Kiểm định và ứng dụng máy chụp ảnh số phổ thông trong đo vẽ địa hình
MỤC LỤC
Phương pháp đồ giải (plane table photogrammetry)
Năm 2004, trong nội dung hợp tác khoa học Việt Nam-Ba Lan giữa Tr−ờng Đại học Mỏ Địa chất Hà Nội và Tr−ờng 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 l−ợng khai thác định kì tại mỏ Cọc Sáu. Trong phép chiếu ng−ợc, muốn xác định tọa độ của các điểm trên đối t−ợng 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 h−ớng ảnh.
Các dạng chụp cơ bản của ảnh lập thể mặt đất
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. 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.
Công thức xác định tọa độ điểm chi tiết bằng ảnh mặt đất
Quá trình chụp ảnh máy ảnh đ−ợc đặt cố định ở các trạm chụp và đ−ợc.
Độ chính xác tọa độ điểm chi tiết xác định bằng ảnh mặt đất
Việc ứng dụng đo ảnh mặt đất trong đo vẽ địa hình và phi địa hình tuy có nhiều thuận lợi nh−ng đi theo công nghệ truyền thống của đo ảnh t−ơng tự sẽ không có tính khả thi về kỹ thuật, thời gian, hiệu quả và kinh tế. Trong công nghệ đo ảnh số mặt đất từ đối t−ợng đo, thiết bị chụp ảnh, công cụ xử lý đ−ợc sản phẩm đo, nếu chụp ảnh đối t−ợng 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.
Bộ cảm CCD
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. 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 đ−ợc đặt cố định và dùng chung một nguồn điện), chất l−ợng l−ợng tử và chuyển đổi số cao, thu phóng dễ dàng (thay đổi độ phân giải), khả năng giảm nhiễu phản xạ tốt.
Các phương pháp kiểm định
Ph−ơng 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. Xây dựng một bãi kiểm định chuẩn đơn giản bao gồm các điểm chuẩn từ cỏc đường chuẩn thẳng đứng hoặc cỏc điểm được đỏnh dấu rừ nột 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.
Lựa chọn hàm toán học hiệu chỉnh sai số méo hình kính vật
) -sai số do méo hình tiếp tuyến Công thức này do giáo s− Brown (Mỹ) đ−a ra chủ yếu nhằm hiệu chỉnh sai số méo hình kính vật gồm hai loại: méo hình xuyên tâm (Radial Lens Distortion) và méo hình tiếp tuyến (Tangential Lens Distortion). * Phù hợp với phần mềm đo ảnh hiện thời: các phần mềm đo ảnh số hiện nay cho phép hiệu chỉnh sai số méo hình kính vật với các hệ số méo hình tuân theo công thức đã đóng gói lập sẵn, không tác động từ bên ngoài vào.
Bản chất của méo hình kính vật
Nguyên nhân gây nên sai số vị trí điểm ảnh do méo hình tiếp tuyến chủ yếu nằm ở sự lắp ráp không đồng trục giữa các thấu kính của hệ thống kính vật máy chụp ảnh. Sai số này rất lớn đối với máy chụp ảnh số phổ thông vì sự thu phóng lúc chụp ảnh chính là sự thay đổi khoảng cách giữa các thấu kính nhằm thay đổi tiêu cự, gây nên sự không ổn định của trục quang chính.
Chương trình kiểm định
Chương trình kiểm định CalImage Ver 2.0 (Calibration Image) do tác giả xây dựng đ−ợc viết bằng ngôn ngữ Borland DelPhi Enterprise 7.0 trên Window theo ph−ơng pháp lập trình h−ớng sự kiện. - Đọc và nhập các giới hạn tính toán nh−: kiểu tính, giới hạn tính độ chính xác của ẩn, tính lặp tối đa, cho phép loại trừ sai số thô trị đo tọa độ ảnh.
Quy trình kiểm định máy chụp ảnh số phổ thông
Nếu chụp ở bất kỳ một chế độ thu phóng nào sẽ dẫn tới tình trạng mỗi một tấm ảnh đều có một giá trị tiêu cự khác nhau (cả hệ số méo hình cũng khác nhau) dẫn tới phải tự kiểm định lúc đo vẽ cho từng tấm rất phức tạp và không khả thi. Các thông số kiểm định của máy chụp ảnh: các yếu tố định hướng trong và các hệ số méo hình kính vật lấy trung bình từ các tấm ảnh kiểm định khác nhau, đ−ợc xuất trở lại phần mềm đo ảnh để phục vụ đo vẽ thực tế.
Kết quả kiểm định
Để có một kết quả khách quan và tin cậy, chúng tôi tiến hành kiểm định máy chụp ảnh số phổ thông Sony F707 với ba lần kiểm định giãn cách nhau, có số l−ợng điểm khác nhau, chế độ thu phóng khác nhau và các góc chụp của các tấm ảnh trong một lần kiểm định có góc nhìn khác nhau. Sai số tiêu cự đối với máy chụp ảnh chuyên dụng không có chế độ thu phóng lúc chụp là rất nhỏ vào khoảng 0,01mm, sở dĩ yêu cầu nh− vậy vì khi chụp ảnh hàng không độ cao chụp ảnh rất lớn nên sự sai lệch của tiêu cự cần phải nhỏ thì mới đạt đ−ợc độ chính xác đo điểm chi tiết cho phép.
Phần mềm đo ảnh số phổ thông trong đo vẽ địa hình
Đối với công nghệ đo ảnh số chụp từ máy chụp ảnh số phổ thông ứng dụng trong hai lĩnh vực đo vẽ địa hình và đo vẽ phi địa hình ở nước ta là một vấn đề mới mẻ. ISDM (ImageStation Digital Mensuration) đo vẽ định hướng mô hình lập thể, ISSD (ImageStation Stereo Display) đo vẽ chi tiết trên mô hình lập thể, MGE Terrain Analyst tính toán khối l−ợng từ mô hình số địa hình, MicroStation biên tập bình đồ địa hình.
Phần mềm đo ảnh số phổ thông trong đo vẽ phi địa hình
Trong khi các phương pháp trắc địa truyền thống áp dụng ở những khu vực này gặp nhiều khó khăn (đo trực tiếp bằng máy toàn. đạc điện tử kể cả máy không gương, đo ảnh hàng không..), thì phương pháp. Sau đây là các công đoạn trong quy trình công nghệ thành lập bình đồ địa hình tỷ lệ lớn.
Thiết kế kinh tế kỹ thuật
Tất cả các lý thuyết và thành quả về kiểm định ảnh, thiết kế kỹ thuật.
Bố trí và đo nối các điểm kiểm tra
Npixel - số pixel trên độ rộng của mảng CCD, Y - khoảng cách từ đường đáy tới bảng ngắm, fk - tiêu cự kiểm định máy chụp ảnh. Nếu nền của thực địa mầu sáng thì bảng ngắm phải có mầu tối và tăng kích th−ớc lên 1,3 lần.
Công tác chụp ảnh
Thông th−ờng dạng tệp ảnh của máy chụp ảnh số là dạng nén *.jpg nhờ một ch−ơng trình xử lý ảnh đơn giản nh− Photoshop hoặc Paint chuyển sang định dạng. Phần mềm ImageStation Raster Utilities (ISRU) cung cấp công cụ Overview Utility và Many/Raw File Converter phục vụ tạo overview ảnh và nén ảnh.
Khai báo các thông số đo vẽ
Kết quả đ−ợc trình bày trong bảng 3.6, khi không có sự tham gia của hệ số méo hình và có sự tham gia của hệ số méo hình độ chính xác mô hình lập thể đã nâng cao đáng kể tại các điểm kiểm tra. Điều này giúp khẳng định lại, kiểm định méo hình kính vật là rất cần thiết và khả năng đo vẽ trong khoảng cách 500m để thành lập bình đồ địa hình tỷ lệ 1:2000 hoàn toàn khả thi đối với máy chụp ảnh số phổ thông Sony F707 độ phân giải 2560x1920 pixel.
Xây dựng mô hình số địa hình
Như vậy, việc xây dựng DTM từ những giá trị đo điểm và đường đặc tr−ng trên mô hình lập thể th−ờng theo dạng l−ới tam giác TIN không quy chuẩn. Khi địa hình trơ trọi không bị che phủ (địa hình mỏ lộ thiên, địa hình núi đá) không có các yếu tố vật lý khác trên bề mặt trên cùng, có thể đo DTM tự động nhờ phương pháp khớp ảnh, sau đó chỉnh sửa DTM trên mô hình lập thể.
Tính toán khối l−ợng
- Cách tính theo phương pháp dựng mặt cắt địa hình giữa mặt cắt thiết kế hoặc mặt cắt lần khai thác tr−ớc với mặt cắt hiện trạng, tính diện tích khai thác trên một mặt cắt cộng với diện tích mặt cắt tiếp theo và nhân với nửa khoảng cách giữa chúng. - Cách tính dựa trên mô hình số địa hình, chồng xếp hai mô hình số địa hình của lần đo vẽ hiện trạng và mô hình số địa hình của lần đo vẽ trước (hoặc mô hình số bề mặt thiết kế), khai báo biên polygon tính khối l−ợng, máy tính sẽ cho ngay lập tức khối l−ợng khai thác.
Biên tập bình đồ hiện trạng
Ph−ơng pháp này bị hạn chế bởi sai số xây dựng mặt cắt (từ các điểm đo rời rạc), khoảng cách giữa các mặt cắt với nhau, khá mất công khi xử lý. Tính theo ph−ơng pháp này cho kết quả nhanh chóng và chính xác vì quá trình tính trực tiếp từ các điểm đo không bị giới hạn bởi sai số xây dựng mặt cắt.
Lưu trữ và in ấn
Trong một t−ơng lai gần, ảnh số loại này sẽ tham gia vào tất cả các bài toán đo ảnh đặc biệt là tăng dày khống chế ảnh, thậm chí sẽ tham gia chụp ảnh hàng không tỷ lệ lớn trên các vật mang nhẹ đ−ợc điều kiển nh− các máy bay đồ chơi làm cho sự đa dạng của đo ảnh ngày càng mở rộng. - Công nghệ đo ảnh số sử dụng ảnh số chụp từ máy chụp ảnh số phổ thông đã thành công trong thành lập bình đồ địa hình tỷ lệ lớn, đo đạc cập nhật và đo vẽ phi địa hình, tiết kiệm thời gian, nâng cao độ chính xác và −u thế của ph−ơng pháp đo ảnh số so với các ph−ơng pháp đo vẽ truyền thống khác.
Kiểm định máy chụp ảnh số phổ thông Sony F707
Trên cơ sở thuật toán kiểm định ảnh đã trình bày, tác giả đã kiểm chứng tính chính xác trong từng công thức nh− ma trận qoay, các hệ số của ph−ơng trình số hiệu chỉnh, mày mò tìm hiểu công thức hiệu chỉnh sai số méo hình kính vật trên trạm Integraph. Với các bãi kiểm định đ−ợc thiết kế và chụp ảnh nh− trên, chúng tôi mong muốn rằng sẽ xây dựng một bãi kiểm định hoàn hảo hơn sao cho mật độ các điểm kiểm tra dày đặc và phủ kín bề mặt tấm ảnh.
Công tác chụp ảnh và công tác trắc địa ngoại nghiệp
Các điểm này phục vụ việc đánh giá độ chính xác kết quả đo ảnh đ−ợc thực hiện độc lập với quá trình chụp ảnh. Trong đợt này số l−ợng điểm kiểm tra đ−ợc chúng tôi bố trí dày đặc hơn, để có số l−ợng điểm không tham gia xây dựng mô hình mà tham gia.
Nhận xét về các kết quả đo vẽ địa hình
Việc này đ−ợc tiến hành đơn giản bằng cách chụp một tờ giấy có kích cỡ xác định (A4, A3, A2..) với độ phân giải và chế độ thu phóng giống nh− lúc chụp ảnh, sau đó định vị một ô vuông cho khớp với các cạnh của hình ảnh tờ giấy, ch−ơng trình sẽ tính ngay đ−ợc các thông số của máy ảnh (tiêu cự, tọa độ điểm chính ảnh..). Tổng hợp các nội dung đã trình bày trong luận văn kết hợp quá trình thực nghiệm chứng minh, trên cơ sở những thành công đã đạt đ−ợc, những thuận lợi, khó khăn, những tồn tại khách quan, tác giả rút ra một số kết luận và kiến nghị của đề tài “Công nghệ đo ảnh trên cơ sở ảnh chụp từ máy chụp.