Một số giải pháp kỹ thuật để thành lập bản đồ địa hình bằng công nghệ ảnh số phục vụ công tác phòng chống thiên tai

bộ giáo dục đào tạo TRNG I HC M - ĐỊA CHẤT Mẫu Báo cáo (bìa mềm) LƯU HẢI U MộT Số GIảI PHáP Kỹ THUậT Để THàNH LậP BảN Đồ ĐịA HìNH BằNG CÔNG NGHệ ảNH Số PHụC Vụ CÔNG TáC PHòNG CHốNG THIÊN TAI LUậN VĂN THạC Sĩ Kỹ THUậT Hà nội - 2010 giáo dục đào tạo TRNG I HC M - A CHT Mẫu Báo cáo (bìa mềm) LƯU HẢI ÂU MéT Sè GIảI PHáP Kỹ THUậT Để THàNH LậP BảN Đồ ĐịA HìNH BằNG CÔNG NGHệ ảNH Số PHụC Vụ CÔNG TáC PHßNG CHèNG THI£N TAI Chuyên ngành: Bản đồ, viễn thám hệ thống thông tin địa lý Mã số: 60.44.76 LUËN V¡N TH¹C SÜ Kü THUËT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS VŨ HUẤN Hµ néi - 2010 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Hà Nội, ngày tháng 12 năm 2010 Tác giả luận văn Lưu Hải Âu MỤC LỤC Lời cam đoan Mục lục Danh mục hình vẽ Danh mục bảng biểu Mở đầu Chương 1: Những vấn đề chung đồ địa hình 10 1.1 Khái niệm chung đồ địa hình 10 1.2 Nội dung đồ địa hình 10 1.3 Độ xác đồ địa hình 16 1.4 Các phương pháp thành lập đồ địa hình 17 Chương 2: Phương pháp sử dụng ảnh hàng không – vũ trụ để thành 23 lập đồ địa hình 2.1 Phương pháp thành lập đồ địa hình phương pháp đo ảnh số 23 2.1.1 Khái niệm ảnh số 23 2.1.2 Hệ thống trạm đo vẽ ảnh số 27 2.1.3 Một số kỹ thuật xử lý ảnh số 33 2.1.4 Kỹ thuật khớp ảnh 35 2.1.5 Quy trình đo vẽ đồ địa hình phương pháp đo ảnh 39 2.2 Sử dụng ảnh vũ trụ để xác định yếu tố địa vật đồ địa hình 46 2.2.1 Khái niệm chung viễn thám 46 2.2.2 Tính số ảnh vệ tinh sử dụng 47 2.2.3 Sơ đồ công nghệ xác định yếu tố địa vật từ bình đồ ảnh vệ tinh 48 trực giao Chương 3: Thực nghiệm quy trình cơng nghệ ứng dụng ảnh hàng khơng - vũ trụ để thành lập đồ địa hình tỷ lệ 1:10 000 phục vụ nghiên cứu sạt lở đất 66 3.1 Khái quát chung khu vực thực nghiệm 66 3.2 Tình hình tư liệu trắc địa – đồ khu vực thực nghiệm 69 3.3 Thực nghiệm thành lập BĐĐH cách sử dụng tư liệu ảnh hàng 70 không – vũ trụ 3.3.1 Sử dụng ảnh hàng không tỉ lệ nhỏ để đo vẽ yếu tố độ cao 71 đường đồng mức cho việc thành lập đồ địa hình vùng đồi núi tỉ lệ 1/10.000 3.3.2 Thành lập bình đồ ảnh vũ trụ chụp từ ảnh vệ tinh SPOT-5 để xác 75 định yếu tố địa vật phục vụ cho thành lập đồ 1/10.000 3.3.3 Thành lập BĐĐH cách chồng xếp phần địa hình địa vật 77 KẾT LUẬN 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO 81 PHỤ LỤC 82 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Sơ đồ tổng quan phương pháp thành lập đồ 18 Hình 2.1: Hệ thống thông tin công nghệ ảnh số 27 Hình 2.2: Sơ đồ trạm đo ảnh số 30 Hình 2.3: Sơ đồ quy trình đo vẽ đồ địa hình (phần đường bình độ 39 độ cao) phương pháp ảnh số Hình 2.4: Sơ đồ quy trình cơng nghệ thành lập đồ địa hình 51 (phần địa vật) từ ảnh vệ tinh Hình 3.1 Bản đồ hành tỉnh Thái Ngun 67 Hình 3.2: Quy trình cơng nghệ ứng dụng ảnh hàng khơng - vũ trụ để 70 thành lập đồ địa hình tỷ lệ 1/10.000 Hình 3.2: Một phần địa lý với yếu tố đường bình độ điểm độ cao 77 Hình 3.3: Ảnh vệ tinh chụp khu vực Thái Nguyên 78 Hình 3.4: Một phần đồ với yếu tố địa vật 78 Hình 3.5: Chồng xếp yếu tố địa hình địa vật 79 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Một số máy quét chuyên dùng đo vẽ ảnh số với 29 thông số kỹ thuật Bảng 2.2: Các phần mềm xử lý ảnh trạm ảnh số 32 Bảng 2.3: Các phần mềm thuộc hệ phần mềm MGE 32 MỞ ĐẦU 1.Tính cấp thiết đề tài Nước ta vùng nhiệt đới gió mùa, với tác động khai thác bừa bãi người tài nguyên thiên nhiên chặt phá rừng bừa bãi, khai thác tài ngun thiên nhiên khơng có kế hoạch nên hàng năm tượng thiên tai lũ quét, sạt lở đất xảy nhiều nơi ảnh hưởng không nhỏ đến đời sống kinh tế xã hội Sạt lở đất xảy đất, bùn đá chuyển động nhanh từ sườn dốc, mái dốc xuống Sạt lở đất thường xuất khu vực đồi núi, có cịn trượt xa đến hàng km Sạt lở đất hay xảy tuyến đường giao thông, tuyến đê ven làng, Sạt lở đất triền đồi núi thường làm phần mặt đường đoạn đường phá hoại tuyến đường, gây ách tắc vận chuyển gây lên hệ kinh tế xã hội nghiêm trọng Sạt lở đất thường xảy cách bất ngờ sau nhiều kiện tự nhiên như: Là kết chấn động tự nhiên trái đất, làm liên kết đất đá sườn núi, xảy có mưa to lũ lụt lớn làm cho đất đá bão hòa nước, khơng cịn kết dính trơi xuống, trọng tải lớn đặt sườn dốc (như công trình dựng) mưa to vùng rừng bị chặt phá, dòng chảy bị thay đổi tác động người gây sạt lở đất Sạt lở đất làm chết người gây thương tật cho người, gây thiệt hại nghiêm trọng nhà cửa, tài sản nhân dân làm tắc nghẽn giao thong, đất trồng trọt bị đất đá vùi lấp, khơng cịn sử dụng Để có phương án nhằm hạn chế tác hại thiên tai lũ quét, sạt lở đất,… cần phải nhanh chóng có đồ địa hình tỉ lệ lớn cho vùng có nguy Để thành lập đồ địa hình tỉ lệ lớn chúng 71 3.3.1 Sử dụng ảnh hàng không tỉ lệ nhỏ để đo vẽ yếu tố độ cao đường đồng mức cho việc thành lập đồ địa hình vùng đồi núi tỉ lệ 1/10.000 Cơng thức tính tốn phương án bố trí điểm khống chế độ cao dã ngoại - Việc bố trí điểm khống chế ảnh độ cao dựa vào sở ước tính dãn cách điểm khống chế ảnh dải bay theo chương trình tăng dày nội nghiệp Khoảng cách điểm khống chế độ cao tính tốn theo cơng thức sau: n = 2,08 ( ) b.mh f mc.mq Trong đó: mh: sai số trung phương điểm tăng dày độ cao mq: sai số trung phương đo thị sai máy f: tiêu cự máy chụp ảnh mc mẫu số tỉ lệ ảnh b đường đáy ảnh mh = h; h = 2,5m → mh = 625 mm Thay giá trị: mq = 0.03 mm; f = 150 mm; mC = 42000; b = 90 mm Kết ước tính: n = 2,08 ( 90 x 625 150 x 42000 x 0,03 ) = 0.927 Việc bố trí theo mơ hình điểm độ cao dã ngoại hồn tồn bảo đảm độ xác để vẽ đường đồng mức với khoảng cao 2,5 m 72 Quy định kỹ thuật bố trí thiết kế đo nối khống chế ảnh độ cao mơ hình điểm Điểm khống chế ảnh mặt phẳng độ cao điểm mơ hình Thiết kế ngun tắc bố trí điểm khống chế độ cao: - Các điểm khống chế độ cao bố trí ảnh tỷ lệ 1/42.000 đảm bảo mơ hình điểm điểm kiểm tra nằm gần tâm ảnh theo sơ đồ sau: D N2 N1 D + Trong đó: N4 D D + D N3 Ni: điểm khống chế độ cao - Tại khu vực có điểm khống chế mặt phẳng độ cao đo công nghệ GPS phải bố trí đủ điểm khống chế mặt phẳng độ cao đủ cho mơ hình điểm phục vụ đo vẽ khoảng cao 2,5 m Đo nối độ cao - Điểm đo nối đường độ cao kỹ thuật điểm độ cao Nhà nước hạng 1, 2, có khu vực - Đường chuyền độ cao kỹ thuật: Chiều dài: L £ 50 km Sai số khép độ cao fh(mm) £ ± 50 L (km) (đối với vùng núi) (L đơn vị số km chiều dài đường chuyền độ cao) Nếu số trạm đo n > 25/1km (n số trạm đo) sai số khép độ cao: fh (mm) £ ± 20mm n Xây dựng Project tăng dày trạm ảnh số Xây dựng Project: Modul ISPM - Tạo Seed.dgn file hệ thống thông tin địa lý 1/10.000 (bản đồ địa hình 1/10.000) 73 - Chuyển tồn tọa độ điểm khống chế kinh tuyến trục địa phương - Sử dụng chức tạo project dựa project có phần mềm quản lý liệu đo vẽ ảnh (ISPM) hãng Intergraph - Tiến hành kiểm tra lại toàn thông số máy ảnh, hệ tọa độ đơn vị đo, hạn sai đo vẽ, thông số ảnh mơ hình, đường dẫn ảnh, file liệu chứa tọa độ điểm khống chế - Tính tốn lại ngun tố định hướng ảnh cho tồn mơ hình Project, kiểm tra lập thể toàn điểm định hướng độ cao dã ngoại, tiếp biên sơ cách so sánh toạ độ, độ cao địa vật mơ hình với nội dung tên đo vẽ mơ hình lân cận khu đo - Sai số định hướng tuyệt đối mơ hình đạt: + Về mặt phẳng £ 4m (0,4mm theo tỷ lệ đồ) + Về độ cao £ 1,25m khoảng cao 5m Sau định hướng mơ hình phải tiến hành kiểm tra tiếp biên Sai số tiếp biên mơ hình với mơ hình đạt: + Vị trí đường bình độ tên khơng lệch q 2/5h (h = 5m) Tạo lập Project cho đo vẽ yếu tố nội dung địa hình từ điểm định hướng độ cao dã ngoại (mơ hình điểm) Xây dựng Project riêng với tham gia toàn điểm khống chế độ cao, cụ thể sau: - Từ kết tăng dày mặt phẳng, độ cao có xây dựng PROJECT có tên tên PROJECT tăng dày, sau thêm vào kí tự: _KCDCNN - Nội dung PROJECT bao gồm tồn mơ hình phủ kín diện tích thiết kế cho đo vẽ theo điểm khống chế độ cao dã ngoại Biên tập file điểm khống chế bao gồm: 74 + Điểm khống chế mặt phẳng: Giữ nguyên điểm khống chế tổng hợp PROJECT tăng dày bỏ thành phần độ cao (Z) + Điểm khống chế độ cao: Đưa vào toàn điểm khống chế độ cao đo theo đồ hình điểm cho mơ hình (chỉ bao gồm thành phần độ cao Z) Xây dựng mơ hình lập thể Sau trình tăng dày khống chế ảnh, nhớ máy tính có giá trị ngun tố định hướng ảnh, tọa độ điểm tăng dày Vì vậy, chọn cặp ảnh lập thể, mơ hình lập thể xây dựng tự động ü Vẽ mô tả yếu tố đặc trưng địa hình Cơng tác có trợ giúp phần mềm MGE Terain Analyst định nghĩa phân loại sẵn đối tượng đặc trưng tham gia vào xây dựng mơ hình số địa hình Chúng gồm loại sau: a Các đối tượng dạng điểm b Các đối tượng dạng đường c Các đối tượng dạng vùng ü Thành lập mô hình số độ cao Dựa vào kết mơ tả bề mặt thực địa, mơ hình số tạo cách tự động phần mềm ImageStation Match-T (ISMT) ü Biểu diễn đường bình độ tự động Đặt khoảng cao đường bình độ tự động kết hợp với mơ hình số địa hình tiến hành nội suy đường bình độ tự động ü Chỉnh sửa đường bình độ Tiến hành chỉnh sửa đường bình độ qua lịng sơng, lịng hồ, đường chưa bám bề mặt địa hình nhờ số liệu đo điểm đặc trưng mơ hình (đường phân thủy, tụ thủy, điểm cực trị, điểm yên ngựa…) Dựa vào mô hình lập thể đo trực tiếp chiều cao chỗ đất trống để chỉnh sửa đường bình độ khu vực thực phủ dầy đặc 75 3.3.2 Thành lập bình đồ ảnh vũ trụ chụp từ ảnh vệ tinh SPOT-5 để xác định yếu tố địa vật phục vụ cho thành lập đồ 1/10.000 Bình đồ ảnh vệ tinh tỷ lệ 1/10.000 thành lập hệ tọa độ VN-2000 từ ảnh SPOT-5 (ảnh thu nhận từ trạm thu ảnh vệ tinh đặt Trung tâm Viễn thám) có độ phân giải 2,5m Các sản phẩm bình đồ ảnh thể dạng màu tự nhiên Mô hình hóa ảnh Q trình mơ hình hóa ảnh vệ tinh thực phần mềm Delta Multi- thuộc dây chuyền sản xuất SPACEMAT Đây phần mềm hãng IGN Espace Pháp xây dựng Phần mềm cho phép tiến hành mơ hình hóa khối ảnh vệ tinh SPOT-5 sử dụng mơ hình vật lý với thông số thực hãng SPOT Image cung cấp cho phép mơ cách xác yếu tố ảnh hưởng đến trình chụp ảnh SPOT Đây coi phần mềm có độ xác mơ hình hóa ảnh vệ tinh tốt Nắn ảnh Khu vực thi cơng có địa hình tương đối phức tạp bao gồm vùng đồng đồi núi cao dẫn đến chênh cao địa hình lớn Vì cần phải sử dụng mơ hình số địa hình (DTM) để loại trừ sai số chênh cao địa hình gây vị trí điểm ảnh nắn Mơ hình số địa hình (DTM) lấy dựa kết đo vẽ trực tiếp địa hình từ ảnh hàng khơng Khi nắn ảnh vệ tinh trực giao tác giả sử dụng mô hình số địa hình thành lập mục 2.1.5.8 Thực tế cho thấy để đảm bảo độ xác thành lập bình đồ ảnh vệ tinh tỷ lệ 1/10.000 (sai số vị trí mặt £ m) ảnh SPOT5 mơ hình số địa hình cần lập từ đồ địa hình tỉ lệ 1/25.000 với khoảng cao 10m tương đương Trong khu đo sử dụng mơ hình số địa hình (DTM) với độ xác khoảng cao 5m (kết đo vẽ đồ địa hình tỷ lệ 1/10.000) để 76 nắn ảnh vệ tinh xử lý mức 2A (ảnh vệ tinh loại trừ ảnh hưởng độ cong trái đất, chiết quang khí quyển, v.v) Việc nắn ảnh vệ tinh SPOT-5 thực dây chuyền SPACEMAT với phần mềm NCI, Mac 330, Geoview, Photoshop 6.0 Sản phẩm ảnh số nắn đạt độ xác hình học sau: Sai số vị trí điểm bình đồ ảnh vệ tinh tỉ lệ 1/10.000 £ m (0,4 mm đồ) Ảnh vệ tinh sau nắn mức loại trừ tối đa ảnh hưởng chênh cao địa hình (xử lý mơ hình số địa hình đo vẽ từ ảnh hàng khơng nắn), hình ảnh tăng cường chất lượng cắt mảnh theo danh pháp đồ địa hình tỷ lệ 1/10.000, trường hợp mảnh bình đồ ảnh khơng nằm trọn cảnh ảnh vệ tinh mà nằm nhiều cảnh phải tiến hành ghép cảnh ảnh vệ tinh cắt mảnh Xử lý phổ Bình đồ ảnh xử lý phổ theo phương án màu tự nhiên phải đạt mức độ chất lượng hình ảnh tốt đảm bảo đối tượng rõ nét, có độ tương phản trung bình, khơng thiên màu, màu sắc đồng mảnh tiếp giáp Biểu đồ phân bố độ xám sau xử lý phổ phải tận dụng tối đa khoảng giá trị Pixel Để nâng cao chất lượng hình ảnh phục vụ mục đích suy giải đối tượng nội dung đồ địa hình, tiến hành chồng ghép ảnh toàn sắc (P) lực phân giải 2,5m với ảnh đa phổ (XS) lực phân giải 10m đồng cảnh, việc lấy mẫu lại ảnh XS tạo kích thước Pixel 2,5m x 2,5m (lưu ý: ảnh P ảnh gốc chuẩn nên không phép xê dịch toạ độ); kiểm tra chập ảnh XS lên ảnh P, sai số cho phép Pixel Trình bày khung theo mẫu khung đồ địa hình tỷ lệ 1/10.000 gồm thông tin sau: Tên mảnh, phiên hiệu mảnh, tỷ lệ, khung khung ngoài, lưới km, ghi thông số ảnh (mức xử lý, thời gian chụp ảnh), lưới chiếu hình 77 Giải đốn yếu tố địa vật từ bình đồ ảnh vệ tinh - Thủy văn - Thực vật - Thổ nhưỡng - Giao thông - Dân cư Điều vẽ kiểm tra nghiệm thu giải đoán ảnh viễn thám 3.3.3 Thành lập đồ địa hình cách chồng xếp phần địa hình địa vật Từ ảnh hàng không chụp khu vực cần thành lập đồ Ta thành lập địa hình với yếu tố điểm độ cao đường đồng mức Kết hình 3.2 Hình 3.2: Một phần địa lý với yếu tố đường bình độ điểm độ cao 78 Từ ảnh vệ tinh chụp khu vực cần thành lập ta giải đoán yếu tố địa vật Hình 3.3: Ảnh vệ tinh chụp khu vực Thái Nguyên Ta xác định yếu tố địa vật (là yếu tố giao thông, thủy hệ, thực vật, ranh giới, dân cư) Hình 3.4: Một phần đồ với yếu tố địa vật 79 Từ yếu tố ta tiến hành chồng xếp thành lập đồ địa hình tỷ lệ 1/10.000 Hình 3.5: Chồng xếp yếu tố địa hình địa vật 80 KẾT LUẬN Những vùng núi hay xảy sạt lở đất thường độ dốc tương đối lớn từ 20-45° Ở khu vực điều kiện phát triển kinh tế khơng có nhiều nên cơng tác bay chụp ảnh tiến hành lặp lại có ảnh bay chụp Cho nên để thành lập đồ địa hình khu vực phục vụ cho công tác nghiên cứu sạt lở đất, giải pháp hợp lý sử dụng tư liệu ảnh hàng không cũ bay chụp tỷ lệ nhỏ để vẽ đường đồng mức điểm độ cao Khi sử dụng ảnh hàng không cũ tỷ lệ lại nhỏ để đo vẽ đường đồng mức ta dùng giải pháp đo nối khống chế ảnh ngoại nghiệp nhằm đảm bảo đủ mơ hình lập thể có 3-4 điểm khống chế tổng hợp Do sử dụng tư liệu ảnh hàng không cũ mà tỷ lệ nhỏ sử dụng tư liệu để xác định yếu tố địa vật thành lập đồ địa hình, phải sử dụng bình đồ ảnh vệ tinh thu nhận để giải đoán tất yếu tố địa vật phục vụ cho việc thành lập đồ địa hình Trong q trình giải đốn yếu tố địa vật từ bình đồ ảnh vệ tinh phải sử dụng tài liệu hỗ trợ khác đồ tỷ lệ lớn, đồ chuyên đề Sau vẽ đường bình độ điểm độ cao ta chồng file lên file địa vật đốn đọc điều vẽ từ bình đồ ảnh vệ tinh ta có đồ địa hình cần thành lập khu vực đồi núi khơng có ảnh hàng khơng chụp Qua q trình viết đồ án tốt nghiệp làm thực nghiệm đến kết luận: giải pháp đề xuất đảm bảo tính kỹ thuật, khả thi đảm bảo độ xác thành lập đồ 1:10.000 phục vụ công tác nghiên cứu sạt lở đất 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO Trương Anh Kiệt, Phạm Vọng Thành (2009), Cơ sở đo ảnh , Trường Đại học Mỏ - Địa Chất, Hà Nội Phan Văn Lộc (2000), Công nghệ đo ảnh, Trường Đại học Mỏ - Địa Chất, Hà Nội Phạm Vọng Thành, Nguyễn Trường Xuân (2003), Công nghệ viễn thám cho học viên cao học, Trường Đại học Mỏ - Địa Chất, Hà Nội Tổng cục địa (1995), Ký hiệu đồ địa hình tỷ lệ 1:10.000; 1:25.000; 1:50.000 Tổng cục địa (1995), Quy phạm chỉnh đồ địa hình tỷ lệ 1:10.000; 1:25.000; 1:50.000 Assian Association on Remote Sensing (2004), Asian Conference on Remote Sensing, 11-2004, Proceeding 1,2 John R.Jensen (1996), Introductory Digital Image Processing Thomas M.Lillesand – Ralph W.Kiefer (2000), Remote Sensing and Image Ingerpretation, New York 82 PHỤ LỤC ... I HC M - ĐỊA CHẤT Mẫu Báo cáo (bìa mềm) LƯU HẢI U MộT Số GIảI PHáP Kỹ THUậT Để THàNH LậP BảN Đồ ĐịA HìNH BằNG CÔNG NGHệ ảNH Số PHụC Vụ CÔNG TáC PHòNG CHốNG THIÊN TAI Chuyờn ngnh: Bn đồ, viễn... trụ để thành 23 lập đồ địa hình 2.1 Phương pháp thành lập đồ địa hình phương pháp đo ảnh số 23 2.1.1 Khái niệm ảnh số 23 2.1.2 Hệ thống trạm đo vẽ ảnh số 27 2.1.3 Một số kỹ thuật xử lý ảnh số. .. cơng nghệ phương pháp 23 Chương PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG ẢNH HÀNG KHÔNG - VŨ TRỤ ĐỂ THÀNH LẬP BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH 2.1 Phương pháp thành lập đồ địa hình phương pháp đo ảnh số 2.1.1 Khái niệm ảnh số Ảnh số