Đề xuất các giải pháp kỹ thuật để nâng cao độ chính xác và hiệu quả kinh tế của công nghệ đo vẽ ảnh số trong thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn

Với những gì đã đạt được và sự phát triển không ngừng của khoa học công nghệ thì trong tương lai không xa việc sử dụng công nghệ ảnh số để thành lập bản đồ nói chung và bản đồ địa hình n

LÊ THỊ HỒNG HIÊN

ĐỀ XUẤT CÁC GIẢI PHÁP KỸ THUẬT ĐỂ

NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC VÀ HIỆU QUẢ KINH TẾ CỦA CÔNG NGHỆ ĐO VẼ ẢNH SỐ TRONG THÀNH

LẬP BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH TỶ LỆ LỚN

Chuyên ngành: Bản đồ, viễn thám và hệ thống thông tin địa lý

Mã số: 60.44.76

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

Hà Nội – 2010

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng được

ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Hà Nội, ngày 18 tháng 10 năm 2011

Tác giả luận văn

Lê Thị Hồng Hiên

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

MỤC LỤC 2

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 4

DANH MỤC CÁC BẢNG 5

MỞ ĐẦU 6

CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT VỀ ẢNH SỐ 10

1.1 Tổng quan về công nghệ đo vẽ ảnh số trong thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn 10

1.2 Khái niệm về ảnh số 11

1.3 Phương pháp đo vẽ ảnh số: 13

1.4 Tổng quan về hệ thống đo vẽ ảnh số: 17

CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH THÀNH LẬP BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH BẰNG CÔNG NGHỆ ẢNH KỸ THUẬT SỐ 30

2.1 Sơ đồ quy trình công nghệ thành lập bản đồ địa hình 30

2.2 Các bước của quy trình công nghệ 31

2.3 Các nguồn sai số ảnh hưởng đến độ chính xác của bản đồ cần thành lập bằng phương pháp đo vẽ ảnh số .50

CHƯƠNG 3: CÁC ĐỀ XUẤT KỸ THUẬT ĐỂ NÂNG CAO HIỆU QUẢ CỦA CÔNG NGHỆ ĐO VẼ ẢNH SỐ 59

3.1 SỬ DỤNG CÁC TRỊ ĐO CỦA HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG VÀ ĐẠO HÀNG QUÁN TÍNH TRONG QUÁ TRÌNH BAY CHỤP ẢNH 59

3.2 ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP CHẠY MÔ HÌNH SỐ ĐỊA HÌNH BẰNG CHƯƠNG TRÌNH GLOBAL MAPPER 10.01 72

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 81

TÀI LIỆU THAM KHẢO 83

PHỤ LỤC 84

PHỤ LỤC 1 85

PHỤ LỤC 2 88

PHỤ LỤC 3 91

PHỤ LỤC 4 92

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DTM Digital Terrain Model Mô hình số địa hình

DGPS Differential Global Positioning

DMC Digital Mapping Camera Máy ảnh kỹ thuật số DMC

CCD Charge Coupled Device Bộ cảm biến

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

POS/AV Position and Orientation System for

Airborne Vehicle

Hệ thống định hướng và định vị cho máy ảnh

LIDAR Light Detection And Ranging Dò và đo khoảng cách bằng

sóng ánh sáng

TBFR Time Between Frame Thời gian giữa hai tấm ảnh

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ trạm đo vẽ ảnh số 18Hình 2.1 Sơ đồ quy trình công nghệ thành lập bản đồ địa hình 30Hình 2.2 Các phương án bố trí điểm 36Hình 3.1 Sơ đồ quy trình công nghệ thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn bằng ảnh hàng không kỹ thuật số 60

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Phương pháp đo vẽ ảnh số 14Bảng 1.2 Bảng liệt kê một số loại máy quét chuyên dụng 20

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong những năm gần đây khoa học công nghệ ngày càng phát triển mạnh mẽ, đặc biệt là công nghệ tin học nó đã thúc đẩy sự phát triển hầu hết các ngành khoa học trong đó có ngành khoa học đo ảnh Sự phát triển mạnh

mẽ của kỹ thuật tính toán tích hợp với công nghệ thông tin đã cho ra đời phương pháp đo ảnh mới, đó là phương pháp đo ảnh số Để đáp ứng kịp sự phát triển ngày càng hoàn thiện của công nghệ số thì ảnh hàng không kỹ thuật số đã ra đời

Công nghệ đo vẽ ảnh số đã được áp dụng vào nước ta từ gần 10 năm nay và đang được hoàn thiện cùng với hai công nghệ cũ là đo vẽ tương tự và giải tích Đo vẽ ảnh số đã cho ra đời những sản phẩm bản đồ đáp ứng được các nhu cầu thực tiễn Ảnh số ngoài việc cung cấp tất cả các sản phẩm của ảnh tương tự và giải tích còn cho ra đời những sản phẩm mới tiềm năng tự động hoá và khả năng tích hợp với các công nghệ khác còng là những nét đặc trưng của công nghệ này Phương pháp đo vẽ ảnh số đã thể hiện được sự ưu việt của nó so với các phương pháp truyền thống về tính tổng thể, độ chính xác đồng đều, tốc độ thi công nhanh, khả năng tự động hoá cao, hiệu quả kinh

tế lớn, thuận lợi cho công tác kiểm tra giám sát chất lượng Với những gì đã đạt được và sự phát triển không ngừng của khoa học công nghệ thì trong tương lai không xa việc sử dụng công nghệ ảnh số để thành lập bản đồ nói chung và bản đồ địa hình nói riêng ngày càng được phổ biến rộng khắp và trở thành công nghệ chính trong việc sử dụng ảnh hàng không để thành lập bản

đồ

Như chúng ta đã biết công tác thành lập bản đồ trên trạm ảnh số thì sự thay đổi lớn nhất so với phương pháp tương tự và giải tích là thiết bị máy

móc, công nghệ và các công cụ hỗ trợ ở yếu tố con người tham gia vào quá trình sản xuất và các sản phẩm mới được tạo ra Tuy nhiên ảnh số không làm thay đổi nguyên lý đo vẽ ảnh

Việc thành lập, đo vẽ bản đồ trên trạm ảnh số nhờ áp dụng những thành tựu tin học đã cho chúng ta những sản phẩm có chất lượng cao và tiết kiệm thời gian, tính kinh tế cao Ảnh số không những phản ánh chính xác khách quan các đối tượng cần đo mà bảo quản nó còng rất dễ dàng và thuận tiện

Ngày nay khoa học kỹ thuật không ngừng phát triển đặc biệt là trong lĩnh vực thông tin Muốn nâng cao chất lượng, khả năng tự động hoá của quá trình sản xuất bản đồ thì cần phải có những quy trình sản xuất hợp lý Để làm

rõ được điều này chúng ta cần hiểu rõ về quá trình sản xuất bản đồ, từ đó có những thay đổi phù hợp với sự phát triển mới là điều hết sức cần thiết Nhận

rõ tầm quan trọng của việc áp dụng những tiến bộ khoa học kỹ thuật và tận dụng hết khả năng tự động hóa vào sản xuất, tác giả đăng ký thực hiện đề tài:

“Đề xuất các giải pháp kỹ thuật để nâng cao độ chính xác và hiệu quả kinh tế của công nghệ đo vẽ ảnh số trong thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn”

2 Mục đích nghiên cứu

Để nâng cao chất lượng sản phẩm cũng như hiệu quả kinh tế của công tác đo vẽ bản đồ tỷ lệ lớn bằng công nghệ ảnh số cần có các giải pháp kỹ thuật còng như tận dụng hết khả năng tự động hóa của quy trình sản xuất, cụ thể:

+ Sử dụng ảnh số được chụp bằng máy chụp ảnh kỹ thuật số như máy Vexcel UltraCam XP W/a

