Khảo sát độ chính xác thành lập bản đồ địa hình bằng phương pháp không ảnh số

Cùng với sự phát triển không ngừng đó, các phương pháp đo vẽ ảnh phục vụ công tác thành lập bản đồ địa hình ngày càng hoàn thiện, đa dạng với ứng dụng khoa học kỹ thuật máy tính và tin h

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 sĩ Trần Đình Luật và Tiến sĩ Lê Trung Chơn trong công tác định hướng đề cương nghiên cứu cũng như quá trình thực hiện luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến thầy Lê Tiến Thuần, cán bộ giảng dạy Trắc địa Aûnh tại Bộ môn Địa Tin Học, khoa Xây Dựng, Trường Đại học Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh rất tận tình giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn cũng như giúp tôi rất nhiều kiến thức trong lĩnh vực về lượng ảnh

Tôi xin chân thành cảm ơn Ông Nguyễn Văn Đức – Giám đốc Công ty Đo Đạc Địa chính và công trình, Ông Bùi Sơn – Giám đốc Trung tâm Công nghệ - Công ty Đo Đạc Địa chính và công trình, Thầy Bình – phụ trách bộ phận ảnh - Công ty Đo Đạc Địa chính và công trình giúp đỡ tôi trong công tác thu thập tư liệu ảnh hàng không

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy, cô trong Bộ môn Địa Tin Học giúp đỡ, động viên tôi hoàn thành luận văn này

Tôi chân thành cảm ơn tất cả đồng nghiệp, bạn bè động viên tôi trong việc thực hiện luận văn

Cảm ơn gia đình, người thân luôn bên cạnh động viên tinh thần cho tôi Xin cảm ơn tất cả

NGUYỄN TẤN LỰC

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, những tiến bộ trong lĩnh vực máy tính, công nghệ thông tin, điện tử được ứng dụng rộng rãi phục vụ nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật khác Cùng với sự phát triển không ngừng đó, các phương pháp đo vẽ ảnh phục vụ công tác thành lập bản đồ địa hình ngày càng hoàn thiện, đa dạng với ứng dụng khoa học kỹ thuật máy tính và tin học vào công tác đo đạc nội ngoại nghiệp Các phương pháp đo vẽ mới ra đời đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường về thời gian, chất lượng sản phẩm Trong các công nghệ mới về đo đạc bản đồ hiện nay, công nghệ đo vẽ bản đồ bằng phương pháp ảnh số ngày càng được ứng dụng phổ biến để thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn và trung bình

Phương pháp đo vẽ ảnh số thể hiện khả năng tự động hoá đo vẽ bản đồ ở mức độ cao, rút ngắn thời gian đo đạc, giải phóng sức lao động chân tay của con người, giảm bớt công tác ngoại nghiệp, thực hiện đo vẽ trên phạm vi rộng lớn nhưng không mất nhiều thời gian so với các phương pháp truyền thống

Tuy nhiên, hiện nay việc đánh giá về khả năng kỹ thuật của phương pháp đo vẽ ảnh số trong công tác thành lập bản đồ địa hình chưa được quan tâm đầy đủ Do đó, trong phạm vi luận văn, tác giả tập trung đánh giá mức độ chính xác của phương pháp đo vẽ ảnh số và khả năng của hệ thống đo vẽ ảnh số trong công tác thành lập bản đồ địa hình hiện nay

ABSTRACT

In the latest decades, along with the development of information technology Digital photogrammetric method has been strongly developing, bringging high effectiveness in terms of quality and time in revision, updating and new establishment of various maps including topographic map

Digital photogrammetric method has been applied widespread to creating medium and large scale toporaphic map

The method shown a high automatic level in orientation and plotting of stereopairs,… but it hasn’t been a full research about techical ability of the method

In this research, the writer consider to estimate precise of the method and ability of digital photogrammetric system in creating topographic map

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ 2

MỤC LỤC 4

PHẦN MỞ ĐẦU 7

1 Tính cấp thiết của đề tài 7

2 Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn 8

3 Phương pháp nghiên cứu 8

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu 8

CHƯƠNG 1GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH 9

1.1 Khái niệm bản đồ địa hình 9

1.2 Cơ sở toán học của bản đồ địa hình 9

1.3 Nội dung bản đồ địa hình 10

1.4 Độ chính xác của bản đồ địa hình 11

1.5 Các phương pháp thành lập bản đồ địa hình 12

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO ẢNH LẬP THỂ 15

2.1 Phương pháp đo vẽ ảnh tương tự 15

2.1.1 Phương pháp vi phân 15

2.1.2 Phương pháp toàn năng 16

2.2 Phương pháp đo vẽ ảnh giải tích 16

2.3 Phương pháp đo vẽ ảnh số 17

2.3.1 Tổng quát 17

2.3.2 Các ứng dụng của phương pháp đo ảnh số 20

2.3.3 Hệ thống đo vẽ ảnh số 20

CHƯƠNG 3 CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP ĐO ẢNH SỐ 29

3.1 Cơ sở lý thuyết đo ảnh 29

3.1.1 Khái niệm ảnh đo 29

3.1.2 Yếu tố hình học ảnh đo 30

3.1.3 Tỷ lệ mô hình lập thể 31

3.1.4 Xây dựng và định hướng mô hình lập thể 33

3.2 Những vấn đề cơ bản trong đo vẽ ảnh số: 36

3.2.1 Khái niệm ảnh số 37

3.2.1.1 Điểm ảnh (pixel) 37

3.2.1.2 Giá trị độ xám (Gray scale value) 37

3.2.2 Kỹ thuật nâng cao chất lượng ảnh 40

3.2.2.1 Thu phóng ảnh số 40

3.2.2.2 Biến đổi độ tương phản 42

3.2.3 Các vấn đề đặc trưng cơ bản của đo vẽ ảnh số 44

3.2.3.1 Cấu trúc hình tháp của ảnh 44

3.2.3.2 Kỹ thuật khớp ảnh 46

3.2.3.3 Aûnh Epipolar 52

CHƯƠNG 4 CÁC NGUỒN SAI SỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘ CHÍNH XÁC BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH 54

4.1 Sai số ảnh chụp 54

4.1.1 Sai số do ảnh hưởng của độ cong trái đất 54

4.1.2 Sai số do ảnh hưởng chiết quang khí quyển khi bay chụp 56

4.1.3 Sai số do biến dạng thấu kính chụp ảnh 59

4.1.4 Sai số do biến dạng hình học của phim ảnh 62

4.2 Sai số khi xây dựng mô hình lập thể 64

4.2.1 Sai số của thiết bị đo ảnh 64

4.2.2 Sai số số liệu gốc 66

4.2.3 Sai số của người đo 67

4.2.4 Sai số trong quá trình định hướng ảnh 67

4.2.4.1 Sai số quá trình định hướng trong 67

4.2.4.2 Sai số quá trình định hướng tương đối và tăng dày khống chế ảnh 68

4.2.4.3 Sai số quá trình định hướng tuyệt đối mô hình 68

4.3 Sai số của phương pháp đo vẽ ảnh 69

4.3.1 Sai số xác định vị trí đối tượng đo vẽ 69

4.3.2 Sai số trong quá trình tạo mô hình độ cao số tự động 71

4.3.3 Sai số trong quá trình nén ảnh 73

CHƯƠNG 5 THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC THÀNH LẬP BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH BẰNG CÔNG NGHỆ ẢNH SỐ 76

5.1 Sơ đồ quy trình công nghệ 76

5.2 Mô tả tóm tắc quy trình công nghệ 77

5.2.1 Thiết kế 77

5.2.2 Chụp ảnh 77

5.2.3 Đo khống chế mặt đất 77

5.2.4 Quét phim 77

5.2.5 Định hướng tăng dày khống chế ảnh 79

5.2.5.1 Định hướng trong 80

5.2.5.2 Định hướng tương đối 81

5.2.5.3 Định hướng tuyệt đối 83

5.2.6 Tăng dày khống chế ảnh 83

5.2.9 Xây dựng mô hình độ cao số và nội suy đường đồng mức 84

5.2.10 Nắn, cắt và ghép ảnh theo khung mảnh bản đồ 85

5.2.11 Số hoá các yếu tố địa vật và biên tập thành lập bản đồ 86

5.2.12 Xây dựng project 79

5.3 Ứng dụng công nghệ đo vẽ ảnh số thành lập bản đồ điạ hình tỷ lệ lớn 88

5.3.1 Khái quát chung, đặc điểm khu đo 88

5.3.2 Tư liệu sử dụng trong đo vẽ bản đồ điạ hình và thiết bị phần cứng, phần mềm 89

5.3.2.1 Hệ thống phần cứng sử dụng trong đề tài 89

5.3.2.2 Thu thập dữ liệu 89

5.3.2.3 Xử lý ảnh chụp 93

5.3.3 Mô tả quy trình thực hiện và kết quả thực nghiệm 94

5.3.1 Quy trình thực hiện 94

5.3.2 Kết quả thực nghiệm 95

5.3.4 Đánh giá phân tích khả năng cuả phương pháp 105

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 114

TÀI LIỆU THAM KHẢO 117

PHẦN PHỤ LỤC 120

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong những thập kỷ gần đây với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật tính toán và công nghệ thông tin cùng với sự không ngừng hoàn thiện của lý thuyết đo ảnh đã cho ra đời công nghệ đo vẽ ảnh số Công nghệ này được xây dựng trên ý tưởng tự động hoá đo ảnh đã và đang được nghiên cứu ứng dụng rộng rãi trong công tác đo vẽ thành lập bản đồ địa hình Với tốc độ phát triển rất nhanh của công nghệ điện tử – tin học, công nghệ định vị vệ tinh (GPS), công nghệ laser chắc chắn trong tương lai gần công nghệ đo vẽ ảnh số sẽ mở rộng khả năng ứng dụng và đem lại hiệu quả trong công tác đo đạc bản đồ

Những năm gần đây đã có nhiều công trình nghiên cứu thử nghiệm trên thế giới cũng như ở nước ta, công nghệ đo vẽ ảnh số đã và đang được ứng dụng

đo vẽ bản đồ địa hình tỷ lệ 1/2000, 1/5000, 1/10000, 1/25000 và 1/50000 ở các đon vị sản xuất thuộc Bộ Tài nguyên và Môi trường, Cục Bản đồ Bộ Tổng tham mưu, v.v

Những ưu điểm nổi trội của công nghệ đo vẽ ảnh số thể hiện ở khả năng tự động hoá cao trong hầu hết các công đoạn đo vẽ ảnh; nó thể hiện tính đồng bộ khép kín từ khâu đầu đến ra sản phẩm Trên các trạm ảnh số đều có đầy đủ các modul xử lý các nhiệm vụ đo ảnh từ công tác định hướng, tăng dày khống chế ảnh, nắn ảnh, lập bình đồ ảnh, xây dựng mô hình số địa hình và đo vẽ biên tập bản đồ

Tuy nhiên để nghiên cứu và đánh giá một cách toàn diện về công nghệ này đặc biệt là khả năng đo vẽ thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn vùng đô thị

đang là vấn đề cấp thiết được đặt ra Vì vậy tác giả đã chọn đề tài:”Khảo sát độ chính xác và khả năng của phương pháp đo ảnh số trong công tác thành lập bản

đồ địa hình” nhằm làm sáng tỏ về cơ sở lý thuyết cũng như công nghệ đo vẽ ảnh

số

2 Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn

Trên cơ sở nghiên cứu các phương pháp đo vẽ thành lập bản đồ địa hình mà trọng tâm là các phương pháp đo ảnh, luận văn sẽ đi sâu nghiên cứu khả năng công nghệ ảnh số đo vẽ thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn Ngoài việc khảo sát các hệ thống đo vẽ ảnh số và tổng quan các nguồn sai số của ảnh đo cũng như trong quá trình xử lý đo ảnh, tác giả sẽ tiến hành thử nghiệm đo vẽ mô hình ảnh số trên hệ thống Photomod và phân tích đánh giá kết quả thực nghiệm với bản đồ địa hình tỷ lệ lớn (tỷ lệ 1/500) được thành lập bằng phương pháp toàn đạc điện tử

3 Phương pháp nghiên cứu

- Tìm hiểu và nghiên cứu cở sở lý thuyết của các phương pháp đo ảnh trong thành lập bản đồ địa hình

- 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 phân tích công nghệ đo vẽ ảnh số và các nguồn sai số trong quá trình đo vẽ thành lập bản đồ địa hình

- Tiến hành công tác thực nghiệm để đánh giá phân tích kết quả để đưa ra kết luận, kiến nghị

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu

- Góp phần bổ sung một số vấn đề về phương pháp luận trong công tác đo vẽ thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn bằng công nghệ ảnh số

- Góp phần vào khả năng hoàn thiện và ứng dụng công nghệ đo vẽ ảnh số để thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn khu vực đô thị

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH 1.1 Khái niệm bản đồ địa hình

Trong hệ thống phân loại bản đồ, bản đồ địa hình thuộc loại bản đồ địa lý chung có tỷ lệ lớn từ 1:500 đến 1:100.000 Bản đồ địa hình được ứng dụng rộng rãi trong các ngành kinh tế cũng như quốc phòng, bản đồ địa hình là cơ sở để biên tập thành lập các loại bản đồ tỷ lệ nhỏ hơn, ngoài ra nó còn được dùng làm bản đồ nền cho các loại bản đồ chuyên đề

Tuỳ theo mục đích yêu cầu sử dụng và độ chính xác các yếu tố địa vật, địa hình mà bản đồ địa hình chia thành nhiều tỷ lệ khác nhau

Bản đồ địa hình được chia thành 3 nhóm:

- Bản đồ địa hình tỷ lệ lớn: có tỷ lệ từ 1:500 đến 1:5000

- Bản đồ địa hình tỷ lệ trung bình: có tỷ lệ từ 1:10000 đến 1:25000

- Bản đồ địa hình tỷ lệ nhỏ: có tỷ lệ từ 1:50000 đến 1:100000

Bản đồ địa hình có tỷ lệ càng lớn thì độ chính xác thể hiện các yếu tố địa vật địa hình càng cao và mức độ thể hiện các yếu tố càng chi tiết Do đó ứng với mỗi ứng dụng cụ thể, người sử dụng sẽ lựa chọn những bản đồ có tỷ lệ phù hợp

1.2 Cơ sở toán học của bản đồ địa hình

1 Tỷ lệ bản đồ: ở Việt Nam việc xác định tỷ lệ bản đồ địa hình cũng tương

tự như các nước trên thế giới: đó là các tỷ lệ 1:500, 1:1000, 1:2000, 1:5000, 1:10000, 1:25000, 1:50000, 1:100000

2 Tọa độ bản đồ: Trên khung bản đồ địa hình tồn tại hai loại tọa độ: tọa độ

địa lý và tọa độ vuông góc

3 Phép chiếu bản đồ: ở Việt Nam

- Giai đoạn 1975 – 2000: sử dụng hệ quy chiếu HN-72 với phép chiếu

- Giai đoạn từ năm 2000 trở đi: sử dụng hệ quy chiếu và hệ tọa độ quốc gia VN-2000 với phép chiếu UTM

Bề mặt toán học được sử dụng để xử lý tổng thể mạng lưới trắc địa nhà nước hạng I, II là Ellipsoid WGS84 toàn cầu được định vị phù hợp với lãnh thổ Việt Nam trên cơ sở sử dụng điểm GPS cạnh dài có độ cao thuỷ chuẩn phân bố đều trên lãnh thổ Kích thước Ellipsoid WGS84 là:

- Bán trục lớn a = 6378137,0 m

- Độ dẹt f = 1/298,257223563

- Tốc độ quay quanh trục ω =7292115.10−11rad / s

- Hằng số trọng trường GM = 3986005.108m3.s−2

Mặt phẳng bản đồ địa hình thể hiện trên tọa độ phẳng UTM quốc tế với phép chiếu ngang toàn cầu Mercator với lưới chiếu trụ ngang đồng góc, có hệ số tỷ lệ biến dạng chiều dài k0 = 0,9996 (múi 60), k0 = 0,9999 (múi 30)

4 Chia mảnh và đánh số bản đồ: Chia mảnh, đánh số phiên hiệu mảnh và

ghi tên gọi của mảnh trên bản đồ địa hình tuân thủ theo điều 2.2 và 2.3 trong “Quy phạm thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ 1:500, 1:1000, 1:2000, 1:5000, 1:10000 và 1:25000” và ký hiệu bản đồ địa hình của Tổng cục Địa chính (nay là Bộ Tài nguyên và Môi trường)

1.3 Nội dung bản đồ địa hình

Bản đồ địa hình thể hiện các yếu tố địa vật và địa hình được phân chia thành

7 nhóm lớp:

- Lớp cơ sở toán học

- Lớp thuỷ hệ

- Lớp địa hình

- Lớp giao thông

- Lớp dân cư

- Lớp thực vật

- Lớp ranh giới hành chính

1.4 Độ chính xác của bản đồ địa hình

Đối với bản đồ địa hình, yêu cầu về độ chính xác biểu diễn các yếu tố trên bản đồ là công tác rất quan trọng, yếu tố độ chính xác cùng với mức độ chi tiết của bản đồ thể hiện chất lượng của tờ bản đồ Đánh giá đúng độ chính xác của bản đồ sẽ giúp cho người sử dụng bản đồ có cơ sở ứng dụng bản đồ đúng mục đích yêu cầu

Độ chính xác có hai loại: độ chính xác theo tỷ lệ bản đồ và độ chính xác theo các yếu tố thể hiện trên bản đồ

- Độ chính xác theo tỷ lệ bản đồ: thể hiện khả năng quan sát của mắt người khi sử dụng tấm bản đồ ở dạng bản đồ giấy Độ chính xác theo tỷ lệ được biểu diễn bằng công thức toán học: t = 0,1xM (mm)

Trong đó: t - độ chính xác của tỷ lệ bản đồ

M - mẫu số tỷ lệ bản đồ

0,1mm - khả năng nhận biết địa vật có kích thước không nhỏ hơn 0,1mm

- Độ chính xác theo các yếu tố thể hiện trên bản đồ: dựa vào 3 yếu tố cơ bản: độ chính xác vị trí mặt bằng và độ cao của các điểm khống chế trắc địa, độ chính xác vị trí các điểm địa vật, độ chính xác độ cao địa hình

+ Độ chính xác vị trí và độ cao các điểm khống chế: sai số trung phương vị

trí điểm khống chế so với điểm khống chế cấp cao không quá 0,2mm trên bản đồ vùng đồng bằng và không quá 0,3mm ở vùng đồi núi Sai số giới hạn độ cao điểm khống chế so với điểm khống chế cấp cao không quá 1/5 khoảng

cao đều đường đồng mức ở vùng đồng bằng và không quá 1/3 khoảng cao đều

ở vùng núi

+ Độ chính xác vị trí điểm địa vật: Sai số trung phương vị trí điểm địa vật

so với điểm khống chế gần nhất không quá 0,5mm đối với địa vật quan trọng và không quá 0,7mm đối với địa vật không quan trọng

+ Độ chính xác điểm độ cao địa hình: Sai số trung phương độ cao các điểm

địa hình trên bản đồ không quá 1/4 khoảng cao đều vùng đồng bằng và không quá 1/3 khoảng cao đều ở vùng núi

1.5 Các phương pháp thành lập bản đồ địa hình

Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, ứng dụng các thành tựu khoa học và công nghệ vào sản xuất hình thành nhiều phương pháp thành lập bản đồ khác nhau qua nhiều giai đoạn:

- Phương pháp đo vẽ bàn đạc

- Phương pháp đo vẽ toàn đạc quang cơ và toàn đạc điện tử

- Phương pháp đo vẽ bằng chụp ảnh mặt đất

- Phương pháp đo vẽ bằng không ảnh và không ảnh số

- Phương pháp đo vẽ phối hợp

- Phương pháp đo vẽ bằng ảnh vệ tinh

- Phương pháp đo vẽ bằng công nghệ GPS (Global Positioning System)

Sơ đồ 1: Các phương pháp thành lập bản đồ địa hình

Địa ảnh

PP đo trực tiếp ở thực địa PP đo ảnh PP biên tập từ bản đồ tỷ lệ lớn hơn

PP.đo vẽ bàn đạc

PP đo vẽ toàn đạc

và toàn đạc điện tử

PP đo vẽ bằng

công nghệ GPS

Không ảnh Ảnh vệ tinh

Ảnh đơn Ảnh lập thể

PP đo vẽ ảnhtoàn năng

PP đo vẽ ảnh giải tích

PP đo vẽ ảnh số

PP đo vẽ phối hợp Bản đồ địa hình

∗ Phương pháp đo vẽ bản đồ bằng không ảnh và không ảnh số:

Phương pháp đo vẽ ảnh ra đời từ những năm 50 của thế kỷ 19 với việc nhà chụp ảnh Paris Capar Felix Tour Nachon thực hiện chụp ảnh trên không bằng khinh khí cầu Đầu thế kỷ 20, các máy đo vẽ ảnh lập thể ra đời phục vụ công tác đo vẽ ảnh

Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, ý tưởng về tự động hoá đo vẽ ảnh xuất hiện với sự hợp tác giữa phòng nghiên cứu công trình quân sự Mỹ và công ty chế tạo máy quang học Bausch & lomb (Mỹ) chế tạo máy đo ảnh tự động vào những năm 1950

Nguyên lý hoạt động của nó là biến đổi cấp độ xám trên ảnh thành tín hiệu điện từ và sử dụng máy tính và các phần mềm chuyên dùng để xử lý các tín hiệu và thực hiện quá trình tự động đo vẽ ảnh

Với sự ra đời của công nghệ đo vẽ ảnh lập thể, công tác thành lập bản đồ được giảm thiểu phần ngoại nghiệp, tăng cường công tác xử lý nội nghiệp, giải phóng sức lao động chân tay của con người

Phương pháp đo vẽ ảnh lập thể được ứng dụng rộng rãi trong công tác thành lập bản đồ tỷ lệ lớn và trung bình trên những khu vực rộng lớn, những vùng hạn chế khả năng đi lại của con người

