Thử nghiệm thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn bằng ảnh hàng không chụp từ máy ảnh số phổ thông

bộ giáo dục v đo tạo Trờng đại học mỏ - địa chất Lê Thị Sinh Thử nghiệm thnh lập đồ địa hình tỷ lệ lớn ảnh hng không chụp từ máy ảnh số phổ thông luận văn thạc sĩ kỹ thuật h nội-2008 giáo dục v đo tạo Trờng đại học mỏ - địa chất Lê Thị Sinh Thử nghiệm thnh lập đồ địa hình tỷ lệ lớn ảnh hng không chụp từ máy ảnh số phổ thông Chuyên ngành : Kỹ thuật trắc địa Mà số : 60.52.85 luận văn thạc sĩ kỹ thuật ngời hớng dẫn khoa học GS TSKH Phan văn lộc h nội-2008 Lời cam đoan Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng thân Toàn trình nghiên cứu đợc tiến hành cách khoa học, số liệu, kết trình bày luận văn xác, trung thực cha đợc công bố công trình khác Tác giả luận văn Lê Thị Sinh mơc lơc Trang phơ b×a trang Lêi cam ®oan Môc lôc Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt Danh mơc c¸c b¶ng Danh mục hình vẽ, đồ thị Mở đầu Chơng - Khảo sát máy ảnh số phổ thông 12 1.1 Máy chụp ảnh số phổ thông 12 1.2 Tình hình nghiên cøu ë ViÖt Nam 16 1.3 Khái niệm ảnh số .16 1.3.1 Định nghĩa ảnh số 16 1.3.2 Độ phân giải ¶nh sè .18 1.3.3 Nguyên lý hoạt động máy chụp ảnh sè 19 1.3.4 Sù cÇn thiết phải kiểm định máy chụp ảnh số phổ thông 20 1.3.4.1 Các phơng pháp kiểm định 21 1.3.4.2 C¸c hàm toán học hiệu chỉnh sai số méo hình kính vËt 21 1.4 C¬ së lý thut vỊ ®o ¶nh lËp thĨ .23 1.4.1 Các hệ toạ độ thờng dùng đo ảnh .23 1.4.2 Bài toán chuyển đổi trực giao hai hệ toạ độ không gian vuông góc đo ảnh 24 1.4.3 Các nguyên tố định hớng ảnh .25 1.4.4 Quá trình định hớng mô h×nh lËp thĨ 27 Chơng - Khái niệm BĐĐH Các phơng pháp thành lập bđđh 29 2.1 Khái niệm đồ địa hình (BĐĐH) 29 2.1.1 Định nghĩa đồ địa hình 29 2.1.2 TÝnh chÊt c¬ đồ địa hình 30 2.1.3 Phân loại đồ địa hình 30 2.1.4 Tỷ lệ ký hiệu đồ địa hình 32 2.1.4.1 Tû lệ đồ 32 2.1.4.2 Ký hiệu đồ địa h×nh 32 2.1.5 Cơ sở toán học đồ địa hình .32 2.1.5.1 Bản đồ địa hình hệ tọa độ HN-72 32 2.1.5.2 Bản đồ địa hình hệ tọa ®é UTM Quèc tÕ 33 2.1.5.1 Bản đồ địa hình hệ tọa độ VN-2000 33 2.1.6 Néi dung b¶n đồ địa hình 34 2.2 Các phơng pháp thành lập BĐĐH 35 2.2.1 Thµnh lËp BĐĐH phơng pháp đo đạc thực địa .36 2.2.2 Thành lập BĐĐH phơng pháp đo ảnh hàng không 37 2.2.3 Thành lập BĐĐH công nghệ quét laser từ máy bay - Lidar (Light Detection and Ranging) 40 2.2.4 Phơng pháp biên tập từ đồ địa hình tỷ lệ lớn 41 Chơng - Qui trình thành lập bđđh Bằng ảnh hàng không chụp từ máy ảnh số phổ th«ng .43 3.1 KiĨm định máy chụp ảnh số phổ thông 43 3.1.1 Thành lập bÃi kiểm định chuÈn 44 3.1.2 Chơp ¶nh 45 3.1.3 Nhập ảnh vào máy, tạo Overview cho tÊm ¶nh 45 3.1.4 Tạo project đo kiểm định 45 3.1.5 Định vị ảnh (định h−íng IO) .46 3.1.6 Đo toạ độ ảnh 49 3.1.7 Chạy chơng trình kiểm ®Þnh 50 3.1.8 Các thông số kiểm định máy chụp ảnh 50 3.2 Qui trình công nghệ thành lập BĐĐH ảnh hàng không chụp từ máy ¶nh sè phỉ th«ng 51 3.2.1 Khảo sát thiết kế 51 3.2.1.1 Ước tính độ cao bay chụp 52 3.2.1.2 ThiÕt kÕ c¸c tun bay chơp .53 3.2.2 Đo nối khống chế ảnh 53 3.2.3 C«ng tác chụp ảnh .54 3.2.4 Tạo overview ảnh 55 3.2.5 Tăng dày khống chế ảnh nội nghiệp 56 3.2.5.1 Công tác chuẩn bị .56 3.2.5.2 Khai báo thông số đo đạc khu đo thông số máy chụp ảnh 56 3.2.5.3 Đo toạ độ điểm ¶nh 57 3.2.5.4 Bình sai khối tam giác ảnh không gian 59 3.2.6 Đo vẽ yếu tố đặc trng 59 3.2.6.1 Khái niệm mô hình số địa h×nh DTM .60 3.2.6.2 Néi dung đo vẽ đặc trng địa hình .61 3.2.6.3 Các phơng pháp xây dựng DTM mô hình lập thể 61 3.2.7 Xây dựng mô hình số độ cao .63 3.2.8 Nắn ảnh, lập bình ®å ¶nh 63 3.2.8.1 Nắn ảnh 63 3.2.8.2 LËp bình đồ ảnh 66 3.2.9 Điều vẽ ảnh 67 3.2.9.1 Điều vẽ ảnh nội nghiệp .67 3.2.9.2 Điều tra ảnh ngoại nghiÖp 67 3.2.10 Số hoá yếu tố nội dung đồ 69 3.2.11 Biªn tËp đồ địa hình gốc số 72 Ch−¬ng - thùc nghiƯm 73 kÕt luận kiến nghị 78 danh mục công trình tác giả 80 Tài liƯu tham kh¶o 81 phô lôc 83 danh mục ký hiệu, chữ viết tắt CCD Charge Coupled Device – m¶ng nhËn ¶nh sè M¶ng phần tử cảm biến (Senser) CMOS Complementary Metal-Oxide Semiconductor - mảng nhận ảnh số Mảng cảm biến bán dẫn oxit kim loại DTM Mô hình số địa hình DEM Mô hình số độ cao GIS Hệ thống thông tin địa lý GPS Hệ thống định vị toàn cầu BĐĐH Bản đồ địa hình CNĐASPT Công nghệ đo ảnh số phổ thông TGAKG Tam giác ảnh không gian m Đơn vị đo dài mét mm Đơn vị đo dài milimét m Đơn vị đo dài micronmét MP Mega Pixel - triệu điểm ảnh Pixel Picture Element - phần tử ¶nh danh mơc c¸c b¶ng B¶ng 1.1 Mét sè máy chụp ảnh số phổ thông 13 Bảng 1.2 Một số máy chụp ảnh kỹ thuật số chuyên dụng 15 Bảng 3.1 Toạ độ mấu khung ảnh số phổ thông 48 Bảng 4.1 Kết kiểm định máy chơp ¶nh sè Sony DSC – H3 74 danh mục hình vẽ, đồ thị Hình 1.1 Máy chụp ảnh số Sony CyberShot Pro DSC-F828 12 Hình 1.2 Nguyên lý tạo ảnh máy chụp ảnh số 19 Hình 1.3 Các hệ toạ độ đo ảnh 23 Hình 1.4 Các nguyên tố định hớng ảnh hàng không 26 Hình 1.5 Các nguyên tố định hớng ảnh hàng không 26 Hình 2.1 Các phơng pháp thành lập BĐĐH 35 Hình 2.2 Sơ đồ qui trình thành lập BĐĐH phơng pháp đo đạc thực địa 36 Hình 2.3 Sơ đồ qui trình thành lập BĐĐH phơng pháp đo ảnh số 37 Hình3.1 Qui trình kiểm định máy chụp ảnh phổ thông 43 Hình 3.2 BÃi kiểm định chuẩn 44 Hình 3.3 Cấu trúc hình tháp với số lợng pixel không đổi 46 Hình 3.4 Hệ toạ độ ảnh số hệ toạ độ mặt phẳng ảnh 47 Hình 3.5 Giao diện Modul định hớng ảnh 50 Hình3.6 Giao diện đo toạ độ ảnh 51 Hình 3.7 Sơ đồ qui trình thành lập BĐĐH tỷ lệ lớn 51 Hình3.8 Giao diện chuyển đổi format tạo Overview cho ảnh 55 Hình 3.9 Khai báo thông số ban đầu khu đo 57 Hình 3.10 Khai báo thông số máy ảnh kỹ thuật số 57 Hình3.11 Giao diện menu nắn ảnhtrực giao 64 Hình3.12 Giao diện menu chọn mô hình phơng phơng pháp nội suy 65 mở đầu Tính cấp thiết đề tài Trong năm gần công nghệ thành lập đồ số đà phát triển nhanh; nớc ta gần nh đà thành lập loại đồ tỷ lệ 1:10.000, 1:25.000, 1:50.000, 1:100.000 phủ trùm toàn lÃnh thổ Nhờ đặc điểm tiện ích đồ số nên việc thành lập đồ tỷ lệ tơng đơng việc chỉnh, chỉnh lý cập nhật thông tin lên đồ số đà có Vì vấn đề cần giải trớc mắt sau Cục Bản đồ BTTM nói riêng ngành trắc địa đồ nớc ta nói chung công tác thành lập loại đồ tỷ lệ lớn phục vụ khảo sát công trình qui hoạch, kinh tế dân dụng Hiện công tác thành lập đồ địa hình gốc số tỷ lệ lớn, sử dụng phơng pháp sau: đo chi tiết toàn đạc điện tử thực địa, đo lập thể ảnh hàng không chuyên dụng, sử dụng công nghệ Lidar Đối với phơng pháp đo chi tiết thực địa vất vả, tốn công sức tiền của, thời gian kéo dài Đối với phơng pháp đo ảnh hàng không chuyên dụng: ảnh hàng không tỷ lƯ lín, míi chơp lµ rÊt Ýt Víi khu vùc nhỏ chi phí cho bay chụp máy bay máy chụp ảnh chuyên dụng tốn kém, máy chụp ảnh phim nớc ta đà cũ, máy chụp ảnh số chuyên dụng cha đợc trang bị đầy đủ quan chức bay chụp giá thành cao ví dụ với máy hÃng Roleimetric rẻ khoảng năm trăm nghìn $, với máy AICx4 có giá đến triệu $ Hoặc đà có trang bị, xong chi phí khấu hao máy số công trình khảo sát kinh tế nhỏ, kinh tế hạn chế không gặp nhiều khó khăn Đối với phơng pháp Lidar: công nghệ đại, tiên tiến Tuy nhiên phải tiến hành hiệu chỉnh loạt yếu tố công nghệ tổng hợp cách chặt chẽ, đạt độ xác cao Song trang bị ban đầu tiến hành bay quét tốn gấp nhiều lần công tác chụp ảnh chuyên dụng 80 danh mục công trình tác giả Lê Thị Sinh (2005), Điều vẽ ảnh nội nghiệp công nghệ tin học , Tuyển tập báo cáo hội nghị khoa học lần thứ 3, Cục Bản đồ-Bộ tổng Tham Mu Lê Thị Sinh (2007), Một số kinh nghiệm công tác tăng dày ảnh số tự động, Thông tin địa hình quân sự, Cục Bản đồ-Bộ tổng Tham Mu 81 Ti liệu tham khảo Trần Trung Anh (2004), Nghiên cứu số điều kiện đảm bảo đo chụp ảnh số phổ thông cự ly gần, Đề tài Nghiên cứu Khoa học cấp trờng, Đại học Mỏ Địa chất, Hà Nội Trần Trung Anh (2005), Công nghệ đo ảnh sở ảnh chụp từ máy chụp ảnh số phổ thông, luận văn thạc sÜ kü tht Tr−¬ng Anh KiƯt (2000), C¬ së đo ảnh, Nxb Giao Thông Vận Tải, Hà Nội Trơng Anh Kiệt (2000), Phơng pháp đo ảnh giải tích đo ảnh số, Bài giảng cao học ngành Trắc địa, Trờng Đại học Mỏ Địa chất, Hà Nội Phan Văn Lộc (2000), Tự động hóa đo ảnh, Bài giảng cao học ngành Trắc Địa, Trờng Đại học Mỏ Địa chất, Hà Nội Phan Văn Lộc, Trần Trung Anh (2004), Kiểm định máy chụp ảnh số phổ thông khả ứng dụng thành lập bình đồ tû lƯ lín”, T¹p chÝ Khoa häc Kü tht Má Địa chất số (8), tr 33-37 Phan Văn Lộc, Trần Trung Anh nnk (2004), ứng dụng chụp ảnh số phổ thông vào việc đo vẽ đồ địa hình xác định khối lợng khai thác mỏ lộ thiên, Đề tài hợp tác khoa học Việt Nam-Ba Lan, mà số HTNC-02, Hà Nội Phan Văn Lộc, Trần Trung Anh (2004), Các sở lý thuyết đảm bảo việc áp dụng ảnh số cự ly gần vào công tác đo vẽ mỏ lộ thiên, Tạp chí Công Nghiệp Mỏ số 6-2004, Hội Khoa học Công nghệ Mỏ Việt Nam Phan Văn Lộc (2007), Đo lập thể ảnh hàng không, Nxb Giao Thông Vận Tải, Hà Nội 82 10 Đào Ngọc Long (2008), Một số giải pháp kỹ thuật việc sử dụng máy chụp ảnh số phổ thông phục vụ đo đạc vùng mỏ lộ thiên, Luận án tiến sĩ kỹ thuật 11 Phạm Vọng Thành (2007), Máy chụp ảnh kỹ thuật số ứng dụng chúng công tác trắc địa đồ, Nxb Giao Thông Vận Tải, Hà Nội 12 Trần Đình Trí (2004), Xây dựng thuật toán qui trình công nghệ đo vẽ giải tích ảnh đợc chụp từ khoảng cách gần máy chụp ảnh không chuyên lĩnh vực phi địa hình, Báo cáo Đề tài Nghiên cứu Khoa học cấp Bộ B2002-36-31, Hà Nội 13 Tiêu chuẩn ngành 96 TCN 43-90 (1990), Quy phạm đo vẽ đồ địa hình tỷ lệ 1:500, 1:1000, 1:2000, 1:5000 (phần trời), Cục Đo đạc Bản ®å Nhµ n−íc 14 Z/I imaging (2001), ISPM & ISDM User’s guide, Zeiss&Integraph, USA 15 ImageStation Raster Utilities USA 16 ImageStation Automatic Triangulation (ISAT) User’s Guide 2004 83 phô lôc 84 Phụ lục BÃi kiểm định chuẩn chụp ảnh mặt đất BÃi tự kiểm định chụp ảnh hàng không 85 Phụ lục ảnh hàng không chụp máy ảnh Sony DSC H3 sử dụng tăng dày TGAKG ( ảnh 39 đến ảnh 43) 86 87 Phụ lục Toạ độ điểm khống chế ảnh Hệ toạ độ giả định Tên điểm X (đông) Y (bắc) H TR1 2330000.000 594000.000 5.000 KCA1 2330016.159 594030.668 4.988 KCA2 2329998.949 594020.635 7.561 KCA3 2329958.035 594033.165 7.433 KCA4 2329992.635 594005.827 4.950 KCA5 2329973.519 594007.831 9.885 KCA6 2329958.785 594021.779 9.997 KCA7 2329966.017 593999.977 9.874 KCA8 2329986.438 593978.636 5.219 KCA9 2329967.523 593960.428 5.215 KCA10 2329946.413 593957.108 4.982 KCA11 2329946.805 593940.637 5.405 KCA12 2329953.586 593949.801 4.983 KCA13 2329973.807 593978.526 5.089 KCA14 2330039.115 594035.127 5.210 KCA15 2330020.852 594016.329 5.232 KCA16 2330034.753 593976.163 5.219 KCA17 2330042.568 593955.569 5.206 KCA18 2330025.483 593963.183 5.174 KCA19 2330025.501 593954.721 5.158 KCA20 2330022.619 593952.422 5.301 KCA21 2330003.334 593941.896 5.232 DH 2330023.632 594023.632 4.972 88 Phô lôc Phô lôc Kết bình sai khối tăng dày TGAKG Photo-T Parameters and Results for Project thaycame PhotoT Triangulation Options Adjustment Mode : Absolute Parameter X/Omega Y/Phi Z/Kappa XY RMS Control 0.042 0.045 0.011 0.043 RMS Check 0.121 0.061 0.233 0.096 RMS Limits 0.100 0.100 0.100 Max Ground Residual 0.086 0.105 0.026 Residual Limits 0.175 0.175 0.170 Current Count Control Points Used: 14 Check Points Used: Photos Used: Photos Not Used: Image Points Used: 122 Cameras used: (1) Camera Id Lens Distortion: Sony On 89 Phô lôc Sai số điểm khống chế sau bình sai Photo-T Parameters and Results for Project thaycame Object Statistics Point Id Type Class VX VZ X Y Z Computed Computed Computed KCA11 Check XYZ 0.078 -0.283 2329946.635 593940.715 5.122 KCA5 Check XYZ 0.057 0.018 -0.133 2329973.576 594007.849 9.752 KCA6 Check XYZ 0.088 0.085 -0.173 2329958.873 594021.864 9.824 KCA8 Check XYZ 0.093 0.004 -0.175 2329986.531 593978.640 5.044 DH Check XYZ 0.137 0.057 -0.211 2330023.769 594023.689 4.761 KCA2 Check XYZ 0.141 0.076 -0.352 2329999.090 594020.711 7.209 KCA1 Control XYZ -0.086 0.101 0.026 2330016.073 594030.769 5.014 KCA19 Control XYZ -0.057 -0.105 0.012 2330025.444 593954.616 5.170 KCA10 Control XYZ -0.039 0.016 -0.004 2329946.374 593957.124 4.978 KCA7 Control XYZ -0.022 0.001 -0.009 2329965.995 593999.978 9.865 KCA14 Control XYZ -0.017 -0.037 -0.021 2330039.098 594035.090 5.189 KCA9 Control XYZ -0.007 0.024 -0.007 2329967.516 593960.452 5.208 KCA15 Control XYZ 0.013 -0.012 -0.004 2330020.865 594016.317 5.228 KCA21 Control KCA18 XY -0.17 VY 0.015 0.008 2330003.349 593941.904 5.070 Control XYZ 0.024 0.019 -0.003 2330025.507 593963.202 5.171 KCA13 Control XYZ 0.025 0.003 0.001 2329973.832 593978.529 5.090 KCA4 Control XYZ 0.03 0.015 0.008 2329992.665 594005.842 4.958 KCA3 Control XYZ 0.05 0.006 0.001 2329958.085 594033.171 7.434 KCA12 Control XYZ 0.072 -0.04 0.007 2329953.658 593949.761 4.990 KCA25 Control -0.005 2330003.951 593942.080 5.227 Z 90 Phô lục Kết định hớng tuyệt đối mô hình 39-40 Kết định hớng tuyệt đối mô hình 40-41 91 Kết định hớng tuyệt đối mô hình 41-42 Kết định hớng tuyệt đối mô hình 42-43 92 Phụ lục Kết đo toạ độ điểm khống chế ngoại nghiệp mô hình lập thể Tên điêm Toạ độ ngoại nghiệp X Y Z Toạ độ mô hình X Y Độ chênh Z X Y Z KC1 2330016.159 594030.668 4.988 2330016.094 594030.677 4.978 0.065 -0.009 0.010 KC2 2329998.949 594020.635 7.561 2329998.933 594020.686 7.400 0.016 -0.051 0.161 KC3 2329958.035 594033.165 7.433 2329958.101 594033.208 7.299 -0.066 -0.043 0.134 KC4 2329992.635 594005.827 4.950 2329992.665 594005.896 4.940 -0.030 -0.069 0.010 KC5 2329973.519 594007.831 9.885 2329973.402 594007.923 9.733 0.117 -0.092 0.152 KC6 2329958.785 594021.779 9.997 2329958.783 594021.899 9.747 0.002 -0.120 0.250 KC7 2329966.017 593999.977 9.874 2329965.859 594000.149 9.679 0.158 -0.172 0.195 KC8 2329986.438 593978.636 5.219 2329986.460 593978.799 5.186 -0.022 -0.163 0.033 KC9 2329967.523 593960.428 5.215 2329967.406 593960.535 5.171 0.117 -0.107 0.044 KC10 2329946.413 593957.108 4.982 2329946.183 593957.147 4.802 0.230 -0.039 0.180 KC12 2329953.586 593949.801 4.983 2329953.459 593949.723 4.758 0.127 0.078 0.225 KC13 2329973.807 593978.526 5.089 2329973.818 593978.543 5.025 -0.011 -0.017 0.064 KC15 2330020.852 594016.329 5.232 2330020.717 594016.373 5.300 0.135 -0.044 -0.068 KC16 2330034.753 593976.163 5.219 2330034.658 593976.144 5.069 0.095 kc 2330023.632 594023.632 4.972 2330023.543 594023.647 4.976 0.019 0.150 0.089 -0.015 -0.004 93 Phụ lục Bình đồ ảnh 94 Phụ lục 10 Bản đồ địa hình gốc số ... thành lập đồ địa hình tỷ lệ lớn Nội dung nghiên cứu đề tài - Khái niệm đồ địa hình - Khảo sát máy ảnh phổ thông (kiểm định máy ) - Xây dựng qui trình thành lập đồ ảnh hàng không chụp từ máy ảnh. .. phơng pháp thành lập đồ địa hình - Chơng 3: Qui trình thành lập đồ địa hình ảnh hàng không chụp từ máy ảnh số phổ thông - Chơng 4: Thực nghiệm 12 Chơng : Khảo sát máy ảnh số phổ thông Chơng... ngành trắc địa mà số 2.16.00 năm 2005 [2] 1.1 Máy chụp ảnh số phổ thông Máy chụp ảnh số phổ thông loại máy ảnh thông dụng phục vụ mục đích chụp ảnh nghệ thuật Đối với đo ảnh máy chụp ảnh loại có