Công nghệ đo ảnh trên cơ sở ảnh chụp từ máy chụp ảnh số phổ thông

Công nghệ đo ảnh trên cơ sở ảnh chụp từ máy chụp ảnh số phổ thông

Trần trung anh

công nghệ đo ảnh trên cơ sở ảnh

chụp từ máy chụp ảnh số phổ thông

Chuyên ngành : Trắc địa Mã số : 2.16.00

luận văn thạc sĩ kỹ thuật

người hướng dẫn khoa học

GS TSKH Phan văn lộc

hμ nội-2005

lêi cam ®oan

T«i xin cam ®oan r»ng ®©y lµ c«ng tr×nh nghiªn cøu cña riªng b¶n th©n Toµn bé qu¸ tr×nh nghiªn cøu ®−îc tiÕn hµnh mét c¸ch khoa häc, c¸c sè liÖu, kÕt qu¶ tr×nh bµy trong luËn v¨n lµ chÝnh x¸c, trung thùc vµ ch−a tõng ®−îc ai c«ng bè trong bÊt kú c«ng tr×nh nµo kh¸c

T¸c gi¶ luËn v¨n

TrÇn Trung Anh

lời cảm ơn

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới thầy giáo GS.TSKH Phan Văn Lộc, người đã dìu dắt tôi ngay từ khi bỡ ngỡ bước vào nghề và động viên hướng dẫn tôi trong suốt thời gian công tác và làm luận văn Thầy là một tấm gương lớn về tinh thần trách nhiệm, lòng tận tụy, tình yêu nghề và ý thức nghiên cứu khoa học nghiêm túc Đặc biệt thầy để lại trong tôi sự kính phục về tri thức khoa học, lối sống yêu thương, độc lập và thẳng thắn Tôi cũng xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS.TS Phạm Vọng Thành đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi thuận lợi trong công tác và cố vấn nhiệt tình về mặt chuyên môn Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Bộ môn Trắc Địa ảnh, Bộ môn Trắc Địa Mỏ, Khoa Trắc Địa, Phòng Đại học và Sau Đại học, Trường Đại học Mỏ Địa chất cùng bạn bè đồng nghiệp đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và làm luận văn

Tác giả luận văn

mục lục

Trang phụ bìa

Lời cam đoan 1

Chương 1 tổng quan về sự phát triển của công nghệ đo ảnh 12

1.1 Bản chất và nhiệm vụ của phương pháp đo ảnh 12

1.2 Sự phát triển của công nghệ đo ảnh 14

1.3 Đo ảnh mặt đất trên thế giới 17

1.4 Đo ảnh mặt đất tại Việt Nam 18

1.5 Cơ sở lý thuyết đo ảnh mặt đất 20

1.5.1.Các yếu tố định hướng của ảnh mặt đất 20

1.5.2 Các dạng chụp cơ bản của ảnh lập thể mặt đất 21

1.5.3 Công thức xác định tọa độ điểm chi tiết bằng ảnh mặt đất 22

1.5.4 Độ chính xác tọa độ điểm chi tiết xác định bằng ảnh mặt đất 23

1.6 Yêu cầu thực tiễn đặt ra cho đo ảnh mặt đất 24

2.3 Hệ thống kính vật của máy chụp ảnh số 34

2.4 Kiểm định máy chụp ảnh số phổ thông 34

2.4.1 Sự cần thiết phải kiểm định 34

2.4.2 Các phương pháp kiểm định 35

2.4.3 Lựa chọn hàm toán học hiệu chỉnh sai số méo hình kính vật 38

2.4.4 Bản chất của méo hình kính vật 40

2.4.5 Thuật toán kiểm định 41

3.3 Giới hạn chụp hữu dụng của ảnh số 57

3.4 Thiết kế đường đáy chụp ảnh 58

3.5 ảnh hưởng của sự không ổn định của tiêu cự tới độ chính xác điểm chi tiết 60

danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

CCD Charge Coupled Device - mảng nhận ảnh số

CMOS Complementary Metal-Oxide Semiconductor - mảng nhận ảnh số DTM Mô hình số địa hình

GIS Hệ thống thông tin địa lý GPS Hệ thống định vị toàn cầu int Số nguyên Integer

LIS Hệ thống thông tin đất đai m Đơn vị đo dài mét

mm Đơn vị đo dài milimét MP Mega Pixel - triệu điểm ảnh

Pixel Picture Element - phần tử ảnh số, điểm ảnh

danh mục các bảng

Bảng 2.1 Một số máy chụp ảnh số phổ thông có độ phân giải tốt 29Bảng 2.2 Một số máy chụp ảnh kỹ thuật số chuyên dụng 30Bảng 2.3 Kết quả kiểm định máy chụp ảnh số Sony F707 48Bảng 3.1 Tọa độ các mấu khung trong ảnh số phổ thông 55Bảng 3.2 Tọa độ 4 mấu khung của ảnh số máy chụp Sony F707 56Bảng 3.3 Thiết kế chụp ảnh cho máy chụp ảnh số Sony F707 59Bảng 3.4 Giới hạn sai số tương đối của tiêu cự máy chụp ảnh số Sony F707 61

Bảng 3.6 Kết quả định hướng và kiểm tra mô hình lập thể 71Bảng 4.1.Thống kê sự so sánh kết quả đo ngoại nghiệp và kết quả đo ảnh 85Bảng 4.2 Quy tỷ lệ và kiểm tra mô hình công trình Nhà hát Lớn Hà Nội 87

danh mục các hình vẽ, đồ thị

Hình 1.2 Đo vẽ bản đồ trên máy toàn năng Wild A8 15Hình 1.3 Hệ thống đo vẽ ảnh giải tích Planicom P3 của Carl Zeiss, Đức 16Hình 1.4 Trạm đo vẽ ảnh số ImageStation Z/I Intergraph, Mỹ 16Hình 1.5 Các yếu tố định hướng ngoài của cặp ảnh lập thể mặt đất 21Hình 1.6 Dạng chụp giao nhau, dạng chụp xiên đều và dạng chụp thẳng 22Hình 1.7 Xác định tọa độ điểm chi tiết bằng ảnh mặt đất 23

Hình 2.11 Hiệu chỉnh sai số méo hình xuyên tâm 40Hình 2.12 Sự lắp ráp không đồng trục của hệ thống kính vật 41Hình 2.13 Hiệu chỉnh méo hình tiếp tuyến theo công thức Brown 41Hình 2.14 Giao diện của chương trình kiểm định CalImage Ver 2.0 44Hình 2.15 Sơ đồ khối tổng quát quá trình kiểm định ảnh 45Hình 2.16 Quy trình kiểm định máy chụp ảnh số phổ thông 46Hình 2.17 Méo hình xuyên tâm 5

Hình 2.18 Hiệu chỉnh méo hình xuyên tâm Δ ,x Δy 50

Hình 2.20 Hiệu chỉnh méo hình kính vật dx,dy 50Hình 3.1 Cấu trúc hình tháp với số lượng pixel không đổi 52Hình 3.2 Hệ tọa độ ảnh số và hệ tọa độ mặt phẳng ảnh 54Hình 3.3 Hệ tọa độ mặt phẳng ảnh số phổ thông 56

Hình 3.6 Thiết kế chụp ảnh cho máy chụp ảnh số Sony F707 60Hình 3.7 Phần mềm ISDM định hướng cặp ảnh số phổ thông 62Hình 3.8 Phần mềm PhotoModeler đo vẽ phi địa hình 63Hình 3.9 Quy trình công nghệ thành lập bình đồ địa hình 64Hình 3.10 Chụp ảnh số phổ thông phục vụ đo vẽ địa hình mỏ lộ thiên 67Hình 3.11 Mẫu sổ ghi sơ đồ trạm chụp tại thực địa 68Hình 3.12 Nhập các hệ số méo hình của máy chụp ảnh số phổ thông 69Hình 3.13 Định hướng trong tấm ảnh số phổ thông 70

