Xây dựng mô hình số bề mặt từ ảnh chụp bằng máy ảnh số phổ thông phục vụ mô tả cảnh quan đô thị

Bộ giáo dục v đo tạo Trờng Đại học Mỏ - Địa chất =============== H Thị Hằng Xây dựng mô hình số bề mặt từ ảnh chụp máy ảnh số phổ thông phục vụ mô tả cảnh quan đô thị Chuyên ngành : Kỹ thuật Trắc Địa Mà số : 60.52.85 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Ngời hớng dẫn khoa học: GS TSKH Phan Văn Lộc h nội - 2009 Lời cam đoan Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng thân Toàn trình nghiên cứu đợc tiến hành cách nghiêm túc, khoa học, số liệu, kết trình bày luận văn xác, trung thực cha đợc công bố công trình khác Tác giả luận văn Hà Thị Hằng Lời cảm ơn Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo GS TSKH Phan Văn Lộc Mặc dù thầy công tác hai trờng đại học khác nhng thầy ngời đà dìu dắt, hớng dẫn động viên từ lúc bớc chân vào nghề, từ lúc bắt đầu nghiên cứu khoa học trờng Đại học Xây Dựng suốt trình nghiên cứu, làm luận văn Đợc học tập làm việc với thầy, thân tự thấy vinh dự lớn mình, thầy gơng lớn tình yêu nghề, tinh thần trách nhiệm, tận tuỵ tinh thần nghiên cứu khoa học nghiêm túc Đặc biệt, thầy để lại kính phục lối sống yêu thơng, tri thức khoa học nhân cách thầy Qua đây, xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS Vũ Thặng đà tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ trình công tác cố vấn nhiệt tình mặt chuyên môn Tôi xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo Bộ môn Trắc Địa ảnh viễn thám, Khoa Trắc Địa, Phòng Đại học Sau Đại học, trờng Đại học Mỏ - Địa chất, thầy cô giáo Bộ môn Trắc Địa, trờng Đại học Xây Dựng bạn bè, đồng nghiệp đà nhiệt tình giúp đỡ suốt trình học tập làm luận văn Tác giả luận văn Mục lục Trang phụ bìa Lời cam đoan Lời cảm ơn Môc lôc Danh mục ký hiệu, chữ viÕt t¾t Danh mục bảng Danh mục hình vẽ, đồ thị mở đầu 10 Ch−¬ng 1.Tổng quan phát triển công nghệ đo ảnh mặt đất 13 1.1 Tổng quan đo vẽ địa hình phơng pháp đo ảnh mặt đất 13 1.2 Sự phát triển công nghệ đo ảnh mặt đất giới Việt Nam 15 1.2.1 Sự phát triển công nghệ đo ảnh mặt đất thÕ giíi 15 1.2.2 Sù phát triển công nghệ đo ảnh mặt đất ViƯt Nam 19 1.3 C¬ së lý thuyết đo ảnh mặt đất 20 1.3.1 C¸c yÕu tố định hớng ảnh mặt đất 20 1.3.2 Các dạng chụp ảnh lập thể mặt đất 22 1.3.3 Công thức xác định toạ độ điểm vật cặp ảnh lập thể mặt đất 23 1.3.4 Độ xác toạ độ không gian điểm vật cặp ảnh lập thể mặt đất 26 1.4 Khả ứng dụng ảnh số mặt đất mô tả cảnh quan đô thị, phục vụ quy hoạch, thiết kế xây dựng công tr×nh 27 Chơng 2.phơng pháp kiểm định máy chụp ảnh số phổ thông 30 2.1 Các thông số kỹ thuật máy ảnh số phổ thông 30 2.1.1 Bé c¶m CCD 33 2.1.2 Độ phân giải 33 2.1.3 HÖ thèng kÝnh vËt 34 2.1.4 ChÕ ®é thu phãng 34 2.2 Mét sè đặc trng ảnh số phổ thông 36 2.2.1 Khái niệm ảnh sè 36 2.2.2 Độ phân giải ảnh sè 36 2.2.3 Hệ toạ độ mặt phẳng ảnh sè 37 2.3 Phơng pháp kiểm định máy chụp ảnh sè phỉ th«ng 38 2.3.1 Sự cần thiết phải kiểm định máy chụp ảnh số phổ thông 38 2.3.2 Các phơng pháp kiểm định máy chụp ảnh số phổ thông 38 2.3.3 Lùa chän hµm toán học hiệu chỉnh sai số méo hình kính vật 39 2.3.4 Bản chất méo hình kính vật máy chụp ảnh số phổ thông 40 2.3.5 Kiểm định máy chụp ảnh sè phỉ th«ng 42 2.4 Các bớc kiểm định máy chụp ảnh sè phỉ th«ng 51 2.4.1 Xây dựng bÃi kiểm định 52 2.4.2 Chơp ¶nh 51 2.4.3 NhËp ¶nh chơp vào máy tính 51 2.4.4 Chuyển đổi định dạng ảnh chôp 51 2.4.5 Định vị ảnh chụp 52 2.4.6 Nhập toạ độ trắc địa điểm khống chế 52 2.4.7 Đo toạ độ ảnh 52 2.4.8 Ch¹y chơng trình kiểm định máy chụp ảnh số phổ thông 53 2.4.9 Nhập thông số kiểm định ảnh vào phần mềm đo ảnh 53 Chơng Xây dựng mô hình số bề mặt sở ảnh chụp từ máy ảnh sè phỉ th«ng 54 3.1 Tổng quan mô hình sè bỊ mỈt 54 3.2 Các yêu cầu kỹ thuật ảnh số chụp từ máy ảnh số phổ thông 57 3.2.1 Chuyển đổi định dạng ¶nh chôp 57 3.2.2 Tạo cấu trúc hình tháp ảnh (overviews pyramids) 58 3.2.3 Nguyên tắc xác định thông số ảnh số mặt ®Êt 58 3.2.4 X¸c lËp hệ toạ độ mặt phẳng ảnh ảnh số mặt đất 60 3.2.5 Xác định khoảng cách chụp hữu dụng ảnh số mặt đất 62 3.2.6 ThiÕt kÕ đờng đáy chụp ảnh ảnh số mặt đất 64 3.3 Công nghệ xây dựng mô hình số bề mặt sở ảnh số mặt đất 65 3.3.1 Các phần mềm đo vẽ ảnh số 66 3.3.2 Quy trình công nghệ thành lập mô hình số bề mặt sở ảnh số mặt đất 71 Chơng thực nghiệm 84 Kết luận kiến nghị 91 Tµi liƯu tham kh¶o 94 Phô lôc 96 Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt GIS Geographic Information System - Hệ thống thông tin địa lý LIS Land Information System - Hệ thống thông tin đất đai LCD Liquid Crystal Display - Màn hình tinh thể lỏng CCD Charge Couple Devide - Mảng nhËn ¶nh sè A/D Analog to Digital convert - Bé chuyển đổi tín hiệu tơng tự sang tín hiệu số CMOS Complementary Metal-Oxide Semiconductor - M¶ng nhËn ¶nh sè Pixel Picture Element - Phần tử điểm ảnh MP Mega Pixel - Triệu điểm ảnh USB Universal Serial Bus - Cổng truyền liệu DTM Digital Terrain Model - Mô hình số địa hình DEM Digital Elevation Model - Mô hình số độ cao DSM Digital Surface Model - Mô hình số bề mặt 3D Three Dimensions - Không gian chiỊu CAD Computer Aided Design - PhÇn mỊm thiÕt kÕ LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - KhuÕch đại ánh sáng phát xạ kích thích RADAR Radio Angle Detection And Ranging - Dò tìm định vị b»ng sãng v« tun GPS Global Positioning System - HƯ thống định vị toàn cầu TIN Triangulated Irregular Networks - Mạng lới tam giác không quy chuẩn KB Kilobyte - Một đơn vị lu trữ liệu máy tính MB Megabyte - Một đơn vị lu trữ liệu m¸y tÝnh ISRU ImageStation Raster Utilities - Modul chun ®ỉi cÊu tróc file ¶nh ISPM ImageStation Photogrammetric Manager - Modul quản lý công việc ISDM ImageStation Digital Measuration - Modul xây dựng mô hình lập thể ISSD ImageStation Stereo Display - Modul đo vẽ chi tiết mô hình lập thể m Metre - Đơn vị đo dài (mét) mm Milimetre - Đơn vị đo dài (milimét) CADC Calibration Amateur Digital Camera - Kiểm định máy ảnh số phổ thông Danh mục bảng Bảng 2.1 So sánh số máy chụp ảnh chuyên dụng máy ảnh số phổ thông 31 Bảng 2.2 Kết kiểm định với máy chụp ảnh số phổ thông NIKON-D80 49 Bảng 3.1 Toạ độ mấu khung ảnh số chụp từ máy ảnh NIKON D80 63 Bảng 3.2 Sổ ghi thông số chụp ảnh tuyến phố Kim Liên - ô Chợ Dừa 75 Bảng 3.3 Bảng đánh giá kết thành lập mô hình lập thể 79 Danh mục hình vẽ, đồ thị Hình 1.1 Một số máy chụp ảnh mặt đất A Meydenbauter 16 Hình 1.2 Máy đo vẽ ảnh lập thể toàn Wild A10 17 Hình 1.3 Máy đo ảnh giải tích Planicom P3 (Zeiss - Đức) 18 Hình 1.4 Trạm đo vẽ ¶nh sè ImageStation (h·ng Intergraph - Mü) 19 H×nh 1.5 Các yếu tố định hớng ảnh mặt đất 21 Hình 1.6 Các yếu tố định hớng cặp ảnh lập thể mặt đất 22 Hình 1.7 Các dạng chụp ảnh lập thể mặt đất 23 Hình 1.8 Xác định toạ độ không gian điểm vật A cặp ảnh lập thể mặt đất 24 Hình 2.1 Cấu tạo bên máy chụp ảnh số phổ thông 32 Hình 2.2 Vị trí sensor khung CCD máy ảnh số 33 Hình 2.3 Hệ thống kính vật máy chụp ảnh số phổ thông 34 Hình 2.4 Ma trận độ xám ảnh số 35 Hình 2.5 Hệ toạ độ mặt phẳng ảnh số 36 Hình 2.6 Kiểm định phòng 38 Hình 2.7 Kiểm định thực địa 38 Hình 2.8 Bản chất méo hình kính vật máy chụp ảnh 40 Hình 2.9 Méo hình xuyên tâm 40 Hình 2.10 Méo hình tiếp tuyến 41 Hình 2.11 Sơ đồ khối chơng trình kiểm định 47 Hình 2.12 Giao diện chơng trình kiểm định CADC 49 Hình 2.13 Các bớc kiểm định máy chụp ảnh số phổ thông 50 Hình 2.14 ảnh số chuyên dụng ảnh số phổ thông 52 Hình 3.1 Mô hình số địa hình DTM 54 Hình 3.2 Cấu trúc lới dạng GRID lới dạng TIN 55 Hình 3.3 Mô hình số bề mặt DSM mô hình số địa hình DTM 56 Hình 3.4 Nguyên tắc xây dựng mô hình số bề mặt DSM 56 Hình 3.5 ứng dụng mô hình số bề mặt DSM ngành công nghiệp chế tạo 57 Hình 3.6 Giao diện phần mềm Paint 58 Hình 3.7 Cấu trúc hình tháp ảnh số mặt đất 59 Hình 3.8 Tạo cấu trúc hình tháp ảnh nhờ modul Overview Utility 59 Hình 3.9 Xác định thông số ảnh số mặt đất 60 Hình 3.10 Hệ toạ độ ảnh số O.uv hệ toạ độ mặt phẳng ảnh oxz 61 Hình 3.11 Các đặc trng riêng cảm CCD ảnh số 62 Hình 3.12 Khoảng cách chụp hữu dụng ảnh số 64 Hình 3.13 Thiết kế đờng đáy chụp ảnh 66 Hình 3.14 Giao diện modul ISDM định hớng ảnh hàng không 68 Hình 3.15 Giao diện phần mềm Photomodeler Pro5 69 Hình 3.16 Giao diện phần mềm ERDAS 70 Hình 3.17 Giao diện phần mềm Zone 3D Maker 70 Hình 3.18 Quy trình thành lập mô hình số bề mặt sở ảnh số mặt đất 72 Hình 3.19 Sơ đồ vị trí điểm kiểm tra 73 Hình 3.20 Chuyển đổi định dạng file nhờ modul Many/Raw file Converter 76 Hình 3.21 Phần mềm ISPM cho phép nhập thông số kiểm định máy chụp ảnh 77 Hình 3.22 Công tác định hớng ảnh số mặt đất 78 Hình 3.23 Quá trình định hớng tơng đối ảnh số mặt đất 78 Hình 3.24 Nguyên lý xây dựng lới tam giác ảnh không gian 81 Hình 3.25 Công tác xây dựng mô hình số bề mặt từ cặp ảnh số mặt đất 82 Hình 4.1 Tuyến phố Kim Liên chụp ngày 15-05-2009 86 Hình 4.2 Tuyến phố Nguyễn Phong Sắc chụp ngày 27-05-2009 86 100 dF_dx0 = 0; A[ttmatran, 8] = dF_dx0; dF_dy0 = 1; A[ttmatran, 9] = dF_dy0; Ly[i] = y[i] -( tcu * (a3 * (X[i] - XS) + b3 * (Y[i] - YS) + c3 * (Z[i] - ZS)) / (a2 * (X[i] - XS) + b2 * (Y[i] - YS) + c2 * (Z[i] - ZS))+y0); L[ttmatran, 1] = Ly[i]; ttmatran = ttmatran + 1; } for (i = 1; i