+ Sử dụng có hiệu quả các trị đo trong quá trình bay chụp ảnh bằng các thiết bị dẫn đường bay và đạo hàng quán tính

+ Tích hợp sử dụng các phần mềm đồ họa trong biểu thị kết quả đo vẽ

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Nội dung nghiên cứu: Đề xuất các giải pháp kỹ thuật để nâng cao độ chính xác và hiệu quả kinh tế của công nghệ đo vẽ ảnh số trong thành lập bản

đồ địa hình tỷ lệ lớn

Phạm vi nghiên cứu: Quy trình tăng dày khớp ảnh kỹ thuật số tự động

và quy trình thành lập mô hình số địa hình bằng phần mềm Global Mapper 10.01

4 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu khái quát về công nghệ ảnh số

- Nghiên cứu quy trình thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn bằng công nghệ đo vẽ ảnh số

5 Phương pháp nghiên cứu

- Phân tích, tổng hợp, cơ sở lý luận và thực tiễn

- Ứng dụng Tin học

- Phương pháp ảnh số

- Phương pháp đề xuất

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Đề xuất giải pháp tăng dày sử dụng ảnh số của máy chụp ảnh kỹ thuật

số mà không cần sử dụng điểm khống chế ngoại nghiệp phục vụ thành lập bản

đồ địa hình tỷ lệ 1:5.000 và giải pháp thành lập mô hình số địa hình bằng phần mềm Global Mapper 10.01

- Sản phẩm thử nghiệm là kết quả tăng dày khối ảnh Hà Nội và mô hình số địa hình

7 Cấu trúc luận văn

Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, cấu trúc luận văn gồm 3 chương

Trong quá trình thực hiện đề tài tôi đã được PGS.TS.Trần Đình Trí hướng dẫn, động viên giúp đỡ tận tình cũng như sự hỗ trợ nhiệt tình của các thầy cô giáo trong bộ môn Đo ảnh và Viễn thám, Khoa Trắc địa, phòng đại học và sau đại học, các nhà khoa học, các đồng nghiệp để Tôi hoàn thành luận văn này Tôi xin chân thành cảm ơn những sự giúp đỡ quý báu đó

CHƯƠNG 1

LÝ THUYẾT VỀ ẢNH SỐ 1.1 Tổng quan về công nghệ đo vẽ ảnh số trong thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn

Phương pháp ảnh số có nhiều ưu điểm nổi trội so với các phương pháp đo ảnh trước đây Đó là:

- Khả năng tự động hóa cao trong hầu hết các công đoạn đo vẽ ảnh, đặc biệt là khả năng tự động khớp điểm cùng tên trên các ảnh đo Nhờ đó cho phép nâng cao hiệu quả đo với số lượng điểm lớn

- Tính hoàn thiện về công nghệ Hầu hết trên các trạm ảnh số thương mại hiện nay đều có đầy đủ các modul xử lý các nhiệm vụ đo vẽ ảnh, từ công tác tăng dày, nắn ảnh, thành lập bản đồ ảnh trực giao đến việc xây dựng mô hình

số địa hình và đo vẽ lập thể

Tuy nhiên, với đặc điểm của nền sản xuất trắc địa và bản đồ của nước ta hiện nay, có những công trình cần đo vẽ với độ chính xác cao ở những khu vực địa hình phức tạp, tư liệu ảnh chụp lại có tỷ lệ nhỏ; thí dụ như các công trình thủy điện, thuỷ lợi, các khu vực khảo sát, qui hoạch cần phải đo vẽ bản đồ tỷ lệ lớn 1/2000, 1/5000, thì các công nghệ đo vẽ ảnh hiện nay chưa thể đáp ứng được yêu cầu độ chính xác

Đặc biệt trong công tác tăng dày khống chế ảnh, đây là khâu rất quan trọng trong qui trình công nghệ thành lập bản đồ bằng ảnh hàng không, các phương pháp tăng dày khống chế ảnh giải tích đã được nghiên cứu xây dựng và phát triển thay thế cho các phương pháp tăng dày quang cơ có độ chính xác thấp

và hiệu quả kinh tế kém Tuy nhiên việc ỏp dụng các phương pháp bản sai lưới tam giác ảnh không gian giải tích trong thực tế sản xuất vẫn còn những hạn chế

do các nguyên nhân sau :

-Việc xây dựng các chương trình tính toán bình sai lưới tam giác ảnh không gian giải tích hoàn chỉnh luôn là một công việc hết sức phức tạp đòi hỏi sự tham gia của các chuyên gia có trình độ cao về đo ảnh và lập trình

-Để đáp ứng được yêu cầu cao về độ chính xác của số liệu toạ độ ảnh cũng như hiệu quả kinh tế thì từ năm 2010, máy chụp ảnh hàng không kỹ thuật số đã được Cục bản đồ - BTTM đưa vào sử dụng

1.2 Khái niệm về ảnh số

Ảnh số được tạo bởi mảng hai chiều của các phần tử ảnh có cùng kích thước được gọi là Pixel Mỗi pixel được xác định bởi tọa độ hàng (m), cột (n)

và giá trị độ xám (g) của nó là g(m, n) biến đổi theo tọa độ điểm (x, y) Tọa

độ 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÷255 (thang độ xám 256 bậc theo đơn vị thông tin 8 bít) Tọa độ số hóa là các giá trị rời rạc m, n và được biểu thị:

X = x0 + m.Δx

Y = y0 + n.Δy (1.1) Trong đó:

m = 0, 1, 2 M

n = 0, 1, 2 N

Δx, Δy là bước nhảy số hoá

Khi lấy Δx = Δy thì pixel có dạng hình vuông Nếu gán độ xám trong mỗi pixel bằng một giá trị bằng số nhất định g(m,n) lúc đó ta nói rằng độ xám

đã được lượng tử hoá Như vậy, ảnh số là tập hợp các điểm ảnh rời rạc với vị trí n, m (hoặc x, y) và giá trị độ xám tương ứng với từng điểm ảnh

1 , 1 ( ) 0 , 1 (

) 1 , 1 ( )

1 , 1 ( ) 0 , 1 (

) 1 , 0 ( )

1 , 0 ( ) 0 , 0 (

m

n n

g g

g

g g

g

g g

g

(1.2)

Trong đó, mỗi pixel có độ xám g và có vị trí tính theo hàng m, cột n

Đối với các ảnh viễn thám được thu nhận trực tiếp dạng số thì mỗi phần tử

ảnh của pixel thể hiện một khu vực bề mặt trên trái đất Giá trị độ xám của

pixel được tính bằng trị trung bình của một độ phản xạ phổ của toàn bộ khu

vực nằm trong phạm vi của pixel được ghi trực tiếp nhờ bộ cảm biến Còn đối

với ảnh số được chuyển hoá từ ảnh tương tự thì được thu nhận thông qua việc

đo mật độ quang học khi lượng tử hoá Độ lớn của pixel được gọi là độ phân

giải của ảnh số, kích thước pixel càng nhỏ thì độ phân giải của ảnh số càng

cao Ta có thể thu được ảnh số nhờ các thiết bị số hoá, cụ thể là máy quét ảnh

Quá trình số hoá bao gồm hai vấn đề quan trọng đó là định mẫu ảnh và lượng

tử hoá hình ảnh, hay có thể nói rằng:

Quá trình số hoá ảnh tương tự = Quá trình định mẫu + Quá trình lượng tử

hoá

Quá trình định mẫu ảnh được sử dụng để tạo ra sự rời rạc hoá không

gian hình học liên tục của ảnh Thông thường nó được thực hiện nhờ hệ thống

quang học với kích thước nào đó đã được chọn chuyển động dọc theo đường

quét trên tấm ảnh, còng tại thời điểm đó nó tiến hành đo, ghi (thời gian đã

được quyết định trước hoặc độ dài của bước nhảy) phản xạ hoặc bức xạ giá trị

độ đen của từng vùng với đối tượng tương ứng

Quá trình lượng tử hoá được sử dụng để tạo ra sự rời rạc không gian độ

đen liên tục của ảnh Lượng tử hoá có thể thực hiện bằng hai phương pháp là

tuyến tính hoặc không tuyến tính

Theo phương thức tuyến tính, công thức lượng tử hoá có thể biểu diễn dưới

dạng sau:

I = ( )

min max

min

I I

N I

I Integer A

−

×

Trong đó:

N- là thang cường độ (bậc độ đen) lượng tử hoá và thường từ 0÷255

Imax, Imin: là giá trị cường độ cực đại và cực tiểu trong định mẫu ảnh

Lượng tử hoá cho ta các giá trị độ xám tại vị trí được số hoá (lấy mẫu)

thành các mức độ xám với khoảng nhảy bằng nhau

Với M là mức độ xám hay còn gọi là độ dài từ mã Thường ở ảnh tương tự M=8

Với a là cơ số mã hoá tức là số ký hiệu được dùng để mã hoá Trong kỹ thuật điện tử chỉ có 2 ký hiệu 0 và 1 do vậy a =2

Ngoài ra, ảnh số có thể thu nhận trực tiếp nhờ hệ thống Sensor đặt trên các thiết bị bay Phương thức thu trực tiếp này được sử dụng trong kỹ thuật viễn thám như là hệ thống MSS, TM đặt trên vệ tinh Landsat của Mỹ hoặc hệ thống CDD đặt trên vệ tinh Spot của Pháp

1.3 Phương pháp đo vẽ ảnh số:

1.3.1 Khái niệm thứ nhất:

Phương pháp đo ảnh là một phương pháp xử lý các thông tin hình học và thông tin vật lý của ảnh đo dựa trên nguyên lý cơ bản của phương pháp đo ảnh kết hợp vận dụng lý luận và phương pháp của nhiều lĩnh vực khoa học khác, như: kỹ thuật máy tính, kỹ thuật sử lý số liệu ảnh số, kỹ thuật nhận dạng và biểu đạt kết quả bằng dạng số Khái niệm này được định nghĩa là

phương pháp đo ảnh toàn số (All Digital Photogam metry hoặc Full Digital

Photogram-metry) Theo định nghĩa này, trong phương pháp đo ảnh số, không những sản phẩm của nó là dạng số mà tư liệu đầu vào (ảnh chụp) còng như các kết quả trung gian còng đều là dạng số

1.3.2 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 dưới dạng số đều gọi là phương pháp đo ảnh số

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

1 Phương pháp đo vẽ bản đồ với 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 ảnh quang cơ kết hợp với máy tính để tiến hành thu nhận số liệu và sử lý số liệu, thành lập mô hình số độ cao (DEM), bản đồ số và truy nhập vào cơ sở dữ liệu tương ứng Tuỳ theo nhu cầu sử dụng, từ cơ sở dữ liệu này có thể đưa ra các sản phẩm là bản đồ đồ giải, bản đồ trực giao hoặc in các loại biểu đồ Trong phương pháp này, tư liệu vẫn là các ảnh chụp truyền thống, quá trình

đo ảnh thực hiện theo phương pháp nhìn lập thể và máy tính tham gia vào

quá trình ghi nhận và sử lý số liệu Vì vậy có thể coi phương pháp đo ảnh số

này là phương pháp đo vẽ ảnh bán tự động, là bước quá độ từ phương pháp

giải tích sang phương pháp số

2 Phương pháp đo vẽ ảnh số là phương pháp sử dụng máy tính và các

phần mềm chuyên dùng để tiến hành xử lý ảnh số hoặc ảnh số hoá, kết hợp

với khả năng tổ hợp và nhận biết hình ảnh bằng máy tính thay cho mắt người

tự động thực hiện quá trình xử lý thông tin hình học và thông tin vật lý của

đối tượng đo Đây là phương pháp đo ảnh số hoàn toàn tự động, không cần sử

dụng các máy đo ảnh quang cơ và các thao tác truyền thống của con người

Phương pháp ảnh số là giai đoạn thứ 3 của phương pháp đo ảnh Sự

khác biệt cơ bản giữa phương pháp đo ảnh số với phương pháp đo ảnh tương

tự và phương pháp đo ảnh giải tích được mô tả trong bảng sau:

Bảng 1.1 Phương

pháp đo ảnh

Tư liệu đầu vào

Phương thức chiếu ảnh

Thiết bị

Sử lý

Phương thức làm việc

Sản phẩm đầu ra Phương

pháp đo ảnh

tương tự

Ảnh chụp quang học

Chiếu ảnh quang cơ

Máy đo ảnh tương tự

Người thao tác toàn bộ trên máy

Chiếu ảnh toán học

Máy đo ảnh giải tích

Người trợ giúp máy thao tác

Sản phẩm

đồ giải và sản phẩm

- Ảnh số

Chiếu ảnh số

Trạm xử

lý ảnh số

Thao tác tự động có người trợ giúp

Sản phẩm

số và sản phẩm đồ họa

1.3.3 Nguyên lý cơ bản của phương pháp đo ảnh số:

Là biến đổi độ xám trên ảnh thành các tín hiệu điện, sử dụng máy tính điện tử và các phần mềm để xử lý các tín hiệu này, thực hiện quá trình tự động đo

vẽ ảnh

Khác với công nghệ đo vẽ ảnh tương tự và giải tích dữ liệu đầu vào của công nghệ đo vẽ ảnh số phải là ảnh số Tuy nhiên dữ liệu số không làm thay đổi nguyên lý của môn đo vẽ ảnh, đo vẽ ảnh số vẫn gắn liền với nền tảng vững chắc của hình học xạ ảnh Các trị đo của ảnh số được xử lý theo cùng

mô hình toán học như trong ảnh giải tích (như phương trình điều kiện đồng tuyến) Như vậy có thể nói 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 nhất định Mỗi một pixel đại diện cho lượng bức xạ phổ trung bình mà máy thu nhận được từ các phần tương ứng của thực địa Các lượng bức xạ này có thể được ghi trực tiếp bởi máy thu (chụp ảnh số trực tiếp) hoặc có được thông qua việc đo mật độ quang học của ảnh chụp (quét ảnh) Các pixel có giá trị nguyên độ xám là kết quả của phép lượng tử hoá sự biến đổi tương tự - số của tín hiệu điện từ trong máy thu Các pixel còn tạo nên một hệ tọa độ của ảnh số Trong khi ảnh tương tự lại 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 thì sản phẩm ảnh tương tự này phải được thay thế bằng ảnh

dưới dạng số để có thể sẵn sàng cho các bước xử lý trong máy tính

Dưới góc độ tin học thì dữ liệu số nói chung và ảnh số nói riêng được cấu thành từ các số nhị phân Tất cả các máy tính đều dùng bít làm cơ sở cho mọi quá trình xử lý số liệu Một bít có thể được xem như một trạng thái “mở” hoặc “tắt” và có giá trị là O hoặc là 1 Như vậy ảnh 1 bít chỉ có hai độ xám là

O và 1; trên thực tế người ta thường phải lưu trữ ảnh số với nhiều thang độ xám hơn Ảnh n bít có số thang độ xám từ O đến (2n - 1) Với ảnh đen trắng hiện nay thì phổ biến nhất là ảnh 8 bít (8 bít = 1 byte) với thang độ xám từ O đến 28 - 1= 255

Từ nguyên lý của phương pháp đo ảnh số người ta đưa ra 3 phương pháp đo ảnh số:

1 Phương pháp đo ảnh số hỗn hợp:

Trong phương pháp số hoá này, thông thường người ta lắp đặt một bộ

số hoá CCD trên máy đo ảnh giải tích để tiến hành số hoá cục bộ từng phần của ảnh và nhờ bộ tổ hợp mà thu nhận được tọa độ không gian của điểm ảnh

2 Phương pháp đo ảnh toàn số:

Trong phương pháp này số liệu đưa vào xử lý là ảnh số, tức là các tín hiệu ảnh quét được ghi nhận thông qua các hệ thống điện từ Nếu tư liệu đầu vào là ảnh chụp truyền thống, thì trước hết phải tiến hành số hoá ảnh bằng thiết bị số hoá Quá trình đo vẽ ảnh số trong hệ thống này bao gồm các nội dung chủ yếu sau: xác định các yếu tố định hướng ảnh, nhận dạng và tổ hợp ảnh, tính tọa độ không gian điểm ảnh, nội suy bề mặt mô hình, tự động vẽ địa hình trên bản đồ ảnh trực giao được thành lập theo phương pháp nắn ảnh số

3 Phương pháp đo ảnh tức thời:

Là quá trình thu nhận thông tin ảnh và xử lý thông tin xẩy ra đồng thời với sự liên kết chặt chẽ giữa thiết bị chụp ảnh và hệ thống máy tính có tính năng cao Phương pháp đo ảnh số tức thời được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghiệp Trong đo ảnh, phương pháp này được ứng dụng để phát triển phương pháp đo ảnh tự động trong phạm vi gần

*Sự khác biệt cơ bản của phương pháp đo ảnh toàn số với phương pháp

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

thì không thể thực hiện tự động hoá trong đo ảnh

Do tư liệu ban đầu của phương pháp đo ảnh số là các ảnh số, nên các thiết

bị đo ảnh quang cơ truyền thống sử dụng phương pháp đo ảnh tương tự trở nên không cần thiết nữa, thay vào đó là các máy tính hoặc trạm đo ảnh chuyên dùng

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

*Phương pháp đo ảnh số tuy mới phát triển nhưng với tốc độ nhanh chóng và đã tạo ra những kỳ tích đáng kinh ngạc Đó là hiệu suất và độ chính xác đạt được rất cao Có thể nói: phương pháp đo ảnh số là sự phát triển hiện đại về công nghệ của phương pháp đo ảnh

mã hoá Các trạm đo vẽ ảnh số không cần có các kiểm định về cơ học, lau dầu

mỡ như của các máy đo giải tích

Các trạm đo vẽ ảnh số có tính linh hoạt cao hơn các máy đo vẽ giải tích Ưu điểm hàng đầu của các trạm đo vẽ ảnh số là chúng xử lý các dữ liệu ảnh số và dựa hoàn toàn vào các tính toán số

Mặc dù công nghệ đo vẽ ảnh số đã được áp dụng rộng rãi nhưng trong

thực tế công việc chụp ảnh vẫn ít thay đổi và đa số ảnh hàng không vẫn được

chụp bằng máy ảnh dùng phim Ảnh hàng không dạng tương tự vẫn là môi

trường lưu giữ hình ảnh hiệu quả nhất Nội dung thông tin của một ảnh hàng

không có thể tương đương với một file ảnh số với 20.000 x 20.000 phần tử

ảnh (0,4 Giga byte - ảnh đen trắng, 1.2 Giga byte - ảnh mầu)

Các máy ảnh dùng phim vẫn được dùng phổ biến nhất và do đó, nếu

muốn áp dụng công nghệ đo vẽ ảnh số thì cần thiết phải chuyển ảnh tương tự

sang ảnh số Quá trình này được thực hiện nhờ các máy quét chuyên dụng

Ảnh hàng không dạng tương tự được xem như một tư liệu liên tục (hay còn

gọi là hàm liên tục của các thang độ xám) trong khi với ảnh số thì hàm độ

xám được rời rạc hoá và lượng tử hoá Trong quá trình quét giá trị độ xám

hoặc giá trị mầu trên ảnh gốc được đo bởi một hoặc nhiều phần tử nhạy sáng

(thường là một thiết bị tăng quang hoặc là các thiết bị thu hình ảnh bán dẫn)

TRẠM ĐO

VẼ ẢNH

SỐ

Máy Quét Raster

Máy in Raster hoặc phim

Hệ thống bản đồ số hoặc GIS/LIS

Thông thường khi quét ảnh đen trắng thì hình ảnh được làm rời rạc hoá

thành 256 thang độ xám Phim mầu thông thường được quét và tách thành 3 băng

(đỏ, lục, lam) bằng cách dùng các kính lọc mầu Các máy quét chuyên dùng cho đo vẽ ảnh cần có độ chính xác hình học khoảng 2 - 5 μm với kích thước pixel nhỏ nhất khoảng 7 - 10 μm Nói một cách khác, độ chính xác của các máy gần ngang bằng với độ chính xác của các máy đo tọa độ ảnh đơn hoặc các máy đo vẽ giải tích chính xác Điều này còng chính là lý do tại sao trong máy quét PS1 có sử dụng nhiều bộ phận cơ học của máy đo vẽ giải tích PlanicomP3 Xét về hình dạng của bộ phận đựng phim máy quét có hai dạng

là máy quét dạng hình trống và máy quét dạng đế phẳng

1.4.1.1 Máy quét dạng hình trống:

Máy quét dạng hình trống thường dùng các ống hai cực (đioe) làm thiết bị quét Trong các máy quét dạng này ánh sáng đi từ nguồn sáng qua một lăng kính chuyển động, qua phim đặt trên một đế chuyển động hình trống làm bằng thuỷ tinh và tới ống hai cực Các ống hai cực có ưu điểm cho nhiều độ xám khi quét, tức là có độ phân giải bức xạ cao Tuy nhiên việc đặt ảnh trên một mặt trống là khá phức tạp và các bộ phận cơ học của máy quét dạng này có độ chính xác hình học hạn chế (± 50 μm)

1.4.1.2 Máy quét dạng đế phẳng:

Với công nghệ CCD các máy quét dạng đế phẳng có hai dạng là CCD dạng thanh và CCD dạng bảng

- Máy quét dạng thanh: Các máy quét dạng này ánh sáng từ nguồn sáng

đi qua phim đặt trên một tấm kính phẳng và tới CCD Tất cả các máy quét chuyên dùng trong đo vẽ ảnh hiện nay đều ở dạng đế phẳng Các máy quét chuyên dùng như Zeiss SCAI, Intergraph PS1 hoặc Intergraph Photo Scan TD

có CCD dạng thanh Đối với các máy quét dạng SCAI và Photo Scan TD khay đựng phim đứng yên trong khi trục phụ đẩy thanh CCD để quét một dải ảnh sau đó trục chính đẩy CCD theo chiều ngang với một lượng đóng bằng chiều rộng của dải ảnh vừa quét Tiếp đó trục phụ lại quét dải thứ hai và cứ

tiếp tục như vậy cho đến khi quét hết cả tấm ảnh Với máy quét PS1 trục phụ đẩy phim theo hướng quét còn CCD thì đứng yên Tuy nhiên sau mỗi dải quét trục chính lại đẩy CCD theo chiều ngang với một lượng đóng bằng chiều rộng của dải ảnh vừa quét

- Máy quét dạng bảng: Các máy quét này khay phim chuyển động theo

cả hai trục X và Y trong hệ thống quang học và CCD thì đứng yên Sau mỗi mảng quét khay phim lại được dịch chuyển với một lượng đóng bằng chiều rộng của mảng ảnh vừa quét sau đó lại đứng yên để cho các CCD được lộ quang

Bảng liệt kê một số loại máy quét chuyên dụng trong đo vẽ ảnh số với các thông số kỹ thuật như độ chính xác và độ phân giải

Bảng 1.2 Hãng sản xuất Tên máy quét Độ chính xác Độ phân giải

DSW300 DSW500

1.4.2 Trạm đo vẽ ảnh số:

Trạm đo vẽ ảnh số là hạt nhân của hệ thống ảnh số nó gồm một trạm đồ họa với bộ nhớ, phần mềm xử lý ảnh và các tính năng hiển thị Phần cứng của trạm đo vẽ ảnh số bao gồm:

- Một bộ xử lý CPU mạnh và bộ nhớ RAM lớn để có thể xử lý các file ảnh

số lớn thường có trong đo vẽ ảnh số;

- Các tính năng xử lý khác như bộ tăng tốc độ đồ họa, bảng xử lý tín hiệu số,

bộ xử lý mảng để đảm bảo thực hiện nhanh các công việc có khối lượng tính toán lớn như khớp ảnh tạo mô hình số địa hình (DTM);

- Bộ nhớ lưu trữ tư liệu lớn: đĩa cứng và các thiết bị lưu trữ phải có dung lượng lớn (nhiều Giga Byte) để lưu trữ dữ liệu ảnh;

- Khả năng truyền dữ liệu nhanh giữa RAM, bộ nhớ video để hiện thị ảnh trên màn hình, và bộ lưu trữ dữ liệu chính trong đĩa cứng;

- Màn hình mầu độ phân giải cao với khả năng nhìn lập thể;

- Thiết bị đo lập thể (chuột lập thể) cho phép định vị tiêu đo chính xác để thực hiện tốt các thao tác như đo điểm hay số hoá các đối tượng

1.4.2.1 Tiêu đo:

Tiêu đo được tạo bởi một nhóm các pixel trên màn hình Tiêu đo này có thể dịch chuyển theo từng pixel của màn hình Nếu tỷ lệ pixel của ảnh và của màn hình là 1/1 thì độ chính xác của phép đo trên thực địa sẽ bằng độ lớn của pixel (tính theo thực địa) Nếu phóng ảnh lên (Zoom in) thì có thể đo được chính xác tới một phần của pixel

1.4.2.2 Tính năng nhìn lập thể:

Tính năng nhìn lập thể là yêu cầu cần thiết cho nhiều thao tác đo vẽ, chẳng hạn như đo điểm khống chế mặt đất trong định hướng tuyệt đối, số hoá các đặc trưng địa vật để thành lập bản đồ

Thêm vào đó các dữ liệu số 3D còn cần dùng trong GIS/LIS Tính năng nhìn lập thể là yếu tố không thể thiếu được trong hiện chỉnh bản đồ hay đo đạc và chỉnh sửa mô hình số địa hình Ngoài ra nó còn cho phép chồng các dữ liệu vector lên mô hình lập thể để kiểm tra độ chính xác và tính hoàn chỉnh

Có 5 phương pháp tạo lập thể hiện đang được áp dụng trong các hệ thống

- Hiển thị xen kẽ và luân phiên ảnh trái và ảnh phải với tần số của mỗi ảnh là

50 đến 60 Hz, dùng bộ phát xạ hồng ngoại đặt trên nóc màn hình, người thao tác đeo một loại kính đặc biệt để nhìn lập thể Phương pháp này thường được

áp dụng trong các trạm đo vẽ ảnh số của Intergraph

1.4.2.3 Hệ thống phần mềm:

Xét dưới khía cạnh thuật toán thì các giải pháp dùng trong các trạm đo vẽ ảnh số về cơ bản giống như trong đo vẽ giải tích Chúng đều dùng các cơ sở của hình học xạ ảnh và các mô hình toán học giống nhau ví dụ như các phương trình đồng tuyến và điều kiện đồng phẳng Các module phần mềm trong các trạm đo vẽ ảnh số có thể được chia thành các phần chính sau đây của hãng Intergraph:

- Phần mềm quét ảnh;

- Phần mềm tạo project và quản trị dữ liệu: ISPM;

- Phần mềm tăng dày khống chế ảnh: ISDM;

- Phần mềm xây dựng mô hình số địa hình DTM: ISMT

- Phần mềm nắn ảnh trực giao: ISIR, BRECT;

2 Phần mềm tạo project:

Là phần mềm cho phép lưu trữ các thông tin về ảnh được xử lý trên trạm xử ảnh và chuyển đổi với các dạng dữ liệu của phần mềm khác, nó có chức năng:

- Tạo ra một nền tảng cơ sở vững chắc còng như môi trường và điều kiện cần thiết cho mỗi khu vực cần thành lập bản đồ

- Cho phép quản lý dữ liệu ảnh dưới dạng hai file File ASCII giúp ta có thể quan sát dữ liệu dưới dạng văn bản và có thể sửa đổi được, đây là dạng file

mà chúng ta thường dùng Tuy nhiên tốc độ ghi và nhận chậm hơn file Binary nhiều lần Do đó đối với những project lớn ta thường tiến hành công việc trên file dạng Binary và cuối cùng chuyển sang file ASCII

- Lưu trữ các thông số như kiểu dữ liệu hệ tọa độ, đơn vị đo, các thông số của phim, tọa độ mấu khung, số liệu hiệu chỉnh độ méo hình kính vật, kinh tuyến gốc, múi

chiếu khu đo, tạo ra số liệu mô hình một cách tự động

- Nhận các giới hạn cho phép của các phép định hướng trong, định hướng ngoài, định hướng tuyệt đối, bình sai

Quá trình định hướng ngoài được áp dụng theo nhiều cách khác nhau Một

số hệ thống dùng phép giao hội không gian ngược cho từng ảnh một, sau đó

áp dụng phép giao hội không gian dựa trên nguyên lý chùm tia để liên kết các ảnh với nhau Tuy nhiên quá trình tuần tự theo truyền thống gồm định hướng tương đối và tuyệt đối vẫn được dùng phổ biến nhất Theo cách này một số trạm đo vẽ ảnh số còn có các module định hướng tương đối tự động và bán tự động Đối với định hướng tuyệt đối vẫn phải đòi hỏi người thao tác phải nhận dạng các điểm khống chế mặt đất

b Tăng dày khống chế ảnh:

Giống như tăng dày giải tích, tăng dày ảnh số còng bao gồm các công đoạn

cơ bản như: chọn điểm, truyền điểm, đo điểm, thiết lập mô hình và kiểm tra sai số thô theo từng mô hình dọc theo các tuyến bay Tuy nhiên trong tăng dày ảnh số kỹ thuật khớp ảnh (image matching) thường được áp dụng Hai phương pháp khớp ảnh thường được dùng nhất là khớp ảnh theo vùng và khớp ảnh theo đặc trưng địa vật Quá trình khớp ảnh được thực hiện dựa trên các cấu trúc hình tháp của ảnh Các phép khớp ảnh được tiến hành theo từng lớp của cấu trúc hình tháp và kết thúc ở lớp cuối cùng, tức là lớp của file ảnh được quét từ máy quét Kỹ thuật khớp ảnh tỏ ra đặc biệt có hiệu quả khi có các điểm khống chế được đánh dấu mốc và địa hình có các điểm rõ nét Nếu địa hình

có ít các điểm rõ nét thì cần phải đo lập thể thủ công

Như vậy một trong những thay đổi cơ bản mà hệ thống đo vẽ ảnh số mang lại là khả năng khớp ảnh và đo tự động điều mà trong ảnh giải tích không có Phương pháp tam giác ảnh số tự động ứng dụng kỹ thuật khớp ảnh

để chọn, chuyển và đo tự động các điểm nối ảnh (đặc biệt là nối các tuyến ảnh) là một trong các khả năng đó Đã có một vài phương pháp và chương trình phần mềm tăng dày bán tự động và tự động được đưa vào áp dụng như ISDM của Intergraph hay DCCS của Helava (bán tự động), MATCH - AT, HATS, PHODIS - AT (tự động) và một vài phần mềm khác của các trường đại học trên thế giới

Trong ảnh giải tích hai nhiệm vụ đo tọa độ điểm ảnh và tính toán các yếu tố định hướng tách rời nhau nhưng trong ảnh số đang được hợp nhất lại

thành một công đoạn Công đoạn này được thực hiện theo thứ tự bậc của các lớp hình tháp của ảnh Tuy nhiên trong các trạm đo vẽ ảnh số hiện nay phần tính toán tăng dày vẫn áp dụng các thuật toán hoặc tăng dày giải tích như: PAT-M, PAT-B, ISBBA hay BLUH Các phiên bản hiện nay của các phần mềm này còn có khả năng sử dụng tọa độ GPS của tâm chiếu hình trong bình sai Cuối cùng các giá trị tính toán tăng dày như tọa độ của các điểm tăng dày

và các yếu tố định hướng ngoài của ảnh được gắn trực tiếp với từng file ảnh dưới dạng các thông tin đầu file (header hay support file) Bằng cách này sau khi hoàn thành khâu tăng dày, các mô hình lập thể có thể được hiển thị, mô hình số độ cao (DEM) có thể được tính toán và sau đó có thể nắn ảnh trực giao dùng các yếu tố định hướng ngoài của ảnh và DEM

4 Phần mềm xây dựng mô hình số địa hình (DTM), DEM:

Có thể khẳng định rằng việc thành lập DEM và nắn ảnh số trực giao tự động là các sản phẩm trong quá trình phát triển của đo vẽ ảnh số Nhiều trạm

đo vẽ ảnh số có các module phần mềm để tạo ra các sản phẩm này Để thành lập DEM tự động có các phần mềm như MATCH-T trong các trạm của Intergraph, SOCET SET ATE của Helava, Phodis TS của Zeiss Ngoài ra còn

có các module phần mềm thành lập DEM bán tự động như ISDC của Intergraph tuy nhiên các thao tác tự động thường không được thực hiện tốt ở các vùng có địa hình với ít điểm đặc trưng, có độ tương phản thấp, các vùng

có thực phủ lớn và dày đặc hay các vùng có nhiều nhà cửa Nói chung các phần mềm thành lập DEM tự động thường đem lại kết quả tốt ở tỷ lệ ảnh trung bình, tại các vùng quang đãng có kết cấu bề mặt tốt Ở tỷ lệ lớn, tại các vùng bị che phủ, hay độ cao của các công trình xây dựng, nhà cửa gây nhiều khó khăn cho việc thành lập DEM tự động Do vậy để áp dụng thành công, yêu cầu đặt ra cho các phần mềm thành lập DEM tự động là phải có các công

cụ mạnh để chỉnh sửa DEM một cách tương tác, chính xác và nhanh chóng

5 Phần mềm nắn ảnh trực giao:

Hầu như tất cả các hệ thống đo vẽ ảnh số đều có các module phần mềm nắn ảnh trực giao, chẳng hạn như Base Recti fier và OrthoPro của Intergraph,

SOCET SET Ortho hay Mo saics của Helava, Phodis-OP của Zeiss, OrthoEngine của PCI, OrthoGIS của Vexcel và Imagine OrthoBASE của ERDAS Tuy nhiên sự chặt chẽ và tính hiệu quả của các phần mềm này có khác nhau Một số phần mềm áp dụng các giải pháp chặt chẽ trên toàn bộ mô hình lập thể; tức là nắn vi phân cho từng pixel một Một số khác có vẻ như chỉ

áp dụng các giải pháp nửa chặt chẽ, cụ thể là chỉ nắn vi phân theo từng điểm

“lưới” của các pixel (ví dụ cứ cách 32 pixel lại nắn một pixel, các pixel còn lại thì không nắn vi phân mà chỉ dùng phép nội suy) Một số module phần mềm nắn ảnh trực giao còn có luôn tính năng cắt, ghép ảnh với các công cụ

xử lý bức xạ và hình học và có khả năng dàn sáng để các vết cắt khó có thể nhận ra được bằng mắt thường Cuối cùng một số hãng đã cho ra các phần mềm nắn ảnh trực giao trực tiếp với khả năng làm giảm ảnh hưởng của độ nghiêng của các nhà cao tầng (do tính chất phép chiếu xuyên tâm gây ra) là một số tiến bộ mới của nắn ảnh trực giao số

6 Phần mềm cắt, ghép ảnh:

Phần mềm này giúp chúng ta tạo ra một khối ảnh liền nhau thông qua việc ghép từng tấm ảnh được nắn riêng biệt lại với nhau Sau khi các ảnh được ghép thành một khối, dùng lệnh EXTRAC của phần mềm MBI hoặc IRASC cắt ảnh theo từng mảnh bản đồ IRASC cung cấp đầy đủ các chức năng phục vụ cho việc hiển thị và xử lý ảnh hàng không, ảnh viễn thám thông qua các máy quét hoặc đo trực tiếp nếu là nền ảnh IRASC cho phép người sử dụng cùng một lúc có thể kết hợp điều khiển và thao tác với cả hai dữ liệu raster và vector

7 Nội suy đường bình độ

Tiến hành nội suy đường bình độ trên cơ sở mô hình số địa hình đã dựng với khoảng cao đều đã xác định Sau đó, làm trơn đường bình độ trên các thuật toán nội suy theo một trong các nguyên lý sau:

- Làm trơn đường bình độ bằng cách loại bỏ các điểm dư thừa mà không làm ảnh hưởng đến hình dáng và độ chính xác của địa hình Cơ sở của thuật toán

này là một điểm nằm giữa hai điểm sẽ bị loại bỏ nếu độ dài đường vuông góc hạ từ điểm đó đến đường thẳng nối hai điểm còn lại nhỏ hơn một giá trị cho trước

- Làm trơn đường bình độ bằng cách xác định lại vị trí của điểm tạo nên đường bình độ đó Vị trí điểm thuộc đường bình độ sẽ được xác định lại bằng cách lấy giá trị trung bình của chính nó với các điểm lân cận

- Làm trơn đường bình độ bằng cách xác định một đường cong đi qua các điểm thuộc đường bình độ sao cho sự sai khác là ít nhất hoặc làm trơn bằng cách loại

có thể được nhập vào hệ thống bản đồ số, các hệ thống CAD hay GIS/LIS theo một giao thức chuẩn, chẳng hạn DXF

Trong những năm gần đây mặc dù có nhiều công trình nghiên cứu tập trung vào việc tự động hoá trong số hoá các đối tượng của địa vật nhưng đều chưa đạt được các tiến bộ rõ rệt Do đó người thao tác hiện nay chủ yếu vẫn phải số hoá thủ công, mất nhiều thời gian

1.4.2.4 Máy in:

Để có được sản phẩm là bản đồ gốc truyền thống các hệ thống đo ảnh được trang bị máy in, máy vẽ khổ lớn phục vụ đo vẽ chuyển tải các sản phẩm

thông tin của trạm đo ảnh số ra các vật như giấy, màng khắc vật liệu ảnh, đặc biệt là in các loại bản đồ tỷ lệ lớn và độ chính xác cao Các thiết bị này có thể nối trực tiếp với trạm đo vẽ ảnh số và các máy đo vẽ giải tích

Có thể chia các máy in ra thành các loại sau đây theo nguyên lý hoạt động của chúng:

- Máy in tĩnh điện; - Máy in phun mực;

- Máy in nhiệt; - Máy in laser;

độ rộng 90 cm và độ phân giải lớn tới 600 dpi ENCAD Novajet còng có các tính năng tương tự Các máy in của hai hãng này rất được ưa chuộng Giá thành thấp và chất lượng tương đối đảm bảo là lý do chính khiến cho các máy in này tỏ

ra nổi trội khi cần in với độ phân giải thấp và trung bình Chúng có thể in bản đồ ảnh và bản đồ đường nét

