Nghiên cứu sử dụng tư liệu ảnh được chụp bằng máy chụp ảnh kỹ thuật số với công nghệ dẫn đường và hệ thống đạo hàng quán tính trong thành lập bản đổ địa hình

64 CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM SỬ DỤNG TƯ LIỆU ẢNH ĐƯỢC CHỤP BẰNG MÁY CHỤP ẢNH KĨ THUẬT SỐ VEXCEL ULTRACAM XP W/A VỚI CÔNG NGHỆ DẪN ĐƯỜNG VÀ HỆ THỐNG ĐẠO HÀNG QUÁN TÍNH TRONG THÀNH LẬP BẢN ĐỒ

Bộ giáo dục và đào tạo Trường đại học mỏ - địa chất - -

Bộ giáo dục và đào tạo Trường đại học mỏ - địa chất - -

1

Lêi CAM §OAN

T«i xin cam ®oan ®©y lµ c«ng tr×nh nghiªn cøu cña riªng t«i C¸c sè liÖu, kÕt qu¶ trong luËn v¨n lµ trung thùc vµ ch−a tõng ®−îc ai c«ng bè trong bÊt kú c«ng tr×nh nµo kh¸c

Hµ Néi, ngµy 01 th¸ng 2 n¨m 2014

T¸c gi¶ luËn v¨n

T¨ng ThÞ Thu H−¬ng

2

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

MỤC LỤC 2

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 4

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 5

DANH MỤC CÁC BẢNG 7

MỞ ĐẦU 8

CHƯƠNG 1: CÔNG TÁC BAY CHỤP ẢNH HÀNG KHÔNG VÀ HỆ THỐNG MÁY CHỤP ẢNH KỸ THUẬT SỐ VECXEL ULTRACAM XP W/A 12

1.1 Giới thiệu chung về công tác bay chụp ảnh hàng không 12

1.2 Quá trình chụp ảnh hàng không và các yêu cầu kĩ thuật đối với công tác bay chụp ảnh 13

1.3 Máy chụp ảnh kĩ thuật số Vecxel Ultracam XP W/A 18

CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ GPS, HỆ THỐNG ĐẠO HÀNG INS/IMU TRONG HỖ TRỢ DẪN ĐƯỜNG BAY VÀ XÁC ĐỊNH CÁC NGUYÊN TỐ ĐỊNH HƯỚNG CỦA ẢNH 28

2.1 Hệ thống dẫn đường bay GPS và xác định tọa độ tâm ảnh 28

2.2 Hệ thống đạo hàng quán tính INS/IMU trong hỗ trợ dẫn đường bay và xác định các nguyên tố định hướng của ảnh 32

2.3 Ứng dụng tổ hợp GPS và INS/IMU trong công tác bay chụp ảnh 34

2.4 Quy trình bay chụp ảnh và xử lí số liệu của hệ thống máy chụp ảnh kĩ thuật số Vecxel Ultracam XP W/A 39

CHƯƠNG 3: QUY TRÌNH THÀNH LẬP BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH BẰNG TƯ LIỆU ẢNH ĐƯỢC CHỤP TỪ MÁY CHỤP ẢNH KỸ THUẬT SỐ VECXEL ULTRACAM XP W/A 48

3.1 Quy trình công nghệ 48

3.2 Bay chụp, xử lý ảnh 51

3.3 Tăng dày khống chế ảnh 55

3

3.4 Đo vẽ các yếu tố đặc trưng của địa hình 56

3.5 Thành lập mô hình số địa hình 58

3.6 Nắn ảnh số - thành lập bình đồ ảnh trực giao 61

3.7 Số hóa chi tiết địa vật trên máy PC 63

3.8 Biên tập trên máy PC 64

CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM SỬ DỤNG TƯ LIỆU ẢNH ĐƯỢC CHỤP BẰNG MÁY CHỤP ẢNH KĨ THUẬT SỐ VEXCEL ULTRACAM XP W/A VỚI CÔNG NGHỆ DẪN ĐƯỜNG VÀ HỆ THỐNG ĐẠO HÀNG QUÁN TÍNH TRONG THÀNH LẬP BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH 1:25.000 KHU VỰC TỈNH SƠN LA 65

4.1 Khái quát tình hình và đặc điểm khu đo 65

4.2 Tình hình tư liệu 66

4.3 Thiết kế kĩ thuật 66

4.4 Sử dụng tư liệu ảnh được chụp bằng máy chụp ảnh kĩ thuật số Vexcel UltraCam XP W/A với công nghệ dẫn đường và hệ thống đạo hàng quán tính trong thành lập bản đồ địa hình 1:25.000 khu vực tỉnh Sơn La 68

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 96

TÀI LIỆU THAM KHẢO 98

PHỤ LỤC 99

4

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

TIN Triangulated Irregular Networks Mạng lưới tam giac không

quy chuẩn

GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu IMU Inertial Measurement Unit Thiết bị đo quán tính

ISAT The ImageStation Automatic Triangulation Trạm tăng dày ảnh tự động

POS/AV Position and Orientation System for

INS Inertial Navigation System Hệ thống định vị quán tính DGPS Differential Global Positioning

5

DANH MỤC CÁC HèNH VẼ

Hỡnh 1.1: Độ phủ ngang, dọc ……15

Hỡnh 1.2: Hệ thống mỏy chụp ảnh kĩ thuật số VexcelUltraCam XP W/A 19

Hình 1.3: Nguyên lý ghép ảnh của máy UltraCam XP W/A………….…… 22

Hình 1.4: Các ảnh riêng biệt của hệ thống ống kính……… … 23

Hình 1.5: Máy chụp ảnh UltraCam Xp W/A và bộ xử lý ghi số liệu 24

Hình 1.6: Phía trong máy chụp ảnh và ổ cứng chứa dữ liệu.……… …… 25

Hình 1.7: Nơi đặt giá máy và nguồn điện cung cấp cho máy chụp ảnh .25

Hình 1.8: Chương trình dẫn đường bay 26

Hình 1.9: Phần mềm Camera Operation Software (COS) 3.60…… ……26

Hình 1.10: Các bước chính xử lý ảnh số của phần mềm Ultramap.… ….27

Hình 1.11: Kết nối mạng các máy tính để tận dụng bộ vi xử lý……… …27

Hỡnh 2.1: Sơ đồ cấu tạo Hệ thống định vị toàn cầu - GPS 28

Hỡnh 2.2: Hệ thống GPS/ IMU 36

Hỡnh 2.3: Hệ trục tọa độ tham chiếu mỏy ảnh và IMU……… …37

Hỡnh 2.4: Mỏy bay King Air B200 phục vụ cụng tỏc chụp ảnh hàng khụng 40

Hỡnh 2.5: Trạm xử lý dữ liệu của hệ thống UltraMap……… … 44

Hỡnh 2.6: Sản phẩm ảnh số ở 3 mức khỏc nhau……… …………45

Hỡnh 3.1: Sơ đồ quy trỡnh cụng nghệ thành lập bản đồ địa hỡnh sử dụng tư liệu ảnh được chụp bằng mỏy chụp ảnh hàng khụng kĩ thuật số Vecxel Ultracam XP W/A 49

Hỡnh 3.2: Một số ảnh do XN Chụp ảnh Hàng Khụng-C.Ty Trắc địa Bản đồ chụp bằng mỏy chụp ảnh kĩ thuật số Vecxel Ultracam XP W/A 54

Hỡnh 3.3: Đo vẽ lập thể trờn trạm ảnh số 58

Hỡnh 3.4: Kết quả DTM được nội suy từ kết quả đo vẽ bằng phần mềm Glober Mapper……… ……… ……… 61

Hỡnh 4.1: Sơ đồ bay chụp ảnh khu vực Sơn La 67

6

Hình 4.2: Sơ đồ tăng dày khu vực Sơn La……… ……… 70

Hình 4.3: Tăng dày tự động bằng chương trình Image Station Automatic Triangulation……… ……… 75

