Vào mục Processing rồi bấm Start để bắt đầu tiến hành khớp ảnh.
Hình 2. 5: Thực hiện quá trình khớp ảnh (Initial Processing)
+ Tiến hành quá trình khớp ảnh và tạo đám mây điểm (Point Cloud) cho khu vực thực nghiệm.
+ Từ dữ liệu Point cloud tiến hành tạo mơ hình số bề mặt (DSM).
Sau khi có kết quả DSM, trong nghiên cứu của mình, Bùi Ngọc Quý [1] chỉ ra rằng chúng ta dựa vào chỉ số màu của các điểm point cloud và độ dốc của địa hình tiến hành lọc lấy các điểm mặt đất và sử dụng phƣơng pháp nội suy liền kề (neighbor) để loại bỏ độ cao địa vật. Kết quả ta thu đƣợc dữ liệu độ cao của toàn bộ các điểm mặt đất. Từ dữ liệu này tiến hành nội suy ra mơ hình DEM. Cũng thu đƣợc kết quả tƣơng tự là mơ hình số địa hình, luận án tiến sĩ của NCS Đỗ Văn Dƣơng [4] đã đề cập tới việc xây dựng thuật tốn và chƣơng trình riêng để nội suy DEM từ DSM cho kết quả tin cậy. Vì thế có thể thấy rằng, ngồi việc nâng cao độ chính xác nội suy từ DSM sang DEM thì muốn nội suy DEM chính xác, việc xây dựng DSM phải thực sự đạt độ tin cậy cao.
Trong phạm vi của đề tài này, tác giả chỉ tập trung khảo sát và đề xuất các giải pháp để nâng cao độ chính xác thành lập mơ hình số bề mặt với một số ảnh hƣởng của một số yếu tố nhƣ độ cao bay chụp, thông số máy chụp ảnh, độ phủ của ảnh, phần mềm xử lý, hay sự phân bố và số lƣợng điểm khống chế.
2.3. Các yếu tố ảnh hƣởng đến độ chính xác thành lập DSM bằng tƣ liệu chụp từ máy bay không ngƣời lái UAV. từ máy bay khơng ngƣời lái UAV.
Từ quy trình cơng nghệ ở hình 2.1, ta thấy có rất nhiều các yếu tố ảnh hƣởng đến độ chính xác thành lập mơ hình số bề mặt từ dữ liệu UAV. Ngồi việc xét đến tính chất của bề mặt địa hình cũng nhƣ phần mềm sử dụng để xử lý ảnh tự động thì số lƣợng và vị trí phân bố khác nhau của các điểm GCP cũng ảnh hƣởng tới độ chính xác đo ảnh UAV. Shahbazi, M. [14] đã thực hiện một số thử nghiệm khác nhau về số lƣợng và vị trí của các điểm GCP, cũng nhƣ số lƣợng hình ảnh nơi các GCP đƣợc hiển thị. Họ phát hiện ra rằng DSM đƣợc tham chiếu nhiều điểm kiểm tra GCP hơn chính xác hơn DSM đƣợc tham chiếu địa lý ít điểm hơn và mạng các điểm GCP phân bố đồng đều tạo ra DSM có độ chính xác cao hơn mạng GCP đƣợc nhóm lại. Họ cũng cho thấy độ chính xác DSM cao hơn khi các GCP đƣợc bố trí
sao cho chúng đƣợc hiển thị trên nhiều ảnh hơn. Các nghiên cứu của Tahar, K.N. [18] cũng nhƣ của Rosnell, T. và Honkavaara, E. [17] cũng kết luận rằng độ chính xác của DSM tăng lên khi số lƣợng các điểm GCP tăng lên. Một kết luận tƣơng tự đã đƣợc thực hiện trong nghiên cứu của Tonkin, T.N. và Midgley, N.G [19] ngƣời ta cũng cho thấy thêm rằng khi đạt đƣợc một số lƣợng điểm GCP nhất định, độ chính xác DSM khơng tăng nữa hay nói khác đi, độ chính xác của DSM tăng tiệm cận với sự tăng lên của số lƣợng các điểm GCP. Trong phạm vi của luận văn này, học viên đề cập đến và làm rõ thêm một số yếu tố khác nhƣ: ảnh hƣởng của độ cao bay chụp, ảnh hƣởng của tham số máy chụp ảnh và ảnh hƣởng của độ phủ ảnh.
