Giáo trình Cơ sở đo ảnh (Ngành Trắc địa Cao đẳng)

1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH Chủ biên Th s Ngô Thị Hài GIÁO TRÌNH CƠ SỞ ĐO ẢNH Dùng cho sinh viên cao đẳng trắc địa (lưu hành nội bộ) Năm 2019 2 BÀI MỞ ĐẦU 1 Bản chất của phương pháp đo ảnh[.]

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH -Chủ biên Th.s Ngô Thị Hài GIÁO TRÌNH CƠ SỞ ĐO ẢNH Dùng cho sinh viên cao đẳng trắc địa (lưu hành nội bộ) Năm 2019 BÀI MỞ ĐẦU Bản chất phương pháp đo ảnh Phương pháp đo đạc chụp ảnh (gọi tắt phương pháp đo ảnh) đời từ lâu trở thành ngành khoa học quan trọng kỹ thuật đo đạc với sở lý thuyết hoàn chỉnh hệ thống máy móc xác đại Bản chất phương pháp đo ảnh phương pháp đo gián tiếp thơng qua hình ảnh nguồn thơng tin thu đối tượng đo Nhiệm vụ phương pháp đo ảnh xác định trạng thái hình học đối tượng đo bao gồm: vị trí, hình dáng, kích thước mối quan hệ tương hỗ đối tượng đo Phương pháp đo ảnh có hai q trình bản: * Quá trình thu nhận hình ảnh thông tin ban đầu đối tượng đo thực thời điểm định với nhiều phương thức khác như: - Chụp ảnh đối tượng đo với loại thiết bị chụp ảnh vật liệu cảm quang khác - Thu nhận thông tin xạ đối tượng đo hệ thống quét điện từ khác Quá trình thu nhận hình ảnh đối tượng đo phương pháp đo ảnh thực phương pháp "chụp ảnh quang học" theo nguyên lý phép chiếu xuyên tâm hay phương pháp "quét ảnh điện tử" với hai phương thức: + Chụp ảnh không: Tức thiết bị chụp ảnh đặt thiết bị không như: máy bay, vệ tinh nhân tạo tàu vũ trụ, v.v Hình ảnh thu ảnh hàng không ảnh vệ tinh + Chụp ảnh mặt đất: Tức thiết bị chụp ảnh đặt mặt đất Hình ảnh thu ảnh mặt đất * Quá trình dựng lại đo đạc mơ hình đối tượng đo từ ảnh chụp thơng tin thu Có thể thực ba phương pháp sau: - Phương pháp tương tự - Phương pháp giải tích - Phương pháp số Bảng mô tả đặc trưng phương pháp đo ảnh Bảng Các đặc trưng phương pháp đo ảnh Phương pháp Tư liệu đầu Phương thức đo ảnh vào chiếu ảnh Phương pháp đo ảnh tương tự Phương pháp đo ảnh giải tích Phương pháp đo ảnh số Thiết bị xử lý Phương thức làm việc Sản phẩm đầu Người thao tác toàn máy Người trợ giúp máy thao tác Sản phẩm đồ giải ảnh chụp quang học Chiếu ảnh quang Máy đo ảnh tương tự ảnh chụp quang học Chiếu ảnh toán học Máy đo ảnh giải tích ảnh chụp ảnh số hóa ảnh số Chiếu ảnh số Trạm xử lý ảnh số Thao tác tự động có người trợ giúp Sản phẩm đồ giải sản phẩm số Sản phẩm số sản phẩm đồ họa Trên mơ hình xây dựng theo tỷ lệ thu nhỏ phòng người ta thu số liệu cần thiết cho nhiệm vụ đo đạc khác Quy trình cơng nghệ phương pháp đo ảnh tóm tắt hình Đối tượng đo đạc Cơng tác chụp ảnh Các công tác trắc địa Các tư liệu ảnh số liệu liên quan Các số liệu trắc địa Quá trình đo đạc ảnh đo Phương pháp đo ảnh tương tự Phương pháp đo ảnh giải tích Phương pháp đo ảnh số Các kết đo ảnh Dang đồ họa: - Bản đồ loại - Các loại ảnh Dạng số: - Bản đồ số - ảnh số Dạng bảng biểu: - Các số liệu lưu trữ Hình Quy trình cơng nghệ phương pháp đo ảnh Đặc điểm phạm vi ứng dụng phương pháp đo ảnh 2.1 Đặc điểm phương pháp đo ảnh - Có khả đo đạc tất đối tượng đo mà không thiết phải tiếp xúc đến gần chúng, miễn đối tượng chụp ảnh Vì vậy, đối tượng phương pháp đo ảnh đa dạng, từ miền thực địa rộng lớn đến vi vật thể có kích thước nhỏ - Nhanh chóng thu tư liệu đo đạc thời gian chụp ảnh, nên cho phép giảm nhẹ Cơng tác ngồi trời, tránh ảnh hưởng thời tiết đến Công tác đo đạc - Có thể đo thời điểm nhiều điểm đo khác đối tượng đo Do đó, khơng cho phép đo đạc vật thể tĩnh (như địa hình, địa vật) mà cịn đo vật thể chuyển động (như máy bay) vật thể dịch chuyển chậm (như biến dạng cơng trình xây dựng) - Quy trình cơng nghệ thuận lợi cho việc tự động hóa Cơng tác đo tính, nâng cao hiệu suất Cơng tác tính kinh tế phương pháp - Nhược điểm chủ yếu phương pháp đo ảnh trang thiết bị cồng kềnh đắt tiền, đòi hỏi điều kiện định sử dụng bảo quản 2.2 Phạm vi ứng dụng phương pháp đo ảnh Ngày nhiều nước giới, phương pháp đo ảnh trở thành phương pháp Cơng tác đo vẽ đồ địa hình loại gọi phương pháp trắc địa ảnh Ngồi lĩnh vực địa hình, phương pháp đo ảnh cịn ứng dụng rộng rãi ngành khoa học kỹ thuật khác như: - Trong cơng trình: Đo biến dạng dịch động cơng trình, nghiên cứu mơ hình xây dựng, vật liệu xây dựng v.v - Trong cơng nghiệp: Đo tính khối lượng khai thác mỏ, nghiên cứu phương án thiết kế gia công tối ưu, kiểm tra Công tác lắp ráp thiết bị cơng nghiệp, kiểm tra chất lượng tạo hình cơng nghiệp chế tạo máy bay, ô tô, tàu thủy v.v - Trong nông lâm nghiệp: Điều tra quy hoạch đất đai, điều tra nghiên cứu rõng, nghiên cứu trình phát triển lồi gia súc loại cay trồng v.v - Trong khí tượng thủy văn: Nghiên cứu tượng khí tượng (như mây, mưa, gió), nghiên cứu dịng chảy tượng thủy văn (như sóng, thủy triều, ) - Trong lĩnh vực quân sự: Nghiên cứu quỹ đạo tốc độ loại đầu đạn, tên lửa, máy bay, nghiên cứu vụ nổ v.v - Trong ngành khoa học kỹ thuật khác y học, địa chất, sinh vật học, hóa lý, v.v Tùy theo đối tượng đo đạc lĩnh vực, mà người ta sử dụng phương thức chụp ảnh phương thức đo ảnh thích hợp Trong trắc địa địa hình, phương pháp đo ảnh hay cịn gọi trắc địa ảnh có hai phương pháp sau đây: + Phương pháp trắc địa ảnh hàng không; + Phương pháp trắc địa ảnh mặt đất Trong phương pháp trắc địa ảnh hàng không phương pháp chủ yếu Công tác đo vẽ đồ địa hình loại tỷ lệ khác nhau, đặc biệt đo vẽ đồ địa hình tỷ lệ vừa nhỏ (1:5000 đến 1:50000) Phương pháp chụp ảnh mặt đất phương pháp bổ sung cho phương pháp chụp ảnh hàng không Công tác đo vẽ đồ tỷ lệ lớn vùng đồi nói Lịch sử phát triển ngành trắc địa ảnh 3.1 Tình hình phát triển ngành trắc địa ảnh giới Sự hình thành phát triển ngành trắc địa ảnh gắn liền với phát triển khoa học kỹ thuật nói chung lĩnh vực đo đạc đồ nói riêng Sự đời phát triển lĩnh vực chụp ảnh, quang học, hàng khơng, khí xác, điện tử ảnh hưởng định đến phương pháp hệ thống máy móc phương pháp đo ảnh Sự phát triển đo đạc chụp ảnh tóm tắt giai đoạn chính: - Giai đoạn hình thành phương pháp đo ảnh (1859 - 1900) Trong giai đoạn nhà khoa học thực việc chụp ảnh không máy ảnh đơn giản từ kinh khí cầu Phương pháp đo ảnh thực theo nguyên tắc giao hội thuận với hướng xác định từ điểm ảnh ảnh mặt đất Do vây, phương pháp đo ảnh giai đoạn gọi phương pháp giao hội ảnh Nhược điểm phương pháp việc khó nhận biết điểm đo tên ảnh đơn chụp từ trạm chụp khác Do đó, khả ứng dụng phương pháp vào Công tác đo đạc địa hình cịn hạn chế - Giai đoạn từ 1900 - 1914 Đặc trưng giai đoạn hình thành phương pháp đo ảnh lập thể với đời máy đo ảnh máy chụp ảnh chuyên dụng - Giai đoạn từ 1915 - 1930 Đây giai đoạn hình thành phương pháp đo ảnh hàng không với phát triển kỹ thuật hàng không đời máy chụp ảnh Để phục vụ cho việc đo vẽ ảnh hàng không, người ta chế tạo thành công máy đo vẽ lập thể ảnh hàng không Trong khoảng 15 năm tiếp theo, máy đo vẽ ảnh hàng không không ngừng cải tiến hồn chỉnh Nhờ đó, phương pháp đo ảnh ứng dụng rộng rãi lĩnh vực đo vẽ đồ - Giai đoạn từ 1930 - 1945 Đặc trưng giai đoạn việc phát triển phương pháp chụp ảnh hàng không cho Cơng tác đo vẽ đồ địa hình, đồng thời khơng ngừng hồn thiện máy móc đo vẽ chụp ảnh, khơng có thay đối nguyên lý cấu tạo Đây giai đoạn xây dựng sở lý luận phương pháp tăng dày điểm khống chế ảnh - Giai đoạn sau chiến tranh giới lần thứ hai đến năm 70 Đặc trưng giai đoạn việc ứng dụng ngày nhiều thành tưu kỹ thuật điện tử máy tính điện tử vào việc chế tạo máy móc đo chụp ảnh vào trình đo vẽ ảnh Các linh kiện điện tử thay ngày nhiều phận học máy đo ảnh, làm cho máy móc thiết bị trở nên gọn nhệ, góp phần giảm nhẹ cường độ lao động, nâng cao hiệu suất Công tác Ngày nay, với sở lý thuyết hoàn chỉnh hệ thống máy móc có độ xác cao, có hiệu suất Cơng tác lớn, với việc ứng dụng ngày rộng rãi thành tựu máy tính điện tử, phương pháp đo đạc chụp ảnh có đầy đủ khả giải nhiệm vụ đo vẽ đồ địa hình từ tỷ lệ nhỏ đến tỷ lệ lớn (1:200 đến 1:50000), đồng thời giải nhiều nhiệm vụ đo đạc phức tạp lĩnh vực khoa học kỹ thuật khác 3.2 Tình hình phát triển ngành trắc địa ảnh Việt Nam Ngành trắc địa ảnh ngành Trắc địa đồ nói chung ngành khoa học kỹ thuật non trẻ nước ta Chỉ sau miền Bắc hồn tồn giải phóng, ngành Trắc địa đồ nước ta xây dựng phát triển - Năm 1958 tiến hành chụp ảnh điều tra khảo sát rõng với giúp đì CHLB Đức - Năm 1965, phương pháp đo ảnh hàng không ứng dụng vào việc đo vẽ đồ địa hình tỷ lệ Nhà nước 1:50000 1:25000 - Năm 1966 tiến hành đào tạo cán kỹ thuật trắc địa ảnh trình độ đại học - Từ năm 1965 đến năm 1972, chủ yếu sử dụng phương pháp đo vẽ toàn năng, kết hợp với phương pháp đo vẽ phối hợp vùng đồng Đồng thời bắt đầu nghiên cứu ứng dụng phương pháp tiên tiến Công tác tăng dày điểm khống chế trang bị thiết bị đo vẽ đại - Năm 1973, phương pháp chụp ảnh mặt đất bắt đầu sử dụng vào việc đo vẽ đồ địa hình tỷ lệ lớn (1:500 đến 1:2000) vùng khai thác công nghiệp (mỏ than, mỏ đá), khu vực khai thác vật liệu xây dựng, thủy lợi - Từ năm 90 đến nay: ngành trắc địa ảnh nhanh chóng ứng dụng tiến