Xây dựng mô hình số bề mặt từ ảnh chụp bằng máy ảnh số phổ thông phục vụ mô tả cảnh quan đô thị

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt GIS Geographic Information System - Hệ thống thông tin địa lý LIS Land Information System - Hệ thống thông tin đất đai LCD Liquid Crystal Display

Bé gi¸o dôc vμ ®μo t¹o Tr−êng §¹i häc Má - §Þa chÊt

Lêi cam ®oan

T«i xin cam ®oan r»ng ®©y lµ c«ng tr×nh nghiªn cøu cña riªng b¶n th©n Toµn bé qu¸ tr×nh nghiªn cøu ®−îc tiÕn hµnh mét c¸ch nghiªm tóc, khoa häc, c¸c sè liÖu, kÕt qu¶ tr×nh bµy trong luËn v¨n lµ chÝnh x¸c, trung thùc vµ ch−a tõng ®−îc ai c«ng bè trong bÊt kú c«ng tr×nh nµo kh¸c

T¸c gi¶ luËn v¨n

Hµ ThÞ H»ng

Lời cảm ơn

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới thầy giáo GS TSKH Phan Văn Lộc Mặc dù thầy và tôi công tác tại hai trường đại học khác nhau nhưng

thầy là người đã dìu dắt, hướng dẫn và động viên tôi từ lúc tôi bước chân vào nghề,

từ lúc tôi bắt đầu nghiên cứu khoa học tại trường Đại học Xây Dựng và trong suốt

quá trình tôi nghiên cứu, làm luận văn Được học tập và làm việc với thầy, bản thân

tôi tự thấy đây là một vinh dự lớn của mình, thầy là một tấm gương lớn về tình yêu

nghề, tinh thần trách nhiệm, sự tận tuỵ và tinh thần nghiên cứu khoa học

nghiêm túc Đặc biệt, thầy để lại trong tôi sự kính phục về lối sống yêu thương,

về tri thức khoa học và về nhân cách của thầy Qua đây, tôi cũng xin chân thành

cảm ơn thầy giáo TS Vũ Thặng đã tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong

quá trình công tác và cố vấn nhiệt tình về mặt chuyên môn Tôi cũng xin chân thành

cảm ơn các thầy cô giáo trong Bộ môn Trắc Địa ảnh và viễn thám, Khoa Trắc Địa,

Phòng Đại học và Sau Đại học, trường Đại học Mỏ - Địa chất, các thầy cô giáo

trong Bộ môn Trắc Địa, trường Đại học Xây Dựng cùng các bạn bè, đồng nghiệp đã

nhiệt tình giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và làm luận văn

Tác giả luận văn

Mục lục

Trang phụ bìa

Lời cam đoan 1

Lời cảm ơn 2

Mục lục 3

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt 6

Danh mục các bảng 7

Danh mục các hình vẽ, đồ thị 8

mở đầu 10

Chương 1.Tổng quan về sự phát triển của công nghệ đo ảnh mặt đất 13

1.1 Tổng quan đo vẽ địa hình bằng phương pháp đo ảnh mặt đất 13

1.2 Sự phát triển của công nghệ đo ảnh mặt đất trên thế giới và tại Việt Nam 15

1.2.1 Sự phát triển của công nghệ đo ảnh mặt đất trên thế giới 15

1.2.2 Sự phát triển của công nghệ đo ảnh mặt đất tại Việt Nam 19

1.3 Cơ sở lý thuyết của đo ảnh mặt đất 20

1.3.1 Các yếu tố định hướng của tấm ảnh mặt đất 20

1.3.2 Các dạng chụp cơ bản của ảnh lập thể mặt đất 22

1.3.3 Công thức xác định toạ độ của điểm vật trên cặp ảnh lập thể mặt đất 23

1.3.4 Độ chính xác toạ độ không gian của điểm vật trên cặp ảnh lập thể mặt đất 26

1.4 Khả năng ứng dụng ảnh số mặt đất trong mô tả cảnh quan đô thị, phục vụ quy hoạch, thiết kế xây dựng công trình 27

Chương 2.phương pháp kiểm định máy chụp ảnh số phổ thông 30

2.1 Các thông số kỹ thuật cơ bản của máy ảnh số phổ thông 30

2.1.1 Bộ cảm CCD 33

2.1.2 Độ phân giải 33

2.1.3 Hệ thống kính vật 34

2.1.4 Chế độ thu phóng 34

2.2 Một số đặc trưng của ảnh số phổ thông 36

2.2.1 Khái niệm ảnh số 36

2.2.2 Độ phân giải của ảnh số 36

2.2.3 Hệ toạ độ mặt phẳng ảnh số 37

2.3 Phương pháp kiểm định máy chụp ảnh số phổ thông 38

2.3.1 Sự cần thiết phải kiểm định máy chụp ảnh số phổ thông 38

2.3.2 Các phương pháp kiểm định máy chụp ảnh số phổ thông 38

2.3.3 Lựa chọn hàm toán học hiệu chỉnh sai số méo hình kính vật 39

2.3.4 Bản chất méo hình kính vật của máy chụp ảnh số phổ thông 40

2.3.5 Kiểm định máy chụp ảnh số phổ thông 42

2.4 Các bước kiểm định máy chụp ảnh số phổ thông 51

2.4.1 Xây dựng bãi kiểm định 52

2.4.2 Chụp ảnh 51

2.4.3 Nhập ảnh chụp vào máy tính 51

2.4.4 Chuyển đổi định dạng ảnh chụp 51

2.4.5 Định vị ảnh chụp 52

2.4.6 Nhập toạ độ trắc địa của điểm khống chế 52

2.4.7 Đo toạ độ ảnh 52

2.4.8 Chạy chương trình kiểm định máy chụp ảnh số phổ thông 53

2.4.9 Nhập các thông số kiểm định tấm ảnh vào phần mềm đo ảnh 53

Chương 3 Xây dựng mô hình số bề mặt trên cơ sở ảnh chụp từ máy ảnh số phổ thông 54

3.1 Tổng quan về mô hình số bề mặt 54

3.2 Các yêu cầu kỹ thuật đối với ảnh số chụp từ máy ảnh số phổ thông 57

3.2.1 Chuyển đổi định dạng ảnh chụp 57

3.2.2 Tạo cấu trúc hình tháp của ảnh (overviews hoặc pyramids) 58

3.2.3 Nguyên tắc xác định các thông số của ảnh số mặt đất 58

3.2.4 Xác lập hệ toạ độ mặt phẳng ảnh trên ảnh số mặt đất 60

3.2.5 Xác định khoảng cách chụp hữu dụng của ảnh số mặt đất 62

3.2.6 Thiết kế đường đáy chụp ảnh trong ảnh số mặt đất 64

3.3 Công nghệ xây dựng mô hình số bề mặt trên cơ sở ảnh số mặt đất 65

3.3.1 Các phần mềm đo vẽ ảnh số 66

3.3.2 Quy trình công nghệ thành lập mô hình số bề mặt trên cơ sở ảnh số mặt đất 71

Chương 4 thực nghiệm 84

Kết luận và kiến nghị 91

Tài liệu tham khảo 94

Phụ lục 96

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

GIS Geographic Information System - Hệ thống thông tin địa lý

LIS Land Information System - Hệ thống thông tin đất đai

LCD Liquid Crystal Display - Màn hình tinh thể lỏng

CCD Charge Couple Devide - Mảng nhận ảnh số

A/D Analog to Digital convert - Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số CMOS Complementary Metal-Oxide Semiconductor - Mảng nhận ảnh số

Pixel Picture Element - Phần tử điểm ảnh

MP Mega Pixel - Triệu điểm ảnh

USB Universal Serial Bus - Cổng truyền dữ liệu

DTM Digital Terrain Model - Mô hình số địa hình

DEM Digital Elevation Model - Mô hình số độ cao

DSM Digital Surface Model - Mô hình số bề mặt

3D Three Dimensions - Không gian 3 chiều

CAD Computer Aided Design - Phần mềm thiết kế

LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - Khuếch đại

ánh sáng bằng phát xạ kích thích

RADAR Radio Angle Detection And Ranging - Dò tìm và định vị bằng sóng

vô tuyến

GPS Global Positioning System - Hệ thống định vị toàn cầu

TIN Triangulated Irregular Networks - Mạng lưới tam giác không quy chuẩn

KB Kilobyte - Một đơn vị lưu trữ dữ liệu trong máy tính

MB Megabyte - Một đơn vị lưu trữ dữ liệu trong máy tính

ISRU ImageStation Raster Utilities - Modul chuyển đổi cấu trúc file ảnh

ISPM ImageStation Photogrammetric Manager - Modul quản lý công việc ISDM ImageStation Digital Measuration - Modul xây dựng mô hình lập thể ISSD ImageStation Stereo Display - Modul đo vẽ chi tiết mô hình lập thể

m Metre - Đơn vị đo dài (mét)

mm Milimetre - Đơn vị đo dài (milimét)

