"sai số ngoài" bộ cảm biến
3.1.1.2 Khả năng loại trừ các sai số
Để khử các sai số méo hình do bộ cảm biến gây ra cần phải định hướng lại bộ cảm biến thu chụp ảnh bằng cách hiệu chỉnh hình học ảnh vệ tinh. Còn việc khử sai số méo hình do ảnh hưởng của chênh cao địa hình cần có thêm sự tham gia của mô hình số địa hình.
Quá trình quét, truyền thông tin để ghi nhận hình ảnh sẽ xuất hiện nhiều loại sai số méo về hình học, được chia thành hai loại: sai số méo hình ngẫu nhiên và sai số méo hình hệ thống.
- Sai số méo hình ngẫu nhiên: là sự méo không ổn định về mặt hình học, nguyên nhân là do tốc độ chuyển động của vệ tinh, độ cao bay chụp, góc nhìn của thiết bị, dải quét... Để nắn chỉnh sai số méo hình ngẫu nhiên, phải có hệ thống điểm kiểm tra dưới mặt đất đối chiếu để xác định chính xác được toạ độ các điểm trên ảnh sau đó đối chiếu với bản đồ và sử dụng các phép nắn chỉnh. Kết quả của việc nắn chỉnh này là ảnh sẽ được đưa về đúng kích thước và vị trí địa lý.
- Sai số méo hình hệ thống: nguyên nhân của méo hệ thống về mặt hình học là do ảnh hưởng của thiết bị. Trong quá trình quét, tốc độ gương bị thay đổi và đường quét bị kéo xuống. Như vậy, theo một quy luật đều, các đường quét đều bị méo giống nhau khi so sánh giữa phần trọng tâm và phần hai cạnh của hình ảnh. Một hiện tượng khác là đường quét bị kéo lệch về một phía. Sự lệch hệ thống đó được gọi là sự lệch toàn cảnh.
Việc khắc phục các hiện tượng lệch hệ thống tương đối đơn giản bằng cách nắn hệ thống theo chương trình phần mềm trong máy tính.
3.1.2 Sai số trong quá trình xử lý ảnh vệ tinh
Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của ảnh nắn trong quá trình xử lý. Đó là các yếu tố xuất phát từ bản chất của thiết bị thu chụp như độ phân giải của ảnh vệ tinh, mô hình sử dụng để nắn ảnh hay các yếu tố tham gia vào quá trình nắn chỉnh hình học từ khâu ngoại nghiệp tới khâu nội nghiệp như độ chính xác tăng dày khống chế ảnh (độ chính xác điểm khống chế ảnh và số lượng điểm, đồ hình bố trí khống chế ảnh), độ chính xác mô hình số độ cao.
Ta có công thức sau: mD mmh2 mtd2 mD2(DEM) (3.1)
Trong đó: mD là sai số vị trí điểm trên ảnh nắn; mmh là sai số mô hình sử dụng để nắn ảnh;
mD (DEM)là sai số vị trí điểm do sai số của mô hình số độ cao DEM hoặc do ảnh hưởng của chênh cao địa hình.
3.1.2.1 Độ phân giải không gian của ảnh vệ tinh
Độ phân giải không gian của ảnh vệ tinh được định nghĩa như khả năng phân biệt hai đối tượng ở liền nhau trên cảnh ảnh. Độ phân giải không gian là phạm vi trường nhìn tức thời (IFOV) của hệ thống đầu thu hay dẫn xuất của nó là kích thước pixel.
Trong các ứng dụng của ảnh viễn thám, độ phân giải không gian đóng một vai trò quan trọng. Hiện nay ảnh vệ tinh SPOT1,2,3,4 có độ phân giải 10m và 20m; ảnh vệ tinh SPOT5 có độ phân giải 2.5m; 5m và 10m; ảnh IKONOS độ phân giải 0.82m và 3.2m; ảnh QUICKBIRD có độ phân giải 0.61-0.72m và 2.44-2.88m; ảnh EROS có độ phân giải 0.7m... Trong công nghệ sản xuất bình đồ ảnh phục vụ các công tác thành lập, hiện chỉnh bản đồ địa hình, bản đồ chuyên đề... bằng ảnh vệ tinh hiện nay, độ phân giải ảnh đóng vai trò đặc biệt quan trọng ảnh hưởng tới độ chính xác của bản đồ, là yếu tố quyết định đến tỷ lệ bản đồ cần thành lập.
Đến nay loại ảnh vệ tinh có độ phân giải 2.5m như ảnh QUICKBIRD, EROS, IKONOS, SPOT5 toàn sắc đã được đưa vào và ứng dụng trong thực tế sản xuất trên thế giới cũng như bước đầu được ứng dụng tại Việt Nam. Kết quả ứng dụng cho thấy tiềm năng to lớn của ảnh vệ tinh độ phân giải cao và siêu cao cho mục đích thành lập bản đồ. Độ phân giải ảnh không chỉ quyết định khả năng thông tin của bình đồ ảnh thành lập mà còn ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác nắn ảnh vệ tinh.
3.1.2.2 Mô hình toán học sử dụng để nắn ảnh
Để nhận được bản đồ ảnh vệ tinh đảm bảo độ chính xác, người ta ứng dụng nguyên lí nắn chỉnh hình học và dựa trên cơ sở các mô hình toán học để nắn chỉnh ảnh vệ tinh. Ảnh vệ tinh lúc thu nhận bị ảnh hưởng phép chiếu hình, góc nghiêng, vệt quét, điều kiện khí quyển, độ cong trái đất, chênh cao địa hình... đó cũng chính
là nguyên nhân gây biến dạng ảnh. Việc hiệu chỉnh biến dạng này trước khi sử dụng là rất cần thiết. Các biến dạng hệ thống này được loại trừ nhờ các mô hình toán học như: mô hình đa thức, mô hình hàm hữu tỷ, mô hình vật lý...
Như vậy, các mô hình toán học là phương tiện để đưa những tấm ảnh về một hệ tọa độ nhất định gần nhất với vị trí thực của chúng.
3.1.2.3 Độ chính xác khống chế ảnh
Để nắn ảnh vệ tinh cần phải đo các điểm khống chế ảnh. Điểm khống chế ảnh là điểm có thể nhận biết rõ ràng trên ảnh đồng thời có mặt trên thực địa hoặc bản đồ tỷ lệ lớn, dựa vào đó mà người ta có thể xác định được tọa độ và độ cao của nó bằng các thiết bị đo đạc như GPS hoặc từ bản đồ tỷ lệ lớn.
Thực tiễn nắn chỉnh hình học ảnh số nói chung cho thấy sai số tồn tại tại điểm khống chế ảnh sau bình sai thường nằm trong khoảng 0.3 – 0.5 pixel. Như vậy có thể thấy rằng độ chính xác đo đạc để xác định vị trí tọa độ của điểm khống chế ảnh trên thực địa không được lớn hơn 0.3 – 0.5 độ phân giải mặt đất của ảnh số. Ví dụ với ảnh vệ tinh QUICK BIRD độ phân giải 0.62m cần đo đạc điểm khống chế ảnh ngoại nghiệp với độ chính xác không vượt quá 0.2 -0.3m. Tương tự, với ảnh SPOT5 độ phân giải mặt đặt 2.5m cần đo đạc điểm khống chế ảnh ngoại nghiệp với độ chính xác không vượt quá 0.8 – 1.2m về mặt phẳng.
Về độ cao, khoảng cao đều đường bình độ trên bản đồ tỷ lệ 1:10000 là 2.5m ở đồng bằng và 5m ở vùng đồi, núi. Độ chính xác độ cao của khống chế ảnh cần đo đạc với độ chính xác không lớn hơn 0.3 khoảng cao đều đường bình độ ở vùng bằng phẳng và 0.5m ở vùng đồi núi. Tức là cần đo đạc điểm KCA với độ chính xác độ cao là 0.5m ở vùng đồng bằng và không lớn hơn 2m ở vùng đồi, núi.
Với các tiêu chí như trên cần lựa chọn các loại máy đo đạc, máy GPS để đảm bảo độ chính xác cần thiết của điểm khống chế ảnh.
3.1.2.4 Đồ hình và số lượng điểm khống chế ảnh
Các điểm KCA được chọn phân bố đều trên cảnh ảnh và trên vùng phủ của các ảnh với nhau. Vị trí các điểm khống chế ảnh được chọn sơ bộ trên ảnh vệ tinh in phóng dựa trên sơ đồ thiết kế điểm. Trường hợp không thể chọn được vị trí điểm ở những vị trí phân bố tối ưu trên ảnh (do cảnh ảnh chụp vùng ven biển, vùng biên giới quốc gia hoặc vùng rừng núi đặc biệt khó khăn) thì phải chọn bổ sung các điểm khống chế ở những vị trí gần khu vực này nhất.
Trong trường hợp chọn điểm cho 2 ảnh kề nhau hoặc cho tăng dày khối ảnh vệ tinh thì phải chọn điểm khống chế ảnh vào khu vực gối phủ giữa 2 ảnh.
3.1.2.5 Mô hình số độ cao
Độ xê dịch vị trí điểm trên ảnh nắn do sai số độ cao của mô hình số độ cao sử dụng trong quá trình nắn ảnh hoặc do ảnh hưởng của chênh cao giữa điểm địa hình và mặt phẳng nắn ảnh được thể hiện ở Hình 3.5.
Hình 3.3 - Xê dịch vị trí điểm trên ảnh nắn do sai số độ cao của mô hình số độ cao hoặc do ảnh hưởng của chênh cao giữa điểm địa hình và mặt phẳng nắn ảnh
Theo hình vẽ, có công thức: mD (DEM)= h x tg (3.2) mD (DEM) H h
Trong đó: mD (Dem) là sai số vị trí điểm do sai số của mô hình DEM hoặc do ảnh hưởng của chênh cao giữa điểm địa hình và mặt phẳng nắn ảnh;
h là chênh cao giữa điểm địa hình và mặt phẳng nắn ảnh hoặc là sai số độ cao của mô hình DEM;
là góc nghiêng chụp ảnh.
Có thể thấy qua công thức (3.2) sai số vị trí điểm trên ảnh nắn phụ thuộc vào chênh cao giữa điểm địa hình và mặt phẳng nắn ảnh, độ chính xác của DEM và góc nghiêng chụp ảnh. Có thể tính được sai số vị trí điểm trên ảnh nắn do ảnh hưởng của sai số DEM từ công thức (3.1) (nếu coi ảnh hưởng của sai số mô hình sử dụng để nắn ảnh là không đáng kể):
mD (DEM)= 2 2
td
D m
m (3.3)
Ví dụ thành lập bình đồ ảnh tỷ lệ 1:10 000 từ ảnh vệ tinh có độ phân giải 2.5m:
Giá trị mD = 0.4 x 10000 = 4m; giá trị m td = 2.5m ( 1 pixel)
mD (DEM)= 2 2
5 , 2
4 = 3.12m
Từ công thức (3.2) tính được sai số độ cao của DEM : h = mD (Dem)/tg . Như vậy nếu gán các giá trị góc nghiêng chụp ảnh vệ tinh thì sẽ tính được sai số độ cao cho phép của DEM và giá trị chênh cao địa hình lớn nhất cho phép tính bằng 2h.
Theo ví dụ trên, lấy giá trị góc thay đổi từ 0 đến 30(lấy 2 loại ảnh thường sử dụng là ảnh SPOT có 27 và ảnh Quickbird có 25) lập được bảng 3.1:
Bảng 3.1 – Giá trị độ cao và giá trị chênh cao địa hình lớn nhất cho phép ứng với từng giá trị góc nghiêng chụp ảnh Góc nghiêng chụp ảnh Sai số độ cao cho phép của DEM(m)
Chênh cao địa hình lớn nhất cho phép (m) Góc nghiêng chụp ảnh Sai số độ cao cho phép của DEM(m)
Chênh cao địa hình lớn nhất cho phép (m) h 2h h 2h ±10 ±177.7 ±355.4 ±160 ±10.8 ±21.6 ±20 ±88.8 ±177.6 ±170 ±10.1 ±20.2 ±30 ±59.2 ±118.4 ±180 ±9.5 ±19.0 ±40 ±44.3 ±88.6 ±190 ±9.0 ±18.0 ±50 ±35.4 ±70.8 ±200 ±8.5 ±17.0 ±60 ±29.5 ±60.0 ±210 ±8.1 ±16.2 ±70 ±25.2 ±50.4 ±220 ±7.7 ±15.4 ±80 ±22.1 ±41.2 ±230 ±7.3 ±14.6 ±90 ±19.6 ±39.2 ±240 ±7.0 ±14.0 ±100 ±17.6 ±35.2 ±250 ±6.6 ±13.2 ±110 ±15.9 ±31.8 ±260 ±6.4 ±12.8 ±120 ±14.6 ±29.2 ±270 ±6.1 ±12.2 ±130 ±13.4 ±26.8 ±280 ±5.8 ±11.6 ±140 ±12.4 ±24.8 ±290 ±5.6 ±11.2 ±150 ±11.6 ±23.2 ±300 ±5.6 ±11.2
Căn cứ vào bảng 3.1 đối với ví dụ trên khi nắn ảnh SPOT (max 27), có chênh cao địa hình lớn hơn 12m thì cần sử dụng DEM còn ngược lại thì không cần sử dụng DEM mà chỉ cần lấy độ cao trung bình của khu vực. Từ đó trong trường hợp ảnh chụp có góc nghiêng lớn hay chênh cao địa hình lớn cần phải cần tính toán để sử dụng mô hình DEM hay sử dụng độ cao trung bình của khu vực để bình đồ ảnh đạt kết quả theo yêu cầu kỹ thuật. Vì vậy khi chọn KCA nên chọn những điểm ở vị trí tương đối bằng phẳng, có độ dốc thấp để giảm các sai số về xác định độ cao của điểm và qua đó giảm sai số về vị trí mặt phẳng khi nắn ảnh.
3.2 Mô hình vật lý và mô hình hàm số hữu tỷ sử dụng để nắn ảnh
3.2.1 Mô hình vật lý
Một trong những phương pháp để loại trừ các sai số trong quá trình thu chụp ảnh là xây dựng mô hình toán học khôi phục lại các biến dạng từ các thông số thực
tế của máy chụp ảnh khi đang hoạt động ổn định trên quỹ đạo (đó là mô hình vật lý).
Mô hình vật lý cho biết các thông số của máy chụp đã tạo ra tấm ảnh đó trên quỹ đạo. Mô hình vật lý cho phép loại trừ các sai số trong quá trình chụp ảnh nếu biết được vị trí tâm chiếu hình trên quỹ đạo. Để xác định tâm chiếu hình phải sử dụng các điểm khống chế ảnh, đó là những điểm đã có toạ độ chính xác trên mặt đất trong một hệ quy chiếu và đồng thời có hình ảnh rõ ràng nhận biết được trên ảnh. Công việc này gọi là việc mô hình hoá ảnh vệ tinh. Khi mô hình hóa ảnh bằng mô hình vật lý, việc định vị hay dựng mô hình lập thể có khả năng tăng độ chính xác của ảnh nắn.
Mô hình vật lý dựa trên các thiết bị gắn trên vệ tinh, thiết bị định vị theo thiên văn, thiết bị hồi chuyển...để thiết lập mối quan hệ toán học giữa tọa độ cục bộ của thiết bị chụp ảnh; vị trí vệ tinh; hệ tọa độ điều khiển vệ tinh; hệ tọa độ tham chiếu; hệ tọa độ trắc địa; lưới chiếu bản đồ và các điểm khống chế mặt đất. Mô hình này phức tạp, đòi hỏi cần phải biết cấu trúc hình học của ảnh.
Đối với ảnh SPOT, hãng SPOT đề xuất mô hình vật lý là mô hình hướng. Nếu coi mỗi pixel ảnh là một điểm được định vị trong không gian, ta có mô hình định vị sau: ) , , ( ) , , ( ) , , ( ) , , ( h p l f h p l f h p l f h (3.4) Trong đó:
l : là số đường trên ảnh SPOT mức 1A (đường đầu tiên là 1)
p : là số pixel của đường trên ảnh SPOT mức 1A (pixel đầu tiên là 1) h : là độ cao của điểm trên Ellipsoid ITRF
: là kinh độ của điểm tương ứng trong hệ tham chiếu quả đất : là vĩ độ của điểm tương ứng trong hệ tham chiếu quả đất
Một phác thảo mô hình định vị nghịch đảo fh-1cho độ cao h được tính toán từ một lưới tương tự của các điểm (pi, qi, i, i) trong đó (i, i) là kết quả của mô hình định vị trực tiếp áp dụng cho các điểm (pi, qi, h).
Đối với bất kỳ toạ độ đo đạc nào (,), điểm tương ứng ( l, p ) trong mức ảnh 1A đã được phục hồi theo yêu cầu là tổ hợp một đa thức cho trước của mô hình định vị nghịch đảo đó với việc chọn lọc mô hình trực tiếp đang sử dụng.
Với nguyên lý chụp ảnh quét theo dải, quá trình tạo ảnh là hàm số của thời gian và vị trí vệ tinh trên quỹ đạo, vì vậy các thông số bổ trợ của ảnh vệ tinh là các yếu tố rất quan trọng để phục hồi chính xác quá trình chụp ảnh.
Sự ổn định của vệ tinh khi bay trên quỹ đạo cho phép sử dụng số điểm khống chế tối thiểu để phục hồi chính xác các thông số của mô hình vật lý trên một đoạn dài trên quỹ đạo vệ tinh.
3.2.2 Mô hình hàm số hữu tỷ
Đây là mô hình toán học được sử dụng khi không có những thông tin cần thiết ví dụ như khi mô hình bộ cảm thu ảnh thuộc sở hữu độc quyền, không được công bố hay khi ảnh đã xử lý hình học hoặc khi không có hình ảnh đầy đủ.
Mô hình hàm hữu tỷ (RFM) là bài toán mô hình không tham số. Việc sử dụng mô hình hàm hữu tỷ để thay thế các mô hình bộ cảm biến vật lý là một phương pháp được sử dụng cho việc thành lập bản đồ từ ảnh vệ tinh nhất là ảnh vệ tinh độ phân giải cao. Mô hình hàm hữu tỷ sử dụng tỷ số của của 2 hàm đa thức để tính toán tỷ số hàng và tỷ số cột. Các đa thức là hàm của của ba giá trị tọa độ: kinh độ, vĩ độ, độ cao.
Mô hình RFM cũng biểu diễn mối quan hệ giữa tọa độ không gian của đối tượng (X,Y, Z) với tọa độ ảnh (l, s), hoặc ngược lại nhưng ở dạng các hàm số hữu tỷ, đó là tỷ số của các đa thức. Các thuật toán khôi phục lại 3D có thể được thực hiện dựa trên mô hình RFM dạng thuận, hoặc dựa trên mô hình RFM dạng nghịch. Đối