2.3.1. Ảnh hưởng của độ cao bay chụp
Nhƣ ta đã biết, vì kích thƣớc của cảm biến thu nhận ảnh trong một máy ảnh số là cố định, do đó độ phân giải điểm ảnh (kích thƣớc của pixel) phụ thuộc vào độ cao bay chụp. Độ phân giải điểm ảnh ảnh hƣởng đến độ chính xác của bản đồ. Theo Morgan, D. và E. Falkner [12] thì mối quan hệ giữa độ cao bay chụp và độ phân giải điểm ảnh đƣợc thể hiện trong công thức:
Hbc = (da *K*f)/ds*100 (2.5) ở đây: Hbc - độ cao bay chụp (m),
da - chiều dài của ảnh chụp (pixel), K - độ phân giải điểm ảnh (cm), f - tiêu cự của máy ảnh (mm ), ds - độ dài của mảng CCD (mm). Từ cơng thức (1) ta có thể suy ra:
K = Hbc*ds*100/da*f (2.6) Qua đây ta thấy độ chính xác của bản đồ (kích thƣớc điểm ảnh cần chụp K) tỷ lệ nghịch với độ cao bay chụp Hbc. Khi giảm độ cao bay chụp Hbc thì độ chính
xác đo ảnh UAV sẽ tăng, tuy nhiên sẽ kéo theo tăng số lƣợng ảnh chụp làm giảm tính kinh tế. Do vậy , khi thiết kế bay chụp phải căn cứ vào độ chính xác yêu cầu để xác định độ cao bay chụp hợp lý.
2.3.2. Ảnh hưởng của tham số máy chụp ảnh
Cũng từ công thức (2.6) ta thấy độ chính xác của bản đồ (kích thƣớc điểm ảnh cần chụp K) còn phụ thuộc vào tham số f của máy ảnh sử dụng. Qua đây ta
thấy, độ chính xác đo ảnh UAV khơng chỉ phụ thuộc vào độ cao bay chụp mà còn phụ thuộc vào tham số của máy ảnh. Độ chính xác đo ảnh UAVsẽ tăng khi chụp ảnh sử dụng máy chụp ảnh có tiêu cự dài hơn. Trong cơng tác sản xuất, căn cứ vào điều kiện trang thiết bị mà lựa chọn máy chụp ảnh có tham số phù hợp.
2.3.3. Ảnh hưởng của độ phủ ảnh chụp
Trong công nghệ đo ảnh UAV, việc bay chụp ảnh thƣờng đƣợc tiến hành 80x90%, liệu có thể dựa vào đặc điểm này để nâng cao độ chính xác đƣợc khơng ? Để trả lời cho câu hỏi này tôi làm thực nghiệm sau. Trên bãi thực nghiệm Cơng viên Hịa Bình, tơi sử dụng máy chụp ảnh Phantom 4 Pro bay chụp 2 lần với độ phủ 90% và 70% trên cùng một độ cao bay chụp.
