phẳng ảnh o’ - x’y’ với đường dọc chính vv trên mặt phẳng ảnh

Các nguyên tố định hướng ngoài của ảnh mặt đất được xác định trong hình 2.10 và bao gồm:

■ Tọa độ của tâm chụp S trong hệ tọa độ trắc địa XS,YS, ZS

S α

Trang 35

Lực phân biệt của mắt là khoảng cách nhỏ nhất giữa hai vật và một mắt có thể nhìn

rõ Góc trương tương ứng của khoảng cách này biểu thị bằng δ.

Theo kết quả nghiên cứu của các nhà sinh học và y học, nếu hai điểm ảnh của vật đồng thời rơi vào một tế bào cảm thụ màu sắc hình nón thì trung tâm thần kinh thị giác không thể nhận ra sự tồn tại của hai điểm vật

Vì vậy, muốn nhìn rõ hai điểm vật thì ít nhất điểm ảnh tương ứng của chúng phải rơi vào 2 tế bào hình nón kề nhau Vì thế lực phân biệt của một mắt được biểu thị bằng góc trương của đường kính tế bào hình nón, tức là:

Trang 36

phân biệt của một mắt đối với vật dạng đường nét khoảng 20” (δ = 20”) Lực phân biệt này được định nghĩa là lực phân biệt loại II

3.1.2 KHẢ NĂNG NHÌN CỦA HAI MẮT

Khi nhìn vật thể bằng 2 mắt, ta có thể

nhận biết một cách rõ ràng không gian

3 chiều của vật thể đó Khả năng này đã

trở thành bản năng của đôi mắt người

Vậy cơ sở của bản năng này là gì?, ta hãy

quan sát thí nghiệm đơn giản sau đây

thời thủy tinh thể của mắt cũng tự động

điều tiết và thu nhận hình ảnh của A trên

võng mạc của mắt trái a1 và trên võng mạc của mắt phải là a2

Nếu bên cạnh điểm A có một điểm vật P nằm trong trường nhìn của mắt, thì cũng tương tự như trên, trục nhìn của mắt cũng sẽ tự điều chỉnh và giao nhau ở P Hình ảnh của điểm P sẽ được ghi nhận trên võng mạc của mắt trái là P1 và mắt phải là P2 (Hình 3.1)

Dễ dàng nhận thấy: Các góc giao hội γa và γp không bằng nhau ( γa≠γp)

Vì khoảng cách Ya và Yp khác nhau, tức là: ứng với mỗi khoảng cách nhìn khác nhau

sẽ có một góc giao hội γ khác nhau Sự khác nhau giữa các góc giao hội của các điểm vật

là cơ sở đoán nhận tính không gian của vật thể của hai mắt Vì vậy trị:

được định nghĩa là lực nhìn không gian của hai mắt

Trên thực tế khả năng nhìn không gian của hai mắt không trực tiếp dựa vào sự khác biệt giữa các góc giao hội mà dựa vào sự khác biệt của hình ảnh thu được trên võng mạc của mắt trái và mắt phải, tức là:

Đại lượng này được định nghĩa là thị sai sinh lý của hai mắt

Từ hình 3.1 ta có thể chứng minh quan hệ sau đây giữa thị sai sinh lý và lực nhìn không gian ∆γ của mắt:

∆ =γ σ

h Ình 3.1: Khả năng nhìn không gian của 2 mắt

Trang 37

29Chương 3 NGUYÊN LÝ NHÌN LẬP THỂ VÀ ĐO ẢNH LẬP THỂ

trong đó f’ là tiêu cự chính của mắt

Từ đó có thể thấy: Lực nhìn không gian của mắt phụ thuộc vào khả năng tiếp nhận thị sai sinh lý của mắt

Kết quả nghiên cứu cho thấy: Thị sai sinh lý nhỏ nhất cho phép đoán nhận được tính không gian (gần xa) của vật thể đối với dạng điểm thông thường là:

σmin = 2,3μ

và đối với vật thể dạng đường thẳng đứng là:

σmin = 1,0μĐồng thời thị sai sinh lý lớn nhất có khả năng tạo nên cảm giác không gian khi nhìn vật thể cũng không được lớn hơn đường kính ổ võng mạc của mắt, tức là:

σmin ≤ 0,4mm

Tương ứng với các giá trị σmin và σmax từ công thức (3.4) ta có:

∆γmin = 30” hoặc 12”

và ∆γmax = 10 5Với các trị về lực nhìn không gian của mắt người được đưa ra trên đây, ta có thể xác định các số liệu về khả năng nhìn không gian của mắt như dưới đây

Khả năng nhìn không gian lớn nhất của mắt

Từ hình 3.1 ta rút ra được quan hệ sau đây giữa khoảng cách nhìn Y và góc giao hội γ:

Y b P = ’

Trong đó b’ là cạnh đáy mắt và lấy b’tb = 65mm

Từ công thức (3.5) thấy rõ: Khoảng cách nhìn càng xa thì góc giao hội càng nhỏ Góc giao hội nhỏ nhất để mắt còn có thể đoán nhận ra một điểm trong không gian nhìn được coi là giới hạn của góc giao hội γmin và được lấy bằng lực nhìn không gian nhỏ nhất của hai mắt, tức là: γmin = ∆γmin = 30”

