5. Cấu trúc của đồ án
1.2.1. Tình hình sử dụng ảnh máy bay không người lái trên thế giới
Trên thế giới, việc nghiên cứu và sử dụng ảnh chụp bằng máy chụp ảnh số phổ thông lắp trên máy bay không người lái trong công nghệ đo vẽ ảnh số để thành lập BĐĐH, bản đồ chuyên ngành và các mục đích đo đạc công trình khác. Về bản chất, đây là phương pháp đo ảnh khoảng cách gần, nhưng có đặc điểm cơ bản là không dùng máy chụp ảnh chuyên dụng mà thay vào đó là máy chụp ảnh số phổ thông. 1.2.2.Tình hình sử dụng ảnh máy bay không người lái tại Việt Nam
Tại Việt Nam, việc nghiên cứu sử dụng máy chụp ảnh số phổ thông trong phương pháp đo ảnh khoảng cách gần đã được một số các cơ quan, các nhà khoa học đề cập và tạo được nền tảng cơ sở ban đầu cho quá trình nghiên cứu, ứng dụng. Năm 2011, Bộ Quốc phòng đã thử nghiệm và nhập hệ thống thiết bị của Công ty Microdone để nghiên cứu và sản xuất theo nhiệm vụ của Quốc phòng. Thực tế cho thấy việc nghiên
30
cứu, xây dựng và áp dụng phương pháp chụp ảnh bằng máy chụp ảnh số phổ thông gắn trên các loại thiết bị bay không người lái ở nước ta còn nhiều hạn chế và chưa triển khai sản xuất đại trà ở các dự án. Các phần mềm xử lý cho công nghệ này hoàn toàn có thể áp dụng được các phần mềm đo vẽ ảnh mà phần mềm này ở Việt Nam được các cơ quan, doanh nghiệp nhập rất nhiều, các phần mềm đều là các phần mềm thương mại đều có thể sử dụng được. Viện khoa học Đo đạc và Bản đồ ngoài các phần mềm đã được trang bị, trong dự án tăng cường năng lực đã được đầu tư phần mềm Envi, Scanex Image processor V3.0 có khả năng thực hiện bài toán này.
31
CHƯƠNG 2.CƠ SỞ KHOA HỌC SỬ DỤNG ẢNH CHỤP BẰNG MÁY BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI PHỤC VỤ THÀNH LẬP BĐĐH
2.1. Định nghĩa và nền tảng đo vẽ ảnh
2.1.1.Định nghĩa đo vẽ ảnh
Đo ảnh được định nghĩa là quá trình thu nhận các thông tin về đối tượng thông qua các phép đo đạc và giải đoán được tiến hành trên ảnh. Với sự ra đời và phát triển của công nghệ thu nhận dữ liệu ảnh từ vũ trụ trong khoảng phổ rộng của phổ điện từ khái niệm về đo ảnh và giải đoán ảnh được mở rộng bao gồm cả viễn thám, chuyển từ việc giải đoán ảnh truyền thống (chủ yếu bằng mắt thường) sang các phép xử lý ảnh số và áp dụng các kỹ thuật phân tích trên máy tính [2].
Sách tra cứu về đo ảnh, định nghĩa đo ảnh là “nghệ thuật, khoa học và công nghệ để thu được các thông tin xác thực về các đối tượng vật lý và môi trường, thông qua các quá trình thu thập, đo đạc và giải đoán ảnh và các mô hình của năng lượng phát xạ điện từ và các hiện tượng khác mà không có tiếp xúc trực tiếp với đối tượng”. Định nghĩa này được công nhận rộng rãi trong cộng đồng đo ảnh và viễn thám.
Khi được đặt trong ngữ cảnh của một lĩnh vực khoa học ứng dụng, đo ảnh sử dụng hình ảnh 2 chiều (2D) để có được các thông tin 3 chiều của các bề mặt và đối tượng còn khi đặt trong ngữ cảnh của khoa học thông tin địa lý thì đo ảnh thường được hiểu là sử dụng ảnh để thành lập bản đồ của địa hình mặt đất và các lớp đối tượng trên đó như địa hình, giao thông, thủy hệ, công trình xây dựng vv...
Sản phẩm truyền thống của đo ảnh là BĐĐH thể hiện các đường bình độ để cung cấp các thông tin về độ cao và một số lớp đối tượng khác. Sau này có thêm sản phẩm nữa là mô hình số độ cao DEM. Các ứng dụng khác của đo ảnh bao gồm thành lập bản đồ dưới lòng đất, thành lập bản đồ dưới nước và thành lập bản đồ của các hành tinh hay thiên thể như của Mặt Trăng hay sao Hỏa.
Ngoài ra còn có rất nhiều ứng dụng phi địa hình của đo ảnh như: trong đo đạc chính xác các công trình công nghiệp, trong y học, sinh trắc học, thành lập bản đồ động, trong điều tra hình sự, trong công tác bảo tồn bảo tàng hay trong hiện thực ảo.
32 2.1.2.Nền tảng đo vẽ ảnh
Nền tảng của đo vẽ ảnh là hình học xạ ảnh với phép chiếu xuyên tâm. Hai phép toán cơ bản là chiếu hình và giao hội không gian của các tia chiếu cùng tên. Công thức toán học cơ bản trong đo vẽ ảnh là các phương trình điều kiện đồng tuyến (tâm chiếu hình, điểm ảnh và điểm địa vật cùng nằm trên một đường thẳng. Bản chất của phương pháp đo ảnh là một phương pháp đo gián tiếp thông qua hình ảnh hoặc các nguồn thông tin thu được của đối tượng đo.
Nhiệm vụ của phương pháp đo ảnh là xác định trạng thái hình học của đối tượng đo, bao gồm: vị trí, hình dáng, kích thước và mối quan hệ tương hỗ của các đối tượng đo.
Song song với nhiệm vụ đo vẽ BĐĐH, cần nhanh chóng mở rộng phạm vi ứng dụng của phương pháp đo đạc chụp ảnh trong các lĩnh vực khoa học kỹ thuật khác, trước mắt là trong xây dựng và kiến trúc, trong các loại công trình, trong công nghiệp – nông nghiệp và đặc biệt trong lĩnh vực kiểm soát và bảo vệ môi trường.
2.1.3.Phân loại đo vẽ ảnh 1. Dựa vào đầu thu 1. Dựa vào đầu thu
Tùy theo vị trí của đầu thu hay máy ảnh sử dụng để thu nhận dữ liệu có thể chia đo ảnh ra làm 3 nhánh:
- Đo ảnh mặt đất khi ảnh được thu nhận bởi máy ảnh được đặt tại thực địa. - Đo ảnh hàng không khi ảnh được thu bởi máy ảnh đặt trên máy bay.
- Đo ảnh vệ tinh khi ảnh của trái đất hay các hành tinh khác được chụp từ vệ tinh.
- Dựa vào vị trí
Theo vị trí và khoảng cách chụp ảnh người ta có thể chia thành các loại chụp ảnh sau:
- Đo ảnh vệ tinh: với độ cao bay vệ tinh > 200km.
- Đo ảnh hàng không: với độ cao bay chụp > 300m.
- Đo ảnh mặt đất: đo đạc từ vị trí cố định trên mặt đất.
33
Trong các bài toán đo ảnh hiện đại, đo ảnh khoảng cách gần có thể chia làm 2 nhánh:
- Đo ảnh mặt đất khoảng cách gần: với máy chụp ảnh đặt trên mặt đất;
- Đo ảnh hàng không khoảng cách gần: với sự phát triển của khoa học công nghệ, ngày nay nhiều thiết bị bay không người lái, với tầm bay thấp trên đó có thể gắn máy chụp ảnh để chụp các khu vực có diện tích không lớn. Những loại ảnh chụp như vậy người ta còn gọi là ảnh hàng không khoảng cách gần và tương ứng chúng ta có phương pháp đo ảnh hàng không khoảng cách gần.
- Đo ảnh tỷ lệ lớn: tỷ lệ ảnh > 1 (ảnh chụp từ kính hiển vi).
2.2. Khái niệm chụp ảnh hàng không
Chụp ảnh là quá trình ghi nhận năng lượng phản xạ (hoặc bức xạ) ánh sáng (sóng điện từ) từ đối tượng chụp thông qua bộ phận quang học (kính vật) và được lưu trữ trên cảm quang hay các bộ cảm số.
Chụp ảnh hàng không là dùng các thiết bị bay trên không như khinh khí cầu, tàu lượn, máy bay... để mang máy ảnh lên cao chụp bề mặt của mặt đất. Sản phẩm của chụp ảnh hàng không là các tấm ảnh theo một tỷ lệ phù hợp với mục đích sử dụng và dựa vào các tấm ảnh đó ta có thể tiến hành đo vẽ thành lập bản đồ gốc hoặc đoán đọc điều vẽ các địa vật chụp được trên ảnh. Quá trình chụp ảnh hàng không có thể được thực hiện nhờ các máy chụp ảnh quang cơ hoặc máy chụp ảnh [3].
2.3. Các dạng chụp ảnh hàng không
2.3.1.Chụp ảnh đơn
Là chụp ảnh của từng vùng nhỏ của các khu đo theo từng tấm ảnh riêng biệt. Các tấm ảnh chụp kề nhau không có liên kết hình học với nhau, ảnh đơn được dùng cho điều tra khảo sát, do thám quân sự, ... trên những vùng tương đối nhỏ, hoặc để chụp ảnh bổ sung các khu vực chụp sót, chụp thiếu máy che.
34 2.3.2.Chụp ảnh theo tuyến
Hình 2.1. Mô phỏng phương thức chụp ảnh theo tuyến
Chụp ảnh theo tuyến là chụp ảnh theo một tuyến nào đó đã được bố trí sẵn có thể là thẳng, gấp khúc hay uốn cong. Giữa các tấm ảnh liền kề nhau theo một tuyến có độ chờm phủ lên nhau và gọi là độ phủ ngang p, nó được xác định theo công thức:
p% = px
lx. 100% (2.1)
Trong đó:
lx: kích thước của tấm ảnh theo hướng dải bay; px: kích thước của phần phủ theo hướng dải bay.
2.3.3.Chụp ảnh theo khối
Chụp ảnh theo nhiều tuyến là phương thức chụp theo nhiều tấm dải bay thẳng, song song và cách đều nhau. Các tấm ảnh trên hai dải kề ngoài độ phủ ngang trong mỗi dải bay còn có độ phủ dọc nữa. Đây là cách chụp thường dùng nhất để thành lập BĐĐH. Độ phủ dọc q được xác định theo công thức:
q% = py
ly . 100% (2.2)
Trong đó:
ly: kích thước của tấm ảnh theo chiều vuông góc với dải bay; qy: kích thước của phần phủ của 2 ảnh trên 2 dải bay kề nhau. Thường người ta quy định độ phủ ngang là 60% và độ phủ dọc là 30%.
35 2.3.4.Chụp theo các loại tỷ lệ
Được chia làm 3 loại: chụp ảnh tỷ lệ lớn, chụp ảnh tỷ lệ trung bình, chụp ảnh tỷ lệ nhỏ.
Khi chụp thẳng, tỷ lệ ảnh hàng không là hàm số của độ cao bay chụp H, tiêu cự kính vật máy ảnh fk, còn khi chụp nghiêng ngoài H và fk ra tỷ lệ ảnh còn phụ thuộc vào góc nghiêng trục quang so với đường dây dọi ∝0 và tung độ y của điểm ảnh trên ảnh. Vì vậy:
1
m= F(H, fk, ∝0, y) (2.3) Thông thường tỷ lệ của ảnh chụp lớn hơn 1:10.000 gọi là tỷ lệ lớn; từ 1:10.000 – 1:30.000 gọi là tỷ lệ ảnh trung bình và nhỏ hơn 1:30.000 gọi là tỷ lệ ảnh bé. Tỷ lệ ảnh nhỏ nhất của ảnh dùng để lập BĐĐH không được nhỏ hơn 1:70.000 – 1:80.000, với tỷ lệ đó ta mới có khả năng đoán đọc được các chi tiết nhỏ hơn nhưng quan trọng trên bản đồ 1:100.000.
Quan hệ giữa tỷ lệ ảnh chụp và tỷ lệ bản đồ cần thành lập thể hiện bằng công thức:
m = CξM (2.4)
Trong đó:
M: mẫu số tỷ lệ của ảnh hàng không;
36
Bảng 2.1. Mối quan hệ giữa tỷ lệ ảnh chụp và tỷ lệ bản đồ cần thành lập tiêu cự kính vật máy chụp ảnh Tỷ lệ bản đồ cần thành lập Tỷ lệ chụp ảnh
Tiêu cự kính vật máy chụp ảnh hàng không (mm) khi đo vẽ bản đồ
Theo phương pháp đo vẽ lập thể Theo phương pháp phối hợp Vùng đồng bằng Vùng núi Vùng bằng 1:2.000 1:3.000 - 1:8.000 88 - 150 150 350 - 500 1:5.000 1:8.000 - 1:20.000 88 - 150 150 200 - 350 1:10.000 1:20.000 - 1:35.000 88 - 150 150 200 1:25.000 1:35.000 - 1:45.000 88 - 150 150 100 - 200 1:50.000 1:45.000 - 1:75.000 88 - 150 150
2.4. Các thiết bị phục vụ chụp ảnh hàng không bằng máy bay không người lái (UAV) (UAV)
2.4.1.Giá đỡ máy ảnh
Khi hoạt động, động cơ máy bay sẽ tạo ra một lực nhiễu loạn chu kỳ truyền cho tất cả các bộ phận trên máy bay trong đó có máy chụp ảnh hàng không. Lực này sẽ tạo ra mômen xoắn không đều của động cơ máy bay, tạo ra sự không cân bằng động lực, tĩnh lực... Ngoài ra, do luồng không khí xoáy của cánh quạt và thân máy bay, lực nhiễu loạn khí động học sẽ xuất hiện. Những lực này sẽ làm cho các bộ phận của máy bay dao động với biên độ nhỏ nhưng có tần số lớn.
37
Hình 2.2. Giá đỡ máy chụp ảnh
Nhờ có giá đỡ máy chụp ảnh nên máy ảnh được đưa về vị trí xác định, trong một số trường hợp máy ảnh còn được cân bằng và định hướng. Ngoài ra, giá đỡ máy chụp ảnh còn giảm bớt tác dụng rung động của máy bay đến máy chụp ảnh, giảm bớt độ xóc của máy bay đến máy ảnh khi cất, hạ cánh cũng như khi chạy trên mặt đất.
2.4.2.Thiết bị dẫn đường GPS
Hệ thống định vị toàn cầu GPS là hệ thống xác định vị trí bằng cách đo khoảng cách tới các vệ tinh và không chỉ tạo ra khả năng mới cho việc dẫn đường bay, mà còn cho cả việc xác định tọa độ không gian XS, YS của tâm chụp.
Sau khi GPS được ứng dụng vào chụp ảnh hàng không, ta tính được tọa độ, độ cao tâm ảnh vào thời điểm chụp ảnh và các thông số này là yếu tố hỗ trợ thêm trong phần mềm tăng dày tọa độ điểm khống chế ảnh nội nghiệp, nhưng chỉ có một mình số liệu GPS thì chưa tính được các nguyên tố định hướng ảnh. Muốn xác định được nguyên tố định hướng ảnh tại thời điểm chụp ảnh, thì ta phải đưa vào khái niệm thiết bị định vị quán tính (IMU).
Khi kết hợp GPS và IMU vào chụp ảnh hàng không thì ta có thể tính toán được tọa độ tâm ảnh và nguyên tố định hướng ngoài của tấm ảnh tại thời điểm chụp ảnh.
2.4.3.Máy chụp ảnh
Đặc trưng chủ yếu của các máy ảnh kỹ thuật số là có sai số méo hình kính vật nhỏ, độ ổn định cao và được thiết kế đồng bộ với các hệ thống GPS/IMU cùng với
38
các phần mềm xử lý số liệu tâm chụp một cách chuyên dụng. Hiện nay, trên thế giới cũng như ở Việt Nam dùng các loại máy ảnh phải đáp ứng được những tính năng cơ bản sau:
- Quang sai máy chụp ảnh phải nhỏ.
- Độ phân giải ống kính phải cao và độ nét của ảnh phải được đảm bảo trong toàn bộ trường ảnh.
- Các yếu tố định hướng trong phải được xác định chính xác, (ví dụ: chiều dài tiêu cự, toạ độ điểm chính ảnh...).
- Trục quang của ống kính phải vuông góc với mặt phẳng phim.
- Hệ thống chống nhòe phải đủ khả năng loại trừ ảnh hưởng của chuyển động tương đối giữa vật mang và quả đất nhất là khi chụp ảnh từ vũ trụ.
2.5. Một số yêu cầu kỹ thuật của công tác chụp ảnh hàng không bằng máy bay không người lái (UAV) không người lái (UAV)
2.5.1.Thiết bị bay
Trước khi bay, cần phải kiểm tra tổng thể thiết bị bay. Mọi đối tượng lỏng lẻo trên hệ thống sẽ tạo ra các rung động có thể cảm nhận được và ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống. Trong trường hợp hệ thống bị rơi hoặc hạ cánh khó khăn, trước khi thực hiện bất kỳ một chuyến bay nào đều phải được kiểm tra một cách trực quan tất cả các phần của hệ thống.
Không gắn các vật bằng kim loại vào hệ thống mà không có sự cho phép của nhà sản xuất, điều này có thể gây ảnh hưởng từ đến hoạt động của hệ thống định vị GPS.
- Trước và sau mọi chuyến bay đều kiểm tra các việc sau đây: + Quan sát cấu trúc tổng thể của hệ thống;
+ Các cánh tay mang động cơ của hệ thống được cố định chắc chắn; + Không có khe nứt ở bất kỳ phần nào của hệ thống;
+ Không có chất lỏng trong hệ thống; + Càng hạ cánh trong điều kiện tốt; + Rotor không bị vỡ hoặc bị hư hại;
39
+ Ăng-ten nhận tín hiệu điều khiển được vặn chắc chắn. - Cố định các bộ phận gắn kèm:
+ Càng hạ cánh;
+ Tải trọng mang theo; + Cố định Pin;
+ Cánh quạt; + Anten nhận RC;
+ Thiết bị thu phát video; + Phụ kiện khác.
- Sự ngưng tụ nước:
+ Không có nước bên trong lõi của hệ thống;
+ Không có tuyết hoặc băng bên trong lõi hoặc động cơ của hệ thống;
+ Trong môi trường độ ẩm cao, cho hệ thống vào hòm chứa (tránh độ ẩm) sau