Bài giảng Đo ảnh số_Trần Trung Anh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT
BỘ MÔN ĐO ẢNH VÀ VIỄN THÁM
===================

TRẦN TRUNG ANH

BÀI GIẢNG
ĐO ẢNH SỐ


HÀ NỘI - 2008
MỤC LỤC
Mở đầu
1
1. Khái niệm về phương pháp đo ảnh 1
2. Phân loại các phương pháp đo ảnh 1
3. Các ứng dụng của phương pháp đo ảnh số 5
Chương 1. Ảnh số và thu nhận ảnh số
6
1.1. Khái niệm ảnh số 6
1.2. Độ phân giải của ảnh số 6
1.3. Quét ảnh 9
1.4. Chụp ảnh số 16
Chương 2. Kỹ thuật xử lý ảnh số
25
2.1. Biểu đồ cột giá trị độ xám (histogram) 25
2.2. Nâng cao chất lượng ảnh 26
2.3. Cấu trúc hình tháp của ảnh số 30
2.4. Kỹ thuật nội suy giá trị độ xám 35
2.5. Sơ bộ về kỹ thuật nén ảnh 38
2.6. Một số định dạng ảnh thông dụng 41

Chương 3. Đo ảnh số
45
3.1. Các hệ thống tọa độ dùng trong đo ảnh số 45
3.2. Bài toán chuyển đổi hệ tọa độ phẳng trong đo ảnh số 51
3.3. Mô hình lập thể số 52
3.4. Nguyên lý hiển thị mô hình lập thể trên màn hình máy tính 57
3.5. Nguyên lý đo lập thể theo công nghệ ảnh số 62
3.6. Mô hình số độ cao và mô hình số địa hình 70
3.7. Cấu trúc của hệ thống đo ảnh số 75
3.8. Cấu trúc của trạm đo vẽ ảnh số 76
3.9. Giới thiệu một số trạm đo vẽ ảnh số 77
Chương 4. Thành lập bản đồ bằng công nghệ đo ảnh số từ ảnh hàng không
83
4.1. Các văn bản pháp quy tham khảo 83
4.2. Quy trình thành lập bản đồ địa hình bằng công nghệ đo ảnh số 84
4.3. Cơ sở toán học và độ chính xác của bản đồ địa hình 86
4.4. Nội dung bản đồ địa hình 87
4.5. Quy trình thành lập bản đồ địa chính bằng công nghệ đo ảnh số 92
4.6. Cơ sở toán học, độ chính xác đo vẽ thành lập bản đồ địa chính 94
4.7. Nội dung, cách biểu thị nội dung trên bản đồ địa chính 100
4.8. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác thành lập bản đồ bằng công nghệ ảnh số 105
Tài liệu tham khảo
106

(C) by Trần Trung Anh – Derpartment of Photogrammetry and Remote Sensing
Digital Photogrammetry
1

MỞ ĐẦU
1. Khái niệm về phương pháp đo ảnh (photogrammetry)

1.1. Khái niệm truyền thống về phương pháp đo ảnh
- Là một ngành khoa học kỹ thuật xác định vị trí và hình dáng của đối
tượng thông qua ảnh chụp.
- Xây dựng thông tin hình học của đối tượng mà không cần tiếp xúc trực
tiếp với chúng.
- Là một phương pháp đo đạc gián tiếp.
1.2. Khái niệm hiện đại về phương pháp đo ảnh
Là một công cụ khoa học kỹ thuật phát triển để tự động hóa biểu diễn
thông tin và thuộc tính không gian của đối tượng từ các hệ thống dữ liệu thu nhận
được của chúng.
2. Phân loại các phương pháp đo ảnh
2.1. Theo vị trí của thiết bị thu nhận hình ảnh
2.1.1. Đo ảnh mặt đất
Đo ảnh mặt đất (terrestrial photogrammetry) là phương pháp đo ảnh sử
dụng tư liệu ảnh chụp đối tượng đo từ máy ảnh đặt trên mặt đất với khoảng cách
chụp thường là gần từ vài mét cho đến nhỏ hơn 1000m. Đo ảnh mặt đất thường
để ứng dụng trong đo vẽ bản đồ địa hình tỷ lệ lớn ở những khu vực núi đá, mỏ lộ
thiên hoặc đo vẽ các đối tượng phi địa hình phục vụ các lĩnh vực khác như kiến
trúc, khảo cổ, y tế, nông lâm nghiệp…
Khái niệm đo ảnh mặt đất hiện đại gọi là đo ảnh phạm vi gần (close range
photogrammetry) hoặc đo ảnh phi địa hình (non topographic photogrammetry).

Hình 1. Chụp ảnh mặt đất mỏ lộ thiên và công trình kiến trúc
2.1.2. Đo ảnh hàng không
(C) by Trần Trung Anh – Derpartment of Photogrammetry and Remote Sensing
Digital Photogrammetry
2

Đo ảnh hàng không (aerial photogrammetry) là phương pháp đo ảnh sử
dụng tư liệu ảnh chụp đối tượng đo từ máy ảnh đặt trên các vật thể bay trên

không như khinh khí cầu, máy bay với chiều cao bay chụp từ khoảng 1000m đến
7000m. Đo ảnh hàng không thường ứng dụng trong đo vẽ bản đồ địa hình, địa
chính tỷ lệ 1:2000, 1:5000, tỷ lệ trung bình và tỷ lệ nhỏ, ngày nay đo ảnh hàng
không hiện đại được ứng dụng ở các mục đích khác nhau như:…

Hình 2. Chụp ảnh hàng không phục vụ công tác đo ảnh
2.1.3. Đo ảnh vệ tinh
Đo ảnh vệ tinh (satellite photogrammetry) là phương pháp đo ảnh sử dụng
tư liệu ảnh chụp đối tượng đo từ bộ cảm sensor đặt trên các vệ tinh nhân tạo bay
trên quỹ đạo trái đất với chiều cao quỹ đạo từ khoảng 300km đến 20000km. Đo
ảnh vệ tinh thường ứng dụng trong hiện chỉnh bản đồ địa hình, thành lập bản đồ
hiện trạng sử dụng đất, ngày nay ảnh vệ tinh là nguồn tư liệu viễn thám quan
trọng được ứng dụng ở các mục đích khác nhau như: địa chất, quan trắc môi
trường, dự báo thiên tai…
(C) by Trần Trung Anh – Derpartment of Photogrammetry and Remote Sensing
Digital Photogrammetry
3


Hình 3. Thu nhận ảnh vệ tinh từ quỹ đạo
2.2. Theo công nghệ đo ảnh
2.2.1. Đồ giải ảnh (plane table photogrammetry)
Đây là phương pháp đo ảnh thô sơ của giai đoạn hình thành phương pháp
đo ảnh (1850-1900). Trong giai đoạn phát triển đầu tiên này, phương pháp đồ giải
ảnh là một phương pháp giao hội thuận với các hướng được xác định từ các điểm
ảnh trên ảnh mặt đất chính vì vậy nó còn có tên gọi là phương pháp giao hội ảnh
hoặc phương pháp bàn đạc ảnh. Nhược điểm cơ bản nhất của phương pháp này là
việc nhận biết khó khăn các điểm đo cùng tên trên các tấm ảnh đơn được chụp từ
các trạm chụp khác nhau, trị đo ảnh có độ chính xác thấp. Do đó, khả năng ứng
dụng của phương pháp đồ giải vào công tác đo vẽ địa hình là rất hạn chế và

phương pháp này nhanh chóng bị thay thế.
2.2.2. Đo ảnh toàn năng quang cơ
Hay còn gọi là đo ảnh tương tự (analog photogrammetry). Đây là phương
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. Tư liệu đầu vào
là các ảnh chụp quang học được dựng lại và đo vẽ trên các máy toàn năng khá
cồng kềnh. Con người phải thực hiện các thao tác đo toàn bộ trên máy, sản phẩm
đầu ra được vẽ trực tiếp trên các bản vẽ tương tự. Công nghệ này là một bước
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 như
Multiplex, StereoMetrograph, StereoAutograph, Topocar, Technocar, SD, SPR3,
Wild A8 A7 A10 đáp ứng được 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.
(C) by Trần Trung Anh – Derpartment of Photogrammetry and Remote Sensing
Digital Photogrammetry
4


Hình 4. Đo vẽ bản đồ trên máy toàn năng Wild A8
2.2.3. Đo ảnh giải tích (analytical photogrammetry)
Ngay từ khi máy tính điện tử bắt đầu phát triển thì công nghệ đo ảnh đã
được thừa hưởng 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 BC1,
BC3, SD3000 (Wild-Thụy Sỹ), DSR1(Kern-Thụy Sỹ) Công nghệ đo ảnh giải

tích được 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 tương tự có sự
áp dụng các thành tựu số hóa và công nghệ tin học.

Hình 5. Hệ thống đo vẽ ảnh giải tích Planicom P3 của Carl Zeiss, Đức
2.2.4. Đo ảnh số (digital photogrammetry)
Mặc dù sự ra đời và phát triển của đo ảnh giải tích đã tạo ra một bước
ngoặt quan trọng trong việc nâng cao độ chính xác đo ảnh, nhưng vấn đề tự động
hóa đo ảnh luôn là lý tưởng mà các nhà khoa học về đo ảnh theo đuổi. Nếu công
nghệ đo ảnh quang cơ và đo ảnh giải tích, thông tin bức xạ của ảnh trong khả
năng nhận dạng điểm cùng tên được thực hiện một cách thủ công hoặc bán tự
(C) by Trần Trung Anh – Derpartment of Photogrammetry and Remote Sensing
Digital Photogrammetry
5

động bằng mắt người dựa trên nguồn tư liệu là cặp ảnh tương tự (analog image),
thì trong phương pháp đo ảnh số các thông tin bức xạ trở thành một đối tượng
chính được số hoá, xử lý và nhận dạng tự động bằng máy tính dựa trên trên tư
liệu ảnh số (digital image). Đó là điểm khác biệt lớn nhất của đo ảnh số so với
các phương pháp truyền thống.

Hình 6. Trạm đo vẽ ảnh số ImageStation Z/I Intergraph, Mỹ
Đỉnh cao của sự phát triển này là trạm đo vẽ ảnh số, nó được 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 như : Bản đồ số, mô hình số, bình đồ ảnh số với khả
năng lưu trữ, cập nhật, kết nối GIS, LIS dễ dàng. Có thể kể tới một số phần mềm
đo ảnh số thông dụng như: ImageStation của Intergraph-Mỹ, Photomod của
Racus-Nga, 3Dmapper- Australia Ngày nay, đo ảnh số là phương pháp chủ yếu

để thực hiện các nhiệm vụ đo vẽ bằng ảnh.
3. Các ứng dụng của phương pháp đo ảnh số
Có thể nói, sản phẩm của phương pháp đo ảnh số rất đa dạng, nó chứa
đựng những đặc thù của công nghệ như bình đồ ảnh số, mô hình số, bản đồ số…
nên nó ứng dụng vào rất nhiều ngành nghề khác nhau như: thành lập bản đồ địa
hình, địa chính dạng số, xây dựng mô hình số độ cao phục vụ mục đích thành lập
bản đồ và mô hình huấn luyện quân sự, đo vẽ phi địa hình các công trình kiến
trúc, hiện trường tai nạn giao thông…
(C) by Trần Trung Anh – Derpartment of Photogrammetry and Remote Sensing
Digital Photogrammetry
6

CHƯƠNG 1. ẢNH SỐ VÀ THU NHẬN ẢNH SỐ
1.1. Khái niệm ảnh số
Ảnh số là một mảng hai chiều của các phần tử ảnh có cùng kích thước
được gọi là pixel (picture element). Mỗi pixel được xác định bằng tọa độ hàng (r),
tọa độ cột (r) và độ xám I(r,c). Độ xám của mỗi pixel được mã hóa theo đơn vị
thông tin là bit.
CR
CRIRIRI
CIII
CIII
×
−−−−
−
−
)1,1()1,1()0,1(
)1,1()1,1()0,1(
)1,0()1,0()0,0(
L

LLLL
L
L

Hình 1.1. Ma trận độ xám của ảnh số

.
r = 0, 1, 2, …, R-1

.
c = 0, 1, 2, …, C-1
R– tổng số hàng của ảnh số
C– tổng số cột của ảnh số

.
g=I(r,c) = 0,1, …, 2
L
– 1
L= 1, 2, …, 8,…24, …. (Bit): số mã hóa đơn vị thông tin;
Tương ứng với số bậc độ xám: 2, 4, …., 256, …., 16777216, …. Bậc độ xám;
1.2. Độ phân giải của ảnh số
1.2.1. Độ phân giải hình học
Là kích cỡ hình học của phần tử ảnh pixel trong ảnh số.
Độ phân giải hình học của ảnh số được biểu thị bằng kích cỡ của phần tử
ảnh pixel (px - đơn vị µm) hoặc là số phần tử ảnh pixel có trong một inch (đơn vị
là DPI – dots per inch; hoặc PPI – pixels per inch). 1 inch = 25,4mm.

)(
10004,25
;

10004,25
m
DPI
px
px
DPI µ
×
=
×
=
(1.1)

Hình 1.2. Ảnh số với các độ phân giải hình học khác nhau (14, 56, 112, 224 um)
1.2.2. Độ phân giải độ xám
(C) by Trần Trung Anh – Derpartment of Photogrammetry and Remote Sensing
Digital Photogrammetry
7

Là sự thay đổi độ xám nhỏ nhất mà 2 phần tử ảnh có thể phân biệt với nhau
trên ảnh số. Số lượng các mức độ xám phụ thuộc vào mức mã hóa của đơn vị
thông tin. Thông thường ảnh số dạng đen trắng được mã hóa với 256 bậc độ xám
cho một pixel (tương đương với 1 byte). Ảnh màu thường được tổ hợp từ 3 kênh
màu Red, Green, Blue mỗi kênh mã hóa 1 byte, nên ảnh màu được mã hóa 3byte.

Hình 1.3. Các mức mã hóa độ xám

Hình 1.4. Ảnh được mã hóa với các mức độ xám a)8bit; b)4bit; c)2bit; d)1bit
1.2.3. Độ phân giải phổ
Chụp ảnh trên các kênh phổ (dải sóng điện từ) khác nhau tạo thành các lớp
ảnh số có cùng kích thước, mỗi vị trí pixel của đối tượng chụp trên các kênh phổ

khác nhau sẽ có độ xám khác nhau. Thông thường độ phân giải phổ chỉ có ở ảnh
8bit, 2
8
= 256 bậc
độ xám

4bit, 2
4
= 16 bậc độ xám

2bit, 2
2
= 4 bậc độ xám

1bit, 2
1
=2 bậc độ xám

(C) by Trần Trung Anh – Derpartment of Photogrammetry and Remote Sensing
Digital Photogrammetry
8

số vệ tinh, ảnh số chụp từ máy chụp ảnh số (chụp được nhiều kênh phổ khác
nhau). Độ phân giải phổ là đối tượng rất quan trọng của kỹ thuật viễn thám.

Hình 1.5. Bảy kênh phổ của ảnh vệ tinh Landsat TM

Hình 1.6. Ảnh tổ hợp màu từ 3 kênh phổ
Đối với ảnh màu tự nhiên thì là tổ hợp của 3 kênh: Red (256), Green (256)
và Blue (256), mỗi pixel ảnh màu lưu trữ trên 3 byte. Để chuyển pixel ảnh màu

24bit thành pixel ảnh đen trắng có mức mã hóa 8 bit áp dụng công thức:
Grey = Integer[0,299*Red + 0,587*Green + 0,114*Blue]; (1.2)
1.2.4. Dung lượng của ảnh số
Dung lượng của ảnh số gốc không nén chứa trên đĩa cứng, đĩa CD, DVD…
phụ thuộc vào: kích thước của ảnh (độ phân giải hình học), độ phân giải độ xám,
(C) by Trần Trung Anh – Derpartment of Photogrammetry and Remote Sensing
Digital Photogrammetry
9

độ phân giải phổ của ảnh số. Công thức tính dung lượng của ảnh số khi chưa nén
là:

( )
byte
L
kCRDL
8
×××=
(1.3)
DL – dung lượng của ảnh số
C – số cột của ảnh số
R – số hàng của ảnh số

.
k – số lượng kênh phổ của ảnh số
L– số bit mã hóa của phần tử ảnh pixel
Cách chuyển đổi đơn vị trong máy tính
1 Byte = 8 bit
1 KB = 2
10

byte
1 MB = 2
10
KB
1 GB = 2
10
MB
1 TB = 2
10
GB
Dung lượng của ảnh số đã nén còn phụ thuộc vào phương pháp nén ảnh, hệ
số nén ảnh, đặc tính thống kê độ xám ảnh số…
1.3. Quét ảnh
1.3.1. Ảnh tương tự và ảnh số
Ảnh tương tự (analog) là tư liệu có hình ảnh liên tục về độ xám của các
phần tử Halozel Bạc và được lưu trữ trên vật liệu ảnh (phim). Ảnh số là tư liệu có
các phần tử ảnh rời rạc và giá trị độ xám của mỗi phần tử ảnh được mã hóa thành
đơn vị thông tin và được lưu trữ trên ổ đĩa từ (CD, DVD, USB, Harddisk…).
Như vậy để chuyển ảnh tương tự về ảnh số thì phải trải qua công tác rời rạc
hóa và lượng tử hóa.

(C) by Trần Trung Anh – Derpartment of Photogrammetry and Remote Sensing
Digital Photogrammetry
10

Hình 1.7. Ảnh tương tự và ảnh số
1.3.2. Quét ảnh
Quá trình quét ảnh = Quá trình rời rạc hóa + Quá trình lượng tử hóa

Ảnh tương tự Rời rạc hóa Lượng tử hóa Ảnh số

Hình 1.8. Quá trình quét ảnh
* Quá trình rời rạc hóa nhằm thực hiện một ánh xạ về vị trí của điểm ảnh
trên ảnh tương tự có hàm vị trí liên tục trong không gian số thực: F(x,y); {x,y€ R}
sang hàm rời rạc có bước nhảy là số nguyên (Interger) về vị trí
.
I(r,c);{r,c€ Int}.
Với bước nhảy rời rạc có độ rộng đúng bằng kích cỡ của pixel.
Lý thuyết về rời rạc hóa liên quan đến phép biến đổi Furie, định mẫu của
Nyquyit… đây là một lý thuyết khá phức tạp. Xin tham khảo tài liệu [14]

(C) by Trần Trung Anh – Derpartment of Photogrammetry and Remote Sensing
Digital Photogrammetry
11


Hình 1.9. Minh họa về quá trình quét ảnh
* Lượng tử hóa là bước tiếp theo của việc rời rạc hóa, nhằm thực hiện một
ánh xạ liên tục của biến độ đen D €{R} sang biến rời rạc g €{G} có giá trị thuộc
tập hữu hạn cho trước G{0, 1, …, 2
L
-1}.
Để lượng tử hóa, người ta có thể dựa trên nhiều thuật toán biến đổi khác
nhau (biến đối tuyến tính, biến đổi phi tuyến). Tuy nhiên cách dễ hiểu nhất là
biến đổi tuyến tính được minh họa ở hình. Độ đen (độ xám) của phần tử ảnh được
gán giá trị sau khi lượng tử là độ đen trung bình của các đối tượng nằm trong
phạm vi của pixel và làm tròn đến phần nguyên.

Hình 1.10. Lượng tử hóa độ đen của ảnh gốc thành 16 bậc (4 bit) theo tuyến tính
(C) by Trần Trung Anh – Derpartment of Photogrammetry and Remote Sensing
Digital Photogrammetry

12

1.3.3. Máy quét ảnh chuyên dụng

Hình 1.11. Một số dạng máy quét ảnh
Xét về hình dạngbộ phận chứa phim, máy quét có hai dạng: dạng hình trống
(Drum Scanner- hình 1.11 1) và dạng đế phẳng (Flatbeb Scanner - hình 1.11-2, 3, 4)
Máy quét dạng hình trống thường dùng các ống hai cực (diode) làm thiết bị
quét. Trong các máy quét dạng này ánh sáng đi từ nguồn sáng qua một lăng kính
chuyển động, qua phim đặt trên một đế chuyển động hình trống làm bằng thuỷ
tinh và tới ống hai cực. Các ống hai cực có ưu điểm là đo được chênh lệch độ
xám nhỏ nhất khi quét, tức là có độ phân giải độ xám cao. Tuy nhiên việc đặt
tấm ảnh trên một mặt trống là khá phức tạp và các bộ phận cơ học của máy quét
dạng này có độ chính xác hình học hạn chế (± 50µm).
Với công nghệ CCD (thiết bị thu hình ảnh bán dẫn) phát triển và nhờ có tính
ổn định cao về hình học nên các máy quét dùng CCD được ứng dụng phổ biến.
Có hai dạng quét của máy quét dạng đế phẳng đó là CCD dạng mảng (Areal) và
CCD dạng thanh (Linear). Trong các máy quét dạng này ánh sáng từ nguồn sáng
đi qua phim đặt trên một tấm kính phẳng và tới CCD. Tất cả các máy quét chuyên
dùng trong đo vẽ ảnh hiện nay đều ở dạng đế phẳng.
Các máy quét chuyên dùng của Zeiss như SCAI, Intergraph PS1, Photoscan
TD có CCD dạng thanh. Đối với các máy quét SCAI và Photoscan TD khay đựng
phim đứng yên trong khi trục phụ đẩy thanh CCD để quét một dải ảnh sau đó trục
chính đẩy CCD theo chiều ngang với một lượng đúng bằng chiều rộng của dải
ảnh vừa quét. Tiếp đó trục phụ lại quét dải ảnh thứ hai và cứ như vậy cho đến khi
quét hết cả tấm ảnh. Với máy quét PS1 trục phụ thứ hai đẩy phim theo hướng
quét còn CCD thì đứng yên, sau mỗi dải quét trục chính lại đẩy CCD theo chiều
ngang với một lượng đúng bằng chiều rộng của dải ảnh vừa quét.
(C) by Trần Trung Anh – Derpartment of Photogrammetry and Remote Sensing
Digital Photogrammetry

13

Dạng thứ hai của loại máy quét đế phẳng là các máy quét có CCD dạng bảng
như Helava DSW serial (200,300,500,700). Trong các máy này khay phim
chuyển động theo cả hai trục X và Y trong khi hệ thống quang học và CCD thì
đứng yên. Sau mỗi “mảng quét” khay phim lại được dịch chuyển với một lượng
đúng bằng chiều rộng của mảng ảnh vừa quét, sau đó lại đứng yên để cho CCD
được lộ quang.
Bảng1.1. Một số máy quét chuyên dụng
HÃNG SẢN XUẤT TÊN MÁY QUÉT
ĐỘ CHÍNH XÁC
HÌNH HỌC (
µm
)
ĐỘ PHÂN GIẢI
CAO NHẤT (
µm)

Intergraph PS1, Photoscan TD

2 7,5
Leica - Helava
DSW series 2
4 ÷6
Vexel VX 3000 3 8,5
Wherli RM – 1 5 12
Zeiss Intergraph SCAI TD 2 7
Đặc tính kỹ thuật của 2 loại máy quét điển hình:
● Máy quét SCAI
+ Độ chính xác hình học của máy: 2µm

+ Độ phân giải quét tuỳ chọn theo thang bậc 7; 14; 21; 28; 56; 112; 224µm
+ Kích thước phim lớn nhất có thể quét được: 250 x 275mm
+ Có thể quét được cả phim màu và phim đen trắng, phim cuộn và phim tấm
+ Có thể quét được phim âm và phim dương cho ra hình ảnh là âm bản
và dương bản tuỳ chọn
+ File Raster đưa ra nên chọn là file TIFF không nén thì mới có thể sử
dụng được cho dây chuyền xử lý ảnh của Intergraph
Máy quét phim SCAI được điều khiển bởi phần mềm quét phim PHODIS - SC
cài đặt trong trạm máy tính Silicon Graphic trên hệ điều hành Unix - Iris.
● Máy quét PS1
+ Máy có độ chính xác hình học 2µm
+ Độ phân giải tuỳ chọn theo thang bậc: 7.5; 15; 22.5; 30; 60; 120µm
+ Kích thước phim lớn nhất có thể quét: 260 x 260 mm
+ Có khả năng quét phim âm bản, dương bản, ảnh đen trắng, ảnh màu.
Máy quét PS1 được điều khiển bằng phần mềm PS1 của hãng Intergraph cài
đặt trong máy tính PC trên hệ điều hành Window.
(C) by Trần Trung Anh – Derpartment of Photogrammetry and Remote Sensing
Digital Photogrammetry
14


Hình 1.12. Máy quét ảnh chuyên dụng Photoscan của Z/I imaging
1.3.5. Tính toán độ phân giải quét ảnh
Lựa chọn độ phân giải hợp lý đảm bảo yêu cầu đề ra là một vấn đề quan
trọng vừa có tính kỹ thuật vừa có ý nghĩa kinh tế. Nếu quét ảnh với độ phân giải
quá cao thì dẫn đến thừa thông tin hình học, dung lượng tệp số liệu ảnh tăng lên,
tốc độ xử lý chậm đi. Nếu quét ảnh với độ phân giải quá thấp thì mất mát thông
tin hình học, không đảm bảo độ chính xác đo vẽ. Độ phân giải quét ảnh có thể
dựa vào một số chuẩn sau đây:
+ Độ chính xác của các sản phẩm cần làm ra;

+ Tỷ lệ ảnh, tỷ lệ bản đồ cần thành lập;
+ Độ phân biệt của ảnh gốc;
Vấn đề nghiên cứu một cách sâu sắc để đưa ra một công thức tính toán độ
phân giải quét ảnh vẫn còn chưa nhiều và chưa có định lượng cụ thể.
- Đối với các quy định kỹ thuật cho thành lập bản đồ địa hình (quy định 15
và 17/2005) về lựa chọn độ phân giải quét ảnh đưa ra một con số như sau:
+ Thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ 1:2000, 1:5000 quét ảnh với độ phân giải 15 µm;
+ Thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ 1:10000, 1:25000 quét ảnh với độ phân giải 30 µm;
Rõ ràng sự lựa chọn này là cảm tính chưa có cơ sở lý luận khoa học.
- Hãng Intergraph đưa ra công thức tính độ phân giải quét ảnh lại chỉ dựa trên tỷ
lệ ảnh (1/M
a
), tỷ lệ bản đồ (1/M
bd
), trên cơ sở khả năng nhận biết điểm nhỏ nhất trên
bản đồ cần thành lập là 0,1mm mà chưa chú trọng đến các yếu tố khác. Tuy nhiên công
thức này cũng đã được chấp nhận trên thực tế.

)(100 m
M
M
p
a
bd
size
µ≤
(1.4)
(C) by Trần Trung Anh – Derpartment of Photogrammetry and Remote Sensing
Digital Photogrammetry
15

- Đối với bản đồ địa hình, việc lựa chọn độ phân giải thường chú trọng đến
độ chính xác đo vẽ dáng đất, tức là phải thoả mãn độ chính xác đo cao. Còn yếu
tố mặt bằng thì dễ dàng thoả mãn độ chính xác khi đã đạt độ chính xác độ cao.

Hình 1.13. Sai số độ cao đo trên cặp ảnh lập thể
Có thể xuất phát từ công thức quen thuộc:
H
Bf
p
p
Bf
H
p
f
B
H
=⇒=⇒=
(1.5)
dp
H
Bf
f
H
Bf
B
dp
p
Bf
dH ××−=−=

2
;
xp
mmxxp ×=⇒−= 2
21


paph
m
B
H
Mm
B
H
f
H
m ⋅⋅⋅=⋅⋅⋅= 22
(1.6)
Trong đó:
.
p = x
1
-x
2
- thị sai ngang của điểm đo;
.
f - tiêu cự của máy chụp ảnh;
H – chiều cao bay chụp ảnh so với mặt phẳng trung bình;
B – đường đáy chụp ảnh (khoảng cách giữa 2 tâm chụp liên tiếp trong 1 dải bay);
(

)
a
M
P
SB ⋅
−
=
100
100
(1.7)
với S là kích cỡ phim chụp, P là độ phủ dọc của cặp ảnh lập thể;
P
1
a
1
dp a
2
P
2
H

dH

.
f

.
p

.

f

S
1
B S
2
(C) by Trần Trung Anh – Derpartment of Photogrammetry and Remote Sensing
Digital Photogrammetry
16

m
h
- Hạn sai độ cao cho phép của sản phẩm cần đạt, trên thực tế m
h
có thể
là yêu cầu độ chính xác về độ cao của điểm tăng dày hoặc của đường bình độ trên
bản đồ cần thành lập;
m
p
- Sai số đo thị sai ngang, liên quan đến thiết bị đo và chất lượng phim ảnh
cụ thể liên quan đến kích thước của pixel: có thể lấy
sizep
pm
=

Cuối cùng để tính toán kích cỡ pixel hay độ phân giải quét ảnh theo công
thức:
(
)
H

m
PS
m
H
B
M
m
H
B
H
f
p
h
h
a
hsize
⋅
−
=⋅⋅=⋅⋅≤
2100
100
2
1
2
(1.8)
Ở hiện tại và tương lai gần công tác chụp ảnh hàng không ở nước ta vẫn
dùng máy chụp ảnh dùng phim quang học Halozel bạc, do vậy vẫn cần phải xử lý
hóa ảnh sau chụp và phải thực hiện công tác quét ảnh để thu nhận ảnh số.
1.4. Chụp ảnh số
Từ cuối thế kỉ 20 cho đến những năm đầu thế kỉ 21 là sự phát triển như vũ

bão của công nghệ số. Công nghệ chụp ảnh cũng không nằm ngoài quy luật đó.
Ảnh số có thể được thu nhận từ máy chụp ảnh số. Khi sử dụng các máy chụp ảnh
số để thu nhận ảnh, phim ảnh tương tự được thay thế bằng mảng điện tử bán dẫn,
công tác xử lý hóa ảnh và quét ảnh tương tự được loại bỏ.
1.4.1. Nguyên lý cơ bản của chụp ảnh số
Xét về nguyên lý tạo hình, máy chụp ảnh số không khác máy chụp ảnh
dùng phim, vẫn là ánh sáng từ đối tượng chụp thông qua hệ thống kính vật tạo
hình ảnh thực trên bề mặt vật liệu ảnh và được ghi nhận lại trong thời gian lộ
quang. Sự khác biệt lớn nhất ở đây là phim với lớp nhũ ảnh chứa Halozel Bạc
nhạy sáng của máy chụp ảnh dùng phim được thay thế bằng mảng điện tử (CCD
hoặc CMOS) của máy chụp ảnh số. Mảng điện tử gồm tập hợp các bộ cảm biến
ánh sáng nhỏ bé có nhiệm vụ đo đạc cường độ ánh sáng đập vào và chuyển thành
tín hiệu điện, tín hiệu số (A/D), được mã hóa theo đơn vị thông tin lưu trữ trên ổ
cứng.

Hình 1.14. Nguyên lý tạo ảnh của máy chụp ảnh số
(C) by Trần Trung Anh – Derpartment of Photogrammetry and Remote Sensing
Digital Photogrammetry
17

1.4.2. Mảng nhận ảnh CCD và CMOS
Hai bộ phận cảm biến hình ảnh dùng công nghệ CCD (charge-coupled
device) và CMOS (Complimentary Metal-Oxide Semiconductor) cùng có nhiệm
vụ chuyển đổi tín hiệu ánh sáng sang tín hiệu điện . Một điều đơn giản có thể hiểu
dùng trong máy ảnh kỹ thuật số là có một mảng 2D gồm hàng nghìn và hàng triệu
những tế bào cảm thụ năng lượng mặt trời, mỗi một tế bào có nhiệm vụ chuyển
ánh sáng từ một phần trên bức ảnh thành tín hiệu điện.

Hình 1.15.Chuyển tín hiệu ánh sáng thành điện năng trên mỗi tế bào cảm thụ
Trái tim của một máy ảnh kỹ thuật số nằm trên chip cảm biến ảnh (image

sensor). Chip này có nhiệm vụ bắt ánh sáng và chuyển chúng thành các điện tử.
Các điện tử này sau đó sẽ được chuyển thành điện áp (để có thể đo lường được)
rồi chuyển sang dạng tín hiệu số. CCD và CMOS khác nhau chính bắt đầu từ
khâu hấp thụ ánh sáng rồi chuyển sang dạng tín hiệu số như thế nào.
CCD bao gồm một mạng lưới như bàn cờ các điểm bắt sáng (điểm ảnh,
pixel). Các điểm này lại được phủ các lớp lọc màu (thường là 1 trong 3 màu cơ
bản: đỏ, xanh lam và xanh dương (Red, Green, Blue) để mỗi điểm chỉ bắt một
màu nhất định. Do các điểm ảnh được phủ các lớp lọc màu khác nhau và được đặt
xen kẽ nhau nên màu nguyên thủy tại một điểm của hình ảnh thật sẽ được tái hiện
bằng màu từ một điểm ảnh chính kết hợp với các màu bù được bổ sung từ các
điểm xung quanh bằng phương pháp nội suy.
Khi chụp ảnh, cửa trập mở ra, ánh sáng qua ống kính sẽ được lưu lại lại bề
mặt chip thông qua các điểm ảnh. Thông tin về số lượng ánh sáng lưu lại của mỗi
vi kính

Ánh sáng

Photo
Sensor
(pixel)
Đi
ệ
n năng
(electrons)
Ánh sáng

(C) by Trần Trung Anh – Derpartment of Photogrammetry and Remote Sensing
Digital Photogrammetry
18

điểm (thể hiện bằng độ khác nhau về điện áp) sẽ được chuyển lần lượt theo từng
hàng ra ngoài bộ phận đọc giá trị (để đọc các giá trị khác nhau của mỗi điểm
ảnh). Sau đó các giá trị này sẽ đi qua bộ khuyếch đại tín hiệu, rồi đến bộ chuyển
đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (A/D converter), rồi tới bộ xử lý để tái hiện
lại hình ảnh đã chụp được.

Hình 1.16. CCD chuyển cường độ ánh sáng thành điện áp
Để dễ tưởng tượng quy trình xử lý ảnh của CCD, bạn hãy hình dung mỗi
một điểm ảnh là một xô nước. Khi ánh sáng tràn vào cũng giống như cơn mưa
xuống trong thời gian nhất định (thời gian lộ quang), và tùy theo độ dày đặc của
cơn mưa (ánh sáng mạnh yếu thể hiện nên bức ảnh) mỗi xô nước sẽ hứng được
một lượng nước khác nhau.

Hình 1.17. Các xô nước (pixel) hứng nước (ánh sáng) của CCD
Sau khi số lượng nước của mỗi xô nước được ghi nhớ, hàng ngoài cùng
(hàng 1) sẽ đổ nước vào một cái rãnh (bộ đọc giá trị). Rãnh này sẽ ghi nhớ số
lượng từng xô nước của hàng 1. Số lượng nước của hàng 2 được truyền đến cho
hàng 1 rồi lại đổ vào rãnh, rãnh lại ghi nhớ số lượng nước của hàng 2. Rồi hàng 3
đổ vào hàng 2, hàng 4 đổ vào hàng 3, cứ thế truyền tay cho đến hết hàng cuối
cùng là coi như thông tin về toàn bộ bức ảnh (màu sắc, đậm nhạt, sáng tối…) đã
được truyền xong, tất cả các xô nước lại sẵn sàng cho một cơn mưa khác tới (một
kiểu ảnh mới).
(C) by Trần Trung Anh – Derpartment of Photogrammetry and Remote Sensing
Digital Photogrammetry
19


Hình 1.18. Quy trình ghi ảnh của các điểm ảnh (xô nước)
Nhưng chính việc phải đọc thông tin theo từng hàng lần lượt một này khiếp
cho chip CCD có bất lợi đó là tốc độ xử lý hoàn thiện một bức ảnh khá chậm, ảnh

ở một số vùng hoặc dễ bị thừa sáng (do nước từ xô này bị bắn sang xô khác),
thiếu sáng (do xô này truyền sang xô kia không hết)… Để xử lý vấn đề này, một
bộ đọc ảnh có kích cỡ bằng mạng lưới các hạt sáng được bổ sung xen kẽ (cạnh
hàng nào cũng có rãnh để đổ nước) để làm tăng tốc độ xử lý ảnh mà không bị suy
giảm chất lượng, do đó quá trình đọc ảnh chỉ qua một lần đổ dữ liệu. Nhưng sự
cải thiện này đòi hỏi phải có thêm không gian trên chip. Mà để sản xuất chip
CCD cần có những thiết bị, phòng lab chuyên dụng, khiến cho giá thành CCD đã
đắt lại càng thêm đắt.
(C) by Trần Trung Anh – Derpartment of Photogrammetry and Remote Sensing
Digital Photogrammetry
20


Hình 1.19. Nguyên lý hoạt động của CMOS
CMOS thì khác, cạnh mỗi một điểm bắt sáng trên chip đều có một
mạch bổ trợ, do đó người ta có thể tích hợp các quy trình xử lý ảnh như bộ
chuyển đổi analog/digital, cân bằng trắng… vào mạch bổ trợ này, giúp cho quá
trình xử lý bức ảnh được thực hiện rất nhanh nhờ được thực hiện ngay tại từng
điểm ảnh đơn lẻ. Các điểm ảnh đa chức năng này (vì thế ở CMOS thế hệ mới còn
được gọi là các điểm ảnh chủ động APS - active pixel sensor) đều có khả năng tự
làm việc. Cũng do khả năng này mà người ta có thể chỉ tương tác với một vùng
pixel nhất định của chip cảm biến (ví dụ như zoom số, phóng to chỉ một phần của
ảnh), điều không thể làm được đối với CCD vì CCD đã đọc là đọc hết toàn bộ
bức ảnh. Do khả năng tích hợp cao, bảng mạch chính sẽ không bị mất thêm
không gian (vì tất cả đã ở trên chip), không đòi hỏi thêm các chip bổ trợ. CMOS
lại tiêu thụ rất ít điện năng, việc sản xuất dễ dàng vì quy trình giống như quy trình
sản xuất chip máy tính hay các chip trong các thiết bị điều khiển khác, không cần
phải đầu tư thêm phòng lab mới. Giá thành sản xuất theo đó sẽ được giảm đáng
kể.
Nhưng lợi thế lại trở thành nhược điểm. Do mỗi một điểm bắt ảnh trên

CMOS lại có một mạch riêng nên khó có thể đảm bảo tính đồng nhất của mỗi
mạch khi khuyếch đại. Điều này làm cho bức ảnh xuất ra luôn có một độ nhiễu
nhất định (không mịn). Nếu như ở CCD, mỗi một điểm ảnh là một mặt bắt sáng
khiến cho độ nhạy sáng của CCD cao hơn, dải màu thể hiện được nhiều hơn, độ
phân giải cao hơn, thì mỗi một điểm ảnh của CMOS (bao gồm hạt bắt sáng và
Ánh sáng


Bi
ế
n đ
ổ
i

Tín hi
ệ
u

Khuyêch đại
(y)

Pixel
(a)

Column Signal Wire
(f)

(Micro Wire)
Pixel
-

có đi
ệ
n (e)
được nối mạch
ON

ON

ON

Đ
ầ
u ra


ON

CM
OS Image Sensor

Mạch cột
(h)

Tín hiệu hàng
(i)

(Khóa điện)
Tín hiệu cột
(g)

Pixel hàng (j)

(C) by Trần Trung Anh – Derpartment of Photogrammetry and Remote Sensing
Digital Photogrammetry
21

mạch khuyếch đại) khi bắt sáng sẽ có những phần ánh sáng rơi vào vị trí của
mạch vì thế sẽ không được tái hiện. Điều này làm cho ảnh bị mất thông tin tại
những vùng này dẫn đến độ phân giải của CMOS không cao.
Với công nghệ chế tạo chip cảm biến CMOS mới, các vấn đề trên đã được
khắc phục. Để giải quyết vấn đề các mạch khuyếch đại luôn tạo ra một độ nhiễu
nhất định trên ảnh, hãng Canon tuyên bố đã khắc phục bằng cách đọc ảnh trên
chip hai lần, mỗi lần chỉ trong vòng khoảng 10/1.000 giây. Lần một đọc toàn bộ
các giá trị bắt sáng của chip, lần 2 chỉ đọc các giá trị của các mạch bổ trợ tại mỗi
chip (giá trị gây nhiễu, hạt). Lấy giá trị lần 1 trừ đi giá trị lần 2 sẽ được bức ảnh
chất lượng cao, loại bỏ gần như hoàn toàn độ nhiễu. Để không bị mất phần thông
tin ánh sáng rơi vào vị trí của mạch, người ta đã thêm vào bên trên của mạch một
lớp chắn sáng, một vi thấu kính sẽ được phủ lên toàn bộ bề mặt của hạt bắt sáng
và của mạch, lái ánh sáng tại mọi vị trí của điểm ảnh rơi vào vị trí của hạt bắt
sáng. CMOS giờ đây lại có thể ngẩng cao đầu trước CCD khi độ phân giải cũng
như độ nhạy sáng, nhờ cách giải quyết này, đã được gia tăng đáng kể.
Đối với các loại máy chụp ảnh số phổ thông trên thị trường thì việc sử
dụng mảng điện tử CCD và cả CMOS đều khá thông dụng. Tuy nhiên, do ưu
điểm của CCD là nhạy sáng, độ phân giải cao nên thường được dùng trong các
máy chụp ảnh hàng không kỹ thuật số phục vụ công tác đo đạc bản đồ.
1.4.3. Máy chụp ảnh hàng không kỹ thuật số
Máy chụp ảnh hàng không kỹ thuật số dùng trong công tác đo đạc bản đồ
mới xuất hiện trong những năm đầu của thế kỉ 21. Hiện nay trên thế giới, loại
máy chụp ảnh này không có nhiều hãng sản xuất, không đa dạng chủng loại như
máy chụp ảnh số phổ thông. Trong khuôn khổ môn học, tác giả xin giới thiệu sơ

bộ 2 loại máy nổi tiếng là DMC của hãng Z/I imaging và ADS40 của hãng Leica
Geosystem.
1.4.3.1. Máy chụp ảnh hàng không kỹ thuật số DMC
DMC (Digital Mapping Camera) là máy chụp ảnh hàng không do hãng Z/I
imaging chế tạo. Một bộ hoàn chỉnh của hệ thống này gồm có: DMC, giá ổn định
con quay T-AS, anten máy thu GPS, hệ thống đạo hàng quán tính IMU, máy quay
Video, máy vi tính cùng phần mềm điều khiển, ổ cứng lưu trữ tư liệu ảnh, trung
tâm kết nối RTC, bù trừ độ nhòe điện tử FMC.
(C) by Trần Trung Anh – Derpartment of Photogrammetry and Remote Sensing
Digital Photogrammetry
22


Hình 1.20. Hệ thống máy chụp ảnh hàng không kỹ thuật số DMC
Các thông số kỹ thuật cơ bản của hệ thống máy chụp ảnh hàng không kỹ
thuật số DMC
- Trường nhìn: 69,3
0
x 42
0
;
- Kích thước pixel trên CCD: 12 x 12 um
- Kênh toàn sắc: Pan
+Độ phân giải: 13.824 x 7.680 pixel;
+ Hệ thống 4 kính vật: f = 1:4/120mm;
- Kênh đa phổ: Red, Green, Blue và NIR (cận hồng ngoại);
+ Độ phân giải: 2.048 x 3072 pixel;
+ Hệ thống 4 kính vật: f = 1:4/25mm;
- Bộ nhớ lưu dữ liệu ảnh chụp: 1,5TB (>4.400 ảnh);
- Mã hóa pixel: 12 bit;

- Tần số chụp 2,1 giây/ ảnh;
- Nặng <88kg (riêng DMC)
Máy chụp ảnh DMC có 4 hệ thống kính vật, chụp trên 4 khung CCD sau
đó dùng phần mềm để nối các khung đó với nhau dựa trên các phần trùng để
DMC
GPS

IMU

Video Camera

T-AS

RTC

(C) by Trần Trung Anh – Derpartment of Photogrammetry and Remote Sensing
Digital Photogrammetry
23

được kích cỡ ảnh lớn hơn. Nguyên lý chụp ảnh của DMC là lộ quang đơn, chụp
được 4 khung ảnh của đối tượng.

Hình 1.21. Kết nối ảnh từ 4 khung của máy chụp ảnh số DMC
Theo những công bố thử nghiệm về độ chính xác đo ảnh khi sử dụng ảnh
chụp từ DMC của hãng Intergraph thì tư liệu ảnh DMC cho kết quả rất tốt, cụ thể
là:
- Độ chính xác sắp xếp pixel trên CCD: <1/10pixel (khoảng 1,1um);
- Độ chính xác định hướng tuyệt đối:
+ M
X

= M
Y
= 5um x mẫu số tỷ lệ ảnh;
+ M
Z
= 0,005%chiều cao bay chụp;
- Độ chính xác đo lập thể:
+ M
X
= M
Y
= 8um x mẫu số tỷ lệ ảnh;
+ M
Z
= 0,008%chiều cao bay chụp;
1.4.3.2. Máy chụp ảnh hàng không kỹ thuật số ADS40
Máy chụp ảnh hàng không kỹ thuật số ADS40 (Airborne Digital Sensor)
được thiết kế phục vụ công tác chụp ảnh dạng quét theo 3 hàng (trước, giữa và
sau), do vậy thời gian lộ quang được tiến hành trong lúc quét bề mặt đối tượng
đo.
Vùng trùng