Hình 4.4: Đo vẽ bình độ, thủy hệ trên trạm đo vẽ ảnh số…… …92

Hình 4.5: Bình đồ ảnh………… ………93

Hình 4.6: Số hóa, biên tập các đối tượng tỷ lệ 1:25.00… ….94

Hình 4.7: Bản đồ địa hình tỷ lệ 1:25.000……… ………95

7

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Mối quan hệ giữa tỷ lệ ảnh, bản đồ và tiờu cự……… 16

Bảng 1.2: Cỏc thụng số kĩ thuật chủ yếu của mỏy chụp ảnh kĩ thuật số Vecxel Ultracam XP W/A…… ……… …… 20

Bảng 2.1: Quy trỡnh bay chụp ảnh và thu số liệu GPS/IMU… …… 42

Bảng 4.1: Bảng thành quả xỏc định tọa độ tõm ảnh…… ……… … 68

Bảng 4.2: Sai số mặt phẳng và độ cao các điểm khống chế sau bình sai 82

Bảng 4.3: Sai số mặt phẳng và độ cao các điểm kiểm tra sau bình sai 82

Bảng 4.4: Bảng thành quả tọa độ điểm tăng dày 83

Bảng 4.5: Tọa độ ảnh của cỏc điểm định hướng tương đối trờn ảnh trỏi và ảnh phải….… ……… 90

Bảng 4.6: So sánh tọa độ, độ cao của điểm kiểm tra trên trạm với điểm khống chế ảnh ngoại nghiệp 91

8

mở đầu

1 Tớnh cấp thiết của đề tài:

Trong công tác đo vẽ thành lập bản đồ địa hình, ảnh hàng không là tư liệu

đầu vào cực kỳ quan trọng Mặc dù những năm gần đây, ảnh vệ tinh có độ phân giải cao đN được thương mại hóa, nhưng trong vòng vài thập niên tới vẫn chưa thể thay thế được ảnh hàng không trong việc cung cấp chi tiết các dữ liệu mặt đất để thành lập bản đồ tỷ lệ vừa và lớn, chưa đáp ứng được yêu cầu về độ chính xác cũng như tính chủ động, chịu ảnh hưởng nhiều của thời tiết Những nước phát triển như Mỹ, Nhật, Đức, Hà Lan vẫn tiếp tục đầu tư và phát triển các hệ thống chụp ảnh số hàng không phục vụ cho nhu cầu chiến lược lâu dài Hiện tại trên thế giới đN có khoảng 200 hệ thống máy ảnh số được đưa vào sử dụng Nhiều dự án của nước ngoài đầu tư vào nước ta cũng như các nước trong khu vực đều đòi hỏi phải sử dụng sản phẩm từ máy ảnh số như một yêu cầu bắt buộc Trong công tác bay chụp ảnh hàng không trước đây, chưa có đủ điều kiện xác định các nguyên tố định hướng của ảnh, nên khi đo vẽ ảnh người ta phải dùng các điểm khống chế ảnh để khôi phục quan hệ hình học của các tấm

ảnh chụp trong hệ tọa độ được lựa chọn Tọa độ, độ cao các điểm khống chế

ảnh được xác định bằng các phương pháp đo đạc mặt đất, tăng dày điểm khống chế nội nghiệp (phương pháp bình sai lưới tam giác ảnh không gian)

theo đoạn hoặc theo khối

Ngày nay, người ta kết hợp với hệ thống POS/AV là hệ thống sử dụng máy định vị vệ tinh và bộ đo quán tính (GPS/IMU) thành một hệ thống tích hợp để quy chiếu trực tiếp về mặt đất các thành quả đo vẽ bản đồ từ trên máy bay, xác định trực tiếp các nguyên tố định hướng ngoài của các tấm ảnh Các loại bản đồ tỷ lệ 1/25.000 và nhỏ hơn sẽ được thực hiện nhanh chóng do không cần đo đạc khống chế ảnh ngoại nghiệp đặc biệt là các vùng đi lại khó khăn như vùng núi cao, hải đảo, các vùng tranh chấp có chiến sự

9

Những tiện ích mà máy chụp ảnh kỹ thuật số đem lại là rất lớn Ảnh số hàng không không những nâng cao dung lượng và chất lượng thông tin mà

còn mở ra nhiều ứng dụng trong lĩnh vực điều tra cơ bản, đồng thời thích ứng

với các hệ thống xử lý ảnh hiện đại như công nghệ đo vẽ thành lập bản đồ bằng

phương pháp ảnh số, công nghệ giải đoán ảnh số thành lập bản đồ chuyên đề,

công nghệ xây dựng cơ sở dữ liệu thông tin địa lý

Công nghệ chụp ảnh số kết hợp với công nghệ định vị toàn cầu (GPS) và

các hệ thống xác định quán tính (IMU) đN tạo ra một quy trình công nghệ

thành lập bản đồ hoàn chỉnh Sự kết hợp này cho phép dẫn đường bay, xác

định tọa độ tâm chụp ảnh và các thông số về các góc định hướng của ảnh, do đó

giúp cho công tác thành lập bản đồ từ ảnh hàng không giảm tối đa khối lượng

ngoại nghiệp, tiết kiệm thời gian và kinh phí

Nhận thức rõ tầm quan trọng đó, tác giả đN thực hiện đề tài “Nghiên cứu sử

dụng tư liệu ảnh được chụp bằng máy chụp ảnh kĩ thuật số với công nghệ

dẫn đường và hệ thống đạo hàng quán tính trong thành lập bản đồ địa hình”

để khẳng định việc sử dụng tư liệu ảnh hàng khụng kĩ thuật số phục vụ cụng

tỏc thành lập bản đồ địa hỡnh cỏc loại tỷ lệ khỏc nhau

2 Đối tượng và phạm vi

Nghiờn cứu cỏc khả năng ứng dụng thực tế của tư liệu ảnh hàng khụng

kĩ thuật số được chụp từ hệ thống mỏy chụp ảnh kĩ thuật số Vexcel Ultracam

XP W/A trong cụng tỏc thành lập bản đồ địa hỡnh

3 Mục đớch của luận văn

- Tỡm hiểu quy trỡnh bay chụp ảnh bằng mỏy chụp ảnh kĩ thuật số và

cỏc trị đo trong quỏ trỡnh bay chụp ảnh

- Đỏnh giỏ khả năng sử dụng cỏc nguyờn tố định hướng của ảnh trong

cụng tỏc tăng dày

- Đỏnh giỏ khả năng sử dụng trực tiếp cỏc trị đo trong cụng tỏc đo vẽ

thành lập bản đồ địa hỡnh

10

4 Nội dung nghiờn cứu

Nghiên cứu các vấn đề lý thuyết cơ bản nhất liên quan đến máy chụp ảnh

số hàng không, ảnh số được chụp từ máy chụp ảnh kỹ thuật số Vexcel UltraCam

XP W/A, sau đó trên thực tế sản xuất đưa ra kết quả để đánh giá khả năng sử dụng trực tiếp tọa độ tâm ảnh, các nguyên tố định hướng của ảnh được chụp bằng hệ thống máy chụp ảnh kỹ thuật số Vexcel UltraCam XP W/A để phục vụ cho công tác đo vẽ thành lập bản đồ địa hình

5 Phương phỏp nghiờn cứu

Trước hết, luận văn tập trung nghiên cứu các vấn đề lý thuyết cơ bản liên quan đến quá trình bay chụp ảnh số hàng không, sau đó trên thực tế sản xuất

đưa ra kết quả để đánh giá độ chính xác và các tính năng ưu việt của việc sử dụng tư liệu ảnh được chụp bằng máy chụp ảnh kỹ thuật số Vexcel UltraCam

XP W/A với công nghệ dẫn đường và hệ thống đạo hàng quán tính trong thành lập bản đồ địa hình

Phương pháp thống kê: Thu thập, tổng hợp, xử lý các thông tin và tài liệu liên quan

Phương pháp phân tích: Sử dụng các phương tiện và các công cụ tiện ích, phân tích logic các tư liệu, đánh giá khách quan các yếu tố để đưa ra kết luận chính xác làm cơ sở giải quyết các vấn đề đặt ra

Phương pháp so sánh: Tổng hợp các kết quả, so sánh, đánh giá, đưa ra các kết luận chính xác về vấn đề nêu ra

Phương pháp chuyên gia: Thu thập, tổng hợp và phân tích các ý kiến chuyên gia làm cơ sở đưa ra các kết luận khoa học

Phương pháp thực nghiệm: Tiến hành thực nghiệm để chứng minh cho các luận chứng khoa học đN đưa ra

6 ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Dựa trờn cơ sở cỏc trang thiết bị hiện cú tại cỏc đơn vị trắc địa bản đồ trong nước Qua khảo sỏt, tiến hành thực nghiệm và rỳt ra khả năng thành lập

11

bản đồ địa hỡnh khi sử dụng tư liệu ảnh được chụp bằng mỏy chụp ảnh kĩ thuật số Vexcel Ultracam XP W/A

7 Cấu trúc của luận văn

Luận văn gồm phần Mở đầu, 4 chương, phần Kết luận, tài liệu tham khảo, 2 phụ lục được trỡnh bày trong 109 trang với 9 bảng và 28 hỡnh

Trong suốt thời gian học tập tại trường Đại học Mỏ - Địa chất, tôi đN nhận

được sự giúp đỡ quý báu của các Thầy, Cô giáo trong trường; Ban lNnh đạo Xí nghiệp Chụp ảnh Hàng không nơi tôi công tác, cùng tập thể các bạn đồng nghiệp Nhân dịp này, tôi xin trân trọng gửi lời cảm ơn tới:

- Ban chủ nhiệm cùng toàn thể các thầy, cô giáo thuộc Khoa trắc địa, đặc biệt là bộ môn Đo ảnh viễn thám thuộc Trường đại học Mỏ - Địa chất, Hà Nội

- Xí nghiệp Chụp ảnh Hàng không, Công ty TNHH MTV Trắc địa - Bản đồ thuộc Cục Bản đồ, BTTM

- Xí nghiệp Bay chụp và đo vẽ ảnh thuộc Tổng công ty Tài nguyên và Môi trường Việt Nam

Cũng qua đây, tôi xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn trân trọng tới: PGS.TS Trần Đình Trí, TS Trần Trung Anh, những người đN trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ, đóng góp nhiều ý kiến quý báu cho tôi trong quá trình chọn và nghiên cứu đề tài này Tôi cũng xin cảm ơn tới toàn thể bạn bè, đồng nghiệp đN luôn quan tâm, động viên giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi học tập, công tác hoàn thành tốt khóa học

12

Chương 1 công tác bay chụp ảnh HàNG KHÔNG Và Hệ THốNG MáY ChụP ảNH Kỹ THUậT Số Vecxel Ultracam Xp W/A

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CễNG TÁC BAY CHỤP ẢNH HÀNG KHễNG

1.1.1 Khái niệm về quá trình chụp ảnh hàng không

Chụp ảnh hàng không là dùng các thiết bị bay trên không như kinh khí cầu, tàu lượn, máy bay để mang máy ảnh lên cao chụp bề mặt của mặt đất Sản phẩm của chụp ảnh hàng không là các tấm ảnh theo một tỷ lệ phù hợp với mục

đích sử dụng và dựa vào các tấm ảnh đó ta có thể tiến hành đo vẽ thành lập bản

đồ gốc hoặc đoán đọc điều vẽ các địa vật chụp được trên ảnh Quá trình chụp

ảnh hàng không có thể được thực hiện nhờ các máy chụp ảnh quang cơ hoặc máy chụp ảnh số

1.1.2 Các máy móc thiết bị hỗ trợ khác dùng cho công tác bay chụp

a) Giá máy chụp ảnh hàng không

Khi hoạt động, động cơ máy bay sẽ tạo ra một lực nhiễu loạn chu kỳ truyền cho tất cả các bộ phận trên máy bay trong đó có máy chụp ảnh hàng không Lực này sẽ tạo ra mômen xoắn không đều của động cơ máy bay, tạo ra sự không cân bằng động lực, tĩnh lực Ngoài ra, do luồng không khí xoáy của cánh quạt và thân máy bay, lực nhiễu loạn khí động học sẽ xuất hiện Những lực này sẽ làm cho các bộ phận của máy bay dao động với biên độ nhỏ nhưng có tần số lớn Nhờ có giá máy chụp ảnh nên máy ảnh được đưa về vị trí xác định, trong một số trường hợp máy ảnh còn được cân bằng và định hướng Ngoài

ra, giá máy chụp ảnh còn giảm bớt tác dụng rung động của máy bay đến máy chụp ảnh, giảm bớt độ xóc của máy bay đến máy ảnh khi cất, hạ cánh cũng như khi chạy trên mặt đất Giá máy chụp ảnh hàng không làm việc theo nguyên lý ổn định con quay hiện nay được dùng khá phổ biến trên thế giới Nó có khả năng:

13

- ổn định do xóc và lắc trong phạm vi ± 50;

- ổn định do trôi dạt phạm vi ± 30;

- Độ lệch góc còn lại của trục quang máy chụp ảnh so với

đườngdây dọi trong phạm vi ± 0,20

b) Thiết bị dẫn đường bay và xác định tọa độ tâm chụpảnh bằng GPS

Khi chụp ảnh ở vùng rừng núi ít điểm định hướng hoặc khi bay chụp tỷ lệ lớn do tốc độ mặt đất lớn nên việc dẫn đường bay bằng mắt gặp nhiều khó khăn

và gây căng thẳng cho hoa tiêu Để khắc phục khó khăn này, trong các hệ thống chụp ảnh hiện đại, ngoài thiết bị dẫn đường bằng mắt truyền thống như telescop, người ta còn trang bị hệ thống dẫn đường bằng GPS

Hệ thống định vị toàn cầu GPS là hệ thống xác định vị trí bằng cách đo khoảng cách tới các vệ tinh và không chỉ tạo ra khả năng mới cho việc dẫn

đường bay, mà còn cho cả việc xác định tọa độ không gian XS , YS , ZS của tâm chụp Sau khi GPS được ứng dụng vào chụp ảnh hàng không, ta tính được tọa

độ, độ cao tâm ảnh vào thời điểm chụp ảnh và các thông số này là yếu tố hỗ trợ thêm trong phần mềm tăng dày tọa độ điểm khống chế ảnh nội nghiệp, nhưng chỉ có số liệu GPS thì chưa tính được các nguyên tố định hướng ảnh Muốn xác định được nguyên tố định hướng ảnh tại thời điểm chụp ảnh, thì ta phải đưa vào khái niệm thiết bị định vị quán tính (IMU) Khi kết hợp GPS và IMU vào chụp ảnh hàng không thì ta có thể tính toán được tọa độ tâm ảnh và nguyên tố định hướng ảnh tại thời điểm chụp ảnh

1.2 QUÁ TRèNH CHỤP ẢNH HÀNG KHễNG VÀ CÁC YấU CẦU KỸ THUẬT ĐỐI VỚI CễNG TÁC BAY CHỤP ẢNH

1.2.1 Cỏc dạng chụp ảnh hàng khụng

Cụng tỏc bay chụp thường tiến hành trong điều kiện thời tiết tốt, trời trong ớt mõy bởi vỡ ảnh của cỏc đỏm mõy sẽ che khuất cỏc chi tiết địa hỡnh, địa vật của bề mặt thực địa chụp được trờn ảnh

Người ta chia ra: chụp ảnh đơn, chụp ảnh theo tuyến và chụp ảnh theo khối (nhiều tuyến)

14

Chụp ảnh đơn là chụp ảnh từng vùng nhỏ của khu đo theo từng tấm ảnh

riêng biệt Các tấm ảnh chụp kề nhau không có liên kết hình học với nhau Chụp ảnh đơn được dùng cho điều tra khảo sát, do thám quân sự, trên những vùng tương đối nhỏ, hoặc để chụp ảnh bổ sung các khu vực chụp sót, chụp thiếu

Chụp ảnh theo tuyến là chụp theo một tuyến đã bố trí sẵn có thể là thẳng,

gấp khúc hay uốn cong theo những khu đo đặc biệt, như phục vụ cho công tác khảo sát công trình thủy lợi, thủy điện Giữa các tấm ảnh kề nhau trên một tuyến có độ phủ lên nhau và gọi là độ phủ dọc, kí hiệu là p, đơn vị tính là %

lx - kích thước của phần phủ theo hướng dải bay

Trong đo vẽ địa hình, chụp ảnh theo tuyến được dùng cho việc bố trí các dải bay khung (dải bay chặn) theo hướng vuông góc với các dải bay chụp theo nhiều tuyến dùng để đo vẽ địa hình Việc bố trí dải bay khung như thế rất có lợi cho việc tăng dày điểm khống chế trong phòng, nó cho phép giảm được khá nhiều điểm khống chế ngoại nghiệp

Chụp ảnh theo khối (nhiều tuyến) còn gọi là chụp ảnh theo diện tích, là

chụp theo nhiều tuyến dải bay thẳng, song song với nhau và cách đều nhau Các tấm ảnh được chụp ngoài độ phủ dọc p% giữa các ảnh kề nhau trong cùng dải bay cũng có độ phủ ngang giữa các tấm ảnh trên hai dải bay kề nhau

Độ phủ ngang của ảnh hàng không được ký hiệu bằng q% và được xác định

15

Hình 1.1: Độ phủ ngang, dọc

Thường người ta quy định độ phủ dọc là 60% và độ phủ ngang khoảng 30%

Trong trường hợp cụ thể tùy theo loại địa hình, tùy theo yêu cầu sử dụng ảnh, các độ phủ này có thể thay đổi, nhưng không nhỏ hơn các giá trị trên

Theo tỷ lệ trung bình của ảnh chụp, người ta chia ra chụp ảnh tỷ

lệ lớn, tỷ lệ trung bình và tỷ lệ nhỏ

Khi chụp thẳng, tỷ lệ ảnh hàng không là hàm số của độ cao bay chụp

Hbc, tiêu cự kính vật máy ảnh fk, còn khi chụp nghiêng, ngoài Hbc và fk ra tỷ

lệ ảnh còn phụ thuộc vào góc nghiêng α trục quang máy chụp ảnh khi lộ

quang so với đường dây dọi và tung độ y của điểm ảnh trên ảnh Vì vậy:

- Chụp ảnh tỷ lệ lớn khi tỷ lệ trung bình của ảnh chụp lớn hơn 1: 10.000;

- Chụp ảnh tỷ lệ trung bình là khi tỷ lệ trung bình của ảnh chụp từ 1: 10.000 - 1:30.000

- Chụp ảnh tỷ lệ nhỏ là khi tỷ lệ trung bình của ảnh chụp nhỏ hơn 1:30.000

16

Quan hệ giữa tỷ lệ ảnh chụp và tỷ lệ bản đồ cần thành lập được thể hiện bằng công thức:

m = C M

Trong đó: m - mẫu số tỷ lệ của ảnh hàng không

C - hệ số kinh tế; theo các kết quả nghiên cứu lý luận và thực tiễn,

hệ số C thường được lựa chọn từ 130 - 400 với từng loại tỷ lệ bản đồ cần thành lập theo phương pháp lập thể và tuỳ thuộc vào phưong tiện kĩ thuật sử dụng;

M - mẫu số tỷ lệ bản đồ cần thành lập

Mối quan hệ giữa tỷ lệ ảnh chụp và tỷ lệ bản đồ cần thành lập, tiêu cự kính vật máy ảnh được thể hiện ở bảng 1.1:

Bảng 1.1: Mối quan hệ giữa tỷ lệ ảnh, bản đồ và tiêu cự

Tiêu cự kính vật máy chụp ảnh hàng không

(mm) khi đo vẽ bản đồ

theo phương pháp

đo vẽ lập thể

theo phương pháp phối hợp

17

1.2.2 Tính toán các thông số chụp ảnh

Khi lập thiết kế bay chụp, ngoài việc lựa chọn tỷ lệ chụp ảnh, độ

cao bay chụp và tiêu cự máy chụp, cần phải tính toán các thông số kỹ

thuật cơ bản sau:

1) Tính cạnh đáy chụp ảnh của hai ảnh kề nhau trên một dải bay Bx:

Bx=100

1(100- p%)s.m a

2) Tính khoảng cách giữa 2 dải bay kề nhau By:

By =100

1(100- q%)s.m a

Trong các công thức trên: s là kích thước của ảnh, p% và q% là độ phủ dọc và độ phủ ngang của ảnh

+1 với LXk là chiều dài của dải bay thứ k;

n là số dải bay của khu chụp

Thông thường để bảo đảm đủ số lượng phim trong khi bay chụp do phải chụp bổ sung một số ảnh để thỏa mãn yêu cầu về độ phủ dọc, nên khi tính tổng

số ảnh N cần cộng thêm khoảng 2% đến 3% số ảnh đó tính

1.2.3 Lập bản đồ bay

Bản đồ được sử dụng để thực hiện quá trình bay chụp ảnh được gọi là

bản đồ bay chụp Bản đồ bay chụp có thể chia làm hai loại riêng biệt: bản đồ bay và bản đồ chụp Bản đồ bay dùng cho phi công và hoa tiêu chụp ảnh để

- Ranh giới toàn bộ diện tích khu chụp và ranh giới từng khu chụp riêng biệt

- Các tuyến bay với độ dài của tuyến, khoảng cách giữa các tuyến và số lượng tấm ảnh chụp trên mỗi tuyến bay;

- Các địa vật định hướng trên từng tuyến bay;

- Các đặc trưng địa hình, như đỉnh núi, thung lũng với cao độ được ghi chú rõ ràng và độ cao bay trung bình của khu chụp;

- Các đặc điếm khí hậu, như hướng gió, tốc độ gió

- Trong một số trường hợp, như khi khoảng cách giữa các tuyến bay tương đối nhỏ không thuận lợi cho việc lượn vòng của máy bay để vào đường bay tiếp, cần thể hiện phương pháp bay lượn trên bản đồ bay chụp

Khi ứng dụng công nghệ định vị vệ tinh GPS trong dẫn đường bay thì công tác bay có thể hoàn toàn được thực hiện tự động

1.3 MÁY CHỤP ẢNH KỸ THUẬT SỐ VECXEL ULTRACAM XP W/A

Năm 2010, Công ty TNHH MTV Trắc địa Bản đồ - BQP đã được đầu

tư và đưa vào sử dụng hệ thống máy chụp ảnh số Vexcel UltraCam XP W/A

Hệ thống mới này có nhiều ưu điểm vượt trội hơn so với công nghệ chụp phim truyền thống và thay thế toàn bộ máy chụp ảnh phim

Với những đặc tính kĩ thuật nổi trội của hệ thống máy ảnh số, đã mở ra nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau như là thành lập bản đồ địa hình, địa chính, bình đồ ảnh và công nghệ giải đoán ảnh số thành lập bản đồ chuyên đề, công nghệ xây dựng cơ sở dữ liệu thông tin địa lý

19

Hỡnh 1.2: Hệ thống mỏy chụp ảnh kĩ thuật số

VexcelUltraCam XP W/A

1.3.1 Cỏc tớnh năng, kĩ thuật chớnh

- Thế hệ UltraCam là dòng máy ảnh số của hNng Vexcel (áo) được đưa vào thị

trường năm 2003 với sản phẩm UltraCam D Đến năm 2006, hNng này tiếp tục giới thiệu sản phẩm UltraCam X và UltraCam XP được thiết kế trên nền tảng UltraCam D nhưng có tính năng vượt trội hơn Tính đến tháng 3 năm

2006 (giới thiệu máy ảnh UltraCam XP), đN có 35 chiếc UltraCam D được

đưa vào sử dụng và có tổng số 80 máy ảnh loại này được đặt hàng Và đến nay là loại máy chụp ảnh hàng không kỹ thuật số Vexcel UltraCam XP W/A

có trang bị hệ thống IMU Đây là máy ảnh số có kích thước ảnh lớn nhất thế giới hiện nay Với độ rộng băng phổ và khả năng đa phổ của máy chụp ảnh cho dải phổ động đến hơn 12 bit trên một băng phổ và thu đồng thời cả băng cận hồng ngoại Điều này cho phép phân tích, giải đoán các băng phổ trong xử lý ảnh Cùng với việc phân tích hình học của các ảnh đơn sắc khổ lớn thì việc phân

loại phổ cho phép tự động hóa quá trình xử lý

Độ chính xác hình học của độ cảm biến đạt được duy trì từ phương pháp xử lý cũng như từ việc kiểm định chính xác Với độ chính xác đó có thể

đạt được kết quả đặc biệt của quá trình xây dựng và bình sai tam giác ảnh

20

- HÖ thèng m¸y ¶nh sè Vecxel Ultracam Xp W/A

- Tên đầy đủ là Vecxel UltracamXp-Wide-Angle

- Serial Number UC-SXP-W/A-20210007

Bảng 1.2: Các thông số kĩ thuật chủ yếu của máy chụp ảnh kĩ thuật số

Vecxel Ultracam XP W/A Nguyên lý hoạt động

Kích cỡ ảnh

Tương đương với một hình ảnh phim cỡ 23x15 cm

Kích thước hình ảnh PAN : 17.310 x 11.310 pixel

Kích thước hình ảnh Mầu (đa phổ) : 5770 x 3770 pixel

8 thấu kính trong 8 máy ảnh riêng

4 thấu kính cho máy ảnh toàn sắc, f = 70.5 mm

4 thấu kính cho máy ảnh đa phổ, f = 23 mm Trường nhìn ngang

Với máy ảnh số có hệ thống nhiều ống kính như UltraCam XP W/A

đều thực hiện ghép ảnh dựa trên một thuật toán phức tạp để tạo ra tấm ảnh ảo

toàn sắc có độ phân giải hình ảnh cao Các thuật toán ghép sử dụng cho đến

nay thực hiện trên phần mềm UltraMap v2.x, được gọi là “Standard

Stitching” đã được chứng minh tạo ra hình ảnh toàn sắc ảo chính xác hình học

cao Tuy nhiên, vẫn còn có một số vấn đề cần quan tâm:

- Thuật toán ghép chuẩn hoàn toàn dựa trên các thông số hiệu chuẩn máy

ảnh hợp lệ đã được đo đạc và tính toán chính xác vị trí các cảm biến như đã nói

ở trên Nếu các vị trí chuẩn này bị mất do tác động cơ học lên các cảm biến

- Ở một số khu vực số lượng ghép điểm tie trong các phần phủ có thể

tìm được rất ít ví dụ như đối với khu vực biển, vùng cát, sa mạc Điều này

ảnh hưởng trực tiếp đến dữ liệu và độ chính xác hình học của tấm ảnh

22

Để khắc phục những vấn đề này và để cải thiện cả về độ chớnh xỏc hỡnh học, một thuật toỏn ghộp mới đó được phỏt triển gọi là “Monolithic Stitching” í tưởng cơ bản của thuật toỏn này là dựa trờn việc khai thỏc tớnh ổn định hỡnh học của cỏc kờnh màu xanh nguyờn khối và sự bổ sung hỗ trợ phõn phối điểm tie phự hợp giữa kờnh màu xanh và cỏc kờnh toàn sắc Màu khối tổng thể cho phộp sử dụng một thuật toỏn ghộp phức tạp hơn gọi là “mosaiking free” thay thế khỏi niệm lớp chuyển đổi Thuật toỏn “mosaiking free” ghộp này đảm bảo tối ưu định hướng trong (IO) dựa trờn hiệu chỉnh vị trớ cảm biến Một kĩ thuật nổi tiếng được gọi là "bỡnh sai mạng lưới tự do" được sử dụng mà đảm bảo rằng dữ liệu hiệu chuẩn khụng chớnh xỏc hoặc khụng hợp lệ khụng cú ảnh hưởng đến kết quả ghộp

Bộ cảm của UltraCam Xp được thiết kế để thu nhận một kênh toàn sắc (Panchromatic) và 4 kênh đa phổ (Multispectral) Cụ thể là:

Kênh toàn sắc: là bộ bốn ống kính và 09 CCD nằm trên trục chính (master cone) Các kênh đa phổ: là bộ bốn ống kính Đỏ - Lục - Lam - Cận hồng ngoại Một tấm ảnh của UltraCam Xp được đồng bộ từ 09 tấm ảnh thành phần thu nhận được qua 04 khoảnh khắc khác nhau tạo ra Bốn ống kính nằm trên trục chính điều khiển toàn bộ khuôn dạng ảnh, với 9 mảng cảm biến CCD thì sau khi

đồng bộ, ảnh sẽ có khích thước là 17310 x 11310 Pixel (tương đương với ảnh 196 Mpixel) Các ống kính đa phổ sẽ chụp một lần toàn bộ cảnh ảnh với độ phân giải

5770 x 3770 Pixel Sau đó, kênh đa phổ sẽ được trộn với kênh toàn sắc để cho ta một ảnh tổ hợp màu với các kênh có kích thước là 17310 x 11310 Pixel

Hình 1.3: Nguyên lý ghép ảnh của máy UltraCam XP W/A

23

- Hình (a) : Bốn ống kính toàn sắc sắp xếp trên một đường thẳng và dọc theo hướng bay lưu giữ 9 bộ cảm CCD thu nhận hình ảnh toàn sắc, 9 ảnh này được ghép thành một ảnh lớn 4 ống kính bên cạnh thu nhận dữ liệu đa phổ Kết hợp

ảnh đa phổ và ảnh toàn sắc cho ta một ảnh tổng hợp màu

- Hình (b) : Mô tả quá trình thu nhận hình ảnh từ các ống kính

Kết quả dữ liệu ảnh thô từ 8 ống kính của máy chụp ảnh:

(a) - (d) là 9 ảnh thu nhận bởi 4 ống kính cho dữ liệu toàn sắc định dạng lớn (e) - (h) Hình ảnh thu nhận từ 4 ống kính cho dữ liệu đa phổ độ phân giải thấp, cụ thể là đỏ, xanh lá cây, xanh dương và hồng ngoại Chính thiết kế đặc biệt này của UltraCam Xp cho phép máy ảnh này chụp được ảnh với tốc độ (Frame rate) nhanh nhất (<1 giây) và với kích thước ảnh lớn nhất UltraCam Xp cũng

được trang bị công nghệ hiệu chỉnh bù độ trượt ảnh theo hướng bay (Forward Motion Compensation (FMC)) Công nghệ này cho phép bay nhanh hơn với thời gian lộ quang lâu hơn nhưng lại cho ảnh có chất lượng rất tốt không bị nhòe