CADC Calibration Amateur Digital Camera - Kiểm định máy ảnh số phổ thông

Danh mục các bảng

Bảng 2.1 So sánh một số máy chụp ảnh chuyên dụng và máy ảnh số phổ thông 31 Bảng 2.2 Kết quả kiểm định với máy chụp ảnh số phổ thông NIKON-D80 49 Bảng 3.1 Toạ độ 4 mấu khung của ảnh số chụp từ máy ảnh NIKON D80 63 Bảng 3.2 Sổ ghi các thông số chụp ảnh trên tuyến phố Kim Liên - ô Chợ Dừa 75 Bảng 3.3 Bảng đánh giá kết quả thành lập mô hình lập thể 79

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

Hình 1.1 Một số máy chụp ảnh mặt đất của A Meydenbauter 16 Hình 1.2 Máy đo vẽ ảnh lập thể toàn năng Wild A10 17 Hình 1.3 Máy đo ảnh giải tích Planicom P3 (Zeiss - Đức) 18 Hình 1.4 Trạm đo vẽ ảnh số ImageStation (hãng Intergraph - Mỹ) 19 Hình 1.5 Các yếu tố định hướng trong của ảnh mặt đất 21 Hình 1.6 Các yếu tố định hướng ngoài của cặp ảnh lập thể mặt đất 22 Hình 1.7 Các dạng chụp cơ bản của ảnh lập thể mặt đất 23 Hình 1.8 Xác định toạ độ không gian của điểm vật A trên cặp ảnh lập thể mặt đất 24 Hình 2.1 Cấu tạo bên trong máy chụp ảnh số phổ thông 32 Hình 2.2 Vị trí các sensor trên khung CCD của máy ảnh số 33 Hình 2.3 Hệ thống kính vật trong máy chụp ảnh số phổ thông 34

Hình 2.8 Bản chất méo hình kính vật máy chụp ảnh 40

Hình 2.11 Sơ đồ khối của chương trình kiểm định 47 Hình 2.12 Giao diện chương trình kiểm định CADC 49 Hình 2.13 Các bước kiểm định máy chụp ảnh số phổ thông 50 Hình 2.14 ảnh số chuyên dụng và ảnh số phổ thông 52

Hình 3.2 Cấu trúc lưới dạng GRID và lưới dạng TIN 55 Hình 3.3 Mô hình số bề mặt DSM và mô hình số địa hình DTM 56 Hình 3.4 Nguyên tắc xây dựng mô hình số bề mặt DSM 56 Hình 3.5 ứng dụng mô hình số bề mặt DSM trong ngành công nghiệp chế tạo 57

Hình 3.8 Tạo cấu trúc hình tháp của ảnh nhờ modul Overview Utility 59 Hình 3.9 Xác định các thông số của ảnh số mặt đất 60 Hình 3.10 Hệ toạ độ ảnh số O.uv và hệ toạ độ mặt phẳng ảnh o’x’z’ 61 Hình 3.11 Các đặc trưng riêng trên bộ cảm CCD của ảnh số 62

Hình 3.14 Giao diện modul ISDM trong định hướng ảnh hàng không 68

Hình 3.18 Quy trình thành lập mô hình số bề mặt trên cơ sở ảnh số mặt đất 72

Hình 3.20 Chuyển đổi định dạng file nhờ modul Many/Raw file Converter 76 Hình 3.21 Phần mềm ISPM cho phép nhập các thông số kiểm định máy chụp ảnh 77 Hình 3.22 Công tác định hướng trong đối với ảnh số mặt đất 78 Hình 3.23 Quá trình định hướng tương đối ảnh số mặt đất 78 Hình 3.24 Nguyên lý xây dựng lưới tam giác ảnh không gian 81 Hình 3.25 Công tác xây dựng mô hình số bề mặt từ cặp ảnh số mặt đất 82 Hình 4.1 Tuyến phố Kim Liên mới chụp ngày 15-05-2009 86 Hình 4.2 Tuyến phố Nguyễn Phong Sắc chụp ngày 27-05-2009 86

mở đầu

1 Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay, công nghệ ảnh số được phổ biến và ứng dụng rộng rãi trong mọi mặt của đời sống xã hội, đặc biệt trong lĩnh vực đo ảnh hàng không nhưng trong lĩnh vực đo ảnh mặt đất vẫn chưa được quan tâm nhiều Nếu như trước đây, đo ảnh mặt

đất phải sử dụng những máy kinh vĩ chụp ảnh chuyên dụng (PhotoTheodolite) với

những tấm phim kính hoặc phim nhựa nhập ngoại, giá thành cao mà chỉ ứng dụng trong đo vẽ địa hình tỷ lệ lớn hoặc đo vẽ kiến trúc một khu vực nhỏ thì hoàn toàn không hiệu quả và kinh tế, đặc biệt khi công nghệ đo ảnh hiện đại đòi hỏi phải cho

ra sản phẩm dưới dạng số Do đó, công nghệ chụp ảnh số chuyên dụng cho đo ảnh mặt đất lại càng không phát triển

Hiện nay, trong thời kỳ công nghiệp hoá - hiện đại hoá, đất nước ta không ngừng đổi thay cả về thế và diện mạo, đặc biệt, trong đó phải kể đến diện mạo đô thị

ở nước ta Nhiều công trình cao tầng mọc lên san sát, các trung tâm thương mại, mua sắm dần chiếm lĩnh những địa thế đẹp của thủ đô, nhưng liệu nó có thực sự

đảm bảo được sự hài hoà với cảnh quan kiến trúc xung quanh nó, hài hoà với cảnh quan kiến trúc vốn có của nó? Bên cạnh đó, còn có những công trình xây dựng lâu đời, mang ý nghĩa lịch sử và văn hoá to lớn cần phải được gìn giữ và bảo tồn Muốn vậy, chúng ta phải có tài liệu cung cấp những cái nhìn tổng thể, trực quan về cảnh quan, diện mạo đô thị, tài liệu lưu giữ những hiện trạng kiến trúc,…

Từ những năm đầu thế kỷ XXI, trên cơ sở công nghệ số hoá, hàng loạt các

loại máy chụp ảnh số phổ thông (non-metric digital camera) ra đời và phục vụ chủ

yếu cho chụp ảnh nghệ thuật, chụp ảnh lưu niệm,… chứ không được thiết kế riêng cho mục đích đo vẽ Loại máy chụp ảnh này có ưu điểm: gọn nhẹ, giá thành rẻ và

đặc biệt, sản phẩm ảnh chụp được lưu trữ ở dạng số rất tiện lợi trong việc kết nối với máy tính và nhập vào các phần mềm đo ảnh Việc ứng dụng thành công loại máy

ảnh số này trong kỹ thuật đo vẽ ảnh sẽ mở ra nhiều hướng phát triển mới cho những ngành nghề khác, tuy nhiên, bên cạnh đó cũng đặt ra nhiều vấn đề cần phải quan tâm, giải quyết để có thể xây dựng được một quy trình công nghệ trọn vẹn áp dụng trong thực tế

Trước yêu cầu đặt ra của thực tế, đó là phải cung cấp những tài liệu khảo sát diện mạo đô thị trực quan, sinh động và cụ thể, phục vụ cho quy hoạch, thiết kế

xây dựng công trình, tác giả đã chọn đề tài: “Xây dựng mô hình số bề mặt từ

ảnh chụp bằng máy ảnh số phổ thông phục vụ mô tả cảnh quan đô thị”

2 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

a Mục đích của đề tài

- Sử dụng máy ảnh số không chuyên dụng kết hợp với toàn đạc điện tử không gương hoặc máy GPS trong việc xây dựng mô hình số bề mặt nhằm mô tả cảnh quan đô thị

Đây có thể xem là tài liệu khảo sát thực địa trực quan, cụ thể và nhanh chóng cho những nhà thiết kế, quy hoạch,…

- Xử lý các vấn đề không chuyên dụng của tấm ảnh số phổ thông nhằm nâng cao khả năng đo vẽ và độ chính xác của sản phẩm đo ảnh

- Bổ sung kiến thức cho bản thân, giúp bản thân không những được nâng cao trình

độ, tiếp cận với sản xuất nhằm đáp ứng các yêu cầu thực tế mà còn giúp bản thân thực hiện tốt hơn công tác giảng dạy trong môi trường đại học

b Đối tượng nghiên cứu của đề tài

Cùng với sự tiến bộ của khoa học công nghệ, tấm ảnh số phổ thông có thể

được hiện chỉnh chính xác để phục vụ cho các mục đích kỹ thuật

c Phạm vi nghiên cứu của đề tài

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết kiểm định các thông số của máy chụp ảnh số phổ thông

