Nghiên cứu khả năng thành lập bản đồ địa hình tỉ lệ 1 2000 bằng công nghệ ảnh số

Trong đó tập trung giải quyết những nội dung chính sau đây : - Khảo sát các nguồn sai số trong thành lập bản đồ địa hình bằng công nghệ ảnh số.. Bảng 5-9 : ước tính độ chính xác của quy

LỜI CẢM ƠN

Để luận văn hoàn thành tốt đẹp, tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy hướng dẫn Tiến sỹ Lê Văn Trung trong quá trình định hướng đề cương nghiên cứu cũng như quá trình thực hiện luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể thầy cô giáo bộ môn Địa tin học - Khoa Xây dựng trường đại học Bách khoa TP.HCM đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi học tập nghiên cứu trong thời gian qua

Tôi xin chân thành cảm ơn GS.TSKH Phan Văn Lộc , là người cha và người thầy , đang giảng dạy tại khoa Trắc địa - trường đại hoc Mỏ địa chất, đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình học tập nghiên cứu, đặc biệt là những kiến thức về đo ảnh

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám đốc xí nghiệp Chụp ảnh hàng không - công

ty Trắc địa bản đồ - BQP, ban điều hành dự án khảo sát đo đạc bản đồ khu vực các mỏ bauxit tỉnh Đắc Nông, đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu thu thập dữ liệu ảnh và trắc địa địa hình , góp phần quan trọng trong việc hoàn thành luận văn thạc sỹ kỹ thuật của tôi

Tôi xin cảm ơn gia đình, đồng nghiệp , bạn bè đã động viên tôi trong việc thực hiện luận văn

Xin chân thành cảm ơn !

TP.HCM, tháng 11 năm 2007

Phan Văn Lâm

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ

Những năm gần đây ở Việt Nam , bản đồ tỷ lệ lớn đã trở thành một nhu cầu cần thiết cho sự phát triển đất nước, cần thiết cho quy hoạch xây dựng, quản lý đất đai, khai khoáng , phát triển hệ thống thông tin địa lý, cải tạo môi trường

Sản xuất bản đồ tỷ lệ lớn bằng cách đo đạc tiếp cận trực tiếp ngoài thực địa sẽ tốn nhiều kinh phí và thời gian , không thể đo đạc được ở những khu vực hiểm trở, khó khăn , như hải đảo, vùng cao nguyên, núi cao

Sử dụng ảnh số trở nên phổ biến ở một số ngành Công nghệ đo ảnh số dang phát triển mạnh , đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về thời gian và chất lượng của thị trường Bằng công nghệ đo ảnh số người ta có thể thành lập, cập nhật, hiện chỉnh bản đồ tỷ lệ nhỏ, trung bình và tỷ lệ lớn

Mặc dù công nghệ đo ảnh số tiêùt kiệm được nhiều chi phí, công sức và ngày càng thể hiện rõ tính hiệu quả , chất lượng cho thành lập bản đồ địa hình Tuy nhiên chưa được quan tâm , nghiên cứu và đánh giá hết khả năng của công nghệ Đặc biệt là trong đo vẽ bản đồ tỷ lệ lớn

Trong luận văn này, tác giả đi sâu nghiên cứu khả năng thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ 1/2000 bằng công nghệ ảnh số Trong đó tập trung giải quyết những nội dung chính sau đây :

- Khảo sát các nguồn sai số trong thành lập bản đồ địa hình bằng công nghệ ảnh số

- Đề xuất các giải pháp nâng cao độ chính xác của việc lập mô hình số độ cao

- Áp dụng thực nghiệm cho việc thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ 1/2000 khu vực tỉnh Đắc Nông

- Đánh giá độ chính xác đạt được

Nowadays in Viet Nam, large-scale topographic maps become very necessary to the development of our country, which is needed for state management, scheming for building country, land management, mine exploitation, GIS development, to improve the environment

Create large-scale maps by surveying and enter in contact directly with the object will costs a lot of money and time It can't be measured in an abrupt terrain and it is very difficult in island, high land and mountain area Using digital image become popular in many industries

Digital photogrammetric method has been strongly developed It brings high effectiveness in terms of quality and time in revision, updating and new establishment

of various maps including topographic maps The method shows a high automatic level

in orientation a plotting of stereo pairs, but it hasn't been a full research about technical ability of the method

In this research, I would consider to estimate precise of the method and ability of create 1/2000 scale topography map (the large scale) by using digital photogrammetric system The main piority are :

- Studying every error of create 1/2000 scale topography map (the large scale)

by using digital photogrammetric

- Any solution to raise the DTM and DEM accuracy , that crieate by using digital photogrammetric system

- Reality applying by create 1/2000 scale topography map in Dak Nong province

- Assessing the reality applying solution accuracy

MỤC LỤC

I.2.2 Biên tập từ bản đồ địa hình có tỷ lệ lớn hơn mới hoàn thành 21

CHƯƠNG II QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ THÀNH LẬP BẢN ĐỒ ĐỊA

HÌNH BẰNG ẢNH HÀNG KHÔNG KỸ THUẬT SỐ.

23

II.2 HỆ THỐNG ĐO VẼ ẢNH SỐ VÀ CẤU TRÚC TRẠM ẢNH SỐ 24 II.2.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống xử lý ảnh số 24 II.2.2 Giới thiệu một số trang thiết bị cho công nghệ ảnh số hiện có tại VN 24

II.2.4 Giới thiệu tính năng của một số hệ thống trạm đo vẽ ảnh số 26

CHƯƠNG III CÁC NGUỒN SAI SỐ TRONG CÔNG NGHỆ ĐO VẼ BẢN

ĐỒ ĐỊA HÌNH BẰNG KHÔNG ẢNH SỐ

30

III.1.2 Sai số do chiết quang khí quyển khi bay chụp ảnh 31

III.1.4 Sai số do biến dạng hình học của phim ảnh 37

III.2.2 Sai số số liệu gốc 40

CHƯƠNG IV KHẢO SÁT CÁC NGUỒN SAI SỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN LẬP

IV.2 CÁC NGUỒN DỮ LIỆU ĐỂ XÂY DỰNG MÔ HÌNH SỐ ĐỘ CAO 43

IV.4 QUY TRÌNH XÂY DỰNG MÔ HÌNH SỐ ĐỘ CAO BẰNG ẢNH SỐ 44

IV.4.2 Công tác chuẩn bị sau khi có ảnh chụp 45

IV.4.7 Đo vẽ các đặc trưng địa hình trên mô hình lập thể và các điểm độ

IV.4.8 Kiểm tra, chỉnh sửa kết quả đo vẽ lập thể 55

IV.5 KHẢO SÁT CÁC NGUỒN SAI SỐ VÀ CÁC BIỆN PHÁP NÂNG CAO

ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA MHSĐC

56

IV.5.1 Yêu cầu độ chính xác đối với DEM ( Phục vụ nắn ảnh trực giao ) và

DTM ( Phục vụ nội suy đường bình độ ) 56

IV.5.3 Các nguồn sai số ảnh hưởng tới độ chính xác của MHSĐC được

thành lập bằng công nghệ ảnh số và phương pháp hạn chế các

nguồn sai số đó

60

IV.5.3.4.Ảnh hưởng của màn hình máy tính dùng để đo vẽ ảnh số 69

IV.5.3 5 Ảnh hưởng của độ phân giải quét phim và việc nén ảnh JPEG 70

IV.5.3.6 Ảnh hưởng của các nguồn sai số trong quá trình tăng dày khống

IV.5.3.7 Ảnh hưởng sai số đo vẽ lập thể các yếu tố đặc trưng địa hình và

IV.5.3.8 Ảnh hưởng của phương pháp xây dựng và lưu trữ tệp tin MHSĐC 88

V.2.2 Đánh dấu điểm khống chế ảnh trước khi bay chụp ảnh 93

V.2.5 Thu số liệu và tính toán xác định tọa độ tâm ảnh 98

V.2.8 Mở và hiển thị mô hình bằng modul ISSD 101 V.2.9 Đo vẽ mô tả lại các yếu tố đặc trưng địa hình 102 V.2.10 Tạo DEM tự động, lập bình đồ ảnh trực giao 1/2000 102 V.2.11 Đoán đọc ảnh nội nghiệp sơ bộ lần 1 104

V.2.13 Điều vẽ nội nghiệp kết hợp số hoá biên tập bản đồ 106

V.2.14.1 Lập đường bình độ bằng nội suy từ mô hình số địa hình DTM 106

V.2.14.2 Đo vẽ trực tiếp đường bình độ từ mô hình lập thể và nội suy

V.2.14.3 So sánh độ chính xác của 2 phương pháp đo vẽ mô tả địa hình 108

V.3 ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA QUÁ TRÌNH THỰC NGHIỆM 108