Hình 1.4: Các ảnh riêng biệt của hệ thống ống kính

1.3.3 Hệ thống lưu trữ và xử lý hình ảnh

Một phần khụng thể thiếu của hệ thống mỏy ảnh UltraCam là bộ phận xử lý

và lưu trữ dữ liệu (Processing và Data unit)

ra ổ cứng mà được lưu lại tại bộ xử lí sau đó ghi dần ra ổ cứng Công nghệ này giúp máy ảnh giải phóng ngay lập tức bộ nhớ CCD để có thể thu nhận ảnh ngay,

đảm bảo chế độ chụp ảnh với tốc độ nhanh nhất

Thiết bị ghi ảnh của UltraCam Xp W/A có thể tháo lắp nên không hạn chế dung lượng, nếu cần, khách hàng có thể mua thêm để đảm bảo thời gian bay chụp những khu vực lớn Với cấu hình chuẩn là hai Data Unit với dung lượng trên 4,2 TeraByte, thiết bị này có khả năng ghi trên 6600 tệp ảnh ở chế độ sao lưu (không nén) nhằm đảm bảo an toàn dữ liệu và có thể thu liên tục trong 22 giờ với ảnh có độ phân giải mặt đất là 20 cm

Mỗi Data Unit có lắp hệ thống 14 ổ cứng loại 320 Gb, được thiết kế chống rung, chống va đập khi bay chụp ảnh và di chuyển Data Unit kết nối qua máy tính trạm để trút dữ liệu vào máy tính bằng 4 cáp dữ liệu nối song song qua card PCI chuyên dụng

25

Hình 1 6: Phía trong máy chụp ảnh và ổ cứng chứa dữ liệu

b) Giá máy chụp ảnh và hệ thống cung cấp điện lắp trên máy bay chụp ảnh: Máy chụp ảnh muốn lắp đặt trên máy bay cần phải có một giá đỡ bằng thép, nhằm mục đích gắn chặt với sàn máy bay, chống rung lắc trong quá trình thực hiện nhiệm vụ Thứ hai là chiều dài ống kính sẽ chạm xuống kính chắn ở khoang bụng hở của máy bay, gây nguy hiểm vỡ kính và mất an toàn bay

Đội ngũ kỹ thuật viên của Xí nghiệp chụp ảnh Hàng không đN tổ chức đo

đạc, thiết kế và đặt hàng một giá đỡ bằng thép , đảm bảo yêu cầu gắn máy chụp

ảnh và kê ống kính chụp lên cao an toàn Tương tự như vậy, đảm bảo hệ thống nguồn điện cung cấp cho máy chụp ảnh ( máy ảnh và GPS/IMU) cùng máy tính xách tay để dẫn đường bay

Hình 1.7: Nơi đặt giá máy và nguồn điện cung cấp cho máy chụp ảnh

26

1.3.4 PhÇn mÒm sö dông trong hÖ thèng m¸y chôp ¶nh hµng kh«ng

kü thuËt sè Vecxel Ultracam Xp W/A

- PhÇn mÒm thiÕt kÕ vµ dÉn ®−êng bay PosTrack-Tracker32, POSAV 510

H×nh 1.8: Ch−¬ng tr×nh dÉn ®−êng bay

- PhÇn mÒm ®iÒu khiÓn m¸y chôp ¶nh Camera Operation Software (COS) 3.60

H×nh 1.9: PhÇn mÒm Camera Operation Software (COS) 3.60

28

chương 2 Công nghệ gps, hệ thống đạo hàng ins/imu

trong hỗ trợ dẫn đường bay và xác định

các nguyên tố định hướng của ảnh

2.1 hệ thống dẫn đường bay gps và xác định tọa độ tâm ảnh

2.1.1 Khỏi quỏt chung về GPS

Hệ thống định vị toàn cầu cú tờn đầy đủ là Navigation Satellite And Ranging Global Positioning System (NAVSTAR GPS) được bắt đầu triển khai

từ những năm 1970 do quõn đội MỸ chủ trỡ Vào năm 1978 vệ tinh đầu tiờn được phúng lờn quỹ đạo và đến 8/12/1993 trờn 6 quỹ đạo đó cú đủ 24 vệ tinh

Hỡnh 2.1: Sơ đồ cấu tạo Hệ thống định vị toàn cầu - GPS

29

1 Đoạn không gian (Space Segment)

Đoạn không gian bao gồm các vệ tinh nhân tạo phát tín hiệu bay trên các quỹ đạo xác định quanh trái đất Vệ tinh được đưa vào bay trong 6 mặt phẳng quĩ đạo nghiêng 55° so với mặt phẳng xích đạo trái đất, mỗi mặt phẳng quĩ đạo có 4 hoặc 5 vệ tinh Quĩ đạo vệ tinh gần hình tròn, ở độ cao 12.600 dặm (20.200km), chu kỳ 718 phút Mỗi vệ tinh có trang bị tên lửa đẩy để điều chỉnh quỹ đạo, thời hạn sử dụng khoảng 7,5 năm

2 Đoạn điều khiển (Control Segment)

Đoạn điều khiển là 5 trạm mặt đất phân bố đều quanh trái đất trong đó 1 trạm chủ và 4 trạm theo dõi Trạm chủ đặt tại bang Colorado, USA là nơi nhận, xử lý tín hiệu thu được từ các vệ tinh tại 4 trạm theo dõi

Sau khi số liệu GPS được thu thập, xử lý, tọa độ và độ lệch đồng hồ của từng vệ tinh được tính toán và hiệu chỉnh tại trạm chủ và truyền tới các vệ tinh hàng ngày qua các trạm theo dõi

3 Đoạn sử dụng (User Segment)

Đoạn người sử dụng bao gồm các máy thu tín hiệu vệ tinh và phần mềm xử lý tính toán số liệu Máy thu tín hiệu GPS có thể đặt cố định trên mặt đất hay gắn trên các phương tiện chuyển động như đi bộ, đi xe đạp, ô tô, máy bay, tàu biển, tên lửa, vệ tinh nhân tạo

Tín hiệu vệ tinh được thu qua anten máy thu Cấu tạo anten đẳng hướng cuả máy thu GPS có thể bắt tín hiệu GPS ở mọi hướng Tâm pha của anten là điểm thu tín hiệu và là điểm xác định toạ độ Tuỳ theo mục đích của các ứng dụng mà các máy thu GPS có thiết kế cấu tạo, phần mềm xử lý khác nhau

2.1.2 Ứng dụng công nghệ GPS trong bay chụp ảnh hàng không

Những năm gần đây với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kĩ thuật tính toán và điều khiển, hệ thống định vị toàn cầu GPS đã được đưa vào sử

30

dụng ở nước ta để dẫn đường cho máy bay trong hàng không dân dụng và trong công tác bay chụp ảnh Việc định vị máy bay khi chụp ảnh bằng hệ thống GPS được tiến hành theo phép định vị động tương đối Nguyên lý của phép định vị này là dùng một ăng ten tĩnh đặt tại một điểm trên mặt đất làm điểm tham chiếu Máy thu có ăng ten tĩnh này có nhiệm vụ theo dõi những vệ tinh đang được máy thu có ăng ten chuyển động đặt trên máy bay theo dõi Giả thiết đã biết chính xác vị trí của ăng ten tĩnh và trạng thái hoạt động của đồng hồ, ta hoàn toàn có thể xác định được hai loại khoảng cách từ trạm tĩnh tới vệ tinh: một loại khoảng cách tính do biết được tọa độ của vệ tinh tại thời điểm thu phát tín hiệu và tọa độ của trạm thu tĩnh và một loại khoảng cách cũng từ vệ tinh đó tới trạm tĩnh này do GPS xác định Do có những biến động tức thời trong thông tin quỹ đạo, trong giá trị thời gian trễ khí quyển và trong hoạt động của đồng hồ nên hai khoảng cách này có sự sai khác gọi là sai số khép chiều dài Để xác định chính xác vị trí trạm thu GPS động đặt trên máy bay tại thời điểm chụp ảnh, ta phải truyền sai số khép chiều dài này tới trạm thu động nhờ việc kết nối thông tin liên lạc theo thời gian thực để hiệu chỉnh những ảnh hưởng trên tới kết quả thu GPS tại trạm động Hiện nay, người ta đã chế tạo được những máy thu GPS đặt trên máy bay sử dụng các sai số khép chiều dài để hiện chỉnh các số đo tương ứng Số hiệu chỉnh thời gian thực này đã nâng cao độ chính xác của phép định vị động

Việc kết hợp máy chụp ảnh hàng không với hệ thống định vị GPS đặt trên máy bay chụp ảnh cho phép ta xác định chính xác tọa độ tâm chụp, dẫn đường bay và bấm máy chụp ảnh khi chụp Điều này tạo cho ta nhiều khả năng thuận lợi trong việc tăng dày điếm khống chế ảnh cũng như việc đảm bảo độ phủ dọc trong việc dẫn đường bay khi chụp ảnh

Hệ thống định vị GPS được liên kết với các bộ phận của máy chụp ảnh hàng không như cửa chớp nhanh, hệ thống điều khiển nhằm đảm bảo điều

2% thời gian lộ quang.

- Mở cửa chớp nhanh đúng thời điểm do hệ thống dẫn đường bay xác định Máy thu GPS sử dụng trong công tác bay chụp ảnh hàng không là máy thu chính xác dùng trong Trắc địa như Ashtech, Trimble

2.1.2.1 Ứng dụng GPS trong việc dẫn đường bay chụp ảnh hàng không

Sau khi có hệ thống GPS gắn trên máy bay thì việc dẫn tuyến bay chụp ảnh được thực hiện nhờ các phần mềm dẫn tuyến bay Công việc của người dẫn đường chụp ảnh là thông báo các thông số vận tốc máy bay, độ cao máy bay, lệch trái lệch phải cho phi công từ màn hình dẫn đường hoặc phi công trực tiếp đọc các thông số trên màn hình để lái máy bay vào đúng tuyến bay

đã thiết kế Máy GPS được nối với 1 máy tính dẫn đường, máy tính dẫn đường nối với máy chụp ảnh Khi tọa độ của máy GPS báo máy bay đã vào đúng vị trí thiết kế của tờ ảnh đã định trước thì máy tính dẫn đường gửi xung điều khiển chụp ảnh tới máy ảnh Sau khi chụp ảnh thì máy ảnh gửi xung tới máy GPS, máy GPS ghi nhận thời điểm chụp ảnh (time tag - đánh dấu thời điểm chụp ảnh)

2.1.2.2 Ứng dụng GPS trong xác định toạ độ tâm ảnh

Nếu toạ độ tâm chiếu hình của ảnh (tâm chụp ảnh - gọi tắt là tâm ảnh) được xác định với độ chính xác đảm bảo yêu cầu thì có thể sử dụng chúng vào việc xây dựng và bình sai lưới tam giác ảnh không gian như những các trị

đo trắc địa khác, nhờ đó giảm bớt đáng kể khối lượng công tác đo nối khống chế ảnh ngoại nghiệp Nhằm mục đích đó, người ta sử dụng công nghệ GPS

để xác định toạ độ tâm ảnh

32

Để xỏc định toạ độ tõm ảnh trong quỏ trỡnh bay chụp ảnh hàng khụng người ta phải sử dụng ớt nhất hai mỏy thu: một đặt ở trờn mỏy bay (gọi là mỏy

di động - nú phải được nối với mỏy chụp ảnh),một đặt ở một điểm đó cú toạ

độ trờn mặt đất (gọilà mỏy qui chiếu - mỏy thu cố định) Nhờ khả năng tớnh toỏn được sự chờnh lệch của cỏc lần thu đồng thời ở cả hai mỏy, khi xử lý hậu

kỡ cú thể loại trừ được ảnh hưởng của mụi trường truyền súng tới tớn hiệu vệ tinh, nhờ đú nõng cao được độ chớnh xỏc xỏc định tọa độ tõm ảnh

Do tõm anten mỏy thu đặt trờn mỏy bay khụng trựng với tõm ảnh (tõm kớnh vật mỏy chụp ảnh) một lượng e - được gọi là độ lệch tõm anten Số liệu thu được từ vệ tinh cho phộp tớnh được toạ độ khụng gian của tõm mỏy thu

Vỡ vậy để xỏc định toạ độ tõm ảnh, cần phải xỏc định độ lệch tõm anten Cụng thức tớnh độ lệch tõm cú dạng:

RA - là vector tọa độ tõm ảnh, và Rs - là vector toạ độ tõm anten mỏy thu di động trong hệ toạ độ vuụng gúc địa tõm WGS-84; Aϕωκ - ma trận quay với thành phần là cỏc gúc định hướng của ảnh; e - vector độ lệch tõm anten với cỏc thành phần tương ứng là u, v, w trong hệ toạ độ khụng gian ảnh xyz

Trờn lý thuyết độ lệch tõm anten là đại lượng thay đổi theo thời điểm chụp ảnh, phụ thuộc vào gúc định hướng của ảnh Tuy nhiờn với lượng biến thiờn nhỏ cú thể coi độ lệch tõm anten e như là giỏ trị dựng chung cho tất cả cỏc trị đo GPS trong toàn khối, hoặc chỉ dựng chung cho từng tuyến bay chụp

2.2 hệ thống đạo hàng quán tính ins/imu trong hỗ trợ dẫn đường bay và xác định các nguyên tố định hướng của

ảnh

33

2.2.1 Giíi thiÖu chung

Hệ thống dẫn đường quán tính (INS) được dựa trên nguyên lí cơ học

cổ điển để cung cấp hướng của gia tốc vật thể liên quan và cũng cho chuyển động quay của vật thể trong hệ quán tính Hệ thống dẫn đường quán tính truyền thống bao gồm các gia tốc kế cung cấp thông tin về hướng, mà theo đó vật thể có gia tốc và các con quay hồi chuyển đo chuyển động quay của vật thể trong hệ quy chiếu quán tính Tập hợp 2 thiết bị trên được gọi là thiết bị định vị quán tính (IMU) Hệ thống định vị quán tính là hệ thống tự nó cảm nhận rằng không cần một tín hiệu từ bên ngoài hệ thống để dẫn đường Hiện nav, có hai hệ thống dẫn đường bằng định vị quán tính:

1 Hệ thống không có giá đỡ cân bằng (Strapdown) - Các bộ cảm biến được gắn trực tiếp vào vật mang

2 Hệ thống có giá đỡ cân bằng - sử dụng kĩ thuật giá đỡ (platform) ổn định Các bộ cảm biến quán tính được gắn vào một giá đỡ ổn định và độc lập với chuyển động quay của vật mang

2.2.2 Thiết bị đo quán tính (IMU)

Thiết bị đo quán tính bao gồm 2 bộ cảm biến 3 trục, gia tốc kế và con quay hồi chuyển Thiết bị đo quán tính (IMU) cùng với một máy tính dẫn đường được gọi là hệ thống định vị quán tính (INS) Các bộ cảm biến được sử dụng rộng rãi hiện nay là các bộ cảm biến MEMS Các tiến bộ trong công nghệ cảm biến MEMS sản xuất ra các máy đo gia tốc và con quay hồi chuyển với ưu điểm giảm giá thành, trọng lượng và có độ tin cậy cao hơn Tuy nhiên các bộ cảm biến này bị tác động bởi sai số do sự thay đổi nhiệt độ và sự nghiêng, IMU thực hiện nhiệm vụ xác định vận tốc và tham số định hướng theo từng vị trí của phương tiện bay IMU thường được gắn chặt vào thân vật mang, chính xác hơn là với các khung giá cố định có thể là giá máy chụp ảnh, giá đỡ hệ thống quét LiDAR Trong hệ thống sử dụng một chế độ kiểm tra các

