CHƯƠNG 1 HỆ THÔNG TIN ĐỊA LÝ GIS
2.1.1 Khái niệm ảnh số và trạm ảnh số
2.1.1.1. Khái niệm ảnh số.
Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, công nghệ tin học phát triển mạnh vμ có ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngμnh kỹ thuật. Trong ngμnh trắc địa, công nghệ tin học đã góp mặt vμ đóng vai trò quan trọng giúp giải phóng con ng−ời. Ph−ơng pháp đo ảnh số lμ ph−ơng pháp đo ảnh sử dụng các trang thiết bị mang tính tự động hoá cao nh− các máy vi tính với dung l−ợng bộ nhớ lớn vμ ứng dụng các phần mềm chuyên dụng. Hệ thống trang thiết bị sử dụng trong quá trình đo ảnh số đ−ợc gọi lμ hệ thống xử lý ảnh số. ảnh đ−ợc sử dụng trong ph−ơng pháp đo ảnh số đ−ợc gọi lμ ảnh số.
ảnh số đ−ợc tạo bởi mảng hai chiều của các phần tử ảnh có cùng kích th−ớc đ−ợc gọi lμ pixel. Nh− vậy, một ảnh số lμ một tập hợp các pixel. Mỗi pixel đ−ợc xác định bởi toạ độ hμng (n), cột (m) vμ giá trị độ xám của nó biến
đổi theo toạ độ điểm (x,y). Mối pixel lμ một điểm ảnh rời rạc vμ tọa độ của nó
được xác định bằng một số nguyên dương nằm giữa (1ữ n) hμng vμ (1 ữ m) cột, tức lμ: 1≤x≤n, 1≤y≤m.
Toạ độ của một điểm ảnh trên ảnh số đ−ợc xác định theo:
y j.
y y
x i.
x x
0 0
Δ +
=
Δ +
=
Trong đó: i=0,1,2,...,n-1 j=0,1,2,...,m-1
Δx, Δy lμ khoảng cách lấy mẫu trên h−ớng x vμ trên h−ớng y, thông th−ờng ta chọn Δx =Δyvμ m = n.
Còn giá trị độ xám của pixel nằm trong thang độ xám từ 0 đến 255 (thang độ xám 256 bậc theo đơn vị thông tin 8 bit). Các giá trị độ xám g(i,j) t−ơng ứng của các pixel đ−ợc lập mẫu vμ sắp xếp theo ma trận.
Ma trận độ xám g(i, j) có dạng:
⎥⎥
⎥⎥
⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢
⎢
⎣
⎡
1) - n 1, - m 1)
1, - (m 0)
1, - (m
1) - n (1, 1)
(1, 0)
(1,
1) - n (0, 1)
(0, 0)
(0,
g(
...
g
g
...
...
...
g ...
g
g
g ...
g
g
ảnh số ra đời tạo ra khả năng tự động hoá, nâng cao năng suất hiệu quả
đối với phương pháp thμnh lập bản đồ từ ảnh số. Hiện nay, ảnh số được tạo ra từ các ph−ơng pháp sau:
- Quét tấm ảnh tương tự để nhận được tấm ảnh số.
- ảnh số tạo ra từ máy chụp ảnh số (chụp ảnh thông qua hệ thống quang học, mặt nhận ảnh lμ hμng triệu tế bμo cảm quang. Ví dụ:bề mặt CCD)
- ảnh số quét trực tiếp bề mặt Trái đất (ảnh số của một số máy quét ảnh
đặt trên các vệ tinh nh− Lansat, Ikonot của Mỹ, Spot của Pháp )
Do phần lớn các tấm ảnh đều ở dạng ảnh tương tự, cho nên để tiến hμnh các công đoạn của quá trình đo vẽ ảnh trên trạm ảnh số ta cần phải tiến hμnh số hóa ảnh t−ơng tự.
