Xây dựng lưới kiểm chuẩn cho bản đồ điện tử và suy giải ảnh thu được từ khí cầu quan sát trong trạm lưu động cảnh báo cháy rừng

MỤC LỤC Nội Dung Trang LỜI CẢM ƠN Chƣơng TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục đích yêu cầu, phƣơng pháp nghiên cứu giới hạn đề tài 1.2.1 Mục đích 1.2.2 Yêu cầu 1.2.3 Phƣơng pháp nghiên cứu 1.2.4 Giới hạn đề tài 1.3 Nội dung nghiên cứu Chƣơng CƠ SỞ LÝ LUẬN 2.1 Giới thiệu hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning Systems) 2.1.1 Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning Systems) bao gồm mảng: 2.1.2 Phân loại 2.1.3 Sự hoạt động GPS 2.1.4 Độ xác GPS 2.1.5 Hệ thống vệ tinh GPS 2.1.6 Tín hiệu GPS 2.1.7 Nguồn lỗi tín hiệu GPS 10 2.1.7 Các thiết bị ứng dụng GPS 11 Trong quân sự: 11 2.2 Giới thiệu chung trạm lƣu động cảnh báo cháy rừng 12 2.2.1 Sơ đồ tổng thể trạm lƣu động 12 2.2.2 Quá trình hoạt động Camera 13 2.3 giới thiệu phép chiếu đồ 14 2.3.1 Số hiệu chỉnh cho trị đo hƣớng, cạnh, phƣơng vị từ mặt đất tự nhiên ê-líp-xơ-ít quy chiếu Hệ VN-2000 14 2.3.2 Chuyển trị đo GPS từ Hệ WGS-84 quốc tế ê-líp-xơ-ít quy chiếu Hệ VN-2000 14 2.2.3 Tính chuyển góc phƣơng vị, hƣớng đo cạnh đo từ ê-líp-xơ-ít quy chiếu mặt phẳng lƣới chiếu UTM Hệ VN-2000 16 2.3.4 Tính toạ độ phẳng UTM Hệ VN-2000 17 2.3.5 Tính giá trị trọng lực chuẩn ê-líp-xơ-ít quy chiếu WGS-84 17 Chƣơng 18 XÂY DỰNG LƢỚI KIỂM CHUẨN CHO BẢN ĐỒ ĐIỆN TỬ 18 3.1 Bản đồ điện tử 18 3.1.1 Bản đồ địa hình 18 3.1.2 Nội dung tờ đồ địa hình 19 3.1.3 Điểm khống chế trắc địa 19 3.1.4 Địa vật 19 3.1.5 Dáng đất 21 3.2 Bản đồ số địa hình 21 3.2.1 Khái niệm chung 21 3.2.2 Những đặc điểm đồ số địa hình 22 3.2.3 Các đối tƣợng đồ số 23 3.2.4 Các phƣơng pháp thành lập đồ địa hình 24 3.2.5 Thành lập đồ địa hình phƣơng pháp đo vẽ trực tiếp 25 Chƣơng 43 SUY GIẢI ẢNH THU ĐƢỢC TỪ CAMERA QUAN SÁT 43 4.1 Hình ảnh thu đƣợc từ Camera 43 4.2 Các thuật toán dùng phép suy giải ảnh 43 4.2.1 Thuật toán quét nửa đƣờng tròn 44 4.2.2 Phƣơng pháp mờ hố tìm điểm biên nhờ luật điều khiển MAX - MIN 44 4.2.3 Cấu trúc hệ bám vật di động 45 4.2.4 Kết luận 46 4.2.5 Thuật toán tự động xác định tọa độ mục tiêu phép xử lý tam giác 46 a.Vấn đề đặt 46 b Tổng qt mơ hình tốn xử lý tam giác 47 Cơ sở phƣơng pháp giải tam giác đài phân tập mạng trinh sát đƣợc liên kết với thành hệ thống ( 2) thông qua kênh thông tin Cấu trúc phép xử lý tam giác “cặp đài”, đặt cách khoảng d, gọi đáy, với vị trí tức thời mục tiêu trƣờng trinh sát tạo thành tam giác tƣơng đối (phẳng khơng gian), hình 47 c Một số thuật toán đặc trƣng 51 Chƣơng 56 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 56 5.1 Kết luận 56 5.2 Kiến nghị 56 LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn thầy cô trƣờng Đại học Lâm nghiệp, khoa Cơng nghiệp & PTNT, phịng thí nghiệm Điện - Điện tử – Tự động hố tận tình giúp đỡ em thời gian hồn thành khố luận, trang bị cho em khối kiến thức tài liệu sát thực Khố luận hồn thành mục đích đảm bảo yêu cầu đề Thành công đề tài cố gắng tất thầy trò chúng em Đặc biệt, em xin cảm ơn thầy giáo Trần Kim Khôi tận tình bảo vấn đề có liên quan đến đề tài, bổ sung vào vốn kiến thức em Với cố gắng nỗ lực em, song chƣa có nhiều kinh nghiệm nên đề tài khơng tránh khỏi thiếu sót Vì vậy, em mong đƣợc đóng góp ý kiến thầy bạn đồng nghiệp để khố luận đƣợc hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Hà Tây, Ngày 09 tháng 05 năm 2008 Sinh viên thực Lê Công Chất Chƣơng TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Đặt vấn đề Rừng tài nguyên quý giá, nhiên diện tích rừng ngày bị thu hẹp nhiều nguyên nhân nhƣ: đốt rừng làm nƣơng rẫy, chặt phá rừng bừa bãi, cháy rừng…do ý thức ngƣời dân nhiệt độ ngày tăng cao làm cho tƣợng cháy rừng ngày nghiêm trọng, rừng cháy lửa lây lan nhanh xảy đám cháy lớn gây thiệt hại nặng nề Chính việc làm cấp thiết cần phải phát sớm đám cháy nhỏ xác định vị trí để dập tắt kịp thời, không cho đám cháy bùng phát Khoa học kỹ thuật ngày phát triển ứng dụng nhiều vào cơng tác phịng chống cháy rừng Việc xác định vị trí vật thể sử dụng đồ điện tử, đồ vệ tinh, hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) …đã đƣợc ứng dụng việc xác định xác vị trí đám cháy trạm lƣu động cảnh báo cháy rừng (Đang đƣợc triển khai Cục Kiểm Lâm – TP Hạ Long) Q trình xác định vị trí địa lý ngƣời ta thƣờng sử dụng đồ GPS tính xác với việc thuận tiện việc sử dụng Tuy nhiên vấn đề đặt cho trạm quan sát lƣu động việc cảnh báo sớm cháy rừng phải có điểm chuẩn đồ điện tử sử dụng máy GPS cầm tay để xác định nhanh vị trí đám cháy nhỏ để dập tắt kịp thời Đƣợc đồng ý Khoa CNPTNT - Phịng Thí Nghiệm Điện - Điện Tử Tự Động tơi làm khố luận với tên: “Xây dựng lưới kiểm chuẩn cho đồ điện tử suy giải ảnh thu từ khí cầu quan sát trạm lưu động cảnh báo cháy rừng” 1.2 Mục đích yêu cầu, phƣơng pháp nghiên cứu giới hạn đề tài 1.2.1 Mục đích Đề tài có nhiệm vụ xây dựng lƣới kiểm chuẩn để xác định vị trí đám cháy nhỏ từ đồ điện tử, để dập tắt kịp thời không cho đám cháy lan rộng Suy giải ảnh thu đƣợc từ Camera quan sát trạm lƣu động cảnh báo cháy rừng 1.2.2 Yêu cầu Từ lƣới kiểm chuẩn xây dựng ta tính tốn xác định đƣợc xác vị trí đám cháy Đảm bảo tính xác nhanh chóng suy giải ảnh thu đƣợc, phân tích đồ xác định điểm cháy Đảm bảo tính chân thực đồ điện tử đồ thực tế Kết nối đồ điện tử đồ thực tế 1.2.3 Phƣơng pháp nghiên cứu Chia lƣới đồ có điểm đo kiểm chuẩn Sử dụng GPS (Global Positioning System) - Hệ thống định vị toàn cầu để định vị điểm chuẩn 1.2.4 Giới hạn đề tài Trong khu rừng rậm rộng lớn việc xác định điểm chuẩn khó khăn Độ xác xác định vị trí đám cháy đồ điện tử đồ thực địa sai lệch khoảng 20m Xây dựng lƣới kiểm chuẩn cho diện tích vùng quan sát đƣợc Camera 1.3 Nội dung nghiên cứu Nội dung nghiên cứu khoá luận gồm chƣơng Chƣơng 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu Chƣơng 2: Cơ sở lý luận Chƣơng 3: Xây dựng lƣới kiểm chuẩn cho đồ điện tử Chƣơng 4: Suy giải ảnh thu đƣợc từ Camera quan sát Chƣơng 5: Kết luận kiến nghị Chƣơng CƠ SỞ LÝ LUẬN 2.1 Giới thiệu hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning Systems) 2.1.1 Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning Systems) bao gồm mảng: Mảng người dùng, gồm ngƣời sử dụng thiết bị thu GPS Hình 2.1: Máy GPS 76 CSX Mảng kiểm soát bao gồm trạm mặt đất, chia thành trạm trung tâm trạm Các trạm con, vận hành tự động, nhận thông tin từ vệ tinh, gửi tới cho trạm chủ Sau trạm gửi thơng tin đƣợc hiệu chỉnh trở lại, để vệ tinh biết đƣợc vị trí chúng quỹ đạo thời gian truyền tín hiệu Nhờ vậy, vệ tinh đảm bảo cung cấp thơng tin xác tuyệt đối vào thời điểm Mảng lại gồm vệ tinh hoạt động lƣợng mặt trời, bay quỹ đạo Quãng thời gian tồn chúng vào khoảng 10 năm chi phí cho lần thay lên đến hàng tỷ USD Một vệ tinh truyền tín hiệu radio nhiều mức tần số thấp khác nhau, đƣợc gọi L1, L2 Những thiết bị nhận tín hiệu GPS thơng thƣờng bắt sóng L1, dải tần số UHF 575,42 Mhz Một đài phát FM thƣờng cần có cơng suất chừng 100.000 watt để phát sóng, nhƣng vệ tinh định vị tồn cầu địi hỏi 20-50 watt để đƣa tín hiệu xa 19.200 km Tần số L1 chứa đựng tín hiệu số (mã hoá kỹ thuật số), đƣợc gọi Pcode C/A-code Mã P nhằm bảo vệ thông tin khỏi truy nhập trái phép Tuy nhiên, mục đích tín hiệu mã hóa nhằm tính tốn thời gian cần thiết để thông tin truyền từ vệ tinh tới thiết bị thu nhận mặt đất Sau đó, khoảng cách bên đƣợc tính cách nhân thời gian cần thiết để tín hiệu đến nơi với tốc độ ánh sáng 300.000 km/giây (khoảng cách = vận tốc x thời gian) Tuy nhiên, tín hiệu bị sai đơi chút qua bầu khí Vì vậy, kèm theo thơng điệp gửi tới thiết bị nhận, vệ tinh thƣờng gửi kèm thông tin quỹ đạo thời gian Việc sử dụng đồng hồ nguyên tử đảm bảo xác thống thời gian thiết bị thu phát Để biết vị trí xác vệ tinh, thiết bị nhận GPS cịn nhận thêm loại tín hiệu mã hóa: Loại thứ (đƣợc gọi Almanac data) đƣợc cập nhật định kỳ cho biết vị trí gần vệ tinh quỹ đạo Nó truyền liên tục đƣợc lƣu trữ nhớ thiết bị thu nhận vệ tinh di chuyển quanh quỹ đạo Tuy nhiên, phần lớn vệ tinh di chuyển khỏi quỹ đạo chúng Sự thay đổi đƣợc ghi nhận trạm kiểm soát mặt đất Việc sửa chữa sai số quan trọng đƣợc đảm nhiệm trạm chủ mặt đất, trƣớc thông báo lại cho vệ tinh biết vị trí chúng Thông tin đƣợc sửa chữa đƣợc gọi Ephemeris data Kết hợp Almanac data Ephemeris data, thiết bị nhận GPS biết xác vị trí vệ tinh Hiện nay, có đồ điện tử, nhiều thiết bị nhận GPS hiển thị rõ ràng vị trí bạn qua hình, điều giúp cho việc định hƣớng trở nên thuận lợi Nhƣng tắt thiết bị nhận tín hiệu khoảng thời gian chừng đồng hồ, Almanac data (hay khơng cịn nhận biết xác vệ tinh quỹ đạo trái đất) Khi hoạt động trở lại, thiết bị cần khoảng thời gian chừng 30 giây để nạp lại thơng tin vị trí vệ tinh, trƣớc cho biết thời bạn đâu 2.1.2 Phân loại Hệ Định vị Toàn cầu (Global Positioning System - GPS) Mỹ hệ dẫn đƣờng dựa mạng lƣới 24 vệ tinh (Thực tế có 21 vệ tinh hoạt động, vệ tinh dự phòng) đƣợc Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ đặt quỹ đạo không gian Các hệ thống dẫn đƣờng truyền thống hoạt động dựa trạm phát tín hiệu vơ tuyến điện Đƣợc biết nhiều hệ thống có tên gọi LORAN – (LOng RAnge Navigation) – hoạt động giải tần 90-100 kHz chủ yếu dùng cho hàng hải, hay TACAN – (TACtical Air Navigation) – dùng cho quân đội Mỹ biến thể với độ xác thấp VOR/DME – VHF (Omnidirectional Range/Distance Measuring Equipment) – dùng cho hàng không dân dụng Gần nhƣ đồng thời với lúc Mỹ phát triển GPS, Liên Xô phát triển hệ thống tƣơng tự với tên gọi GLONASS Hiện Liên minh Châu Âu phát triển hệ dẫn đƣờng vệ tinh mang tên Galileo Chú ý GPS GLONAS đƣợc phát triển trƣớc hết cho mục đích quân Nên chúng có cho dùng dân nhƣng khơng hệ đƣa đảm bảo tồn liên tục độ xác Vì chúng khơng thoả mãn đƣợc yêu cầu an toàn cho dẫn đƣờng dân hàng không hàng hải, đặc biệt vùng thời điểm có hoạt động quân quốc gia sở hữu hệ thống Chỉ có hệ thống dẫn đƣờng vệ tinh châu Âu Galileo (đang đƣợc xây dựng) từ đầu đặt mục tiêu đáp ứng yêu cầu nghiêm ngặt dẫn đƣờng định vị dân GPS ban đầu dành cho mục đích quân sự, nhƣng từ năm 1980 phủ Mỹ cho phép sử dụng dân GPS hoạt động điều kiện thời tiết, nơi Trái Đất, 24 ngày Khơng phí th bao tiền trả cho việc thiết lập sử dụng GPS 2.1.3 Sự hoạt động GPS Các vệ tinh GPS bay vòng quanh Trái Đất hai lần ngày theo quỹ đạo xác phát tín hiệu có thơng tin xuống Trái Đất Các máy thu GPS nhận thông tin phép tính lƣợng giác tính đƣợc xác vị trí ngƣời dùng Về chất máy thu GPS so sánh thời gian tín hiệu đƣợc phát từ vệ tinh với thời gian nhận đƣợc chúng Sai lệch thời gian cho biết máy thu GPS cách vệ tinh bao xa Rồi với nhiều quãng cách đo đƣợc tới nhiều vệ tinh máy thu tính đƣợc vị trí ngƣời dùng hiển thị lên đồ điện tử máy Máy thu GPS phải khố đƣợc với tín hiệu ba vệ tinh để tính vị trí hai chiều (kinh độ vĩ độ) để theo dõi đƣợc chuyển động Với bốn hay nhiều số vệ tinh tầm nhìn máy thu tính đƣợc vị trí ba chiều (kinh độ, vĩ độ độ cao) Một vị trí ngƣời dùng tính đƣợc máy thu GPS tính thông tin khác, nhƣ tốc độ, hƣớng chuyển động, bám sát di chuyển, khoảng hành trình, quãng cách tới điểm đến, thời gian Mặt Trời mọc, lặn nhiều thứ khác 2.1.4 Độ xác GPS Các máy thu GPS ngày xác, nhờ vào thiết kế nhiều kênh hoạt động song song chúng Các máy thu 12 kênh song song (của Garmin) nhanh chóng khố vào vệ tinh bật lên chúng trì chắn liên hệ này, chí tán rậm rạp thành phố với tồ nhà cao tầng Tình trạng định khí nguồn gây sai số khác ảnh hƣởng tới độ xác máy thu GPS Các máy thu GPS có độ xác trung bình vịng 15 mét Chƣơng SUY GIẢI ẢNH THU ĐƢỢC TỪ CAMERA QUAN SÁT 4.1 Hình ảnh thu đƣợc từ Camera Hình ảnh thu đƣợc từ Camera phụ thuộc vào góc quét Camera diện tích vùng phủ ảnh Camera Cơ sở nguyên tắc xác định tọa độ địa lý điểm mặt đất Xác định kinh độ Xác định vĩ độ Xác định tọa độ địa lý điểm đồ: Phân biệt tọa độ địa lý, tọa độ ô vuông, tọa độ cực Xác định tọa độ địa lý tọa độ ô vuông điểm đồ địa hình tỷ lệ lớn Xác định tọa độ địa lý điểm nhiều đồ khác nhau, so sánh kết kết luận 4.2 Các thuật toán dùng phép suy giải ảnh Để xử lý ảnh máy tính, trƣớc tiên phải số hố đƣợc ảnh (ảnh tín hiệu đƣa từ ngồi vào qua đầu Video Camera ) Số hoá toạ độ mặt phẳng xy gọi lấy mẫu ảnh số hoá theo biên độ gọi lƣợng tử hoá mức xám Sau số hố ảnh đƣợc cho dƣới dạng ma trận :  f(0,0)  f(1,0) f(x,y)=     f(N - 1,0)   f(1,1) f(1, M - 1)    f(N - 1,1) f(N - 1, M - 1)  f(0,1) f(0, M - 1) (1) đó: f(i, j) giá trị mức xám ảnh điểm có toạ độ (i, j) Mỗi phần tử (1) đƣợc gọi pixel Lân cận pixel toạ độ (x,y) điểm có toạ độ nhƣ sau : (x,y - 1); (x,y + 1); (x - 1,y); (x + 1,y) (x - 1,y - 1); (x - 1,y + 1); (x + 1,y - 1); (x + 1,y + 1) 43 *Đặt toán : Giả sử mục tiêu di động mang màu có giá trị , mang giá trị màu  Toàn ảnh đƣợc đƣa vào máy tính qua Camera Do giá trị màu mục tiêu sau số hoá bị thay đổi lân cận 1, 2 đó? Do việc xác định nhanh biên mục tiêu ( trái, phải, trên, dƣới ) yêu cầu việc tạo lệnh điều khiển bám Từ khái niệm (sau số hoá ảnh) đƣa thuật toán xác định toạ độ biên ảnh động nhằm phục vụ việc tạo lệnh điều khiển hệ bám vị trí mục tiêu di động sau: 4.2.1 Thuật toán quét nửa đƣờng tròn Việc xác định giá trị biên hoàn toàn giống Do xét việc xác định toạ độ biên trái Giả sử điểm có toạ độ (x,y) Với bán kính r cho trƣớc toạ độ điểm nằm đƣờng trịn phía bên phải đƣợc xác định nhƣ sau : xpk = x + r* sin(k * i); ypk = y + r*cos(k*i) (2) Trong : i - độ lớn mẫu