Thay trị trên vào công thức (3.5) sẽ có:

nó Vì vậy khoảng cách γmax = 450m được gọi là bán kính nhìn không gian của mắt

Khả năng phân biệt gần xa của mắt

Từ công thức (3.5) ta có:

Trang 38

Từ đó có thể xác định được khoảng cách không gian nhỏ nhất trên hướng Y mà mắt

có thể phân biệt được khi thay vào công thức (3.7) tức là:

Nếu ta cất hoặc che vật thể đi, nhưng hai mắt vẫn nhìn hình ảnh của vật thể trên hai tấm kính trái và phải với điều kiện mắt trái chỉ nhìn trên tấm kính trái và mắt phải chỉ nhìn trên tấm kính phải Lúc đó trên võng mạc của hai mắt vẫn hình thành hình ảnh của vật thể như khi quan sát trực tiếp vật thể, tức là trên võng mạc mắt trái sẽ xuất hiện hình ảnh a1 và b1 và trên võng mạc mắt phải sẽ xuất hiện hình ảnh a2 và b2 Các hình ảnh này sẽ tạo ra thị sai sinh lý như khi nhìn vật thể thực, tức là:

σ = a1b1 − a2b2

Bảng 3.1: Khả năng nhìn không gian của mắt (tương ứng với ∆γmin và b’ = 65mm)

Trang 39

31Chương 3 NGUYÊN LÝ NHÌN LẬP THỂ VÀ ĐO ẢNH LẬP THỂ

Hiện tượng trên được gọi là cảm giác lập thể nhân tạo Nó là cơ sở của phương pháp

đo ảnh lập thể trong trắc địa ảnh

Cặp ảnh P1 và P2 thu được từ điểm nhìn của hai mắt khác nhau đối với một vật thể, tương đương với việc chụp ảnh từ hai tâm chụp khác nhau, được gọi là cặp ảnh lập thể.Ảnh của một điểm vật, như điểm A hoặc điểm B, trên hai ảnh của cặp ảnh lập thể được gọi là cặp ảnh cùng tên, như các cặp ảnh a1 và a2 hoặc b1 và b2

Các tia của một điểm vật đến tâm nhìn của hai mắt hoặc tâm chụp của hai ảnh được gọi là tia ngắm hoặc tia chiếu cùng tên, như các tia AO1 và AO2 hoặc BO1 và BO2

Từ thí nghiệm trên có thể thấy: Cảm giác lập thể nhân tạo được hình thành là do sự xuất hiện thị sai sinh lý nhân tạo của các điểm ảnh cùng tên trên cặp ảnh lập thể

Từ hình 3.2 có thể xác lập mối quan hệ giữa thị sai sinh lý nhân tạo với tọa độ của điểm ảnh cùng tên trên cặp ảnh lập thể như sau:

σ = a’1b’1 − a’2b’2 = k(a1b1 − a2b2) (3.9)Trong đó: k là hệ số tỷ lệ.

a1b1 và a2b2 là các vecter điểm ảnh trên ảnh trái và ảnh phải.

Các vecter a1b1 và a2b2 trên ảnh trái và ảnh phải có thể được biểu thị bằng số chênh tọa độ x và z của hai điểm ảnh, tức là:

(a1b1 − a2b2)x = (xb1 − xa1) - (xa2 − xb2) = (xb1 − xb2) - (xa1 − xa2)

(a1b1 − a2b2)z = (zb1 − za1) - (za2 − zb2) = (zb1 − zb2) - (za1 − za2) (3.10)Đối với cặp ảnh ở vị trí nằm ngang, tức là ảnh hàng không lý tưởng, thì có:

h Ình 3.2: Sự hình thành cặp ảnh lập thể và cảm giác lập thể nhân tạo

Trang 40

(a1b1 − a2b2)x = (xb1 − xa1) - (xa2 − xb2) = (xb1 − xb2) - (xa1 − xa2)

(a1b1 − a2b2)y = (yb1 − ya1) - (ya2 − yb2) = (yb1 − yb2) - (ya1 − ya2) (3.11)Trong đo ảnh, các trị chênh tọa độ của điểm ảnh trên trục hoành (xa1-xa2)

Và (xm1-xm2) được định nghĩa là thị sai ngang của điểm ảnh và ký hiệu là:

• Khi quan sát, mỗi mắt chỉ nhìn thấy một ảnh tương ứng trong cặp ảnh lập thể;

• Cặp ảnh lập thể phải đặt ở vị trí thích hợp sao cho các tia ngắm cùng tên phải giao nhau trong không gian, tức là:

◆ Các tia ngắm cùng tên nằm trong mặt phẳng chứa đường đáy mắt

◆ Khoảng cách của hai ảnh phải phù hợp sao cho khoảng cách giữa các điểm ảnh cùng tên phải nhỏ hơn cạnh đáy mắt

◆ Khoảng cách nhìn từ mắt đến cặp ảnh lập thể tương ứng với khoảng cách từ tâm chụp đến mặt phẳng ảnh

Tuy nhiên sự phá vỡ các điều kiện b và c trên đây không làm mất cảm giác lập thể nhân tạo, mà chỉ phá vỡ tính đồng dạng giữa cảm giác lập thể với hình dạng tự nhiên của vật thể mà thôi

Định dạng
Số trang	128
Dung lượng	3,79 MB

Giáo trình trắc địa ảnh và viễn thám

CƠ SỞ CỦA VIỄN THÁM

CÁC VỆ TINH NGHIÊN CỨU BIỂN