Hình 3.15 Quy trình công nghệ thành lập bản vẽ kiến trúc 75Hình 3.16 Chụp ảnh số phổ thông phục vụ đo vẽ phi địa hình 76Hình 3.17 Canon EOS 1Ds Mark II và CMOS 16,7 triệu pixel 78

mở đầu

1 lý do chọn đề tài

Sự phát triển của đo ảnh gắn liền với sự phát triển của khoa học công nghệ từ công nghệ cơ giới chính xác cho tới khoa học điện tử tin học Công nghệ đo ảnh cũng gắn liền với sự phát triển của các thiết bị thu nhận hình ảnh (camera) đó là bộ phận thu nhận những tư liệu gốc ban đầu phục vụ đo ảnh chiếm một vị trí quan trọng trong quy trình đo ảnh Các máy chụp ảnh chuyên dùng cho đo vẽ (metric camera) được đặt trên máy bay với sản phẩm là các tấm ảnh hàng không chất lượng cao đã khẳng định sự thành công trong thành lập các loại bản đồ địa hình, địa chính ở Việt Nam và trên thế giới Các máy kinh vĩ chụp ảnh chuyên dùng (phototheodolite) đặt trên mặt đất được ứng dụng trong lĩnh vực đo ảnh địa hình tỷ lệ lớn và phi địa hình Tuy nhiên, ở Việt Nam sự phát triển của đo ảnh mặt đất với các máy kinh vĩ chụp ảnh chỉ dừng lại ở công nghệ đo ảnh tương tự trên phim kính từ những năm 70 của thế kỉ trước

Ngày nay, khi công nghệ số đã phổ biến rộng rãi trong đo ảnh hàng không thì đo ảnh mặt đất với các máy kinh vĩ chụp ảnh gần như đã bị lãng quên Không phải vì đo ảnh mặt đất không ứng dụng được công nghệ số mà vấn đề ở đây là công nghệ chụp ảnh Những máy PhotoTheodolite phải sử dụng những tấm phim kính hoặc phim nhựa là khá đặc dụng phải nhập ngoại, nhưng lại chỉ ứng dụng trong đo vẽ địa hình tỷ lệ lớn hoặc đo vẽ kiến trúc trong một khu vực nhỏ là không kinh tế Hơn nữa với yêu cầu hiện đại cho sản phẩm ở dạng số và nhanh chóng thì các phim kính này lại phải quét ảnh dẫn tới không hiệu quả cả về mặt thời gian và kinh tế Trong khi công nghệ chụp ảnh số chuyên dụng được quan tâm nhiều hơn ở chụp ảnh hàng không (đã có máy chụp ảnh số DMC, ADS40 [18],[19]) thì công nghệ chụp ảnh số chuyên dụng cho đo ảnh mặt đất lại không được phát triển Với yêu cầu của thực tế sản xuất hiện nay cần thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn vùng mỏ lộ thiên, vùng núi đá vôi phục vụ tính toán khối lượng khai thác định kì đang gặp

nhiều khó khăn của phương pháp đo và tính Sự phát triển của ngành kiến trúc phục chế cũng đặt ra các yêu cầu về vẽ lại bản vẽ hiện trạng kiến trúc Các yêu cầu trên lại đặt ra nhiệm vụ cho đo ảnh cần giải quyết Nhưng vướng mắc ở đây là công nghệ chụp ảnh chuyên dụng cho đo vẽ Vậy giải quyết ra sao?

Những năm đầu của thế kỉ XXI đã xuất hiện ồ ạt các loại máy chụp ảnh số phổ thông (non-metric digital camera) được dùng rộng rãi trong chụp ảnh nghệ thuật Chúng tôi sử dụng thuật ngữ này nhằm nói về loại máy chụp ảnh đại chúng trên cơ sở công nghệ số hóa, được sử dụng theo nhu cầu thông thường của người yêu thích chụp ảnh nghệ thuật, chụp ảnh lưu niệm không được thiết kế cho mục đích đo vẽ Ưu điểm của các loại máy này là gọn nhẹ, rẻ tiền và đặc biệt sản phẩm ảnh chụp được lưu trữ dưới dạng số rất thuận lợi cho việc kết nối với máy tính và nhập vào các phần mềm đo ảnh Việc áp dụng máy ảnh số loại này vào kỹ thuật đo vẽ của trắc địa ảnh đặt ra nhiều vấn đề phải quan tâm giải quyết, thành công của nó sẽ cởi bỏ một số gút mắc khó khăn về tư liệu đầu vào của đo ảnh số mặt đất Với mong muốn đóng góp phần nhỏ của trí thức bản thân cho sự phát triển đa dạng của công nghệ đo ảnh ở Việt Nam, được sự hướng dẫn tâm huyết của thầy giáo GS.TSKH Phan Văn

Lộc, tác giả đã chọn đề tài “Công nghệ đo ảnh trên cơ sở ảnh chụp từ máy

chụp ảnh số phổ thông” Đây là một mảng đề tài khá lớn đòi hỏi những

nghiên cứu lý thuyết và thực tiễn nghiêm túc

2 mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

a Mục đích của đề tài:

- Giải quyết các vấn đề về sự không chuyên dụng của ảnh số phổ thông nhằm nâng cao khả năng đo vẽ, độ chính xác của sản phẩm đo ảnh

- Giải quyết một số đặc trưng riêng khi xử lý tấm ảnh số phổ thông trên các phần mềm đo ảnh số

- ứng dụng thành công trong đo vẽ đo vẽ địa hình và phi địa hình sử dụng ảnh số phổ thông, khẳng định ưu thế của phương pháp đo ảnh

- Nâng cao trình độ tiếp cận và phục vụ sản xuất theo hướng chính xác và nhanh chóng, đơn giản mà hiện đại, đáp ứng yêu cầu thực tế

- Bổ sung kiến thức cho bản thân nhằm phục vụ tốt công tác giảng dạy tại trường đại học

b Đối tượng nghiên cứu của đề tài:

Máy chụp ảnh số phổ thông gắn liền với tính chất không chuyên dụng cho đo vẽ có thể cung cấp sản phẩm ảnh số phục vụ trong lĩnh vực đo vẽ địa hình và phi địa hình

c Phạm vi nghiên cứu của đề tài:

- Nghiên cứu xây dựng cơ sở lý thuyết kiểm định các thông số của máy chụp ảnh số phổ thông

- Nghiên cứu xây dựng chương trình và quy trình kiểm định

- Nghiên cứu sử dụng ảnh số phổ thông và các thông số kiểm định, đánh giá hiệu quả của chúng trong việc thành lập bình đồ địa hình và bản vẽ kiến trúc 3 Phương pháp nghiên cứu

- Sử dụng các tài liệu về lý thuyết kinh điển của đo ảnh làm cơ sở lý luận, viết thuật toán và chương trình

- Tìm kiếm tài liệu và cập nhật các thông tin trên mạng Internet

- Nghiên cứu tìm hiểu bản chất của quá trình đo vẽ trên phần mềm đo ảnh để tìm ra phương án phù hợp về xử lý ảnh số phổ thông

- Tiến hành các thực nghiệm để chứng minh lý thuyết, khẳng định tính khả thi và đi đến kết luận khách quan, chính xác

4 ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

ảnh chụp từ máy chụp ảnh số phổ thông ứng dụng thành công trong đo ảnh mang ý nghĩa khoa học lớn: bổ sung cơ sở khoa học về kiểm định ảnh, đo ảnh, bổ sung đa dạng cho phương pháp đo ảnh hàng không trong lĩnh vực địa hình và phi địa hình

Đề tài xuất phát từ cơ sở khoa học đo ảnh hiện đại, mang lại ý nghĩa thực tiễn về thiết bị chụp ảnh, rút ngắn thời gian của quy trình công nghệ, giảm nhẹ công tác ngoại nghiệp nhờ ưu thế của đo ảnh, phát huy tính độc lập tự cường trong điều kiện hạn chế của tài chính và công nghệ ở Việt Nam

chương 1

tổng quan về sự phát triển của công nghệ đo ảnh

Chương này trình bày bản chất, ưu thế của phương pháp đo ảnh và sự phát triển của công nghệ đo ảnh nói chung Tổng quan về tình hình phát triển của phương pháp đo ảnh mặt đất trên thế giới và ở Việt Nam, nhiệm vụ và khả năng đáp ứng yêu cầu đo vẽ của phương pháp Từ đó khẳng định cần phải phát triển phương pháp đo ảnh số mặt đất hiện đại trong điều kiện cụ thể ở nước ta phát huy sự đa dạng của đo ảnh

