Đang tải... (xem toàn văn)
Bài giảng giới thiệu các kiến thức cơ sở về viễn thám, do PGS. Nguyễn Ngọc Thạch, khoa Địa chất, trường Đại học Khoa học Tự nhiên biên soạn
Chtơng 4 chụp ảnh h~ng không 4.1. Giới thiệu chung Thuật ngữ không ảnh l một khái niệm khoa học đợc xử dụng cho các ảnh đợc chụp bằng phim ảnh trên các phơng tiện hng không nh máy bay, kinh khí cầu v các phơng tiện khác trên không v đợc thực hiện với các loại máy ảnh khác nhau. Nh vậy l, khi nói đến không ảnh, không có nghĩa hẹp l chỉ nói tới ảnh chụp từ máy bay. Còn khi nói ảnh thu từ máy bay chính l một trong những phơng pháp thu dữ liệu không ảnh. Viễn thám hng không l nghiên cứu đối tợng không gian v các quá trình xẩy ra trên mặt đất qua không ảnh- các dữ liệu ảnh chụp trong ngnh hng không. Nh vậy, lịch sử phát triển của khoa học viễn thám bắt đầu bằng việc chụp ảnh v 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 vo 13 tháng 10 năm 1860 (Thomas). ảnh chụp theo phơng pháp ny chỉ nhạy cảm với dải sóng nhìn thấy, hồng ngoại gần v đợc gọi l ảnh photo. Bức ảnh hng không đầu tiên, dùng trong nghiên cứu về trái đất l ảnh đợc chụp trên khinh khí cầu, ghi lại vùng Booston, đợc thực hiện bởi James Wallace Black vo 13 tháng 10 năm 1860. Các ảnh chụp bằng máy ảnh có thể kể đến l các ảnh hng không trắng đen v ảnh mu 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 ngnh hng không phát triển thì chụp ảnh đợc thực hiện trên các máy bay. Bức ảnh đầu tiên chụp từ máy bay đợc thực hiện vo năm 1903. Trong chiến tranh thế giới thứ nhất v 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 v cả công nghệ đo đạc ảnh hng không cùng với giải đoán thông tin từ không ảnh ra đời. 4.2. Những u điểm v 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 v nhạy cảm với phổ nhìn thấy. Độ phân giải cao v chứa đựng nhiều thông tin. Độ trung thực cao về mặt hình học. Giá thnh rẻ Cho ra cách nhìn tổng thể: nghiên cứu các đối tợng không gian với nhau. Nghiên cứu vùng xa m không thể tiếp cận trực tiếp đợc. Tiếp kiệm thời gian. ứng dụng cho nhiều ngnh 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 v hồng ngoại gần). Chịu nhiều ảnh hởng của điều kiện khí quyển, Quá trình tìm lại phim tốn nhiều thời gian v 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 v truyền qua thấu kính lồi ghi lại trên một mặt phẳng nằm sau thấu kính. Trên mặt phẳng ny 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 Vật Hệ máy F A B' 2F B 2F H A' v u Mặt đất 1/u+1/v =1/f h>>F ab Máy ảnh sử dụng cho viễn thám l thiết bị chính xác. Hợp phần chính của nó bao gồm một thấu kính lồi v phim ghi nhận hình ảnh đặt đằng sau thấu kính. Máy ảnh đợc chia ra lm 4 loại chính: 1. Máy ảnh phổ thông khung đơn; 2. Máy chụp ảnh ton cảnh; 3. Máy chụp ảnh theo đờng v 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) v 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 L diện tích mặt đất mỗi lần chụp đợc. Khái niệm ny liên quan đến đặc điểm của ống kính v 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 di. (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 hng không Phủ về t Đ-ờng bay Phủ bên Hình3.10 . Sơ đồ tuyến chụp ảnh hng không trên một khu vực Hình 4.5: Sơ đồ tuyến chụp ảnh hng không trên một khu vực đờng bay Phủ bên Phủ về phía trớc Hớng bay 58 4.2.4.2.Tỷ lệ của ảnh hng không Tỷ lệ của ảnh hng 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 ny 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 v 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 v của ảnh bằng nhau - Tỷ lệ ảnh sẽ dao động từ điểm ny đến điểm khác tùy thuộc vo độ cao của vật trên mặt đất. Độ cao cng lớn thì tỉ lệ ảnh cng lớn. - Thông thờng tỷ lệ của ảnh có thể xác định bằng tỉ lệ của độ di tiêu cự máy ảnh so với độ cao của máy bay so với mặt đất = f/H trong đó: F l tiêu cự; H độ cao của máy bay so với mặt đất - Nếu ta dùng mặt nớc biển lm mốc độ cao để tính độ cao của đờng bay thì tỷ lệ của một ảnh hng không đợc xác định: Tỉ lệ = f/ (H-h) trong đó: H l 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 hng 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 v thay đổi ny phụ thuộc vo 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 l H = độ cao bay chụp (H) - độ cao địa hình (h) l 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 hng không L khái niệm dùng để xác định khả năng phân biệt đối tợng mặt đất. Độ phân giải không gian phụ thuộc vo 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 l 100 cặp đờng/mm. Đối với chụp ảnh máy bay, ngời ta cũng dùng khái niệm độ phân giải mặt đất l 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: l khoảng cách tối 60 thiểu để phân biệt hai đối tợng để gần nhau, hoặc l độ lớn tối thiểu của một đối tợng trên mặt đất m 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 vo nhiều yếu tố v tỷ lệ thuận với: 1) 2) 3) 4) 5) 6) 1) Độ tơng phản giữa đối tợng v mầu Tỷ số giữa chiều di 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 lm rõ hơn các đối tợng trên ảnh. 4.2.4.4.Độ lệch của địa hình (Relief Displacement) Hiện tợng lệch của địa hình l 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 v vị trí đối tợng so với điểm cơ bản hay tâm ảnh. Quy luật chung của hiện tợng l 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 hng không Con ngời có khả năng quan sát lập thể các đối tợng trớc mặt, tức l xem chúng không chỉ về chiều di, chiều rộng m cả chiều dy nữa. Có đợc khả năng đó l do con ngời có hai mắt đợc bố trí trên mặt để có thể cùng nhìn một lúc vo một vật thể duy nhất. Không phải động vật no 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 vo một vật duy nhất v đó l 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 lm một, tạo ra một ấn tợng về độ dy 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) v 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 no 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) m còn phải có kính lập thể (phơng tiện quan sát). Kính lập thể l 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 ny dựa lên một bộ cng 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 nh 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