Số hóa ảnh lμ quá trình biến đổi tính hiệu liên tục thμnh tính hiệu rời rạc thông qua việc lấy mẫu để biến ảnh tương tự thμnh tập hợp các điểm ảnh rời rạc với vị trí (x, y) vμ giá trị xám của điểm ảnh t−ơng tự cũng đ−ợc rời rạc hóa, biểu thị bằng mức xám t−ơng ứng của từng điểm ảnh. Nh− vậy:
Quá trình số hoá ảnh = quá trình định mẫu + quá trình l−ợng tử hoá
2.1.1.2. Quá trình định mẫu.
Quá trình định mẫu đ−ợc sử dụng để tạo ra sự rời rạc hoá không gian hình học liên tục của ảnh. Thông th−ờng nó đ−ợc thể hiện hệ thống quang học với kích thước nμo đó đã được chọn, hệ thống nμy chuyển động dọc theo
đường quét trên tấm ảnh. Cũng tại thời điểm đó nó tiến hμnh đo, ghi (thời gian
đã định trước hoặc độ dμi của bước nhảy) phản xạ hoặc bức xạ giá trị độ đen của từng vùng với đối tượng tương ứng. Việc định mẫu ảnh cho từng vị trí cửa mở của hệ thống quang học lμ giá trị thích hợp của toμn giá trị độ đen trong khoảng cửa mở (kích thước). Theo luật định mẫu bước nhảy định mẫu lý t−ởng thoả mãn điều kiện:
2fc
T≤ 1
Trong đó: fc lμ tần số cao nhất của sự biến thiên độ xám trên ảnh t−ơng tự.
2.1.1.3. Quá trình lượng tử hoá.
Quá trình l−ợng tử hoá đ−ợc sử dụng để tạo ra sự rời rạc không gian độ
đen liên tục của ảnh. L−ợng tử hoá có thể thực hiện bằng hai ph−ơng pháp lμ tuyến tính hoặc phi tuyến tính.
L−ợng tử hoá cho ta các giá trị độ xám tại vị trí đ−ợc số hoá (lấy mẫu) thμnh các mức độ xám với các khoảng nhảy bằng nhau.
i = 2M
M = 1, 2, 8 lμ số lấy cho bậc độ xám
M = 1 thì ta có 2 mức độ xám trắng vμ đen
M = 8 thì ta có 256 mức độ xám, nh− vậy khoảng giao động của mức độ xám từ 0 đến 255. Vì các bậc độ xám nμy có thể lưu giữ dưới dạng 1 byte (8bit) nên chúng có rất nhiều thuận lợi trong quá trình xử lý ảnh số.
Để số hoá ảnh t−ơng tự ng−ời ta sử dụng máy quét PhotoScanner (chẳng hạn PS-1) có khả năng số hoá ảnh t−ơng tự thμnh các pixel có kích th−ớc 7,5μm; 15μm; 30μm; 60μm; vμ 120μm tuỳ theo yêu cầu cụ thể, kích th−ớc pixel cμng bé thì độ phân giải của việc quét cμng cao. Số l−ợng thông tin chứa trong một tấm ảnh hμng không cỡ 23 x 23cm.
Khi số hoá theo 256 bậc đơn vị độ xám đ−ợc chỉ ra ở bảng sau:
Bảng 2.1: Độ phân giải và dung lượng thông tin Kích th−ớc pixel (μm) L−ợng thông tin (Mb)
7,5 960 15 240 30 60 60 15 120 3,7 Qua đây ta thấy là khi quét ảnh với kích thước pixel càng bé thì đòi
hỏi máy tính điện tử phải có bộ nhớ lớn, tốc độ xử lý tính toán phải lớn, tốc độ xuất nhập thông tin phải cao và đòi hỏi máy quét ảnh phải có độ phân giải cao. Tất cả những điều này đều có ảnh hưởng rất lớn đến giá thành tờ bản đồ được thành lập. Thế nhưng nếu quét ảnh với kích thước pixel quá lớn thì độ chính xác của bản đồ đo vẽ thấp do làm mất mát nhiều thông tin trên ảnh gốc.
Vì vậy việc lựa chọn độ phân giải khi quét ảnh là một vấn đề quan trọng vừa có ý nghĩa kinh tế vừa có ý nghĩa kỹ thuật. Việc lựa chọn độ phân giải khi quét ảnh phải dựa vào độ phân biệt của ảnh gốc, dựa vào tỷ lệ ảnh sử dụng để quét, dựa vào tỷ lệ và độ chính xác của bản đồ cần đo vẽ và
dựa vào độ phân giải hiện có của máy quét và độ phân giải của màn hình trạm sử lý ảnh số.
Độ phân giải khi quét ảnh phải chọn cho phù hợp với khả năng phân biệt của ảnh gốc, nếu kích thước chọn của pixel quá lớn sẽ làm mất mát một số thông tin có trên ảnh gốc. Ngược lại nếu kích thước chọn pixel quá nhỏ sau khi quét ảnh sẽ tạo ra nhiều pixel thừa trong việc tính toán và lưu trữ, do đó sẽ làm tăng khối lượng tính toán và cấu hình của thiết bị. Do vậy khi số hoá ảnh điều quan trọng là phải biết khả năng phân biệt của ảnh gốc để chọn độ phân giải của máy quét cho phù hợp. Tuy nhiên khi chọn độ phân giải của máy quét cho phù hợp còn phải căn cứ vào độ chính xác của bản đồ cần thành lập.
Việc thành lập bản đồ tỷ lệ lớn đòi hỏi độ chính xác cao nên khi quét ảnh phục vụ cho việc thành lập bản đồ tỷ lệ lớn phải chọn độ phân giải cao hơn khi quét ảnh để thành lập bản đồ tỷ lệ nhỏ.
Độ phân giải khi quét ảnh còn phụ thuộc vào tỷ số giữa tỷ lệ ảnh chụp và tỷ lệ bản đồ cần thành lập. Để đảm bảo độ chính xác bản đồ thành lập, khi hệ số này càng lớn cần phải chọn độ phân giải quét ảnh càng cao.
Tuy nhiên, cần lưu ý rằng việc phân tích về việc chọn độ phân giải khi quét cần có những công trình nghiên cứu thực nghiệm. Cụ thể để đưa ra tiêu chuẩn thống nhất (có thể là quy phạm). Bởi vì mấu chốt của phương pháp đo ảnh số phụ thuộc rất lớn vào độ phân giải quét ảnh.
2.1.1.4. Trạm đo vẽ ảnh số
Trạm đo vẽ ảnh số có chức năng xử lý các thông tin đưa như ảnh số, các số liệu trắc địa gốc, các số liệu đo trong quá trình bay chụp ảnh….cũng như các chức năng điều khiển các thiết bị đầu vào, đầu ra của hệ thống. Trạm đo vẽ ảnh số là một máy tính cỡ lớn, máy Pc có cấu hình mạnh hay các
WorkStaiton có bộ nhớ lớn và tốc độ xử lý nhanh. Một mạng máy chủ của trạm đo ảnh số gồm các thành phần sau:
- Bộ xử lý trung tâm có tốc độ xử lý nhanh;
- Bộ xử lý đồ họa;
- Màn hình lập thể có độ phân giải cao;
- Đĩa cứng có dung lượng lớn hàng chục GB, có khả năng lưu trữ nhiều ảnh, thông tin;
- Các thiết bị chuẩn như: bàn phím, chuột 3D, các thiết bị hỗ trợ quan sát lập thể.
Ngoài ra có thể nối mạng với các PC khác có cấu hình kém hơn để thực hiện các chức năng hỗ trợ, các chức năng phụ khác để khai thác hết tài nguyên của máy chủ.
Hiện nay, xu thế của công nghệ đo ảnh số đang chuyển từ trạm làm việc sang các PC thông thường có cấu hình tối thiểu như sau: sử dụng hệ điều hành Window 95, 98, NT là các máy Pentium II, III, cạc màn hình có độ phân giải cao.
Tùy thuộc vào sản phẩm đầu ra trạm ảnh số có thể phân thành:
- Trạm đo ảnh số đơn;
- Trạm đo ảnh số lập thể;
- Trạm ảnh số tam giác ảnh không gian;
- Trạm đo ảnh số mô hình số địa hình.