Giáo trình cơ sở viễn thám: Chương 4 chụp ảnh hàng không

Chơng 4 chụp ảnh hng không 4.1. Giới thiệu chung Thuật ngữ không ảnh là một khái niệm khoa học đợc xử dụng cho các ảnh đợc chụp bằng phim ảnh trên các phơng tiện hàng không nh máy bay, kinh khí cầu và các phơng tiện khác trên không và đợc thực hiện với các loại máy ảnh khác nhau. Nh vậy là, khi nói đến không ảnh, không có nghĩa hẹp là chỉ nói tới ảnh chụp từ máy bay. Còn khi nói ảnh thu từ máy bay chính là một trong những phơng pháp thu dữ liệu không ảnh. Viễn thám hàng không là nghiên cứu đối tợng không gian và các quá trình xẩy ra trên mặt đất qua không ảnh- các dữ liệu ảnh chụp trong ngành hàng không. Nh vậy, lịch sử phát triển của khoa học viễn thám bắt đầu bằng việc chụp ảnh và tách lọc thông tin về một vật trên các bức ảnh đợc chụp bằng phim ảnh. Hình 4. 1: ảnh chụp trên khinh khí cầu chụp vùng Booston, tác giả James Wallace Black vào 13 tháng 10 năm 1860 (Thomas). ảnh chụp theo phơng pháp này chỉ nhạy cảm với dải sóng nhìn thấy, hồng ngoại gần và đợc gọi là ảnh photo. Bức ảnh hàng không đầu tiên, dùng trong nghiên cứu về trái đất là ảnh đợc chụp trên khinh khí cầu, ghi lại vùng Booston, đợc thực hiện bởi James Wallace Black vào 13 tháng 10 năm 1860. Các ảnh chụp bằng máy ảnh có thể kể đến là các ảnh hàng không trắng đen và ảnh màu nằm trong dải phổ nhìn thấy, đơn kênh hoặc đa kênh. Thời kỳ đầu, ảnh photo đợc chụp từ trên 55 các khinh khí cầu. Giai đoạn tiếp theo khi ngành hàng không phát triển thì chụp ảnh đợc thực hiện trên các máy bay. Bức ảnh đầu tiên chụp từ máy bay đợc thực hiện vào năm 1903. Trong chiến tranh thế giới thứ nhất và chiến tranh thế giới thứ hai không ảnh đã phát triển do yêu cầu của mục đích quân sự. Một loạt các kiểu máy ảnh và cả công nghệ đo đạc ảnh hàng không cùng với giải đoán thông tin từ không ảnh ra đời. 4.2. Những u điểm và hạn chế khi sử dụng không ảnh 4.2.1. Ưu điểm Sử dụng không ảnh có các u điểm cần kể đến sau đây: ảnh chụp từ máy ảnh mô phỏng giống nh mắt ngời và nhạy cảm với phổ nhìn thấy. Độ phân giải cao và chứa đựng nhiều thông tin. Độ trung thực cao về mặt hình học. Giá thành rẻ Cho ra cách nhìn tổng thể: nghiên cứu các đối tợng không gian với nhau. Nghiên cứu vùng xa mà không thể tiếp cận trực tiếp đợc. Tiếp kiệm thời gian. ứng dụng cho nhiều ngành khác nhau 4.2.2. Những hạn chế của ảnhhng không Dải phổ của máy ảnh còn hẹp, chỉ có trong khoảng bớc sóng 0,3 - 0,9 micron (phổ nhìn thấy, cực tím và hồng ngoại gần). Chịu nhiều ảnh hởng của điều kiện khí quyển, Quá trình tìm lại phim tốn nhiều thời gian và phức tạp. Dễ bị h hỏng theo thời gian. Mất thông tin trong quá trình rửa ảnh 4.2.3. Nguyên lý chụp ảnh hng không Nguyên lý hoạt động cơ bản của máy ảnh đợc tuân thủ theo hoạt động của một thấu kính lồi. Hình ảnh của một vật đợc ánh sáng ghi nhận và truyền qua thấu kính lồi ghi lại trên một mặt phẳng nằm sau thấu kính. Trên mặt phẳng này đợc bố trí cho phim chạy qua. Sơ đồ của một máy ảnh đơn giản nhất đợc minh họa trên hình 4.2. 