Đồ án nghiên cứu xây dựng phần mềm hiệu chỉnh hình học ảnh vệ tinh landsat mức 1g

LỜI NĨI ĐẦU 1.Tính cấp thiết đề tài Ngày nay, với phát triển vũ bão khoa học kỹ thuật, công nghệ vũ trụ phát triển vơ nhanh chóng vài thập niên gầm Kỹ thuật viễn thám nói chung trở thành phương tiện kỹ thuật đại áp dụng nhiều lĩnh vực khoa học khác lâm nghiệp, cập nhật thành lập đồ, bảo vệ mơi trường phịng chống thiên tai vv Viễm thám phương thức thu nhận thông tin đối tượng Các thơng tin thu kết việc giải đoán mã đo đạc biến đổi mà đối tượng tác động tới môi trường chung quanh trường điện từ, truờng âm trường hấp đẫn Tính ưu việt thông tin viễn thám khả tổng hợp tính tổng quát cao, độ chi tiết lớn Bằng ảnh máy bay ảnh vệ tinh ta co khả nghiên cức đối tuợng tự nhiên diện rộng với độ phân giải không gian vài mét Tính lặp lại có chu kỳ thơng tin viễn thám cho phép nghiên cứu biến động theo chu kỳ thay đổi tính chất đối tượng tự nhiên theo thời gian tác động cá hoạt động kinh tế- xã hội người Tuy nhiên, chụp ảnh hàng khơng, ảnh viễn thám bị biến dạng hình học nhiều nguồn sai số gây Các nguồn sai số chủ yếu gây nên biến dạng hình học ảnh viến thám chia làm hai nhóm là: sai số hình học thân máy thu sai số hình học tác động bên ngồi Vì vậy, quy trình cơng nghệ xử lý ảnh viễn thám cho mục đích trên, cơng tác hiệu hình học ảnh viễn thám chiếm vai trị quan trọng, định đến tính xác độ tin cậy thơng tin Trong quy trình xử lý ảnh viễn thám có phần nắn chình biến dạng hình học ảnh Về ảnh đươc nhận từ vệ tinh trình xử lý ảnh viễn thám diễn đầy đủ trước ảnh giao đến người dùng Tuy nhiên mục đích khác việc xử lý tiếp tục diễn khơng nắn chỉnh hình học ảnh số phương pháp ứng dụng cho vài mục đích định ; chủ yếu hiệu chỉnh lại sai số biến dạng hình học ảnh nắn chỉnh hệ tọa độ theo yêu cầu để dùng vào mục đích khác Biến dạng hình học ảnh hiểu sai lệch vị trí tọa độ ảnh thực tế ( đo được) tọa độ ảnh lý tưởng tạo cảm có thiết kế hình học xác điều kiện thu nhận lý tưởng, nhắm loại trừ sai số tọa độ ảnh thực tế tọa độ ảnh lý tưởng cần thiết phải tiến hành hiệu chỉnh hình học Sự cần thiết việc hiệu chình hình học ảnh viễn thám ? • Do chất phương pháp thu chụp ảnh camera/sensor máy bay/ vệ tinh nên hình ảnh mặt đát nhận ảnh chứa nhiều sai số Các băng ảnh ảnh vệ tinh cần phải xử lý hiệu chỉnh để • khớp, chỉnh để đưa hình ảnh chân thực , xác phục vụ cho cơng việc nghiên cứu tốt Các đối tượng nghiên cứu tư liệu ảnh viễn thám cần phải • vị trí xác hệ tọa độ tham chiếu định Với cần thiết việc hiệu chỉnh hình học ảnh viễn thám ứng dụng nắn chỉnh ảnh thành lập đồ,nghiên cứu biến động v.v em chọn đồ án : "Nghiên cứu xây dựng phần mềm hiệu chỉnh hình học ảnh vệ tinh Landsat mức 1G" để cố gắng giải phần vấn đề cấp thiết Mục tiêu nghiên cứu đồ án - Nghiên cứu xây dựng thuật toán hiệu chỉnh biến dạng hình học ảnh vệ tinh Landsat định dạng tiff - Xây dựng phần mềm thử nghiệm hiệu chỉnh hình học ảnh vệ tinh Landsat định dạng tif có chứa hệ tọa độ Nội dung nghiên cứu: - Nghiên cứu, đánh giá toán nắn phẳng ảnh vệ tinh - Xây dựng thuật toán nắn chỉnh hình học nội suy mức độ xám - Xây dựng phần mềm nắn phẳng ảnh vệ tinh Landsat định dạng GeoTIFF Phương pháp nghiên cứu cách tiếp cận: Để thực nội dung nghiên cứu, đồ án lựa chọn phương pháp tiếp cận sau : - Nghiên cứu thuật toán, phần mềm nắn chỉnh phẳng có giới từ chọn phương pháp phù hợp - Xây dựng phần mềm nắn phẳng ảnh vệ tinh Landsat định dạng GeoTIFF 5.Cấu trúc đồ án Nội dung đề tài chia làm phần sau:  Mở đầu  Chương 1: Cơ sở lý thuyết toán nắn phẳng ảnh vệ tinh  Chương 2:Quy trình nắn ảnh vệ tinh phần mềm thương mại  Chương 3: Xây dựng chương trình nắn ảnh ảnh  Kết luận kiến nghị CHƯƠNG I CƠ SỞ LÝ THUYẾT BÀI TOÁN NẮN PHẲNG ẢNH VỆ TINH 1.1 Ảnh vệ tinh 1.1.1 Cấu trúc Bộ cảm biến quang học đặt vệ tinh thu ảnh nhiều đoạn bước sóng điện từ khác Tín hiệu thu đoạn bước sóng tách kênh riêng tương ứng với kênh ảnh Ảnh vệ tinh quang học dạng số cấu thành từ phần tử ảnh(pixels) mảng hai chiều Gắn với điểm ảnh véc tơ giá trị số DN mô tả cường độ xạ phản xạ trung bình vùng lấy mẫu cảnh(bề mặt trái đất) nhiều kênh phổ khác nhau(hình 1) Độ lớn DN biểu thị cường độ xạ phản xạ vùng bề mặt Kích thước vùng lấy mẫu(điểm ảnh) tạo hiệu ứng tái tạo chi tiết cảnh Kích thước điểm ảnh nhỏ ảnh chi tiết 1.1.1.1 Các phương pháp tổ chức liệu ảnh đa phổ Phương pháp tổ chức liệu ảnh vệ tinh tập tin ảnh cách thức xếp logic hàng, cột kênh ảnh tập tin ảnh Nó nhân tố định đến cách thức xếp liệu đĩa cứng đồng nghĩa với việc có ảnh hưởng tới tốc độ đọc hay truy vấn liệu ảnh đĩa cứng Có ba phương pháp tổ chức liệu ảnh đa phổ: Phương pháp gối kênh theo hàng – BIL(band interleaved by line), phương pháp gối kênh theo điểm ảnh – BIP( Band interleaved by pixel) phương pháp gối kênh - BSQ( Band sequential) BIL, BIP BSQ khuân dạng tập tin ảnh mà lược đồ lưu trữ giá trị điểm ảnh thực tập tin ảnh đa phổ Hình 1.1: Cấu trúc minh họa ảnh vệ tinh đa phổ dạng số Dữ liệu cấu trúc BIL lưu trữ thông tin ảnh theo hàng kênh gối Ví dụ ảnh đa phổ kênh lưu trữ hình vẽ: Hàng ảnh cấu thành từ kết nối gối hàng ba kênh Cứ lặp lại với hàng lại ảnh Hình 1.2: Cấu trúc ảnh BIL Theo cấu trúc ảnh LANDSAT ETM+ kênh kích thước: rộng 7000 cột, cao 7000 hàng tổ chức tập tin ảnh kích thước 42000 cột, 7000 hàng Theo cách tổ chức tập tin để hiển thị cửa sổ ảnh tổ hợp từ kênh nhiều lần tìm kiếm truy cập đĩa cứng Dữ liệu cấu trúc BIP lưu trữ tương tự cấu trúc BIL, ngoại trừ liệu điểm ảnh kênh gối Ví dụ, với ảnh đa phổ kênh, liệu kênh 1, 2, gối theo điểm ảnh: điểm ảnh hàng kênh 1-> điểm ảnh hàng kênh 2-> điểm ảnh hàng kênh lặp lại với điểm ảnh cịn lại Hình 1.3: Cấu trúc ảnh BIP Cấu trúc có gọn cấu trúc BIL, nhiên kích thước cột ảnh tập tin lớn tổng số cột ảnh tất kênh ảnh Thành thử việc hiển thị cửa sổ ảnh địi hỏi nhiều phép tìm kiếm truy cập đĩa cứng Dữ liệu cấu trúc BSQ lưu kênh ảnh file Nói cách khác liệu tất điểm ảnh kênh lưu trước sau liệu tất điểm ảnh kênh lưu lặp lại với kênh lại Theo cấu trúc kích thước hàng ảnh tập tin ảnh kích thước hàng ảnh kênh ảnh đơn Tốc độ truy cập ổ cứng hiển thị cửa sổ ảnh nhanh so với cấu trúc