4 Máy in phin:

Bởi vì các trạm đo vẽ ảnh số hiện nay được dùng nhiều để thành lập ảnh trực giao cho nên vấn đề dùng máy in phin để có thể giữ được độ phân giải của ảnh trực giao gốc ngày càng trở nên quan trọng Các máy in phin raster khổ lớn như Barco MegaSetter, Barco BG-3800, Agfa SelectSet và Intergraph Mepasetter có thể tạo ra phim âm bản và dương bản với độ phân giải rất cao (tới 4000 dpi)

CHƯƠNG 2 QUY TRÌNH THÀNH LẬP BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH BẰNG CÔNG NGHỆ ẢNH KỸ THUẬT SỐ2.1 Sơ đồ quy trình công nghệ thành lập bản đồ địa hình

2.2 Các bước của quy trình công nghệ

2.2.1 Khảo sát thiết kế

1 Mục đích yêu cầu, nhiệm vụ

• Mục đích: Việc thành lập bản đồ tỷ lệ 1/5000 khu vực Hà Nội nhằm mục đích cung cấp tài liệu cho việc lập quy hoạch các phân khu đô thị Nội dung trên bản đồ ngoài việc thỏa mãn các yêu cầu cơ bản về kỹ thuật của bản

đồ địa hình nói chung còn phải nhấn mạnh hơn nữa một số yếu tố phục vụ cho công tác quy hoạch như: đường dây điện, tram biến thế, trường học , cơ sở y

tế, hệ thống giao thông, nghĩa địa, các yếu tố lịch sử và văn hóa…Vì vậy trong quá trình đo vẽ bản đồ cần tập trung giải đoán tối đa các yếu tố trên mô hình lập thể

• Yêu cầu:

+ Hệ tọa độ Quốc gia VN-2000, lưới chiếu UTM, múi chiếu 3 độ, kinh tuyến trục 105 độ, hệ độ cao Hòn Dấu - Hải Phòng

+ Tỷ lệ bản đồ cần thành lập: 1/5000

+ Khoảng cao đều đường bình độ cơ bản là 1m

+ Bản đồ được đánh số chia mảnh chính quy

+ Độ chính xác nội dung bản đồ: Sai số mặt phẳng không vượt quá 0.2mm tính theo tỷ lệ bản đồ Sai số cắt điểm độ cao không vượt quá ¼ khoảng cao đều đường bình độ cơ bản (0.25m)

+ Các yếu tố dạng vùng có diện tích từ 20mm trở lên trên bản đồ, yêu cầu phải xác định để biểu thị Các yếu tố dạng đường có độ rộng từ 0.5mm trở lên trên bản đồ vẽ theo tỷ lệ, độ rộng dưới 0.5mm vẽ theo quy định của ký hiệu

+ Nội dung bản đồ gồm có:

- Các yếu tố cơ sở toán học

- Thủy hệ và các đối tượng liên quan

- Địa hình

- Đường giao thông và các đối tượng liên quan

- Dân cư và các đối tượng kinh tế , văn hóa, xã hội; ranh giới, tường, rào

3 Đánh giá tư liệu

- Tư liệu ảnh hàng không kỹ thuật số với độ phân giải cao, ảnh màu tự nhiên và thời gian chụp ảnh tháng 4 năm 2011 Vì vậy các thông tin trên ảnh mang tính thời sự và phản ánh gần như trung thực các đối tượng trên thực địa Trong quá trình đo vẽ nội dung bản đồ trên mô hình lập thể và trên bình đồ ảnh cần phải giải đoán và khai thác tối đa các thông tin có trên ảnh

2.2.2 Chụp ảnh hàng không

Ảnh hàng không là sản phẩm của quá trình bay chụp, nó là tư liệu gốc ban đầu của đo ảnh, các thông số của ảnh hàng không như: tiêu cự, tỉ lệ ảnh, chất lượng ảnh, ảnh hưởng đến toàn bộ sản phẩm sản xuất sau này

Do đó, trong công tác bay chụp ảnh phải được tính toán kỹ lưỡng các thông số kỹ thuật cần thiết: Như độ cao bay chụp (H), tiêu cự của máy chụp ảnh (fk) và tỉ lệ chụp (ma) Nếu chọn độ cao bay chụp cao làm tỷ lệ ảnh nhỏ dẫn đến khả năng phân biệt địa vật của ảnh bị hạn chế làm giảm bớt khả năng đoán đọc, điều vẽ và độ chính xác đo vẽ đường đồng mức, còn khi chọn độ cao bay chụp thấp tỷ lệ ảnh sẽ lớn thì công tác đo đạc lại không đo vẽ được vùng rộng lớn, đồng thời không kinh tế, hiệu quả thấp Để phục vụ tốt công tác đo vẽ lập thể chúng ta phải lựa chọn độ cao bay chụp, tiêu cự máy chụp ảnh cho phù hợp, tỷ lệ ảnh phải tương quan với tỷ lệ bản đồ Độ cao bay chụp được xác định bằng công thức sau:

H ≤

p

hm

m b

mΔp: sai số đo chênh thị sai ngang

Với cùng một tỷ lệ ảnh, nếu tiêu cự dài sẽ làm tăng độ chính xác vị trí điểm ảnh nhưng góc mở của máy chụp ảnh nhỏ nên hiệu quả kinh tế thấp Để

độ xê dịch vị trí điểm ảnh do địa hình không vượt quá hạn sai cho phép và nâng cao hiệu quả kinh tế thì tiêu cự máy chụp ảnh được xác định như sau

fk ≤

p a

hm m

m b

Δ

.

Trong đó:

b: đường đáy ảnh

mh: sai số trung phương cho phép xác định độ cao các điểm ghi chú trên bản đồ

mΔp: sai số đo chênh thị sai ngang

ma: mẫu số tỷ lệ ảnh

Sau khi xác định được giá trị tối đa của độ cao bay chụp thì cần xác định

tỷ lệ ảnh sao cho hiệu quả kinh tế cao mà vẫn đảm bảo khả năng nhận biết địa hình địa vật tốt Thông thường, tỷ số giữa tỷ lệ ảnh và tỷ lệ bản đồ thay đổi từ 1,5 - 8 lần tuỳ theo tỷ lệ bản đồ, tỷ lệ bản đồ càng lớn thì tỷ số này càng cao Trên cơ sở chọn tỷ lệ ảnh sao cho vừa đo vẽ tốt, vừa đảm bảo điều vẽ tốt Chụp ảnh thường với độ phủ 60 x 30% cho vùng đồi núi, ở vùng núi cao thì tăng độ phủ lên tương ứng với địa hình Thường ở vùng bằng phẳng và vùng đồi núi có thể chụp với độ phủ 80 x 30% để tiến hành tăng dày tam giác ảnh không gian theo các ảnh số lẻ và số chẵn độc lập nhau Khi chụp ảnh ở vùng núi ít địa vật định hướng, việc dẫn đường bằng mắt gặp rất nhiều khó khăn, để khắc phục nhược điểm này, ngày nay con người đã được trang bị hệ thống dẫn đường GPS

2.2.3 Đo nối khống chế ảnh ngoại nghiệp

Những điểm khống chế được bố trí trên thực địa và tọa độ của chúng được xác định bằng phương pháp đo đạc ngoài trời, đồng thời vị trí của nó được đánh dấu trên ảnh đo và có mặt trong lưới khống chế tăng dày được gọi

là những điểm khống chế ảnh ngoại nghiệp Toàn bộ công tác bố trí điểm, đo đạc và đánh dấu vị trí điểm trên ảnh đo được gọi là công tác đo nối khống chế ảnh

Để phục vụ cho công tác tăng dày điểm khống chế ảnh trong phòng, điểm khống chế ảnh ngoại nghiệp có ba loại sau đây:

- Điểm khống chế tổng hợp: là các điểm khống chế ảnh được xác định cả tọa độ mặt phẳng và độ cao

mNN ≤

2 mtd

Sai số trung phương vị trí mặt phẳng của điểm khống chế ảnh ngoại nghiệp phục vụ cho công tác tăng dày điểm đo vẽ ảnh, sau bình sai so với vị trí điểm khống chế trắc địa gần nhất tính theo tỷ lệ bản đồ thành lập không vượt quá 0,1 mm ở vùng quang đãng và 0,15 mm ở vùng ẩn khuất

Sai số trung phương độ cao của điểm khống chế ảnh ngoại nghiệp, điểm khống chế đo vẽ sau bình sai so với độ cao của điểm độ cao quốc gia gần nhất không vượt quá 1/10 khoảng cao đều đường bình độ cơ bản ở vùng quang đãng và 1/5 khoảng cao đều đường bình độ cơ bản ở vùng ẩn khuất

2 Yêu cầu về số lượng và phương án bố trí điểm:

Số lượng điểm và phương án bố trí điểm khống chế ngoại nghiệp phụ thuộc vào độ chính xác cần đạt của điểm khống chế tăng dày để phục vụ cho nhiệm vụ đo vẽ cụ thể Ngày nay với những phát triển mới của các phương pháp tam giác ảnh cho phép nâng cao độ chính xác và hiệu quả của công tác tăng dày, nên số lượng điểm khống chế ngoại nghiệp được giảm tối thiểu và phương pháp bố trí điểm cũng rất linh hoạt

Hình a: Phương án bố trí điểm KC ảnh ngoại nghiệp cho lưới dải bay

Hình b: Phương án bố trí điểm KC ảnh ngoại nghiệp tối thiểu cho lưới khối Hình c: Phương án bố trí điểm KC ảnh ngoại nghiệp tối thiểu cho lưới khối

có sử dụng tọa độ tâm chụp xác định bằng DGPS

Các phương án bố trí điểm:

Hình 2.2

3 Yêu cầu về công tác đánh dấu điểm:

Khi đo vẽ bản đồ tỷ lệ lớn hoặc đo vẽ những vùng thưa thớt địa vật đặc trưng, người ta thường phải sử dụng hình ảnh của những dấu mốc đặc biệt và đặt trên thực địa ở những vị trí thích hợp trước khi bay chụp để làm điểm khống chế ngoại nghiệp và điểm tăng dày

Để đảm bảo độ chính xác đoán nhận và châm chích vị trí trên ảnh những dấu mốc này cần phải được tạo nên theo các yêu cầu sau:

- Hình dạng và mầu sắc của dấu mốc phải dễ đoán nhận trên ảnh Qua kết quả nghiên cứu và thực nghiệm, người ta thấy rằng dấu mốc hình tròn và có mầu sắc tương phản với nền đặt dấu mốc là thích hợp nhất Nếu nền đặt dấu mốc

Hình a

Điểm khống chế ảnh độ cao

là mầu tối thì dấu mốc có mầu trắng hoặc mầu vàng là tốt nhất Ngoài ra, dấu mốc cũng có thể có dạng hình vuông hoặc dạng tam giác đều

- Dấu mốc phải có kích thước thích hợp để hình ảnh của chúng trên ảnh có

độ lớn khoảng 0.03 ÷ 0.05 mm Để thỏa mãn yêu cầu này, đường kính của dấu mốc có thể xác định theo công thức:

d = 4

10 3

a

m

(m) Trong đó :

ma : mẫu số tỷ lệ ảnh Cần đặc biệt chú ý bảo đảm sự ăn khớp về thời gian đặt dấu mốc và thời gian chụp ảnh, vì các dấu mốc thường được xây dựng bằng biện pháp đơn giản như: đắp đất, đào hào, phát cây cỏ, đốt cây nên rất dễ bị tác động của thiên nhiên phá hoại

4 Các phương pháp đo khống chế ảnh ngoại nghiệp

Để xác định tọa độ lưới khống chế ngoại nghiệp người ta sử dụng ba phương pháp:

a Phương pháp tam giác

Đây là một phương pháp được ứng dụng từ rất lâu, các thiết bị máy móc chủ yếu là máy đo góc Công tác tính toán của phương pháp này là dựa vào mối quan hệ hình học trong tam giác để tính chuyển tọa độ từ điểm đã biết đến điểm chưa biết Tuỳ thuộc vào tình hình thực tế của khu đo cũng như yêu cầu kỹ thuật cụ thể của công trình mà bố trí đồ hình đo nối cho phù hợp Bao gồm:

- Phương pháp tam giác đo góc

- Phương pháp tam giác đo cạnh

- Phương pháp tam giác đo góc cạnh kết hợp

b Phương pháp đa giác

Phương pháp này cũng là phương pháp truyền thống nhưng có ưu điểm là: Yêu cầu về vị trí điểm đơn giản hơn vì thông thường phương pháp này đồ hình đo nối của mỗi điểm chỉ thông với hai hướng Ngày nay, khi công nghệ đo xa điện tử ra đời và phát triển thì phương pháp này được ứng dụng rất rộng rãi và cho hiệu quả kinh tế cao

Để xác định độ cao cho điểm khống chế ta có 3 phương pháp:

- Phương pháp thuỷ chuẩn hình học

- Đo cao lượng giác

- Phương pháp định vị GPS

Phương pháp thuỷ chuẩn hình học là phương pháp truyền thống có độ chính xác cao đảm bảo cho việc xác định độ cao của điểm khống chế ảnh nhưng thao tác lâu Còn phương pháp đo cao lượng giác và phương pháp GPS được đo kết hợp khi đo xác định cho các điểm khống chế ảnh và độ chính xác thấp hơn

2.2.4 Tạo Project

Tạo project chính là một trong những công việc phải làm đầu tiên trước khi các ảnh có thể hiển thị và xử lý trên trạm đo vẽ ảnh số Trước khi tiến hành một khu đo vẽ phải tạo môi trường và điều kiện làm việc cần thiết cho khu đo vẽ đó Tạo một project chính và làm việc tập hợp và sắp xếp các file

dữ liệu cần thiết cho một khu đo trên trạm đo ảnh sau khi đã có các tư liệu

Thông thường tên của khu đo vẽ thường dùng để đặt cho thư mục của project Trong thư mục này có chứa các file dữ liệu như:

File camera: chứa các thông tin số của máy ảnh

File control: chứa tọa độ và độ chính xác của các điểm khống chế ngoại nghiệp

Ngoài ra trong thư mục này còn có các file kết quả Các file kết quả lúc đầu

là file trống, chỉ đến khi một số công đoạn nhất định thực được hiện xong thì các file này mới hoàn chỉnh

Sau khi một project được tạo xong thì hệ thống quy chiếu, hệ tọa độ, độ cao, lưới chiếu khu đo được thiết lập Tên công việc và các thư mục, các file trong máy tính dùng để lưu trữ các dữ liệu và kết quả của công việc đó cũng được xác định

Khi tạo một việc thì cần lưu ý trong việc đưa vào hệ thống các thông số

kỹ thuật như sau: Các thông số kiểm định của máy ảnh, hệ tọa độ và đơn vị

đo, thông số các các tuyến bay, tọa độ và độ chính xác của các điểm khống chế, giới hạn cho sự hội tụ của bài toán bình sai theo phương pháp số bình phương nhỏ nhất, các thông số giới hạn do người sử dụng quy định

2.2.5 Tăng dày khống chế ảnh

Trong phương pháp đo ảnh người ta dựa trên các tính chất hình học cơ bản của ảnh đo, mô hình lập thể và miền thực địa để xây dựng các phương pháp đo đạc trong phòng nhằm xác định tọa độ trắc địa của các điểm khống chế ảnh thay cho phần lớn công tác đo đạc ngoài trời Công tác này được gọi là công tác tăng dày khống chế ảnh

Công tác tăng dày là khâu quan trọng trong toàn bộ quy trình công nghệ

đo ảnh Sản phẩm nhận được là tọa độ và độ cao trắc địa của các điểm trên từng mô hình, để có được các kết quả này thì ta thực hiện các quá trình sau: