7. Lời cảm ơn
1.4.2. Phương pháp biểu thị DEM
Sự biến đổi giá trị độ cao địa hình trên một vùng đất có thể được mơ hình hóa theo nhiều cách. DEM có thể được biểu thị và lưu trữ dưới dạng hàm số toán học ba chiều (phương trình mặt phẳng) hay dưới dạng các điểm hoặc các đường hình ảnh như liệt kê ở bảng dưới:
Bảng 1. 3: Phương pháp biểu thị mặt cong địa hình
A. Phương pháp tốn học
Tồn vùng Dãy Fourier
Đa thức bậc bốn bội
Chi tiết Chia vùng đồng đều
Chia vùng không đồng đều
B. Phương pháp vật thể bản đồ Đường đồng mức (đường bình độ ngang)
Đường mặt cắt dọc
Điểm (ma trân độ cao) hay mạng lưới đều (Regular rectangular grid, GRID)
Vector: Mạng không đều tam giác (Triangualr irregualar network, TIN)
1.4.2.1. Phương pháp toán học
Phương pháp toán học để biểu thị mặt cong địa hình chủ yếu dựa vào các hàm số toán ba chiều và có khả năng mơ phỏng với độ nhẵn rất cao các mặt địa hình phức tạp. Phương pháp cục bộ chia vùng mô phỏng ra thành các miếng bé hình vng hoặc hình dạng tùy ý có diện tích tương tự nhau và độ cao của từng miếng sẽ được ước lượng dựa trên độ cao các điểm đã quang trắc trong miếng đó. Với mục đích bảo đảm sự liên tục của độ dốc qua đường biên giữa các miếng con thì người ta sử dụng các hàm số đối trọng (weighting functions). Các hàm số xấp xỉ rời rạc (piecewwise approximation) rất ít khi được sử dụng trong việc thành lập bản đồ số nhưng lại rất phổ biến trong hệ thống máy tính hỗ trợ thiết kế (CAD, computer added design).
1.4.2.2. Phương pháp vật thể bản đồ
Phương pháp sử dụng vật thể đường đầu tiên truyền thống trong bản đồ học để biểu diễn bề mặt địa hình là sử dụng đường bình độ hay còn gọi là đường đồng mức. Mọi điểm nằm trên cùng một đường đồng mức sẽ có cùng một giá trị độ cao.
Phương pháp sử dụng mặt cắt dọc để biểu diễn độ cao được sử dụng thuận tiện để phân tích độ dốc vùng nghiên cứu. Tuy nhiên, như đã đề cập ở trên, hai phương pháp sử dụng đường trên không thuận tiện cho mục đích phân tích dữ liệu trong GIS. Vì vậy phương pháp chung nhất trong hệ GIS là sử dụng mơ hình lưới đều GRID (Regular Rectangular Grid) hay lưới tam giác không đều TIN (triangular Irregular Network).
Mơ hình lưới đồng đều hay cịn gọi là ma trận độ cao được thành lập từ việc phân tích lập thể ảnh hàng khơng hoặc có thể thơng qua việc nội suy từ lưới dữ liệu quan trắc độ cao. Do máy tính có khả năng xử lý ma trận dễ dàng nên dữ liệu loại mơ hình GRID này rất phổ biến, được sử dụng cho các hệ GIS dạng raster. Trong mơ hình raster GRID này vùng địa hình được chia thành các ơ (cell) trên cơ sở hàng và cột. Mỗi một ô chứa độ cao của điểm trung tâm của ô. Ma trận độ cao được sử dụng để thành lập đường đồng mức, tính tốn độ dốc, hướng dốc và xác định đường biên các lưu vực sông.
Tuy vậy, phương pháp lưới đồng đều này có các nhược điểm sau: Tồn tại số lượng dữ liệu không cần thiết tại các vùng có địa hình đồng nhất;
Khơng có khả năng thích ứng để biểu thị các vùng có địa hình phức tạp trừ lúc thay đổi tồn bộ kích thước ma trận.
Như vậy, lưới đồng đều khơng có khả năng biểu thị các vùng địa hình thay đổi đột ngột như các khe vực, hố lồi lõm và sơng ngịi. Hạn chế này có thể gây sự nhầm lẫn trong khi đánh giá kết quả phân tích địa hình.
TIN được coi là phương pháp thuận tiện và kinh tế hơn. Mơ hình TIN là thể hiện vector của cấu trúc địa hình, bao gồm các dãy tam giác khơng đều khơng phủ lên nhau và bao trùm tồn bộ bề mặt địa hình, mỗi một tam giác xác định một mặt phẳng. TIN, theo khái niệm hình học là tập các đỉnh nối với nhau thành các tam giác. Mỗi một tam giác được giới hạn bởi 3 điểm đặc trưng về giá trị X, Y và Z (độ cao). Các tam giác này hình thành một bề mặt 3 phía, có độ dốc và hướng dốc. TIN có khả năng biểu diễn bề mặt liên tục từ tập điểm dữ liệu rời rạc và được coi như
tập hợp các tam giác có các thuộc tính về độ dốc, diện tích và hướng. Hình 1.9 thể hiện cấu trúc mơ hình TIN và hình 1.10 trình bày mơ hình TIN trong thực tế khi thường phải thể hiện sự thay đổi kích thước lưới theo yêu cầu biến đổi của dữ liệu.
1.4.2.3. Phương pháp xây dựng DEM
Phương pháp chụp ảnh lập thể:
- Dùng các công cụ chuyên dụng chụp ảnh để thu thập dữ liệu của một vùng với các giá trị x,y,z của các điểm trên bề mặt quả đất.
- Phương pháp này đòi hỏi ký thuật cao trong việc chụp và xử lý ảnh , đòi hỏi số điểm kiểm sốt nhiều.
- Ví dụ: ảnh hàng khơng kỹ thuật số
Xây dựng DEM từ đường đồng mức:
Đây là phương pháp tiêu chuẩn để xây dựng DEM trong môi trường GIS. Đối với một khu vực, một số thơng tin về địa hình có sẵn, việc xây dựng một DEM từ các đường đồng mức phải qua một số bước sau:
Đo KCA, đo điểm độ cao đặc trưng
Ảnh hàng không kỹ thuật số (thu nhận từ thiết bị bay không
người lái (UAV)
Xử lý ảnh, tăng dầy KCA
Bình đồ ảnh, DSM, Poincloud
Tách lọc độ cao mặt đất từ poincloud và DSM, kết hợp cao độ đo
bằng các phương pháp truyền thống
Hình 1. 14 : Quy trình xây dựng DEM từ đường đồng mức 1.2.2.4. Các sản phẩm ứng dụng của DEM 1.2.2.4. Các sản phẩm ứng dụng của DEM
Sản phẩm ứng dụng DEM trong GIS a. Biểu đồ khối, lát cắt dọc và ngang b. Tính tốn thể tích các khối
c. Bản đồ độ dốc, độ lồi, độ lõm và hướng dốc d. Đường quan sát nhìn thấy
e. Bản đồ đường đồng mức
f. Bản đồ địa hình tơ bóng mặt khuất
g. Xác định đường biên của lưu vực sơng ngịi và vùng tiêu nước.
1.2.2.5. Cơ sở tốn học và độ chính xác a) Cơ sở tốn học
- Mơ hình số độ cao được thành lập theo Hệ quy chiếu và Hệ tọa độ quốc gia Số hóa các đường đồng mức
(Số hóa tự động quét ảnh hoặc Số hóa bằng thủ
Raster hóa các đường đồng mức
Nội suy các đường đồng mức đã được raster hóa
VN-2000, múi chiếu, kinh tuyến trục thực hiện theo quy định tại Thông tư số 973/2001/TT-TCĐC ngày 20 tháng 6 năm 2001 của Tổng cục Địa chính hướng dẫn áp dụng hệ quy chiếu và hệ tọa độ quốc gia VN-2000.
- Hệ độ cao sử dụng trong việc xây dựng mô hình số độ cao là hệ độ cao quốc gia hiện hành.
- Mơ hình Geoid sử dụng là mơ hình Geoid địa phương có độ chính xác cao nhất hiện có. Trường hợp khu đo chưa xây dựng được mơ hình Geoid địa phương và phạm vi khu đo hẹp (khoảng 50km x 50km) được phép sử dụng mơ hình Geoid toàn cầu EGM2008. Trường hợp khu đo chưa xây dựng được mơ hình Geoid địa phương nhưng có phạm vi rộng hoặc ở khu vực vùng núi phải xây dựng mơ hình Geoid địa phương chính xác cho khu vực đó. Phương án xây dựng mơ hình Geoid địa phương phải được nêu rõ trong Thiết kế Kỹ thuật - Dự toán.
b) Độ chính xác
Độ chính xác của DEM Sai số (m)
Mặt phẳng Độ cao
0,2 m - 0,3 m 0,15 0,10
0,4 m - 0,5 m 0,20 0,15
1,0 m 0,30 0,20
- Sai số giới hạn của vị trí địa vật, của độ cao đường bình độ, độ cao điểm đặc trưng địa hình, độ cao điểm ghi chú độ cao, của vị trí mặt phẳng và độ cao điểm khống chế ảnh ngoại nghiệp, điểm khống chế đo vẽ không được vượt quá 2 lần các sai số trung phương.
Chương 2
CÔNG NGHỆ UAV VÀ ỨNG DỤNG TRONG THÀNH LẬP BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH TỶ LỆ LỚN 2.1 KHÁI QT CƠNG TÁC BAY CHỤP ẢNH HÀNG KHƠNG 2.1.1 Khái niệm về cơng tác bay chụp ảnh hàng không
Chụp ảnh là quá trình ghi nhận năng lượng hoặc bức xạ ánh sáng (song điện từ) từ đối tượng chụp ảnh thơng qua kính vật máy phản xạ chụp ảnh được lưu trữ trên cảm quang hay các bộ cảm số.
Chụp ảnh hàng không là việc sử dụng các thiết bị bay trên khơng 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.
Có 2 loại máy chụp ảnh chuyên dụng được sử dụng trong quá trình chụp ảnh hàng khơng là máy chụp ảnh tương tự (chụp phim) và máy chụp ảnh số [9].
2.1.2 Các dạng chụp ảnh hàng không
2.1.2.1. Khái niệm
Công tác bay chụp là một trong những cơng đoạn quan trọng nhất của q trình thành lập bản đồ bằng phương pháp đo ảnh. Công tác bay chụp thường được thực hiện trong điều kiện thời tiết tốt, trời trong ít mây bởi vì các đám mây sẽ che khuất các chi tiết địa hình, địa vật của bề mặt thực địa trên ảnh chụp được.
Dựa theo giá trị sử dụng của ảnh chụp và phương thức chụp, người ta chia ra các hình thức chụp ảnh sau:
- Chụp ảnh đơn: Là chụp ảnh từng vùng nhỏ của khu đo theo từng tấm ảnh
riêng biệt. Các tấm ảnh chụp kề nhau khơng có liên kết hình học với nhau. Chụp 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.
- Chụp ảnh theo tuyến: Là chụp theo một tuyến đã bố trí sẵn. Giữa các tấm
ảnh kề nhau trên một tuyến có độ phủ lên nhau và được gọi là độ phủ dọc, ký hiệu là p, đơn vị tính là % của kích thước tấm ảnh:
% 100 . l l p = x (2.1)
Trong đó: l - kích thước của tấm ảnh;
lx - kích thước của phần phủ theo hướng dải bay.
Hình 2. 1: Độ phủ dọc và ngang của các tấm ảnh
Diện tích chồng lên nhau của hai tấm ảnh kề nhau trong cùng một đường bay được gọi là diện tích phủ dọc (overlap).
Diện tích chồng phủ giữa hai loạt tấm ảnh trong hai dải bay liền kề nhau được gọi là diện tích phủ bên (sizelap).
Thường người ta quy định độ phủ dọc là 60% và độ phủ ngang khoảng 30%. Trong trường hợp cụ thể tùy theo loại địa hình, tùy theo yêu cầu sử dụng ảnh, các độ phủ này có thể thay đổi, nhưng khơng nhỏ hơn các giá trị trên.
Chụp ảnh theo tuyến được ứng dụng rộng rãi để giải quyết những vấn đề về dân sự, quân sự, trong nghiên cứu khoa học,... điển hình là khảo sát các đối tượng dạng tuyến như hệ thống giao thông, hệ thống thuỷ văn, thủy lợi, đường địa giới v.v...
Trong đo vẽ địa hình, chụp ảnh theo tuyến được dùng cho việc bố trí các dải bay chặn theo hướng vng góc với các dải bay chụp theo nhiều tuyến. Việc bố trí dải bay chặn như thế cho phép ta giảm được khá nhiều điểm khống chế ngoại nghiệp góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế.
- Chụp ảnh theo khối (nhiều tuyến): Phương pháp này còn gọi là chụp ảnh theo
diện tích là chụp theo nhiều tuyến dải bay thẳng, song song và cách đều nhau. Các tấm ảnh kề nhau trong cùng dải bay được liên kết với nhau bằng độ phủ dọc p, các tấm ảnh trên hai dải bay kề nhau được liên kết với nhau bằng độ phủ ngang. Độ phủ ngang của ảnh hàng không được ký hiệu bằng q và được xác định theo cơng thức:
% 100 . l l q= y (2.2) Trong đó: l - kích thước tấm ảnh;
ly - kích thước phần phủ của hai ảnh trên 2 dải bay kề.
Thường người ta quy định độ phủ dọc là 60% và độ phủ ngang khoảng 30%. Trong trường hợp cụ thể tùy theo loại địa hình, tùy theo yêu cầu sử dụng ảnh, các độ phủ này có thể thay đổi, nhưng không nhỏ hơn các giá trị trên.
- Chụp ảnh theo tỷ lệ: dựa theo tỷ lệ trung bình của ảnh chụp, người ta chia ra như sau: Chụp ảnh tỷ lệ lớn, tỷ lệ trung bình và tỷ lệ nhỏ.
Khi chụp thẳng, tỷ lệ ảnh hàng không là hàm số của độ cao bay chụp Hbc, tiêu cự kính vật máy ảnh fk, cịn khi chụp nghiêng ngồi Hbc và fk ra tỷ lệ ảnh còn phụ thuộc vào góc nghiêng a của trục quang máy chụp ảnh khi lộ quang so với đường
dây dọi và tung độ y của điểm ảnh trên ảnh. Vì vậy:
) , , , (H f 0 y F m l = (2.3)
trung bình của ảnh chụp lớn hơn 1:10.000, tỷ lệ trung bình là khi tỷ lệ trung bình của ảnh chụp từ 1:10.000 - 1:30.000 và tỷ lệ nhỏ là khi tỷ lệ trung bình của ảnh chụp nhỏ hơn 1:30.000.
Quan hệ giữa tỷ lệ ảnh chụp và tỷ lệ bản đồ cần thành lập được thể hiện bằng cơng thức:
M C
m= (2.4)
Trong đó: m - mẫu số tỷ lệ của ảnh hàng không.
C - hệ số kinh tế, theo các kết quả nghiên cứu lý luận và thực tiễn, hệ số C thường được lựa chọn từ 130 - 400 với từng loại tỷ lệ bản đồ cần thành lập theo phương pháp lập thể và tuỳ thuộc vào phương tiện kỹ thuật sử dụng.
M - mẫu số tỷ lệ bản đồ cần thành lập. 2.1.2.2 Yêu cầu kỹ thuật trong q trình bay chụp
Tính tốn các thơng số chụp ảnh: Khi lập thiết kế bay chụp, ngoài việc lựa chọn
tỷ lệ chụp ảnh, độ cao bay chụp và tiêu cự máy chụp, cần phải tính tốn các thơng số kỹ thuật cơ bản sau:
+ Tính cạnh đáy chụp ảnh Bx: a X p lm B (100 %).. 100 1 − = (2.5)
+ Tính khoảng cách giữa 2 dải bay kề By:
a X p lm B (100 %).. 100 1 − = (2.6)
Trong các cơng thức trên: l là kích thước của ảnh, p và q là độ phủ dọc và độ phủ ngang của ảnh. Độ phủ dọc p tối thiểu là 60%, độ phủ ngang q khoảng 20%- 30% để đảm bảo khả năng quan sát lập thể và liên kết tồn khối ảnh.
Tính tổng số ảnh cần chụp N: Số ảnh cần chụp trong khu đo là tổng số ảnh cần chụp trong từng dải bay được tính như sau:
k n k N N 1 = = (2.7) Trong đó: Nk = Int 1 + x xk B L
với Lxk là chiều dài của dải bay thứ k.
n là số dải bay của khu chụp.
n = Int 1 + Y Y B L
với LYlà độ rộng của khu vực bay chụp.
Lập bản đồ bay: Bản đồ được sử dụng để thực hiện quá trình bay chụp ảnh
được gọi là bản đồ bay chụp. Bản đồ bay chụp có thể chia làm hai loại riêng biệt: bản đồ bay và bản đồ chụp. Bản đồ bay dùng cho phi công và hoa tiêu chụp ảnh để định hướng chung, còn bản đồ chụp dùng cho hoa tiêu định hướng chi tiết khi chụp ảnh. Khi bản đồ bay có đầy đủ các nội dung như bản đồ chụp thì có thể sử dụng làm bản đồ chụp. Thông thường, người ta sử dụng bản đồ tỷ lệ 1:100.000 - 1:500.000 làm bản đồ bay chụp khi thành lập bản đồ trung bình và bản đồ tỷ lệ 1:50.000 - 1:100.000 làm bản đồ bay chụp khi chụp ảnh tỷ lệ lớn.
Trên bản đồ chụp cần thể hiện các chi tiết sau:
+ Ranh giới tồn bộ diện tích khu chụp và ranh giới từng khu chụp riêng biệt. + Các tuyến bay với độ dài của tuyến, khoảng cách giữa các tuyến và số lượng tấm ảnh chụp trên mỗi tuyến bay.
+ Các địa vật định hướng trên từng tuyến bay.
+ Các đặc trưng địa hình, như đỉnh núi, thung lũng với cao độ được ghi chú rõ