Đây cấu trúc mà nhiều khuân dạng ảnh vệ tinh sử dụng để lưu trữ ảnh Hiện nhà cung cấp ảnh vệ tinh vận dụng linh hoạt cấu trúc với việc tách kênh ảnh thành tập tin riêng để kích thước tập tin khơng q lớn Việc vừa làm thuận tiện cho việc trao đổi liệu tăng tốc độ truy cập, hiển thị xử lý Hình 1.4: Cấu trúc ảnh BSQ 1.1.1.2 Định dạng chuẩn chung trao đổi liệu ảnh vệ tinh Mỗi hãng cơng nghệ vệ tinh thường có hệ thống phần mềm xử lý ảnh riêng có định dạng ảnh riêng Tuy nhiên để thuận tiện cho việc trao đổi liệu tính tương thích với phần mềm GIS, giới chuyên môn chọn định dạng ảnh chung để trao đổi định dạng GeoTiff Cũng phương pháp tổ chức liệu ảnh định dạng tập tin ảnh phần định tới cách thức truy cập đọc tập tin Mục giới thiệu ngắn gọn khía cạnh định dạng ảnh GeoTiff Định dạng GeoTiff kết hợp định dạng Tiff với bổ sung thẻ mô tả tham chiếu không gian (geotag) Tập tin ảnh Tiff gồm ba phần chính: Phần đầu (Header), phần thư mục ảnh (IFD – image file directory) giá trị thẻ thư mục Chúng kết nối với trỏ vị trí tương đối so với đầu tập tin Phần Header có kích thước tám byte gồm trường chứa thông tin tham số ảnh: trật tự bít, số hiệu phiên bản, độ dịch (con trỏ) tới thư mục ảnh tập tin Tập tin GeoTiff chứa nhiều ảnh Mỗi ảnh mô tả thư mục ảnh Mỗi thư mục ảnh chứa ba loại thông tin: Số lượng thẻ thư mục, thân thẻ thư mục trỏ rỗng(bằng không) tới thư mục ảnh có Các thẻ thư mục có kích thước 12 byte mơ tả đầy tham số có lien quan ảnh Hình 1.5: Định dạng ảnh Tiff GeoTIFF sử dụng tập nhỏ thẻ TIFF giành riêng để lưu trữ phạm vi rộng thông tin tham chiếu địa lý, phục vụ cho địa lý hệ tọa độ phép chiếu cần thiết Các phép chiếu bao gồm UTM, US State Plane National Grids, kiểu phép chiếu Transverse Mercator, Lambert Conformal Conic vv khơng có thơng tin lưu trữ cấu trúc riêng, IFD hay kỹ thuật khác ẩn thông tin từ phần mềm đọc TIFF không tốt GeoTIFF sử dụng siêu thẻ "MetaTag" (GeoKey) để mã hóa hàng chục phần tử thông tin vào thẻ, tận dụng lợi tảng TIFF-độc lập định dạng liệu Các key thiết kế cách song song với thẻ TIFF chặt chẽ theo nguyên tắc cấu trúc bố trí TIFF Các key định nghĩa yêu cầu phát sinh khơng địi hỏi cấp phát thẻ từ Aldus/Adobe GeoTIFF sử dụng mã số để miêu tả kiểu phép chiếu, hệ tọa độ, mốc đo lường, ellipsoid…v v Trong GeoTIFF cung cấp framework mạnh mẽ để xác định hệ tọa độ phép chiếu, hồn tồn mở rộng 1.1.2 Hệ tọa độ Trong nội dung đồ án chủ yếu nghiên cứu ảnh vệ tinh định dạng tif nội dụng phần trình bày hệ tọa độ ảnh tiff hay nói cách khác trình bày Geotiff 1.1.2.1.Cơ sơ TIFF trở thành định dạng tập tin raster phổ biến giới Nhưng TIFF hạn chế ứng dụng đồ Một số cách giải riêng tồn cho ghi chép thông tin địa lý thẻ TIFF Intergraph có thẻ geotiff, điều tập thẻ TIFF riêng phải đăng ký độc quyền cho Intergraph Các cơng ty khác (ESRI Island Graphics) có giải pháp địa lý mà độc quyền hay giới hạn ứng dụng cụ thể cho kiến trúc phần mềm họ Nhiều công ty GIS, nhà cung cấp liệu raster khách hàng họ yêu cầu công ty liên quan đến giao hàng khai thác hình ảnh raster địa lý phát triển tảng dung chung, có khả tương thích với tiêu chuẩn ảnh TIFF địa lý Như ảnh TIFF bắt nguồn từ tảng ảnh vệ tinh, ảnh hàng không, ảnh quét ảnh hàng không hay đồ giấy, hay kết việc phân tích địa lý Những ảnh TIFF hỗ trợ tagset “geotiff” chung đọc định vị xác GIS hay hệ thống đồ số mà hỗ trợ chuẩn “GeoTIFF” 1.1.2.2.Lịch sư Những nỗ lực ban đầu để xác định đặc điểm kỹ thuật TIFF “Geotiff” bắt đầu lãnh đạo Ed Grissom Intergraph người khác vào đầu năm 90 Năm 1994, danh sách thư GeoTIFF tạo giữ Niles Ritter JPL nhanh chóng tăng lên 140 thuê bao từ nhiều phủ ngành cơng nghiệp Mục đích danh sách thảo luận mục tiêu chung lợi ích việc phát triển ngành công nghiệp chuẩn GeoTIFF lên đến đỉnh điểm hội nghị tháng năm 1995 tổ chức SPOT Image với đại diện đến từ USGS, Intergraph, ESRI, ERDAS, SoftDesk, MapInfo, NASA/JPL, tổ chức khác Các phác thảo đặc tả tài liệu phát hành đặc tả kỹ thuật GeoTIFF Niles Ritter, Mike Ruth SPOT Image 1.1.2.3.Phạm vi Đặc tả GeoTIFF định nghĩa tập hợp thẻ TIFF cung cấp để miêu tả tất thông tin "Cartographic" liên kết với ảnh TIFF mà bắt nguồn từ ảnh vệ tinh, ảnh quét hàng không, ảnh quét đồ, mơ hình số độ cao hay kết phân tích địa lý Mục đích cho phép biết ảnh raster thông tin không gian hay phép chiếu đồ cho mô tả phép chiếu GeoTIFF ý định thay chuẩn trao đổi liệu địa lý tại, chuẩn USGS SDTS hay chuẩn siêu liệu FGDC Thay vào đó, nhằm mục đích tăng cường phổ biến định dạng liệu raster để hỗ trợ thơng tin mã hóa địa lý phép chiếu địa lý 1.1.2.4.Đặc tính GeoTIFF hoàn toàn phụ thuộc vào đặc điểm kỹ thuật TIFF 6.0 phần mở rộng phù hợp với TIFF GeoTIFF sử dụng tập nhỏ thẻ TIFF giành riêng để lưu trữ phạm vi rộng thông tin tham chiếu địa lý, phục vụ cho địa lý hệ tọa độ phép chiếu cần thiết Các phép chiếu bao gồm UTM, US State Plane National Grids, Phương pháp Polynomial Phương pháp Triangulation Dựa vào hình ảnh thơng số toạ độ độ xám phương pháp ta thấy phuơng pháp cho kết nắn khác giá trị toạ độ giá trị độ xám Chính ta nắn chỉnh ảnh vào mục đích ta phải CHƯƠNG III XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH NẮN ẢNH 3.1.Thiết kế sơ đồ chức 3.1.1 Thiết kế cấu trúc chương trình a.Thiết kế tổng quan • System • Fuction • Manipulation • Help b.Thiết kế chi tiết  System: • Load Image: Referrence Image, Resetting image • New • Close  Fuction: • Chose Global Control Point • Chose Transforming Geometric Methods • Chose Resampling Methods • Run Module  Manipulation: • Pan • Zoom: Zoom in, Zoom out  Help: • For using • About author 3.1.2 Sơ đồ chức phần mềm a.Mô tả chức tổng quan b .Mô tả chi tiết chức phần mềm b.1 System b.2 Fuction b.3 Manipulation b.4 Help 3.2 Xây dựng modul nắn ảnh 3.2.1 Xây dựng modul chuyển đổi hệ tọa độ Do ban đầu hệ tọa độ ảnh Landsat WGS84 nên xây dựng module chuyển hệ tọa độ từ WGS84 VN2000 Bước 1: Chuyển đổi tọa độ phẳng (x,y) hệ WGS84 hệ tọa độ trắc địa (B,L) WGS84 Bước 2: Chuyển đổi tọa độ (B,L,H) thu hệ tọa độ địa tâm xích đạo (X,Y,Z) hệ WGS84 H khơng có nên khơng tính đến Z Bước 3: Chuyển đổi (X,Y) WGS84 (X,Y) VN 2000 Sơ đồ tổng quan: 