NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP KỸ THUẬT NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA BÌNH ĐỒ ẢNH TỶ LỆ LỚN TỪ ẢNH VỆ TINH ĐỘ PHÂN GIẢI CAO

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT ĐỖ THỊ HOÀI NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP KỸ THUẬT NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA BÌNH ĐỒ ẢNH TỶ LỆ LỚN TỪ ẢNH VỆ TINH ĐỘ PHÂN GIẢI CAO NGÀNH: KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ MÃ SỐ: 62.52.05.03 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội, Năm 2016 Công trình hoàn thành tại: Bộ môn Đo ảnh Viễn Thám - Khoa Trắc địa Bản đồ Quản lý đất đai, Trường Đại học Mỏ - Địa Chất, P Đức Thắng, Q Bắc Từ Liêm, Hà Nội NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TS Trần Đình Trí TS Nguyễn Xuân Lâm Phản biện 1: TS Trần Vân Anh Phản biện 2: PGS TS Phạm Quang Vinh Phản biện 3: TS Nguyễn Dư Khang Luận án bảo vệ trước hội đánh giá luận án cấp Trường họp Trường Đại học Mỏ - Địa Chất, P Đức Thắng, Q Bắc Từ Liêm, Hà Nội Vào hồi…….giờ, ngày…… tháng…… năm 2016 Có thể tìm hiểu luận án thư viện Quốc gia - Hà Nội Thư viện Trường Đại học Mỏ - Địa chất MỞ ĐẦU 1.Tính cấp thiết luận án Trong năm qua, ảnh vệ tinh độ phân giải cao Geoeyes, IKONOS, QuickBird, OrbView-3, WordView-1…đã sử dụng nhiều công tác thành lập chỉnh đồ tỷ lệ lớn Bình đồ ảnh thành lập từ tư liệu ảnh viễn thám nói sử dụng để đo vẽ phần địa vật nội dung đồ Tuy ảnh vệ tinh độ phân giải cao có ứng dụng thực tế Việt Nam quy mô ứng dụng hạn chế, chưa áp dụng sản xuất rộng rãi, chưa mang tính sản xuất đại trà Việc lựa chọn tư liệu ảnh viễn thám, thành lập đánh giá độ xác bình đồ ảnh thành lập từ ảnh vệ tinh độ phân giải chủ yếu thực theo kinh nghiệm trình khai thác thông tin từ bình đồ ảnh chưa thể rõ ưu kinh tế - kỹ thuật Với nhu cầu cấp thiết lòng mong muốn đóng góp phần nhỏ trí thức thân cho phát triển công nghệ viễn thám, nghiên cứu sinh chọn đề tài “Nghiên cứu giải pháp nâng cao độ xác bình đồ ảnh tỷ lệ lớn từ ảnh vệ tinh độ phân giải cao” Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu nguyên lý thu nhận đặc điểm ảnh vệ tinh độ phân giải cao; quy trình nguồn sai số ảnh hưởng đến độ xác trình thành lập bình đồ ảnh vệ tinh độ phân giải cao để từ đưa giải pháp kỹ thuật nhằm nâng cao độ xác bình đồ ảnh tỷ lệ lớn từ ảnh vệ tinh độ phân giải cao; - Nâng cao trình độ tiếp cận phục vụ sản xuất theo hướng xác nhanh chóng mà đại đáp ứng nhu cầu thực tiễn; - Bổ sung kiến thức cho thân nhằm phục vụ tốt cho công tác nghiên cứu khoa học ứng dụng vào thực tiễn sản xuất đơn vị Đối tượng nghiên cứu - Ảnh vệ tinh quang học độ phân giải cao; - Các mô hình toán học sử dụng để nắn ảnh sở sử dụng số liệu gốc khác nhau; - Các nguồn sai số ảnh hưởng đến độ xác bình đồ ảnh tỷ lệ lớn thành lập từ ảnh vệ tinh độ phân giải cao Nội dung nghiên cứu - Tổng quan tài liệu, công trình nghiên cứu có giới Việt Nam liên quan đến phương pháp nắn chỉnh hình học ảnh vệ tinh; - Nghiên cứu đặc điểm kỹ thuật ảnh vệ tinh độ phân giải cao; - Nghiên cứu quy trình thành lập bình đồ ảnh từ ảnh vệ tinh độ phân giải cao; - Nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến sai số nắn chỉnh hình học ảnh vệ tinh bao gồm nguồn sai số, mô hình toán học nắn chỉnh ảnh vệ tinh; - Độ xác nắn chỉnh hình học ảnh vệ tinh sai số ảnh hưởng đến độ xác đáp ứng cho việc thành lập bình đồ ảnh phục vụ thành lập chỉnh đồ địa hình với tỷ lệ phù hợp; - Triển khai thử nghiệm xây dựng phần mềm đánh giá chất lượng bình đồ ảnh Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tìm kiếm thu thập tài liệu cập nhật thông tin mạng Internet có liên quan đến ảnh vệ tinh độ phân giải cao nhà khoa học giới Việt Nam Từ rút ưu nhược điểm để khắc phục, giải tồn mà đề tài nghiên cứu đến - Phương pháp phân tích: Sử dụng phương pháp tổng hợp tài liệu, so sánh chọn lọc mô hình kỹ thuật hợp lý cho toán nắn ảnh vệ tinh, đánh giá khách quan yếu tố để đưa kết luận xác làm sở để giải vấn đề đặt - Phương pháp chuyên gia: Trao đổi, học hỏi kinh nghiệm đội ngũ chuyên gia lĩnh vực ảnh viễn thám để tìm giải pháp tối ưu nghiên cứu - Phương pháp thực nghiệm: Tiến hành thực nghiệm làm rõ vấn đề đặt nghiên cứu Ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiễn - Ý nghĩa khoa học: + Góp phần bổ sung, hoàn thiện số vấn đề phương pháp luận việc thành lập đồ địa hình chỉnh đồ ảnh vệ tinh độ phân giải cao; + Đưa sở khoa học đề xuất giải pháp kỹ thuật nhằm nâng cao độ xác bình đồ ảnh thành lập từ ảnh vệ tinh độ phân giải cao, phục vụ cho công tác đo vẽ chỉnh đồ tỷ lệ lớn - Ý nghĩa thực tiễn: Đưa giải pháp nâng cao độ xác bình đồ ảnh thành lập từ ảnh vệ tinh độ phân giải cao, phục vụ cho công tác đo vẽ chỉnh đồ tỷ lệ lớn Các luận điểm bảo vệ Luận điểm 1: Ảnh vệ tinh độ phân giải cao hoàn toàn có khả sử dụng để thành lập chỉnh đồ tỷ lệ lớn Luận điểm 2: Để nâng cao hiệu kinh tế, kỹ thuật sử dụng ảnh vệ tinh độ phân giải cao thành lập chỉnh đồ, công tác nắn ảnh phục vụ cho thành lập bình đồ ảnh phải thực theo thuật toán nắn ảnh phù hợp với tư liệu ảnh, số liệu gốc dạng địa hình Luận điểm 3: Cơ sở liệu thông tin địa lý hoàn toàn sử dụng loại số liệu gốc để nắn ảnh vệ tinh Những điểm luận án - Nghiên cứu xác lập sở khoa học đề xuất giải pháp nâng cao độ xác nắn ảnh vệ tinh độ phân giải cao - Đề xuất giải pháp sử dụng số liệu gốc trình nắn chỉnh hình học nhằm tăng hiệu kinh tế độ xác bình đồ ảnh từ ảnh vệ tinh độ phân giải cao phục vụ công tác thành lập chỉnh đồ tỷ lệ lớn từ ảnh vệ tinh độ phân giải cao - Hoàn thiện sở lý thuyết xây dựng phần mềm đánh giá chất lượng bình đồ ảnh Cơ sở tài liệu viết luận án - Các tài liệu nước lĩnh vực trắc địa, trắc địa ảnh viễn thám hệ thống thông tin địa lý - Một số kết thực nghiệm Viện Khoa học Đo đạc Bản đồ, Cục Viễn thám Quốc gia số quan lĩnh vực viễn thám - Các công trình nghiên cứu tác giả 10 Khối lượng kết cấu luận án Ngoài phần mở đầu kết luận, luận án có chương: Chương 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu Chương 2: Ảnh vệ tinh độ phân giải cao Chương 3: Bình đồ ảnh vệ tinh độ phân giải cao quy trình thành lập Chương 4: Các giải pháp kỹ thuật nâng cao độ xác bình đồ ảnh tỷ lệ lớn từ ảnh vệ tinh độ phân giải cao 11 Lời cảm ơn Luận án hoàn thành Bộ môn Đo ảnh Viễn Thám - Khoa Trắc địa - Bản đồ Quản lý đất đai, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Bộ Giáo dục Đào tạo, hướng dẫn khoa học PGS.TS Trần Đình Trí TS Nguyễn Xuân Lâm Trong trình thu thập hoàn thành tài liệu, tác giả nhận đượ quan tâm tạo điều kiện Ban giám hiệu, Khoa Trắc địa Bản đồ Quản lý đất đai, Phòng Đào tạo sau đại học, Trường đại học Mỏ - Địa chất, Viện Khoa học Đo đạc Bản đồ, Cục Viễn thám Quốc gia, Cục Đo đạc Bản đổ Việt Nam, Tổng công ty Tài nguyên Môi trường Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc đến tất nhà khoa học, thầy cô giáo, quan, bạn đồng nghiệp người thân tận tình giúp đỡ tác giả hoàn thành luận án NỘI DUNG CỦA LUẬN ÁN Chương TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1.1 Trên giới Hiện nay, kỹ thuật viễn thám có bước phát triển mạnh mẽ Các vệ tinh nhỏ có độ phân giải cao (nhỏ 1m) nghiên cứu phát triển thành công vệ tinh WorldView, QuickBird, IKONO, KOMSAT Cùng với phát triển kỹ thuật thu nhận ảnh phát triển nghiên cứu phương pháp xử lý liệu ảnh vệ tinh độ phân giải cao phục vụ cho công tác thành lập chỉnh đồ địa hình tỷ lệ lớn, thành lập đồ chuyên đề lớp phủ ứng dụng từ ảnh vệ tinh độ phân giải cao Quy trình để thành lập đồ chỉnh đồ địa hình từ tư liệu ảnh độ phân giải cao cần thực qua bước sau: Tiền xử lý ảnh bao gồm hiệu chỉnh giá trị phổ phản xạ sai số hình học hệ thống vệ tinh; Nắn chỉnh ảnh hệ tọa độ quốc gia; Tăng cường chất lượng ảnh; Đo vẽ biên tập đồ Các nhà khoa học giới đưa kỹ thuật xử lý nhằm nâng cao độ xác hình học ảnh vệ tinh dựa tư liệu ảnh vệ tinh khác Các nghiên cứu kỹ thuật xử lý nâng cao độ xác anh vệ tinh độ phân giải cao nhà khoa học giới quan tâm thử nghiệm với đời hệ vệ tinh Kết nghiên cứu thể qua lĩnh vực sau: Thứ nhất: Về hiệu chỉnh ảnh hưởng sai số thân chuyển động cấu tạo cảm đến độ xác hình học ảnh Quá trình chuyển động vệ tinh bao gồm việc xác định xác thông số quỹ đạo, vị trí góc chụp, góc ngưỡng, cấu tạo đặc tính thu nhận cảm vệ tinh ảnh hưởng trực tiếp đến độ xác hình học pixel ảnh Thứ hai: Về hiệu chỉnh ảnh hưởng điều kiện thu nhận ảnh vệ tinh bao gồm điều kiện chiếu sáng mặt trời, ảnh hưởng khí quyển, ảnh hưởng chênh cao địa hình độ cong đất Thứ ba: Về khả nâng cao độ xác vị trí điểm địa vật phương pháp chủ yếu hiệu chỉnh hình học, sử dụng mô hình hiệu chỉnh nâng cao độ xác số lượng điểm khống chế nắn ảnh Các vấn đề nghiên cứu nâng cao độ xác nắn ảnh vệ tinh trình bày tài liệu Tuy nhiên, tham khảo báo cáo khoa học gần thông tin sở, khó tiếp thu triển khai 1.2 Ở Việt Nam Có thể nói, ứng dụng ảnh vệ tinh để thành lập đồ địa hình nước ta không xa lạ chưa mang tính chất hệ thống Các công trình công bố khẳng định: Ảnh vệ tinh độ phân giải cao đạt yêu cầu độ xác mặt phẳng việc thành lập đồ địa hình tỷ lệ 1:1.0000 đạt yêu cầu độ xác độ cao việc thành lập đồ địa hình tỷ lệ 1:25.000, 1:50.000 1.3 Kết luận Qua nghiên cứu giới Việt Nam cho thấy tư liệu viễn thám - đa độ phân giải, đa phổ đa thời gian (đặc biệt sản phẩm dạng bình đồ ảnh), tư liệu sở quan trọng sử dụng việc giám sát tài nguyên, thiên nhiên môi trường, thành lập chỉnh đồ Các nghiên cứu công bố tạp chí khoa học nước thực tư liệu vệ tinh khác nhau, phương pháp hiệu chỉnh hình học khác nhau, số lượng điểm khống chế khác nhau, khu vực nghiên cứu khác nên phương pháp xử lý chung cho tất tư liệu vệ tinh độ phân giải cao Ngoài ra, vệ tinh thu nhận ảnh độ phân giải cao có phương pháp thu nhận, kỹ thuật xử lý khác nên độ nét hình ảnh địa vật ảnh ảnh hưởng đến độ xác chọn điểm thực phương pháp hiệu chỉnh hình học Vì vậy, đòi hỏi cần có nghiên cứu thử nghiệm phương pháp hiệu chỉnh hình học tư liệu ảnh vệ tinh độ phân giải cao khu vực địa hình đặc trưng Việt Nam Các kết nghiên cứu nước tập trung nghiên cứu xử lý phổ, chiết tách thông tin từ ảnh sử dụng phương pháp nắn ảnh theo ảnh, nắn ảnh theo đồ Tuy nhiên, nguyên lý thu nhận ảnh vệ tinh độ phân giải cao, đặc biệt vệ tinh có độ phân giải 1m chưa đề cập cụ thể công trình khoa học nước Các nghiên cứu nước tập trung sử dụng tư liệu ảnh vệ tinh SPOT với độ phân giải 2.5m thành lập chỉnh đồ, chưa có nhiều nghiên cứu thử nghiệm tư liệu ảnh vệ tinh độ phân giải cao 1m Vì vậy, để ứng dụng rộng rãi ảnh vệ tinh độ phân giải cao thực tế đòi hỏi cần có nghiên cứu thử nghiệm cụ thể nguyên lý thu nhận ảnh vệ tinh độ phân giải cao giải pháp kỹ thuật nâng cao độ xác bình đồ ảnh thành lập từ ảnh vệ tinh độ phân giải cao Do vậy, luận án tập trung giải vấn đề sau: Nghiên cứu đặc tính kỹ thuật vệ tinh độ phân giải cao, đặc biệt vệ tinh có độ phân giải nhỏ 1m (kênh toàn sắc) Nghiên cứu giải pháp để nâng cao độ xác bình đồ ảnh từ ảnh vệ tinh độ phân giải cao phục vụ công tác thành lập chỉnh đồ địa hình tỷ lệ lớn Chương ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA ẢNH VỆ TINH ĐỘ PHÂN GIẢI CAO 2.1 Các đặc tính kỹ thuật vệ tinh độ phân giải cao 2.1.1 Các đặc tính kỹ thuật ảnh vệ tinh độ phân giải cao Hiện nay, hệ thống vệ tinh độ phân giải cao phát triển mạnh mẽ với đặc tính kỹ thuật ngày cải tiến như: - Các hệ thống vệ tinh nâng độ phân giải lên nhiều Các vệ tinh có độ phân giải 1m (kênh toàn sắc) thường vệ tinh bay độ cao lớn 650km; - Độ rộng dải quét nhỏ từ km ~ 17.6 km; - Đặc tính quét tín hiệu cảm vệ tinh độ phân giải cao chủ yếu máy quét dạng chổi đẩy; - Hệ thống vệ tinh độ phân giải cao cao sử dụng kỹ thuật thu nhận tích hợp làm trễ thời gian TDI (Time Delay and Integration) cảm biến; - Các vệ tinh có chế độ chụp lập thể; - Chu kỳ lặp vệ tinh rút ngắn xuống từ 01 ngày ÷ ngày 2.1.2 Đặc điểm quỹ đạo vệ tinh Điều kiện ánh sáng yếu tố quan trọng cho việc thu ảnh đạt chất lượng cao phải ổn định, nghĩa góc tới ánh sáng mặt trời mặt phẳng quỹ đạo không thay đổi theo thời gian (trong ngày mùa), quỹ đạo vệ tinh độ phân giải cao thường có quỹ đạo đồng mặt trời (sun-synchronous) quỹ đạo vệ tinh chuyển động theo hướng Bắc - Nam kết hợp với chuyển động quay trái đất (Tây - Đông) cho vệ tinh luôn nhìn bề mặt trái đất thời điểm có độ chiếu sáng tốt mặt trời 2.1.3 Đặc điểm cảm biến - Cách bố trí thông thường phần tử CCD cảm biến - Bố trí hàng CCD so le - Bộ cảm biến tích hợp làm trễ thời gian Với cách bố trí TDI vệ tinh độ phân giải cao tạo bước tiến kỹ thuật xử lý tín hiệu so với vệ tinh quang học thông thường Điều nâng cao cao độ phân giải không gian pixel ảnh, đồng thời giảm sai số hình học ảnh vệ tinh độ phân giải cao 2.2 Một số đặc tính hình học ảnh vệ tinh độ phân giải cao 2.2.1 Sai số méo hình ảnh vệ tinh Nguyên nhân gây sai số méo hình ảnh vệ tinh bao gồm: - Do thân đầu thu chụp ảnh; - Do chuyển động vệ tinh sai lệch quỹ đạo, thay đổi tốc độ quỹ đạo; - Do việc ghi liên tục vị trí quỹ đạo góc nghiêng xiên vệ tinh; - Do chuyển động xoay Trái đất trình thu chụp ảnh, độ cong Trái đất địa hình mặt đất; - Do ảnh hưởng chiết quang khí quyển; - Do phép chiếu đồ cần thành lập ảnh hiệu chỉnh Từ phân tích cho ta thấy: Các nguồn sai số gây méo hình chia thành nhóm là: Sai số nội cảm biến thu chụp; Sai số tác động bên 2.2.2 Độ phân giải khả chiết tách thông tin từ ảnh vệ tinh a) Độ phân giải không gian yếu tố liên quan Độ phân giải không gian (spatial resolution) ảnh liên quan đến khoảng cách hay kích thước nhỏ đối tượng mặt đất phân biệt Các yếu tố ảnh hưởng đến là: trường nhìn tức thời - IFOV (Instantaneous Field Of View), tiêu cự, hình dáng đối tượng mục tiêu ảnh hưởng khí Độ phân giải không gian bị giới hạn khoảng cách lấy mẫu mặt đất (là khoảng cách mặt đất mà pixel phủ xác định kích thước phần tử CCD tỷ lệ liệu ảnh), phân tách đối tượng phạm vi pixel b) Các yếu tố ảnh hưởng đến độ phân giải chất lượng ảnh: - Các ảnh hưởng điều kiện tự nhiên; - Các yếu tố bay chụp; - Máy quét; - Việc xử lý liệu ảnh; - Các yếu tố kỹ thuật vệ tinh; - Bộ cảm biến vệ tinh 2.3 Thành lập đồ tỷ lệ lớn từ ảnh vệ tinh độ phân giải cao 11 biến dạng hình học ảnh vệ tinh Các sai số hệ thống loại trừ nhờ mô hình toán học Trong nắn ảnh vệ tinh có hai mô hình nắn chỉnh hình học bao gồm: 3.3.1 Phương pháp nắn chỉnh hình học theo mô hình vật lý Mô hình vật lý cho phép loại trừ sai số trình chụp ảnh biết vị trí tâm chiếu hình quỹ đạo Để xác định tâm chiếu hình với độ xác cần thiết phải sử dụng điểm khống chế ảnh mặt đất điểm biết toạ độ xác mặt đất hệ quy chiếu đồng thời có hình ảnh rõ ràng nhận biết ảnh Công việc gọi mô hình hoá cảnh ảnh Về nguyên lý, để mô hình hoá cảnh ảnh cần biết số lượng điểm khống chế ảnh mặt đất đủ để giải hệ phương trình xác định thông số cần thiết Đồ hình bố trí điểm khống chế cảnh ảnh không ảnh hưởng nhiều đến độ xác mô hình hoá hay nói cách khác không ảnh hưởng đến độ xác nắn ảnh 3.3.2 Phương pháp nắn chỉnh hình học theo đa thức - Mô hình hàm đa thức sử dụng để tính chuyển toạ độ ảnh toạ độ đối tượng Bậc đa thức định phép tính chuyển dựa sai số méo hình ảnh, số lượng điểm khống chế ảnh dạng địa hình - Các dạng mô hình hàm đa thức: Mô hình nắn affine-3D, Mô hình chuyển đổi tuyến tính trực tiếp, Mô hình chuyển đổi phép chiếu, Mô hình tham số, Mô hình hàm hữu tỷ 3.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ xác nắn ảnh vệ tinh Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến độ xác nắn ảnh Đó là: độ phân giải ảnh vệ tinh, mô hình toán học để nắn, độ xác điểm khống chế ảnh, số lượng điểm, đồ hình bố trí khống chế ảnh độ xác DEM 3.5 Trộn ảnh Trộn ảnh công nghệ kết hợp loại ảnh với để tạo lọai ảnh mang nhiều thông tin để tăng cường khả phân tích - nhận biết đối tượng ảnh Việc trộn ảnh thực loại ảnh có chất khác như: - Kết hợp ảnh toàn sắc ảnh đa phổ (ảnh loại) nhằm tạo ảnh vừa có độ phân giải cao phổ (màu) ảnh đa phổ lại vừa có độ phân giải cao không gian ảnh toàn sắc; 12 - Kết hợp ảnh khác loại: Quang học ảnh radar, phương pháp cho phép kết hợp thông tin phản ánh đặc điểm mặt hóa học đối tượng (ảnh quang học) với thông tin phản ảnh tính chất vật lý đối tượng (ảnh radar) - Các phương pháp trộn màu là: Phương pháp biến đổi hệ màu IHS cải tiến (Modified IHS); Phương pháp phân tích thành phần (PCA- Principal Component Analysis); Phương pháp nhân ảnh (Multiplicative); Phương pháp HPF (High Pass Filter); Phương pháp biến đổi Brovey Tiêu chuẩn đánh giá độ xác bình đồ ảnh Tiêu chuẩn đánh giá độ xác bình đồ ảnh gồm: - Độ xác vị trí điểm khống chế ảnh: Độ xác định cách so sánh tọa độ mặt phẳng X,Y điểm khống chế ngoại nghiệp tọa độ mặt phẳng x,y tương ứng chúng bình đồ ảnh Gọi Xg,Yg tọa độ điểm khống chế ngoại nghiệp, Xn, Yn tọa độ mặt phẳng tương ứng chúng đo bình đồ ảnh X  X g  X n (3 1) Y  Yg  Yn Sai số trung phương độ lệch vị trí ảnh nắn là: m1   S (3.2) n Trong đó: n số điểm khống chế tham gia kiểm tra S  X  Y - Độ xác tiếp biên: Độ xác tiếp biên xác định thông (3.3)qua sai số m2  [l ] 2n Trong đó:  l : độ lệch điểm địa vật tương ứng vết cắt tờ ảnh nắn kề nhau; n: số điểm kiểm tra tiếp biên hai mảnh bình đồ ảnh kề 13 Kết luận chương - Bình đồ ảnh sản phẩm gốc để thành lập đồ địa hình, sản phẩm sở quan trọng để xác định đối tượng địa lý đồ Vì vậy, độ xác đồ cần thành lập phụ thuộc nhiều vào bình đồ ảnh; - Để có bình đồ ảnh vệ tinh đạt độ xác cao phục vụ cho công tác thành lập đồ phải quan tâm đến yếu tố sau: Lựa chọn mô hình nắn ảnh khu vực địa hình phức tạp có địa hình đồi núi đồng Số lượng điểm khống chế ngoại nghiệp đồ hình bố trí cảnh ảnh đơn khối ảnh Độ xác mô hình số độ cao sử dụng để nắn ảnh vệ tinh khu vực có độ chênh cao lớn Chương CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA BÌNH ĐỒ TRỰC ẢNH TỶ LỆ LỚN TỪ ẢNH VỆ TINH ĐỘ PHÂN GIẢI CAO Trong nội dung chương 4, tác giả trình bày nghiên cứu thử nghiệm giải pháp nâng cao độ xác bình đồ ảnh tỷ lệ lớn từ ảnh vệ tinh độ phân giải cao trường hợp cụ thể sau: Lựa chọn số lượng điểm đồ hình bố trí điểm khống chế nắn ảnh cảnh ảnh vệ tinh Mô hình nắn chỉnh hình học khối ảnh (áp dụng với khu vực rộng gồm nhiều ảnh vệ tinh ghép lại) Độ xác bình đồ ảnh từ ảnh vệ tinh độ phân giải cao sử dụng mô hình DEM Lựa chọn phương pháp trộn ảnh đảm bảo độ tương quan giá trị phổ ảnh gốc ảnh sau trộn 4.1 Phân tích liệu khu vực thực nghiệm 4.1.1 Dữ liệu thực nghiệm - WorldView - để làm thực nghiệm cho cảnh ảnh đơn thuộc khu vực thành phố Bắc Giang Tại khu vực có kết sở liệu thông tin địa lý tỷ lệ 1: 2000 - Quickbrid cho khối ảnh thuộc Đồng Tháp Tại khu vực có kết sở liệu thông tin địa lý tỷ lệ 1:5000 - Dữ liệu khác (DEM, điểm khống chế, bình đồ ảnh số, đồ địa hình): lấy từ Dự án “Thành lập sở liệu thông tin địa lý 14 tỷ lệ 1:10.000 gắn với mô hình số độ cao phủ trùm nước” Dự án “Thành lập sở liệu thông tin địa lý tỷ lệ 1:2.000, 1:5.000 khu vực đô thị, khu vực công nghiệp, khu kinh tế trọng điểm” 4.1.2 Đặc điểm khu vực thực nghiệm 4.1.2.1 Khu vực ảnh đơn – Bắc Giang Tư liệu thử nghiệm vùng Bắc Giang tư liệu WorldView-2 với cảnh ảnh đơn Dữ liệu WorldView-2 thử nghiệm xử lý hệ tọa độ Geographic Lat/Lon WGS84 nên ảnh tồn ảnh hưởng chênh cao địa hình gây 4.1.2.2 Khu vực thực nghiệm – Đồng Tháp Mười Do địa hình khu vực Đồng Tháp phẳng, có nhiều vùng ngập nước nên việc đo đạc trực tiếp điểm khống chế nắn ảnh gặp khó khăn Đồng thời khu vực thử nghiệm trải dài nhiều ảnh.Vì vậy, khu vực Đồng Tháp, tác giả thử nghiệm nắn khối ảnh lựa chọn điểm khống chế từ tư liệu tăng dày khống chế ảnh tỷ lệ 1:5000 Để đánh giá độ phụ thuộc độ xác bình đồ ảnh tỷ lệ lớn từ ảnh vệ tinh độ phân giải cao độ xác mô hình DEM, tác giả thử nghiệm nắn khối ảnh khu vực Đồng Tháp với liệu DEM có độ xác 0.4m 4.2 Giải pháp số lượng, đồ hình bố trí điểm khống chế ảnh 4.2.1 Sơ đồ phương án bố trí điểm khống chế ảnh 4.2.1.1 Yêu cầu chọn điểm khống chế ảnh Giải pháp lựa chọn điểm khống chế luận án là: + Dùng điểm khống chế khống chế ảnh tọa độ, độ cao trình thành lập CSDL Các điểm khống chế trình thành lập CSDL không tồn sai số thô; có toàn ghi điểm; độ tin cậy cao không đo sai sai số nhận biết; + Dùng bình đồ ảnh CSDL; 4.2.1.2 Số lượng đồ hình bố trí điểm khống chế ảnh Trong nội dung luận án, tác giả thử nghiệm số lượng điểm khống chế ảnh điểm, nhiều 30 điểm để hiệu chỉnh ảnh Sơ đồ phương án bố trí điểm khống chế nắn ảnh thể (hình 4.1) 15 Hình 4.1 Sơ đồ phương án sử dụng điểm khống chế 4.2.2 Kết đánh giá độ xác Như vậy, mục đích trình nắn chỉnh hình học trường hợp thực nghiệm là: Tính chuyển ảnh từ hệ tọa độ trắc địa WGS 84 hệ tọa độ VN-2000 hạn chế xê dịch vị trí điểm ảnh chênh cao địa hình gây Tác giả thử nghiệm với nhiều dạng mô hình nắn chỉnh hình học dạng đa thức bao gồm hàm đa thức 3D, mô hình chuyển đổi tuyến tính trực tiếp DLT, mô hình phép chiếu 3D mô hình hàm hữu tỷ với phương án sử dụng số lượng điểm khống chế khác áp dụng độ cao trung bình khu vực Kết thử nghiệm thể (bảng 4.1) Bảng 4.1 Sai số trung phương vị trí điểm kiểm tra mô hình nắn chỉnh hình học (đơn vị mét) Mô hình nắn chỉnh Bậc điểm điểm điểm điểm 13 điểm 20 điểm 21 điểm 25 điểm 30 điểm 0.85 0.61 0.58 0.58 0.57 0.56 0.43 0.42 0.35 0.91 0.92 0.75 0.72 0.61 3D Bậc 40 điểm 16 Bậc DLT Phép chiếu PT-3D Bậc (P2=P4) Bậc Phép chiếu PT-3D Bậc P2 ≠ P4 Bậc Mô hình hàm hữu tỷ RFM 0.92 0.85 0.65 0.58 2.59 1.01 0.41 0.39 0.42 0.43 0.37 0.28 2.65 0.71 0.61 0.52 0.49 0.51 0.47 0.42 1.41 1.21 1.02 0.51 Bậc 0.62 1.32 0.81 0.71 Bậc 0.65 0.61 0.55 0.41 1.28 0.39 0.32 0.27 0.22 Bậc 1.15 1.11 0.97 0.89 0.86 0.80 Bậc 1.06 0.92 0.88 0.83 0.77 0.68 Bậc 0.85 0.87 0.83 0.76 0.60 0.28 0.27 0.24 0.31 0.25 0.22 0.18 Độ lệch chuẩn 1.16 0.33 Qua kết thể (bảng 4.1), ta có kết luận sau: * Về số lượng điểm khống chế nắn ảnh: - Số lượng điểm khống chế phụ thuộc vào số lượng tham số mô hình nắn chỉnh hình học - Đối với số lượng điểm khống chế từ điểm ÷ điểm nên sử dụng mô hình đa thức 3D bậc cho độ xác ổn định ± 1pixel - Khi sử dụng số lượng điểm khống chế nắn nhiều từ điểm ÷ 20 điểm nên sử dụng mô hình chuyển đổi tuyến tính trực tiếp DLT, cho độ xác ± 0.5pixel Số lượng điểm khống chế tối đa nên sử dụng cảnh ảnh đơn có kích thước 16.4km 30 điểm Vì với số lượng điểm khống chế 30 điểm đạt độ xác ±0.22m thỏa mãn yêu cầu thành lập bình đồ ảnh tỷ lệ 1:5000 Nếu tăng số lượng điểm khống chế lên không làm tăng độ xác nắn ảnh * Về đồ hình bố trí điểm khống chế - Đồ hình bố trí điểm khống chế nên trải toàn ảnh Qua kết (bảng 4.3) ta thấy đồ hình điểm khống chế điểm tâm ảnh (đồ hình điểm) ta thấy sai số biến động từ ±0.61m ~ ±2.65m với giá trị độ lệch chuẩn ±1.161m Đối với đồ hình có điểm khống chế khu vực tâm ảnh cho độ lệch chuẩn SSTP vị trí điểm kiểm tra ±0.175m ~ ±0.33m 0.21 17 * Về lựa chọn mô hình nắn: - Tác giả lựa chọn mô hình hàm số hữu tỷ RFM Nếu sử dụng theo mô hình hàm đa thức hữu tỷ để nắn đạt độ xác cao ta tăng điểm khống chế 4.3 Lựa chọn mô hình nắn với trường hợp khối ảnh Kết thực nghiệm sau: - Ở áp dụng hệ số đa thức hữu tỷ bậc Kết sau: + Sai số lớn tồn điểm khống chế ≈ ±1.12pixel; + RMSExy điểm kiểm tra xấu ± 1.32 pixel, + RMSExy điểm khống chế điểm kiểm tra sau bình sai < ± pixel, lớn ± 0.93pixel, nhỏ ± 0.41 pixel - Sau nắn xong tiến hành kiểm tra chất lượng ảnh: + Kiểm tra độ trùng khớp mặt phẳng băng ảnh toàn sắc băng cảnh đa phổ cảnh ảnh + Kiểm tra tiếp biên phần độ phủ chung cảnh ảnh + Kiểm tra sai số vị trí điểm điểm khống chế điểm kiểm tra ảnh nắn 4.4 Độ xác bình đồ ảnh từ ảnh vệ tinh độ phân giải cao sử dụng mô hình DEM Quá trình xử lý nắn ảnh ảnh đơn Worlview sử dụng liệu DEM sau: - DEM thành lập bay quét Lidar, phục vụ đồ địa hình 1:5000 độ xác 0.5m (lấy từ sở liệu thông tin địa lý) với dãn cách mắt lưới 10m x10m gọi tắt DEM 5; - DEM thành lập đo vẽ ảnh hàng không phục vụ thành lập đồ 1:10000 xác 1m với dãn cách mắt lưới 25m x 25 tắt DEM 10; - Từ DEM2 với dãn cách mắt lưới 2m x 2m liệu DEM gốc xây dựng từ liệu quét Lidar; - Từ DEM với dãn cách mắt lưới 1m x 1m liệu DEM gốc xây dựng từ liệu quét Lidar Tương ứng với số lượng điểm khống chế khác Hình 4.2 sai số trung phương RMSExy có giá trị đạt sau: 18 Hình 4.2 STP vị trí điểm điểm KC sử dụng DEM khác Từ hình 4.2 ta có: - Với DEM10m ứng với số lượng điểm khống chế khác cho ta sai số trung phương khác nhau: RMSExy = ±1.912m, RMSExy = ±1.531m, RMSExy = ±1.322m - Với DEM5m sai số trung phương tương ứng RMSExy = ±1.347m, RMSExy = ±1.201m, RMSExy= ±0.781m - Với DEM2m sai số trung phương tương ứng RMSExy = ±0.901m, RMSExy = ±0.673, RMSExy= ±0.392m - Với DEM1m sai số trung phương tương ứng RMSExy = ±0.811m, RMSExy = ±0.512m, RMSExy= ±0.380m Kết luận: - Độ xác giá trị độ cao ô vuông DEM tùy thuộc độ dốc địa hình, mật độ liệu địa hình đầu vào cho trình xây dựng DEM - Khi xây dựng mô hình DEM có độ phân giải cao (kích thước pixel), không tăng độ xác nắn ảnh, mà ngược lại, ảnh nắn bị méo, vặn, trượt pixel 4.5 Lựa chọn phương pháp trộn ảnh với ảnh độ phân giải cao Thử nghiệm phương pháp trộn sau: Phương pháp thành phần (PCA); Phương pháp nhân ảnh (Multiplicative); Phương pháp chuyển đổi hệ màu IHS cải tiến; Phương pháp HPF (High Pass Filter); Phương pháp biến đổi Brovey Phương pháp để đánh giá chất lượng phổ ảnh sau trộn phân tích thông qua 03 phương pháp: 4.5.1 Phương pháp so sánh chất lượng mắt (hình 4.3) 19 a) Ảnh đa phổ gốc d) Nhân ảnh b) Ảnh gốc toàn sắc e) IHS cải tiến c) PCA f) Brovey Hình 4.3 Kết phương pháp trộn ảnh g) HPF 4.5.2 Phương pháp phân tích vào histogram a)Ảnh gốc đa phổ gốc c) Phương pháp nhân ảnh b) phương pháp PCA d) Phương pháp Brovey 20 e)Phương pháp IHS cải tiến f) Phương pháp HPF Hình 4.4 Phân tích đồ thị Histogram phương pháp trộn ảnh 4.5.3 Phân tích số đánh giá chất lượng phổ: Sử dụng phân tích số đánh giá chất lượng phổ ảnh sau trộn bao gồm số Bias, chênh lệch Entropy, ERGAS - Bias độ lệch giá trị trung bình ảnh gốc ảnh sau trộn Chất lượng tốt có giá trị gần 0: (4.1) DPTB  ATTB ATTB Bias  DPTB  1 DPTB Trong đó: DPTB , ATTB giá trị trung bình tương ứng ảnh đa phổ ảnh trộn tính theo công thức: TB  m n  xij mn i  j j i - STD độ lệch chuẩn tính kênh ảnh xác định theo công thức: 1/2 2  n STD   DPi , j  DPTB      n  i 1  (4.2) - Chênh lệch Entropy: Sự khác biệt entropy ảnh gốc ảnh trộn: n n      pi log pi  H CL  x    pi log  i 1 i 1  pi   Trong đó: p(i) xác suất xảy giá trị i (4.3) - ERGAS (Relative dimensionless global error in synthesis) số đặc trưng cho chất lượng trình trộn ảnh dựa sai số trung bình chuẩn hóa kênh ảnh sau trộn Tăng số ERGAS đồng nghĩa với suy giảm hình ảnh trình trộn ảnh Chỉ số ERGAS tính sau: 21 1/2 dh  n  RMSE   ERGAS  100     dl  n i 1  TB   (4.4) Trong đó: dh / dl tỷ số kích thước pixel ảnh toàn sắc ảnh đa phổ N số lượng kênh ảnh RMSE bình phương sai số tính theo công thức sau: RMSEBI   bias Bi   STD Bi  (4.5) - Chỉ số tương quan ảnh tính theo công thức sau: Corr    A mn m  TBA  Bmn  TBB  n (4.6)  2    Amn  TBA   Bmn  TBB    m n  Bảng 4.2 Chỉ số đánh giá chất lượng phổ ảnh sau trộn Phương pháp Bias HCL(x) ERGAS PCA 1.0127 0.0053 21.1194 Multi 341.408 0.0040 25328.7 Modif HIS 0.6541 0.1476 8.0397 HPF 0.3922 0.1970 9.2486 Brovey 55.3270 0.0056 1153.3 Bảng 4.3 Chỉ số tương quan (Corr) ảnh trước sau trộn Phương Kênh Kênh Kênh Giá trị pháp (Cận hồng ngoại) (Đỏ) (Xanh cây) trung bình PCA -0.0877 -0.0933 -0.0948 -0.0919 Multi 0.1987 0.4397 0.9342 0.5242 Modif HIS 0.9364 0.9382 0.8221 0.899 HPF 0.0267 0.0289 0.0229 0.0262 Brovey 0.0012 0.0002 0.0041 0.0021 Qua kết thể (hình 4.3), (hình 4.4), (bảng 4.2) (bảng 4.3) tác giả đề xuất lựa chọn phương pháp trộn ảnh cho tư liệu thử nghiệm WorldView-2 khu vực Bắc Giang phương pháp IHS cải tiến Phương pháp IHS cải tiến cho hình ảnh màu sắc tương tự ảnh gốc Đồ thị histogram phương pháp IHS có dạng tương quan 22 với đồ thị Histogram ảnh gốc Đặc biệt số ERGAS phương pháp IHS nhỏ số tương quan kênh ảnh gốc ảnh sau trộn xấp xỉ 4.5 Xây dựng phần mềm đánh giá chất lượng bình đồ ảnh 4.5.1 Sơ đồ khối chương trình Bắt đầu chương trình Input n dòng DataPoint: DP[n]; i = 0;Sum2_dX = 0;Sum2_dY = 0; Sum2_dS = 0; iSSTPx = 0;iSSTPy = 0;iSSTPs = 0; F i [...]... bày các nghiên cứu thử nghiệm giải pháp nâng cao độ chính xác của bình đồ ảnh tỷ lệ lớn từ ảnh vệ tinh độ phân giải cao trong trường hợp cụ thể sau: 1 Lựa chọn số lượng điểm và đồ hình bố trí điểm khống chế nắn ảnh trên một cảnh ảnh vệ tinh 2 Mô hình nắn chỉnh hình học đối với khối ảnh (áp dụng với những khu vực rộng gồm nhiều ảnh vệ tinh ghép lại) 3 Độ chính xác của bình đồ ảnh từ ảnh vệ tinh độ phân. .. phân giải danh nghĩa của ảnh vệ tinh, được cắt, ghép theo mảnh bản đồ và được đặt tên theo phiên hiệu của mảnh bản đồ tương ứng 10 3.2 Quy trình thành lập bình đồ ảnh vệ tinh (hình 3.1) Hình 3.1 Sơ đồ quy trình công nghệ thành lập bình đồ ảnh vệ tinh độ phân giải cao Theo quy trình thành lập bình đồ ảnh vệ tinh có thể thấy các yếu tố ảnh hưởng tới bình đồ ảnh vệ tinh đó là: - Độ phân giải của ảnh vệ tinh; ... Lựa chọn mô hình nắn ảnh đối với khu vực địa hình phức tạp có các địa hình đồi núi và đồng bằng 2 Số lượng điểm khống chế ngoại nghiệp và đồ hình bố trí trên cảnh ảnh đơn và trên khối ảnh 3 Độ chính xác của mô hình số độ cao sử dụng để nắn ảnh vệ tinh khu vực có độ chênh cao lớn Chương 4 CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA BÌNH ĐỒ TRỰC ẢNH TỶ LỆ LỚN TỪ ẢNH VỆ TINH ĐỘ PHÂN GIẢI CAO Trong nội dung... vậy, bình đồ ảnh từ ảnh vệ tinh độ phân giải cao có độ chính xác cao phục vụ cho công tác thành lập và hiện chỉnh bản đồ địa hình; Chương 3 BÌNH ĐỒ ẢNH VỆ TINH VÀ QUY TRÌNH THÀNH LẬP 3.1 Khái niệm về bình đồ ảnh vệ tinh Bình đồ ảnh vệ tinh là sản phẩm ảnh vệ tinh dạng số đã được định vị trong hệ tọa độ của bản đồ cần thành lập, được hiệu chỉnh ảnh hưởng do chênh cao địa hình, được lấy mẫu lại theo độ phân. .. hình hàm hữu tỷ 3.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của nắn ảnh vệ tinh Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của nắn ảnh Đó là: độ phân giải của ảnh vệ tinh, mô hình toán học để nắn, độ chính xác của điểm khống chế ảnh, số lượng điểm, đồ hình bố trí khống chế ảnh và độ chính xác của DEM 3.5 Trộn ảnh Trộn ảnh là một công nghệ kết hợp các loại ảnh với nhau để tạo ra một lọai ảnh mang nhiều... độ chính xác của bình đồ ảnh Tiêu chuẩn đánh giá độ chính xác của bình đồ ảnh gồm: - Độ chính xác về vị trí của các điểm khống chế ảnh: Độ chính các này được xác định bằng cách so sánh của tọa độ mặt phẳng X,Y của các điểm khống chế ngoại nghiệp và tọa độ mặt phẳng x,y tương ứng của chúng trên bình đồ ảnh Gọi Xg,Yg là tọa độ của các điểm khống chế ngoại nghiệp, Xn, Yn là tọa độ mặt phẳng tương ứng của. .. nắn ảnh Sản phẩm bình đồ ảnh là một sản phẩm rất quan trọng, được sử dụng rộng rãi trong việc khai thác ảnh vệ tinh hiện nay Để sản phẩm bình đồ ảnh phục vụ cho thành lập bản đồ tỷ lệ lớn từ ảnh vệ tinh độ phân giải cao đảm bảo độ chính xác về mặt hình học thì cần áp dụng các giải pháp sau: 1 Số lượng và đồ hình bố trí của các điểm khống chế: - Các điểm khống chế phải được phân bố đồng đều trên cảnh ảnh. .. tin từ ảnh vệ tinh độ phân giải cao Thông thường thì mối quan hệ giữa độ phân giải mặt đất - GSD (ground sample distance), hay kích thước pixel mặt đất và tỷ lệ của bản đồ sẽ được thành lập có thể biểu diễn bằng công thức như sau (2 1) GSD  0.05  0.1mm  M bd 2.3.2 Yêu cầu độ chính xác của ảnh vệ tinh độ phân giải cao cho việc thành lập bản đồ Ứng dụng ảnh vệ tinh độ phân giải cao để thành lập bản đồ. .. chế nắn ảnh gặp khó khăn Đồng thời khu vực thử nghiệm trải dài trên nhiều ảnh. Vì vậy, đối với khu vực Đồng Tháp, tác giả thử nghiệm nắn khối ảnh và lựa chọn điểm khống chế từ tư liệu tăng dày khống chế ảnh tỷ lệ 1:5000 Để đánh giá độ phụ thuộc giữa độ chính xác của bình đồ ảnh tỷ lệ lớn từ ảnh vệ tinh độ phân giải cao và độ chính xác của mô hình DEM, tác giả thử nghiệm nắn khối ảnh khu vực Đồng Tháp... Kiểm tra độ trùng khớp về mặt phẳng giữa băng ảnh toàn sắc và băng cảnh đa phổ của các cảnh ảnh + Kiểm tra tiếp biên trong phần độ phủ chung giữa các cảnh ảnh + Kiểm tra sai số vị trí điểm của các điểm khống chế và điểm kiểm tra trên ảnh nắn 4.4 Độ chính xác của bình đồ ảnh từ ảnh vệ tinh độ phân giải cao khi sử dụng mô hình DEM Quá trình xử lý nắn ảnh bằng ảnh đơn Worlview 2 sử dụng dữ liệu DEM như sau: