Luận văn: Công nghệ đo ảnh trên cơ sở ảnh chụp từ máy chụp ảnh số phổ thông

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (4.98 MB, 118 trang )

bộ giáo dục v đo tạo
Trờng đại học mỏ địa chất

Trần trung anh

công nghệ đo ảnh trên cơ sở ảnh
chụp từ máy chụp ảnh số phổ thông

luận văn thạc sĩ kỹ thuật

h nội-2005
bộ giáo dục v đo tạo
Trờng đại học mỏ địa chất

Trần trung anh

công nghệ đo ảnh trên cơ sở ảnh
chụp từ máy chụp ảnh số phổ thông

Chuyên ngành : Trắc địa
Mã số : 2.16.00

luận văn thạc sĩ kỹ thuật

ngời hớng dẫn khoa học
GS. TSKH Phan văn lộc

h nội-2005

1

lời cam đoan
Tôi xin cam đoan rằng đây là công trình nghiên cứu của riêng bản thân.
Toàn bộ quá trình nghiên cứu đợc tiến hành một cách khoa học, các số liệu,
kết quả trình bày trong luận văn là chính xác, trung thực và cha từng đợc ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Tác giả luận văn

Trần Trung Anh

2

lời cảm ơn
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới thầy giáo GS.TSKH Phan
Văn Lộc, ngời đã dìu dắt tôi ngay từ khi bỡ ngỡ bớc vào nghề và động viên
hớng dẫn tôi trong suốt thời gian công tác và làm luận văn. Thầy là một tấm
gơng lớn về tinh thần trách nhiệm, lòng tận tụy, tình yêu nghề và ý thức
nghiên cứu khoa học nghiêm túc. Đặc biệt thầy để lại trong tôi sự kính phục
về tri thức khoa học, lối sống yêu thơng, độc lập và thẳng thắn. Tôi cũng xin
chân thành cảm ơn thầy giáo PGS.TS Phạm Vọng Thành đã tạo điều kiện giúp
đỡ tôi thuận lợi trong công tác và cố vấn nhiệt tình về mặt chuyên môn. Tôi
xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Bộ môn Trắc Địa ảnh, Bộ môn
Trắc Địa Mỏ, Khoa Trắc Địa, Phòng Đại học và Sau Đại học, Trờng Đại học
Mỏ Địa chất cùng bạn bè đồng nghiệp đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong suốt quá
trình học tập và làm luận văn.
Tác giả luận văn

3
mục lục
Trang phụ bìa

Lời cam đoan.....................................................................................................1
Lời cảm ơn.........................................................................................................2
Mục lục..............................................................................................................3
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt.............................................................5
Danh mục các bảng...........................................................................................6
Danh mục các hình vẽ, đồ thị............................................................................7
Mở đầu
.............................................................................................................9
Chơng 1. tổng quan về sự phát triển của công nghệ đo ảnh..........12
1.1. Bản chất và nhiệm vụ của phơng pháp đo ảnh........................................12
1.2. Sự phát triển của công nghệ đo ảnh..........................................................14
1.3. Đo ảnh mặt đất trên thế giới.....................................................................17
1.4. Đo ảnh mặt đất tại Việt Nam....................................................................18
1.5. Cơ sở lý thuyết đo ảnh mặt đất.................................................................20
1.5.1.Các yếu tố định hớng của ảnh mặt đất..................................................20
1.5.2. Các dạng chụp cơ bản của ảnh lập thể mặt đất......................................21
1.5.3. Công thức xác định tọa độ điểm chi tiết bằng ảnh mặt đất....................22
1.5.4. Độ chính xác tọa độ điểm chi tiết xác định bằng ảnh mặt đất...............23
1.6. Yêu cầu thực tiễn đặt ra cho đo ảnh mặt đất.............................................24
1.7. Công nghệ đo ảnh số mặt đất....................................................................25
Kết luận chơng 1............................................................................................27
Chơng 2. máy chụp ảnh số phổ thông và phơng pháp kiểm định
28

2.1. Máy chụp ảnh số phổ thông......................................................................28
2.2. Một số đặc trng của ảnh số.....................................................................30
2.2.1. ảnh số....................................................................................................30
2.2.2. Độ phân giải của ảnh số.........................................................................31
2.2.3. Nguyên lý tạo ảnh của máy chụp ảnh số...............................................32
2.2.4. Bộ cảm CCD..........................................................................................32

4
2.3. Hệ thống kính vật của máy chụp ảnh số...................................................34
2.4. Kiểm định máy chụp ảnh số phổ thông....................................................34
2.4.1. Sự cần thiết phải kiểm định....................................................................34
2.4.2. Các phơng pháp kiểm định..................................................................35
2.4.3. Lựa chọn hàm toán học hiệu chỉnh sai số méo hình kính vật................38
2.4.4. Bản chất của méo hình kính vật.............................................................40
2.4.5. Thuật toán kiểm định.............................................................................41
2.4.6. Chơng trình kiểm định.........................................................................44
2.4.7. Quy trình kiểm định máy chụp ảnh số phổ thông.................................46
2.4.8. Kết quả kiểm định.................................................................................48
Kết luận chơng 2............................................................................................51
Chơng 3. công nghệ đo ảnh trên cơ sở ảnh chụp từ máy chụp ảnh
số phổ thông................................................................................................................
52

3.1. Cấu trúc hình tháp với số lợng pixel không đổi......................................52
3.2. Xác lập hệ tọa độ mặt phẳng ảnh số.........................................................53
3.3. Giới hạn chụp hữu dụng của ảnh số..........................................................57
3.4. Thiết kế đờng đáy chụp ảnh....................................................................58
3.5. ảnh hởng của sự không ổn định của tiêu cự tới độ chính xác điểm chi tiết.....60
3.6. Công nghệ đo vẽ ảnh số phổ thông.......................................................................62
3.7. Quy trình công nghệ thành lập bình đồ tỷ lệ lớn......................................64
3.8. Quy trình công nghệ thành lập bản vẽ kiến trúc.......................................75
3.9. Công dụng và khả năng phát triển của t liệu ảnh số phổ thông..............77
Kết luận chơng 3............................................................................................79
chơng 4. thực nghiệm
..............................................................................80
Kết luận và kiến nghị.............................................................................................

88

Tài liệu tham khảo...................................................................................................
90

phụ lục............................................................................................................................
93

5
danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
CCD Charge Coupled Device - mảng nhận ảnh số
CMOS Complementary Metal-Oxide Semiconductor - mảng nhận ảnh số
DTM Mô hình số địa hình
GIS Hệ thống thông tin địa lý
GPS Hệ thống định vị toàn cầu
int Số nguyên Integer
LIS Hệ thống thông tin đất đai
m Đơn vị đo dài mét
mm Đơn vị đo dài milimét
MP Mega Pixel - triệu điểm ảnh
Pixel Picture Element - phần tử ảnh số, điểm ảnh

6
danh mục các bảng
Bảng 2.1. Một số máy chụp ảnh số phổ thông có độ phân giải tốt 29
Bảng 2.2. Một số máy chụp ảnh kỹ thuật số chuyên dụng 30
Bảng 2.3. Kết quả kiểm định máy chụp ảnh số Sony F707 48
Bảng 3.1. Tọa độ các mấu khung trong ảnh số phổ thông 55

Bảng 3.2. Tọa độ 4 mấu khung của ảnh số máy chụp Sony F707 56
Bảng 3.3. Thiết kế chụp ảnh cho máy chụp ảnh số Sony F707 59
Bảng 3.4. Giới hạn sai số tơng đối của tiêu cự máy chụp ảnh số Sony F707 61
Bảng 3.5. Sổ ghi các thông số chụp ảnh 67
Bảng 3.6. Kết quả định hớng và kiểm tra mô hình lập thể 71
Bảng 4.1.Thống kê sự so sánh kết quả đo ngoại nghiệp và kết quả đo ảnh 85
Bảng 4.2. Quy tỷ lệ và kiểm tra mô hình công trình Nhà hát Lớn Hà Nội 87

7
danh mục các hình vẽ, đồ thị
Hình 1.1. Đồ giải ảnh trên thớc Ckiridov 14
Hình 1.2. Đo vẽ bản đồ trên máy toàn năng Wild A8 15
Hình 1.3. Hệ thống đo vẽ ảnh giải tích Planicom P3 của Carl Zeiss, Đức 16
Hình 1.4. Trạm đo vẽ ảnh số ImageStation Z/I Intergraph, Mỹ 16
Hình 1.5. Các yếu tố định hớng ngoài của cặp ảnh lập thể mặt đất 21
Hình 1.6. Dạng chụp giao nhau, dạng chụp xiên đều và dạng chụp thẳng 22
Hình 1.7. Xác định tọa độ điểm chi tiết bằng ảnh mặt đất 23
Hình 1.8. Công nghệ đo ảnh số mặt đất 26
Hình 2.1. Máy chụp ảnh số Sony CyberShot Pro DSC-F828 28
Hình 2.2. Ma trận độ xám của ảnh số 30
Hình 2.3. Nguyên lý tạo ảnh của máy chụp ảnh số 32
Hình 2.4. Một số CCD nhìn ở bên ngoài 32
Hình 2.5. Nguyên lý tạo ảnh trên CCD 33
Hình 2.6. Hệ thống kính vật của máy chụp ảnh số 34
Hình 2.7. Phòng kiểm định máy chụp ảnh Carl Zeiss, Oberkochen, Đức 36
Hình 2.8. Tự kiểm định bằng các điểm khống chế tại thực địa 36
Hình 2.9. Bãi kiểm định chuẩn 37
Hình 2.10. Méo hình xuyên tâm 40
Hình 2.11. Hiệu chỉnh sai số méo hình xuyên tâm 40

Hình 2.12. Sự lắp ráp không đồng trục của hệ thống kính vật 41
Hình 2.13. Hiệu chỉnh méo hình tiếp tuyến theo công thức Brown 41
Hình 2.14. Giao diện của chơng trình kiểm định CalImage Ver 2.0 44
Hình 2.15. Sơ đồ khối tổng quát quá trình kiểm định ảnh 45
Hình 2.16. Quy trình kiểm định máy chụp ảnh số phổ thông 46
Hình 2.17. Méo hình xuyên tâm

5
3
3
21
rKrKrKdr ++=
49
Hình 2.18. Hiệu chỉnh méo hình xuyên tâm
yx ,
50
Hình 2.19. Méo hình tiếp tuyến
yx

,
50

8
Hình 2.20. Hiệu chỉnh méo hình kính vật
dydx,
50
Hình 3.1. Cấu trúc hình tháp với số lợng pixel không đổi 52
Hình 3.2. Hệ tọa độ ảnh số và hệ tọa độ mặt phẳng ảnh 54
Hình 3.3. Hệ tọa độ mặt phẳng ảnh số phổ thông 56
Hình 3.4. Giới hạn chụp hữu dụng của ảnh số 57

Hình 3.5. Thiết kế đờng đáy chụp ảnh 58
Hình 3.6. Thiết kế chụp ảnh cho máy chụp ảnh số Sony F707 60
Hình 3.7. Phần mềm ISDM định hớng cặp ảnh số phổ thông 62
Hình 3.8. Phần mềm PhotoModeler đo vẽ phi địa hình 63
Hình 3.9. Quy trình công nghệ thành lập bình đồ địa hình 64
Hình 3.10. Chụp ảnh số phổ thông phục vụ đo vẽ địa hình mỏ lộ thiên 67
Hình 3.11. Mẫu sổ ghi sơ đồ trạm chụp tại thực địa 68
Hình 3.12. Nhập các hệ số méo hình của máy chụp ảnh số phổ thông 69
Hình 3.13. Định hớng trong tấm ảnh số phổ thông 70
Hình 3.14. Mô hình số địa hình 73
Hình 3.15. Quy trình công nghệ thành lập bản vẽ kiến trúc 75
Hình 3.16. Chụp ảnh số phổ thông phục vụ đo vẽ phi địa hình 76
Hình 3.17. Canon EOS 1Ds Mark II và CMOS 16,7 triệu pixel 78

9
mở đầu
1. lý do chọn đề tài
Sự phát triển của đo ảnh gắn liền với sự phát triển của khoa học công
nghệ từ công nghệ cơ giới chính xác cho tới khoa học điện tử tin học. Công
nghệ đo ảnh cũng gắn liền với sự phát triển của các thiết bị thu nhận hình ảnh
(camera) đó là bộ phận thu nhận những t liệu gốc ban đầu phục vụ đo ảnh
chiếm một vị trí quan trọng trong quy trình đo ảnh. Các máy chụp ảnh chuyên
dùng cho đo vẽ (metric camera) đợc đặt trên máy bay với sản phẩm là các
tấm ảnh hàng không chất lợng cao đã khẳng định sự thành công trong thành
lập các loại bản đồ địa hình, địa chính ở Việt Nam và trên thế giới. Các máy
kinh vĩ chụp ảnh chuyên dùng (phototheodolite) đặt trên mặt đất đợc ứng
dụng trong lĩnh vực đo ảnh địa hình tỷ lệ lớn và phi địa hình. Tuy nhiên, ở
Việt Nam sự phát triển của đo ảnh mặt đất với các máy kinh vĩ chụp ảnh chỉ
dừng lại ở công nghệ đo ảnh tơng tự trên phim kính từ những năm 70 của thế

kỉ trớc.
Ngày nay, khi công nghệ số đã phổ biến rộng rãi trong đo ảnh hàng
không thì đo ảnh mặt đất với các máy kinh vĩ chụp ảnh gần nh đã bị lãng
quên. Không phải vì đo ảnh mặt đất không ứng dụng đợc công nghệ số mà
vấn đề ở đây là công nghệ chụp ảnh. Những máy PhotoTheodolite phải sử
dụng những tấm phim kính hoặc phim nhựa là khá đặc dụng phải nhập ngoại,
nhng lại chỉ ứng dụng trong đo vẽ địa hình tỷ lệ lớn hoặc đo vẽ kiến trúc
trong một khu vực nhỏ là không kinh tế. Hơn nữa với yêu cầu hiện đại cho sản
phẩm ở dạng số và nhanh chóng thì các phim kính này lại phải quét ảnh dẫn
tới không hiệu quả cả về mặt thời gian và kinh tế. Trong khi công nghệ chụp
ảnh số chuyên dụng đợc quan tâm nhiều hơn ở chụp ảnh hàng không (đã có
máy chụp ảnh số DMC, ADS40 [18],[19]) thì công nghệ chụp ảnh số chuyên
dụng cho đo ảnh mặt đất lại không đợc phát triển. Với yêu cầu của thực tế
sản xuất hiện nay cần thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn vùng mỏ lộ thiên,
vùng núi đá vôi... phục vụ tính toán khối lợng khai thác định kì đang gặp

10
nhiều khó khăn của phơng pháp đo và tính. Sự phát triển của ngành kiến trúc
phục chế cũng đặt ra các yêu cầu về vẽ lại bản vẽ hiện trạng kiến trúc...Các
yêu cầu trên lại đặt ra nhiệm vụ cho đo ảnh cần giải quyết. Nhng vớng mắc
ở đây là công nghệ chụp ảnh chuyên dụng cho đo vẽ. Vậy giải quyết ra sao?
Những năm đầu của thế kỉ XXI đã xuất hiện ồ ạt các loại máy chụp ảnh
số phổ thông (non-metric digital camera) đợc dùng rộng rãi trong chụp ảnh
nghệ thuật. Chúng tôi sử dụng thuật ngữ này nhằm nói về loại máy chụp ảnh
đại chúng trên cơ sở công nghệ số hóa, đợc sử dụng theo nhu cầu thông
thờng của ngời yêu thích chụp ảnh nghệ thuật, chụp ảnh lu niệm...không
đợc thiết kế cho mục đích đo vẽ. Ưu điểm của các loại máy này là gọn nhẹ,
rẻ tiền và đặc biệt sản phẩm ảnh chụp đợc lu trữ dới dạng số rất thuận lợi
cho việc kết nối với máy tính và nhập vào các phần mềm đo ảnh. Việc áp dụng
máy ảnh số loại này vào kỹ thuật đo vẽ của trắc địa ảnh đặt ra nhiều vấn đề

phải quan tâm giải quyết, thành công của nó sẽ cởi bỏ một số gút mắc khó
khăn về t liệu đầu vào của đo ảnh số mặt đất. Với mong muốn đóng góp phần
nhỏ của trí thức bản thân cho sự phát triển đa dạng của công nghệ đo ảnh ở
Việt Nam, đợc sự hớng dẫn tâm huyết của thầy giáo GS.TSKH Phan Văn
Lộc, tác giả đã chọn đề tài Công nghệ đo ảnh trên cơ sở ảnh chụp từ máy
chụp ảnh số phổ thông. Đây là một mảng đề tài khá lớn đòi hỏi những
nghiên cứu lý thuyết và thực tiễn nghiêm túc.
2. mục đích, đối tợng và phạm vi nghiên cứu
a. Mục đích của đề tài:
- Giải quyết các vấn đề về sự không chuyên dụng của ảnh số phổ thông
nhằm nâng cao khả năng đo vẽ, độ chính xác của sản phẩm đo ảnh.
- Giải quyết một số đặc trng riêng khi xử lý tấm ảnh số phổ thông trên
các phần mềm đo ảnh số.
- ứng dụng thành công trong đo vẽ đo vẽ địa hình và phi địa hình sử
dụng ảnh số phổ thông, khẳng định u thế của phơng pháp đo ảnh.
- Nâng cao trình độ tiếp cận và phục vụ sản xuất theo hớng chính xác
và nhanh chóng, đơn giản mà hiện đại, đáp ứng yêu cầu thực tế.

11
- Bổ sung kiến thức cho bản thân nhằm phục vụ tốt công tác giảng dạy
tại trờng đại học.
b. Đối tợng nghiên cứu của đề tài:
Máy chụp ảnh số phổ thông gắn liền với tính chất không chuyên dụng
cho đo vẽ có thể cung cấp sản phẩm ảnh số phục vụ trong lĩnh vực đo vẽ địa
hình và phi địa hình.
c. Phạm vi nghiên cứu của đề tài:
- Nghiên cứu xây dựng cơ sở lý thuyết kiểm định các thông số của máy
chụp ảnh số phổ thông.
- Nghiên cứu xây dựng chơng trình và quy trình kiểm định.
- Nghiên cứu sử dụng ảnh số phổ thông và các thông số kiểm định, đánh

giá hiệu quả của chúng trong việc thành lập bình đồ địa hình và bản vẽ kiến trúc.
3. Phơng pháp nghiên cứu
- Sử dụng các tài liệu về lý thuyết kinh điển của đo ảnh làm cơ sở lý
luận, viết thuật toán và chơng trình.
- Tìm kiếm tài liệu và cập nhật các thông tin trên mạng Internet.
- Nghiên cứu tìm hiểu bản chất của quá trình đo vẽ trên phần mềm đo
ảnh để tìm ra phơng án phù hợp về xử lý ảnh số phổ thông.
- Tiến hành các thực nghiệm để chứng minh lý thuyết, khẳng định tính
khả thi và đi đến kết luận khách quan, chính xác.
4. ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
ảnh chụp từ máy chụp ảnh số phổ thông ứng dụng thành công trong đo
ảnh mang ý nghĩa khoa học lớn: bổ sung cơ sở khoa học về kiểm định ảnh, đo
ảnh, bổ sung đa dạng cho phơng pháp đo ảnh hàng không trong lĩnh vực địa
hình và phi địa hình.
Đề tài xuất phát từ cơ sở khoa học đo ảnh hiện đại, mang lại ý nghĩa
thực tiễn về thiết bị chụp ảnh, rút ngắn thời gian của quy trình công nghệ,
giảm nhẹ công tác ngoại nghiệp nhờ u thế của đo ảnh, phát huy tính độc lập
tự cờng trong điều kiện hạn chế của tài chính và công nghệ ở Việt Nam.

12
chơng 1
tổng quan về sự phát triển của công nghệ đo ảnh
Chơng này trình bày bản chất, u thế của phơng pháp đo ảnh và sự
phát triển của công nghệ đo ảnh nói chung. Tổng quan về tình hình phát triển
của phơng pháp đo ảnh mặt đất trên thế giới và ở Việt Nam, nhiệm vụ và khả
năng đáp ứng yêu cầu đo vẽ của phơng pháp. Từ đó khẳng định cần phải phát
triển phơng pháp đo ảnh số mặt đất hiện đại trong điều kiện cụ thể ở nớc ta
phát huy sự đa dạng của đo ảnh.
1.1. bản chất và nhiệm vụ của phơng pháp đo ảnh
Trong các phép đo và tính của trắc địa nói chung, phơng pháp đo ảnh

chiếm một vị trí quan trọng. Phơng pháp đo ảnh với bản chất là một phơng
pháp đo gián tiếp thông qua hình ảnh thu nhận đợc theo phép chiếu xuyên
tâm của đối tợng đo. Nó cũng thực hiện nhiệm vụ trắc địa nh các phép đo
khác đó là xác định trạng thái hình học của đối tợng đo bao gồm: vị trí, hình
dáng, kích thớc và mối quan hệ tơng hỗ của các đối tợng đo [2].
Bởi vậy, phơng pháp đo ảnh có những đặc trng riêng biệt:
- Có khả năng đo vẽ tất cả các đối tợng đo mà không nhất thiết phải
tiếp xúc hoặc đến gần chúng, miễn là các đối tợng này có thể chụp ảnh đợc.
Đối tợng đo của phơng pháp đo ảnh rất đa dạng, từ các miền thực địa hình
rộng lớn đến những vi vật thể nhỏ bé, từ những vật thể tĩnh đến các đối tợng
có trạng thái vật lý biến đổi nhanh chóng.
- Nhanh chóng thu đợc các t liệu đo vẽ trong thời gian chụp ảnh, nên
cho phép giảm nhẹ công tác ngoài trời, tránh ảnh hởng của thời tiết và môi
trờng đo đối với công tác đo vẽ.
- Có thể đo cùng một thời điểm nhiều điểm đo khác nhau
của đối tợng
đo. Thuận lợi cho phép tính toán, so sánh sự biến đổi của địa hình, địa vật
cũng nh các công trình kiến trúc, các hiện tợng vật lý...

13
- Quy trình công nghệ của phơng pháp đo ảnh rất thuận lợi cho việc
áp dụng các thành tựu của khoa học công nghệ, tự động hoá công tác đo tính,
giúp nâng cao năng suất và tính kinh tế của phơng pháp.
Từ những đặc trng đa dạng của phơng pháp đo ảnh hình thành hai
phơng pháp chính đó là phơng pháp đo ảnh hàng không và phơng pháp đo
ảnh mặt đất.
* Phơng pháp đo ảnh hàng không: với các thiết bị thu nhận hình ảnh
bề mặt trái đất là các máy chụp ảnh đặt trên máy bay, các tấm ảnh hàng không
phục vụ đo vẽ chiếm một khối lợng lớn trong thành lập các loại bản đồ địa
hình, địa chính các loại tỷ lệ đặc biệt là tỷ lệ trung bình.

Những năm gần đây, các thiết bị thu nhận ảnh là các bộ cảm SenSor đặt
trên tàu vũ trụ và vệ tinh nhân tạo cho những tấm ảnh vệ tinh ngày càng có độ
phân giải cao cũng trợ giúp đắc lực cho công tác thành lập bản đồ, hiện chỉnh
bản đồ và viễn thám trái đất.
* Phơng pháp đo ảnh mặt đất: các máy chụp ảnh đợc đặt trên mặt đất.
Những tấm ảnh này có khả năng thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn 1:500,
1:1000, 1:2000, 1:5000 là một phơng pháp bổ sung hữu hiệu cho đo ảnh
hàng không trong lĩnh vực địa hình tỷ lệ lớn chủ yếu ở những khu vực núi đá,
mỏ lộ thiên mà công tác đo vẽ ngoại nghiệp gặp nhiều khó khăn. Do máy đặt
trên mặt đất nên có thể bố trí máy chụp rất gần đối tợng chụp ảnh.
Ngoài lĩnh vực địa hình, đo ảnh khoảng cách gần có nhiều lĩnh vực ứng
dụng rất đa dạng: quan trắc biến dạng công trình, đo vẽ các bản vẽ phục chế
kiến trúc, trong các ngành khác nh quân sự, nông lâm, y học, địa chất, giao
thông thuỷ lợi ...
Có thể nói phơng pháp đo ảnh là một phơng pháp viễn thám hiện đại
không chỉ của lĩnh vực khoa học trái đất mà còn của các ngành khoa học rất
gần gũi với cuộc sống.

14
1.2. sự phát triển của công nghệ đo ảnh
Sự phát triển của công nghệ đo ảnh gắn liền với sự phát triển chung của
các ngành khoa học công nghệ khác, đặc biệt là các ngành khoa học công
nghệ về cơ giới chính xác, công nghệ điện tử tin học... Lịch sử đo ảnh luôn
bám sát sự phát triển của khoa học công nghệ [10], tơng ứng với quá trình
này có bốn giai đoạn của phơng pháp đo ảnh đó là:
1.2.1. Phơng pháp đồ giải (plane table photogrammetry)
Đây là phơng pháp đo ảnh thô sơ của giai đoạn hình thành phơng
pháp đo ảnh (1850-1900). Trong giai đoạn phát triển đầu tiên này, phơng
pháp đồ giải ảnh là một phơng pháp giao hội thuận với các hớng đợc xác
định từ các điểm ảnh trên ảnh mặt đất chính vì vậy nó còn có tên gọi là

phơng pháp giao hội ảnh hoặc phơng pháp bàn đạc ảnh. Nhợc điểm cơ bản
nhất của phơng pháp này là việc nhận biết khó khăn các điểm đo cùng tên
trên các tấm ảnh đơn đợc chụp từ các trạm chụp khác nhau. Do đó, khả năng
ứng dụng của phơng pháp đồ giải vào công tác đo vẽ địa hình là rất hạn chế.

Hình 1.1. Đồ giải ảnh trên thớc Ckiridov
1.2.2. Đo ảnh tơng tự (analog photogrammetry)
Đây là phơng pháp đo ảnh phát triển khá rực rỡ trong giai đoạn 1900
đến 1960 với sự xuất hiện của các máy đo vẽ ảnh toàn năng cơ học, quang học
và quang cơ. T liệu đầu vào là các ảnh chụp quang học đợc dựng lại và đo
vẽ trên các máy toàn năng khá cồng kềnh. Con ngời phải thực hiện các thao

15
tác đo toàn bộ trên máy, sản phẩm đầu ra đợc vẽ trực tiếp trên các bản vẽ
tơng tự. Công nghệ này là một bớc phát triển lớn của công nghệ cơ học,
quang học và truyền động học kết hợp với lý thuyết đo ảnh. Thành công của
nó là các máy đo vẽ ảnh lập thể toàn năng nh Multiplex, StereoMetrograph,
StereoAutograph, Topocar, Technocar, SD, SPR3, Wild A8 A7 A10... đáp ứng
đợc các yêu cầu thành lập bản đồ của giai đoạn bấy giờ. Hiện nay công nghệ
này còn sử dụng rất ít trong sản xuất vì nó đã quá lạc hậu, không còn phù hợp
với thời đại công nghệ thông tin.

Hình 1.2. Đo vẽ bản đồ trên máy toàn năng Wild A8

1.2.3. Đo ảnh giải tích (analytical photogrammetry)
Ngay từ khi máy tính điện tử bắt đầu phát triển thì công nghệ đo ảnh đã
đợc thừa hởng thành quả, đo ảnh giải tích ra đời và phát triển nhanh chóng
(1950 đến nay). Đo ảnh giải tích là sự kết hợp hoàn hảo của công nghệ cơ học,
quang học trong đo tọa độ ảnh công nghệ số hóa trị đo và công nghệ máy tính
trong thực hiện các bài toán đo ảnh giúp nâng cao độ chính xác đáng kể của

đo ảnh. Đó là sự kết hợp của máy đo tọa độ ảnh và máy tính cùng các phần
mềm chuyên dụng cho đo ảnh giải tích. Các hệ thống đo ảnh giải tích có thể
kể đến đó là hệ thống Planicom P3 (Zeiss-Đức), Aviomap AMH và AMU,
Aviolyt BC3(Wild-Thụy Sỹ), DSR1(Kern-Thụy Sỹ)... Công nghệ đo ảnh giải
tích đợc phát triển chủ yếu trong công tác tăng dày khống chế ảnh, công tác
đo vẽ bán tự động. Đó là sự phát triển cao nhất của công nghệ đo ảnh tơng tự
có sự áp dụng các thành tựu số hóa và công nghệ tin học.

16

Hình 1.3. Hệ thống đo vẽ ảnh giải tích Planicom P3 của Carl Zeiss, Đức
1.2.4. Đo ảnh số (digital photogrammetry)
Mặc dù sự ra đời và phát triển của đo ảnh giải tích đã tạo ra một bớc
ngoặt quan trọng, nhng vấn đề tự động hóa đo ảnh luôn là lý tởng mà các
nhà khoa học về đo ảnh theo đuổi. Nếu công nghệ đo ảnh tơng tự và đo ảnh
giải tích, thông tin bức xạ của ảnh trong khả năng nhận dạng điểm cùng tên
đợc thực hiện một cách thủ công hoặc bán tự động bằng mắt ngời dựa trên
cặp ảnh tơng tự, thì trong phơng pháp đo ảnh số các thông tin bức xạ trở
thành một đối tợng chính đợc số hoá, xử lý và nhận dạng tự động trên máy
tính. Đó là điểm khác biệt lớn nhất của đo ảnh số so với các phơng pháp
truyền thống.

Hình 1.4. Trạm đo vẽ ảnh số ImageStation Z/I Intergraph, Mỹ

17
Đỉnh cao của sự phát triển này là trạm đo vẽ ảnh số, nó đợc phát triển
vào thập kỷ 90 của thế kỷ XX và ngày càng hoàn thiện. Trạm đo ảnh số là sản
phẩm tuyệt vời của sự kết hợp giữa cơ sở lý thuyết ngành đo ảnh giải tích với
công nghệ điện tử tin học và nhận dạng để thực hiện các chức năng đo ảnh.
Sản phẩm của đo ảnh số rất đa dạng nh : Bản đồ số, mô hình số, bình đồ ảnh

số... với khả năng lu trữ, cập nhật, kết nối GIS, LIS dễ dàng. Có thể kể tới
một số phần mềm đo ảnh số thông dụng nh: ImageStation của Intergraph-
Mỹ, Photomod của Racus-Nga, 3Dmapper- Australia... Ngày nay, đo ảnh số là
phơng pháp chủ yếu để thực hiện các nhiệm vụ đo vẽ bằng ảnh.
1.3. đo ảnh mặt đất trên thế giới
Đo ảnh mặt đất (Terrestrial Photogrammetry) là một công nghệ ra đời
từ rất sớm trong lĩnh vực đo vẽ nói chung. Ngay từ giai đoạn hình thành
phơng pháp đo ảnh (1850-1900), nhà khoa học ngời Pháp A.Laussedat
(1819-1907) và ngời Đức A.Meydenbauer (1834-1921) đã có những thí
nghiệm thành công về ứng dụng kỹ thuật chụp ảnh mặt đất đơn giản. Tại triển
lãm Paris 1867, Laussedat đã trình bày những kiến thức đầu tiên về máy kinh
vĩ chụp ảnh (Phototheodolite) và mặt bằng trực quan của Paris bằng ảnh chụp
mặt đất. Cùng thời gian này Meydenbauer đã thiết kế máy chụp ảnh chuyên
dụng đầu tiên cho đo vẽ ảnh. Đó là một máy kinh vĩ chụp ảnh có kính vật góc
rộng tới 105
0
sử dụng kích cỡ phim chụp lớn 40x40cm. Nó đã đợc ông ứng
dụng trong thành lập bình đồ địa hình của vùng Freyburg, Đức và đo vẽ các
yếu tố kiến trúc của nhà thờ Thánh Mary. Đó là giai đoạn đầu của sự ứng
dụng phơng pháp giao hội ảnh hoặc phơng pháp bàn đạc ảnh trong đo vẽ
bản đồ (Plane Table Photogrammetry)[10].
Năm 1896 tại Canada, E.Deville (1849-1924) đã giới thiệu phơng pháp
đo vẽ lập thể. Ông đã ứng dụng thành công trong thành lập bình đồ địa hình
các vùng núi đá của Canada bằng ảnh lập thể mặt đất. Sau này TS. Carl
Fulfrich (1858-1929) đã phát triển và chế tạo thành công máy đo tọa độ ảnh
lập thể Stereokomparator tại xởng Zeiss. Năm 1907 tại Đức, Ritter Von Orel

18
(1877-1941) dựa trên nguyên mẫu máy Stereocomparator của C.Fulfrich và cơ
sở đo ảnh mặt đất áp dụng cho vùng núi đã phát triển máy toàn năng đo ảnh

mặt đất StereoAutograph [10]. Việc này mở ra kỷ nguyên áp dụng rộng rãi
phơng pháp đo ảnh mặt đất trong lĩnh vực địa hình tỷ lệ lớn.
Song song với sự phát triển của đo ảnh hàng không, đo ảnh mặt đất
cũng đợc thừa hởng thành quả. Phơng pháp xử lý giải tích ảnh trong loại
trừ sai số hệ thống của tấm ảnh và tính toán giúp nâng cao độ chính xác của
đo ảnh mặt đất ứng dụng trong quan trắc biến dạng công trình.
Từ những năm 90 của thế kỉ 20, phơng pháp đo ảnh số đã bắt đầu phát
triển và ứng dụng rộng khắp. Các trạm đo ảnh số chuyên dùng cho ảnh hàng
không nh ImageStation-Intergraph, Helava-Leica Geosystem, Photomod-
Racur, 3DMapper đã khẳng định sự hiệu quả và ứng dụng trong thành lập bản
đồ, xây dựng mô hình số, kết nối GIS... Đo ảnh mặt đất cũng có những ứng
dụng riêng cho mình, hãng ADAM (ADAM-Technology, Australia) đã giới
thiệu phần mềm 3DMAnalyst trong đo vẽ địa hình khu mỏ lộ thiên [11]. Hãng
EosSystem-Canada đã chào bán phần mềm Photomodeler Pro ứng dụng ảnh số
phổ thông trong đo vẽ kiến trúc và các đồ vật [12]. Hãng Photometrix Pty Ltd
giới thiệu phần mềm iWitnet trong đo vẽ hiện trờng các vụ tai nạn giao thông
sử dụng máy chụp ảnh số [13]. Ngoài ra còn rất nhiều các nghiên cứu ứng
dụng khác của đo ảnh số mặt đất nh: tính toán khối lợng gỗ của cây rừng
trong lâm nghiệp khai thác gỗ [14], theo dõi sự phát triển của cơ thể ngời và
động vật trong y tế và nông nghiệp [15], sử dụng khả năng của đo ảnh trong
hỗ trợ loại bỏ các chớng ngại vật trên đờng sắt [16]... Đo ảnh số mặt đất đã
phát huy triệt để các ứng dụng đa dạng của đo ảnh.
1.4. Đo ảnh mặt đất tại việt nam
Từ những năm 70 của thế kỉ 20, phơng pháp đo vẽ chụp ảnh mặt đất
mới đợc ứng dụng ở nớc ta trong việc đo vẽ bản đồ địa hình tỷ lệ lớn ở các
vùng khai thác công nghiệp (mỏ than, mỏ đá) với các trang thiết bị tơng đối
đồng bộ nh: máy kinh vĩ chụp ảnh PhotoTheodolite19/1318, máy đo ảnh mặt

19
đất toàn năng StereoAutograph EL1318. Các cán bộ kỹ thuật trắc địa ảnh cũng

đã có một số ứng dụng thành công công nghệ này, thầy Phan Văn Lộc và các
đồng nghiệp trong bộ môn Trắc Địa ảnh đã thành lập bình đồ địa hình bằng
ảnh lập thể mặt đất tại khu mỏ than Hà Tu năm 1971 và mỏ đá Hoàng Mai
năm 1972. Năm 1973, tại Trờng Đại học Tổng hợp Dresden-Đức, thầy
Trơng Anh Kiệt đã bảo vệ thành công luận án phó tiến sĩ Phơng pháp đo
ảnh trong phạm vi gần và ứng dụng của nó trong các thí nghiệm công trình.
Năm 1989 việc xác định khối lợng bóc dỡ đất đá tại một số mỏ than Quảng
Ninh đợc TSKH Ngô Phúc Hng tiến hành thử nghiệm, do nhiều khó khăn
kỹ thuật công việc này đã không đợc hoàn thành trọn vẹn. Từ đó đến nay
công nghệ đo ảnh mặt đất ứng dụng trong địa hình tỷ lệ lớn tại nớc ta vẫn chỉ
dừng ở đó. Năm 2000 tại hội nghị khoa học kỹ thuật của Trờng Đại học Mỏ
Địa chất, TS Phạm Vọng Thành đã trình bày khả năng sử dụng ảnh số từ máy
chụp ảnh số phổ thông trong đo vẽ đồ vật là một bức tợng. Đây là một nghiên
cứu ban đầu về máy chụp ảnh số phổ thông trong lĩnh vực phi địa hình. Năm
2004, trong nội dung hợp tác khoa học Việt Nam-Ba Lan giữa Trờng Đại
học Mỏ Địa chất Hà Nội và Trờng Đại học Mỏ Luyện kim Crakov, các cán
bộ kỹ thuật của Bộ môn Trắc Địa Mỏ và Trắc Địa ảnh với sự chỉ đạo của
GS.TSKH Phan Văn Lộc đã nghiên cứu lý thuyết cùng thực nghiệm áp dụng
thành công ảnh số phổ thông trong đo vẽ địa hình mỏ lộ thiên phục vụ tính
toán khối lợng khai thác định kì tại mỏ Cọc Sáu. Đây là đầu tiên ở Việt Nam
việc áp dụng máy chụp ảnh số phổ thông vào đo vẽ địa hình trong khoảng
cách lớn đến 500m.
Có thể nói đo ảnh mặt đất tại nớc ta đã có những ứng dụng thành công
nhất định, tuy nhiên các ứng dụng này chỉ dừng lại ở một quy mô nhỏ hẹp và
cha triệt để.

20
1.5. cơ sở lý thuyết đo ảnh mặt đất
1.5.1. Các yếu tố định hớng của ảnh mặt đất
Tấm ảnh mặt đất (cũng nh ảnh hàng không) về quan điểm hình học là

hình ảnh xuyên tâm của đối tợng chụp. Tại thời điểm bấm máy chụp của quá
trình chụp ảnh, vị trí phối cảnh giữa ảnh, tâm chụp và vật đợc thiết lập. Trong
phép chiếu ngợc, muốn xác định tọa độ của các điểm trên đối tợng đo nhất
thiết phải khôi phục lại vị trí đó giữa tâm chiếu, ảnh đo và vật (xây dựng mối
quan hệ chiếu hình tơng ứng giữa ảnh đo và đối tợng đo) đó chính là định
hớng ảnh.
Những yếu tố hình học dùng để xác định ( hoặc khôi phục) vị trí nói
trên đợc gọi chung là các yếu tố định hớng của ảnh đo. Quá trình định
hớng gồm: định hớng trong và định hớng ngoài
- Định hớng trong: định vị tâm chiếu so với tấm ảnh nhằm khôi phục
mối quan hệ giữa các tia chiếu của chùm tia chiếu giống nh lúc chụp ảnh.
Các yếu tố định hớng trong gồm 3 yếu tố: tiêu cự máy chụp ảnh f, tọa
độ điểm chính ảnh x
0
, z
0
.
- Định hớng ngoài: định vị chùm tia chiếu trong không gian vật
(không gian bên ngoài tấm ảnh - không gian của đối tợng đo - hệ tọa độ trắc
địa) phục vụ đo vẽ trong một hệ tọa độ thống nhất.
Một tấm ảnh thông thờng có 6 yếu tố định hớng ngoài đó là:
+ Tọa độ không gian của tâm chụp trong hệ tọa độ trắc địa X
S
, Y
S
, Z
S
+ Các góc định hớng (góc xoay) chuyển các trục của hệ tọa độ không
gian ảnh về tơng ứng song song với các trục của hệ tọa độ trắc địa , , .
Nh vậy, vị trí một tấm ảnh đợc xác định khi biết đợc 3 yếu tố định

hớng trong và 6 yếu tố định hớng ngoài. Cặp ảnh lập thể đợc xác định bởi
3 yếu tố định hớng trong (nếu chụp cùng một máy chụp) và 12 yếu tố định
hớng ngoài: f, x
o
, y
o
, X
S1
, Y
S1
, Z
S1
,
1
,
1
,
1
,X
S2
, Y
S2
, Z
S2
,
2
,
2
,
2

21

Hình 1.5. Các yếu tố định hớng ngoài của cặp ảnh lập thể mặt đất
Ngoài ra do đặc tính của chụp ảnh mặt đất là các trạm chụp đợc đặt cố
định trên mặt đất nên trong chụp ảnh lập thể mặt đất ngời ta còn dùng một hệ
thống các yếu tố định hớng ngoài khác gồm 12 yếu tố :
X
GS1
, Y
GS1
, Z
GS1
- tọa độ trắc địa của tâm chụp trái,
A - góc phơng vị của đờng đáy,
- góc nằm ngang tại tâm chụp trái,
B - chiều dài nằm ngang của cạnh đáy chụp ảnh,
h - chênh cao giữa hai đầu đờng đáy,
- góc giao của hình chiếu hai trục quang chính ảnh trái và ảnh
phải trên mặt phẳng,

1
,
1
- góc nghiêng và góc xoay của ảnh trái,

2
,
2

- góc nghiêng và góc xoay của ảnh phải.
1.5.2. Các dạng chụp cơ bản của ảnh lập thể mặt đất
Tuỳ thuộc vào vị trí trục quang hai đầu đờng đáy chụp ảnh và giá trị
các yếu tố định hớng ngoài của cặp ảnh, có các dạng chụp cơ bản là: tổng
quát, giao nhau, xiên đều, nghiêng đều và thẳng.
Dạng chụp tổng quát: các góc yếu tố định hớng ngoài của cặp ảnh lập
thể có giá trị bất kỳ.

22
Quá trình chụp ảnh máy ảnh đợc đặt cố định ở các trạm chụp và đợc
định hớng trớc khi chụp trên mặt đất, nên có các dạng chụp đặc biệt của
dạng chụp tổng quát khi các góc xoay của ảnh, góc nghiêng của trục quang
buồng máy chụp bằng 0 (trục quang luôn nằm ngang).

Hình 1.6. Dạng chụp giao nhau, dạng chụp xiên đều và dạng chụp thẳng
Dạng chụp giao nhau : hớng trục quang hai đầu đờng đáy chụp ảnh
giao nhau một góc 0, và < 90
0
(

1
=
1
=
1
=0 ,
2
= - ,
2
=

2
=0
).
Dạng chụp xiên đều : hớng hai trục quang hai đầu đờng đáy chụp
ảnh song song nhau = 0, ( > 90
0
xiên đều trái, < 90
0
xiên đều phải).
Dạng chụp nghiêng đều : sử dụng khi chụp các công trình có chiều cao
lớn, hớng trục quang hai đầu đờng đáy song song với nhau và thẳng góc với
đờng đáy chụp ảnh, có góc nghiêng đều bằng nhau
1
=
2
0.
Dạng chụp thẳng : hớng trục quang hai đầu đờng đáy nằm ngang và
song song với nhau và thẳng góc với đờng đáy chụp ảnh = 0, = 90
0
.
1.5.3. Công thức xác định tọa độ điểm chi tiết bằng ảnh mặt đất
Xác định tọa độ điểm chi tiết A khi đã xác định các yếu tố định hớng
của cặp ảnh và tọa độ đo đợc trên cặp ảnh của hai điểm ảnh cùng tên a
1
và a
2
.
Đó chính là công thức giao hội thuận đo ảnh từ hai đầu đờng đáy của cặp ảnh
lập thể. Công thức này đơn giản hay phức tạp tùy thuộc vào dạng chụp của cặp
ảnh lập thể mặt đất.

23

Hình 1.7. Xác định tọa độ điểm chi tiết bằng ảnh mặt đất
Trong trờng hợp tổng quát, tọa độ điểm chi tiết sẽ đợc xác định theo
công thức:

++

++

++

=

2211
2211
2211
2
1
ZNBZN
YNBYN
XNBXN
Z
Y
X
z
y
x
(1.1)
trong đó:
X, Y, Z - tọa độ điểm chi tiết,
B
X
, B
Y
, B
Z
, - các thành phần tọa độ của đờng đáy chụp ảnh,

X
1
, Y
1
, Z
1
- tọa độ điểm ảnh trái trong hệ không gian đo ảnh trái,
X
2
, Y
2
, Z
2
- tọa độ điểm ảnh phải trong hệ không gian đo ảnh phải,
N
1
, N
2
- hệ số tỷ lệ tại điểm ảnh trái và điểm ảnh phải.
1.5.4. Độ chính xác tọa độ điểm chi tiết xác định bằng ảnh mặt đất
Độ chính xác tọa độ điểm chi tiết phải dựa trên yêu cầu về độ chính xác
bản đồ cần thành lập. Việc ớc tính độ chính xác tọa độ điểm chi tiết đợc
tính dựa trên công thức đơn giản áp dụng cho dạng chụp xiên đều là: