Đề xuất các giải pháp kỹ thuật nâng cao độ chính xác bình đồ ảnh vệ tinh phục vụ công tác hiện chỉnh bản đồ tỷ lệ nhỏ và trung bình

MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ẢNH VỆ TINH VÀ BÌNH ĐỒ ẢNH VỆ TINH 1.1 Ảnh vệ tinh 1.1.1 Những khái niệm viễn thám 1.1.2 Lý thuyết phản xạ phổ đối tượng tự nhiên 1.1.2.1 Bức xạ điện từ 1.1.2.2 Đặc trưng phản xạ phổ đối tượng tự nhiên 1.1.3 Đặc điểm chung ảnh viễn thám (ảnh vệ tinh) 12 1.1.4 Khả lý thuyết để thành lập đồ ảnh vệ tinh 13 1.1.5 Mối liên hệ dung lượng thông tin ảnh đồ 17 1.1.6 Khả thông tin ảnh vệ tinh 20 1.1.6.1 Ảnh SPOT Panchromatic phân giải 10m 20 1.1.6.2 Ảnh SPOT màu tự nhiên phân giải 2.5m 22 1.1.6.3 Ảnh Quickbird độ phân giải 0.6m 23 1.2 Bình đồ ảnh bình đồ ảnh vệ tinh 25 1.2.1 Bình đồ ảnh 25 1.2.2 Độ xác bình đồ ảnh 26 1.2.3 Bình đồ ảnh vệ tinh 26 CHƢƠNG 2: NGHIÊN CỨU XỬ LÝ ẢNH VỆ TINH TRONG HIỆN CHỈNH BẢN ĐỒ 28 2.1 Bản đồ cũ 28 2.2 Mục đích, yêu cầu làm chỉnh 29 2.3 Các phƣơng pháp chỉnh đồ địa hình .31 2.3.1 Hiện chỉnh đồ địa hình ảnh hàng khơng .31 2.3.2 Hiện chỉnh từ tài liệu đồ có tỷ lệ lớn 33 2.3.3 Hiện chỉnh trực tiếp thực địa 33 2.3.4 Hiện chỉnh đồ tư liệu ảnh vệ tinh 34 2.3.4.1 Một số vệ tinh .34 2.3.4.2 Các chuẩn giải đoán ảnh vệ tinh 34 2.4 Một số thông tin ảnh vệ tinh SPOT QUICKBIRD .35 2.4.1 Ảnh SPOT 35 2.4.2 Ảnh QUICKBIRD 37 2.5 Phƣơng pháp xử lý ảnh vệ tinh SPOT chỉnh đồ 38 2.5.1 Nắn chỉnh hình học ảnh vệ tinh SPOT 38 2.5.1.1 Các mức xử lý ảnh SPOT 38 2.5.1.2 Hiệu chỉnh hình học (nắn ảnh mức 1B) .39 2.5.1.3 Nắn chỉnh ảnh SPOT mức mức 41 2.5.2 Tăng cường chất lượng ảnh 45 2.5.2.1 Các kỹ thuật làm tăng cường độ tương phản (Contrast manipulation) .45 2.5.2.2 Các kỹ thuật thao tác với đối tượng không gian (Spatial feature manipulation) 47 2.5.2.3 Các kỹ thuật thao tác đa ảnh (Multi-Image Manipulation) .48 2.5.3 Phân loại ảnh (Image classification) 51 CHƢƠNG 3: CÁC GIẢI PHÁP KỸ THUẬT NHẰM NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC BÌNH ĐỒ ẢNH VỆ TINH 52 3.1 Các nguồn sai số ảnh hƣởng đến độ xác bình đồ ảnh 54 3.1.1 Sai số trình thu nhận ảnh vệ tinh 54 3.1.1.1 Các nguyên nhân gây méo hình ảnh vệ tinh 54 3.1.1.2 Khả loại trừ sai số 55 3.1.2 Sai số trình xử lý ảnh vệ tinh 56 3.1.2.1 Độ phân giải không gian ảnh vệ tinh 57 3.1.2.2 Mơ hình tốn học sử dụng để nắn ảnh .57 3.1.2.3 Độ xác khống chế ảnh 58 3.1.2.4 Đồ hình số lượng điểm khống chế ảnh 59 3.1.2.5 Mơ hình số độ cao 59 3.2 Mơ hình vật lý mơ hình hàm số hữu tỷ sử dụng để nắn ảnh 61 3.2.1 Mơ hình vật lý 61 3.2.2 Mơ hình hàm số hữu tỷ 63 3.3 Thực nghiệm kết 65 3.3.1 Mục đích nội dung thực nghiệm 65 3.3.1.1 Mục đích .65 3.3.1.2 Nội dung tiến hành .65 3.3.2 Thực nghiệm nắn ảnh vệ tinh sử dụng mơ hình vật lý với ảnh vệ tinh SPOT5 66 3.3.2.1 Thực nghiệm nắn ảnh SPOT5 Pan với số điểm KC khác 66 3.3.2.2 Thực nghiệm nắn ảnh SPOT5 Pan với điểm KC không rải ảnh 68 3.3.2.3 Thực nghiệm nắn ảnh SPOT5 Pan theo khối ảnh có góc nghiêng chụp ảnh lớn với số lượng điểm KC khác .70 3.3.2.4 Thực nghiệm nắn ảnh SPOT5 Pan sử dụng mô hình số DEM khác 72 3.3.3 Phân tích, đánh giá độ xác ảnh nắn sử dụng mơ hình vật lý 76 3.3.3.1 Thực nghiệm nắn ảnh SPOT5 Pan với số lượng điểm KC khác .76 3.3.3.2 Thực nghiệm nắn ảnh SPOT5 Pan với điểm KC không rải cảnh ảnh vệ tinh 271308/5 77 3.3.3.3 Thực nghiệm nắn ảnh SPOT5 Pan theo khối ảnh có góc nghiêng chụp ảnh lớn với số lượng điểm khác 78 3.3.3.4 Thực nghiệm nắn ảnh SPOT5 Pan sử dụng mơ hình số DEM khác 79 3.3.4 Sử dụng mơ hình hàm hữu tỷ 81 KẾT LUẬN 84 TÀI LIỆU THAM KHẢO 87 PHỤ LỤC 88 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1- Phân loại sóng điện từ kênh phổ sử dụng viễn thám Bảng 1.2-Độ phân giải không gian liệu ảnh viễn thám 15 Bảng 1.3 –Độ lớn pixel thực địa ứng với tỷ lệ đồ 19 Bảng 3.1 – Giá trị độ cao giá trị chênh cao địa hình lớn cho phép ứng với giá trị góc nghiêng chụp ảnh 61 Bảng 3.2 - Sai số vị trí điểm trung bình trường hợp .67 Bảng 3.3 - Sai số vị trí điểm trung bình trường hợp .71 Bảng 3.4 - Sai số vị trí điểm trung bình trường hợp .74 Bảng 3.5 - Sai số vị trí điểm trung bình trường hợp .75 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1- Các kênh phổ sử dụng viễn thám Hình 1.2 - Nguyên lý thu nhận hình ảnh viễn thám Hình 1.3 - Bức xạ điện từ Hình 1.4 - Đường cong đặc trưng phản xạ phổ đối tượng tự nhiên .9 Hình 1.5 - Mô tả độ phân giải không gian ảnh 14 Hình 1.6 - Một số hình ảnh độ phân giải khơng gian ảnh viễn thám 16 Hình 2.1 – Vị trí vệ tinh SPOT quỹ đạo 35 Hình 2.2 - Vệ tinh QUICKBIRD 37 Hình 2.3 – Đặc tính phản xạ phổ số đối tượng tự nhiên 49 Hình 2.4 - Hình ảnh số thực vật NDVI bề mặt trái đất theo MODIS .50 Hình 3.1 - Các dạng méo hình ảnh hưởng nguồn 55 "sai số trong" cảm biến 55 Hình 3.2 - Các dạng méo hình ảnh hưởng nguồn 55 "sai số ngoài" cảm biến 55 Hình 3.3 - Xê dịch vị trí điểm ảnh nắn sai số độ cao mơ hình số độ cao ảnh hưởng chênh cao điểm địa hình mặt phẳng nắn ảnh .59 Hình 3.4 - Sơ đồ điểm khống chế 66 Hình 3.5 - Mơ hình số địa hình khu vực 66 Hình 3.6 - Đồ thị sai số ảnh SPOT- Pan 2.5m 68 Hình 3.7 - Sơ đồ điểm khống chế 69 Hình 3.8 - Mơ hình số địa hình khu vực 69 Hình 3.9 - Sơ đồ điểm khống chế 71 Hình 3.10 - Mơ hình số địa hình khu vực 71 Hình 11 - Đồ thị sai số trung phương vị trí điểm khối ảnh vệ tinh 72 Hình 3.12 - Sơ đồ điểm khống chế cảnh 271307 271308 73 Hình 3.13 - Mơ hình số địa hình cảnh 271307 271308 73 Hình 3.14 - Đồ thị sai số sử dụng DEM25 DEM50 cảnh ảnh 271308 74 Hình 3.15 - Đồ thị sai số sử dụng DEM25 DEM50 cảnh ảnh 271307 75 Hình 3.16 - Các phương án số lượng điểm KC khác 76 Hình 3.17 - Đồ hình bố trí điểm theo 77 phương án 77 Hình 3.18 - Đồ hình bố trí điểm theo 77 phương án 77 Hình 3.19 - Đồ hình bố trí điểm KCA khối ảnh 78 Hình 3.20 - Các phương án điểm KC cảnh ảnh 271308 79 Hình 3.21 - Các phương án điểm KC cảnh ảnh 271307 80 Hình 3.22 - Các phương án điểm KC điểm kiểm tra sử dụng mô hình RFM 81 Hình 3.23 - Đồ thị tổng hợp sử dụng bậc với số lượng điểm KC khác 82 Từ viết tắt DEM DN Điểm KC Điểm KCA GSD NDVI RFM RVI SAVI Sai số TPTB Tăng dày KCA MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Đã từ lâu, đồ công cụ cần thiết hoạt động điều tra, quy hoạch tài nguyên thiên nhiên phát triển kinh tế xã hội Bản đồ sau thời gian sử dụng bị cũ đi, chất lượng suy giảm, thông tin đồ bị lạc hậu không phản ánh trạng bề mặt đất nên cần phải chỉnh thành lập Thành lập đồ thường tốn nhiều thời gian So với thành lập mới, việc chỉnh đồ giúp cho việc cung cấp thông tin cập nhật cách nhanh chóng hơn, với chi phí thấp Đối với đồ địa hình, tuỳ thuộc vào tỷ lệ đồ khu vực để xác định khu vực cần chỉnh Đối với vùng thay đổi đồi núi, sau - 10 năm tiến hành chỉnh lần Đối với vùng có nhiều biến động thị, khu cơng nghiệp, vùng ven biển thời gian tiến hành chỉnh năm lần Chu kỳ chỉnh loại đồ tỷ lệ nhỏ thuờng dài so với đồ tỷ lệ lớn, khu vực cần chỉnh thường lớn mang tính chất khu vực Nhu cầu chỉnh đồ tỷ lệ lớn thường tập trung vùng trọng điểm có nhiều hoạt động kinh tế xã hội diện tích chỉnh thường nhỏ Nếu đối tượng thực tế thay đổi > 40% nên thành lập thay chỉnh Hiện Việt Nam, có số phương pháp chỉnh đồ thường sử dụng như: phương pháp đo vẽ trực tiếp thực địa, phương pháp sử dụng ảnh hàng không, phương pháp liên biên từ đồ lớn hơn,…Các phương pháp có ưu điểm độ xác tương đối cao nhược điểm giá thành cao, thời gian thi cơng kéo dài, diện tích phủ trùm khơng lớn, phải có đồ tỷ lệ lớn thành lập được,… Trong năm gần đây, phát triển mạnh mẽ kỹ thuật thu nhận thông tin từ xa xử lý ảnh làm cho công nghệ viễn thám ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực Ảnh vệ tinh ngày xuất nhiều giới Việt Nam Ảnh vệ tinh có ưu điểm: Diện tích phủ trùm lớn, tính đồng thơng tin cao, cho phép tiến hành chỉnh khu vực rộng lớn, ảnh vệ tinh sử dụng nhiều kênh phổ khác cho thông tin đa dạng đối tượng, khả chụp lặp cao phù hợp với việc theo dõi biến động theo thời gian, có khả quan sát khu vực lại khó khăn hay chí khơng đến được, loại ảnh vệ tinh đa dạng từ độ phân giải thấp, trung bình, cao đến siêu cao, cho phép chỉnh đồ tỷ lệ khác từ nhỏ đến lớn.Với ưu điểm ảnh vệ tinh trở thành công cụ hiệu phục vụ công tác chỉnh loại đồ Trong công tác chỉnh đồ người ta thường sử dụng bình đồ ảnh thành lập từ ảnh vệ tinh Trên bình đồ ảnh vệ tinh, thơng tin đối tượng địa lí khai thác trực tiếp để phục vụ cho mục đích chỉnh Để có bình đồ ảnh, ảnh vệ tinh phải nắn chỉnh nhằm loại trừ hay hạn chế ảnh hưởng nhiều nguyên nhân khác tới vị trí điểm ảnh, phải đưa tỷ lệ đồ cần chỉnh hệ quy chiếu, hệ tọa độ đồ Độ xác đồ sau chỉnh, độ tin cậy thông tin khai thác phụ thuộc vào độ xác bình đồ ảnh, hay nói cách khác độ xác trình nắn ảnh vệ tinh Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn tơi chọn đề tài nghiên cứu: "Đề xuất giải pháp kỹ thuật nâng cao độ xác bình đồ ảnh vệ tinh phục vụ cơng tác chỉnh đồ tỷ lệ nhỏ trung bình" Mục đích nghiên cứu Mục đích đề tài nghiên cứu sở khoa học thực nghiệm trình nắn ảnh, tạo bình đồ ảnh nhằm đưa giải pháp kỹ thuật nâng cao độ xác bình đồ ảnh vệ tinh phục vụ công tác chỉnh đồ Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Do hạn chế tư liệu ảnh vệ tinh, đối tượng nghiên cứu luận văn loại ảnh vệ tinh có độ phân giải trung bình phục vụ cơng tác chỉnh đồ tỷ lệ nhỏ trung bình Nội dung nghiên cứu Luận văn tập trung nghiên cứu khái niệm viễn thám, bình đồ ảnh, bình đồ ảnh vệ tinh, bước thành lập bình đồ ảnh tư liệu ảnh vệ tinh, chủ yếu cơng đoạn nắn ảnh từ lựa chọn, đề xuất giải pháp kỹ thuật tối ưu nhằm nâng cao độ xác cơng tác thành lập bình đồ ảnh Phƣơng pháp nghiên cứu Để thực nhiệm vụ đề tài đặt ra, tác giả áp dụng phương pháp nghiên cứu sau: thu thập thơng tin, tài liệu có tìm hiểu khả lý thuyết, đặc tính kỹ thuật số ảnh vệ tinh có Việt Nam nhằm khảo sát ảnh hưởng yếu tố tới độ xác nắn ảnh độ xác điểm khống chế ảnh, số lượng điểm khống chế sử dụng mơ hình phân bố đồ hình chúng, mơ hình nắn chỉnh hình học mơ hình số độ cao để đảm bảo cho việc nắn ảnh đạt độ xác hình học cao Nghiên cứu độ xác đạt cho việc thành lập bình đồ ảnh vệ tinh Trên sở nghiên cứu, đề xuất giải pháp kỹ thuật tối ưu cho việc thành lập bình đồ ảnh 6.Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Về mặt khoa học, đề tài nghiên cứu góp phần giúp học viên nắm kiến thức viễn thám kỹ thuật xử lý ảnh vệ tinh bước phương pháp thành lập bình đồ ảnh từ tư liệu ảnh vệ tinh Bên cạnh kết nghiên cứu luận văn góp phần đánh giá khả tư liệu viễn thám công tác chỉnh đồ Về mặt thực tiễn, kết nghiên cứu luận văn đưa số giải pháp kỹ thuật nâng cao độ xác thành lập bình đồ ảnh vệ tinh phục vụ tốt cho công tác chỉnh đồ tỷ lệ nhỏ trung bình nhằm giảm bớt cơng sức chi phí công tác chỉnh đồ CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ ẢNH VỆ TINH VÀ BÌNH ĐỒ ẢNH VỆ TINH 1.1 Ảnh vệ tinh 1.1.1 Những khái niệm viễn thám Viễn thám ngành khoa học công nghệ giúp cho việc xác định, đo đạc phân tích tính chất vật thể quan sát mà không cần tiếp xúc trực tiếp với chúng Sóng điện từ phản xạ xạ từ vật thể thường nguồn lượng chủ yếu viễn thám Những lượng từ trường, trọng trường sử dụng Thiết bị dùng để cảm nhận sóng điện từ phản xạ hay xạ từ vật thể gọi cảm Phương tiện dùng để mang cảm gọi vật mang, gồm khí cầu, máy bay, vệ tinh nhân tạo, tàu vũ trụ Viễn thám phân loại làm loại theo bước sóng sử dụng: - Viễn thám dải sóng nhìn thấy hồng ngoại - Viễn thám hồng ngoại nhiệt - Viễn thám siêu cao tần Figure Source: http://observe.ivv.nasa.gov/nasa/education/reference/reflect/ir.html Hình 1.1- Các kênh phổ sử dụng viễn thám Nguồn lượng sử dụng nhóm thứ xạ mặt trời Mặt trời cung cấp xạ có bước sóng ưu 500nm Tư liệu viễn thám dải sóng nhìn thấy phụ thuộc vào phản xạ từ bề mặt vật thể bề mặt trái đất Vì vậy, thơng tin vật thể xác định từ phổ phản xạ Tuy nhiên, radar sử dụng tia laser trường hợp ngoại lệ không sử dụng lượng mặt trời Nguồn lượng sử dụng nhóm thứ hai xạ nhiệt vật thể sản sinh Mỗi vật thể nhiệt độ bình thường phát xạ có đỉnh bước sóng 10.000nm Trong viễn thám siêu cao tần người ta sử dụng hai loại kỹ thuật chủ động bị động Viễn thám siêu cao tần bị động xạ siêu cao tần vật thể phát ghi lại, viễn thám siêu cao tần chủ động lại thu xạ tán xạ phản xạ từ vật thể Hình 1.2 - Nguyên lý thu nhận hình ảnh viễn thám 1.1.2 Lý thuyết phản xạ phổ đối tượng tự nhiên 1.1.2.1 Bức xạ điện từ Bức xạ điện từ truyền lượng điện từ sở dao động trường điện từ khơng gian lịng vật chất Q trình lan truyền sóng 100 Phương án điểm KC a Sai số mơ hình: b So sánh với điểm kiểm tra: Mặt phẳng ≤ ± 2.8m; Độ cao ≤ ± 1.8m Bảng PL 4.7 TT 101 PHỤ LỤC Thực nghiệm nắn ảnh QUICKBIRD bậc tiêu chuẩn vùng có chênh cao địa hình với phƣơng án điểm KC khác Phương án điểm KC a Sai số mơ hình: Bậc 1: Bậc 2: b Sai số so với điểm kiểm tra: Bảng PL 5.1 Tên điểm 102 Phương án điểm KC a Sai số mơ hình: Bậc 1: Bậc 2: b Sai số so với điểm kiểm tra: Bảng PL 5.2 Tên điểm 103 GCP Phương án 11 điểm KC a Sai số mơ hình: Bậc 1: Bậc 2: 104 Bậc 3: b Sai số so với điểm kiểm tra: Bảng PL 5.3 Tên điểm K08-6030-08 K08-6030-02 K08-6030-03 K08-6030-KT2 K08-6030-06 K08-6030-07 GCP Phương án 12 điểm KC a Sai số mơ hình: Bậc 1: 105 Bậc 2: Bậc 3: b Sai số so với điểm kiểm tra: Bảng PL 5.4 Tên điểm K08-6030-08 K08-6030-02 K08-6030-03 K08-6030-KT2 K08-4100-04 GCP 106 Phương án 13 điểm KC a Sai số mơ hình: Bậc 1: Bậc 2: Bậc 3: 107 b Sai số so với điểm kiểm tra: Bảng PL 5.5 Tên điểm K08-6030-08 K08-6030-02 K08-6030-03 K08-6030-KT2 GCP 108 PHỤ LỤC Số lượng điểm KC tối thiểu cho cảnh ảnh vệ tinh: Sensor Quickbird IKONOS SPOT EROS info@pcigeomatics.com 109 110 111 ĐAỊ HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN -  - Hoàng Thị Hà ĐỀ XUẤT CÁC GIẢI PHÁP KỸ THUẬT NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC BÌNH ĐỒ ẢNH VỆ TINH PHỤC VỤ CÔNG TÁC HIỆN CHỈNH BẢN ĐỒ TỶ LỆ NHỎ VÀ TRUNG BÌNH LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Hà Nội - 2011 ĐAỊ HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN -  - Hoàng Thị Hà ĐỀ XUẤT CÁC GIẢI PHÁP KỸ THUẬT NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC BÌNH ĐỒ ẢNH VỆ TINH PHỤC VỤ CƠNG TÁC HIỆN CHỈNH BẢN ĐỒ TỶ LỆ NHỎ VÀ TRUNG BÌNH Chuyên ngành: Bản đồ, viễn thám Hệ thông tin địa lý Mã số: 60.44.76 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Trần Đình Trí Hà Nội - 2011 ... nâng cao độ xác thành lập bình đồ ảnh vệ tinh phục vụ tốt cho công tác chỉnh đồ tỷ lệ nhỏ trung bình nhằm giảm bớt cơng sức chi phí công tác chỉnh đồ CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ ẢNH VỆ TINH VÀ BÌNH ĐỒ ẢNH. .. nắn ảnh vệ tinh Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn tơi chọn đề tài nghiên cứu: "Đề xuất giải pháp kỹ thuật nâng cao độ xác bình đồ ảnh vệ tinh phục vụ cơng tác chỉnh đồ tỷ lệ nhỏ trung bình" Mục đích... thám, bình đồ ảnh, bình đồ ảnh vệ tinh, bước thành lập bình đồ ảnh tư liệu ảnh vệ tinh, chủ yếu cơng đoạn nắn ảnh từ lựa chọn, đề xuất giải pháp kỹ thuật tối ưu nhằm nâng cao độ xác cơng tác thành