kỹ thuật cơng nghệ tiên tiến giới vào nghiên cứu, sản xuất đào tạo cán Hiện có nhiều sở sản xuất xây dựng xí nghiệp đo ảnh với máy móc đại phần mềm chuyên dụng Chương CƠ SỞ TOÁN HỌC CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐO ẢNH 1.1 Khái niệm ảnh đo 1.1.1 Khái niệm Các ảnh dùng vào môc đích đo đạc gọi ảnh đo Ảnh đo hình ảnh thu từ ảnh đo theo nguyên lý phép chiếu xuyên tâm Ảnh đo nguồn thông tin gốc đối tượng đo phục vụ cho trình đo đạc phương pháp đo ảnh Trên thực tế, ảnh đo kết tổng hợp trình tạo hình quang học (qua hệ thống thấu kính có chất lượng cao) q trình quột ảnh điện từ ghi nhận lại vật liệu ảnh (phim mềm phim cứng) theo nguyên lý phép chiếu xuyên tâm với phương thức chụp ảnh quang học băng từ phương thức quét ảnh 1.1.2 Tính chất ảnh đo Ảnh đo mang tính chất sau: Nội dung ảnh đo phản ánh trung thực chi tiết bề mặt đối tượng (như địa hình, địa vật mặt đất), chưa thể đầy đủ theo yêu cầu nội dung đồ Ảnh đo coi nguồn thông tin đối tượng đo thu nhận thời điểm chụp ảnh Chúng khai thác tùy theo mơc đích khác q trình xử lý sau Mức độ chi tiết khả đo đạc ảnh đo phụ thuộc vào điều kiện phương thức chụp ảnh như: điều kiện khí tượng, thiết bị chụp ảnh, vật liệu ảnh, kỹ thuật chụp ảnh, S Chiếu xuyên tâm Ảnh chụp Mặt đất Chiếu thẳng Bản đồ Hình 1.1 Sự hình thành ảnh đo theo phép chiếu xuyên tâm Ảnh đo nguồn thông tin ban đầu nên trực tiếp sử dụng thành đo đạc khác (ví dụ đồ) Lý vì: - Quan hệ tọa độ điểm ảnh ảnh điểm tương ứng mặt đất quan hệ phối cảnh phép chiếu xuyên tâm, quan hệ chiếu thẳng đồ - Tỷ lệ hình ảnh ảnh không thống đồ, đặc điểm trình chụp ảnh ảnh nghiêng, địa hình lồi lâm - Các hình ảnh ảnh khơng xác vị trí bị biến dạng nhiều nguyên nhân gây quy luật chiếu hình, sai số quang học, vị trí ảnh chụp, biến dạng vật liệu ảnh Do vậy, muốn sử dụng ảnh đo vào mơc đích đo đạc, trước hết cần nghiên cứu quy luật tạo hình hình học, quang học ảnh đo 1.2 Các yếu tố ảnh đo P V w S I O T c n H V E T S fk  O Hình 1.2 Các yếu tố hình học ảnh đo Ảnh đo có yếu tố bản: Mặt phẳng vật (E): thường giả thiết mặt phẳng vật E mặt phẳng nằm ngang Mặt phẳng ảnh (P): Trong trường hợp chung, mặt phẳng P có góc nghiêng  mặt phẳng vật E Góc  gọi góc nghiêng ảnh Tâm chụp (tâm chiếu) (S): Vị trí tâm chiếu S so với mặt phẳng P xác định theo tiêu cự máy chụp ảnh cho thỏa mãn điều kiện So = fk Mặt phẳng đứng (W): Là mặt phẳng qua tâm chiếu S, thẳng góc với mặt phẳng E mặt phẳng P Đường dọc vv: Là vết mặt phẳng W mặt phẳng ảnh P Đường hướng chụp VV: Là vết mặt phẳng W mặt phẳng ảnh E Trục chụp TT: Giao tuyến mặt phẳng ảnh P với mặt phẳng vật E Trục chụp cịn gọi đường nằm ngang Điểm ảnh o: Từ tâm chiếu S kẻ đường vng góc xuống mặt phẳng P, giao điểm chúng gọi điểm ảnh So gọi tia sáng Điểm đáy ảnh n: Từ tâm chiếu S kẻ đường vng góc SN xuống mặt phẳng vật E, giao điểm với mặt phẳng ảnh gọi điểm đáy ảnh 10 Điểm đẳng giác c: Trong mặt đứng W từ tâm chiếu S kẻ đường phân giác góc oSn = , giao điểm với mặt phẳng ảnh gọi điểm đẳng giác 11 Điểm tụ I: Trong mặt đứng W từ tâm chiếu S kẻ đường song song với mặt phẳng vật E, giao điểm với mặt phẳng ảnh gọi điểm tụ 12 Đường chân trời hihi: Trong mặt phẳng ảnh P qua I kẻ đường song song với đường nằm ngang TT có đường chân trời hihi 13 Đường nằm ngang hoho: Trong mặt phẳng ảnh P qua điểm ảnh o kẻ đường song song với đường nằm ngang TT có đường nằm ngang hoho 14 Đường đẳng tỷ lệ hchc: Trong mặt phẳng ảnh P qua điểm đẳng giác c kẻ đường song song với đường nằm ngang TT có đường đẳng tỷ lệ hchc 15 Độ cao chụp ảnh SN: Khoảng cách từ tâm chiếu S đến mặt phẳng vật E theo đường dây dọi gọi độ cao chụp ảnh SN = H Từ hình 1.1 dễ dàng xác định địa lượng hình học ảnh đo: So = f k on = fk.tg ; Sn = fk ; cos  ; oI = fk.cotg Sc = fk cos  ; SI = (1.1) oc = f k tg ; fk sin   (1.2) Trong phương pháp đo ảnh, ảnh đo chụp vị trí đặc biệt: - Khi góc nghiêng ảnh  = 00, tức mặt phẳng ảnh nằm ngang Đây trường hợp chụp ảnh hàng không lý tưởng Trong trường hợp này, điểm ảnh o, điểm đáy ảnh n, điểm đẳng giác c trùng điểm Trên mặt phẳng ảnh điểm tụ I, đường chân trời hihi nằm vơ cực - Khi góc nghiêng ảnh  = 900, tức mặt phẳng ảnh thẳng đứng Đây trường hợp chụp ảnh mặt đất Trong trường hợp này, điểm ảnh o trùng với điểm tụ I ảnh, đường nằm ngang hoho trùng với đường chân trời hihi Điểm đáy ảnh n nằm vô cực S (W) (P) (P) I,o (W) v o,c,n S v V N V (ấ) (ấ) V V ễ,C,N a Trường hợp chụp ảnh HK lý tưởng b Trường hợp chụp ảnh mặt đất Hình1.3 Các dạng chụp ảnh đặc biệt 1.3 Các định lý phép chiếu xuyên tâm 1.3.1 Định lý phép chiếu điểm Định lý thuận: Nếu biết mặt phẳng ảnh P, tâm chiếu S điểm vật A, hình ảnh A mặt phẳng P xác định điểm a có điểm a mà thơi (Hình 1.4a) Định lý nghịch: Nếu biết mặt phẳng ảnh P, tâm chiếu S điểm ảnh a mặt phẳng P, điểm vật tương ứng điểm ảnh điểm A nằm đường thẳng kéo dài Sa, (Hình 1.4b) S S a a Ai A A a Định lý thuận b Định lý nghịch Hình 1.4 Định lý phép chiếu điểm 1.3.2 Định lý phép chiếu đường thẳng Định lý thuận: Nếu biết mặt phẳng ảnh P, tâm chiếu S đoạn thẳng khơng gian AB, hình chiếu đoạn thẳng AB mặt phẳng P đoạn thẳng xác định ab có đoạn thẳng ab mà thơi (Hình 1.5a) Định lý nghịch: Nếu biết mặt phẳng ảnh P, tâm chiếu S hình chiếu ab đoạn thẳng, đường tương ứng khơng gian vật khơng phải đoạn thẳng AB không định đoạn thẳng (Hình 1.5b) 10 ... đạc ảnh đo Phương pháp đo ảnh tương tự Phương pháp đo ảnh giải tích Phương pháp đo ảnh số Các kết đo ảnh Dang đồ họa: - Bản đồ loại - Các loại ảnh Dạng số: - Bản đồ số - ảnh số Dạng bảng biểu: -. .. Chương CƠ SỞ TOÁN HỌC CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐO ẢNH 1.1 Khái niệm ảnh đo 1.1.1 Khái niệm Các ảnh dùng vào mơc đích đo đạc gọi ảnh đo Ảnh đo hình ảnh thu từ ảnh đo theo nguyên lý phép chiếu xuyên tâm Ảnh đo. .. vụ đo đạc khác Quy trình cơng nghệ phương pháp đo ảnh tóm tắt hình Đối tượng đo đạc Cơng tác chụp ảnh Các công tác trắc địa Các tư liệu ảnh số liệu liên quan Các số liệu trắc địa Quá trình đo