1.1 bản chất và nhiệm vụ của phương pháp đo ảnh

Trong các phép đo và tính của trắc địa nói chung, phương pháp đo ảnh chiếm một vị trí quan trọng Phương pháp đo ảnh với bản chất là một phương pháp đo gián tiếp thông qua hình ảnh thu nhận được theo phép chiếu xuyên tâm của đối tượng đo Nó cũng thực hiện nhiệm vụ trắc địa như các phép đo khác đó là xác định trạng thái hình học của đối tượng đo bao gồm: vị trí, hình dáng, kích thước và mối quan hệ tương hỗ của các đối tượng đo [2]

Bởi vậy, phương pháp đo ảnh có những đặc trưng riêng biệt:

- Có khả năng đo vẽ tất cả các đối tượng đo mà không nhất thiết phải

tiếp xúc hoặc đến gần chúng, miễn là các đối tượng này có thể chụp ảnh được Đối tượng đo của phương pháp đo ảnh rất đa dạng, từ các miền thực địa hình rộng lớn đến những vi vật thể nhỏ bé, từ những vật thể tĩnh đến các đối tượng có trạng thái vật lý biến đổi nhanh chóng

- Nhanh chóng thu được các tư liệu đo vẽ trong thời gian chụp ảnh, nên

cho phép giảm nhẹ công tác ngoài trời, tránh ảnh hưởng của thời tiết và môi trường đo đối với công tác đo vẽ

- Có thể đo cùng một thời điểm nhiều điểm đo khác nhau của đối tượng

đo Thuận lợi cho phép tính toán, so sánh sự biến đổi của địa hình, địa vật cũng như các công trình kiến trúc, các hiện tượng vật lý

- Quy trình công nghệ của phương pháp đo ảnh rất thuận lợi cho việc

áp dụng các thành tựu của khoa học công nghệ, tự động hoá công tác đo tính, giúp nâng cao năng suất và tính kinh tế của phương pháp

Từ những đặc trưng đa dạng của phương pháp đo ảnh hình thành hai phương pháp chính đó là phương pháp đo ảnh hàng không và phương pháp đo ảnh mặt đất

* Phương pháp đo ảnh hàng không: với các thiết bị thu nhận hình ảnh bề mặt trái đất là các máy chụp ảnh đặt trên máy bay, các tấm ảnh hàng không phục vụ đo vẽ chiếm một khối lượng lớn trong thành lập các loại bản đồ địa hình, địa chính các loại tỷ lệ đặc biệt là tỷ lệ trung bình

Những năm gần đây, các thiết bị thu nhận ảnh là các bộ cảm SenSor đặt trên tàu vũ trụ và vệ tinh nhân tạo cho những tấm ảnh vệ tinh ngày càng có độ phân giải cao cũng trợ giúp đắc lực cho công tác thành lập bản đồ, hiện chỉnh bản đồ và viễn thám trái đất

* Phương pháp đo ảnh mặt đất: các máy chụp ảnh được đặt trên mặt đất Những tấm ảnh này có khả năng thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn 1:500, 1:1000, 1:2000, 1:5000 là một phương pháp bổ sung hữu hiệu cho đo ảnh hàng không trong lĩnh vực địa hình tỷ lệ lớn chủ yếu ở những khu vực núi đá, mỏ lộ thiên mà công tác đo vẽ ngoại nghiệp gặp nhiều khó khăn Do máy đặt trên mặt đất nên có thể bố trí máy chụp rất gần đối tượng chụp ảnh

Ngoài lĩnh vực địa hình, đo ảnh khoảng cách gần có nhiều lĩnh vực ứng dụng rất đa dạng: quan trắc biến dạng công trình, đo vẽ các bản vẽ phục chế kiến trúc, trong các ngành khác như quân sự, nông lâm, y học, địa chất, giao thông thuỷ lợi

Có thể nói phương pháp đo ảnh là một phương pháp viễn thám hiện đại không chỉ của lĩnh vực khoa học trái đất mà còn của các ngành khoa học rất gần gũi với cuộc sống

1.2 sự phát triển của công nghệ đo ảnh

Sự phát triển của công nghệ đo ảnh gắn liền với sự phát triển chung của các ngành khoa học công nghệ khác, đặc biệt là các ngành khoa học công nghệ về cơ giới chính xác, công nghệ điện tử tin học Lịch sử đo ảnh luôn bám sát sự phát triển của khoa học công nghệ [10], tương ứng với quá trình này có bốn giai đoạn của phương pháp đo ảnh đó là:

1.2.1 Phương pháp đồ giải (plane table photogrammetry)

Đây là phương pháp đo ảnh thô sơ của giai đoạn hình thành phương pháp đo ảnh (1850-1900) Trong giai đoạn phát triển đầu tiên này, phương pháp đồ giải ảnh là một phương pháp giao hội thuận với các hướng được xác định từ các điểm ảnh trên ảnh mặt đất chính vì vậy nó còn có tên gọi là phương pháp giao hội ảnh hoặc phương pháp bàn đạc ảnh Nhược điểm cơ bản nhất của phương pháp này là việc nhận biết khó khăn các điểm đo cùng tên trên các tấm ảnh đơn được chụp từ các trạm chụp khác nhau Do đó, khả năng ứng dụng của phương pháp đồ giải vào công tác đo vẽ địa hình là rất hạn chế

Hình 1.1 Đồ giải ảnh trên thước Ckiridov

1.2.2 Đo ảnh tương tự (analog photogrammetry)

Đây là phương pháp đo ảnh phát triển khá rực rỡ trong giai đoạn 1900 đến 1960 với sự xuất hiện của các máy đo vẽ ảnh toàn năng cơ học, quang học và quang cơ Tư liệu đầu vào là các ảnh chụp quang học được dựng lại và đo vẽ trên các máy toàn năng khá cồng kềnh Con người phải thực hiện các thao

tác đo toàn bộ trên máy, sản phẩm đầu ra được vẽ trực tiếp trên các bản vẽ tương tự Công nghệ này là một bước phát triển lớn của công nghệ cơ học, quang học và truyền động học kết hợp với lý thuyết đo ảnh Thành công của nó là các máy đo vẽ ảnh lập thể toàn năng như Multiplex, StereoMetrograph, StereoAutograph, Topocar, Technocar, SD, SPR3, Wild A8 A7 A10 đáp ứng được các yêu cầu thành lập bản đồ của giai đoạn bấy giờ Hiện nay công nghệ này còn sử dụng rất ít trong sản xuất vì nó đã quá lạc hậu, không còn phù hợp với thời đại công nghệ thông tin

Hình 1.2 Đo vẽ bản đồ trên máy toàn năng Wild A8

1.2.3 Đo ảnh giải tích (analytical photogrammetry)

Ngay từ khi máy tính điện tử bắt đầu phát triển thì công nghệ đo ảnh đã được thừa hưởng thành quả, đo ảnh giải tích ra đời và phát triển nhanh chóng (1950 đến nay) Đo ảnh giải tích là sự kết hợp hoàn hảo của công nghệ cơ học, quang học trong đo tọa độ ảnh công nghệ số hóa trị đo và công nghệ máy tính trong thực hiện các bài toán đo ảnh giúp nâng cao độ chính xác đáng kể của đo ảnh Đó là sự kết hợp của máy đo tọa độ ảnh và máy tính cùng các phần mềm chuyên dụng cho đo ảnh giải tích Các hệ thống đo ảnh giải tích có thể kể đến đó là hệ thống Planicom P3 (Zeiss-Đức), Aviomap AMH và AMU, Aviolyt BC3(Wild-Thụy Sỹ), DSR1(Kern-Thụy Sỹ) Công nghệ đo ảnh giải tích được phát triển chủ yếu trong công tác tăng dày khống chế ảnh, công tác đo vẽ bán tự động Đó là sự phát triển cao nhất của công nghệ đo ảnh tương tự có sự áp dụng các thành tựu số hóa và công nghệ tin học

Hình 1.3 Hệ thống đo vẽ ảnh giải tích Planicom P3 của Carl Zeiss, Đức

1.2.4 Đo ảnh số (digital photogrammetry)

Mặc dù sự ra đời và phát triển của đo ảnh giải tích đã tạo ra một bước ngoặt quan trọng, nhưng vấn đề tự động hóa đo ảnh luôn là lý tưởng mà các nhà khoa học về đo ảnh theo đuổi Nếu công nghệ đo ảnh tương tự và đo ảnh giải tích, thông tin bức xạ của ảnh trong khả năng nhận dạng điểm cùng tên được thực hiện một cách thủ công hoặc bán tự động bằng mắt người dựa trên cặp ảnh tương tự, thì trong phương pháp đo ảnh số các thông tin bức xạ trở thành một đối tượng chính được số hoá, xử lý và nhận dạng tự động trên máy tính Đó là điểm khác biệt lớn nhất của đo ảnh số so với các phương pháp truyền thống

Hình 1.4 Trạm đo vẽ ảnh số ImageStation Z/I Intergraph, Mỹ

Đỉnh cao của sự phát triển này là trạm đo vẽ ảnh số, nó được phát triển vào thập kỷ 90 của thế kỷ XX và ngày càng hoàn thiện Trạm đo ảnh số là sản phẩm tuyệt vời của sự kết hợp giữa cơ sở lý thuyết ngành đo ảnh giải tích với công nghệ điện tử tin học và nhận dạng để thực hiện các chức năng đo ảnh Sản phẩm của đo ảnh số rất đa dạng như : Bản đồ số, mô hình số, bình đồ ảnh số với khả năng lưu trữ, cập nhật, kết nối GIS, LIS dễ dàng Có thể kể tới một số phần mềm đo ảnh số thông dụng như: ImageStation của Intergraph-Mỹ, Photomod của Racus-Nga, 3Dmapper- Australia Ngày nay, đo ảnh số là phương pháp chủ yếu để thực hiện các nhiệm vụ đo vẽ bằng ảnh

1.3 đo ảnh mặt đất trên thế giới

Đo ảnh mặt đất (Terrestrial Photogrammetry) là một công nghệ ra đời từ rất sớm trong lĩnh vực đo vẽ nói chung Ngay từ giai đoạn hình thành phương pháp đo ảnh (1850-1900), nhà khoa học người Pháp A.Laussedat (1819-1907) và người Đức A.Meydenbauer (1834-1921) đã có những thí nghiệm thành công về ứng dụng kỹ thuật chụp ảnh mặt đất đơn giản Tại triển lãm Paris 1867, Laussedat đã trình bày những kiến thức đầu tiên về máy kinh vĩ chụp ảnh (Phototheodolite) và mặt bằng trực quan của Paris bằng ảnh chụp mặt đất Cùng thời gian này Meydenbauer đã thiết kế máy chụp ảnh chuyên dụng đầu tiên cho đo vẽ ảnh Đó là một máy kinh vĩ chụp ảnh có kính vật góc rộng tới 1050 sử dụng kích cỡ phim chụp lớn 40x40cm Nó đã được ông ứng dụng trong thành lập bình đồ địa hình của vùng Freyburg, Đức và đo vẽ các yếu tố kiến trúc của nhà thờ Thánh Mary Đó là giai đoạn đầu của sự ứng dụng phương pháp giao hội ảnh hoặc phương pháp bàn đạc ảnh trong đo vẽ bản đồ (Plane Table Photogrammetry)[10]

Năm 1896 tại Canada, E.Deville (1849-1924) đã giới thiệu phương pháp đo vẽ lập thể Ông đã ứng dụng thành công trong thành lập bình đồ địa hình các vùng núi đá của Canada bằng ảnh lập thể mặt đất Sau này TS Carl Fulfrich (1858-1929) đã phát triển và chế tạo thành công máy đo tọa độ ảnh lập thể Stereokomparator tại xưởng Zeiss Năm 1907 tại Đức, Ritter Von Orel

(1877-1941) dựa trên nguyên mẫu máy Stereocomparator của C.Fulfrich và cơ sở đo ảnh mặt đất áp dụng cho vùng núi đã phát triển máy toàn năng đo ảnh mặt đất StereoAutograph [10] Việc này mở ra kỷ nguyên áp dụng rộng rãi phương pháp đo ảnh mặt đất trong lĩnh vực địa hình tỷ lệ lớn

Song song với sự phát triển của đo ảnh hàng không, đo ảnh mặt đất cũng được thừa hưởng thành quả Phương pháp xử lý giải tích ảnh trong loại trừ sai số hệ thống của tấm ảnh và tính toán giúp nâng cao độ chính xác của đo ảnh mặt đất ứng dụng trong quan trắc biến dạng công trình

Từ những năm 90 của thế kỉ 20, phương pháp đo ảnh số đã bắt đầu phát triển và ứng dụng rộng khắp Các trạm đo ảnh số chuyên dùng cho ảnh hàng không như ImageStation-Intergraph, Helava-Leica Geosystem, Photomod-Racur, 3DMapper đã khẳng định sự hiệu quả và ứng dụng trong thành lập bản đồ, xây dựng mô hình số, kết nối GIS Đo ảnh mặt đất cũng có những ứng dụng riêng cho mình, hãng ADAM (ADAM-Technology, Australia) đã giới thiệu phần mềm 3DMAnalyst trong đo vẽ địa hình khu mỏ lộ thiên [11] Hãng EosSystem-Canada đã chào bán phần mềm Photomodeler Pro ứng dụng ảnh số phổ thông trong đo vẽ kiến trúc và các đồ vật [12] Hãng Photometrix Pty Ltd giới thiệu phần mềm iWitnet trong đo vẽ hiện trường các vụ tai nạn giao thông sử dụng máy chụp ảnh số [13] Ngoài ra còn rất nhiều các nghiên cứu ứng dụng khác của đo ảnh số mặt đất như: tính toán khối lượng gỗ của cây rừng trong lâm nghiệp khai thác gỗ [14], theo dõi sự phát triển của cơ thể người và động vật trong y tế và nông nghiệp [15], sử dụng khả năng của đo ảnh trong hỗ trợ loại bỏ các chướng ngại vật trên đường sắt [16] Đo ảnh số mặt đất đã phát huy triệt để các ứng dụng đa dạng của đo ảnh

1.4 Đo ảnh mặt đất tại việt nam

Từ những năm 70 của thế kỉ 20, phương pháp đo vẽ chụp ảnh mặt đất mới được ứng dụng ở nước ta trong việc đo vẽ bản đồ địa hình tỷ lệ lớn ở các vùng khai thác công nghiệp (mỏ than, mỏ đá) với các trang thiết bị tương đối đồng bộ như: máy kinh vĩ chụp ảnh PhotoTheodolite19/1318, máy đo ảnh mặt

đất toàn năng StereoAutograph EL1318 Các cán bộ kỹ thuật trắc địa ảnh cũng đã có một số ứng dụng thành công công nghệ này, thầy Phan Văn Lộc và các đồng nghiệp trong bộ môn Trắc Địa ảnh đã thành lập bình đồ địa hình bằng ảnh lập thể mặt đất tại khu mỏ than Hà Tu năm 1971 và mỏ đá Hoàng Mai năm 1972 Năm 1973, tại Trường Đại học Tổng hợp Dresden-Đức, thầy Trương Anh Kiệt đã bảo vệ thành công luận án phó tiến sĩ “Phương pháp đo ảnh trong phạm vi gần và ứng dụng của nó trong các thí nghiệm công trình” Năm 1989 việc xác định khối lượng bóc dỡ đất đá tại một số mỏ than Quảng Ninh được TSKH Ngô Phúc Hưng tiến hành thử nghiệm, do nhiều khó khăn kỹ thuật công việc này đã không được hoàn thành trọn vẹn Từ đó đến nay công nghệ đo ảnh mặt đất ứng dụng trong địa hình tỷ lệ lớn tại nước ta vẫn chỉ dừng ở đó Năm 2000 tại hội nghị khoa học kỹ thuật của Trường Đại học Mỏ Địa chất, TS Phạm Vọng Thành đã trình bày khả năng sử dụng ảnh số từ máy chụp ảnh số phổ thông trong đo vẽ đồ vật là một bức tượng Đây là một nghiên cứu ban đầu về máy chụp ảnh số phổ thông trong lĩnh vực phi địa hình Năm 2004, trong nội dung hợp tác khoa học Việt Nam-Ba Lan giữa Trường Đại học Mỏ Địa chất Hà Nội và Trường Đại học Mỏ Luyện kim Crakov, các cán bộ kỹ thuật của Bộ môn Trắc Địa Mỏ và Trắc Địa ảnh với sự chỉ đạo của GS.TSKH Phan Văn Lộc đã nghiên cứu lý thuyết cùng thực nghiệm áp dụng thành công ảnh số phổ thông trong đo vẽ địa hình mỏ lộ thiên phục vụ tính toán khối lượng khai thác định kì tại mỏ Cọc Sáu Đây là đầu tiên ở Việt Nam việc áp dụng máy chụp ảnh số phổ thông vào đo vẽ địa hình trong khoảng cách lớn đến 500m

Có thể nói đo ảnh mặt đất tại nước ta đã có những ứng dụng thành công nhất định, tuy nhiên các ứng dụng này chỉ dừng lại ở một quy mô nhỏ hẹp và chưa triệt để

1.5 cơ sở lý thuyết đo ảnh mặt đất

1.5.1 Các yếu tố định hướng của ảnh mặt đất

Tấm ảnh mặt đất (cũng như ảnh hàng không) về quan điểm hình học là hình ảnh xuyên tâm của đối tượng chụp Tại thời điểm bấm máy chụp của quá trình chụp ảnh, vị trí phối cảnh giữa ảnh, tâm chụp và vật được thiết lập Trong phép chiếu ngược, muốn xác định tọa độ của các điểm trên đối tượng đo nhất thiết phải khôi phục lại vị trí đó giữa tâm chiếu, ảnh đo và vật (xây dựng mối

quan hệ chiếu hình tương ứng giữa ảnh đo và đối tượng đo) đó chính là định

Một tấm ảnh thông thường có 6 yếu tố định hướng ngoài đó là: + Tọa độ không gian của tâm chụp trong hệ tọa độ trắc địa XS, YS, ZS+ Các góc định hướng (góc xoay) chuyển các trục của hệ tọa độ không gian ảnh về tương ứng song song với các trục của hệ tọa độ trắc địa α, ω, χ Như vậy, vị trí một tấm ảnh được xác định khi biết được 3 yếu tố định hướng trong và 6 yếu tố định hướng ngoài Cặp ảnh lập thể được xác định bởi 3 yếu tố định hướng trong (nếu chụp cùng một máy chụp) và 12 yếu tố định hướng ngoài: f, xo, yo, XS1, YS1, ZS1 , α1 , ω1 , χ1 ,XS2, YS2, ZS2 , α2 , ω2 , χ2

Hình 1.5 Các yếu tố định hướng ngoài của cặp ảnh lập thể mặt đất

Ngoài ra do đặc tính của chụp ảnh mặt đất là các trạm chụp được đặt cố định trên mặt đất nên trong chụp ảnh lập thể mặt đất người ta còn dùng một hệ thống các yếu tố định hướng ngoài khác gồm 12 yếu tố :

XGS1, YGS1, ZGS1 - tọa độ trắc địa của tâm chụp trái, A - góc phương vị của đường đáy,

ψ - góc nằm ngang tại tâm chụp trái,

B - chiều dài nằm ngang của cạnh đáy chụp ảnh, h - chênh cao giữa hai đầu đường đáy,

γ - góc giao của hình chiếu hai trục quang chính ảnh trái và ảnh phải trên mặt phẳng,

ω1 , χ1- góc nghiêng và góc xoay của ảnh trái, ω2 , χ2 - góc nghiêng và góc xoay của ảnh phải

1.5.2 Các dạng chụp cơ bản của ảnh lập thể mặt đất

Tuỳ thuộc vào vị trí trục quang hai đầu đường đáy chụp ảnh và giá trị

các yếu tố định hướng ngoài của cặp ảnh, có các dạng chụp cơ bản là: tổng

quát, giao nhau, xiên đều, nghiêng đều và thẳng

Dạng chụp tổng quát: các góc yếu tố định hướng ngoài của cặp ảnh lập

thể có giá trị bất kỳ

Quá trình chụp ảnh máy ảnh được đặt cố định ở các trạm chụp và được định hướng trước khi chụp trên mặt đất, nên có các dạng chụp đặc biệt của dạng chụp tổng quát khi các góc xoay của ảnh, góc nghiêng của trục quang buồng máy chụp bằng 0 (trục quang luôn nằm ngang)

Hình 1.6 Dạng chụp giao nhau, dạng chụp xiên đều và dạng chụp thẳng

Dạng chụp giao nhau : hướng trục quang hai đầu đường đáy chụp ảnh

giao nhau một góc γ ≠ 0, và ψ < 900 (α1=ω1=χ1=0 , α2 = -γ , ω2=χ2=0)

Dạng chụp xiên đều : hướng hai trục quang hai đầu đường đáy chụp

ảnh song song nhau γ = 0, (ψ > 900 xiên đều trái, ψ < 900 xiên đều phải).

Dạng chụp nghiêng đều : sử dụng khi chụp các công trình có chiều cao

lớn, hướng trục quang hai đầu đường đáy song song với nhau và thẳng góc với đường đáy chụp ảnh, có góc nghiêng đều bằng nhau ω1=ω2≠ 0

Dạng chụp thẳng : hướng trục quang hai đầu đường đáy nằm ngang và

song song với nhau và thẳng góc với đường đáy chụp ảnh γ = 0, ψ = 900

1.5.3 Công thức xác định tọa độ điểm chi tiết bằng ảnh mặt đất

Xác định tọa độ điểm chi tiết A khi đã xác định các yếu tố định hướng của cặp ảnh và tọa độ đo được trên cặp ảnh của hai điểm ảnh cùng tên a1 và a2 Đó chính là công thức giao hội thuận đo ảnh từ hai đầu đường đáy của cặp ảnh lập thể Công thức này đơn giản hay phức tạp tùy thuộc vào dạng chụp của cặp ảnh lập thể mặt đất

Hình 1.7 Xác định tọa độ điểm chi tiết bằng ảnh mặt đất

Trong trường hợp tổng quát, tọa độ điểm chi tiết sẽ được xác định theo công thức:

(1.1)

X, Y, Z - tọa độ điểm chi tiết,

BX, BY, BZ, - các thành phần tọa độ của đường đáy chụp ảnh, X’1, Y’1, Z’1 - tọa độ điểm ảnh trái trong hệ không gian đo ảnh trái,

X’2, Y’2, Z’2 - tọa độ điểm ảnh phải trong hệ không gian đo ảnh phải, N1, N2 - hệ số tỷ lệ tại điểm ảnh trái và điểm ảnh phải

1.5.4 Độ chính xác tọa độ điểm chi tiết xác định bằng ảnh mặt đất

Độ chính xác tọa độ điểm chi tiết phải dựa trên yêu cầu về độ chính xác bản đồ cần thành lập Việc ước tính độ chính xác tọa độ điểm chi tiết được tính dựa trên công thức đơn giản áp dụng cho dạng chụp xiên đều là:

(1.2)

trong đó:

mX, mY, mZ - sai số trung phương tọa độ điểm chi tiết,

mx, mz, mp - sai số trung phương đo tọa độ điểm ảnh và thị sai ngang, mBB - sai số trung phương đường đáy chụp ảnh,

B - độ dài đường đáy chụp ảnh, f - tiêu cự máy chụp ảnh, x1, z1 - tọa độ điểm ảnh trái,

Y - khoảng cách từ điểm chi tiết tới gốc tọa độ tâm chụp trái Ψ - góc nằm ngang tại tâm chụp trái

Nhìn vào công thức 1.2 ta nhận thấy:

- Sai số đo tọa độ điểm ảnh, sai số đo đường đáy ảnh hưởng tới độ chính xác tọa độ điểm chi tiết tỉ lệ thuận với Y

- Sai số đo thị sai ngang ảnh hưởng tỉ lệ thuận với Y2

- Điểm chi tiết càng xa đường đáy (Y càng lớn) thì càng sai nhiều - Thành phần tọa độ Y có sai số lớn nhất so với thành phần X, Z

- Dạng chụp thẳng có độ chính xác điểm chi tiết cao hơn dạng chụp xiên đều (khi Ψ=900)

1.6 yêu cầu thực tiễn đặt ra cho đo ảnh mặt đất

Trong lĩnh vực địa hình, sự xuất hiện các máy toàn đạc điện tử, máy định vị vệ tinh GPS đã đẩy mạnh công tác trắc địa lên một giai đoạn phát triển mới, tạo khả năng đo vẽ nhanh, độ chính xác cao Tuy nhiên một số khó khăn truyền thống vẫn không thể vượt qua được, đó là sự leo trèo của người đi máy, đi mia ở ngoài thực địa Điều kiện làm việc với các phương tiện đó vừa vất vả, lệ thuộc nhiều vào thiên nhiên, khó cải thiện điều kiện an toàn lao động Do mức độ khó khăn của địa hình, do nhịp độ sản xuất tại hiện trường, người trắc địa khó có được một số lượng lớn các điểm đo trực tiếp và không thể ghi nhận các điểm đo trong cùng một thời điểm

Ai cũng rõ là chụp ảnh mặt đất cho phép ghi nhận thực địa (đối tượng đo vẽ) gần như trong cùng một thời điểm Việc xác định các yếu tố cần khảo sát được tiến hành trên mô hình lập thể Do vậy có những ưu điểm rõ rệt sau đây:

- Hạn chế đến mức tối đa các ảnh hưởng của địa hình phức tạp, thời tiết và nhịp độ vận động từ các hoạt động tại hiện trường

- Đo đạc trên mô hình lập thể nên cải thiện đáng kể điều kiện làm việc của người trắc địa

- Tạo khả năng thuận lợi để ứng dụng các tiến bộ trong tự động hoá, ứng dụng nhiều phương pháp thích hợp để xử lý số liệu nâng cao độ chính xác và hiệu quả kinh tế

Trong lĩnh vực phi địa hình, việc đo vẽ các bề mặt kiến trúc là yêu cầu cấp thiết nhằm phục chế, lưu trữ các bản vẽ của các công trình quan trọng Việc đo vẽ các đồ vật ở khoảng cách gần phục vụ mục đích nghiên cứu nghệ thuật, y tế là rất cần thiết Các nhiệm vụ trên đặt ra cho đo ảnh mặt đất giải quyết

Việc ứng dụng đo ảnh mặt đất trong đo vẽ địa hình và phi địa hình tuy có nhiều thuận lợi nhưng đi theo công nghệ truyền thống của đo ảnh tương tự sẽ không có tính khả thi về kỹ thuật, thời gian, hiệu quả và kinh tế Trong điều kiện hiện tại và vì sự phát triển đa dạng của đo ảnh, sự lựa chọn phương pháp đo ảnh số là duy nhất hiện nay

1.7 công nghệ đo ảnh số mặt đất

Trong công nghệ đo ảnh số mặt đất từ đối tượng đo, thiết bị chụp ảnh, công cụ xử lý được sản phẩm đo, nếu chụp ảnh đối tượng đo bằng máy kinh vĩ chụp ảnh chuyên dụng thì phải thông qua máy quét ảnh chuyên dụng để chuyển khuôn dạng tương tự của “phim kính” sang dạng số sau đó nhập vào trạm đo ảnh số Điều này dẫn đến một số khó khăn là: máy móc chụp ảnh khá cồng kềnh, các dạng chụp yêu cầu đặc biệt và chặt chẽ (chụp xiên đều, chụp giao nhau, chụp thẳng), “phim kính” đặc dụng thiếu thốn phải nhập ngoại, không đáp ứng được yêu cầu sản phẩm số một cách nhanh chóng do phải quét ảnh cho nên công nghệ số đi theo hướng truyền thống sẽ không hiệu quả về thời gian và kinh tế

Hình 1.8 Công nghệ đo ảnh số mặt đất

Sử dụng máy chụp ảnh số chuyên dụng (DMC, ADS40 ), các máy này sản xuất chủ yếu phục vụ cho đo ảnh hàng không rất đắt tiền và hiện tại ở nước ta chưa nhập loại máy này Hơn nữa ứng dụng nó chụp trong một không gian hẹp thì không kinh tế Phương án sử dụng máy chụp ảnh số chuyên dụng cũng không khả thi

Máy chụp ảnh số phổ thông (non-metric digital camera) với độ phân giải cao xuất hiện nhiều trên thị trường có thể giải quyết khúc mắc ở tư liệu đầu vào trong công nghệ đo ảnh số Bởi vì các lý do sau:

- Máy chụp ảnh số: ngày càng có độ phân giải cao và ngày càng rẻ - Công tác chụp ảnh gọn nhẹ, nhanh chóng, tư liệu chụp nhiều, khuôn dạng ảnh số dễ dàng nhập vào máy tính không cần máy quét ảnh

Việc áp dụng máy chụp ảnh số phổ thông vào công tác đo vẽ phi địa hình ở trên thế giới là khá phổ biến, nhưng ở Việt Nam thì vẫn còn khá mới

mẻ áp dụng loại máy này vào lĩnh vực địa hình với khoảng cách chụp lớn hơn 100m thì cả ở trên thế giới và Việt Nam đều chưa thành công về độ chính xác Vấn đề cần giải quyết là sự không chuyên dụng của máy chụp ảnh và các đặc trưng xử lý truyền thống của ảnh số nhằm nâng cao khả năng đo vẽ địa hình và phi địa hình ở Việt Nam, đây là hướng giải quyết cơ bản của luận văn

- Việc phát triển các ứng dụng trong lĩnh vực địa hình tỷ lệ lớn và phi địa hình sử dụng ảnh số phổ thông tại Việt Nam cần được quan tâm, phát triển và hoàn thiện

Chương 2

máy chụp ảnh số phổ thông vμ phương pháp kiểm định

Chương này giới thiệu về thiết bị thu nhận hình ảnh không chuyên dụng cho đo ảnh, đó là máy chụp ảnh số phổ thông Nguyên lý tạo ảnh, nguyên nhân gây sai số vị trí điểm ảnh của máy chụp ảnh số phổ thông Phương pháp kiểm định, thuật toán và chương trình kiểm định, phân tích các kết quả kiểm định Từ đó khẳng định kiểm định máy chụp ảnh số là không thể thiếu và kết quả kiểm định máy chụp ảnh số phổ thông rất cần thiết trong đảm bảo độ chính xác của công tác đo vẽ ảnh

2.1 máy chụp ảnh số phổ thông

Máy chụp ảnh số phổ thông là loại máy ảnh số thông dụng trên thị trường phục vụ cho mục đích chính là chụp ảnh nghệ thuật Đối với đo ảnh các máy chụp ảnh loại này có các thuật ngữ gọi là: non-metric digital camera, amateur digital camera, unprofessional digital camera [17] Đó là các máy không chuyên dụng cho đo ảnh Các loại máy này có độ phân giải ngày càng cao và giá thành rẻ, kiểu máy nhẹ nhàng, cơ động, dễ chụp và hiện đại

Hình 2.1 Máy chụp ảnh số Sony CyberShot Pro DSC-F828

Về đặc điểm cấu tạo, máy chụp ảnh số phổ thông có các phần chính như: thân máy chứa các bộ phận cấu thành, hệ thống kính vật cùng bộ điều chỉnh chế độ thu phóng, bộ cảm CCD nhận ảnh, các vi mạch điện tử, thẻ nhớ

lưu trữ hình ảnh chụp dạng số, các phím điều chỉnh các chức năng chụp theo phần mềm có trong máy Ngoài ra, máy chụp ảnh số còn các bộ phận phụ trợ khác như: đèn Flash, màn hình hiển thị, pin sạc

Bảng 2.1 Một số máy chụp ảnh số phổ thông có độ phân giải tốt Hình dáng Đặc điểm chính

Tên gọi : Sony CyberShot Pro DSC-F707 Hãng sản xuất : Sony, Nhật Bản

Ra đời : 9 -2002

Kênh chụp: toàn sắc, hồng ngoại Bộ cảm CCD đơn: 5 triệu pixel Bộ nhớ : 128 MB

Tên gọi : Sony CyberShot Pro DSC-F828 Hãng sản xuất : Sony, Nhật Bản

Ra đời : 8 -2003

Kênh chụp: toàn sắc, hồng ngoại Bộ cảm CCD đơn: 8 triệu pixel Bộ nhớ : 256 MB

Tên gọi : NIKON CoolPix 8700 Hãng sản xuất : Nikon, Nhật Bản Ra đời : 2003

Kênh chụp: toàn sắc, hồng ngoại Bộ cảm CCD đơn: 8 triệu pixel Bộ nhớ : 256 MB

Nếu đặt máy chụp ảnh loại này trong sự so sánh với một số máy chụp ảnh kỹ thuật số chuyên dụng cho đo ảnh hàng không sẽ thấy rõ sự khác biệt về tính phổ thông và chuyên dụng Một điều nữa là giá thành của máy chụp ảnh chuyên dụng đắt gấp khoảng 100 lần so với máy chụp ảnh số phổ thông

Bảng 2.2 Một số máy chụp ảnh kỹ thuật số chuyên dụng Hình dáng Đặc điểm chính

Hãng sản xuất : Leica Geosystems, Thụy Sĩ Ra đời : 7 - 2000

Kênh chụp: toàn sắc, đỏ, lục, chàm, cận hồng ngoại Bộ cảm CCD tích hợp hàng : 12000pixel/hàng/kênh đa phổ, 24000 pixel/hàng/kênh toàn sắc

Bộ nhớ : 200-500 GB 2.2 Một số đặc trưng của ảnh số

2.2.1 ảnh số

Hình 2.2 Ma trận độ xám của ảnh số

ảnh số là một mảng hai chiều của các phần tử ảnh có cùng kích thước được gọi là pixel (picture element) Mỗi pixel được xác định bằng tọa độ hàng (i), tọa độ cột (j) và độ xám g(i,j) Độ xám của mỗi pixel được mã hóa theo đơn vị thông tin là bit Thông thường pixel ảnh toàn sắc mã hóa theo 8bit=1byte tức là 28=256 bậc độ xám, pixel ảnh màu được tổ hợp từ ba băng đỏ R(256), lục G(256), chàm B(256) tương ứng với 24bit=3byte có 256x256x256 màu

ảnh số có thể được thu nhận thông qua máy quét ảnh tương tự, máy chụp ảnh số hoặc SenSor quét của vệ tinh

2.2.2 Độ phân giải của ảnh số

Độ phân giải của tư liệu ảnh số là mối quan tâm hàng đầu của công nghệ đo ảnh số Có hai loại độ phân giải cần quan tâm là độ phân giải không gian và độ phân giải độ xám

* Độ phân giải không gian: Là khoảng cách hình học tối thiểu giữa hai đối tượng mà chúng phân chia và tách biệt với nhau trên ảnh Biểu thị cho độ phân giải không gian là: kích cỡ pixel và DPI (Dot Per Inch)

+ Độ phân giải theo kích cỡ pixel thể hiện độ rộng của một pixel Kích cỡ pixel càng nhỏ thì độ phân giải càng cao, thường tính theo đơn vị μm

+ Độ phân giải DPI: là số lượng pixel chứa trong một inch (đơn vị đo lường của Anh: 1inch = 25,4mm) Số pixel trên 1 inch càng nhiều thì độ phân giải càng cao

Hai cách biểu thị này có thể chuyển đổi cho nhau theo công thức: 25,4.103

Độ phân giải kích cỡ pixel =

số pixel DPI μm 25,4.103

* Độ phân giải độ xám (Radiometric): là sự thay đổi nhỏ nhất về độ xám mà hai pixel phân biệt được với nhau trên ảnh Thông thường lấy 256 bậc để biểu thị độ xám trong ảnh toàn sắc và 224 (24 bit) bậc màu trong ảnh màu Ngoài ra còn có độ phân giải phổ phụ thuộc vào sự cảm biến theo bước sóng ánh sáng của bộ cảm SenSor, thường quan tâm nhiều ở ảnh vệ tinh

2.2.3 Nguyên lý tạo ảnh của máy chụp ảnh số

Hình 2.3 Nguyên lý tạo ảnh của máy chụp ảnh số

Nguyên lý tạo ảnh của máy chụp ảnh số cũng giống như nguyên lý tạo ảnh của máy chụp ảnh thông thường Điểm khác biệt lớn nhất của máy chụp ảnh số là không dùng phim halogel Bạc để lưu trữ hình ảnh với độ nhạy cao mà dùng bộ cảm biến ánh sáng CCD để lưu hình ảnh tạm thời kết hợp với bộ chuyển đổi A/D (Analog to Digital) để mã hóa tạo ảnh số lưu trữ trong đĩa cứng CCD đóng vai trò là “phim” trong máy chụp ảnh số

2.2.4 Bộ cảm CCD

Bộ cảm CCD (Charge Coupled Device) là một thiết bị tích điện kép được sáng chế bởi các nhà khoa học của phòng thí nghiệm Bell bang New Jerney Mỹ những năm 60 của thế kỷ trước CCD được ứng dụng rộng rãi trong ngành chụp ảnh, quét ảnh, quay phim số, thiên văn học [20]

Hình 2.4 Một số CCD nhìn ở bên ngoài

Mảng CCD gồm tập hợp các tế bào quang điện rất nhỏ làm bằng chất bán dẫn nhạy sáng (photodiot) tựa trên hợp chất silic, mỗi tế bào quang điện tương ứng là một pixel Số lượng và kích cỡ các tế bào quang điện cùng với độ lớn của mảng CCD chính là yếu tố quyết định độ phân giải của ảnh số

Khi ánh sáng đập lên CCD, cường độ ánh sáng giải phóng điện tử trên mỗi tế bào quang điện, sau đó chuyển thành dòng điện nhỏ có cường độ tuỳ thuộc vào cường độ chiếu sáng trên mỗi tế bào quang điện, tức là liên quan tới số lượng điện tử được giải thoát và được mã hóa thành độ xám lưu trữ theo vị trí của các sensor-pixel thành phần tạo nên ảnh số và chuyển vào bộ nhớ

Hình 2.5 Nguyên lý tạo ảnh trên CCD

Từ khi CCD ra đời nó đã thống trị trong các lĩnh vực liên quan đến công nghệ ảnh số vì CCD có nhiều ưu điểm như: độ nhiễu nhỏ (các sensor tương ứng được đặt cố định và dùng chung một nguồn điện), chất lượng lượng tử và chuyển đổi số cao, thu phóng dễ dàng (thay đổi độ phân giải), khả năng giảm nhiễu phản xạ tốt tuy vậy CCD cũng có một số nhược điểm: vì phải có quá nhiều sensor chip trên khung CCD dẫn tới phải chuyển đổi nhiều tín hiệu điện cùng một lúc, tốc độ ghi ảnh chậm, khó có thể nâng cao độ phân giải nếu cứ phải giảm nhỏ kích cỡ của tế bào quang điện Đối trọng với CCD, từ giữa những năm 90 thế kỉ trước phòng thí nghiệm phản lực của NASA (Mỹ) đã giới thiệu công nghệ CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) [21] kết hợp tất cả các bộ phận như sensor, đọc ảnh, xử lý chuyển đổi trên một chip nên tốc độ ghi ảnh “pixel động” nhanh, tốn ít năng lượng nó được dùng rất nhiều trong công nghệ quay video số, chụp ảnh số, công nghệ vi mạch CMOS là công nghệ nano có yêu cầu kỹ thuật chế tạo rất cao và đắt tiền Phần lớn các máy chụp ảnh số hiện nay đều vẫn dùng CCD

Hiện nay, vị trí, kích thước của các sensor trên CCD được chế tạo, sắp xếp rất chính xác Bởi vậy, quá trình lộ quang nhanh và ghi ảnh của bản thân

mặt CCD không ảnh hưởng đến vị trí điểm ảnh hay nói chính xác hơn là ảnh hưởng rất bé Vậy nguyên nhân chính của sự xê dịch vị trí điểm ảnh của bản thân máy chụp ảnh sẽ nằm ở hệ thống kính vật

2.3 hệ thống kính vật của máy chụp ảnh số

Hình 2.6 Hệ thống kính vật của máy chụp ảnh số

Hệ thống kính vật của máy chụp ảnh số là một tổ hợp của các thấu kính hội tụ và phân kì loại bỏ sắc sai, cầu sai và để có khả năng thay đổi tiêu cự theo chế độ thu phóng (Zoom) nhằm tạo ảnh hội tụ rõ nét trên CCD Hệ thống kính vật loại này tuy chất lượng rất cao (tạo ảnh rất nét) nhưng độ chính xác hình học thì lại thua kém kính vật của máy chụp ảnh chuyên dụng (RC30, RMK-TOP, DMC, ADS-40) Có nghĩa là sai số méo hình kính vật lớn dẫn tới sự xê dịch vị trí điểm lớn Một đặc điểm nữa là sự thu phóng chính là nguyên nhân gây thay đổi tiêu cự dẫn tới cả sự thay đổi tọa độ điểm chính ảnh và hệ số méo hình Trong đo ảnh thì các yếu tố rất quan trọng này cần giữ được sự ổn định vì nó ảnh hưởng rất lớn tới độ chính xác của các kết quả đo cuối cùng Như vậy, vấn đề mấu chốt ở đây là phải có chế độ chụp “ổn định” trong mức độ cho phép, và phải kiểm nghiệm các yếu tố định hướng trong, các hệ số méo hình của hệ thống kính vật máy chụp ảnh số phổ thông

2.4 Kiểm định máy chụp ảnh số phổ thông

2.4.1 Sự cần thiết phải kiểm định

Trong đo ảnh, các sai số hệ thống gây nên sai lệch vị trí điểm ảnh cần được loại trừ, các sai số này bao gồm:

- Sai số do chiết quang khí quyển và độ cong trái đất,

- Sai số biến dạng phim ảnh,

- Sai số do độ sai lệch các yếu tố định hướng trong, - Sai số méo hình kính vật

Đối với đo ảnh khoảng cách gần dùng máy chụp ảnh số phổ thông: sai số do chiết quang, độ cong trái đất chưa cần quan tâm vì khoảng cách chụp gần trong không gian hẹp Sai lệch biến dạng phim ảnh là nói đến chụp ảnh truyền thống, sai số này hiệu chỉnh nhờ các mấu khung tọa độ, tuy nhiên ảnh số của máy chụp ảnh số phổ thông không có mấu khung tọa độ, ảnh số này được tạo nên nhờ mảng CCD Công nghệ nano sắp xếp các tế bào quang điện tạo mảng CCD là rất chính xác, sự tạo ảnh trên CCD ở phần 2.2.4 là gần như không có sai số, sai số này sẽ được kiểm định và hiệu chỉnh tổng hợp cùng sai số méo hình Hệ thống kính vật của máy chụp ảnh số phổ thông tuy chất lượng cao, cho hình ảnh nét nhưng ảnh số được tạo chỉ nhằm mục đích nghệ thuật, sự xê dịch vị trí điểm ảnh bởi méo hình kính vật rất lớn vì tính không chuyên dụng cho đo ảnh và chế độ thu phóng lúc chụp

Như vậy, các thông số kiểm định ảnh của máy chụp ảnh số phổ thông là các yếu tố định hướng trong là tiêu cự, tọa độ điểm chính ảnh và các hệ số méo hình Các thông số này là một phần không thể thiếu của đo ảnh nói chung, nó phục vụ công tác định hướng trong khôi phục chùm tia xây dựng mô hình, hiệu chỉnh sự xê dịch vị trí điểm ảnh nâng cao độ chính xác Nếu không có các thông số này ảnh số phổ thông chỉ có ý nghĩa “nghệ thuật” thuần tuý Khi nhà sản xuất cung cấp máy chụp ảnh số phổ thông thì chỉ cung cấp khoảng tiêu cự dao động, không cung cấp tọa độ điểm chính ảnh, hệ số méo hình Do vậy vấn đề kiểm định các thông số máy chụp ảnh số phổ thông là nhiệm vụ cần quan tâm hàng đầu

2.4.2 Các phương pháp kiểm định

a Phương pháp kiểm định trong phòng thí nghiệm

* Kiểm định máy chụp ảnh sử dụng thiết bị chuyên dụng đắt tiền đặt trong phòng thí nghiệm như máy chuẩn trực như ở hình 2.7 Công việc này

chủ yếu dành cho kiểm định các thông số của máy chụp ảnh hàng không chuyên dụng

Hình 2.7 Phòng kiểm định máy chụp ảnh Carl Zeiss, Oberkochen, Đức

* Kiểm định ảnh khi chụp các makét chuẩn (lưới chuẩn) với khoảng cách rất gần ở các vị trí góc nhìn khác nhau, đo vẽ và tính toán các thông số kiểm định Công tác kiểm định này có tính đơn giản, nhanh chóng và khả thi cao Các kết quả đạt được có thể áp dụng cho đo ảnh phi địa hình trong khoảng cách gần

b Công tác tự kiểm định tại thực địa

Hình 2.8 Tự kiểm định bằng các điểm khống chế tại thực địa

Khi chụp ảnh tại thực địa dùng để phục vụ đo vẽ, bố trí thêm một vài điểm khống chế kiểm tra khi xử lý định hướng tự hiệu chỉnh các sai lệch vị trí điểm ảnh cho mô hình Phương pháp này buộc phải đo vẽ các điểm khống chế nhiều hơn trong từng mô hình dẫn tới phần ngoại nghiệp lại tăng lên, độ chính xác của các điểm khống chế cũng cần quan tâm đặc biệt hơn, vì nó ngoài nhiệm vụ định hướng mô hình còn phải kiểm định các thông số máy chụp ảnh Các thông số hiệu chỉnh bị triệt tiêu trong quá trình định hướng, nên lúc đo vẽ thì không có các thông số này để hiệu chỉnh vị trí điểm ảnh dẫn tới độ chính xác các điểm chi tiết không được đảm bảo Phương pháp này không có tính khả thi về hiệu quả kỹ thuật và kinh tế

c Công tác kiểm định với các bãi kiểm định chuẩn

Xây dựng một bãi kiểm định chuẩn đơn giản bao gồm các điểm chuẩn từ các đường chuẩn thẳng đứng hoặc các điểm được đánh dấu rõ nét được đo vẽ ngoại nghiệp cẩn thận, có các điểm gần và xa, tiến hành chụp ảnh, đo vẽ trên ảnh và tính toán các thông số kiểm định theo thuật toán và chương trình kiểm định xây dựng nên

Hình 2.9 Bãi kiểm định chuẩn

Công việc kiểm định với bãi kiểm định chuẩn đơn giản, không tốn kém, dễ thực hiện, đảm bảo yêu cầu kiểm định mà tính chất chụp ảnh lại giống thực tế (khi chụp ảnh cho đo vẽ địa hình)

2.4.3 Lựa chọn hàm toán học hiệu chỉnh sai số méo hình kính vật

Tìm hiểu các hàm toán học hiệu chỉnh các sai số hệ thống đặc biệt là sai số méo hình kính vật là một vấn đề cơ bản của đo ảnh Đã có rất nhiều nhà khoa học đã đưa ra các công thức hiệu chỉnh khác nhau:

a Công thức đa thức tổng quát:

(2.2) Công thức do giáo sư A.H Lobanov (Nga) đưa ra [9] Công thức này hiệu chỉnh tổng quát các sai số hệ thống theo đa thức với số bậc tuỳ chọn

b Công thức đa thức tương quan:

(2.3)

Công thức do giáo sư H.Ebner (Đức) đề xuất hiệu chỉnh sai số hệ thống với 12 tham số, công thức này thường được sử dụng trong tăng dày khống chế ảnh theo thuật toán tự kiểm định, hoặc trong trường hợp phân tích tổng quát sự biến dạng hệ thống của phim ảnh

c Công thức hiệu chỉnh của Brown

r=′ư+′ư - bán kính hướng tâm của điểm ảnh,