56 phim Thấu kính V ật Hệ máy F A B' 2F B 2F H A' v u Mặt đất 1/u+1/v =1/f h>>F a b Máy ảnh sử dụng cho viễn thám là thiết bị chính xác. Hợp phần chính của nó bao gồm một thấu kính lồi và phim ghi nhận hình ảnh đặt đằng sau thấu kính. Máy ảnh đợc chia ra làm 4 loại chính: 1. Máy ảnh phổ thông khung đơn; 2. Máy chụp ảnh toàn cảnh; 3. Máy chụp ảnh theo đờng và 4. Máy chụp đa kênh (đã nêu ở chơng 3). Hình 4.2: Mô phỏng ảnh của một vật qua thấu kính lồi của một máy ảnh (a) và ghi nhận hình ảnh vật trên phim (b) 4.2.4. đặc điểm của ảnh hng không 4.2.4.1Độ phủ mặt đất của ảnh (Overlap) Hình 4.3: Cặp ảnh lập thể có vùng phủ chồng 57 Là diện tích mặt đất mỗi lần chụp đợc. Khái niệm này liên quan đến đặc điểm của ống kính và khoảng cách hay độ cao chụp. Nếu cùng một độ cao chụp thì độ che phủ mặt đất khác nhau liên quan đến độ mở ống kính. Ví dụ: Với ống kính độ mở 230mm thì diện tích phủ sẽ bằng 17,5 lần diện tích phủ của ống kính 5,5 x 5,5mm hay bằng 61 lần so với diện tích phủ của ống kính 24 x 36mm. Nếu ống kính có tiên cự ngắn thì diện tích che phủ mặt đất sẽ lớn hơn so với của ống kính tiêu cự dài. (a) Điều kiện khi chụp Phủ cuối Diện phủ ảnh đơn Vùng có hiệu ứng nổi Stereo Đờng nối các điểmtrực tâm mặt đất ( đờng Nadir ) Biên biến thiên do đờng bay trôi dạt (b) kết quả ảnh chụp Hình 4.4: Sơ đồ chụp ảnh đứng theo một đờng bay độ phủ của các bức ảnh hàng không Phủ về t Đ-ờng bay Phủ bên Hình3.10 . Sơ đồ tuyến chụp ảnh hàng không trên một khu vực Hình 4.5: Sơ đồ tuyến chụp ảnh hàng không trên một khu vực đờng bay Phủ bên Phủ về phía trớc Hớng bay 58 4.2.4.2.Tỷ lệ của ảnh hàng không Tỷ lệ của ảnh hàng không (S) đợc tính bằng bằng tỷ số của khoảng cách đo trên ảnh (L) chia cho khoảng cách thực trên mặt đất (D) (hình 4.5): S= l/D. Khoảng cách này có thể xác định theo bản đồ. Nếu một bản đồ cùng một khu vực với ảnh thì tỷ lệ của ảnh có thể tính bằng cách đo khoảng cách giữa hai điểm trên bản đồ và trên ảnh, tỷ lệ ảnh sẽ đợc tính theo công thức: S = khoảng cách trên ảnh/ khoảng cách trên bản đồ/ tỷ lệ bản đồ. Nếu khoảng cách của hai điểm trên bản đồ bằng khoảng cách hai điểm trên ảnh thì tỷ lệ của bản đồ và của ảnh bằng nhau - Tỷ lệ ảnh sẽ dao động từ điểm này đến điểm khác tùy thuộc vào độ cao của vật trên mặt đất. Độ cao càng lớn thì tỉ lệ ảnh càng lớn. - Thông thờng tỷ lệ của ảnh có thể xác định bằng tỉ lệ của độ dài tiêu cự máy ảnh so với độ cao của máy bay so với mặt đất = f/H trong đó: F là tiêu cự; H độ cao của máy bay so với mặt đất - Nếu ta dùng mặt nớc biển làm mốc độ cao để tính độ cao của đờng bay thì tỷ lệ của một ảnh hàng không đợc xác định: Tỉ lệ = f/ (H-h) trong đó: H là độ cao của máy bay so với mặt nớc biển; h độ cao của địa hình so với mặt nớc biển (hình 4.6). Phim âm Tâm chiếu Bản in dơng Độ cao so với mặt đất Độ cao của máy bay Trục quang Độ cao địa hình Hình 4.6: Sơ đồ tính tỷ lệ ảnh trên địa hình phẳng 59 - Tỷ lệ ảnh có thể đợc thể hiện bằng cách : 1. Đa ra đơn vị tơng đơng theo thớc tỉ lệ, ví dụ 1 cm trên ảnh bằng 1 km trên thực tế 2. Theo tỷ số ví dụ 1/24.000, 1/10000 3. Phân loại tỉ lệ ảnh theo mức độ chi tiết ảnh hàng không có thể phân chia theo mức độ chi tiết nh sau: - Tỷ lệ lớn (thờng từ 1:10000 -1:25 000) - Tỷ lệ trung bình (1:50000 - 1:200000) - Tỷ lệ trung bình (1:50000 - 1:200000) - Tỷ lệ nhỏ (1: 500000 - 1: 1000000 hoặc nhỏ hơn) - Tỷ lệ của ảnh trên địa hình gồ ghề sẽ thay đổi và thay đổi này phụ thuộc vào độ biến thiêu của địa hình. Trong trờng hợp địa hình biến thiên ít có thể sử dụng công thức chung. Trong trờng hợp cần chính xác hóa thì tỷ lệ của ảnh cần xác định theo công thức: - Tỷ lệ của ảnh = tiêu cự máy ảnh/độ cao địa hình fhHhH f H f S /)( 1 ' = == Độ cao trên địa hình là H = độ cao bay chụp (H) - độ cao địa hình (h) là độ cao trung bình của địa hình so với mặt nớc biển Nh vậy, cùng một độ cao bay chụp song độ cao địa hình khác nhau sẽ có tỉ lệ ảnh khác nhau. Ví dụ: f = 0,152 m; h = 5000 m; R = 1200m 25000 1 152.0/)12005000( 1 12005000 152.0 = = =S 4.2.4.3.Độ phân giải của ảnh hàng không Là khái niệm dùng để xác định khả năng phân biệt đối tợng mặt đất. Độ phân giải không gian phụ thuộc vào nhiều yếu tố: độ phân giải của phim ảnh, năng lực của ống kính, đặc điểm hình ảnh lúc chụp, điều kiện khí quyển, điều kiện in tráng phim ảnh. Độ phân giải của phim, ngời ta sử dụng khái niệm khả năng phân biệt số cặp đờng trên 1mm. Thông thờng phim có độ phân giải là 100 cặp đờng/mm. Đối với chụp ảnh máy bay, ngời ta cũng dùng khái niệm độ phân giải mặt đất là khả năng phân biệt số cặp đờng trên khoảng cách 1m ở dới mặt đất. Tuy nhiên để so sánh, ngời ta hay dùng khái niệm độ phân giải không gian: là khoảng cách tối 60 thiểu để phân biệt hai đối tợng để gần nhau, hoặc là độ lớn tối thiểu của một đối tợng trên mặt đất mà có thể phân biệt đợc trên ảnh (tính bằng mét) (hình 4.7). Hình 4.7: Hình chuẩn để kiểm tra độ phân giải. Độ phân giải không gian của ảnh phụ thuộc vào nhiều yếu tố và tỷ lệ thuận với: 1) 2) 3) 4) 5) 6) 1) Độ tơng phản giữa đối tợng và mầu Tỷ số giữa chiều dài trên chiều rộng Tính cân đối về hình dạng của vật Số lợng của vật trên mẫu phân giải Sự đồng nhất của nền ảnh Sự mở rộng của nền ảnh Độ phân giải không gian tỷ lệ nghịch với: Độ hạt của phim 2) Lợng ánh sáng chạy qua phim trong thời gian rửa ảnh (ngợc điều kiện quyển khí ) Công thức để tính độ phân giải mặt đất (Ground Resolution Distance): Tỉ lệ của ảnh (phần mẫu số) GRD = Độ phân giải của phim ảnh (của hệ thống chụp) Ví dụ: Tỉ lệ ảnh = 1: 50000. Độ phân giải hệ thống = 40 cặp đờng/mm hay 40.000 đờng/m 25.1 000.40 000.50 ==GRD m 61 Nh vậy việc phóng to hình ảnh cũng không có tác dụng làm rõ hơn các đối tợng trên ảnh. 4.2.4.4.Độ lệch của địa hình (Relief Displacement) Hiện tợng lệch của địa hình là đặc điểm xuất hiện trong chụp ảnh thẳng đứng. Do sự chụp phối cảnh (chụp xuyên tâm) hình ảnh của đối tợng sẽ bị lệch đi so với thực tế. Độ lệch đó do những yếu tố: độ cao tuyệt đối của đối tợng và vị trí đối tợng so với điểm cơ bản hay tâm ảnh. Quy luật chung của hiện tợng là độ lệch sẽ tăng dần từ trung tâm đối tợng ra phía xa hơn (tỏa tia) theo quy luật tỉ lệ thuận. Độ lệch của đối tợng tỉ lệ nghịch với độ cao tuyệt đối của máy ảnh so với đối tợng. 4.2.4.5.Hiệu ứng lập thể của ảnh hàng không Con ngời có khả năng quan sát lập thể các đối tợng trớc mặt, tức là xem chúng không chỉ về chiều dài, chiều rộng mà cả chiều dày nữa. Có đợc khả năng đó là do con ngời có hai mắt đợc bố trí trên mặt để có thể cùng nhìn một lúc vào một vật thể duy nhất. Không phải động vật nào cũng có khả năng đó. Mặt phẳng của ảnh in độ cao máy ảnh H Tâm ảnh ( điểm chính ) địa hình (h ) trên ảnh máy bay Hình 4.10.Sự lệch của địa hình ở những ngời bình thờng, hai mắt chỉ có thể nhìn đồng thời vào một vật duy nhất và đó là cách nhìn lập thể. Hai mắt cho ta hai ảnh chụp cùng một vật, nhng 62 ghi nhận từ hai góc nhìn hơi khác nhau tạo ra hai ảnh gần giống nhau. Khi ngời ta nhìn, hai ảnh đợc chập làm một, tạo ra một ấn tợng về độ dày của vật thể. Tuy nhiên, để nhìn lập thể phải có sự luyện tập khả năng điều tiết của mắt . Hình 14 giới thiệu phơng pháp luyện tập cho ngời mới sử dụng kính lập thể . Hình 4.11: Hình để kiểm tra khả năng nhìn lập thể (A) với các hình có vị trí sắp xếp khác nhau theo chiều thẳng đứng (trên dới). A B C Hình 4.12: Chụp ảnh theo nguyên tắc khung (B) và phân tích hiệu ứng lập thể (C). Trong viễn thám, phần chồng phủ cùng xuất hiện trên hai tấm ảnh kề nhau đợc chụp trên cùng một tuyến bay tạo ra một cặp ảnh lập thể. Quan sát lập thể bất cứ đối tợng nào trên không ảnh cũng cần phải có cặp ảnh lập thể của đối tợng đó. Để quan sát lập thể các không ảnh, ngời ta không chỉ cần có cặp ảnh lập thể (đối tợng quan sát) mà còn phải có kính lập thể (phơng tiện quan sát). Kính lập thể là một dụng cụ đơn giản gồm hai kíp lúp (thờng chỉ phóng đại cỡ 2,5-3 lần để có tiêu cự đủ xa) gắn trên một khung thép phẳng có thể dịch chuyển chút ít ra xa hoặc gần lại nhau sao cho khoảng cách giữa hai tâm điểm của hai thấu kính bằng khoảng cách giữa hai đồng tử của mắt ngời quan sát. Khung thép này dựa lên một bộ càng chắc chắn có thể gập đợc ít nhiều để điều chỉnh khoảng cách của hai mặt 63 kính so với mặt phẳng ảnh, có nh vậy nhà quan sát mới nhìn đợc ảnh rõ nét (hình 4.12). Hình 4.13: Một số kiểu kính soi khác nhau:a) steoreocope thấu kính; b) Steoreoscope gơng c) Steoreos cope gơng bỏ túi; d) interpreterscope (Theo Wild Heerbrugg). Hình 4.14: Hiệu ứng nhìn lập thể đôí với một đối tợng có chiều cao 64 [...]... Các máy ảnh này có thể thu nhận các ảnh chụp ở nhiều band phổ hẹp khác nhau của năng lợng điện từ Kết quả của phơng pháp chụp đa phổ là tạo ra nhiều kênh ảnh khác nhau cho cùng một khu vực chụp ảnh, từ đó có thể tách chiết ra nhiều thông tin mới so với ảnh chụp toàn sắc thông hờng -ảnh hàng không màu và màu hồng ngoại : Hiện nay, sự phát triển của phim ảnh màu cho phép thực hiện chụp ảnh hàng không bằng... không ảnh lập thể gần với hình ảnh thực hơn so với ngời bình thờng Do tác dụng của hiện tợng phóng đại thẳng đứng mà các chi tiết của địa hình trở nên rất rõ rệt khi quan sát chúng dới kính lập thể, tuy nhiên cùng với sự dịch chuyển ảnh theo chiều ngang, chúng tạo ra những biến dạng đáng kể của hình ảnh đối tợng, trừ những đối tợng dạng tuyến 4. 2 .4. 7 Các điểm lu ý chính về ảnh hàng không Chụp ảnh hàng. .. hơn so với những hạn chế và cần khai thác các ảnh hàng không nh một nguồn tài liệu rất có giá trị cho bất kỳ một sự nghiên cứu viễn thám nào Các ảnh quét đa phổ từ máy baylà một nguồn thông tin tổng hợp rất có giá trị song thờng đòi hỏi những chi phí cao hơn so với chụp ảnh toàn sắc - ảnh hàng không đa phổ Các hình ảnh đợc ghi lại bằng việc dùng các máy ảnh phức hợp với nhiều ống kính, với tổ hợp khác... (air base): khoảng cách cơ sở, là khoảng cách mặt đất giữa trung tâm hai ảnh có hiệu ứng lập thể H: độ cao của máy ảnh phía trên vùng chụp ảnh AVD: khoảng cách xuất hiện hiệu ứng lập thể (là khoảng cách từ thấu kính đến bề mặt ảnh) Thông thờng giá trị này của mắt bình thờng là 45 cm (Wolf, 19 74) EB: khoảng cách cơ sở của mắt (eye base) Đối với mắt ngời lớn, khoảng cách này là 6,4cm Ví dụ: AB = 1.700m... ra là do sự biến đổi đáng kể của tỷ lệ của ảnh theo sự gần hơn của đỉnh cao và xa hơn của vực sâu đối với máy ảnh Các đỉnh cao có tỷ lệ ảnh lớn hơn tỷ lệ chung còn các thung lũng sâu có tỷ lệ ảnh nhỏ hơn tỷ lệ chung 65 4 Tỉ lệ phóng đại theo chiều 3 thẳng đứng 2 1 00 0.1 0.2 0.3 0 .4 0.5 0.6 Tỉ lệ AB/H Hình 4. 16: Độ phóng đại theo chiều thẳng đứng của ảnh hàng không Sự phóng đại theo chiều thẳng đứng... ta đặt mỗi tấm ảnh dới một mắt kính sao cho các điểm chính và điểm chính kép của hai ảnh phải nằm trên một đờng thẳng và diện chồng phủ phải hớng vào nhau Đẩy từ hai tấm ảnh lại gần nhau và liên tục quan sát ảnh qua kính cho đến khi dới kính, hình ảnh của cùng một đối tợng trên hai tấm ảnh hoàn toàn trùng khớp nhau Khi đó ta có hình ảnh lập thể của đối tợng đó Dù rằng dới kính, hai ảnh của cùng một... máy bay Khái niệm: Khi xem xét lập thể các không ảnh tỷ lệ lớn, các đỉnh cao dờng nh cao hơn, các vực sâu dờng nh sâu hơn, trong khi khoảng cách nằm ngang không biến đổi Hiện tợng đó gọi là sự phóng đại thẳng đứng của không ảnh Tỉ lệ phóng đại theo chiều thẳng đứng thuờng là từ 3-5 lần (hình 4. 15, 4. 16) Địa hình thực Địa hình nhìn qua kính lập thể Hình 4. 15: Sự phóng đại theo chiều thẳng đứng khi nhìn... 1.700 45 cm =4 3.000 6,4cm 66 Nh vậy, khi phân tích địa hình, ngời giải đoán phải có sự hiệu chỉnh tính ra độ cao thực cũng nh góc dốc thực của địa hình Độ phóng đại thẳng đứng phụ thuộc vào nhiều yếu tố 1 Tỷ lệ thuận với B (air base khoảng cách giữa hai lần chụp kề nhau của cùng một tuyến bay) Do yêu cầu nghiên cứu không cần quá chi tiết hoặc do sự hạn hẹp của kinh phí, ngời ta có thể giảm số lợng không. .. 4. 2 .4. 7 Các điểm lu ý chính về ảnh hàng không Chụp ảnh hàng không là một dạng chụp ảnh rất linh hoạt và có hiệu qủa do những lý do sau: - Các phim có độ phân giải tốt, chứa đựng lợng thông tin cao - Giá ảnh tơng đối thấp - Các phim khác nhau có một dải nhạy cảm từ sóng cực tím đi qua dải nhìn thấy và đến vùng hồng ngoại phản xạ - Các ảnh chụp với góc mặt trời thấp làm nổi rõ các đối tợng mờ nhạt khó... tấm ảnh là trùng nhau, nhng trên thực tế chúng vẫn cách nhau một khoảng cách nhất định Hiện tợng đó là do mắt ngời điều tiết để tạo nên khả năng quan sát lập thể Một số nhà nghiên cứu cho rằng độ lớn của khoảng cách giữa hai mắt phản ánh mức độ tiến hoá của con ngời vì làm tăng khả năng quan sát lập thể 4. 2 .4. 6.Sự phóng đại theo chiều thẳng đứng của ảnh máy bay Khái niệm: Khi xem xét lập thể các không . pháp thu dữ liệu không ảnh. Viễn thám hàng không là nghiên cứu đối tợng không gian và các quá trình xẩy ra trên mặt đất qua không ảnh- các dữ liệu ảnh chụp trong ngành hàng không. Nh vậy, lịch. mới so với ảnh chụp toàn sắc thông hờng. -ảnh hàng không màu và màu hồng ngoại : Hiện nay, sự phát triển của phim ảnh màu cho phép thực hiện chụp ảnh hàng không bằng các loại phim ảnh này,. Hình 4.5: Sơ đồ tuyến chụp ảnh hàng không trên một khu vực đờng bay Phủ bên Phủ về phía trớc Hớng bay 58 4.2.4.2.Tỷ lệ của ảnh hàng không Tỷ lệ của ảnh hàng không (S) đợc tính bằng