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
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.22 MB, 87 trang )
BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI
LUẬN VĂN THẠC SĨ
ỨNG DỤNG ẢNH HÀNG KHÔNG CHỤP TỪ MÁY BAY
KHÔNG NGƯỜI 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 TRƯỜNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI
LUẬN VĂN THẠC SĨ
ỨNG DỤNG ẢNH HÀNG KHÔNG CHỤP TỪ MÁY BAY
KHÔNG NGƯỜI 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
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. NGUYỄN BÁ DŨNG
HÀ NỘI, NĂM 2017
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI
Cán bộ hướng dẫn chính: TS. Nguyễn Bá Dũng
Cán bộ chấm phản biện 1: PGS. TS. Trần Xuân Trường
Cán bộ chấm phản biện 2: TS. Nguyễn Tiến Thành
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại:
HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG 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 chưa từng được công bố trong các công
trình khác. Nếu không đúng như 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
Trước 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 người 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, hướng dẫn tôi hoàn thành tốt luận văn này trong thời gian qua.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến lãnh đạo Trường Đại học Tài nguyên và Môi
trường 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 hướng dẫn của phân xưởng 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 Mưu đã tạo điều kiện thuận lợi nhất cho tôi
trong suốt thời gian thực hiện luận văn
Với điều kiện thời gian cũng như kinh nghiệm còn hạn chếcủa một học viên,
luận văn này không thể tránh được những thiếu sót. Tôi rất mong nhận được 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.
3
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
............................................................1
tính
thực
tiễn
của
2.
Mục
tiêu
của
..................................................................................................2
đề
đề
tài
tài
3.
Phương
pháp
cứu.........................................................................................2
nghiên
4.
Nội
dung
nghiên
...............................................................................................3
cứu
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH SỐ ĐỊA HÌNH VÀ ẢNH HÀNG
KHÔNG ......................................................................................................................4
1.1.
Bản
đồ
hình...................................................................................................4
1.2.
Mô
hình
số
............................................................................................4
địa
địa
hình
1.2.1. Khái niệm về mô hình số địa hình ...................................................................4
1.2.2.
Các
dạng
thể
hiện
............................................................4
mô
hình
số
địa
hình
1.2.3. Tổng quan các phương pháp thành lập mô hình số địa hình ...........................5
1.3.
Tổng
quan
ảnh
................................................................................9
hàng
1.3.1.
Khái
.........................................................................................................9
1.3.2.
Đặc
điểm
của
.......................................................................10
ảnh
1.3.3.
Nguyên
lý
chụp
không....................................................................16
hàng
ảnh
không
niệm
không
hàng
1.3.4. Ưu, nhược điểm và các lưu ý khi sử dụng ảnh hàng không ...........................17
1.4. Tổng quan các thành tựu ứng dụng máy bay không người lái trên thế giới và
4
Việt
...................................................................................................................19
1.4.1.
Khả
năng
ứng
dụng
....................................................................19
trên
thế
Nam
giới
1.4.2. Khả năng ứng dụng tại Việt Nam...................................................................21
CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG ẢNH HÀNG KHÔNG CHỤP TỪ MÁY BAY KHÔNG
NGƯỜI LÁI (UX5) XÂY DỰNG MÔ HÌNH SỐ ĐỊA HÌNH ................................23
5
2.1. Giới thiệu tổng quan về máy bay không người lái UX5 ....................................23
2.2.
Cấu
tạo
và
đặc
điểm
thống........................................................24
kỹ
thuật
của
hệ
2.2.1. Thân máy bay Trimble UX5 ...........................................................................24
2.2.2.
ảnh...........................................................................................................25
2.2.3.
Trạm
điều
khiển
.................................................................................26
mặt
đất
2.2.4.
Bệ
.........................................................................................................27
phóng
2.2.5.
Bộ
dò
tìm
bị.............................................................................................27
2.2.6. Giới thiệu một
.......................................27
số
phần
mềm
xử
lý
Máy
thiết
ảnh
2.3.
Quy
trình
tiến
hành
.............................................................................31
hàng
bay
không
chụp
2.3.1.
Thu
thập
tài
..............................................................................................31
liệu
2.3.2.
Thực
hiện
bay
.........................................................................................31
chụp
2.3.3.
Đo
nối
khống
.....................................................................................36
chế
ảnh
2.3.4. Xử lý dữ liệu ...................................................................................................37
CHƯƠNG 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
.........................................................................41
vực
thực
nghiệm
3.1.1.
Điều
kiện
tự
...........................................................................................41
3.1.2.
Quy
mô,
tính
trình...........................................................................44
nhiên
chất
công
3.1.3.
Vai
trò
của
trình......................................................................................45
3.2.
Mục
đích
nhiệm
vụ
............................................................46
và
yêu
3.2.1
Mục
đích
của
....................................................................................46
công
cầu
nhiệm
kỹ
thuật
vụ
6
3.2.2
Yêu
cầu
thuật...............................................................................................46
kỹ
3.3.
Thiết
kế
bay
...............................................................................................48
chụp
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
........................................................57
và
đánh
giá
độ
chính
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................................62
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................62
xác
7
THÔNG TIN LUẬN VĂN
Họ và tên học viên: Hoàng Việt Hùng
Lớp: CH1TĐ
Khóa: 1
Cán bộ hướng dẫn: TS. Nguyễn Bá Dũng
Tên đề tài: Ứng dụng ảnh hàng không chụp từ máy bay không người 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 người 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 tnh ứng
dụng cao, bổ sung thêm nguồn tư liệu và công nghệ trong công tác thành lập bản
đồ bằng công nghệ ảnh.
8
DANH MỤC VIẾT TẮT
STT
Chữ viết tắt
Nghĩa Tiếng Anh
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
Nghĩa Tiếng Việt
Máy bay không người lái
Máy bay không người lái
UX5
Bộ Quốc Phòng
Tiêu chuẩn Việt Nam
Bộ Tổng tham mưu
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
8
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 hưởng 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 dưới).
...................................................................14
Hình 1.6. Chụp ảnh theo nguyên tắc khung (B) và phân tch 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 dưới Trimble UX5 ................................................................25
Hình 2.4. Máy ảnh Sony NEX-5T ............................................................................25
Hình 2.5. Góc chụp và diện tch 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. Hướng thiết kế tuyến bay ........................................................................33
Hình 2.11. Hướng 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
9
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 hướng cất hạ cánh ca bay 1 .........................................49
Hình 3.5. Lựa chọn vị trí và hướng cất hạ cánh ca bay 2 .........................................50
Hình 3.6. Bố trí vị trí các điểm khống chế ảnh .........................................................50
Hình 3.7. Đưa 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 bước 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 tễn của đề tài
Trước đây, các công nghệ sử dụng máy toàn đạc điện tử và định vị vệ tinh
(GNSS) đang được 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 được dưới 5 cm. Tuy nhiên, hai công nghệ trên có nhược điểm là
giá thành cao và tiêu tốn thời gian tương 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 trường khu đo gây nguy hiểm cho sức khỏe cho con người khi tiếp xúc trực
tiếp. Do vậy, công nghệ quét Laser mặt đất và công nghệ bay quét LiDAR được
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 tch 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 được
quét có thể đạt đến 2 mm (ví dụ cho máy Trimble TX5 Laser Scanning với khoảng
cách quét dưới 120 m). Do vậy công nghệ quét Laser được sử dụng tương đối rộng
rãi hiện nay tại nhiều nước trên thế giới và Việt Nam. Nhược điểm của công nghệ
này đó là có thể không thích hợp với các dự án có diện tch 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) được phát
triển như 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 người 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 được ứng dụng thành công, rộng rãi trong
nhiều lĩnh vực như công tác đo đạc thành lập bản đồ, giao thông, sản xuất nông
nghiệp, nghiên cứu địa chất và nghiên cứu môi trường. Ngoài việc giá thành tương
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 trường nguy hiểm. Thêm nữa, các phần mềm mã nguồn mở và phần mềm
thương mại đều tch hợp các thuật toán SFM, cho phép gần như 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). Người 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 được 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 người lái
phục vụ trong công tác thành lập mô hình số địa hình bằng phương pháp đo ảnh là
một đề tài nghiên cứu mang tnh ứng dụng cao, bổ su
ng thêm nguồn tư liệu và công nghệ trong công tác thành lập bản đồ
bằng công nghệ ảnh. Được sự hỗ trợ từ nhà nghiên cứu đề tài cấp bộ “ Nghiên
cứu ứng dụng công nghệ địa tin học nâng cao chất lượng dữ liệu không gian phục
vụ công tác điều tra quy hoạch tài nguyên nước”, mã số 2015.02.12 đề tài luận
văn thạc sĩ: “Ứng dụng ảnh hàng không chụp từ máy bay không người 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 được thực hiện.
2. Mục têu của đề tài
Sử dụng được ảnh hàng không chụp từ máy bay không người lái UX5 để xây
dựng được mô hình số địa hình tỷ lệ 1:10000 phục vụ quản lý công trình thủy lợi
thủy điện
3. Phương pháp nghiên cứu
– Về lý thuyết:
3
+ Phương pháp thu thập tài liệu, số liệu: Tham khảo các tài liệu như các bài
giảng, luận văn, luận án tốt nghiệp, mạng internet về ứng dụng máy bay không
người lái.
+ Phương pháp xử lý số liệu: gồm các công việc thống kê, tổng hợp, phân tch
so sánh độ chính xác của các số liệu tài liệu và kết quả nghiên cứu.
– Về thực nghiệm:
+ Phương 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.
+ Phương pháp điều tra: điều tra bổ sung ngoại nghiệp thông tin đối tượng địa
lý.
4. Nội dung nghiên cứu
– Quy trình chụp ảnh bằng máy bay không người lái;
– Quy trình thành lập mô hình số địa hình bằng ảnh máy bay không người lái;
– Sử dụng ảnh hàng không chụp từ máy bay không người 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 như sau:
MỞ ĐẦU
Chương 1. Tổng quan về mô hình số địa hình và ảnh hàng không
Chương 2. Ứng dụng ảnh hàng không chụp từ máy bay không người lái
(UX5) xây dựng mô hình số địa hình
Chương 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
CHƯƠNG 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 được thể hiện bằng ký
hiệu quy định, những ký hiệu đó được gọi là ngôn ngữ bản đồ và đã thông qua một
quá trình tổng kết hóa nhằm phản ánh sự phân bố các tnh chất, các mối quan hệ,
sự biến đổi các đối tượng và các hiện tượng 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
cư, 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 hướng dễ dàng,
nhanh chóng ngoài thực địa. Các yếu tố thể hiện trên bản đồ cần phải đầy đủ,
chính xác, cho phép người đọc xác định được định tnh, định lượng 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 lượng điểm xác định, thành phần của mô hình số địa hình là
các điểm trên bề mặt đất được cho bởi tọa độ ( X, Y, Z) trong hệ tọa độ nào đấy.
Các vị trí này được bố trí tùy theo dáng địa hình có thể là điểm nút hoặc mắt lưới
của mạng kèm theo hàm toán học mô phỏng bề mặt địa hình giữa các điểm nút
lưới đó [2].
1.2.2. Các dạng thể hiện mô hình số địa hình
– Dạng GRID: Là một lưới ô vuông được phủ trùm lên khu vực địa hình cần
nghiên cứu vị trí và độ cao của lưới ô vuông sẽ được đo trực tiếp bằng phương pháp
đo lập thể hoặc có thể nội suy. Kích thước của lưới ô vuông quyết định đến độ
5
chính xác của mô hình cần thành lập. Lưới ô vuông là lưới dễ thực hiện nhưng độ
chính xác thể hiện địa hình là không cao.
– Dạng TIN: Là lưới gồm các tam giác liên kết lại với nhau và được phủ trùm
lên bề mặt địa hình khu vực nghiên cứu. Lưới 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 lưới TIN
sẽ được xác định thông qua phương pháp đo lập thể hoặc nội suy. Thông
thường lưới TIN được nội suy trên cơ sở lưới 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 tếp ngoài thực
địa
a. Các bước tiến hành
– Khảo sát, thiết kế, xây dựng luận chứng kinh tế – kỹ thuật.
– Lập lưới khống chế trắc địa (lưới 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 nước, 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 nước, tnh
toán bình sai kết quả đo, chuyển tọa độ của các điểm lưới lên bản vẽ.
– Đo đạc chi tiết ngoài thực địa: đặt máy đo đạc lần lượt tại vị trí các điểm
của lưới khống chế đo vẽ để tiến hành đo vẽ chi tiết các đối tượng xung quanh điểm
đặt máy. Các kết quả đo cùng dữ liệu có liên quan được tự động ghi vào bộ nhớ của
máy.
– Nhập số liệu máy tnh, tiền xử lý kết quả đo, xác định tọa độ của các điểm
đo chi tiết, phân lớp đối tượng, dựng hình (nối các đối tượng dạng đường và
ranh giới các đối tượng vùng). Kiểm tra chất lượng đo, đo bù hoặc đo bổ sung nếu
đo sai hoặc thiếu.
b. Ưu, nhược điểm
– Ưu điểm:
Phản ánh trung thực, chính xác, chi tiết các đối tượng nội dung mô hình số
địa hình cần thể hiện.
– Nhược điểm:
+ Chịu ảnh hưởng 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 tch nhỏ.
– Ứng dụng:
+ Phục vụ đo vẽ bản đồ địa hình, địa chính tỉ lệ lớn trên quy mô diện tch
không quá lớn, chủ yếu thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn ở các vùng dân cư, đặc
biệt là khu vực đô thị có mật độ dân cư đông đúc, công trình nhiều.
+ Đo vẽ bổ sung, kết hợp với các phương 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 bước tiến hành
– Khảo sát, thiết kế, xây dựng luận chứng kinh tế – kỹ thuật.
– Chụp ảnh hàng không: ảnh được chụp từ máy chụp ảnh chuyên dụng
đặt trong máy bay.
– Lập lưới khống chế ảnh ngoại nghiệp. Các tờ ảnh sau khi bay chụp cần
được xác định chính xác vị trí của nó trong hệ tọa độ mặt phẳng (x, y) và trong hệ
độ cao nhà nước, nhờ lưới khống chế ảnh. Các điểm của lưới khống chế ảnh là
những điểm được thiết kế, đánh dấu mốc trên mặt đất, và được nhận biết rõ
trên ảnh. Tọa độ của những điểm này hoặc là đã có hoặc được 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 được xác định ngoài thực địa như trên là
không đủ. Cần tiến hành tăng dày các điểm khống chế ảnh, tnh 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 phương pháp thành lập bản đồ hàng không các đối
tượng địa hình mặt đất được 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 tượng được gọi là điều vẽ ảnh. Điều vẽ ảnh được được tiến hành
trong
7
phòng trước, sau đó tiến hành điều vẽ ngoài trời để xác định tnh đúng đắn của
quá trình giải đoán trong phòng.
– Đo vẽ ảnh: được tiến hành theo các phương pháp
+ Phương pháp lập thể: ảnh chụp có độ phủ cùng hai tờ ảnh cùng hàng liền
kề sẽ tạo thành một mô hình lập thể, phương pháp này được sử dụng cho mọi khu
vực, mọi điều kiện địa hình.
+ Phương pháp tổng hợp bình đồ ảnh: phần địa vật được vẽ trên cơ sở bình
đồ ảnh, phần dáng đất có thể đo vẽ trực tiếp trên thực địa, trên bình đồ địa vật.
+ Phương pháp đo vẽ ảnh số: đây là phương pháp công nghệ tiên tiến
nhất hiện nay. Địa vật và địa hình đều được 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. Ưu, nhược điểm và khả năng ứng dụng
– Ưu điểm:
+ Loại bỏ khó khắn, vất vả của công tác ngoại nghiệp.
+ Cùng một lúc có thể đo vẽ được vùng rộng lớn, rút ngắn thời hạn sản xuất,
hạ giá thành bản đồ.
– Nhược điểm:
+ Độ chính xác bản đồ phụ thuộc vào chất lượng 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
như 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 như 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 được. Để xây dựng các đối tượng 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 được ưu
thế của cả hai loại ảnh. Tuy nhiên với độ chính xác của mô hình số địa hình tạo từ
ảnh Radar như trên thì phương 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 thường 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 thường, ảnh được 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 tượng 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 dưới 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 như 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 như thế nào. Với sự đa dạng về đặc điểm
cũng như khả năng ứng dụng của từng loại ảnh viễn thám cũng như tỷ lệ mô hình số
địa hình cần thành lập, khó có thể đưa 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 được 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 như Ikonos, Quickbird hay
Spot5, độ phân giải trên dưới 1m, độ che phủ lớn và có thể đo vẽ lập thể thì
qui trình thành lập mô hình số địa hình tương tự như phương 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 được sử dụng cho các ảnh
được chụp bằng phim ảnh trên các phương tiện hàng không như máy bay, kinh khí
cầu và các phương tiện khác trên không và được thực hiện với các loại máy ảnh
khác nhau. Như 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
phương pháp thu dữ liệu không ảnh. Viễn thám hàng không là nghiên cứu đối
tượng không gian và các quá trình xẩy ra trên mặt đất qua không ảnh – các dữ liệu
ảnh chụp trong ngành hàng không. Như 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
được 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 tch mặt đất mỗi lần chụp được. 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) được tnh 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 tnh bằng cách đo khoảng cách giữa hai
điểm trên bản đổ và trên ảnh, tỷ lệ ảnh sẽ được tnh 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 thường 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 nước biển làm mốc độ cao để tnh độ cao của đường bay
thì tỷ lệ của một ảnh hàng không được xác định:
Tỉ lệ = f/ (H – h)
(1.2)
Trong đó: H là độ cao của máy bay so với mặt nước biển; h độ cao của địa
hình so với mặt nước biển.
– Tỷ lệ ảnh có thể được thể hiện bằng cách:
1. Đưa ra đơn vị tương đương theo thước 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 như sau :
– Tỷ lệ lớn ( thường 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 trường hợp địa hình biến thiên ít có thể
sử dụng công thức chung. Trong trường 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 nước biển
Như 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 tượng mặt đất. Độ
phân giải không gian phụ thuộc vào nhiều yếu tố: độ phân giải của phim ảnh, năng