Phương pháp đo vẽ ảnh số dựa trên nguyên lý xử lý các bài toán giải tích với sự hỗ trợ của máy tính và phần mềm xử lý ảnh chuyên dụng, quá trình này thay thế phần lớn thao tác của con người trong quá trình đo vẽ ảnh (Xem hệ thống các phương pháp đo vẽ ảnh, bảng 1)

Bảng 1: Hệ thống các phương pháp đo vẽ ảnh

Thiết bị xử lý

Phương thức làm việc

Sản phẩm đầu ra

Máy đo ảnh tương tự

Người thao tác toàn bộ trên máy

Sản phẩm đồ giải (bản đồ dạng nét)

Máy đo ảnh giải tích

Người trợ giúp máy thao tác

Sản phẩm đồ giải và sản phẩm số (bản đồ số, file số liệu)

Chiếu ảnh số Trạm xử

lý ảnh số

Thao tác tự động có người trợ giúp

Sản phẩm số, sản phẩm đồ họa vector và raster

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO VẼ ẢNH LẬP THỂ

Cùng với sự phát triển của ngành Trắc địa - bản đồ, lịch sử phát triển của phương pháp đo vẽ ảnh trải qua nhiều giai đoạn khác nhau, mỗi giai đoạn phát triển của nó tương ứng với khả năng về công nghệ đương thời

Các phương pháp đo vẽ ảnh bao gồm:

- Phương pháp đo vẽ ảnh tương tự

- Phương pháp đo vẽ ảnh giải tích

- Phương pháp đo vẽ ảnh số

2.1 Phương pháp đo vẽ ảnh tương tự

Trong phương pháp đo vẽ ảnh tương tự có hai phương pháp đo vẽ khác nhau: phương pháp vi phân và phương pháp toàn năng

2.1.1 Phương pháp vi phân

Quá trình thành lập bản đồ gốc từ ảnh đo được tiến hành độc lập với nhau cả về không gian và thời gian

Số lượng công tác riêng biệt trong phương pháp vi phân phụ thuộc vào biện pháp sử dụng để đo vẽ bản đồ

Sản phẩm của phương pháp đo vẽ vi phân là bình đồ ảnh có đường đồng mức

Các thiết bị dùng đo vẽ ảnh trong phương pháp vi phân có độ chính xác thấp, năng suất không cao

Quy trình công nghệ thành lập bản đồ bằng phương pháp vi phân gồm các bước sau:

- Chụp ảnh hàng không

- Đo nối điểm khống chế ngoại nghiệp

- Điều vẽ ảnh hàng không

- Đo vẽ địa hình

- Tẩy trắng và chụp lại kết quả đo vẽ

- Chiếu hình chuyển vẽ địa hình, địa vật

- Thanh vẽ bản đồ gốc

Phương pháp trên xuất hiện ở Liên Xô (cũ) vào những năm 30 của thế kỷ 20, nay không còn được ứng dụng nữa

2.1.2 Phương pháp toàn năng

Phương pháp đo vẽ ảnh dựa trên nguyên lý xây dựng mô hình lập thể tương tự trên các máy đo vẽ toàn năng

Quy trình công nghệ thành lập bản đồ địa hình bằng phương pháp toàn năng như sau:

Sơ đồ 2: Quy trình thành lập bản đồ địa hình bằng phương pháp toàn năng

Bay chụp ảnh

Đo nối khống chế ngoại nghiệpTăng dày tam giác ảnh không gian

Đo vẽ trên máy toàn năng

Đoán đọc và

Khảo sát thiết kế, làm dấu mốc

2.2 Phương pháp đo vẽ ảnh giải tích

Phương pháp đo vẽ ảnh giải tích ra đời hoàn thiện phương pháp đo vẽ toàn năng

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

- Xây dựng hệ thống đo ảnh giải tích trên cơ sở liên kết chặt chẽ giữa các thiết bị đo ảnh chính xác cao với hệ thống máy tính và phần mềm chuyên dụng

Sự khác nhau giữa phương pháp giải tích và phương pháp toàn năngï: phương pháp giải tích lấy xử lý tính toán để thực hiện quá trình giao hội các tia chiếu trong không gian thay thế phép giao hội quang cơ của phương pháp đo vẽ ảnh toàn năngï

2.3 Phương pháp đo vẽ ảnh số

2.3.1 Tổng quát

Trong phương pháp đo ảnh số, dữ liệu đầu vào phục vụ công tác đo ảnh là ảnh dạng số, đó là ảnh chụp kỹ thuật số hoặc cũng có thể là ảnh tương tự được chuyển thành dạng số bằng hệ thống máy quét ảnh Khi quét ảnh, hệ thống máy quét ghi nhận tín hiệu từ tấm ảnh thông qua hệ thống thiết bị điện từ Các điểm ảnh được lưu trữ trong máy tính dưới dạng giá trị độ xám của điểm ảnh

Hệ thống đo vẽ ảnh số sẽ xử lý các tín hiệu điện từ của tờ ảnh để thành lập mô hình lập thể ảnh số

Các công tác chính khi đo vẽ thành lập bản đồ địa hình:

- Tăng dày khống chế ảnh

- Định hướng trong của tờ ảnh

- Định hướng tương đối cặp ảnh lập thể

- Định hướng tuyệt đối mô hình lập thể

- Thành lập mô hình lập thể

- Xác định toạ độ, độ cao điểm ảnh

- Nội suy đường đồng mức

Đo vẽ các đối tượng trong mô hình lập thể (chủ yếu là chi tiết địa vật) và trong ảnh nắn trực giao

Hiện nay, tồn tại 2 khái niệm về phương pháp đo ảnh số:

Khái niệm thứ nhất: phương pháp đo vẽ ảnh số là phương pháp xử lý các

thông tin hình học và thông tin vật lý của ảnh đo Phương pháp dựa trên nguyên lý của phương pháp đo vẽ ảnh kết hợp lý luận và phương pháp của nhiều lĩnh vực khoa học khác như: khoa học máy tính, kỹ thuật nhận dạng, kỹ thuật xử lý tín hiệu số,… Kết quả xử lý của phương pháp tồn tại dưới dạng số, tức là các số liệu đầu vào, số liệu trung gian và số liệu đầu ra đều ở dạng số

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

lý trung gian và sản phẩm cuối cùng của nó ở dạng số thì được gọi là phương pháp đo ảnh số

Theo khái niệm thứ hai, có 2 phương pháp đo ảnh số:

Phương pháp đo vẽ ảnh số có sự trợ giúp của máy tính là phương pháp

đo vẽ ảnh sử dụng các hệ thống máy đo vẽ ảnh giải tích hoặc máy đo vẽ ảnh quang cơ kết hợp máy tính thu nhận dữ liệu và xử lý dữ liệu thành lập bản đồ số, mô hình độ cao số,

Phương pháp đo vẽ ảnh số sử dụng hệ thống máy tính và các phần mềm chuyên dụng thực hiện quá trình xử lý ảnh một cách tự động Phương pháp này không cần sử dụng các máy quang cơ và các thao tác truyền thống

Dữ liệu đầu vào sử dụng các ảnh số hoặc ảnh quang học analog thông qua quá trình số hoá ảnh

Dựa vào quá trình số hoá ảnh, có 3 phương pháp đo vẽ ảnh số:

a) Phương pháp đo ảnh số phối hợp: người ta lắp đặt bộ số hoá CCD trên máy đo ảnh giải tích để số hoá từng phần của tờ ảnh, dữ liệu số hoá thu nhận thông qua bộ tổ hợp

Một số hệ thống tiêu biểu như:

- Hệ thống DCCS (Digital Comparator Correlation System) của hãng Helava

- Hệ thống của hãng Wild và Kern

b) Phương pháp đo ảnh toàn số: dữ liệu đầu vào là các ảnh số, tín hiệu ảnh được ghi nhận thông qua các hệ thống điện từ Nếu

tư liệu đầu vào là ảnh analog thì phải tiến hành số hoá ảnh Một số hệ thống đo vẽ ảnh sử dụng phương pháp này như:

- Imagestation (Intergraph - Mỹ)

- Leica – helava (Thuỵ sỹ)

- Photomod (Racurs – Nga)

c) Phương pháp đo ảnh số tức thời: quá trình ghi nhận và xử lý thông tin tờ ảnh diễn ra đồng thời với sự kết hợp giữa thiết bị chụp ảnh và máy tính

Một số hệ thống tiêu biểu như:

- IRI – D256 (Canada)

- RTP (Thuỵ sỹ)

Điểm khác nhau giữa phương pháp đo ảnh toàn số với phương pháp đo ảnh tương tự và phương pháp đo ảnh giải tích là quá trình số hoá và xử lý thông tin bức xạ của ảnh đo Thông tin bức xạ của các điểm ảnh là yếu tố đóng vai trò rất quan trọng trong phương pháp đo vẽ ảnh số

Sự ra đời của phương pháp đo vẽ ảnh số làm cho các hệ thống đo vẽ ảnh

cá nhân kết hợp phần mềm chuyên dụng dần dần thay thế các máy đo vẽ quang

Với sự ra đời của phương pháp đo vẽ ảnh số, các trạm đo vẽ ảnh số tự động và bán tự động dần dần thay thế các máy đo vẽ quang cơ truyền thống

Phổ biến hiện nay là các trạm xử lý ảnh số của các hãng: ImageStation (Intergraph - Mỹ), Leica – Helava (Thuỵ Sĩ), Photomod (Rakurs – Nga)

Đây là những hệ thống xử lý ảnh số trên các hệ thống máy tính trạm (station) hoặc máy tính cá nhân (PC) Các hệ thống này gọn nhẹ hơn so với các máy đo vẽ toàn năng trước đây

2.3.2 Các ứng dụng của phương pháp đo ảnh số

- Thành lập các loại bản đồ địa hình dạng số tỷ lệ lớn và trung bình

- Thành lập bản đồ địa chính các tỷ lệ từ 1/1000 - 1/25000

- Thành lập bản đồ ảnh trực giao

- Thành lập mô hình độ cao số địa hình; xây dựng cơ sở dữ liệu độ cao phục vụ các ứng dụng trong hệ thống thông tin địa lý (GIS) nhờ khả năng kết nối của trạm đo ảnh số với các hệ thống GIS; phục vụ công tác lưu trữ, xử lý, phân tích, khai thác thông tin của các ngành kinh tế, quốc phòng,…

Ưu điểm của phương pháp ảnh số so với các phương pháp đo ảnh truyền thống trước đây là:

- Các sản phẩm dạng số (lưu trữ trên máy tính hoặc các thiết bị lưu khác như đĩa CDRom, thanh ghi, v.v.), các sản phẩm dạng số này được kết nối trực tiếp đến các hệ thống ứng dụng khác một cách nhanh chóng và hiệu quả

- Hệ thống trang thiết bị gọn nhẹ dễ vận chuyển, chiếm ít không gian

Nhược điểm: Các trang thiết bị khấu hao nhanh nên chưa thể trang bị rộng

khắp trong sản xuất Người sử dụng hệ thống cần được đào tạo các kỹ năng chuyên ngành

2.3.3 Hệ thống đo vẽ ảnh số

Sơ đồ 3: Hệ thống đo vẽ ảnh số

Ảnh hàng không (Analog) Ảnh hàng không (Digital)

Máy quét

Trạm đo vẽ ảnh số

Bảng số liệu khống chế mặt đất

Số liệu trắc địa

Sơ đồ, chú giải

Máy in Hệ thống thông tin địa lý Bản đồ số

Ảnh trực giao Bản đồ giấy

a) Máy quét

Máy quét dùng chuyển đổi ảnh từ dạng tương tự sang dạng số lưu trên máy tính Ảnh quét chuyển đổi được nhờ bộ cảm ghi nhận cường độ ánh sáng của các phần tử ảnh

Bộ cảm có hai loại:

Bộ cảm ghi nhận cường độ ánh sáng theo thang độ xám

Bộ cảm ghi nhận cường độ sáng theo tổ hợp màu

Máy quét có thể phân thành 2 loại:

Máy quét hình trống: mặt số hoá của máy dạng hình trụ quay quanh trục Máy quét dạng phẳng: có hai loại

Quét xuyên: tia sáng đi xuyên qua ảnh quét

Quét phản xạ: tia sáng phản xạ trên bề mặt ảnh quét

Máy quét dạng phẳng có tốc độ quét chậm nhưng cho ảnh quét có độ ổn định cao, sai số ép phim rất nhỏ

Máy quét dùng trong đo ảnh phải thoả mãn 2 điều kiện: độ chính xác hình học của ảnh quét và độ chính xác bức xạ

Hình dạng và giá trị độ xám của pixel ảnh hưởng lớn đến các kết quả xác định từ mô hình lập thể của phép đo ảnh số

Những tấm ảnh quét dùng máy quét thông thường trước khi tiến hành xây dựng mô hình lập thể đều phải qua công đoạn hiệu chỉnh hình học và hiệu chỉnh bức xạ của ảnh quét (Xem bảng 2: thông số kỹ thuật của một số loại máy quét ảnh)

Bảng 2: Các thông số kỹ thuật máy quét ảnh Nhà sản xuất Tên máy Độ phân giải ( )µm Độ chính xác ( )µm

b) Trạm đo vẽ ảnh số

Trạm đo ảnh số là hệ thống xử lý dữ liệu đầu vào trong phép đo ảnh số: ảnh dạng số, số liệu đo đạc thực địa, các thiết bị xuất - nhập

Trạm đo ảnh số là sản phẩm của sự kết hợp giữa cơ sở lý thuyết trắc địa - bản đồ với thành tựu khoa học trong lĩnh vực điện tử, công nghệ thông tin

Trạm đo ảnh số cần sự phát triển về khoa học máy tính, không yêu cầu nhiều về lĩnh vực cơ khí chính xác như trong các máy đo vẽ ảnh toàn năng

Sơ đồ tổng quát trạm đo vẽ ảnh số như sau:

Sơ đồ 4: Trạm đo vẽ ảnh số

Bộ xử lý trung tâm (CPU)

Bộ xử lý đồ họa (Card đồ hoạ)

Màn hình hỗ trợ 3D độ phân giải cao

Thiết bị lưu trữ:

CDRom Đĩa mềm Thanh ghi

Thiết bị ngoại vi:

Bộ xử lý đồ hoạ: Card đồ hoạ hỗ trợ 3D, ví dụ card Intense 3D Pro của hãng Intergraph

Màn hình: Các màn hình phẳng tần số quét từ 120hz rất phổ biến trên thị trường hiện nay

Thiết bị lưu trữ: thời đại công nghệ thông tin đang phát triển mạnh mẽ hiện nay liên tục cho ra đời những thiết bị lưu trữ như ổ cứng có dung lượng lưu trữ đến hàng trăm Gigabyte, đĩa DVD có dung lượng đến hàng chục Gigabyte, hoàn toàn đáp ứng nhu cầu lưu trữ dữ liệu số

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

Ngồi hệ thống máy trạm Workstation (hãng Intergraph) đã được trang bị tại các cơng ty đo đạc ảnh ở Việt Nam hiện nay, hệ thống đo vẽ ảnh số trên các máy cá nhân (PC) như hệ thống Photomod (Racurs – Nga), 3D Mapper (Úc) cũng dần trang

bị cho các cơ sở nghiên cứu và đo đạc phục vụ cơng tác đo vẽ bản đồ bằng phương pháp khơng ảnh số

b.1.) Trạm đo ảnh số Imagestation (Intergraph - Mỹ)

Trạm đo vẽ ảnh rất hiện đại chạy trên hệ thống máy tính trạm (Workstation) có khả năng tự động hoá cao, thực hiện hầu hết các công tác đo vẽ ảnh số:

- Định hướng ảnh

- Tăng dày khống chế ảnh

- Thành lập mô hình lập thể

- Xây dựng mô hình độ cao số

- Nắn ảnh trực giao

- Số hoá các đối tượng địa vật, địa hình

- Nội suy tự động đường bình độ

Quy trình xử lý thực hiện với tốc độ cao

Trang thiết bị của hệ thống gồm các phần chính sau:

- Máy quét Photoscan PS1 hoặc SCAI(do Đức sản xuất)

- Bộ xử lý trung tâm (CPU): tối thiểu là PentiumII 300Mhz

- Bộ xử lý đồ hoạ: EdgeII+

- Bộ nhớ động: 128MB of Ram

- Đĩa cứng: 15Gb

- Màn hình: 18 inch, tần số 120Hz

- Kính lập thể

- Bộ kích hoạt hồng ngoại

- Chuột 3D điều khiển bằng hai tay

- Hệ điều hành: Windows NT, UNIX

Hiện nay, hãng Intergraph đang chuyển dần từ các trạm đo trên máy chủ phức tạp sang hệ thống các máy cá nhân (PC) với hệ điều hành Windows giúp người sử dụng dễ dàng thao tác

Hệ thống phần mềm của trạm đo vẽ ảnh Imagestation

- ISPM (Image Station Photogrammetric Manager): quản lý khu đo trong máy tính như: máy chụp ảnh, chiều cao bay chụp, tọa 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 các đối tượng chi tieát 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 thủy, phân thủy cho phép tạo mô hình độ cao số 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 theo nguyên lý khớp ảnh)

Ngoài ra, hệ thống còn có các phần mềm kèm theo:

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

- MGE (Modular GIS Environment): 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, xuất bản bản đồ

b.2.) Hệ thống 3D Mapper

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)

Trang thiết bị của hệ thống bao gồm:

- Bộ xử lý trung tâm (CPU): tối thiểu là PentiumII 350Mhz

- Bộ nhớ động: 128 MB of Ram

- Ổ cứng: 6GB

- Màn hình: 17 inch, 120Hz

- Chuột 3D

- Kính lập thể

- Hệ điều hành: Win NT, Win 98

b.3.) Hệ thống Photomod

Hệ thống xử lý ảnh số chạy trên máy tính cá nhân của hãng Racurs (Nga) hiện đang phổ biến trên thế giới; tại Việt Nam, Photomod là một trong những hệ thống được áp dụng trong công tác đo ảnh số phục vụ 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 ảnh số với khả năng tự động hoá cao, ngoại trừ phần tăng dày khống chế ảnh phụ thuộc thao tác của người sử dụng

Phần cứng:

- Bộ xử lý trung tâm (CPU): tối thiểu PentiumII, 300Mhz

- Ổ cứng : 2 Gb

- Màn hình : 17 inch, 120hz

- Chuột thông thường, chuột 3D, bàn phím

- Kính lập thể, kính 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 Aerial Triangulation: định hướng trong, định hướng tương đối, định hướng tuyệt đối

- Photomod Solver: bình sai khống chế ảnh

- Photomod montage desktop: hiển thị 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,

c) Máy in

Sản phẩm của trạm đo ảnh số được lưu trữ ở hai dạng:

- Dạng số: đĩa cứng, đĩa CDRom,

- Dạng giấy: các bản đồ giấy Dạng lưu trữ này cần được in ra giấy thông qua hệ thống máy in Có nhiều loại máy in khác nhau trên thị trường:

- Máy in có độ phân giải thấp: độ phân giải ≥30µm

- Máy in có độ phân giải trung bình: 10µm÷20µm

- Máy in có độ phân giải cao: <10µm

Phân loại theo kiểu in: có 5 loại

CHƯƠNG 3

CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP ĐO ẢNH SỐ 3.1 Cơ sở lý thuyết đo ảnh

3.1.1 Khái niệm ảnh đo

Ảnh đo là hình ảnh thu nhận các đối tượng trên mặt đất dựa trên nguyên lý phép chiếu xuyên tâm Ảnh đo là dữ liệu gốc phục vụ công tác đo đạc trong phương pháp đo ảnh

Trong phương pháp đo ảnh số, ảnh đo là kết quả của quá trình quét ảnh điện từ và ghi nhận lại giá trị các điểm ảnh

Ảnh đo có những tính chất sau:

- Nội dung ảnh đo phản ánh trung thực các đối tượng trên bề mặt đất nhưng chưa thể hiện theo đúng yêu cầu của bản đồ địa hình

- Mức độ chi tiết và khả năng đo đạc của ảnh đo phụ thuộc vào điều kiện và phương thức chụp ảnh như: khí tượng, thiết bị, điều kiện bay chụp ảnh

- Ảnh đo chỉ là nguồn thông tin ban đầu phục vụ quá trình đo đạc chứ không thể sử dụng ảnh đo như kết quả của quá trình đo đạc do:

- Quan hệ tọa độ các điểm ảnh và các điểm tương ứng trên thực địa là quan hệ theo phép chiếu xuyên tâm, không phải là phép chiếu vuông góc như trong bản đồ

- Tỷ lệ các đối tượng và theo các phương trên ảnh không đồng nhất như trên bản đồ do ảnh bị nghiêng và lồi lõm của bề mặt địa hình

- Hình ảnh các đối tượng trên ảnh không chính xác về vị trí và bị biến dạng do quá trình chiếu hình, biến dạng vật liệu chụp ảnh, sai số chụp ảnh,

Do đó, để sử dụng ảnh đo trong công tác đo đạc thành lập bản đồ, cần nghiên cứu

Hình 1: Quan hệ hình chiếu ảnh chụp và bản đồ

Chiếu thẳng

Chiếu xuyên tâm

Mặt đất Ảnh chụp

Bản đồ

S

Từ hình 1, ta thấy khi các đối tượng trên mặt đất chiếu lên bản đồ qua phép chiếu thẳng thì hình dạng các đối tượng được giữ nguyên, trong khi các đối tượng trên mặt đất chiếu lên ảnh theo phép chiếu xuyên tâm thì hình dạng các đối tượng bị biến dạng về mặt hình học và vị trí điểm

3.1.2 Yếu tố hình học ảnh đo

Hình 2: Các yếu tố hình học ảnh đo

S

fk

O

- Mặt phẳng vật: mặt phẳng E là mặt phẳng vật

- Mặt phẳng ảnh: P là mặt phẳng ảnh, thông thường mặt phẳng P nghiêng

so với mặt phẳng vật một góc α, α gọi là góc nghiêng của ảnh

- S là tâm chụp ảnh hay tâm chiếu Khoảng cách từ S đến mặt phẳng P gọi là tiêu cự f

- Dựng mặt phẳng qua S vuông góc với mặt phẳng P và E, mặt phẳng này gọi là mặt phẳng đứng chính W

- Vết của mặt phẳng đứng chính W trên mặt phẳng ảnh P tạo nên đường dọc chính V-V

- Vết của mặt phẳng đứng chính W trên mặt phẳng vật E tạo nên đường hướng chụp

- Giao tuyến của mặt phẳng vật E và mặt phẳng ảnh P tạo nên đường nằm ngang TT

- Từ tâm chiếu S kẻ đường vuông góc đến mặt phẳng ảnh P tại O, O gọi là điểm chính ảnh

- Từ S kẻ đường vuông góc với mặt phẳng vật E, giao của đường vuông góc với mặt phẳng ảnh P là điểm n, n gọi là điểm đáy ảnh

- Từ góc OSn kẻ đường phân giác, đường này giao với mặt phẳng ảnh P tại

c, c gọi là điểm đẳng giác

- Từ tâm S kẻ đường song song với mặt phẳng W, đường này giao với mặt phẳng ảnh P tại I, I gọi là tụ điểm chính

- Qua điểm tụ chính I, kẻ đường nằm ngang chứa trong mặt phẳng P gọi đường chân trời (hi-hi)

- Tại điểm chính ảnh O, kẻ đường song song với đường nằm ngang TT gọi là đường nằm ngang chính (h0-h0)

- Tại điểm đẳng giác c kẻ đường song song với đường nằm ngang TT tạo thành đường đẳng tỷ lệ (hc-hc)

- Khoảng cách từ tâm chiếu S đến mặt phẳng vật E gọi là chiều cao bay chụp ảnh H

3.1.3 Tỷ lệ mô hình lập thể

Trong thực tế mô hình lập thể tạo nên qua việc thực hiện sự phản nghịch hình học của qúa trình chụp ảnh không thể có kích thước bằng kích thước của đối tượng chụp (như miền thực địa)

Thông thường khi xây dựng mô hình lập thể, cạnh đáy chụp ảnh B có thể thu nhỏ tuỳ ý, nhưng vị trí tương đối của hai tấm ảnh trong cặp ảnh lập thể vẫn được khôi phục và do đó các tia chiếu cùng tên vẫn giao nhau từng cặp trong không gian để tạo nên mô hình lập thể Như vậy, mô hình này đã được thu nhỏ so với đối tượng thật (miền thực địa)

Tỷ lệ của mô hình lập thể được xác định theo tỷ số giữa độ lớn của cạnh đáy chiếu ảnh b và cạnh đáy chụp ảnh B, tức là:

k B

3.1.4 Xây dựng và định hướng mô hình lập thể

Định hướng mô hình lập thể là quá trình phục hồi lại những điều kiện hình học

lúc chụp ảnh của một cặp ảnh lập thể được gọi là định hướng mô hình lập thể Nhiệm vụ của định hướng mô hình lập thể là xác lập vị trí không gian của các tấm ảnh trong hệ toạ độ không gian vật ( thường là hệ tọa độ trắc địa)

Vị trí của ảnh đo trong hệ tọa độ không gian vật được xác định bằng sáu nguyên tố định hướng ngoài của ảnh là:

- Toạ độ của tâm chụp: X0, Y0, Z0

- Các góc định hướng của ảnh: ϕ , ω, χ hoặc t, α , χ

Vì vậy để xác định vị trí của một cặp ảnh lập thể trong hệ tọa độ không gian vật ( hệ tọa độ trắc địa) cần phải xác định 12 nguyên tố định hướng ngoài của ảnh trái và ảnh phải là:

- Định hướng tương đối

- Định hướng tuyệt đối

a) Định hướng trong

Quá trình định hướng trong nhằm khôi phục chùm tia chiếu khi chụp ảnh

Các yếu tố định hướng trong của tờ ảnh:

- Tọa độ phẳng (x0, y0) của điểm chính ảnh

- Tiêu cự camera chụp ảnh (f): là khoảng cách từ tâm chiếu S đến điểm chính ảnh

Trong phương pháp đo ảnh số, quá trình định hướng trong thực hiện như sau: xác định trên ảnh vị trí các mấu khung (4 điểm hoặc 8 điểm) có tọa độ ảnh (xi, yi); kết hợp với tiêu cự camera chụp ảnh và toạ độ điểm chính ảnh Hệ thống phần mềm thực hiện quá trình tính toán chuyển đổi các điểm ảnh (pixel) từ hệ toạ độ máy tính sang hệ tọa độ mặt phẳng ảnh theo nguyên tắc số bình phương nhỏ nhất

Hình 3: Các nguyên tố định hướng trong

Đó là quá trình làm cho các cặp tia chiếu cùng tên của cặp ảnh lập thể giao nhau trong không gian để xác định vị trí tương đối của hai tấm ảnh trong cặp ảnh lập thể

Cơ sở của quá trình định hướng tương đối cặp ảnh lập thể là số chênh của các nguyên tố định hướng ngoài tương ứng của cặp ảnh, tức là:

Điều đó cho thấy: các nguyên tố định hướng tương đối của cặp ảnh lập thể có thể được định nghĩa khác nhau trong từng hệ thống định hướng tương đối riêng của cặp ảnh, nhưng luôn luôn gồm năm yếu tố và chỉ có 5 yếu tố mà thôi

c) Định hướng tuyệt đối mô hình lập thể

Sau quá trình định hướng tương đối cặp ảnh lập thể, mô hình lập thể đã được hình thành, nhưng tỷ lệ và vị trí của nó chưa được xác định trong hệ tọa độ trắc địa

Các yếu tố tham gia vào quá trình định hướng tuyệt đối mô hình lập thể bao gồm:

- Độ lớn của cạnh đáy chiếu ảnh B theo một tỷ lệ nhất định, tức là tỷ lệ của mô hình (m)

- Toạ độ không gian của điểm gốc hệ tọa độ mô hình ( X0, Y0, Z0 )

- Các góc định hướng của ba trục tọa độ mô hình trong hệ tọa độ trắc địa

( , , K) Φ Ω

Bảy yếu tố này được gọi là các yếu tố định hướng tuyệt đối của mô hình lập thể

3.2 Những vấn đề cơ bản trong đo vẽ ảnh số:

Aùp dụng công nghệ đo vẽ ảnh số nghĩa là thực hiện các phép toán của đo vẽ giải tích lên các dữ liệu ảnh số Trong đo vẽ ảnh số thì ảnh lưu trên phim, kính hoặc trên giấy được thay thế bằng các dãy phần tử ảnh (pixel) với hình dạng và kích thước cụ thể Mỗi pixel có một giá trị số nguyên đại diện cho lượng bức xạ phổ trung bình mà bộ cảm biến nhận được từ các phần tương ứng ở thực địa Lượng bức xạ này có thể được ghi trực tiếp bởi bộ cảm biến (ảnh số chụp trực tiếp) hoặc thông qua đo mật độ quang học của ảnh chụp (ảnh quét từ phim) Các giá trị độ xám của pixel là kết quả của phép lượng tự hoá sự biến đổ tương tự – số của tín hiệu điện từ trong máy cảm biến Các pixel còn tạo nên hệ tọa độ ảnh số (Dereyi, 1995) Aûnh tương tự được tạo bởi các hạt muối halogen bạc với hình dạng và kích thước khác nhau và ghi nhận bức xạ dưới dạng mật độ quang học Trong đo vẽ ảnh số, sản phẩm ảnh tương tự này phải được thay thế bằng ảnh dưới dạng số để có thể sẳn sàng cho quá trình xử lý trong máy tính Do vậy thuật ngữ

“đo vẽ ảnh số” từ đó mà xuất hiện

3.2.1 Khái niệm ảnh số

3.2.1.1 Điểm ảnh (pixel)

Mộ ảnh là tập hợp các điểm ảnh tạo nên, về mặt toán học có thể quan niệm điểm ảnh như một hàm A(x,y) với hai biến số x, y Giá trị hàm số ở điểm ảnh A(x,y) tương ứng với giá trị xám B hoặc độ xám của ảnh

Để xử lý ảnh trên máy tính cần thiết phải số hoá ảnh Số hoá ảnh là quá trình biến đổi tín hiệu tương tự liên tục sang tín hiệu số rời rạc, nghĩa là các giá trị xám là các biến được làm gián đoạn và còn được lượng tử hoá Như vậy, một ảnh

A khi được số hoá sẽ tạo thành ma trận m hàng và n cột được mô tả như mảng hai chiều trong đó các phần tử của ma trận A là những điểm ảnh gián đoạn A(x,y)

Một ảnh có m*n điểm ảnh, tọa độ các điểm được đo trên ảnh phải thoả mãn điều kiện:

Độ lớn của pixel thể hiện độ phân giải của ảnh số Ví dụ ảnh quét với độ phân giải 20µmnghĩa là pixel có kich thước ∆x=∆y=20µm

3.2.1.2 Giá trị độ xám (Gray scale value)

Giá trị độ xám là sự mã hoá tương ứng cường độ sáng của mỗi điểm ảnh bởi một giá trị số Quá trình mã hoá này được thể hiện khi xem xét nguyên lý hoạt động của các thiết bị tích điện kép (Charge Coupled Devices, CCD) trong các bộ cảm biến Thực chất của CCD là chip silicon giữ vai trò biến đổi năng lượng phản xạ thu được sang dòng điện, cấu tạo giống như các diod quang điện có cùng đặc tính được ghép lại với nhau thành một hàng để cảm nhận đồng thời

giá trị độ sáng ứng với từng pixel (Lê Văn Trung, giáo trình Viễn Thám, 2005) Dưới dạng tín hiệu số, mỗi pixel được gán cho một giá trị số, các giá trị số này được thể hiện bằng mức độ xám tương ứng

Dưới góc độ về tin học thì dữ liệu số nói chung và ảnh số nói riêng được cấu thành từ các số nhị phân (bit) Tất cả máy tính đều dùng bit làm cơ sở cho mọi quá trình xử lý số liệu Một bit có thể được xem như một trạng thái mở hoặc tắt và có giá trị 1 hoặc 0 Aûnh số 1 bit có thể được minh hoạ như hình 4, ảnh số của chữ H màu đen trên nền trắng với mỗi pixel được lưu trữ bởi 1 bit Như vậy, ảnh 1 bit chỉ có 2 thang độ xám là 0 và 1 với giá trị 0 thể hiện màu đen và giá trị

1 thể hiện màu trắng

Hình 4: Aûnh số 1 bit

Trên thực tế người ta phải lưu trữ ảnh số với nhiều thang độ xám Để mở rộng thang độ xám của ảnh số phải dùng nhiều bit hơn để lưu trữ từng pixel, ảnh

n bit có thang độ xám từ 0 đến Hiện nay, ảnh trắng đen phổ biến nhất là ảnh 8 bit (8bit = 1 byte) với thang giá trị độ xám từ 0 đến 255 (256 cấp độ xám) Aûnh màu thường được lưu trữ theo 3 kênh: Red, Green, Blue, mỗi kênh có 256 cấp độ xám

)12( n −

Mã hoá hiện nay đang được sử dụng nhiều nhất và phổ thông nhất trong các công nghệ ảnh số là 256 cấp độ xám (8 bit), do vậy với 256 cấp độ xám mỗi pixel được mã hoá trên 8 bit ( = 1byte)

Khi một ảnh được số hoá, tức là được biểu diễn bởi mảng hai chiều có m hàng và n cột đồng thời gắn với mỗi pixel có 256 mức xám Ma trận độ xám của các pixel B(m,n) có dạng:

)2,()1,(

)2,2()1,2(

),1(

)2,1()1,1(

n m B m

B m B

n B B

B

n B B

B

Trong công thức (3.3) mỗi pixel có một giá trị độ xám B và có vị trí tính theo hàng – cột Số hàng được tính từ 1 đến m, số cộ được tính từ 1 đến n

Độ lớn của mỗi file ảnh quét có thể tính bằng công thức:

Dung lượng (bytes) = n×∑p i

Trong đó: n: số bit dùng lưu ảnh (7 bit, 8 bit, 16 bit, )

8: 8 bit = 1 byte ∑p i : tổng số pixel (điểm ảnh) của một tấm ảnh

Ví dụ: Một tấm ảnh hàng không dạng trắng đen có kích thước 23cmx23cm được quét với độ phân giải 23µmvà lưu ở 8 bit có dung lượng:

10 23

10 23 10

23

10 23 8

6

2 6

2

Megabytes MB

bytes m

m m

3.2.2 Kỹ thuật nâng cao chất lượng ảnh

Một số công đoạn xử lý ảnh trong đo vẽ ảnh số thường sử dụng các kỹ thuật nâng cao chất lượng ảnh Các kỹ thuật này áp dụng các thuật toán xử lý thông tin bức xạ của dữ liệu ảnh số nhằm làm nổi bật các đối tượng cần quan tâm và giúp cho việc giải đoán bằng mắt hoặc bằng máy móc được thực hiện dễ dàng và chính xác hơn Trong đo vẽ ảnh số thì các kỹ thuật thường được áp dụng nhất là thu phóng ảnh và biến đổi độ tương phản Người thao tác có thể thu nhỏ ảnh để xem xét hình ảnh một cách tổng quát hoặc để xác định các vùng phân bố chuẩn của điểm tăng dày trên ảnh Aûnh phóng to có thể giúp người thao tác chọn và đo điểm chính xác hơn Để xác định các điểm cùng tên một cách chính xác và tránh nhầm lẫn khi chọn các điểm này người thao tác có thể phải kết hợp tất cả các kỹ thuật như: phóng to, thu nhỏ, biến đổi độ tương phản

3.2.2.1 Thu phóng ảnh số

Trong đo vẽ ảnh số thường phải hiển thị trên màn hình máy tính toàn cảnh của một ảnh để có thể xác định tọa độ hàng cột của một phần hình ảnh chứa đựng khu vực đo vẽ Mỗi một file ảnh số bao gồm rất nhiều hàng và cột của các pixel tuỳ theo độ phân giải ảnh quét Tuy nhiên hầu hết các hệ thống xử lý ảnh số hiện nay chỉ hiển thị trên màn hình một hình ảnh có kích thước không lớn hơn 1024x1024 pixel trong một lần (Jensen, 1996) Do đó sẽ rất bổ ích nếu có một thuật toán đơn giản để làm giảm kích thước của file ảnh ban đầu sao cho chỉ cần một lần hiển thị cũng có thể hiển thị toàn bộ tờ ảnh Để thu nhỏ một file ảnh số xuống còn 1/m2 dung lượng ban đầu thì cứ m hàng lài có 1 hàng được chọn và cứ

n cột lại có 1 cột được chọn để hiển thị lên màn hình