2.3.4. Ảnh hưởng của phần mềm và thuật tốn ứng dụng
Độ chính xác của sản các phẩm bản đồ thành lập từ công nghệ UAV phụ thuộc vào phần mềm và thuật toán SfM (Structure-from-Motion) xử lý ảnh đƣợc sử dụng [16]. Để có thể lựa chọn đƣợc các phần mềm phù hợp, cần phải có thơng tin chi tiết về các phần mềm xử lý ảnh chụp UAV. Hiện nay có rất nhiều các phần mềm xử lý ảnh UAV, kể cả miễn phí lẫn thƣơng mại Bemis, Micklethwaite [10]. Đặc điểm của các phần mềm tích hợp các thuật tốn SfM là quá trình xử lý ảnh thành lập các sản phẩm bản đồ đƣợc tự động ở mức cao. Cơ chế hoạt động của các thuật toán SfM cơ bản gồm các bƣớc chính nhƣ sau: Bƣớc 1, các điểm “khóa” (key point features cịn gọi là tie point) trên các ảnh đƣợc tự động phát hiện và chiết xuất, sau đó bộ cơ sở dữ liệu (3D point cloud) đƣợc xây dựng; Bƣớc 2, quá trình khớp ảnh tự
động đƣợc thực hiện giữa các cặp ảnh, dựa vào các điểm các điểm “khóa” nằm trên phần phủ dọc và phủ ngang [15]; Bƣớc cuối cùng q trình bình sai khối tam giác ảnh khơng gian đƣợc tiến hành để xác định các tham số định hƣớng trong, định hƣớng ngoài, và nội suy tọa độ 3D cho các điểm trên ảnh [15], [11].
2.3.5. Ảnh hưởng của mật độ và sự phân bố điểm khống chế
Số lƣợng và vị trí phân bố khác nhau của các điểm GCP cũng ảnh hƣởng tới độ chính xác đo ảnh UAV. Shahbazi, M.[14] đã thực hiện một số thử nghiệm khác nhau về số lƣợng và vị trí của các điểm GCP, cũng nhƣ số lƣợng hình ảnh nơi các GCP đƣợc hiển thị. Họ phát hiện ra rằng DSM đƣợc tham chiếu nhiều điểm kiểm tra GCP hơn chính xác hơn DSM đƣợc tham chiếu địa lý ít điểm hơn và mạng các điểm GCP phân bố đồng đều tạo ra DSM có độ chính xác cao hơn mạng GCP đƣợc nhóm lại. Họ cũng cho thấy độ chính xác DSM cao hơn khi các GCP đƣợc bố trí sao cho chúng đƣợc hiển thị trên nhiều ảnh hơn. Các nghiên cứu của Tahar, K.N. và nnk [18] cũng nhƣ của Rosnell, T. và Honkavaara, E. [17] cũng kết luận rằng độ chính xác của DSM tăng lên khi số lƣợng các điểm GCP tăng lên. Một kết luận tƣơng tự đã đƣợc thực hiện trong nghiên cứu của Tonkin, T.N. và Midgley, N.G [19] ngƣời ta cũng cho thấy thêm rằng khi đạt đƣợc một số lƣợng điểm GCP nhất định, độ chính xác DSM khơng tăng nữa hay nói khác đi, độ chính xác của DSM tăng tiệm cận với sự tăng lên của số lƣợng các điểm GCP.
Các sản phẩm bản đồ từ công nghệ UAV cần thể hiện trong hệ tọa độ quy chiếu quốc gia, trong khi các phần mềm hỗ trợ thiết kế tuyến bay thƣờng tích hợp lấy nền của Google Earth do đó cần phải có cơng tác chuyển đổi tọa độ. Cơng tác này có thể thực hiện thơng qua hai phƣơng pháp:
+ Chuyển đổi trực tiếp dựa trên tham số máy ảnh và tọa độ GPS của UAV; + Dựa vào các điểm khống chế mặt đất GPS, đƣợc cung cấp cho phần mềm xử lý ảnh.
Theo Turner [20] chỉ ra rằng, phƣơng pháp thứ hai cho độ chính xác cao hơn, do đó phƣơng pháp này thƣờng đƣợc sử dụng hơn.
Số lƣợng điểm và phƣơng án bố trí điểm khống chế ngoại nghiệp phụ thuộc vào độ chính xác cần đạt của điểm khống chế để phục vụ cho nhiệm vụ đo vẽ cụ thể. Ngày nay với sự phát triển mới của phƣơng pháp tam giác ảnh cho phép nâng cao độ chính xác và hiệu quả của cơng tác tăng dầy. Vì vậy số điểm khống chế ngoại nghiệp đƣợc giảm đi rất nhiều, các phƣơng án bố trí điểm cũng rất linh hoạt.
Vì các điểm dấu khống chế ảnh đƣợc thể hiện thành các pixel trên ảnh khi chụp từ UAV, kích thƣớc của điểm này phải đủ lớn để có thể đọc đƣợc trên ảnh. Tuy nhiên nếu kích cỡ q lớn sẽ gây khó khăn khi xác định tọa độ tâm của điểm. Theo Morgan and Falkner [12] tùy theo tỷ lệ ảnh, kích thƣớc của điểm khống chế ảnh mặt đất có thể tính theo cơng thức sau:
W = 0,002.ma; L = 10.W (2.7)
Trong đó:
W: là độ rộng của điểm khống chế ảnh mặt đất; L: là độ dài của điểm khống chế ảnh mặt đất.
Hình 2. 6: L m điểm khống chế ảnh mặt đất
Các điểm khống chế ảnh mặt đất đƣợc thiết kế theo hình dạng chữ L, hoặc dấu chữ thập với chất liệu bằng sơn hoặc bằng các giấy bìa cứng. Màu sắc cần lựa
chọn để có độ tƣơng phản đối ngƣợc với màu nền xung quanh, ví dụ: nếu mốc trên nền đƣờng nhựa có thể sử dụng sơn màu trắng hoặc đỏ.
Các điểm khống chế mặt đất đã thiết kế sơ bộ thông qua tuyến bay đã đƣợc thiết kế sẵn, các điểm khống chế này sẽ đƣợc phân bố đều trong khu vực chụp ảnh. Sau đó, khi ra thực địa đo khống chế ngoại nghiệp thì ta dựa vào các điểm đã đƣợc thiết kế sơ bộ và căn cứ vào các địa vật xung quanh để đặt dấu mốc và đo toạ độ. Địa vật xung quanh dấu mốc phải quang đãng, không quá cao để khơng bị che lấp dấu mốc nó khơng nằm vào tầm điểm chính ảnh.
Sau khi đặt dấu mốc vào các vị trí thích hợp, ta cần dùng đinh đóng xuống đất để giữ chắc dấu mốc. Tiếp đó, ta dùng GPS (RTK) để đo toạ độ các điểm này.
2.3.6. Ảnh hưởng của đặc điểm địa hình khu đo
Đặc điểm địa hình khu đo khơng chỉ ảnh hƣởng độ chính xác đo ảnh UAV mà
cịn ảnh độ chính xác tất cả các phƣơng pháp đo khác, ta phải biết ảnh hƣởng đó để lựa chọn các giải pháp thích hợp để hạn chế ảnh hƣởng đó nhƣ giảm độ cao bay chụp, tăng độ phủ của ảnh, chọn phần mềm xử lý ảnh thích hợp…
2.4. Các nguồn sai số của ảnh UAV
2.4.1. Sai số ảnh
Do ảnh hƣởng của các yếu tố kỹ thuật và điều kiện chụp ảnh nhƣ: nhiệt độ, độ ẩm, quá trình xử lý ảnh… nên chụp ảnh thƣờng bị biến dạng. Biến dạng ảnh là một trong những yếu tố ảnh hƣởng lớn đến quá trình xử lý các số liệu đo ảnh. Sự biến dạng này đƣợc phân biệt thành các loại nhƣ sau:
- Biến dạng mang tính chất hệ thống, trong đó có thể có cả trƣờng hợp biến dạng đều các hƣớng và trên từng hƣớng của trục toa độ (biến dạng affine).
- Biến dạng ngẫu nhiên và cục bộ, nó xuất hiện khơng có quy luật nhất định và khơng đều trên tồn bộ mặt ảnh hoặc trên từng hƣớng. Rõ ràng là ảnh hƣởng của
biến dạng hệ thống của ảnh đối với vị trí điểm ảnh có thể xác định đƣợc và loại trừ trong quá trình đo ảnh.
Hình 2. 7: Mơ phỏng sự biến dạng ảnh
- Biến dạng đều của ảnh trên các hƣớng hoặc trên từng hƣớng mang tính chất hệ thống.
2.4.2. Sai số méo hình kính vật
Trong máy chụp ảnh, kính vật của máy là bộ phận có ảnh hƣởng rất lớn đến vị trí điểm ảnh. Do thấu kính của kính vật là một khối của rất nhiều thấu kính hợp lại và khả năng kỹ thuật của nhà sản xuất nên vị trí một vật đi qua thấu kính sẽ khơng đúng nhƣ lý thuyết do thấu kính bị biến dạng hình học.
Do ảnh hƣởng của sai số méo hình xun tâm kính vật máy chụp ảnh, thị sai dọc tại điểm i trên mơ hình đƣợc tính theo cơng thức:
qi = a
a2 + b2 δr2i – δr2i (2.8)
Với đồ hình phân bố chuẩn của các điểm sử dụng để định hƣớng tƣơng đối nên:
q1 = q2 = 0; q3 = -q4 = -q5 = q6 = a
a2 + b2 δr2i – δr2i = qmh (2.9) Từ phƣơng trình định hƣớng tƣơng đối ta có:
dby = d∆ = d∆;
d∆φ = 2fk
ab .qmh (2.10)
d∆v = fk a .qmh
Nhƣ vậy: Sai số méo hình hệ thống chỉ ảnh hƣởng tới các nguyên tố định hƣớng tƣơng đối và và sai số của do méo hình gây nên lớn gấp 2 lần .
Kính vật máy chụp ảnh hàng không là bộ phận quan trọng nhất quyết định đến chất lƣợng của hình ảnh trên tấm ảnh chụp. Chúng ta chƣa thể tạo ra một kính vật hồn hảo, khơng có sai sót. Sai sót lớn nhất mà trong công tác đo ảnh chúng ta cần quan tâm đến là sai số méo hình.
2.4.3. Sai số độ cong Trái Đất
Độ cong quả đất gây nên sự xê dịch vị trí điểm ảnh theo bán kính vector r đƣợc tính theo cơng thức: δr = - r 3 2R . H fk2 (2.11) Trong đó: H: độ cao bay chụp; R: bán kính Trái Đất;
r: khoảng cách trên tấm ảnh từ điểm đáy ảnh đến điểm cần xác định; fk : tiêu cự của máy ảnh.
Sai lệch đó ảnh hƣởng tới tọa độ y của điểm ảnh:
δy = - δr.sinϑ = -y.δrr (2.12)
Thị sai dọc của mơ hình lập thể:
qi = δy2i – δy1i = -y(δr2i r2i -
δr1i
r1i ) (2.13)
Đối với các điểm phân bố chuẩn sẽ có các giá trị:
r23 = r25 = r14 = r15 = r2; r13 = r15 = r24 = r26 = r1 ; r23 = r25 = r14 = r16 = a2 + b2 ; r13 = r15 = r24 = r26 = a ;
q1 = q2 = 0 ; - q3 = q4 = q5 = - q6 = a a2 + b2 δr2 – δr1 = qR ; Nhƣ vậy: dby = d = d = 0 ; d = 2fk ab qR ; d = fk ab qR ;
Có nghĩa là: Độ cong quả đất là nguồn gốc phát sinh sai số của các góc định hƣớng tƣơng đối ; và sai số d lớn gấp 2 lần d.
Khi bay chụp ảnh, phƣơng di chuyển của máy bay thƣờng chọn vng góc với phƣơng dây dọi, mặt tham chiếu của tấm ảnh là mặt phẳng, trong khi bề mặt đất nằm trên bề mặt cong. Do đó, khi chiếu ảnh các địa vật lên mặt phẳng ảnh, vị trí các địa vật trên ảnh sẽ bị lệch đi do ảnh hƣởng của bề mặt cong quả đất.
Hình 2. 8: Ảnh hưởng độ cong Trái Đất đến vị trí điểm
Trong đó:
S: tâm chụp ảnh; fk: tiêu cự máy chụp ảnh; P: mặt phẳng ảnh; Q: mặt phẳng nằm ngang;