- Xây dựng chương trình kiểm định các thông số của máy chụp ảnh số phổ thông

- Nghiên cứu và sử dụng ảnh số phổ thông cùng các thông số kiểm định trong xây dựng mô hình số bề mặt mô tả cảnh quan đô thị, làm tài liệu phục vụ cho quy hoạch, thiết kế xây dựng công trình

3 nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu các đặc trưng của ảnh số mặt đất và khả năng ứng dụng ảnh số mặt đất trong đo vẽ công trình kiến trúc phục vụ mô tả cảnh quan đô thị

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết kiểm định các thông số của máy chụp ảnh số phổ thông

để xây dựng chương trình kiểm định máy chụp ảnh số phổ thông

- Sử dụng cặp ảnh số mặt đất cùng các thông số kiểm định máy chụp ảnh số phổ thông để xây dựng mô hình số bề mặt một góc tuyến phố nào đó nhằm mô tả cảnh quan đô thị, phục vụ cho quy hoạch, thiết kế xây dựng công trình

- Nghiên cứu, tìm hiểu quá trình đo vẽ từ ảnh số phổ thông trên một số phần mềm

đo ảnh, từ đó, đề xuất sử dụng phần mềm và phương án xử lý ảnh số cho thích hợp

- Tiến hành các thực nghiệm để chứng minh lý thuyết, khẳng định tính khả thi và

đưa ra được những kết luận khách quan, xác thực

5 ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Sản phẩm ảnh số chụp từ máy ảnh số phổ thông nếu ứng dụng thành công trong lĩnh vực đo ảnh sẽ mang lại những ý nghĩa khoa học to lớn, không chỉ làm phong phú, làm đa dạng thêm cho phương pháp đo ảnh hàng không mà nó còn làm thay đổi tư duy kỹ thuật, mở ra những hướng phát triển mới cho nhiều ngành nghề khác, như: xây dựng, giao thông, thuỷ lợi,… với ưu điểm hiệu quả, đơn giản và nhanh chóng

- Hiện nay, có thể nói Việt Nam chưa có một chuẩn mực nào về quy hoạch, thiết kế xây dựng công trình cho từng tuyến phố Dường như thiếu một cái nhìn tổng thể, có tính tổng quát thực tế để cảnh quan kiến trúc đô thị Việt Nam có thể mang một sắc diện mới, hài hoà hơn Từ những cảnh quan đô thị đang dần bị phá vỡ ấy, đề tài

đưa ra quy trình xây dựng mô hình số bề mặt từ ảnh số phổ thông, cung cấp tài liệu khảo sát thực địa cụ thể và trực quan phục vụ cho công tác quy hoạch, thiết kế xây dựng công trình ở Việt Nam

6 Cấu trúc của luận văn

Luận văn gồm phần mở đầu, bốn chương, phần kết luận, được trình bày

trong 95 trang với 49 hình và 05 bảng

Chương 1 Tổng quan về sự phát triển của công nghệ đo ảnh mặt đất

Chương này giới thiệu cái nhìn tổng quan về công nghệ đo ảnh mặt đất, bản chất, sự phát triển và khả năng ứng dụng của ảnh số mặt đất trong mô tả cảnh quan đô thị, phục vụ quy hoạch, thiết kế xây dựng công trình Trên cơ sở đó

góp phần khẳng định khả năng ứng dụng đa dạng của ảnh số mặt đất trong thực tiễn

1.1 Tổng quan đo vẽ địa hình bằng phương pháp đo ảnh mặt đất

Ra đời vào những năm 50 của thế kỷ XIX, phương pháp đo đạc chụp ảnh (gọi tắt là phương pháp đo ảnh) đã có những ứng dụng đầu tiên trong công tác trắc địa địa hình và trong lĩnh vực đo đạc kiến trúc Với bản chất là một phương

pháp đo gián tiếp thông qua hình ảnh thu nhận được từ đối tượng đo theo phép chiếu

xuyên tâm Nhiệm vụ của phương pháp đo ảnh là xác định trạng thái hình học của

đối tượng đo, bao gồm: vị trí, hình dáng, kích thước và mối quan hệ tương hỗ của

các đối tượng đo Ngày nay, trong lĩnh vực khoa học về Trái Đất, phương pháp đo

ảnh đang trở thành một ngành khoa học quan trọng với những cơ sở lý thuyết hoàn chỉnh, những hệ thống máy móc chính xác và hiện đại

Với phương thức tiến hành đo gián tiếp các đối tượng đo thông qua ảnh chụp

của chúng, phương pháp đo ảnh có những đặc điểm riêng biệt, nổi bật sau:

- Có khả năng đo vẽ tất cả những đối tượng đo mà không nhất thiết phải tiếp xúc hoặc đến gần chúng, miễn là các đối tượng này có thể chụp ảnh được Do

đó, đối tượng đo của phương pháp đo ảnh rất đa dạng, từ miền thực địa rộng lớn đến

những vi vật thể, từ những vật thể ở trạng thái tĩnh đến những đối tượng có trạng thái

vật lý biến đổi nhanh chóng

- Nhanh chóng thu được các tư liệu đo vẽ trong thời gian chụp ảnh nên công tác đo đạc ngoài trời được giảm nhẹ cũng như tránh được ảnh hưởng của thời tiết

- Có thể đo nhiều điểm đo khác nhau trên đối tượng đo trong cùng một thời điểm Điều này rất thuận lợi trong tính toán, so sánh sự biến đổi của địa hình,

địa vật cũng như các công trình kiến trúc, các hiện tượng vật lý,…

- Quy trình công nghệ của phương pháp đo ảnh rất thuận lợi cho việc áp dụng các thành tựu của khoa học công nghệ, cho phép tự động hoá công tác đo, tính toán, giúp nâng cao năng suất và hiệu quả kinh tế của phương pháp

Từ những đặc trưng riêng biệt cũng như cách thức thu nhận hình ảnh của

đối tượng đo, phương pháp đo ảnh hình thành nên hai phương pháp chính, đó là phương pháp đo ảnh hàng không và phương pháp đo ảnh mặt đất

* Phương pháp đo ảnh hàng không: Là các thiết bị chụp ảnh được đặt trên các thiết bị trên không Trước đây, các thiết bị thu nhận hình ảnh bề mặt Trái Đất là các máy chụp ảnh đặt trên máy bay, sản phẩm thu được là các tấm ảnh hàng không Còn trong những năm gần đây, với sự phát triển không ngừng của ngành khoa học

vũ trụ, các thiết bị thu nhận hình ảnh là các bộ cảm sensor được đặt trên các con tàu

vũ trụ, vệ tinh nhân tạo,…, sản phẩm thu được là ảnh vệ tinh với độ phân giải ngày càng cao, đang là một giải pháp hữu hiệu trong công tác thành lập bản đồ, hiện chỉnh bản đồ và viễn thám Trái Đất

* Phương pháp đo ảnh mặt đất: Là các thiết bị chụp ảnh được đặt trên mặt đất Do máy chụp ảnh đặt trên mặt đất nên có thể bố trí máy chụp rất gần đối tượng đo Có thể nói phương pháp đo ảnh mặt đất là một phương pháp bổ sung hữu hiệu cho phương pháp đo ảnh nói chung trong lĩnh vực địa hình bởi lẽ nếu phương pháp đo ảnh hàng không cho phép thành lập và hiện chỉnh bản đồ địa hình, địa chính tỷ lệ trung bình và tỷ lệ nhỏ thì sản phẩm ảnh chụp của phương pháp đo ảnh mặt đất có khả năng thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn, đặc biệt ở những nơi

địa hình có độ dốc lớn hoặc địa hình bị cắt xẻ, như: khu vực núi đá, mỏ lộ thiên,…

Ngoài lĩnh vực đo vẽ địa hình, phương pháp đo ảnh mặt đất còn được ứng dụng rộng rãi trong công trình, trong kiến trúc, bảo tồn bảo tàng, như: quan trắc biến dạng và dịch động các công trình, giữ gìn và khôi phục các công trình kiến trúc, các

di tích lịch sử - văn hoá có giá trị,… và trong nhiều ngành khoa học kỹ thuật khác, như: giao thông, quân sự, nông lâm nghiệp, y học, địa chất,…

Nhìn chung, cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, phương pháp

đo ảnh mặt đất tại mỗi quốc gia trên thế giới lại có những thành tựu nhất định,

15những bước tiến riêng nhưng không ngoài mục đích là phục vụ cho khoa học Trái Đất, một ngành khoa học gắn với mọi mặt của đời sống xã hội