V.3.2 Đánh giá việc bay chụp ảnh chụp dựa trên công thức Gruber 110 V.3.3 Về công tác định hướng trong của ảnh trên trạm 110 V.3.4 Về công tác định hướng ngoài của ảnh trên trạm 110 V.3.5 Kết quả tính tăng dày và độ chính xác định hướng tuyệt đối mô hình 110 V.3.6 Đánh giá kết quả của phương pháp đo vẽ chi tiết trên mô hình lập

thể, đánh giá độ chính xác của bản đồ 1/2000

112

V.3.6.a Phương pháp đánh giá đo kiểm tra trực tiếp ngoài thực địa 112 V.3.6.b Phương pháp đánh giá bằng công thức ước tính độ chính xác 116

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CCD : Charged Coupled Device

ISSD : ImageStation Stereo Display

ISPM : Image station Photogrammetric Manager

ISDO : Image station Digital Orientation

ISFC : Image station Feature Collection

ISDC : Image station Digital Terrain Modeling Collection

ISMT : Image station Match - AT

Iplot : Imformation Plot

MGE : Modular Gis Enviroment

DEM : Digital Elervation Model

DTM : Digital Terrain Model

GIS : Geographical Imformation System

GPS : Global Positioning System

VN 2000 : Việt Nam 2000

WGS 84 : World Geodetic System 1984

BĐ ĐH : Bản đồ địa hình

MHSĐC : Mô hình số độ cao.

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1-1 : Kích thước khung trong của tờ bản đồ địa hình

Bảng 2-1 : Thống kê thiết bị công nghệ ảnh số hiện có tại Việt Nam

Bảng 3-1 : Bảng xác định độ sai lệch điểm ảnh do méo hình kính vật gây nên

Bảng 4-1 : Yêu cầu độ chính xác của DTM và của DEM :

Bảng 4-2 : Mối quan hệ giữa tỷ lệ chụp ảnh và tỷ lệ bản đồ

Bảng 4-3 : Một số máy quét chuyên dụng trong đo vẽ ảnh số:

Bảng 4.4 : Kích thước tệp tin ảnh (đã tạo đủ 6 bậc cấu trúc hình tháp của ảnh)

với các độ phân giải và hệ số nén JPEG khác nhau

Bảng 4-5 : Sai số đo độ cao H trong đo vẽ ảnh so á( 0/00 H)

Bảng 4.6 : Ảnh hưởng của tiêu cự máy chụp ảnh đến sai số tương đối

đo độ cao trên mô hình lập thể

Bảng 5-1 : Số lượng ảnh đã chụp 1979 tấm 51 tuyến bay

Bảng 5-2 : Tổng số điểm khống chế ảnh tổng hợp gồm 79 điểm có số hiệu sau:

Bảng 5-3 : Tổng số điểm kiểm tra gồm 64 điểm có số hiệu sau:

Bảng 5 - 4 : Trong khu vực thực nghiệm chọn các ảnh, mô hình như sau :

Bảng 5-5 : Bảng thống kê độ chính xác khớp ảnh tự động tính cho ảnh tỷ lệ 1/12000Bảng 5- 6 : Chất lượng phim gốc được đo trên máy kiểm tra IO , đảm bảo các chỉ

tiêu sau:

Bảng 5-7 : Bảng hạn sai của mặt phăûng và độ cao của điểm khống chế ảnh ngoại

nghiệp tính cho bản đồ tỷ lệ 1/2000:

Bảng 5.8 : Kết quả đo kiểm tra tại thực địa và trên mô hình

Bảng 5-9 : ước tính độ chính xác của quy trình thành lập bản đồ địa hình bằng

ảnh hàng không kỹ thuật số tại khu vực thực nghiệm Đắc Nông

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, HÌNH ẢNH

Hình 2-1 : Sơ đồ cấu trúc hệ thống xử lý ảnh số

Hình 2-2: Sơ đồ cấu trúc trạm ảnh số

Hình 3-1 : Ảnh hưởng độ cong trái đất đến vị trí điểm ảnh

Hình 3-2 : Ảnh hưởng chiết quang khí quyển đến vị trí điểm ảnh

Hình 3-3 : Ảnh hưởng biến dạng thấu kính chụp ảnh

Hình 3-4 : Sai số xuyên tâm vị trí điểm ảnh do méo hình kính vật

Hình 3.5 : Quan hệ giữa bán kính hướng tâm r với góc mở của trục quang 

Hình 3-6 : Sai số đo vẽ các đối tượng trên ảnh

Hình 4-1 : Sơ đồ quy trình thành lập MHSĐC bằng công nghệ đo ảnh số

Hình 4-2 : Sơ đồ phân bố các điểm định hướng tương đối trên mỗi tấm ảnh

Hình 4-3 : Sai số trung phương độ cao thành lập trên ảnh nén với 4 độ phân giải khác nhau so sánh với MHSĐC thành lập trên ảnh quét 15 m

Hình 4- 4: Sai số tương đối về độ cao, độ phân giải phim gốc, độ phân giải quét phim trong đo vẽ ảnh số

Hình 5-1 Sơ đồ quy trình thực nghiệm

Hình 5-2 Thiết kế đánh dầu điểm khống chế ảnh ngoại nghiệp

Hình 5-3 Điểm toạ độ hoặc độ cao Nhà nước: Dùng sơn trắng phủ lên mặt tường

vây của mốc như hình vẽ

Hình 5-4 : quá trình khớp ảnh tự động theo độ cao

Hình PL-1 : Máy bay chụp ảnh hàng không King Air - B 200

Hình PL-2 : Máy chụp ảnh RC30-Thuỵ sỹ , tiêu cự 152mm

Hình PL-3 : Máy quét phim Geosystem Delta ( Ukraina) - ĐPG 8m

Hình PL-4 : Máy tráng phim màu và đen trắng Colenta - Đức

Hình PL-5 : Trạm đo vẽ ảnh số

Hình PL-6 Bản đồ tỷ lệ 1/100.000 khu vực thực nghiệm , sản xuất đo vẽ bản đồ điạ

hình tỷ lệ 1/2000 các mỏ bau xit Đắc Nông bằng công nghệ ảnh hàng không kỹ thuật số

Hình PL-7 : Sơ dồ thiết kế tuyến bay chụp ảnh các mỏ baxit - Đăk Nông

Hình PL-8 : vị trí đo là 8 dấu mốc góc khung ép phẳng của mỗi tờ ảnh

Hình PL-9 : Bình đồ ảnh số được phủ lớp đường bình độ phục vụ điều vẽ ngoại nghiệp

Hình PL- 10 : Vị trí mặt cắt kiểm tra mảnh bản đồ D-48-96-( 243-C )

Hình PL- 11 : Vị trí mặt cắt kiểm tra mảnh bản đồ D-48-96-( 243-F )

Hình PL- 12 : Vị trí mặt cắt kiểm tra mảnh bản đồ D-48-96-(244-E)

Hình PL-13 : Vị trí mặt cắt kiểm tra mảnh bản đồ D-48-96-(244-F)

Hình PL-14 : Quan sát mặt cắt số 1 trên bình đồ ảnh trực giao

Hình PL-15 : Quan sát mặt cắt số 6 trên bình đồ ảnh trực giao

PHẦN MỞ ĐẦU

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI :

Trong quá trình xây dựng và phát triển đất nước, nhu cầu thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn ở Việt Nam đã trở thành nhu cầu cấp thiết , nó phục vụ cho việc:

- Quy hoạch chi tiết, xây dựng phát triển cơ sở hạ tầng các vùng dân cư, thị trấn, thành phố vùng cao nguyên , hải đảo

- Quy hoạch khảo sát thiết kế, khai thác các loại tài nguyên khoáng sản

- Quản lý, bảo vệ môi trường, phát triển du lịch, phát triển các vùng kinh tế mới

- Xây dựng cơ sở dữ liệu cho hệ thống thông tin địa lý

Với nhu cầu nêu trên, nếu đo đạc bằng phương pháp toàn đạc trực tiếp ngoài thực địa sẽ gặp nhiều khó khăn về điều kiện thông hướng, điều kiện thời tiết , khó khăn về địa hình hiểm trở như vực sâu, vách núi cao, khe suối, những đường mép nước ven sông, ven bờ biển, hải đảo sẽ không thể tiếp cận để đo đạc bằng phương pháp toàn đạc Tóm lại sử dụng phương pháp đo đạc trực tiếp ngoài thực địa đối với khu vực nêu trên tốn kém về thời gian , hiệu quả kinh tế thấp, ngoài ra số liệu thu được sẽ không mang tính tổng thể thống nhất Trái lại phương pháp đo vẽ ảnh hàng không theo công nghệ ảnh số sẽ giảm tối đa những nhược điểm của phương pháp đo đạc trực tiếp ngoài thực địa nêu trên; Có năng xuất và hiệu quả kinh tế cao, đưa ra được sản phẩm đa dạng vớimức độ tự động hóa cao và điều kiện lao động thuận lợi nhất

2 MỤC ĐÍCH CỦA LUẬN VĂN :

Nghiên cứu khả năng thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ 1/2000 bằng công nghệ ảnh số Trong đó đi sâu khảo sát độ chính xác thành lập mô hình số độ cao

Từ trước đến nay, việc thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn đặc biệt là ở vùng đồi núi, hải đảo chủ yếu được đo vẽ bằng phương pháp toàn đạc trực tiếp ngoài thực địa và chỉ đo vẽ những khu vực nhỏ bé Đối với vùng rộng lớn chọn công nghệ đo ảnh hàng không kỹ thuật số là phù hợp nhất Tuy nhiên lập bản đồ tỷ lệ lớn bằng công nghệ ảnh kỹ thuật số có những đặc thù riêng, nên cần phải khảo sát, nghiên cứu khả năng đảm

bảo độ chính xác của từng công đoạn như chụp ảnh, dẫn đường bay, xác định toạ độ tâm ảnh, tăng dày khống chế ảnh, công tác điều vẽ ảnh, đo ảnh trong đó xây dựng mô hình số độ cao đóng vai trò quan trọng và ảnh hưởng lớn nhất đến độ chính xác của đo vẽ địa hình tỷ lệ lớn Luận văn khảo sát các nguồn sai số nêu trên, đi sâu khảo sát sai số xây dựng mô hình số độ cao.

3.TÀI LIỆU VÀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU :

Các giáo trình Trắc địa ảnh, xử lý ảnh số, các công trình nghiên cứu khoa học và tài liệu có liên quan đến công nghệ ảnh số

Ảnh hàng không kỹ thuật số , số liệu trắc địa khu vực tỉnh Đắc Nông

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU :

+ Nghiên cứu hệ thống lý thuyết của phương pháp đo ảnh , của quy trình công nghệ sử dụng ảnh hàng không kỹ thuật số trong thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn

+ Kế thừa các thành quả nghiên cứu của các nhà khoa học trong và ngoài nước về công nghệ đo vẽ ảnh số

+ Đi sâu nghiên cứu tổng quan phương pháp xây dựng mô hình số độ cao và đặc thù việc xây dựng mô hình số độ cao trong công nghệ ảnh số phục vụ lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn

+ Khả năng đảm bảo độ chính xác dựa trên cơ sở các trang thiết bị hiện có tại cơ sở sản xuất trong nước thông qua thực nghiệm

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI :

+ Dựa trên cơ sở các trang thiết bị hiện có tại cơ sở sản xuất trong nước Qua khảo sát, tiến hành thực nhiệm và rút ra khả năng đảm bảo độ chính xác của công nghệ ảnh số phục vụ lập bản đồ địa hình tỷ lệ 1/2000

6 CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN :

Chương I : Bản đồ địa hình và các phương pháp thành lập

Chương II : Quy trình thành lập bản đồ địa hình bằng công nghệ ảnh số

Chương III : Các nguồn sai số trong công nghệ thành lập bản đồ địa hình bằng ảnh số

Chương IV : Khảo sát các nguồn sai số ảnh hưởng đến lập mô hình số độ cao bằng công nghệ ảnh số

Chương V : Quá trình thực nghiệm

Chương VI : Kết luận và đề xuất hướng phát triển

CHƯƠNG I BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP THÀNH LẬP

I.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH :

Bản đồ địa hình là loại bản đồ địa lý nói chung, có tỷ lệ lớn hơn hoặc bằng 1/100.000, là hình ảnh thu nhỏ của bề mặt trái đất thông qua phép chiếu toán học nhất định, có tổng quát hóa theo hệ thống ký hiệu, các mối quan hệ tương quan giữa các yếu tố địa lý tự nhiên với các yếu tố kinh tế xã hội theo độ chính xác và mức độ chi tiết tương đối nhất định Phần lớn vẫn giữ được hình dạng, kích thước theo tỷ lệ bản đồ, đồng thời giữ được tính chính xác hình học của ký hiệu và yếu tố nội dung

Trên bản đồ địa hình không đưa lên tất cả các hình ảnh có trên bề mặt trái đất mà chỉ chứa đựng một lượng thông tin cần thiết liên quan đến thời gian, không gian và mục đích sử dụng của chúng Tính không gian chính là xác định giới hạn khu vực tiến hành đo vẽ Mục đích sử dụng có ảnh hưởng tới việc lựa chọn tỷ lệ bản đồ Thời gian là tại thời điểm đo vẽ bản đồ

Để bản đồ địa hình thể hiện hết được 3 đặc tính nêu trên , nó phải tuân theo 3 tính chất cơ bản là cơ sở toán học của bản đồ, hệ thống ký hiệu quy ước và tổng quát hóa bản đồ

- Cơ sở toán học của bản đồ là phương pháp toán học đảm bảo các nguyên tắc và quy luật chuyển từ bề mặt tự nhiên của trái đất lên mặt phẳng bản đồ Nó tuân thủ theo những trình tự sau : Chuyển từ bề mặt tự nhiên của trái đất lên bề mặt Elipsoit , sau đó chuyển từ mặt Elipsoit với kích thước thu nhỏ theo tỷ lệ nhất định lên mặt phẳng trong một phép chiếu đã chọn nào đó Tỷ số thu nhỏ của kích thước Elipsoit để biểu thị trên bản đồ được gọi là tỷ lệ bản đồ Phép chiếu chính là quy luật của sự biểu thị bề mặt Elipsoit trái đất lên mặt phẳng được biểu hiện bằng hàm số chuyển đổi giữa tọa độ của điểm tương ứng trên mặt Elipsoit lên mặt bản đồ Như vậy trong cơ sở toán học của bản đồ bao gồm cơ sở trắc địa, tỷ lệ và phép chiếu Ngoài ra bó cục bản đồ, khung bản đồ, sự phân mảnh và đánh số các mảnh bản đồ cũng phụ thuộc vào các yếu tố cơ sở

- Hệ thống ký hiệu quy ước của bản đồ là phương tiện đặc biệt để phản ánh nội dung bản đồ ( còn gọi là ngôn ngữ bản đồ ) Phương tiện chủ yếu là các yếu tố đồ họa và màu sắc, đồng thời có xét thêm khía cạnh tâm lý học và thẩm mỹ học để tạo nên hệ thống ký hiệu bản đồ Trong hệ thống ký hiệu bản đồ sử dụng rộng rãi các dạng đồ họa, các chữ cái, con số, màu sắc và từ ngữ.

- Tổng quát hóa bản đồ là quá trình lựa chọn và khái quát các đối tượng cần thể hiện lên bản đồ Mục đích của tổng quát hóa là nhằm phản ánh đúng bản chất của đối tượng và đáp ứng tối ưu những yêu cầu đặt ra

Ngoài 3 tính chất cơ bản nêu trên thì bản thân bản đồ địa hình nói riêng, bản đồ nói chung như là một mô hình Nó còn có những đặc tính của các loại mô hình khác như là tính chọn lọc, tính trừu tượng, tính đơn trị, tính trực quan, tính đo được Vì vậy mà trong thời đại công nghệ số phát triển như ngày nay bản đồ càng được sử dụng dộng rãi.I.1.1 Cơ sở toán học của bản đồ địa hình

Cơ sở toán học của bản đồ địa hình bao gồm các yếu tố cụ thể : Tỷ lệ, hệ thống tọa độ trắc địa, phép chiếu, nguyên tắc chia mảnh đánh số bản đồ

I.1.1.1 Tỷ lệ bản đồ

Tỷ lệ bản đồ xấc định mức độ thu nhỏ của bề mặt trái đất lên mặt bản đồ, tỷ lệ là tỷ số chiều dài một đọan thẳng trên bản đồ và chiều dài thực của nó ngoài thực địa

Có 3 phương pháp thể hiện :

Tỷ lệ số : thể hiện bằng một phân số mà tử số bằng 1 , còn mẫu số cho thấy mức độ thu nhỏ của bề mặt đất ví dụ tỷ lệ 1/1000; 1/2000

Tỷ lệ chữ : nêu rõ một đơn vị chiều dài trên bản đồ tương ứng với khoảng cách là bao nhiêu ở ngoài thực địa, tỷ lệ này thường được ghi chú ở ngoài khung bản đồ , ví dụ " 1cm trên bản đồ tương ứng với 1km ngoài thực địa "

Thước tỷ lệ : là hình vẽ có thể dùng nó để đo trên bản đồ , thước tỷ lệ có thể là thẳng hay xiên , thước xiên cho phép đo với độ chính xác cao hơn

Trên bản đồ thường thể hiện cả 3 loại tỷ lệ nêu trên

I.1.1.2 Phép chiếu :

Khi dùng các quy luật khác nhau để chiếu bề mặt trái đất lên mặt phẳng, các phép chiếu khác nhau được phân biệt bởi lưới bản đồ và mức độ sai số của các yếu tố trên lưới chiếu.

Theo tính chất biểu diễn, đặc điểm sai số, phép chiếu có 3 loại :

* Phép chiếu đồng góc

* Phép chiếu bảo toàn diện tích

* Phép chiếu đồng khoảng cách

Theo hình dáng của lưới chiếu tức theo dạng kinh tuyến và vĩ tuyến của lưới chuẩn ta có phép chiếu sau :

+ Lưới chiếu phương vị

Coi bề mặt trái đất là mặt cầu bán kính R Trong đó lưới chiếu phương vị thẳng , các kinh tuyến được được biểu diễn thành những đường thẳng đồng quy tại một điểm

Vĩ tuyến được biểu diễn là các vòng tròn đồng tâm bán kính Pi, tâm là điểm đồng quy của kinh tuyến Lưới chiếu phương vị được thể hiện trên 2 hệ tọa độ : hệ tọa độ cực và hệ tọa độ vuông góc

Lưới chiếu phương vị thẳng thường để thành lập các bản đồ cho các vùng nằm ở hai cực , đối với một số vùng lãnh thổ tương đối tròn, nếu không nằm ở vùng cực người

ta cố thể sử dụng lưới chiếu phương vị ngang, phụ thuộc và vị trí của lãnh thổ nằm ở vị trí nào

Ngoài ra có lưới chiếu phương vị đồng góc, được dùng để làm các bản đồ thiên văn hoặc một số bản đồ tỷ lệ nhỏ cho vùng lãnh thổ có dạng hình tròn, P=1

Lưới chiếu phương vị đồng khoảng cách theo kinh tuyến , để thành lập các loại bản đồ địa lý tỷ lệ nhỏ, bản đồ hàng không và bản đồ địa chất Lưới chiếu phương vị phối cảnh : ứng dụng để thành lập bản đồ địa lý tỷ lệ nhỏ và bản đồ hành tinh khác

+ Lưới chiếu hình nón :

Là lưới chiếu trên đó các kinh tuyến là đường thẳng giao nhau tại một điểm dưới các góc tỷ lệ thuận với hiệu số kinh độ tương ứng Các vĩ tuyến là những cung

tròn đồng tâm , tâm của chúng là giao điểm của các đường kinh tuyến

Lưới chiếu hình nón gồm lưới chiếu hình đồng góc , lưới chiếu hình đồng diện tích và lưới chiếu hình đồng khoảng cách theo kinh tuyến Các loại lưới chiếu hình nón được sử dụng để thành lập bản đồ có dạng kéo dài các đường kinh tuyến ở các vĩ độ trung bình.

+ Lưới chiếu hình trụ :

Đối với lưới chiếu hình trụ thẳng , các đường kinh tuyến là những đường thẳng song song, khoảng cách các kinh tuyến tỷ lệ thuận với hiệu số kinh độ tương ứng Các

vĩ tuyến là những đường thẳng song song vuông góc với kinh tuyến, khoảng cách các vĩ tuyến tỷ lệ thuận với khoảng cách các vĩ độ tương ứng

Có các lưới chiếu hình trụ thẳng đồng khoảng cách , đồng góc và đồng diện tích.Lưới chiếu này được dùng để lập các bản đồ biển hoặc các vùng gần xích đạo.Phép chiếu hình trụ ngang rất phù hợp với thành lập bản đồ ở những vùng có dạng kéo dài dọc theo kinh tuyến và ở vùng vĩ độ thấp

Với phép chiếu hình trụ tiếp xúc, sai số nhỏ nhất ở gần xích đạo , còn với hình trụ cắt thì sai số nhỏ nhất nằm ở gần giao tuyến giữa hình trụ và quả cầu Tùy thuộc vào đặc điểm của vùng lãnh thổ mà người ta lựa chọn phép chiếu phù hợp cho việc lập bản đồ Lưới chiếu Gauss-Kruger, UTM là lươiù chiếu hình trụ ngang đồng góc, đang được sử dụng phổ biến trên thế giới để thể hiện các loại bản đồ từ 1/500.000 và lớn hơn

I.1.1.3 Phép chiếu bản đồ ở Việt Nam :

Giai đọan từ năm 1975 - 2000 : sử dụng hệ quy chiếu HN-72 với phép chiếu Gauss -Kruger , tuy nhiên việc sử dụng hệ quy chiếu này còn nhiều hạn chế, không đảm bảo tính thống nhất trên toàn quốc

Từ năm 2000 trở đi sử dụng hệ quy chiếu quốc gia VN-2000 với phép chiếu UTM Các thông số chính của hệ tọa độ VN-2000 :

+ Sử dụng elipsoit WGS-84 toàn cầu có kích thước:

- Bán trục lớn : a = 6378137.0m

- Tốc độ quay quanh trục  = 72921125,0 10 -11 rad / s

- Hằng số trọng trường trái đất :GM = 3986005,108 m3.S2

+ Elipsoit Quốc gia là elipsoit WGS-84 được tịnh tiến về phù hợp với vị trí của lãnh thổ Việt Nam thông qua viêc sử dụng công nghệ đo lưới GPS cạnh dài kết hợp đo thủy chuẩn cấp cao phủ trùm toàn lãnh thổ và hải đảo

+ Điểm gốc tọa độ Quốc gia : được đặt tại viện Nhiên cứu địa chính, Bộ Tài nguyên và Môi trường - đường Hoàng Quốc Việt - Hà Nội

+ Hệ tọa độ VN-2000 sử dụng lưới chiếu UTM hình trụ ngang đồng góc, với các hệ số biến dạng ko = 0,9996 ( múi 6o ) và ko = 0,9999 ( múi 3o )

I.1.1.4 Cách chia mảnh

Bảng 1-1: Kích thước khung trong của tờ bản đồ địa hình :

Kích thước khung trong Kích thước khung trongTỷ lệ

bản đồ vĩ độ kinh độ

Tỷ lệbản đồ vĩ độ kinh đồ

VD : Vùng nằm ở kinh độ 1050 Đông nên sẽ thuộc múi thứ 18N ( vì 105 : 6 = 17,5 làm tròn bằng 18 ) , số hiệu của múi này sẽ là 18 + 30 = 48

Vùng vĩ độ 210 ( 21 : 4 = 5,2 làm tròn bằng 6 ) tương ứng với đai có ký hiệu thứ tự là F

Danh pháp của tờ bản đồ tỷ lệ 1/1.000.000ở vùng kinh độ 1050 , vĩ độ 210 là : 48.

F-Bản đồ 1/1.000.000 là cơ sở để tiến hành chia mảnh và đánh số cho các bản đồ ở tỷ lệ lớn hơn

Chia mảnh bản đồ 1/1.000.000 ra bốn phần , đánh số thứ tự từ trái qua phải , từ trên xuông dưới bằng các chữ cái A, B, C, D ta được mảnh bản đồ tỷ lệ 1/500.000 Danh pháp là F-48-( A,B,C,D) Chia mảnh bản đồ 1/500.000 là 9 phần và đánh số I, II IX được bản đồ tỷ lệ 1/200.000 Danh pháp là F-48-( A,B,C,D) - ( I đến IX )

Chia mảnh bản đồ 1/1.000.000 ra 96 mảnh, đánh số từ 1,2,3 96 được mảnh bản đồ tỷ lệ 1/100.000 Danh pháp là F-48-(1 đến 96 )

Chia mảnh bản đồ tỷ lệ 1/100.000 ra 4 mảnh, đánh số A,B,C,D được phân mảnh bản đồ tỷ lệ 1/50.000 Danh pháp là F-48-(1 đến 96 ) - ( A,B,C,D )

Chia mảnh bản đồ tỷ lệ 1/50.000 ra 4 mảnh, đánh số a,b,c,d được phân mảnh bản đồ tỷ lệ 1/25.000 Danh pháp là F-48-(1 đến 96 ) - ( A,B,C,D) - ( a,b,c,d )

Chia mảnh bản đồ tỷ lệ 1/25.000 ra 4 mảnh, đánh số 1,2,3,4 được phân mảnh bản đồ tỷ lệ 1/10.000 Danh pháp là F-48-(1 đến 96 )-( A,B,C,D)-( a,b,c,d ) - ( 1 đến 4 )

Mảnh bản đồ 1/5000 được chia từ bản đồ 1/100.000 ra làm 256 mảnh, đánh số từ 1,2,3, ,256 Danh pháp là F-48-(1 đến 96 ) - ( 1 đến 256 )

Mảnh bản đồ 1/2000 được chia từ bản đồ 1/5.000 ra làm 9 mảnh, đánh số từ a,b, k Danh pháp là F-48-(1 đến 96 ) - ( 1 đến 256 ) - ( a đến k )

I.1.2 Nội dung của bản đồ địa hình :

Nội dung của bản đồ địa hình được phân ra 7 nhóm chính giúp cho công tác đo vẽ, biên tập , lưu trữ và sử dụng được thuận tiện, cụ thể gồm :

+ Cơ sở toán học, hệ thống ký hiệu , ghi chú

+ Ranh giới.

I.1.3 Độ chính xác của bản đồ địa hình :

Các yếu tố đặc trưng quan trọng của chất lượng một tờ bản đồ địa hình là độ chính xác đo và vẽ bản đồ

Nếu độ chính xác của bản đồ quá thấp thì không đáp ứng được yêu cầu sử dụng, ngược lại nếu độ chính xác quá cao sẽ gây khó khăn cho công tác đo vẽ và tăng giá thành của sản phẩm Người ta thường đánh giá độ chính xác của bản đồ theo 3 yếu tố

cơ bản : Đó là độ chính xác vị trí mặt phẳng và độ cao của điểm khống chế trắc địa, độ chính xác vị trí mặt phẳng của các điểm địa vật và độ chính xác biểu diễn địa hình bằng đường đồng mức

Trong phương pháp đo vẽ bản đồ địa hình bằng ảnh hàng không, độ chính xác xây dựng lưới khống chế trắc địa ngoại nghiệp phải cao hơn yêu cầu độ chính xác của điểm khống chế tăng dày nội nghiệp ít nhất một cấp Tương tự như trên, độ chính xác của điểm tăng dày đo vẽ ảnh phải cao hơn độ chính xác của điểm chi tiết

Vị trí mặt phẳng của điểm tăng dày cần đạt độ chính xác 0,1mm.Mbđ Độ cao điểm tăng dày cần đạt độ chính xác từ 1/4 đến 1/5 khoảng cao đều

Độ chính xác mặt bằng vị trí điểm chi tiết được đặc trưng bởi sai số trung phương

vị trí điểm của chúng so với điểm khống chế trắc địa gần nhất Người ta quy định sai số này không vượt quá 0,5mm trên bản đồ với các địa vật rõ nét và 0,7mm đối với các địa vật có đường biên không rõ nét

Sai số trung phương cao độ biểu diễn bằng đường đồng mức và các điểm ghi chú độ cao không vượt quá 1/3 khoảng cao đều ở vùng có độ dốc dưới 6o và không vượt quá 1/2 khoảng cao đều ở vùng có độ dốc lớn hơn

I.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP THÀNH LẬP BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH :

I.2.1 Đo trực tiếp ngoài thực địa

+ Bàn đạc

+ Toàn đạc điện tử

+ GPS

Phương pháp này thường dùng đo vẽ bản đồ tỷ lệ lớn và thuận lợi khi thực hiện ở vùng đồng bằng, quang đãng Đối với khu vực đồi núi thì gặp nhiều khó khăn do việc

đi lại và tầm thông hướng kém, thường chỉ đo những khu vực nhỏ

I.2.2 Biên tập từ bản đồ địa hình có tỷ lệ lớn hơn mới hoàn thành :

Chủ yếu phục vụ làm bản đồ tỷ lệ nhỏ và bản đồ chuyên đề, dùng để hiện chỉnh bản đồ

I.2.3 Đo ảnh :

+ Phương pháp đo ảnh phối hợp , ngày nay người ta thường sử dụng phương pháp

đo vẽ phối hợp trên bình đồ ảnh ảnh sau khi nắn và cắt ghép lập bình đồ, kết hợp điều vẽ, đo địa hình và bổ sung địa vật ngoài thực địa Bình đồ ảnh có thể nhận được từ phép nắn ảnh quang cơ hoặc từ ảnh số Công nghệ ảnh số cho phép thành lập bình đồ ảnh ở vùng bằng phẳng như phương pháp quang cơ , nhưng cũng có thể lập bình đồ ảnh

ở vùng đồi núi có độ chênh cao lớn bằng nắn ảnh trực giao Việc số hoá địa vật trên nền bình đồ ảnh số đảm bảo độ chính xác và hiệu quả kinh tế cao

+ Phương pháp đo ảnh lập thể :

Đo vẽ ảnh lập thể có khả năng khái quát địa hình tốt nhất so với tất cả các phương pháp khác Đối với bản đồ có tỷ lệ 1/2000 và tỷ lệ nhỏ thì đo vẽ ảnh lập thể trên máy đo vẽ toàn năng quang cơ, máy đo vẽ toàn năng giải tích, hoặc trên trạm ảnh số hơn hẳn các phương pháp đo vẽ khác Đây là phương pháp đóng góp thành lập trên 95% khối lượng bản đồ địa hình ở nước ta và trên thế giới

+ Phương pháp đo ảnh số tức thời :

Trong quá trình thu nhận thông tin ảnh và sử lý thông tin xảy ra đồng thời với sự liên kết chặt chẽ giữa thiết bị chụp ảnh và máy tính có tính năng cao Phương pháp đo ảnh số tức thời được ứng dụng trong một số lĩnh vực khoa học và công nghiệp Trong

đo ảnh , phương pháp này đựơc ứng dụng để phát triển phương pháp đo ảnh tự động trong phạm vi gần, ví dụ như Mapvision của Phần Lan, IRI-D256 của Canada và RPTcủa Thụy Sỹ

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 đo ảnh Có thể nói nếu không sử dụng thông tin bức xạ thì không thể thực hiện tự động hoá 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 trước đây trở nên không cần thiết nữa, thay vào đó là các trạm đo ảnh số , máy vi tính và các phần mềm chuyên dùng hiện nay phương pháp đo vẽ ảnh số được ứng dụng có hiệu quả cao trong việc :

+ Đo vẽ bản đồ địa hình các loại tỷ lệ

+ Đo vẽ bản đồ địa chính cơ sở từ tỷ lệ 1/1000 vùng đông bằng đến tỷ lệ 1/25000 vùng đồi núi

+ Xây dựng mô hình số độ cao địa hình ( DTM ) và mô hình số độ cao (DEM) phục vụ cho các mục đích : lập bản đồ địa hình, sản xuất bình đồ trực ảnh, lập các bản đồ chuyên đề đo tính khối lượng , làm cơ sở dữ liệu cho hệ thống thông tin địa lý (GIS)

CHƯƠNG II

QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ THÀNH LẬP BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH

BẰNG ẢNH HÀNG KHÔNG KỸ THUẬT SỐ

II.1 KHÁI NIỆM VỀ ẢNH SỐ :

Trong phương pháp này số liệu đưa vào là ảnh số, tức là tín hiệu ảnh quét được ghi nhận thông qua các hệ thống điện tử, nếu tư liệu gốc là ảnh chụp truyền thống thì trước hết tiến hành số hoá ảnh bằng các máy quét độ chính xác cao, hiện nay đã có máy chụp ảnh hàng không kỹ thuật số

Quá trình đo vẽ ảnh số trong hệ thống bao gồm các nội dung chủ yếu sau : xác định các yếu tố định hướng ảnh, nhận dạng và tổ hợp ảnh , đo vẽ, tính toạ độ không gian điểm ảnh , nội suy bề mặt mô hình, tự động hoá vẽ địa hình

Ảnh số được tạo bởi mảng 2 chiều của các phần tử ảnh có cùng kích thước , được gọi là pixel Mỗi pixel được xác định bởi số thứ tự hàng (m), cột (n) và giá trị độ xám (g) của nó là g(m,n) biến đổi theo toạ độ điểm (x,y) Số thứ tự hàng và cột của mỗi pixel đều là các số nguyên Còn giá trị độ xám của pixel nằm trong thang độ xám từ 0 đến 255 , thang độ xám có 256 bậc theo đơn vị thông tin là 8 bit Toạ độ số hoá là các giá trị rời rạc m, n và được biểu thị :

II.2 HỆ THỐNG ĐO VẼ ẢNH SỐ VÀ CẤU TRÚC TRẠM ẢNH SỐ :

II.2.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống xử lý ảnh số

Hình 2-1 : Sơ đồ cấu trúc hệ thống xử lý ảnh số

II.2.2 Giới thiệu một số trang thiết bị cho công nghệ ảnh số hiện có tại Việt Nam:

Bảng 2-1: Thống kê thiết bị công nghệ ảnh số hiện có tại Việt Nam

xuất

Tính năng kỹ thuật chính

1 Máy bay KingAir

B200

Boeing Mỹ

dải tốc độ 250 - 650 km/h , thời gian bay tối đa 6 giờ liên tục, độ cao bay ổn định từ 150m - 6000 m

CHLB Nga

dải tốc độ 150 - 200 km/h , thời gian bay tối đa 5 giờ liên tục, độ cao bay ổn định từ 50m - 3000 m

3 Máy chụp ảnh RC-30 Leica tiêu cự 152 mm, phim 23x23cm, tự động

ảnh hàng không(analog)

Máy quét ảnh

Số liệi khống chế toạ độ trắc địa ngoại nghiệp

Máy in

Bản đồ số

Bình đồ số

Mô hình số độ cao

giấy

- Bình đồ ảnh

- Bình đồ ảnh trực giao

ảnh hàng không (Digital )

Trạm đo vẽ ảnh số

Số liệu điều vẽ bổ sung ngoại nghiệp Miền thực địa

Thuỵ sỹ đo ánh sáng, có hệ thống chống trượt ảnh

FMC giảm độ nhoè do địa tốc máy bay gây ra, tích hợp với GPS phát xung đánh dấu tâm ảnh

4 Máy chụp ảnh MBK Calzeiss

Đức

tiêu cự 152 mm, phim 23x23cm, tự động

đo ánh sáng, có hệ thống chống trượt ảnh FMC giảm độ nhoè do địa tốc máy bay gây ra, có hệ thống tự dộng cân bằng con quay, tích hợp với GPS phát xung đánh dấu tâm ảnh

5 Máy quét phim PS1 Intergraph

Mỹ

độ phân giải 7,5µm ; Độ chính xác ±3µm

6 Máy quét phim SCAI Zeiss

Đức

độ phân giải 7,0µm ; Độ chính xác ±2µm

7 Máy quét phim

DSW-500

HelavaThuỵ sỹ

Leica-độ phân giải 4µm ; Độ chính xác ±2µm

8 Máy quét phim

Delta-Scan

Geo-SystemUcraina

độ phân giải 8µm ; Độ chính xác ±3µm

9 Máy tráng phim màu

Colenta

ZeissĐức

Tráng phim màu tự động, loại phim cuộn rộng 23 cm

10 Máy tráng phim đen

trắng Versamat

KodakMỹ

Tráng phim đen trắng tự động, loại phim cuộn rộng 23 cm

11 Máy tráng phim màu

MBK

ZeissĐức

Tráng phim đen trắng tự động, loại phim cuộn rộng 23 cm

(Xem phụ lục, hình PL-1 đến PL-5 về hình ảnh của một số thiết bị ngành ảnh số hiện nay)

II.2.3 Trạm ảnh số :

Hình 2-2: Sơ đồ cấu trúc trạm ảnh số

* Bộ xử lý trung tâm CPU : hiện nay trên thị trường có các loại CPU tốc độ trên 3Ghz hoàn toàn đáp ứng tốc độ xử lý đo ảnh số độ phân giải cao

* Bộ xử lý đồ hoạ hỗ trợ 3D có card 3D Pro của Intergraph

* Màn hình : Do phải hiển thị một lúc 2 ảnh trên một màn hình vì vậy cần màn hình tối thiểu 120 hz để đảm bảo mỗi ảnh được hiển thị với tần số 60hz độc lập nhau

* Thiết bị lưu trữ : hiện nay đã có ổ DVD dung lượng dến hàng chục Ghz, ổ cứng

co dung lượng hàng trăm Ghz có thể lưu trữ toàn bộ ảnh chụp của khu vưc rộng lớn với độ phân giải cần thiết

* Các thiết bị ngoại vi : Chuột thường, chuột 3D, kính lập thể quang học, kính lập thể xanh-đỏ, bàn phím

Với sự phát triển không ngừng của việc sản xuất phần cứng máy tính, ngoài những hệ thống máy trạm Workstation ( Intergraph ) đã được trang bị ở nước ta, ngày nay có thể đo vẽ ảnh số trên máy tính cá nhân với các phần mềm Imagestation (Intergraph) ; Photomod (Racus - Nga ); 3D mapper( Úc)

II.2.4 Giới thiệu tính năng của một số hệ thống trạm đo vẽ ảnh số :

II.2.4.1 Trạm đo vẽ ảnh số Photomod ( Racus - Nga ) :

Thiết bị lưu trữ :

- ổ CD hoặc DVD

- Đĩa CD

- bộ nhớ động 1 - 2G

- ổ cứng đến hàng trăm Gigabyte

- Bộ vi xử lý trung tâm( CPU ) tốc độ cao 2- 3Ghz.

- Đồ hoạ Card 3D-Pro -Intergraph

Phần mềm chuyên dùng Imagestation ( In tergraph Mỹ ), phần mềm Photomod( Racurs Nga ), 3D mapper ( úc )

Hệ thống Photomod ( Racus - Nga ) rất phổ biến trên thế giới , ở Việt Nam cũng là một trong những hệ thống đo vẽ ảnh số được áp dụng trong công tác thành lập bản đồ địa hình.

Đây là một hệ thống hiện đại, các thao tác thực hiện dễ dàng đối với người sử dụng Hệ thống có khả năng thực hiện hầu hết các công tác đo vẽ ảnh số với khả năng tự động hoá cao, ngoại trừ phần tăng dày phụ thuộc các thao tác của người sử dụng Phần cứng tối thiểu :

- Bộ xử lý trung tâm ( CPU ) : Pentium II , 300 Mhz

- Bộ nhớ động : 64 Mb

- Ổ cứng : 2 Ghz

- Màn hình : 17 Inch, 120 Mhz

- Chuột thông thường, chuột 3D, bàn phím

- Kính lập thể xanh đỏ

- Hệ điều hành : Win NT, Win 98, Win 2000,

Phần mềm gồm các modul sau :

- Photomod Project Manager : Quản lý thông tin khu đo , camera chụp ảnh, số lượng dải bay, số lượng ảnh chụp

- Photomod Aeral Triangulation : định hướng trong , định hướng tương đối , định hướng tuyệt đối

- Photomod Solve : bình sai khống chế ảnh

- Photomod montage desktop : hiển thi mô hình lập thể

- Photomod Stereo Draw : đo vẽ các đối tượng trong mô hình lập thể

- Photomod 2D Vector : số hoá các đối tượng trong 2D

- Photomod Fast Ortho : nắn ảnh trực giao

- Photomod Scan Correct : hiệu chỉnh hình học ảnh quét

Tính ưu việt của hệ thống là khả năng xử lý trên các máy tính cá nhân với giá thành rẻ, có thể dùng chuột thông thường để xử lý, hệ thống nhìn lập thể ổn định, có khả năng kết nối tốt với các hệ thống phần mềm đồ hoạ như Autocad, Microstation, Mapinfo,

II.2.4.2 Hệ thống 3D Maper :

Hệ thống xử lý ảnh số trên máy tính cá nhân PC, thực hiện hầu hết các công tác

đo vẽ ảnh ( ngoại trừ công tác tăng dày khống chế ảnh ) Hệ thống gồm :

- Bộ xử lý trung tâm ( CPU ) : tối thiểu Pentium II , 350 Mhz

- Bộ nhớ động : 128 Mb

- Ổ cứng : 6 Ghz

- Màn hình : 17 Inch, 120 Mhz

- Chuột thông thường, chuột 3D, bàn phím

- Kính lập thể

- Hệ điều hành : Win NT, Win 98

II.2.4.3 Trạm đo vẽ ảnh số Imagestation ( Intergraph - Mỹ ) :

Đây là hệ thống trạm có độ chính xác cao, hiện đại và đang được sử dụng rất phổ biến, có khả năng tự động hoá cao,tốc độ xử lý nhanhcông năng chính của trạm là:

- Định hướng tương đối, tuyệt đối ảnh đo

- Tăng dày khống chế ảnh trên ảnh đơn và ảnh lập thể

- Thành lập mô hình lập thể

- Đo vẽ lập mô hình số độ cao

- Nắn ảnh trực giao

- Đo vẽ, số hoá các đối tượng địa hình, địa vật

- Nội suy tự động đường bình độ

Cấu hình tối thiểu của trạm ảnh số là :

- CPU - PentiumII 300Mhz

- Bộ sử lý đồ hoạ EdgeII+

- Bộ nhớ động : 128 MB Ram

- Đĩa cứng 15 Ghz

- Màn hình 18 inch, tần số 120Mhz

- Kính lập thể

- Bộ kích hoạt hồng ngoại

- Chuột 3D điều khiển 2 tay

- Hệ điều hành Windows NT, UNIX.

Hiện nay hãng Intergraph chuyển sang sử dụng các máy tính cá nhân ( PC ) với hệ điều hành Windows giúp người sử dụng dễ thao tác

Hệ thống phần mềm của trạm Imagestation :

- ISPM : ( Image station Photogrammetric Manager) quản lý khu đo trong máy tính như : các thông số máy chụp ảnh, chiều cao bay chụp ảnh, toạ độ điểm khống chế mặt đất, số dải bay

- ISDO (Image station Digital Orientation ) thực hiện chức năng định hướng ảnh( định hướng trong, định hướng tương đối, định hướng tuyệt đối )

- ISSD (Image station Stereo Display ) hiển thị mô hình lập thể của cặp ảnh

- ISFC (Image station Feature Collection ) đo vẽ chi tiết các đối tượng địa vật trong mô hình lập thể

- ISDC (Image station Digital Terrain Modeling Collection) : mô tả các yếu tố đặc trưng địa hình( điểm độ cao đặc trưng, đường tụ thuỷ, đường phân thuỷ, cho phép tạo mô hình số độ cao DTM và vẽ các đường đồng mức tự động

- ISMT(Image station Match - AT ) thành lập mô hình độ cao số, tạo các DTM tự động dựa theo nguyên lý khớp ảnh

Ngoài ra hệ thống cần kèm theo :

- Microstation : phần mềm đồ hoạ phục vụ biên tập thành lập bản đồ

- MGE ( Modular Gis Enviroment ) thu thập, phân tích, lưu trữ tích hợp dữ liệu không gian và các thông tin thuộc tính thành một hệ thống nhất

- Iplot : in ấn bản đồ, ảnh số

II.3 GIỚI THIỆU CÁC KỸ THUẬT XỬ LÝ ẢNH SỐ :

Có thể thống kê các kỹ thuật xử lý ảnh số phục vụ ngành đo vẽ bản đồ địa hình trên trạm ảnh số như sau :

+ Tăng cường chất lượng ảnh số

+ Công thức nắn ảnh trực tiếp và gián tiếp

+ Tái chia mẫu

+ Nén ảnh

CHƯƠNG III CÁC NGUỒN SAI SỐ TRONG CÔNG NGHỆ ĐO VẼ BẢN ĐỒ ĐỊA

HÌNH BẰNG ẢNH HÀNG KHÔNG KỸ THUẬT SỐ

Có thể phân tích các nguồn sai số chính trong đo ảnh như sau :

- Sai số của ảnh hàng không

- Sai số trong quá trình đo ảnh

- Sai số của phương pháp

III.1 SAI SỐ CỦA ẢNH HÀNG KHÔNG :

Ảnh hàng không dù ở dạng analog hay digital khi chụp cũng đều có những sai số ảnh hưởng đến chất lượng của tấm ảnh Các nguồn sai số ảnh hưởng đến tấm ảnh chụp là:

- Sai số do độ cong trái đất

- Sai số của chiết quang khí quyển hay bay chụp

- Sai số do méo hình kính vật và biến dạng của phim ảnh

- Sai số do thay đổi giá trị độ xám của các phần tử ảnh do tác động môi trường khí quyển khi chụp ảnh

III.1.1 Sai số do độ cong trái đất :

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

Theo hình 3-1; S : Tâm chụp ảnh ; f : Tiêu cư camera chụp ảnh ; P : Mặt phẳng ảnh ; Q :Mặt phẳng nằm ngang ;H : Chiều cao bay chụp ảnh ; ta thấy: trong phép chiếu ảnh, điểm địa vật M trên mặt đất khi chụp ảnh có ảnh là điểm m trên ảnh P

Nhưng nếu chiếu điểm M lên mặt phẳng ngang Q được M’, ảnh của M’ trên ảnh

P là điểm m’, hai điểm ảnh m và m’ ở hai vị trí khác nhau chính là do điểm M nằm

trên bề mặt cong của trái đất.

Hình 3-1 : Ảnh hưởng độ cong trái đất đến vị trí điểm ảnhĐoạn thẳng mm’ chính là sai số dịch vị trí điểm ảnh do ảnh hưởng của độ cong trái đất

Rf2

Hr'

Trong đó :

r : Khoảng cách từ điểm ảnh m đến điểm chính ảnh

R : Bán kính cong của bề mặt đất

Ví dụ : nếu dùng camera chụp ảnh có tiêu cự 150mm, chiều cao bay chụp 2000m, khoảng cách r = 100mm, thì độ lệch mm’ = 0,007mm

III.1.2 Sai số do chiết quang khí quyển khi bay chụp ảnh :

Do môi trường khí quyển bao gồm các thành phần vật chất không đồng nhất nên chiết suất của khí quyển thay đổi qua những tầng khác nhau trong khí quyển Sự thay đổi chiết suất trong khí quyển dẫn đến các tia sáng phản xạ từ bề mặt đất đến phim ảnh

bị khúc xạ và bị bẻ cong Điều này dẫn đến vị trí điểm ảnh của một vật sẽ bị dịch chuyển so với vị trí đúng của nó trên ảnh

Quá trình chiết quang trong khí quyển ảnh hưởng từ nhiều nguồn khác nhau như nhiệt độ, áp suất, mật độ phân bố vật chất, độ ẩm không khí,

Theo hình vẽ bên dưới ta nhận thấy, vị trí địa vật M sau khi phản xạ trên ảnh qua môi trường khí quyển có chiết suất thay đổi cho điểm ảnh m trên ảnh chụp Do tia sáng khi qua môi trường có chiết suất không đồng nhất nên quỹ đạo tia sáng bị bẻ cong

Trong trường hợp tia sáng đi thẳng thì vị trí điểm M trên ảnh là điểm m’ chứ không phải là m, khoảng cách mm’ là giá trị độ lệch vị trí điểm ảnh của một địa vật khi chụp ảnh trong môi trường ảnh hưởng bởi chiết quang không khí

Hình 3-2 : Ảnh hưởng chiết quang khí quyển đến vị trí điểm ảnh

Từ các đại lượng ký hiệu như trên hình vẽ, ta tìm giá trị độ lệch mm’

Mối quan hệ giữa góc nghiêng α và độ lệch α do chiết quang gây ra được biểu thị bằng công thức toán học sau :

K : hệ số, K phụ thuộc vào chiều cao bay chụp ảnh và độ cao của điểm địa vật

so với mặt nước biển trung bình

α : Góc lệch giữa đường phản xạ của một điểm địa vật do môi trường chiết quang và môi trường không chiết quang

Theo tài liệu của hai tác giả Paul R.Wolf và Bon A.Dewitt, K được tính theo công thức :

K = (7,4 x 10-4) (H - h) [1 - 0,02 (2H - h)] (3.3)Trong đó :

H : chiều cao bay chụp ảnh (km)

h : độ cao của điểm địa vật so với mặt nước biển trung bình (km)Đơn vị tính của K là độ

Theo hình, r - khoảng cách từ điểm chính ảnh đến vị trí điểm ảnh m trên ảnh

2

2 yx

r' : khoảng cách từ điểm ảnh m’ đến điểm chính ảnh

Trong đó : x, y là tọa độ ảnh của điểm ảnh m

Ví dụ : một tấm ảnh hàng không có chiều cao bay chụp 2500 m, tiêu cự f = 150

mm Tọa độ ảnh của điểm ảnh m (x = 100mm, y = 120mm) Độ cao điểm M so với mặt nước biển 100m Giá trị độ lệch r được tính toán như sau :

mm4214,141100

100

9428 , 0 150

421 ,





K = (7,4 x 10-4) (2,5 - 0,1) [1 - 0,02 (2 x 2,5 - 0,1] = 0,00160

0 00151 , 0 150

421 , 141 0016 ,



r' = 150 tg (43,313580- 0,001510) = 141,4125 mm

r = 0,0089 mmIII.1.3 Sai số do méo hình kính vật:

Trong camera chụp ảnh, kính vật của camera là bộ phận có ảnh hưởng rất lớn đến vị trí điểm ảnh trên phim Do thấu kính của kính vật là tập hợp của rất nhiều thấu kính hợp Hiện tượng không đồng chất, không đồng trục, không đồng bán kính của mặt cong ở từng thấu kính sẽ gây ra sai số méo hình của kính vật

Hình 3-3 : Ảnh hưởng biến dạng thấu kính chụp ảnh

Theo hình 3-3, vị trí của ảnh là điểm m’ không trùng với điểm m theo như lý thuyết về quang học

Khoảng cách mm’ gọi là độ biến dạng của điểm ảnh, ký hiệu r Giả sử đó là sai số hướng tâm, được thể hiện ở hình 3-4

Hình 3-4 : Sai số xuyên tâm vị trí điểm ảnh do méo hình kính vật.

Xác lập hệ tọa độ vuông góc với gốc tọa độ là điểm chính ảnh O, điểm ảnh hiện hữu trên ảnh là m’ và điểm ảnh đúng sau khi hiệu chỉnh do biến dạng của thấu kính là

m

Khoảng cách từ điểm chính đến điểm ảnh m’ :

2 2yx

(3.9)

0yy

y 

x, y : tọa độ ảnh của điểm ảnh m’

x0, y0 : tọa độ điểm chính ảnh 0 trong hệ tọa độ ảnh

Lập tỷ số trong tam giác đồng dạng như sau :

yx

r

y x

Trong đó :

r : độ lệch vị trí điểm ảnh do biến dạng của thấu kính chụp ảnh

ki : các hệ số của đa thức

r : khoảng cách từ điểm ảnh đến điểm chính ảnh.

