Ứng dụng ảnh hàng không chụp từ máy bay không người lái (UX5) xây dựng MHS địa hình tỷ lệ 1trên10000 phục vụ quản lý công trình thủy lợi, thủy điện (Luận văn thạc sĩ)

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
ỨNG DỤNG ẢNH HÀNG KHÔNG CHỤP TỪ MÁY BAY
KHÔNG NGƢỜI LÁI (UX5) XÂY DỰNG MÔ HÌNH SỐ
ĐỊA HÌNH TỶ LỆ 1: 10000 PHỤC VỤ QUẢN LÝ CÔNG TRÌNH
THỦY LỢI, THỦY ĐIỆN (THÍ ĐIỂM CHO HỒ CHỨA
THỦY LỢI IAM’LAH, HUYỆN KRÔNG PA, TỈNH GIA LAI)

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ

HOÀNG VIỆT HÙNG

HÀ NỘI, NĂM 2017


BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
ỨNG DỤNG ẢNH HÀNG KHÔNG CHỤP TỪ MÁY BAY
KHÔNG NGƢỜI LÁI (UX5) XÂY DỰNG MÔ HÌNH SỐ
ĐỊA HÌNH TỶ LỆ 1: 10000 PHỤC VỤ QUẢN LÝ CÔNG TRÌNH
THỦY LỢI, THỦY ĐIỆN (THÍ ĐIỂM CHO HỒ CHỨA
THỦY LỢI IAM’LAH, HUYỆN KRÔNG PA, TỈNH GIA LAI)

HOÀNG VIỆT HÙNG
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ
MÃ SỐ: 60520503
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC

TS. NGUYỄN BÁ DŨNG

HÀ NỘI, NĂM 2017


CÔNG TRÌNH ĐƢỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI
Cán bộ hƣớng dẫn chính: TS. Nguyễn Bá Dũng
Cán bộ chấm phản biện 1: PGS. TS. Trần Xuân Trƣờng

Cán bộ chấm phản biện 2: TS. Nguyễn Tiến Thành
Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại:
HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI
Ngày ... tháng ... năm 2017


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nguyên cứu của riêng tôi.Các số liệu, kết
quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc công bố trong các công
trình khác. Nếu không đúng nhƣ đã nêu trên tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về
đề tài của mình
Ngày 03 tháng 09 năm 2017
Học viên

Hoàng Việt Hùng

ii

LỜI CẢM ƠN
Trƣớc hết tôi xin gửi tới các thầy cô khoa Trắc địa – Bản đồ lời chào trân
trọng, lời chúc sức khỏe và lời cảm ơn sâu sắc. Với sự quan tâm, dạy dỗ, chỉ bảo tận
tình chu đáo của thầy cô, đến nay tôi đã có thể hoàn thành luận văn, đề tài:“Ứng
dụng ảnh hàng không chụp từ máy bay không ngƣời lái (UX5) xây dựng mô hình số
địa hình tỷ lệ 1: 10000 phục vụ quản lý công trình thủy lợi, thủy điện (thí điểm cho
hồ chứa thủy lợi IAM’LAH, huyện KRông Pa, tỉnh Gia Lai)”.
Đặc biệt tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS. Nguyễn Bá Dũng đã quan
tâm giúp đỡ, hƣớng dẫn tôi hoàn thành tốt luận văn này trong thời gian qua.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến lãnh đạo Trƣờng Đại học Tài nguyên và Môi
trƣờng Hà Nội, các phòng ban chức năng đã trực tiếp và gián tiếp giúp đỡ tôi trong
suốt quá trình học tập và nghiên cứu đề tài.
Không thể không nhắc tới sự chỉ đạo và hƣớng dẫn của phân xƣởng Bay
chụp xử lý ảnh – Xí nghiệp Chụp ảnh Hàng không – Công ty TNHH MTV Trắc địa
Bản đồ – Cục Bản đồ – Bộ Tổng Tham Mƣu đã tạo điều kiện thuận lợi nhất cho
tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn
Với điều kiện thời gian cũng nhƣ kinh nghiệm còn hạn chếcủa một học viên,
luận văn này không thể tránh đƣợc những thiếu sót. Tôi rất mong nhận đƣợc sự chỉ
bảo, đóng góp ý kiến của cácthầy cô để tôi có điều kiện bổ sung, nâng cao ý thức
của mình, phục vụ tốt hơn công tác thực tế sau này.


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii
MỤC LỤC ................................................................................................................. iii

THÔNG TIN LUẬN VĂN .........................................................................................v
DANH MỤC VIẾT TẮT .......................................................................................... vi
DANH MỤC BẢNG ................................................................................................ vii
DANH MỤC HÌNH ................................................................................................ viii
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
1. Cơ sở khoa học và tính thực tiễn của đề tài ............................................................1
2. Mục tiêu của đề tài ..................................................................................................2
3. Phƣơng pháp nghiên cứu.........................................................................................2
4. Nội dung nghiên cứu ...............................................................................................3
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH SỐ ĐỊA HÌNH VÀ ẢNH HÀNG
KHÔNG ......................................................................................................................4
1.1. Bản đồ địa hình ...................................................................................................4
1.2. Mô hình số địa hình ............................................................................................4
1.2.1. Khái niệm về mô hình số địa hình ...................................................................4
1.2.2. Các dạng thể hiện mô hình số địa hình ............................................................4
1.2.3. Tổng quan các phƣơng pháp thành lập mô hình số địa hình ...........................5
1.3. Tổng quan ảnh hàng không ................................................................................9
1.3.1. Khái niệm .........................................................................................................9
1.3.2. Đặc điểm của ảnh hàng không .......................................................................10
1.3.3. Nguyên lý chụp ảnh hàng không ....................................................................16
1.3.4. Ƣu, nhƣợc điểm và các lƣu ý khi sử dụng ảnh hàng không ...........................17
1.4. Tổng quan các thành tựu ứng dụng máy bay không ngƣời lái trên thế giới và
Việt Nam ...................................................................................................................19
1.4.1. Khả năng ứng dụng trên thế giới ....................................................................19
1.4.2. Khả năng ứng dụng tại Việt Nam...................................................................21
CHƢƠNG 2: ỨNG DỤNG ẢNH HÀNG KHÔNG CHỤP TỪ MÁY BAY KHÔNG
NGƢỜI LÁI (UX5) XÂY DỰNG MÔ HÌNH SỐ ĐỊA HÌNH ................................23


iv

2.1. Giới thiệu tổng quan về máy bay không ngƣời lái UX5 ....................................23
2.2. Cấu tạo và đặc điểm kỹ thuật của hệ thống........................................................24
2.2.1. Thân máy bay Trimble UX5 ...........................................................................24
2.2.2. Máy ảnh ...........................................................................................................25
2.2.3. Trạm điều khiển mặt đất .................................................................................26
2.2.4. Bệ phóng .........................................................................................................27
2.2.5. Bộ dò tìm thiết bị.............................................................................................27
2.2.6. Giới thiệu một số phần mềm xử lý ảnh hàng không .......................................27
2.3. Quy trình tiến hành bay chụp .............................................................................31
2.3.1. Thu thập tài liệu ..............................................................................................31
2.3.2. Thực hiện bay chụp .........................................................................................31
2.3.3. Đo nối khống chế ảnh .....................................................................................36
2.3.4. Xử lý dữ liệu ...................................................................................................37
CHƢƠNG 3. THỰC NGHIỆM XÂY DỰNG MÔ HÌNH SỐ ĐỊA HÌNH PHỤC VỤ
QUẢN LÝ HỒ CHỨA THỦY LỢI IAM’LAH HUYỆN KRÔNGPA, TỈNH
GIA LAI ....................................................................................................................41
3.1. Khái quát khu vực thực nghiệm .........................................................................41
3.1.1. Điều kiện tự nhiên ...........................................................................................41
3.1.2. Quy mô, tính chất công trình...........................................................................44
3.1.3. Vai trò của công trình ......................................................................................45
3.2. Mục đích nhiệm vụ và yêu cầu kỹ thuật ............................................................46
3.2.1 Mục đích của nhiệm vụ ....................................................................................46
3.2.2 Yêu cầu kỹ thuật...............................................................................................46
3.3. Thiết kế bay chụp ...............................................................................................48
3.4. Tổ chức thực hiện bay chụp khống chế ảnh tại ngoại nghiệp ............................51
3.5. Tính toán, xử lý số liệu trên phần mềm Trimble Business Center 3.4 ..............51
3.6. Kết quả kiểm tra và đánh giá độ chính xác ........................................................57
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................................62
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................62

v

THÔNG TIN LUẬN VĂN
Họ và tên học viên: Hoàng Việt Hùng
Lớp: CH1TĐ

Khóa: 1

Cán bộ hƣớng dẫn: TS. Nguyễn Bá Dũng
Tên đề tài: Ứng dụng ảnh hàng không chụp từ máy bay không ngƣời lái (UX5)
xây dựng mô hình số địa hình tỷ lệ 1: 10000 phục vụ quản lý công trình thủy lợi,
thủy điện (thí điểm cho hồ chứa thủy lợi IAM’LAH. Huyện Krông Pa, Tỉnh
Gia Lai)
Luận văn trình bày cách xây dựng mô hình số địa hình tỷ lệ 1: 10000 từ ảnh
hàng không chụp từ máy bay không ngƣời lái UX5. Kết quả nghiên cứu phục vụ
cho công tác quản lý các công trình thủy lợi, thủy điện. Đây là đề tài mang tính ứng
dụng cao, bổ sung thêm nguồn tƣ liệu và công nghệ trong công tác thành lập bản đồ
bằng công nghệ ảnh.


vi

DANH MỤC VIẾT TẮT
Nghĩa Tiếng Anh

Nghĩa Tiếng Việt

STT

Chữ viết tắt

1

UAV

2

UX5

3

BQP

4

DEM

Digital Elavation Model

Mô hình số độ cao

5

DTM

Digital Terrain Model

Mô hình số địa hình

6

DSM

Digital Surface Model

Mô hình số bề mặt

7

GPS

Global Positioning

Hệ thống định vị toàn cầu

8

CCD

Charge Coupled Device

Bộ cảm biến

9

TCVN

10

TBC

Trimble Business Center

Phần mềm xử lý ảnh

11

MP

Mega Pixel

Triệu điểm ảnh

12

BTTM

Unmanned Aerial Vehicles

Máy bay không ngƣời lái
Máy bay không ngƣời lái
UX5
Bộ Quốc Phòng

Tiêu chuẩn Việt Nam

Bộ Tổng tham mƣu

vii

DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1. Tính năng kỹ thuật chính của hệ thống.....................................................26
Bảng 3.1. Tọa độ mặt phẳng và độ cao của các điểm kiểm tra .................................57
Bảng 3.2. Tọa độ mặt phẳng và độ cao của các điểm kiểm tra trích ra từ bình đồ ...57
Bảng 3.3. Bảng sai số tại các điểm kiểm tra .............................................................58
Bảng 3.4. Bảng sai số chích khống chế ảnh KCA_01 ..............................................58
Bảng 3.5. Bảng sai số chích khống chế ảnh KCA_04 ..............................................59
Bảng 3.6. Bảng sai số chích khống chế ảnh KCA_05 ..............................................59
Bảng 3.7. Bảng sai số chích khống chế ảnh KCA_06 ..............................................60
Bảng 3.8. Bảng sai số chích khống chế ảnh KCA_07 ..............................................60


viii

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Ảnh chụp trên khinh khí cầu chụp vùng Booston, tác giả James Wallace
Black vào 13 tháng 10 năm 1860 ( Thomas) ..............................................................9
Hình 1.2. Độ phủ của tấm ảnh...................................................................................10
Hình 1.3. Hình chuẩn để kiểm tra độ phân giải. .......................................................12
Hình 1.4. Ảnh hƣởng độ lệch địa hình .....................................................................13
Hình 1.5. Kiểm tra khả năng nhìn lập thể (A) với các hình có vị trí sắp xếp khác
nhau theo chiều thẳng đứng (trên dƣới). ...................................................................14
Hình 1.6. Chụp ảnh theo nguyên tắc khung (B) và phân tích hiệu ứng lập thể(C) ...15
Hình 1.7. Một số kiểu kính soi khác nhau ................................................................16
Hình 1.8. Nguyên lý hoạt động của ống kính ...........................................................17
Hình 1.9. Hệ thống UAV Falcon-PARS ...................................................................20
Hình 1.10. Máy ảnh RCD30 và TC-1235 UAV .......................................................20

Hình 1.11. Hệ thống UAS Skate Small của Mỹ........................................................21
Hình 2.1. Hệ thống Trimble UX5 .............................................................................23
Hình 2.2. Cấu tạo mặt trên Trimble UX5 .................................................................24
Hình 2.3. Cấu tạo mặt dƣới Trimble UX5 ................................................................25
Hình 2.4. Máy ảnh Sony NEX-5T ............................................................................25
Hình 2.5. Góc chụp và diện tích 1 tấm ảnh chụp ......................................................25
Hình 2.6. Trạm điều khiển mặt đất ...........................................................................26
Hình 2.7. Bệ phóng ...................................................................................................27
Hình 2.8. Bộ dò tìm thiết bị.......................................................................................27
Hình 2.9. Quy trình tiến hành bay chụp ....................................................................31
Hình 2.10. Hƣớng thiết kế tuyến bay ........................................................................33
Hình 2.11. Hƣớng cất cánh và hạ cánh .....................................................................33
Hình 2.12. Thông số máy chụp ảnh ..........................................................................34
Hình 2.13. Bệ phóng máy bay...................................................................................35
Hình 2.14. Phần mềm Trimble Business Center 3.4 .................................................38
Hình 3.1. Ảnh một phần khu vực hồ thủy điện IAM’LAH ......................................42


ix

Hình 3.2. Lựa chọn phạm vi bay chụp ca bay 1 và thông số kỹ thuật ......................48
Hình 3.3. Lựa chọn phạm vi bay chụp ca bay 2 và thông số kỹ thuật ......................49
Hình 3.4. Lựa chọn vị trí và hƣớng cất hạ cánh ca bay 1 .........................................49
Hình 3.5. Lựa chọn vị trí và hƣớng cất hạ cánh ca bay 2 .........................................50
Hình 3.6. Bố trí vị trí các điểm khống chế ảnh .........................................................50
Hình 3.7. Đƣa 2 file dữ liệu bay “jxl” .......................................................................51
Hình 3.8. Gộp 2 ca bay tạo thành một Block để xử lý...............................................52
Hình 3.9. Bình sai khối ảnh với các điểm liên kết .....................................................53
Hình 3.10. Thể hiện các bƣớc xử lý ..........................................................................53
Hình 3.11. Chấp nhận kết quả bình sai từ các điểm liên kết .....................................53

Hình 3.12. Báo cáo bình sai bay chụp.......................................................................54
Hình 3.13. Đám mây điểm khu vực hồ......................................................................54
Hình 3.13. Mô hình số địa hình khu vực hồ IAM’LAH ...........................................55
Hình 3.14. Bình đồ ảnh khu vực hồ IAM’LAH ........................................................56


1
MỞ ĐẦU
1. Cơ sở khoa học và tính thực tiễn của đề tài
Trƣớc đây, các công nghệ sử dụng máy toàn đạc điện tử và định vị vệ tinh
(GNSS) đang đƣợc sử dụng rộng rãi trong thu thập dữ liệu mặt đất phục vụ cho
công tác địa chính, trắc địa địa hình, xây dựng dân dụng và thiết kế kiến trúc, với độ
chính xác cao, đạt đƣợc dƣới 5 cm. Tuy nhiên, hai công nghệ trên có nhƣợc điểm là
giá thành cao và tiêu tốn thời gian tƣơng đối lớn. Thêm nữa, hai công nghệ trên có
thể khó thực hiện đối với khu vực đo vẽ có địa hình phức tạp, hoặc khi điều kiện
môi trƣờng khu đo gây nguy hiểm cho sức khỏe cho con ngƣời khi tiếp xúc trực
tiếp. Do vậy, công nghệ quét Laser mặt đất và công nghệ bay quét LiDAR đƣợc
phát triển, sử dụng thay thế cho hai công nghệ đã nêu bên trên. Điểm thuận lợi của
công nghệ quét Laser là việc sử dụng và vận hành không phức tạp, phù hợp cho các
dự án có diện tích vừa và nhỏ. Về lý thuyết, khoảng cách quét có thể lên đến
6000m. Đối với các dự án đòi hỏi độ chính xác cao, độ chính xác của điểm đƣợc
quét có thể đạt đến 2 mm (ví dụ cho máy Trimble TX5 Laser Scanning với khoảng
cách quét dƣới 120 m). Do vậy công nghệ quét Laser đƣợc sử dụng tƣơng đối rộng
rãi hiện nay tại nhiều nƣớc trên thế giới và Việt Nam. Nhƣợc điểm của công nghệ
này đó là có thể không thích hợp với các dự án có diện tích lớn có địa hình phức
tạp, do phải di chuyển nhiều trạm máy quét trên bề mặt địa hình. Từ các hạn chế đó,
công nghệ bay quét LiDAR (sau đây gọi tắt là công nghệ LiDAR) đƣợc phát triển
nhƣ một công nghệ thay thế cho các công nghệ trên. Điểm bất lợi hiện tại của
LiDAR là giá thành trang thiết bị cao. Thực tế, trong công tác đo đạc thành lập mô
hình số địa hình phục vụ công tác thành lập bản đồ, quản lý công trình thủy lợi,

thủy điện, yếu tố giá thành sản phẩm đóng vai trò rất quan trọng trong việc lựa chọn
công nghệ sử dụng. Do đó, việc thúc đẩy phát triển và ứng dụng các công nghệ mới
với giá thành thấp hơn là hết sức cấp thiết.
Thời gian gần đây, cùng với sự phát triển của công nghệ định vị vệ tinh, công
nghệ máy bay không ngƣời lái (Unmanned Aerial Vehicles – UAV), các thuật toán
tự động xử lý ảnh, xây dựng mô hình 3 chiều (Structure – from – Motion, SFM), giá


2
thành trang thiết bị cho công nghệ đo vẽ sử dụng UAV đã giảm xuống rất mạnh.
Khảo sát cho thấy công nghệ này đang đƣợc ứng dụng thành công, rộng rãi trong
nhiều lĩnh vực nhƣ công tác đo đạc thành lập bản đồ, giao thông, sản xuất nông
nghiệp, nghiên cứu địa chất và nghiên cứu môi trƣờng. Ngoài việc giá thành tƣơng
đối thấp, công nghệ UAV với các máy ảnh phổ thông dễ dàng thu nhận các ảnh số
với độ phân giải rất cao ( mm, cm), trong điều kiện địa hình phức tạp, khó tiếp cận
môi trƣờng nguy hiểm. Thêm nữa, các phần mềm mã nguồn mở và phần mềm
thƣơng mại đều tích hợp các thuật toán SFM, cho phép gần nhƣ hoàn toàn tự động
xử lý ảnh, xây dựng các sản phẩm bản đồ ( mô hình số bề mặt, mô hình số địa hình,
mô hình số độ cao, bản đồ trực ảnh, bản đồ 3D, video). Ngƣời sử dụng công nghệ này
không nhất thiết phải có kiến thức quá sâu về công nghệ đo ảnh truyền thống [1].
Chính vì thế công nghệ UAV đang rất hứa hẹn đƣợc ứng dụng rộng rãi hơn
nữa vào các lĩnh vực khác nhau.
Chính vì vậy, việc sử dụng máy chụp ảnh số gắn trên máy bay không ngƣời lái
phục vụ trong công tác thành lập mô hình số địa hình bằng phƣơng pháp đo ảnh là
một đề tài nghiên cứu mang tính ứng dụng cao, bổ su
ng thêm nguồn tƣ liệu và công nghệ trong công tác thành lập bản đồ bằng
công nghệ ảnh. Đƣợc sự hỗ trợ từ nhà nghiên cứu đề tài cấp bộ “ Nghiên cứu ứng
dụng công nghệ địa tin học nâng cao chất lƣợng dữ liệu không gian phục vụ công
tác điều tra quy hoạch tài nguyên nƣớc”, mã số 2015.02.12 đề tài luận văn thạc sĩ:
“Ứng dụng ảnh hàng không chụp từ máy bay không ngƣời lái UX5 xây dựng mô

hình số địa hình tỷ lệ 1: 10000 phục vụ quản lý công trình thủy lợi, thủy điện (thí
điểm cho hồ chứa thủy lợi IAM’LAH, huyện KRông Pa, tỉnh Gia Lai)" đã đƣợc
thực hiện.
2. Mục tiêu của đề tài
Sử dụng đƣợc ảnh hàng không chụp từ máy bay không ngƣời lái UX5 để xây
dựng đƣợc mô hình số địa hình tỷ lệ 1:10000 phục vụ quản lý công trình thủy lợi
thủy điện
3. Phƣơng pháp nghiên cứu
– Về lý thuyết:


3
+ Phƣơng pháp thu thập tài liệu, số liệu: Tham khảo các tài liệu nhƣ các bài
giảng, luận văn, luận án tốt nghiệp, mạng internet về ứng dụng máy bay không
ngƣời lái.
+ Phƣơng pháp xử lý số liệu: gồm các công việc thống kê, tổng hợp, phân tích
so sánh độ chính xác của các số liệu tài liệu và kết quả nghiên cứu.
– Về thực nghiệm:
+ Phƣơng pháp tin học: sử dụng phần mềm để xây dựng mô hình số địa hình
phục vụ quản lý công trình thủy lợi, thủy điện cho hồ chứa thủy lợi IAM’LAH,
huyện Krông Pa, tỉnh Gia Lai.
+ Phƣơng pháp điều tra: điều tra bổ sung ngoại nghiệp thông tin đối tƣợng địa lý.
4. Nội dung nghiên cứu
– Quy trình chụp ảnh bằng máy bay không ngƣời lái;
– Quy trình thành lập mô hình số địa hình bằng ảnh máy bay không ngƣời lái;
– Sử dụng ảnh hàng không chụp từ máy bay không ngƣời lái để xây dựng mô
hình số địa hình phục vụ quản lý công trình thủy lợi, thủy điện (thí điểm cho hồ
chứa thủy lợi IAM’LAH huyện KRông Pa, tỉnh Gia Lai)
* Bố cục luận văn
Luận văn có bố cục nhƣ sau:

MỞ ĐẦU
Chƣơng 1. Tổng quan về mô hình số địa hình và ảnh hàng không
Chƣơng 2. Ứng dụng ảnh hàng không chụp từ máy bay không ngƣời lái
(UX5) xây dựng mô hình số địa hình
Chƣơng 3. Thực nghiệm xây dựng mô hình số địa hình phục vụ quản lý
hồ chứa thủy lợi IAM’LAH, huyện KrongPa, Tỉnh Gia Lai
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ


4
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH SỐ ĐỊA HÌNH VÀ
ẢNH HÀNG KHÔNG
1.1. Bản đồ địa hình
Khái niệm bản đồ địa hình:
Bản đồ địa hình là biểu thị thunhỏ một phần hay toàn bộ bề mặt Trái Đất dựa
trên một quy định toán học nhất định. Nội dung trên bản đồ đƣợc thể hiện bằng ký
hiệu quy định, những ký hiệu đó đƣợc gọi là ngôn ngữ bản đồ và đã thông qua một
quá trình tổng kết hóa nhằm phản ánh sự phân bố các tính chất, các mối quan hệ, sự
biến đổi các đối tƣợng và các hiện tƣợng tự nhiên, kinh tế xã hội phù hợp với mục
đích sử dụng.
Bản đồ địa hình thuộc loại bản đồ địa lý chung. Nội dung bản đồ địa hình bao
gồm các yếu tố sau: cơ sở toán học, thủy hệ, giao thông, dáng đất, ranh giới, dân cƣ,
thực vật. Mức độ đầy đủ, tỉ mỉ của nội dung phải phù hợp với mục đích sử dụng của
bản đồ và đặc điểm khu vực.
Bản đồ địa hình cần phải rõ ràng, dễ đọc, cho phép định hƣớng dễ dàng, nhanh
chóng ngoài thực địa. Các yếu tố thể hiện trên bản đồ cần phải đầy đủ, chính xác,
cho phép ngƣời đọc xác định đƣợc định tính, định lƣợng của vùng địa hình.
1.2. Mô hình số địa hình
1.2.1. Khái niệm về mô hình số địa hình
Mô hình số địa hình DTM ( Digital Terrain Model) là sự biểu diễn dáng đất

hữu hạn thông qua số lƣợng điểm xác định, thành phần của mô hình số địa hình là
các điểm trên bề mặt đất đƣợc cho bởi tọa độ ( X, Y, Z) trong hệ tọa độ nào đấy.
Các vị trí này đƣợc bố trí tùy theo dáng địa hình có thể là điểm nút hoặc mắt lƣới
của mạng kèm theo hàm toán học mô phỏng bề mặt địa hình giữa các điểm nút
lƣới đó [2].
1.2.2. Các dạng thể hiện mô hình số địa hình
– Dạng GRID: Là một lƣới ô vuông đƣợc phủ trùm lên khu vực địa hình cần
nghiên cứu vị trí và độ cao của lƣới ô vuông sẽ đƣợc đo trực tiếp bằng phƣơng pháp
đo lập thể hoặc có thể nội suy. Kích thƣớc của lƣới ô vuông quyết định đến độ


5
chính xác của mô hình cần thành lập. Lƣới ô vuông là lƣới dễ thực hiện nhƣng độ
chính xác thể hiện địa hình là không cao.
– Dạng TIN: Là lƣới gồm các tam giác liên kết lại với nhau và đƣợc phủ trùm
lên bề mặt địa hình khu vực nghiên cứu. Lƣới TIN thể hiện xác thực nhất địa hình
khu vực nghiên cứu tuy nhiên khó xây dựng, vị trí và độ cao của các mắt lƣới TIN
sẽ đƣợc xác định thông qua phƣơng pháp đo lập thể hoặc nội suy. Thông thƣờng
lƣới TIN đƣợc nội suy trên cơ sở lƣới GRIT [2].
1.2.3. Tổng quan các phương pháp thành lập mô hình số địa hình
1.2.3. 1. Thành lập mô hình số địa hình bằng phương pháp đo trực tiếp ngoài thực địa
a. Các bƣớc tiến hành
– Khảo sát, thiết kế, xây dựng luận chứng kinh tế – kỹ thuật.
– Lập lƣới khống chế trắc địa (lƣới khống chế đo vẽ) làm cơ sở tọa độ để vẽ
chi tiết, đảm bảo cho việc xác định vị trí của bản đồ trong hệ tọa độ nhà nƣớc, bao
gồm các công việc: gắn mốc ngoài thực địa trên các điểm đã thiết kế, đo nối tọa độ
của các điểm với các điểm cấp cao đã có tọa độ trong hệ tọa độ nhà nƣớc, tính toán
bình sai kết quả đo, chuyển tọa độ của các điểm lƣới lên bản vẽ.
– Đo đạc chi tiết ngoài thực địa: đặt máy đo đạc lần lƣợt tại vị trí các điểm
của lƣới khống chế đo vẽ để tiến hành đo vẽ chi tiết các đối tƣợng xung quanh điểm đặt

máy. Các kết quả đo cùng dữ liệu có liên quan đƣợc tự động ghi vào bộ nhớ của máy.
– Nhập số liệu máy tính, tiền xử lý kết quả đo, xác định tọa độ của các điểm
đo chi tiết, phân lớp đối tƣợng, dựng hình (nối các đối tƣợng dạng đƣờng và ranh
giới các đối tƣợng vùng). Kiểm tra chất lƣợng đo, đo bù hoặc đo bổ sung nếu đo sai
hoặc thiếu.
b. Ƣu, nhƣợc điểm
– Ƣu điểm:
Phản ánh trung thực, chính xác, chi tiết các đối tƣợng nội dung mô hình số
địa hình cần thể hiện.
– Nhƣợc điểm:
+ Chịu ảnh hƣởng nhiều bởi thời tiết, khí hậu, điều kiện địa lý khu vực đo vẽ.


6
+ Năng suất lao động không cao do đó chỉ thực hiện công việc đo vẽ trên khu
vực có diện tích nhỏ.
– Ứng dụng:
+ Phục vụ đo vẽ bản đồ địa hình, địa chính tỉ lệ lớn trên quy mô diện tích
không quá lớn, chủ yếu thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn ở các vùng dân cƣ, đặc
biệt là khu vực đô thị có mật độ dân cƣ đông đúc, công trình nhiều.
+ Đo vẽ bổ sung, kết hợp với các phƣơng pháp thành lập bản đồ khác.
+ Phục vụ thực hiện các công việc đo vẽ cho bản đồ chuyên đề và các công
tác đo đạc khác.
1.2.3.2. Thành lập mô hình số địa hình từ ảnh hàng không
a. Các bƣớc tiến hành
– Khảo sát, thiết kế, xây dựng luận chứng kinh tế – kỹ thuật.
– Chụp ảnh hàng không: ảnh đƣợc chụp từ máy chụp ảnh chuyên dụng đặt
trong máy bay.
– Lập lƣới khống chế ảnh ngoại nghiệp. Các tờ ảnh sau khi bay chụp cần
đƣợc xác định chính xác vị trí của nó trong hệ tọa độ mặt phẳng (x, y) và trong hệ

độ cao nhà nƣớc, nhờ lƣới khống chế ảnh. Các điểm của lƣới khống chế ảnh là
những điểm đƣợc thiết kế, đánh dấu mốc trên mặt đất, và đƣợc nhận biết rõ trên
ảnh. Tọa độ của những điểm này hoặc là đã có hoặc đƣợc xác định nhờ đo nối với
điểm đã có tọa độ (gọi là đo nối khống chế ảnh ngoại nghiệp).
– Tăng dày khống chế ảnh nội nghiệp. Để phục vụ cho quá trình đo vẽ trên
ảnh và nắn ảnh thì các điểm khống chế ảnh đƣợc xác định ngoài thực địa nhƣ trên là
không đủ. Cần tiến hành tăng dày các điểm khống chế ảnh, tính toán tọa độ mặt
phẳng và độ cao của những điểm này ở trong phòng nhờ những thiết bị đo vẽ ảnh.
– Điều vẽ ảnh: trong phƣơng pháp thành lập bản đồ hàng không các đối
tƣợng địa hình mặt đất đƣợc nhận biết và đo vẽ lên bản đồ chủ yếu dựa vào cơ sở
giải đoán và đo vẽ hình ảnh trên ảnh. Quá trình xét đoán hình ảnh trên ảnh để nhận
dạng đối tƣợng đƣợc gọi là điều vẽ ảnh. Điều vẽ ảnh đƣợc đƣợc tiến hành trong


7
phòng trƣớc, sau đó tiến hành điều vẽ ngoài trời để xác định tính đúng đắn của quá
trình giải đoán trong phòng.
– Đo vẽ ảnh: đƣợc tiến hành theo các phƣơng pháp
+ Phƣơng pháp lập thể: ảnh chụp có độ phủ cùng hai tờ ảnh cùng hàng liền kề
sẽ tạo thành một mô hình lập thể, phƣơng pháp này đƣợc sử dụng cho mọi khu vực,
mọi điều kiện địa hình.
+ Phƣơng pháp tổng hợp bình đồ ảnh: phần địa vật đƣợc vẽ trên cơ sở bình
đồ ảnh, phần dáng đất có thể đo vẽ trực tiếp trên thực địa, trên bình đồ địa vật.
+ Phƣơng pháp đo vẽ ảnh số: đây là phƣơng pháp công nghệ tiên tiến nhất
hiện nay. Địa vật và địa hình đều đƣợc đo vẽ lập thể trên cơ sở ảnh đã chuyển sang
dạng số, trên trạm đo ảnh số.
=> Mô hình số địa hình DTM
b. Ƣu, nhƣợc điểm và khả năng ứng dụng
– Ƣu điểm:
+ Loại bỏ khó khắn, vất vả của công tác ngoại nghiệp.

+ Cùng một lúc có thể đo vẽ đƣợc vùng rộng lớn, rút ngắn thời hạn sản xuất,
hạ giá thành bản đồ.
– Nhƣợc điểm:
+ Độ chính xác bản đồ phụ thuộc vào chất lƣợng và độ chính xác đo vẽ, tỷ lệ
ảnh chụp.
+ Quá trình đoán đọc có thể làm giảm độ chính xác các thông tin thể hiện
trên bản đồ.
– Ứng dụng:
+ Dùng thành lập mô hình số địa hình tỷ lệ từ 1/2000 – 1/50000.
+ Phục vụ thành lập một số bản đồ mang tính chất chuyên ngành tỷ lệ lớn
nhƣ bản đồ địa chính hay bản đồ lâm nghiệp.
1.2.3.3. Thành lập mô hình số địa hình bằng phương pháp mới sử dụng các hệ
thống viễn thám chủ động như Radar độ mở tổng hợp giao thoa (IFSAR)
Ứng dụng quan trọng nhất của ảnh Radar là tạo mô hình số địa hình độ chi
tiết trung bình và độ chính xác từ vài mét đến hàng trăm mét cho một vùng rộng lớn


8
trong một thời gian ngắn. Ngoài ra còn có các hệ thống Radar độ mở tổng hợp giao
thoa đặt trên máy bay, chẳng hạn nhƣ hệ thống Intermap STAR 3i dùng băng X có
thể cho phép thành lập mô hình số địa hình với độ chính xác từ 0,5 m đến 3 m. Ảnh
Radar không thể hiện hình ảnh tự nhiên của bề mặt mặt đất nên không dùng làm nền
để số hóa hay điều vẽ ngoại nghiệp đƣợc. Để xây dựng các đối tƣợng địa vật thì
phải kết hợp với các nguồn ảnh quang học. Các ảnh này có thể là ảnh máy bay hay
các loại ảnh vệ tinh quang học khác. Sự kết hợp này tận dụng đƣợc ƣu thế của cả
hai loại ảnh. Tuy nhiên với độ chính xác của mô hình số địa hình tạo từ ảnh Radar
nhƣ trên thì phƣơng pháp này cũng chỉ có thể áp dụng để thành lập bản đồ 3D tỷ lệ
1:10000 và nhỏ hơn
1.2.3.4. Thành lập mô hình số địa hình từ các nguồn ảnh viễn thám khác
Ngoài ảnh máy bay thƣờng dùng (ảnh quang học chụp từ các máy ảnh truyền

thống dùng phim và gần đây là các máy ảnh số), ảnh viễn thám rất đa dạng, có thể
phân loại thành hai nhóm chính là các loại ảnh vệ tinh và ảnh laser với đầu thu đặt
trên máy bay. Thông thƣờng, ảnh đƣợc sử dụng làm nền để số hóa các dữ liệu vector,
các thông tin chi tiết về hình dạng và tính chất của các đối tƣợng nằm trên mặt địa
hình, ảnh trực giao để phủ lên mô hình số địa hình tạo ảnh thực bề mặt mặt đất. Độ
phân giải của các loại ảnh viễn thám thay đổi từ vài dm đối với ảnh laser chụp từ máy
bay đến trên dƣới 1m với các ảnh vệ tinh quang học panchromatic độ phân giải cao;
các ảnh vệ tinh quang học đa phổ và ảnh Radar có độ phân giải kém hơn, từ vài mét
đến vài trăm mét. Độ phân giải cũng nhƣ 29 khả năng đo vẽ lập thể là các yếu tố
quyết định các ảnh này có thể dùng để thành lập mô hình số địa hình tỷ lệ nào và sử
dụng nhƣ thế nào. Với sự đa dạng về đặc điểm cũng nhƣ khả năng ứng dụng của từng
loại ảnh viễn thám cũng nhƣ tỷ lệ mô hình số địa hình cần thành lập, khó có thể đƣa
ra một qui trình chính xác và chi tiết. Ngoài ra, có thể kết hợp với khu vực có sẵn mô
hình số địa hình và dữ liệu vector thì ảnh vệ tinh quang học đa phổ có thể đƣợc nắn
trực giao sử dụng mô hình số địa hình và dùng làm ảnh phủ bề mặt.


9
Đối với ảnh vệ tinh quang học độ phân giải cao nhƣ Ikonos, Quickbird hay
Spot5, độ phân giải trên dƣới 1m, độ che phủ lớn và có thể đo vẽ lập thể thì qui
trình thành lập mô hình số địa hình tƣơng tự nhƣ phƣơng pháp dùng ảnh máy bay.
1.3. Tổng quan ảnh hàng không
1.3.1. Khái niệm
Thuật ngữ không ảnh là một khái niệm khoa học đƣợc sử dụng cho các ảnh
đƣợc chụp bằng phim ảnh trên các phƣơng tiện hàng không nhƣ máy bay, kinh khí
cầu và các phƣơng tiện khác trên không và đƣợc thực hiện với các loại máy ảnh
khác nhau. Nhƣ vậy là, khi nói đến không ảnh, không có nghĩa hẹp là chỉ nói tới
ảnh chụp từ máy bay. Còn khi nói ảnh thu từ máy bay chính là một trong những
phƣơng pháp thu dữ liệu không ảnh. Viễn thám hàng không là nghiên cứu đối tƣợng
không gian và các quá trình xẩy ra trên mặt đất qua không ảnh – các dữ liệu ảnh

chụp trong ngành hàng không. Nhƣ vậy, lịch sử phát triển của khoa học viễn thám
bắt đầu bằng việc chụp ảnh và tách lọc thông tin về một vật trên các bức ảnh đƣợc
chụp bằng phim ảnh [3].

Hình 1.1. Ảnh chụp trên khinh khí cầu chụp vùng Booston, tác giả James Wallace
Black vào 13 tháng 10 năm 1860 ( Thomas)


10
1.3.2. Đặc điểm của ảnh hàng không
1.3.2.1. Độ phủ mặt đất của ảnh ( Overlap)
Là diện tích mặt đất mỗi lần chụp đƣợc. Khái niệm này liên quan đến đặc
điểm của ống kính và khoảng cách hay độ cao chụp. Nếu cùng một độ cao chụp thì
độ che phủ mặt đất khác nhau liên quan đến độ mở ống kính.

Hình 1.2. Độ phủ của tấm ảnh
1.3.2.2. Tỷ lệ của ảnh hàng không
Tỷ lệ của ảnh hàng không ( S) đƣợc tính bằng bằng tỷ số của khoảng cách đo
trên ảnh ( L) chia cho khoảng cách thực trên mặt đất (D) [4]:
S = L/D. (1.1)
Khoảng cách này có thể xác định theo bản đổ. Nếu một bản đổ cùng một khu
vực với ảnh thì tỷ lệ của ảnh có thể tính bằng cách đo khoảng cách giữa hai điểm
trên bản đổ và trên ảnh, tỷ lệ ảnh sẽ đƣợc tính theo công thức:
S = khoảng cách trên ảnh/ khoảng cách trên bản đổ/ tỷ lệ bản đổ.
Nếu khoảng cách của hai điểm trên bản đổ bằng khoảng cách hai điểm trên
ảnh thì tỷ lệ của bản đổ và của ảnh bằng nhau
– Tỷ lệ ảnh sẽ dao động từ điểm này đến điểm khác tùy thuộc vào độ cao của
vật trên mặt đất. Độ cao càng lớn thì tỉ lệ ảnh càng lớn.

11
– Thông thƣờng tỷ lệ của ảnh có thể xác định bằng tỉ lệ của độ dài tiêu cự
máy ảnh so với độ cao của máy bay so với mặt đất = f/H
Trong đó: f là tiêu cự; H độ cao của máy bay so với mặt đất
– Nếu ta dùng mặt nƣớc biển làm mốc độ cao để tính độ cao của đƣờng bay
thì tỷ lệ của một ảnh hàng không đƣợc xác định:
Tỉ lệ = f/ (H – h)

(1.2)

Trong đó: H là độ cao của máy bay so với mặt nƣớc biển; h độ cao của địa
hình so với mặt nƣớc biển.
– Tỷ lệ ảnh có thể đƣợc thể hiện bằng cách:
1. Đƣa ra đơn vị tƣơng đƣơng theo thƣớc tỉ lệ, ví dụ 1 cm trên ảnh bằng 1 km
trên thực tế.
2. Theo tỷ số ví dụ 1/ 24.000, 1/ 10.000
3. Phân loại theo mức độ chi tiết
Ảnh hàng không có thể phân chia theo mức độ chi tiết nhƣ sau :
– Tỷ lệ lớn ( thƣờng từ 1: 1.000 – 1: 25.000)
– Tỷ lệ trung bình ( 1:50.000 – 1: 200.000)
– Tỷ lệ nhỏ ( 1: 500.000 – 1: 1.000.000)
– Tỷ lệ của ảnh trên địa hình gổ ghề sẽ thay đổi và thay đổi này phụ thuộc
vào độ biến thiêu của địa hình. Trong trƣờng hợp địa hình biến thiên ít có thể sử
dụng công thức chung. Trong trƣờng hợp cần chính xác hóa thì tỷ lệ của ảnh cần
xác định theo công thức:
Tỷ lệ của ảnh = tiêu cự máy ảnh/ độ cao địa hình
Độ cao trên địa hình là H’ = độ cao bay chụp (H) – độ cao địa hình (h) là độ
cao trung bình của địa hình so với mặt nƣớc biển
Nhƣ vậy, cùng một độ cao bay chụp song độ cao địa hình khác nhau sẽ có tỉ
lệ ảnh khác nhau.

1.3.2.3. Độ phân giải của ảnh hàng không
Là khái niệm dùng để xác định khả năng phân biệt đối tƣợng mặt đất. Độ
phân giải không gian phụ thuộc vào nhiều yếu tố: độ phân giải của phim ảnh, năng


12
lực của ống kính, đặc điểm hình ảnh lúc chụp, điều kiện khí quyển, điều kiện in
tráng phim ảnh. Độ phân giải của phim, ngƣời ta sử dụng khái niệm khả năng phân
biệt số cặp đƣờng trên 1 mm. Thông thƣờng phim có độ phân giải là 100 cặp
đƣờng/ mm. Đối với chụp ảnh máy bay, ngƣời ta cũng dùng khái niệm độ phân giải
mặt đất là khả năng phân biệt số cặp đƣờng trên khoảng cách 1 m ở dƣới mặt đất. Tuy
nhiên để so sánh, ngƣời ta hay dùng khái niệm độ phân giải không gian: là khoảng
cách tối thiểu để phân biệt hai đối tƣợng để gần nhau, hoặc là độ lớn tối thiểu của một
đối tƣợng trên mặt đất mà có thể phân biệt đƣợc trên ảnh ( tính bằng mét).

\\\

Hình 1.3. Hình chuẩn để kiểm tra độ phân giải.
Độ phân giải không gian của ảnh phụ thuộc vào nhiều yếu tố và tỷ lệ thuận với:
1) Độ tƣơng phản giữa đối tƣợng và mầu
2) Tỷ số giữa chiều dài trên chiều rộng
3) Tính cân đối về hình dạng của vật
4) Số lƣợng của vật trên mẫu phân giải
5) Sự đổng nhất của nền ảnh
6) Sự mở rộng của nền ảnh
1.3.2.4. Độ lệch của địa hình
Hiện tƣợng lệch của địa hình là đặc điểm xuất hiện trong chụp ảnh thẳng
đứng. Do sự chụp phối cảnh ( chụp xuyên tâm) hình ảnh của đối tƣợng sẽ bị lệch đi

13
so với thực tế. Độ lệch đó do những yếu tố: độ cao tuyệt đối của đối tƣợng và vị trí
đối tƣợng so với điểm cơ bản – hay tâm ảnh.

Hình 1.4. Ảnh hưởng độ lệch địa hình