34

sai số khép kín cho phép điều khiển hoạt động của hệ thống một cách tối ưu nhất Với chế độ thời gian thực, thiết bị tính toán sẽ cho ra các nghiệm của phương trình Newton mô tả vị trí, vận tốc và các góc định hướng của bộ cảm IMU trong hệ toạ độ WGS-84 cùng với chuyển động quay của Trái đất trong không gian vật lý Quá trình tính toán được dựa trên các số liệu đo từ con quay, gia tốc kế, được gắn cố định cơ học vào thân hay khung máy

2.3 ỨNG DỤNG TỔ HỢP GPS VÀ INS/IMU TRONG CÔNG TÁC BAY CHỤP ẢNH

2.3.1 Tổng quan về hệ thống

Tổ hợp thiết bị đạo hàng quán tính, định vị toàn cầu GPS/INS hay GPS/IMU được dựa trên các nguyên lý con quay và máy gia tốc để giải các bài toán về đạo hàng Trong tổ hợp này, GPS và IMU hoạt động độc lập nhau

để thực hiện nhiệm vụ đạo hàng của mình Tính tổ hợp xuất hiện trong quá trình xử lý kết quả đo đồng bộ ở cùng một thời điểm Kết quả định vị không gian của hệ thống là:

- Toạ độ trắc địa của thiết bị bay ở thời điểm nào đó

- Vận tốc chuyển động của phương tiện

- Góc thăng bằng, góc tà, góc hướng của chuyển động

Tổ hợp POS/AV (của hãng Applanix-Canada) với việc sử dụng công nghệ chụp ảnh hàng không trong cả hai bộ cảm biến và xử lý dữ liệu đã được thiết kế phục vụ cho công tác dẫn đường bay, đồng thời xác định chính xác vị trí vật mang trong hệ tọa độ quốc tế

POS/AV là hệ thống sử dụng máy GPS 2 tần số và bộ đo quán tính IMU (Inertial Measurement Unit), máy GPS có khả năng thu với tần suất 10

Hz (10 lần/1 giây) gắn liền trực tiếp với máy bay, IMU có thể đo các góc nghiêng và gia tốc trên các hướng trục tọa độ của vật chuyển động với tần số

200 Hz (200 lần/1 giây)

35

Hệ thống này có thể xác định quỹ đạo của các vật thể chuyển động với

độ chính xác cao Máy chụp ảnh số đã được thiết kế để có thể kết nối với hệ thống POS/AV sử dụng hệ thống này có thể xác định trực tiếp các nguyên tố định hướng ngoài của các tấm ảnh Toạ độ tâm ảnh đạt độ chính xác từ 0,05m

- 0,3 m, các góc nghiêng dọc ngang và xoay tương ứng đạt độ chính xác cao

Tổ hợp công nghệ GPS/ IMU có thể ứng dụng để dẫn đường bay và xác định tọa độ tâm ảnh trong công tác bay chụp ảnh với nhiều loại máy chụp ảnh khác nhau từ RC30, RMK TOP15 đến các máy chụp ảnh kĩ thuật số như Vexcel Ultracam XP Wa

POS/AV lưu dữ liệu vào một PC Card Để nâng độ chính xác, dữ liệu từ POS/AV được xử lý sau bằng cách sử dụng phần mềm tính toán tâm ảnh POSPAC của hãng Applanix

2.3.2 Nguyên tắc hoạt động của hệ thống

Ưu điểm của hệ thống GPS/ IMU:

- Có khả năng giải quyết đồng thời các bài toán về đạo hàng và định vị các số liệu đo

- Độ chính xác đáp ứng được cho các yêu cầu kĩ thuật đo vẽ bản đồ tỷ lệ lớn

- Kết quả định vị và dẫn đường có thể nhận được trong chế độ thời gian thực, chế độ hậu xử lý

- Vận hành hệ thống đơn giản

- Hiệu quả kinh tế cao

36

Hình 2.2: Hệ thống GPS/ IMU

2.3.2.1 Thiết bị đo quán tính (IMU)

Hệ thống quán tính cung cấp số liệu cho máy tính, để tính ra tọa độ, vận tốc và góc định hướng của vật mang Số liệu của gia tốc kế cân bằng và con quay hồi chuyển có đầu ra gồm tốc độ theo từng khoảng và tốc độ góc thông qua giao diện serial tới hệ thống máy tính PCS với tần xuất là 200 đến 1000Hz Sau đó hệ thống PCS tích hợp đo gia tốc và tốc độ góc trong bộ dẫn đường quán tính “strapdown” để cung cấp vị trí, tốc độ, và hướng của IMU được quy chiếu về Trái đất Để đảm bảo độ chính xác tối đa, thiết bị IMU phải tương đối nhỏ và nhẹ vì thế chúng có thể được lắp gần nhất có thể với điểm gốc của bộ cảm biến (tâm chiếu hình) Điều này đảm bảo không có sự cong hoặc uốn giữa IMU và bộ cảm biến

Nhiệm vụ chính của hệ thống IMU khi lắp đặt tích hợp trên hệ thống máy ảnh

số cùng hệ thống GPS là xác định trực tiếp các nguyên tố định hướng ngoài (EO) của mỗi tấm ảnh chụp được Hệ thống máy ảnh và IMU mỗi hệ thống đều có một hệ trục tọa độ tham chiếu như hình dưới:

37

Hình 2.3: Hệ trục tọa độ tham chiếu máy ảnh và IMU

Do không thể lắp đặt một cách chính xác để các hệ trục tọa độ song song với nhau nên sinh ra các góc xoay giữa các hệ trục này Vector khoảng cách khoảng cách giữa hai hệ trục tọa độ dễ dàng xác định dựa vào bản vẽ thiết kế Tuy nhiên không thể xác định được các góc xoay giữa chúng bằng cách

đo đạc thông thường Vì vậy để có thể xác định trực tiếp chính xác các nguyên tố định hướng ngoài cần thiết phải xác định được các góc hiệu chỉnh này Các thông số của cánh tay đòn, thông số kiểm định này đã được tiến hành chụp thử nghiệm và tính toán thông số cánh tay đòn

Tổ hợp anten GPS hoạt động trong các chế độ thu:

+ Chế độ code C/A;

+ Chế độ đo GPS vi phân;

+ Chế độ xử lý tổng hợp với trạm GPS chủ và hệ thống quán tính

2.3.2.3 Hệ thống máy tính POS (PCS)

Hệ thống máy tính POS hay PCS bao gồm máy thu GPS, hệ thống lưu trữ lớn để ghi dữ liệu vào thẻ nhớ, và máy tính chạy phần mềm dẫn đường tích hợp thời gian thực Lời giải dẫn đường thời gian thực được sử dụng như đầu vào tới các hệ thống quản lý bay tới điểm và điều khiển các đế máy cân bằng PCS cũng có thể được sử dụng để đánh dấu chính xác thời gian của số liệu các bộ cảm biến bên ngoài

2.3.2.4 Phần mềm xử lý sau

Phần mềm xử lý sau được sử dụng để tính toán các lời giải dẫn đường quán tính tối ưu bằng cách xử lý dữ liệu IMU và GPS thô thu được từ POS/AV trong quá trình bay, cùng với số liệu GPS thu nhận từ trạm mặt đất (Base) Nó tính lời giải sóng mang GPS và sau đó kết hợp nó với số liệu quán tính sử dụng xử lý thời gian trước và sau Sau khi xử lý, phần mềm sẽ tính được tọa độ tâm ảnh và nguyên tố định hướng ngoài của mỗi tờ ảnh tại thời điểm chụp ảnh