Các hệ số ki được xác định bằng phương pháp số bình phương nhỏ nhất

Từ (3.11) rút ra được :

r

x r x





Từ đây, ta tính được vị trí đúng của điểm ảnh m :

Hình 3.5 Quan hệ giữa bán kính hướng tâm r với góc mở của trục quang 

Bảng 3-1 : Bảng xác định độ sai lệch điểm ảnh do méo hình kính vật gây nên

Vật liệu làm phim ảnh có độ biến dạng nhất định trong quá trình sử dụng, sự biến dạng này có ảnh hưởng không nhỏ đến vị trí các điểm ảnh được chụp trên phim

Biến dạng của phim ảnh có thể là biến dạng đều , biến dạng không đều hoặc biến dạng cục bộ

Sai số do biến dạng của phim ảnh gây ra cần được hiệu chỉnh để đưa tọa độ các điểm ảnh về vị trí chính xác trước khi sử dụng ảnh vào công tác đo vẽ ảnh số

* Trong trường hợp yêu cầu về độ chính xác không cao, chúng ta có thể sử dụng công thức sau để hiệu chỉnh vị trí điểm ảnh về vị trí đúng của nó :

x l

l x m

c



y l

l y m

c

 'Trong đó :

x', y’ : tọa độ điểm ảnh đã được hiệu chỉnh

x, y : tọa độ điểm ảnh khi chưa hiệu chỉnh (giá trị x, y ta có thể đo trực tiếp trên ảnh)

lc, lm : khoảng cách giữa hai điểm mấu khung trên khung ép phim theo hai phương x và y

Sau khi xác định các giá trị lc, lm; với một điểm ảnh bất kỳ khi đo tọa độ của nó trên ảnh là x, y thì ta đều tính được tọa độ hiệu chỉnh do sai số biến dạng phim ảnh là x’, y’ từ công thức (3.17), (3.18)

Chúng ta cần lưu ý rằng, công thức xác định tọa độ đã hiệu chỉnh do biến dạngphim ảnh theo công thức (3.17), (3.18) là hiệu chỉnh theo dạng tuyến tính cho toàn bộ tấm ảnh, trong trường hợp biến dạng phim ảnh không theo quy luật tuyến tính thì phương pháp tính tọa độ ảnh hiệu chỉnh như trên sẽ không cho kết quả chính xác

* Trong trường hợp yêu cầu về độ chính xác cao trong công tác đo vẽ, hoặc khi phim ảnh biến dạng không đều, chúng ta có thể sử dụng công thức chuyển đổi affine hai chiều Phương trình có dạng sau :

y' = b0 + b1x + b2y

Trong đó :

x', y’ : tọa độ hiệu chỉnh của một điểm ảnh bất kỳ

y, y : tọa độ của điểm ảnh khi chưa hiệu chỉnh

ai, bi : các hệ số chuyển đổi của phương trình

Với x : độ dịch chuyển góc tọa độ theo phương x của hệ tọa độ ảnh hiệu chỉnh so với hệ tọa độ ảnh chưa hiệu chỉnh

y : độ dịch chuyển góc tọa độ theo phương y

mx, my : hệ số tỷ lệ chiếu theo phương x và y

,  : các góc xoay của hệ trục tọa độ mới so với hệ trục tọa độ cũ

Để xác định các tham số chuyển đổi ai, bi trong phương trình (3.19) và (3.20), ta sử dụng 4 điểm mấu khung hoặc 8 điểm mấu khung trên phim ảnh để thành lập hệ phương trình và giải bằng phương pháp số bình phương nhỏ nhất

Ngoài ra, chúng ta có thể sử dụng phương pháp nội suy đa thức hoặc song tuyến để xác định tọa độ các điểm ảnh hiệu chỉnh

III.2 SAI SỐ TRONG QUÁ TRÌNH ĐO ẢNH :

Khi xây dựng mô hình lập thể phục vụ công tác đo vẽ ảnh, từng công đoạn của quá trình có những nguồn sai số khác nhau tác động đến độ chính xác của mô hình lập thể thành lập Các nguồn sai số này tập trung vào những loại cơ bản sau :

- Sai số của thiết bị đo ảnh

- Sai số số liệu gốc

- Sai số người đo ảnh

III.2.1 Sai số của thiết bị đo ảnh :

Quá trình đo ảnh theo phương pháp đo ảnh số sử dụng ảnh chụp bằng kỹ thuật số hoặc ảnh analog được quét bằng máy quét chuyên dụng để chuyển thành ảnh số Sai số

do máy quét ảnh gây nên là nguồn sai số ảnh hưởng không nhỏ đến độ chính xác của mô hình lập thể

Hình 3-6 : Sai số đo vẽ các đối tượng trên ảnh

PX : kích thước pixel

O : tâm pixelTheo hình vẽ trên ta thấy, với một điểm ảnh (1 pixel) khi quét ảnh có kích thước

PX, trong quá trình đo vẽ ảnh trên mô hình lập thể, nếu người đo vẽ xác định vị trí điểm ảnh ngay tại tâm pixel là điểm O thì vị trí của điểm ảnh là hoàn toàn chính xác Nhưng nếu người đo vẽ xác định vị trí pixel không đúng điểm O mà là một điểm bất kỳ thuộc pixel trên thì quá trình đo vẽ sẽ tồn tại sai số do kích thước pixel gây ra

Bởi vì trên máy tính, hệ thống máy tính chỉ xác định một giá trị tọa độ cho toàn bộ pixel nên việc người đo vẽ đặt tiêu đo tại O hoặc tại điểm m thuộc pixel thì máy tính cũng chỉ cho một tọa độ duy nhất

Như vậy trong trường hợp này, sai số tồn tại do kích thước pixel gây ra sẽ đạt giá trị lớn nhất khi người đo vẽ đặt tiêu đo tại các vị trí 1, 2, 3, 4 trên pixel Giá trị sai số

lớn nhất bằng P2X Điều này cho thấy, nếu chọn độ phân giải hình học ảnh quét càng nhỏ (kích thước pixel càng nhỏ) thì sai số do kích thước pixel gây ra càng nhỏ và ngược lại Do đó đối với mỗi loại bản đồ với độ chính xác yêu cầu cụ thể thì phải chọn độ phân giải quét ảnh phù hợp

O m

P X

P X

III.2.2 Sai số số liệu gốc :

Trong đo ảnh nói riêng, trong trắc địa nói chung sai số số liệu gốc là các sai số của hệ thống điểm khống chế toạ độ và độ cao Quốc gia , được sử dụng vào thành lập lưới khống chế ảnh ngoại nghiệp Ngày nay ở nước ta, hệ thống lưới khống chế các cấp được xác định toạ độ bằng công nghệ GPS 2 tần số , độ cao đã được truyền bằng thuỷ chuẩn hình học chính xác cao, hệ toạ độ VN2000, độ cao gốc Hòn Dấu, có thể nói là hệ thống lưới khống chế Quốc gia này đáp ứng tốt cho việc lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn bằng công nghệ ảnh số

III.2.3 Sai số do người đo ảnh :

Hiêïn nay sai số do người đo vẫn là nguồn sai số lớn trong đo ảnh; nguyên nhân là :

- Do khả năng đoán đọc địa vật

- Do khả năng nhìn lập thể , khả năng đưa tiêu đo sát bề mặt mô hình lập thể

- Do làm việc lâu trên trạm ảnh số , thị lực giảm do mệt mỏi mắt

Công nghệ ảnh số đã hạn chế được nhiều sai số do người đo nhờ vào khả năng phóng to mô hình đến hơn 12 lần , ngoài ra người đo cũng dễ dàng kiểm tra thành quả

đo và nhanh chóng sửa chữa hơn so với công nghệ đo ảnh analog

III.3 SAI SỐ DO PHƯƠNG PHÁP :

Trong sai số của phương pháp còn có một số các sai số mang tính đặc thù, đó là sai số xây dựng mô hình số độ cao ; mô hình số địa hình( sẽ khảo sát kỹ ở chương IV ) ; sai số khớp điểm tự động ; sai số tái chia mức xám; sai số do sử dụng hám toán học để mô phỏng bề mặt thực địa lúc nội suy đường đồng mức ; sai só nén ảnh

Tuy nhiên đối với độ cao trong đo ảnh số , còn chịu ảnh hưởng bởi nhiều nguồn sai số , nhất là đối với những khu vực đồi núi , địa hình phức tạp; đây là vấn đề cốt lõi đảm bảo độ chính xác mô tả địa hình của BĐ ĐH tỷ lệ lớn Nhiều công trình khoa học đã đề cập đến những vấn đề trên, trong phạm vi giới hạn của đề tài luận văn , chúng tôi muốn muốn trình bày kỹ về sai số xây dựng mô hình số độ cao