3.2.2 Xây dựng module biến đổi hình học Ở xin trình bày tổng quát module phép biến đổi hình học sử dụng chương trình :Affine, Projective Polynomial Bước 1:Mở ảnh tham chiếu ảnh cần nắn • Bước 2: Chọn điểm khống chế Số lượng điểm khống chế GCP cần chọn nắn chỉnh hình học ảnh phụ thuộc phép biến đổi bậc đa thức dùng phép biến đổi Bảng 7.1 thể phụ thuộc số lượng điểm khống chế tối thiểu cần chọn tương ứng với phép biến đổi Bảng 7.1 Phép biến đổi số lượng điểm khống chế cần chọn Phép biến đổi Công thức biến đổi Số lượng điểm khống chế cần chọn Helmert Affine Pseudo Affine Projection Transform Second – order Conformal 2nd order: Polynomials 3rd order: 16 4th order: 25 5th order: 36 Lưu ý lựa chọn điểm khống chế: • Điểm khống chế phải dễ nhận dạng ảnh đồ; • Phân bố đồng toàn ảnh, đặc biệt ý phân bố đường biên Cách chọn điểm khống chế: • Ranh giới đất với nước; • Góc cơng trình xây dựng, đập, mương, hải cảng; • Mũi đất, hải đăng, đảo nhỏ; • Nhà máy, cao ốc, đường băng sân bay; • Tâm hồ nhỏ, điểm giao thủy, giao lộ, • Khơng chọn vị trí dễ biến động: bờ sơng, ranh giới rừng, • Bước 3: Lập giải hệ phương trình từ điểm khống chế để tìm hệ số biến đổi • Bước 4: Từ hệ số biến đổi tính toán tiến hành nắn chỉnh Sơ đồ tổng quan: 3.3.Kết đạt Ảnh trước nắn Ảnh sau nắn(Affine-Nearest neibouh) KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Trong trình tìm hiểu nghiên cứu, giúp đỡ tận tình thầy giáo môn Trắc địa Bản đồ, bạn lớp đặc biệt giúp đỡ nhiệt tình trách nhiệm 1//.TS Đào Khánh Hoài 2/.ThS Vũ Văn Trường đồ án tơi hồn thành nội dung sau: - Tìm hiểu tốn nắn phẳng ảnh vệ tinh - Nghiên cứu đươc thuật tốn biến đổi hình học ảnh phương pháp nội suy mức độ xám - Xây dựng chương trình nắn phằng ảnh vệ tinh Mặc dù cố gắng song đồ án khó tránh khỏi thiếu sót, tơi mong nhận bảo, đóng góp ý kiến thầy giáo, nhà chuyên môn bạn học viên để đồ án tơi hồn thiện tơi xin chân thành cảm ơn! Kiến nghị Trong đồ án tiến hành thực nghiệm liệu ảnh Landsat mức độ nhỏ cần phát triển thêm để thực với ảnh Landsat mức độ lớn DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO Phạm Ngọc Thạch ,Công nghệ viễn thám, Đại học Quốc Gia Hà Nội Lương Mạnh Bá, Nguyễn Thanh Thủy, Nhập môn xử lý ảnh số, NXB Khoa học kỹ thuật Hồ Đình Duẩn, Giáo trình xử lý ảnh số viễn thám, NXB TP.HCM Các help phần mềm Erdas Envi Ngồi cịn thu thập số thông tin mạng : osgeo.com, glad.com, codeproject.com…và liệu ảnh thầy giáo hướng dẫn cung cấp ... việc hiệu chỉnh hình học ảnh viễn thám ứng dụng nắn chỉnh ảnh thành lập đồ, nghiên cứu biến động v.v em chọn đồ án : "Nghiên cứu xây dựng phần mềm hiệu chỉnh hình học ảnh vệ tinh Landsat mức 1G" ... giải phần vấn đề cấp thiết Mục tiêu nghiên cứu đồ án - Nghiên cứu xây dựng thuật tốn hiệu chỉnh biến dạng hình học ảnh vệ tinh Landsat định dạng tiff - Xây dựng phần mềm thử nghiệm hiệu chỉnh hình. .. hình học ảnh vệ tinh Landsat định dạng tif có chứa hệ tọa độ Nội dung nghiên cứu: - Nghiên cứu, đánh giá toán nắn phẳng ảnh vệ tinh - Xây dựng thuật tốn nắn chỉnh hình học nội suy mức độ xám - Xây