1.2 Sự phát triển của công nghệ đo ảnh mặt đất trên thế giới

và tại Việt Nam

1.2.1 Sự phát triển của công nghệ đo ảnh mặt đất trên thế giới

Sự hình thành và phát triển của công nghệ đo ảnh nói chung và công nghệ

đo ảnh mặt đất (Terrestrial Photogrammetry) nói riêng gắn liền với sự phát triển của

các ngành khoa học kỹ thuật, trong đó phải kể đến ngành cơ khí chính xác, công nghệ thông tin, điện tử,… Có thể nói công nghệ đo ảnh ra đời từ rất sớm, từ

năm 1850 và phát triển qua 4 giai đoạn, mỗi giai đoạn này kéo dài chừng 50 năm ở mỗi một giai đoạn phát triển này lại được đánh dấu bằng sự hình thành của một phương pháp đo ảnh [13], đó là:

1.2.1.1 Phương pháp bàn đạc ảnh (Plane table photogrammetry), từ 1850 đến 1900

Việc thí nghiệm thành công của nhà khoa học người Pháp Aimé Laussedat (1819-1907) và người Đức Albrecht Meydenbauer (1834-1921) trong việc ứng dụng

kỹ thuật chụp ảnh mặt đất đơn giản đã mở ra giai đoạn hình thành phương pháp đo

ảnh (1850-1900) Tại triển lãm Paris vào năm 1867, Laussedat đã trình bày những kiến thức cơ bản đầu tiên về máy kinh vĩ chụp ảnh (Phototheodolite) và mặt bằng trực quan Paris được tạo ra từ những tấm ảnh mặt đất của ông Cũng trong thời gian

đó, Meydenbauer đã cho ra đời chiếc máy ảnh đầu tiên chuyên dùng cho công tác

đo vẽ Và đây cũng là chiếc máy ảnh đầu tiên có kính vật mà góc rộng tới 1050, sử

dụng phim chụp có kích thước lớn 40cmx40cm Meydenbauer đã dùng nó để thành

lập bình đồ địa hình vùng Freyburg, Đức và đo vẽ kiến trúc nhà thờ Saint Mary

Hình 1.1 Một số máy chụp ảnh mặt đất của A.Meydenbauer

Trong giai đoạn phát triển đầu tiên này, phương pháp đo ảnh vẫn chưa thoát khỏi quy trình công nghệ của phương pháp giao hội thuận đồ giải với các hướng

được xác định từ các điểm ảnh trên ảnh mặt đất, do đó, phương pháp đo ảnh này

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

1.2.1.2 Phương pháp đo ảnh tương tự (Analog photogrammetry), từ 1900 đến 1960

Vào năm 1896, tại Canada, Edouard Deville (1849-1924) đã giới thiệu phương pháp đo vẽ lập thể đầu tiên Bằng việc cho ra đời mô hình này, ông đã rất thành công trong việc thành lập bình đồ địa hình các vùng núi đá ở Canada Sau đó, năm 1901, nhà khoa học người Đức Carl Pulfrich (1858-1929) đã phát triển và thành công trong việc chế tạo máy đo toạ độ ảnh lập thể Streokomparator đầu tiên tại xưởng chế tạo Zeiss Đến năm 1908, cũng tại Đức, Eduard Von Orel (1877-1941), đã phát triển chiếc máy đo ảnh mặt đất toàn năng StereoAutograph đầu tiên dựa trên nguyên mẫu máy đo toạ độ ảnh lập thể Streokomparator của C.Pulfrich và các nguyên lý xây dựng ảnh mặt đất áp dụng cho các vùng núi

Phương pháp đo ảnh tương tự với tư liệu đầu vào là các ảnh chụp quang học

được khôi phục và đo vẽ trên các máy đo ảnh toàn năng khá đồ sộ Người đo phải thực hiện toàn bộ các thao tác trên máy, sản phẩm đầu ra được vẽ trực tiếp trên các máy vẽ tương tự Phương pháp đo ảnh tương tự phát triển rực rỡ trong giai đoạn từ

1900 đến 1960 mà thành tựu của nó là các máy đo vẽ ảnh lập thể toàn năng như:

Multiplex, StereoAutograph, Topocar, Planicart E3, SPR3, Wild A8,A10,… Hiện nay, công nghệ này ít được sử dụng trong sản xuất vì nó đã quá lạc hậu, không còn phù hợp với thời đại công nghệ thông tin

Hình 1.2 Máy đo vẽ ảnh lập thể toàn năng Wild A10

1.2.1.3 Phương pháp đo ảnh giải tích (Analytical photogrammetry), hình thành từ những năm đầu của thế kỷ XX

Mặc dù ra đời từ rất sớm, năm 1934, nhưng phương pháp đo ảnh giải tích không thể ứng dụng vì bị hạn chế bởi phương tiện tính toán Với việc phát minh ra máy tính điện tử (bởi nhà khoa học Zure, Đức vào năm 1941 và nhà khoa học Aitken, Mỹ vào năm 1943) đã tạo đà phát triển mạnh mẽ cho công nghệ đo ảnh, dẫn

đến sự phát triển mạnh của phương pháp đo ảnh giải tích và đã phát triển nhanh chóng từ sau năm 1950 cho đến nay Công nghệ đo ảnh giải tích là sự kết hợp của máy đo toạ độ ảnh lập thể và máy tính điện tử cùng với các phần mềm chuyên dụng trong việc thực hiện bài toán đo ảnh, có thể kể đến các hệ thống đo ảnh giải tích như: Planicom P3 (Zeiss-Đức), Aviolyt BC3 (Wild-Thuỵ Sỹ), DSR1 (Kern-Thuỵ Sỹ),…

Phương pháp đo ảnh giải tích với tư liệu đầu vào là các ảnh chụp quang học

được khôi phục và đo vẽ trên các máy đo ảnh giải tích Máy sẽ phải thực hiện toàn

bộ các thao tác với sự trợ giúp của con người, sản phẩm thu được là các bản vẽ ở

dạng giấy hoặc dạng số Phương pháp này chủ yếu được phát triển trong công tác tăng dày khống chế ảnh, công tác đo vẽ bán tự động Với việc ứng dụng thành công công nghệ tin học, phương pháp này được coi là sự phát triển đỉnh cao của công nghệ đo ảnh tương tự

Hình 1.3 Máy đo ảnh giải tích Planicom P3 (Zeiss-Đức)

1.2.1.4 Phương pháp đo ảnh số (Digital photogrammetry), đang và sẽ phát triển

Mặc dù sự ra đời và phát triển của phương pháp đo ảnh giải tích đã tạo ra một bước ngoặt quan trọng trong lĩnh vực đo ảnh, nhưng vấn đề tự động hoá đo ảnh vẫn luôn là ý tưởng mà các nhà khoa học về đo ảnh theo đuổi ý tưởng này lần đầu tiên

được thực hiện vào năm 1950 với máy đo ảnh tự động được chế tạo nhờ sự hợp tác giữa phòng nghiên cứu công trình quân sự Mỹ và công ty chế tạo máy quang học Bausch & Lomb (Mỹ) Nguyên lý hoạt động của máy đo ảnh tự động đầu tiên này là biến đổi độ xám trên ảnh thành các tín hiệu điện và sử dụng máy tính điện tử và các phần mềm chuyên dùng để xử lý các tín hiệu này và thực hiện quá trình tự động đo

vẽ ảnh, đây chính là nguyên lý cơ bản của phương pháp đo ảnh số Đỉnh cao của sự phát triển này là trạm đo vẽ ảnh số, đây là sản phẩm của sự kết hợp giữa lý thuyết của công nghệ đo ảnh giải tích, lý thuyết nhận dạng với những thành tựu tiên tiến của công nghệ thông tin, điện tử, tin học

Hình 1.4 Trạm đo vẽ ảnh số ImageStation (hãng Intergraph - Mỹ)

Từ đầu những năm 90 của thế kỷ XX, phương pháp đo ảnh số bắt đầu phát triển mạnh mẽ và ứng dụng ở hầu hết các quốc gia trên thế giới Ngoài các trạm ảnh số chuyên dùng cho ảnh hàng không như: ImageStation - Intergraph (Mỹ),

Photomod - Rakurs (Nga), 3D Mapper (Australia),…, những trạm ảnh số này được

ứng dụng rất hiệu quả trong thành lập mô hình số, bản đồ số,… với khả năng cập

nhật, lưu trữ, kết nối dễ dàng với GIS, LIS thì công nghệ đo ảnh mặt đất cũng có

những hướng phát triển cũng như ứng dụng riêng Cụ thể, hãng EosSystem - Canada

với phần mềm Photomodeler Pro ứng dụng ảnh số phổ thông trong đo vẽ các yếu tố

kiến trúc và các đồ vật tĩnh,…, hãng ADAM - Australia với phần mềm 3DMAnalyst: thành lập bình đồ địa hình khu vực núi đá, mỏ lộ thiên,… Ngoài ra,

ảnh số mặt đất còn được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực, ngành nghề khác, như:

đo vẽ hiện trường các vụ tai nạn giao thông, tính toán khối lượng gỗ trong lâm nghiệp,…

1.2.2 Sự phát triển của công nghệ đo ảnh mặt đất tại Việt Nam

Từ những năm 70 của thế kỷ XX, công nghệ đo ảnh mặt đất mới bắt đầu

được ứng dụng tại Việt Nam Đặc biệt là từ năm 1971, phương pháp đo vẽ chụp ảnh

mặt đất đã bắt đầu sử dụng vào việc đo vẽ bản đồ địa hình tỷ lệ lớn (1:500 - 1:2000)

ở các vùng khai thác công nghiệp (mỏ than, mỏ đá,…), các khu vực khai thác vật

liệu xây dựng, thuỷ lợi với trang thiết bị tương đối đồng bộ, như: máy kinh vĩ chụp

ảnh PhotoTheodolite 19/1318, máy đo toạ độ ảnh mặt đất toàn năng StereoAutograph EL1318 hoặc Technocart - Stereokomparator 1818 Cụ thể:

năm 1971, thầy Phan Văn Lộc cùng bộ môn Trắc địa ảnh và Bản đồ đã thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ 1:2000 mỏ than Hà Tu - Quảng Ninh Năm 1972, thầy Phan Văn Lộc cùng bộ môn Trắc địa ảnh và Bản đồ đã thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ 1:2000 mỏ đá Hoàng Mai - Nghệ An Năm 1973, thầy Trương Anh Kiệt đã bảo vệ thành công luận án phó tiến sĩ “Phương pháp đo ảnh trong phạm vi gần và ứng dụng của nó trong các thí nghiệm công trình” tại trường Đại học Tổng hợp Dresden (Đức) Năm 1989, TSKH Ngô Phúc Hưng đã tiến hành thử nghiệm, xác định khối lượng bóc dỡ đất đá tại một số vùng mỏ ở Quảng Ninh, tuy nhiên, cho đến nay công việc vẫn chưa thể hoàn thành Về lĩnh vực đo vẽ địa hình, công nghệ đo ảnh mặt đất

ở nước ta mới chỉ dừng lại tại đó

Năm 2000, TS Phạm Vọng Thành đã trình bày khả năng ứng dụng ảnh số từ máy chụp ảnh số phổ thông trong đo vẽ đồ vật là một bức tượng tại hội nghị khoa học kỹ thuật của trường Đại học Mỏ - Địa chất Đây là một nghiên cứu ban đầu về

ảnh số mặt đất từ máy chụp ảnh số phổ thông trong lĩnh vực phi địa hình

Từ năm 2003 đến năm 2005, GS TSKH Phan Văn Lộc và thầy Trần Trung Anh đã thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ 1:2000 mỏ than Cọc Sáu theo Nghị định thư hợp tác khoa học giữa Việt Nam - Ba Lan

Có thể thấy rằng, công nghệ đo ảnh mặt đất ở nước ta đã có những nghiên cứu, ứng dụng nhất định song chưa thực sự được quan tâm để phát huy tính hiệu quả và gắn kết với đời sống xã hội

1.3 Cơ sở lý thuyết của đo ảnh mặt đất

1.3.1 Các yếu tố định hướng của tấm ảnh mặt đất

Theo quan điểm hình học, tấm ảnh mặt đất (cũng như ảnh hàng không) là hình ảnh thu nhận được của đối tượng đo theo nguyên lý của phép chiếu xuyên tâm Tại thời điểm bấm máy chụp ảnh, vị trí phối cảnh giữa ảnh, tâm chụp và đối tượng

đo đã được thiết lập Để xác định được toạ độ của các điểm trên đối tượng đo trong phép chiếu ngược, nhất thiết phải khôi phục lại vị trí không gian giữa ảnh đo, tâm chiếu và đối tượng đo (xây dựng mối quan hệ chiếu hình tương ứng giữa ảnh đo

và đối tượng đo) Các yếu tố hình học dùng để xác định vị trí nói trên của tấm ảnh

đo được gọi chung là các yếu tố định hướng của ảnh đo

Quá trình định hướng ảnh gồm: định hướng trong và định hướng ngoài

- Định hướng trong: xác định vị trí không gian của tâm chiếu so với tấm ảnh nhằm

khôi phục chùm tia chiếu giống như lúc chụp ảnh

Các yếu tố định hướng trong của ảnh đo gồm 3 yếu tố: tiêu cự của máy chụp ảnh (f), toạ độ của điểm chính ảnh (x0, z0)

Hình 1.5 Các yếu tố định hướng trong của ảnh mặt đất

- Định hướng ngoài: xác định vị trí chùm tia chiếu trong không gian vật (không gian

của đối tượng đo - hệ toạ độ trắc địa) để các kết quả đo vẽ được xác định trong một

hệ toạ độ thống nhất

Các yếu tố định hướng ngoài của một tấm ảnh bao gồm 6 yếu tố:

+ Toạ độ không gian của tâm chụp trong hệ toạ độ trắc địa (XGS, YGS, ZGS)

+ Các góc định hướng (góc xoay) để chuyển các trục của hệ toạ độ không

gian ảnh về tương ứng song song với các trục của hệ toạ độ trắc địa (α, ϖ, χ)

Như vậy, vị trí của một tấm ảnh được xác định khi biết 3 yếu tố định hướng

trong và 6 yếu tố định hướng ngoài Do đó, một cặp ảnh lập thể sẽ được xác định bởi

3 yếu tố định hướng trong (trên thực tế, thường chỉ sử dụng một máy chụp ảnh) và

12 yếu tố định hướng ngoài:

f, x0, z0

XGS1, YGS1, ZGS1 , α1 , ϖ1 , χ1

XGS2, YGS2, ZGS2 , α2 , ϖ2 , χ2

Hình 1.6 Các yếu tố định hướng ngoài của cặp ảnh lập thể mặt đất

Ngoài ra, trong chụp ảnh lập thể mặt đất, do các trạm chụp được đặt ở những nơi cố định trên mặt đất nên người ta còn dùng một hệ thống gồm 12 yếu tố

định hướng ngoài khác:

XGS1, YGS1, ZGS1 - Toạ độ trắc địa của tâm chụp trái

A - Góc định hướng của đường đáy chụp ảnh

Góc nằm ngang của trục quang chính trái so với đường đáy chụp ảnh

ϖ1 , χ1 - Góc nghiêng và góc xoay của tấm ảnh trái

B - Độ dài đường đáy chụp ảnh

h - Chênh cao giữa hai đầu của đường đáy chụp ảnh

γ - Góc giao của hình chiếu hai trục quang chính trên mặt phẳng

ϖ2 , χ2 - Góc nghiêng và góc xoay của tấm ảnh phải

1.3.2 Các dạng chụp cơ bản của ảnh lập thể mặt đất

Tuỳ thuộc vào vị trí trục quang hai đầu đường đáy chụp ảnh và giá trị các yếu

tố định hướng ngoài của cặp ảnh, người ta chia ra các dạng chụp cơ bản sau: tổng quát, giao nhau, xiên đều và thẳng

Dạng chụp giao nhau (hình 1.7a): phương của hai trục quang tại hai đầu

đường đáy chụp ảnh giao nhau một góc γ ≠ 0 và ψ < 900 (α1 = ϖ1 = χ1 = 0, α2 = - γ ,

ϖ2 = χ2 = 0)

Dạng chụp xiên đều (hình 1.7b, 1.7c): phương của hai trục quang tại hai đầu

đường đáy chụp ảnh song song với nhau, γ = 0, ψ > 900 là dạng xiên đều trái ;

γ = 0, ψ < 900 là dạng xiên đều phải

Dạng chụp thẳng (hình 1.7d): phương của hai trục quang tại hai đầu đường

đáy chụp ảnh song song với nhau và thẳng góc với đường đáy chụp ảnh, γ = 0 và

ψ = 900

1.3.3 Công thức xác định toạ độ không gian của điểm vật trên cặp ảnh lập thể

mặt đất

Như đã biết, toạ độ không gian của một điểm trên thực địa phụ thuộc vào toạ

độ đo được trên cặp ảnh của các điểm ảnh tương ứng và các yếu tố định hướng của cặp ảnh lập thể Như vậy, để xác định vị trí của một điểm A ngoài thực địa thì phải

dựa vào toạ độ đo được trên cặp ảnh lập thể của hai điểm ảnh cùng tên a1, a2 và các

yếu tố định hướng của cặp ảnh Đây chính là bài toán giao hội thuận từ hai đầu

đường đáy chụp ảnh trong đo ảnh

' 1

' 1

Z Y

X N Z Y

' 1

' 2

' 1

' 2 0

' 2 0 ' 2

' 1

' 2

' 1

' 2 0

' 2 0 ' 2

' 1

' 2

' 1

' 2 0

' 2 0

X Y Y X

X Y Y X Z X X Z

Z X X Z Y Z Z Y

Y Z Z Y N

X’1 , Y’1, Z’1 - toạ độ điểm ảnh a1 trong hệ toạ độ không gian ảnh trái

X’2 , Y’2, Z’2 - toạ độ điểm ảnh a2 trong hệ toạ độ không gian ảnh phải

X0 , Y0, Z0 - toạ độ tâm chiếu S2 trong hệ toạ độ không gian đo ảnh

1.3.3.2 Dạng chụp giao nhau

ở dạng chụp giao nhau: α1 = ϖ1 = χ1 = ϖ2 = χ2 = 0, α2 = - γ nên toạ độ của

điểm vật A trong hệ toạ độ không gian đo ảnh sẽ đ−ợc xác định theo công thức:

x N Z Y

X

(1.3)

với hệ số tỷ lệ

γγ

γψγ

ψ

cos sin

) (

) cos(

) sin(

2 1 2

2

fp x

x f

x f

B N

+ +

+

ư +

trong đó:

B - độ dài đường đáy chụp ảnh

f - tiêu cự máy chụp ảnh

p = x1 - x2 - thị sai ngang

x1, z1 - toạ độ của điểm ảnh a1 trong hệ toạ độ mặt phẳng ảnh trái

x2, z2 - toạ độ của điểm ảnh a2 trong hệ toạ độ mặt phẳng ảnh phải

1.3.3.3 Dạng chụp xiên đều

ở dạng chụp xiên đều, γ = 0, ψ > 900 hoặc ψ < 900 nên khi thay vào công thức (1.4), hệ số tỷ lệ N được rút gọn đi khá nhiều

x z

p

B Z

f

x f

p

B Y

p

x Y f

x x

p

B X

1 2

1

2

1 2

1

cos sin

cos sin

cos sin

ψψ

ψψ

1 1

z f

Y z p

B Z

f p

B Y

x f

Y x p

B X

1.3.4 Độ chính xác toạ độ không gian của điểm vật trên cặp ảnh lập thể mặt đất

Như đã giới thiệu ở trên, trong đo ảnh mặt đất có các dạng chụp cơ bản là: tổng quát, giao nhau, xiên đều và thẳng Tuy nhiên, trong thực tế, dạng chụp tổng quát ít được sử dụng vì công thức tính toán khá phức tạp, do đó, dạng chụp xiên đều

và dạng chụp thẳng được ứng dụng rộng rãi hơn cả

Và như chúng ta đã biết, độ chính xác về toạ độ của điểm chi tiết phải dựa trên yêu cầu về độ chính xác của bản đồ cần thành lập Cũng như các phương pháp

đo ảnh khác, độ chính xác toạ độ không gian của các điểm trên thực địa dựa vào các tấm ảnh mặt đất phụ thuộc vào rất nhiều nguồn sai số

Trước hết, để đảm bảo tính tổng quát và đơn giản, ta xét ảnh hưởng của các nguồn sai số đến toạ độ không gian của điểm chi tiết trong trường hợp chụp xiên

đều như sau:

2 2 2

4 2 2 1 2

2 1 2

2 4 2 2

2 2

2 2 2

4 2 2 1 2

2 1 2

sinsinsin

Y f

m Y

Bf

z m Y Bf

z m

m

Y Bf

m Y

B

m

m

Y f

m Y

Bf

x m Y Bf

x m

m

z p

B

Z

p B

Y

x p

mX, mY, mZ - sai số trung phương toạ độ điểm chi tiết

mB B - sai số trung phương đo đường đáy chụp ảnh

mx, mz, mp - sai số trung phương đo toạ độ điểm ảnh và thị sai ngang p

B - độ dài đường đáy chụp ảnh

f - tiêu cự máy chụp ảnh

x1, z1 - toạ độ điểm ảnh trái a1

Y - khoảng cách từ điểm địa vật đến gốc toạ độ (tâm chụp trái S1)

Ψ - góc nằm ngang tại tâm chụp trái

Từ công thức (1-9) nhận thấy rằng, sai số đo đường đáy chụp ảnh, sai số đo toạ độ điểm ảnh tỷ lệ thuận với khoảng cách Y, còn sai số đo thị sai ngang tỷ lệ thuận với bình phương khoảng cách (Y2) Như vậy, những điểm địa vật càng cách xa

đường đáy chụp ảnh (Y càng lớn) thì toạ độ của chúng càng sai nhiều

Đối với dạng chụp thẳng, tương tự ta cũng được công thức đánh giá độ chính xác toạ độ không gian của điểm vật:

2

2 4

2 2 1 2

2 1 2

4

2 2

2 2

2

2 4

2 2 1 2

2 1 2

Y f

m Y

Bf

z m Y

m Y

B

m

m

Y f

m Y

Bf

x m Y

B

Z

p B

Y

x p

Rõ ràng, dạng chụp thẳng có ưu điểm hơn dạng chụp xiên đều, công thức tính

đơn giản hơn và cho độ chính xác cao hơn Tuy nhiên, trong cả hai dạng chụp này, thành phần toạ độ Y chịu sai số lớn nhất so với 2 thành phần toạ độ X, Z

1.4 Khả năng ứng dụng ảnh số mặt đất trong mô tả cảnh quan

đô thị, phục vụ quy hoạch, thiết kế xây dựng công trình

Như chúng ta đã biết, chụp ảnh mặt đất cho phép chúng ta ghi nhận hình ảnh của đối tượng đo gần như trong cùng một thời điểm, việc xác định các yếu tố để có

được mô hình số, bình đồ,… sẽ được tiến hành trên mô hình lập thể trong phòng

Điều đó có nghĩa là:

- Người trắc địa hoàn toàn chủ động về thời gian đo chụp ảnh và do đó, hạn chế được tối đa ảnh hưởng của thời tiết

- Việc đo vẽ trên mô hình lập thể trong phòng giúp cải thiện đáng kể

điều kiện làm việc cho người trắc địa

- Có khả năng tự động hoá cao và ứng dụng được nhiều thành tựu của khoa học kỹ thuật để nâng cao độ chính xác, tiết kiệm thời gian làm việc và tăng hiệu quả kinh tế

Và cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, đo ảnh mặt đất cũng đạt

được những bước tiến quan trọng và phát huy triệt để những ứng dụng đa dạng trong

đời sống, mà đỉnh cao hiện nay đó là công nghệ đo ảnh số mặt đất

Trong công nghệ đo ảnh số mặt đất, nếu sử dụng máy kinh vĩ chụp ảnh

chuyên dụng (Phototheodolite) để chụp ảnh đối tượng đo thì phải thông qua máy

quét ảnh chuyên dụng để chuyển đổi khuôn dạng của “phim kính” sang dạng số, sau

đó mới đưa các tấm ảnh dưới dạng số này nhập vào trạm đo ảnh số Điều này dẫn tới một số khó khăn, đó là: máy kinh vĩ chụp ảnh và “phim kính” chuyên dụng là những sản phẩm phải nhập ngoại, giá thành rất cao, hơn nữa để có sản phẩm là ảnh chụp dạng số thì phải quét ảnh,…, mặt khác, máy chụp ảnh chuyên dụng rất cồng kềnh, thiếu linh hoạt, do đó, nếu đo ảnh mặt đất theo công nghệ số truyền thống sẽ không hiệu quả về kinh tế và thời gian

ở lĩnh vực địa hình, sự xuất hiện của các dòng máy toàn đạc điện tử đã đưa công tác đo đạc trực tiếp ngoài thực địa lên một giai đoạn phát triển mới với khả năng đo vẽ nhanh, độ chính xác cao Bên cạnh đó, phải kể đến sự ra đời của

hàng loạt các thế hệ máy chụp ảnh số phổ thông (non-metric digital camera) trên thị

trường với độ phân giải ngày càng cao, sản phẩm ảnh chụp lưu trữ ở dạng số,

điều này sẽ giúp chúng ta giải quyết được khó khăn về tư liệu đầu vào trong công nghệ đo ảnh số mặt đất Hơn nữa:

- Máy chụp ảnh số phổ thông: gọn nhẹ, độ phân giải ngày càng cao, giá thành

rẻ hơn nhiều so với máy kinh vĩ chụp ảnh chuyên dụng

- Chụp ảnh bằng máy ảnh số phổ thông: nhanh chóng, tư liệu nhiều, ảnh chụp

ở dạng số nên không cần phải quét ảnh và dễ dàng nhập vào máy tính

Trên thế giới, việc áp dụng máy chụp ảnh số phổ thông vào công tác đo vẽ các công trình kiến trúc, bảo tàng, các di tích lịch sử - văn hoá có giá trị,…, là khá phổ biến, thì ở Việt Nam đây vẫn là một vấn đề còn khá mới Đặc biệt, với tốc độ

đô thị hoá không quy chuẩn như hiện nay, Việt Nam sẽ dần đánh mất đi vẻ

truyền thống vốn có, do đó, rất cần một sản phẩm cung cấp cái nhìn trực quan, toàn diện cho các nhà quy hoạch, kiến trúc Trên thực tế, mục đích khi sử dụng các máy chụp ảnh phổ thông trong công nghệ đo ảnh số mặt đất, đó là khả năng ứng dụng của sản phẩm và khả năng tự động hoá của công nghệ mà chưa phải là độ chính xác như trong công tác đo vẽ địa hình nói chung Do đó, vấn đề cần quan tâm

ở đây là sự không chuyên dụng của dòng máy chụp ảnh số phổ thông và cách thức

xử lý sản phẩm ảnh số không chuyên này để sản phẩm đạt được mục đích là mô tả cảnh quan đô thị, làm tài liệu phục vụ thiết kế, xây dựng công trình và đây là hướng giải quyết cơ bản của luận văn

Chương 2 phương pháp kiểm định máy chụp ảnh số phổ thông

Chương này giới thiệu về máy ảnh số phổ thông, một thiết bị ghi nhận hình

ảnh không chuyên dụng dùng trong đo ảnh Cũng như đối với máy ảnh chuyên dụng

trong đo ảnh, vấn đề quan tâm hàng đầu là sai số cấu tạo hình ảnh mà chủ yếu là do

sai số méo hình kính vật của máy chụp ảnh Do đó, khi sử dụng máy ảnh số phổ

thông vào lĩnh vực đo ảnh nhất thiết phải kiểm định máy để đảm bảo độ chính xác

cần thiết trong công tác đo vẽ ảnh

2.1 Các thông số kỹ thuật cơ bản của máy ảnh số phổ thông

Máy ảnh số phổ thông là loại máy chụp ảnh kỹ thuật số phổ biến trên thị

trường mà mục đích chính là phục vụ cho các dạng chụp nghệ thuật Trong lĩnh vực

đo ảnh, những máy chụp ảnh không chuyên dụng này được gọi theo những thuật

ngữ sau: non-metric digital camera, amateur digital camera, unprofessional digital

camera

Các loại máy này với kiểu dáng gọn nhẹ, cơ động, giá thành rẻ và đặc biệt, độ

phân giải ngày càng cao, cho hình ảnh thu nhận được có độ rõ nét cao Càng thấy rõ

được ưu điểm của máy ảnh số phổ thông khi so sánh với một số máy chụp ảnh kỹ

thuật số chuyên dụng trong đo ảnh hàng không hiện nay, đặc biệt, những máy chụp

ảnh mặt đất chuyên dụng có giá thành rất đắt, gấp khoảng 100 lần so với máy ảnh số

phổ thông Tuy nhiên, qua đó cũng nhận thấy rõ sự khác biệt về tính không chuyên

dụng của những dòng máy này và tính khả thi của hướng nghiên cứu trong điều kiện

nước ta

31Bảng 2.1 Bảng so sánh một số máy chụp ảnh chuyên dụng và máy ảnh số phổ thông

Bộ cảm CCD đơn: 5 triệu pixel

Bộ nhớ: 128 MB

Tên gọi: DMC (Digital Mapping Camera) Tên gọi: NIKON D80

Hãng sản xuất: Z/I Imaging, Mỹ Hãng sản xuất: Nikon, Nhật Bản

Về cấu tạo, như mọi chiếc máy chụp ảnh thông thường, máy ảnh số phổ thông cũng bao gồm: hệ thống kính vật cùng với bộ điều chỉnh chế độ thu phóng, cửa mở cho ánh sáng đi qua, và thay vì lưu giữ hình ảnh trên chất liệu phim nhựa truyền thống, máy ảnh số phổ thông sẽ ghi nhận lại hình ảnh trên bộ cảm biến quang điện tử CCD hoặc CMOS, các phím điều khiển các chức năng theo phần mềm trong máy và một số thiết bị phụ trợ khác, như: đèn flash, màn hình hiển thị LCD

(Liquid Crystal Display), cửa sổ ngắm quang học, pin sạc, thẻ nhớ,…

Mảng CCD

Thấu kính

Khay phim

Thiết bị lọc sắc Cửa

chớp

T.E.C

PWBMàn hình điện tử

Hệ thống thấu kính

Hình 2.1 Cấu tạo bên trong máy chụp ảnh số phổ thông

2.1.1 Bộ cảm CCD

Bộ cảm CCD (Charge Couple Devide) đóng vai trò là “phim” trong máy

chụp ảnh kỹ thuật số, là một thiết bị liên kết tích điện được sáng chế bởi các nhà khoa học Mỹ vào những năm 60 của thế kỷ trước

Kích thước của ma trận (số lượng và kích cỡ của các tế bào quang điện) xác định

độ phân giải của máy ảnh số

Khi ánh sáng chiếu đến bộ cảm CCD, cường độ ánh sáng sẽ giải phóng

điện tử trên mỗi tế bào quang điện và chuyển đổi thành dòng diện có cường độ tuỳ thuộc vào cường độ chiếu sáng trên mỗi tế bào quang điện Tín hiệu dòng điện từ hàng triệu điểm ảnh như vậy sẽ được truyền đến bộ A/D (Analog to Digital convert -

bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số) nhằm thực hiện chức năng chuyển

đổi giá trị điện tích của các điểm ảnh trên CCD sang một giá trị số biểu thị màu tương ứng (độ xám của các pixel) theo vị trí của các sensor-pixel, tạo nên ảnh số và chuyển vào trong bộ nhớ của máy Vị trí, kích thước của các sensor này trên CCD

được chế tạo, sắp xếp rất chính xác, do đó, quá trình lộ quang và ghi nhận hình ảnh trên CCD không ảnh hưởng nhiều đến vị trí điểm ảnh

Hình 2.2 Vị trí các sensor trên khung CCD của máy ảnh số

Đối trọng với công nghệ CCD, vào năm 1998, phòng thí nghiệm phản lực của

NASA (Mỹ) đã giới thiệu công nghệ cảm biến ảnh CMOS (Complementary Metal- Oxide Semiconductor) Khác với cơ chế dịch chuyển tuần tự như CCD, bộ cảm biến

CMOS kết hợp tất cả các bộ phận như: đọc ảnh, quét ảnh, sensor,…xử lý chuyển đổi trực tiếp trên một chip nên tốc độ ghi ảnh nhanh, linh hoạt, tốn ít năng lượng,… Tuy nhiên, CMOS là công nghệ nano đòi hỏi yêu cầu kỹ thuật chế tạo cao và giá thành khá đắt nên phần lớn các máy chụp ảnh số hiện nay vẫn sử dụng bộ cảm CCD

2.1.2 Độ phân giải

Độ phân giải của máy chụp ảnh số phổ thông thể hiện ở số điểm ảnh (pixel)

mà nó có thể ghi nhận dưới dạng ma trận (theo hàng và theo cột) Máy chụp ảnh kỹ thuật số có độ phân giải càng cao thì ảnh chụp được càng rõ nét và chi tiết

2.1.3 Hệ thống kính vật

Hệ thống kính vật của máy chụp ảnh kỹ thuật số là một tổ hợp các thấu kính hội tụ và phân kỳ đã được loại bỏ sắc sai, cầu sai và có khả năng thay đổi tiêu cự

chụp ảnh theo chế độ thu phóng (zoom) nhằm tạo được hình ảnh rõ nét trên CCD

Mặc dù hệ thống kính vật loại này có chất lượng cao nhưng độ chính xác hình học lại thua xa hệ thống kính vật của những máy chụp ảnh chuyên dụng, hơn nữa, tiêu cự của những thấu kính này thường ngắn, điều này dẫn tới sai số méo hình kính vật lớn và gây ra xê dịch vị trí điểm lớn Như vậy, nhất thiết phải kiểm định các

hệ số méo hình kính vật của hệ thống kính vật trong máy chụp ảnh số phổ thông

Hình 2.3 Hệ thống kính vật trong máy chụp ảnh số phổ thông

2.1.4 Chế độ thu phóng

Chế độ thu phóng (Zoom) là một yếu tố hay được nhắc đến đối với một máy

chụp ảnh số thông thường Có hai chế độ thu phóng là: thu phóng quang học và thu phóng số Hầu hết các máy chụp ảnh kỹ thuật số phổ thông hiện nay đều sử dụng hệ thống thấu kính có độ thu phóng quang học từ 3 đến 4 lần Khi sử dụng chế

độ thu phóng quang học, thấu kính máy ảnh bị điều chỉnh song độ phân giải thực của ảnh không thay đổi Trong khi đó, chế độ thu phóng số bản chất là một phần

ảnh hưởng đến độ chính xác của các kết quả đo cuối cùng, do đó, phải chụp ở một chế độ thật ổn định, cụ thể là chụp ở chế độ siêu tiêu Máy chụp ảnh số phổ thông chụp với khoảng cách gần 10m đã có thể xem là xa vô cùng (tương ứng với trường hợp siêu tiêu) Điều đó có nghĩa là bên cạnh việc phải kiểm định các hệ số méo hình kính vật của hệ thống kính vật, phải kiểm định thêm các yếu tố

định hướng trong của máy chụp ảnh số phổ thông

2.2 Một số đặc trưng của ảnh số phổ thông

2.2.1 Khái niệm ảnh số

ảnh số có thể được thu nhận thông qua máy chụp ảnh kỹ thuật số, máy quét

ảnh (scanner) hoặc qua các bộ cảm ứng (sensor) của vệ tinh

ảnh số trong thực tế là một ảnh liên tục về không gian và về giá trị độ sáng

Để có thể xử lý ảnh bằng máy tính cần thiết phải số hoá ảnh Với nguyên lý tạo ảnh thông qua bộ cảm CCD đặt trong máy chụp ảnh số thì ảnh số là một tập hợp các

pixel (picture element - điểm ảnh hoặc phần tử ảnh) Các pixel này sắp xếp tạo thành

ma trận, do đó, mỗi pixel được xác định toạ độ hàng i, toạ độ cột j và độ xám g(i,j)

n m

) 1 n , 1 m ( g

) 1 , 1 m ( g ) 0 , 1 m ( g

) 1 , 1 ( g )

0 , 1 ( g

) 1 n , 0 ( g

) 1 , 0 ( g )

0 , 0 ( g

Độ xám là kết quả của quá trình lượng tử hoá - một cường độ sáng của mỗi

điểm ảnh được mã hoá tương ứng với một giá trị số Độ xám của mỗi pixel được mã hoá theo đơn vị thông tin là bit Một pixel có thể lưu trữ trên 1, 4, 8 hoặc 24 bit Thông thường, pixel của ảnh toàn sắc mã hoá bởi 8 bit, tức là 28 = 256 (0,1,…,255)

có độ phân giải 6 mega-pixel Có ba loại độ phân giải:

* Độ phân giải không gian (resolution) : là khoảng cách hình học tối thiểu

giữa hai đối tượng được phân chia và tách biệt trên ảnh Biểu thị cho độ phân giải không gian là kích cỡ pixel và DPI (Dot Per Inch)

- Độ phân giải theo kích cỡ pixel chính là độ rộng của pixel, tính theo đơn vị

là μm Kích cỡ pixel càng nhỏ thì độ phân giải càng cao

- Độ phân giải DPI là số lượng pixel trên một inch (1” = 25,4mm) Số lượng

pixel trên 1 inch càng nhiều thì độ phân giải càng cao

* Độ phân giải độ xám (Radiometric): là sự thay đổi nhỏ nhất về độ xám của

hai pixel phân biệt được trên ảnh Độ xám của ảnh toàn sắc thường được lấy theo

256 mức và trong ảnh màu, mỗi điểm ảnh lưu trữ trong 3bytes, do đó có 28x3 = 224màu

* Độ phân giải phổ: phụ thuộc vào sự cảm biến theo bước sóng ánh sáng của

bộ cảm biến ánh sáng sensor đặt trên vệ tinh

2.2.3 Hệ toạ độ mặt phẳng ảnh số

ảnh số phổ thông sau khi chụp ảnh được lưu giữ trên bộ cảm CCD Mảng CCD với n hàng và m cột, toạ độ điểm ảnh đo được là vị trí của pixel (i,j) trong hệ toạ độ mặt phẳng ảnh số O.uv với gốc O(0,0) là góc trên cùng, bên trái của mảng CCD

vHình 2.5 Hệ toạ độ mặt phẳng ảnh số phổ thông

u

2.3 Phương pháp Kiểm định máy chụp ảnh số phổ thông

2.3.1 Sự cần thiết phải kiểm định máy chụp ảnh số phổ thông

Độ chính xác xác định toạ độ không gian của các điểm trên thực địa dựa vào các tấm ảnh mặt đất phụ thuộc vào nhiều nguồn sai số Có thể kể đến các nguồn sai số sau:

- Sai số cấu tạo hình ảnh (chủ yếu là do sai số méo hình kính vật của máy chụp ảnh)

- Sai số do biến dạng của vật liệu ảnh

- Sai số đo toạ độ và thị sai trên các máy đo ảnh

- Sai số xác định các yếu tố định hướng trong và định hướng ngoài của ảnh

- Sai số do chiết quang khí quyển và ảnh hưởng độ cong Trái Đất

Từ các nguồn sai số trên, có thể thấy, trong đo ảnh mặt đất, khoảng cách chụp ảnh tương đối gần, thường dao động từ vài chục đến vài trăm mét, do đó, sai số

do chiết quang khí quyển và ảnh hưởng độ cong Trái Đất không đáng kể Ngoài việc không có 4 mấu khung toạ độ như những phim ảnh nhựa truyền thống, ảnh số trong các máy ảnh số phổ thông được lưu giữ trên bộ cảm CCD, các tế bào quang

điện được sắp xếp để tạo mảng CCD rất chính xác, nên gần như không còn sai số do biến dạng vật liệu ảnh Bên cạnh đó, sai số đo toạ độ và thị sai trên các máy đo ảnh hầu như đã được hạn chế đến mức tối thiểu Như vậy, các nguồn sai số cần quan tâm

tố định hướng trong (tiêu cự, toạ độ điểm chính ảnh) và các hệ số méo hình kính vật

2.3.2 Các phương pháp kiểm định máy chụp ảnh số phổ thông

2.3.2.1 Kiểm định trong phòng

Có thể sử dụng thiết bị chuyên dụng trong phòng thí nghiệm để kiểm định các thông số của máy chụp ảnh, song thiết bị chuyên dụng này chủ yếu dành cho những máy chụp ảnh chuyên dụng trong đo ảnh hàng không

Ngoài ra, có thể chụp các lưới chuẩn hoặc tĩnh vật ở trong phòng với khoảng cách gần ở các vị trí góc nhìn khác nhau, đo vẽ rồi tính toán các thông số cần kiểm

định của máy chụp ảnh Công tác kiểm định này khá đơn giản, khả thi và nhanh chóng, đặc biệt, có thể áp dụng cho các máy chụp ảnh số phổ thông

Hình 2.6 Kiểm định trong phòng

2.3.2.2 Kiểm định ngoài thực địa

Xây dựng một bãi kiểm định chuẩn gồm các điểm được đánh dấu rõ nét và

được đo vẽ ngoại nghiệp cẩn thận Các điểm này được bố trí sao cho có điểm gần,

điểm xa và tạo thành các đường chuẩn thẳng đứng Sau khi chụp và đo vẽ trên ảnh,

các thông số kiểm định của máy chụp ảnh số phổ thông sẽ được tính toán thông qua chương trình kiểm định mà tác giả tự xây dựng

Hình 2.7 Kiểm định ngoài thực địa

2.3.3 Lựa chọn hàm toán học hiệu chỉnh sai số méo hình kính vật

Tìm hiểu các hàm toán học nhằm hiệu chỉnh sai số méo hình kính vật máy chụp ảnh là một vấn đề được quan tâm hàng đầu trong lĩnh vực đo ảnh Cho đến nay,

đã có rất nhiều nhà khoa học đưa ra các công thức hiệu chỉnh khác nhau, như: giáo sư A.N Lobanov (Nga), giáo sư H.Ebner (Đức), giáo sư Brown (Mỹ),…

Việc lựa chọn công thức hiệu chỉnh sai số méo hình kính vật máy chụp ảnh cần đảm bảo những yêu cầu sau:

* Phù hợp với quy luật hệ thống của sai số méo hình kính vật

* Phù hợp với các phần mềm đo ảnh hiện thời: bởi lẽ các phần mềm đo ảnh

số khá phổ biến hiện nay (ImageStation, Erdas,…) đều cho phép người sử dụng nhập các thông số méo hình kính vật vào phần mềm một cách dễ dàng Tuy nhiên, các thông số méo hình này phải phù hợp với công thức hiệu chỉnh đã sẵn có trong phần mềm

Theo nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới [14], [16, [18], công thức

hiệu chỉnh sai số méo hình kính vật của giáo sư Brown (Mỹ) phù hợp với quy luật hệ

thống của sai số méo hình của hầu hết kính vật các loại máy chụp ảnh Thêm vào

đó, khi tìm hiểu về trạm ảnh số ImageStation (hãng Intergraph - Mỹ) và một số phần