Khảo sát khả năng sử dụng máy chụp ảnh hàng không kỹ thuật số trong điều kiện việt nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - A CHT
-------WX-------------WX-------

PHAN NGC SN

khảo sát khả năng sử dụng
máy chụp ảnh hng không kỹ thuật số
trong điều kiện việt nam

LUN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội - 2011


Bộ giáo dục v đo tạo
Trờng đại học mỏ - địa chất

-------WX-------

Phan ngọc sơn

khảo sát khả năng sử dụng
máy chụp ảnh hng không kỹ thuật số
trong điều kiện việt nam

Chuyên ngành: Bản đồ, viễn thám và hệ thống thông tin địa lý
MÃ số: 60.44.76

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Ngời hớng dẫn khoa học
PGS. TS Trần đình trí

Hà Nội - 2011


1

Lời CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả trong luận văn là trung thực và cha từng đợc ai công bố trong bất kỳ
công trình nào khác.
Hà Nội, ngày 06 tháng 4 năm 2011.
Tác giả luận văn

Phan Ngọc Sơn





2

Mục Lục
Trang
LờI CAM ĐOAN

1

MụC LụC

2

DANH MụC CáC THUậT NGữ, CáC CHữ VIếT TắT

4

DANH MụC CáC BảNG

5

DANH MụC CáC HìNH Vẽ

6

Mở ĐầU

9

Chơng 1: Giới thiệu chung về công tác bay chụp ảnh

13

hàng không và một số hệ thống máychụp ảnh hàng
không kỹ thuật số hiện nay

1.1 Công tác bay chụp ảnh hàng không

13

1.2 Các hệ thống máy chụp ảnh kỹ thuật số trên thế giới

16

Chơng 2: Hệ thống máy chụp ảnh số UltraCAM XP W/A

42

2.1 Giới thiệu về máy chụp ảnh hàng không kỹ thuật số Vecxel Ultracam

42

Xp W/a
2.2 Hệ thống định vị POS/AV

47

2.3 Phần mềm sử dụng trong hệ thống máy chụp ảnh hàng không kỹ thuật

49

số Vecxel Ultracam Xp W/a.
2.4 Phân tích so sánh giữa các máy ảnh số.

50

Chơng 3: ứng dụng hệ thống máy chụp ảnh số ultraCAM

58

XP W/A tiến hành trên khu chụp tuyến biên giới Việt Nam Cam Pu Chia

3.1 Máy bay phục vụ chụp ảnh

58

3.2 Công tác chọn tài liệu, t liệu sử dụng trong thi công

58

3.3 Thiết kế và quy định kỹ thuật đo ®iĨm tr¹m Base (GPS)

58

 
 


3

3.4 Thiết kế bay và quy định chụp ảnh trên khu chụp tuyến biên giới song

61

phơng Việt Nam - CamPuChia.
3.5 Các phơng tiện kỹ thuật, nhân lực phục vụ trong công tác bay chụp ảnh.

65

3.6 Thao tác trong khi làm nhiệm vụ trên không

66

3.7 Quy trình trút dữ liệu và xử lý dữ liệu ảnh số

69

3.8 Xử lý số liệu GPS/IMU và nguyên tố định hớng ngoài (EO)

81

3.9 Các bớc chính trong xử lý ảnh số để tạo bình đồ ảnh

93

3.10 Kiểm tra đánh giá chất lợng bay chụp, đóng gói giao nộp sản phẩm.

99

3.11 Đánh giá tại thời điểm hiện tại qua các công trình đang thực hiện.

100

KếT LUậN Và KIếN NGHị.

102

TàI LIệU THAM KHảO.

104

PHụ LụC 1

105

PHụ LụC 2

119

PHụ LôC 3

120

 
 


4

DANH MụC CáC THUậT NGữ, CáC CHữ VIếT TắT
DGPS

Differential Global Positioning
System

GPS vi phân

DMC

Digital Mapping Camera

Máy ảnh kỹ thuật số DMC

DEM

Digital Elevation Model

Mô hình số độ cao

CCD

Charge Coupled Device

Bộ cảm biến

FMC

Forward Motion Compensation

HƯ thèng chèng tr−ỵt

FMS

Flight management system

Hệ thống quản lý bay

GPS

Global Positioning System

Hệ thống định vị toàn cầu

GCP

Ground control points

Điểm khống chế mặt đất

IMU

Inertial Measurement Unit

Thiết bị đo quán tính

ISAT

The ImageStation Automatic Triangulation

Trạm tăng dày ảnh tự động

Position and Orientation System for

Hệ thống định hớng và

Airborne Vehicle

định vị cho máy ảnh

Postprocessing Software

Phần mềm xử lý

POS/AV
PPS
LiDAR

Light Detection And Ranging

Dò và đo khoảng cách
bằng sóng ánh sáng

RMS

Root Mean Square

Sai số trung phơng

TBFR

Time Between Frame

Thời gian giữa hai tấm ảnh





5

DANH MụC CáC BảNG
Bảng 2.1 Các thông số kỹ thuật chủ yếu của máy ảnh...................................50
Bảng 2.2 So sánh độ phủ mặt đất giữa UltraCam-Xp và DMC........................53
Bảng 2.3 Độ phân giải không gian tối đa của UltraCam-Xp tại các độ cao
thấp..................................................................................................................54
Bảng 3.1 Một số thông số chủ yếu của các phân khu biên giới.......................63
Bảng 3.2 Quy trình bay chụp và thu sè liÖu GPS/IMU....................................67

 
 


6

DANH MụC CáC HìNH Vẽ

Hình 1.1 Máy chụp ảnh số khổ lớn DMC của hÃng Z/I.............................. 17
Hình 1.2 Máy chụp ¶nh sè khỉ lín Ultra Cam XP W/A............................. 17
H×nh 1.3 Máy chụp ảnh số ADS 40 của hÃng Leica (quét theo dòng)......... 18
Hình 2.1 Máy chụp ảnh Vexcel UltraCam XP W/A.................................... 42
Hình 2.2 Thông số máy chụp ảnh Vexcel UltraCam XP W/A .................... 43
Hình 2.3 Nguyên lý ghép ảnh của máy UltraCam XP W/A ........................ 44
Hình 2.4 Các ảnh riêng biệt của hệ thống ống kính..................................... 45
Hình 2.5 Máy chụp ¶nh UltraCam Xp W/a vµ bé xư lý ghi sè liệu ............. 45
Hình 2.6 Phía trong máy chụp ảnh và ổ cứng chứa dữ liệu.......................... 46
Hình 2.7 Nơi đặt giá máy và nguồn điện cung cấp cho máy chụp ảnh........ 47
Hình 2.8 Mô tả các góc xoay của tâm GPS, máy chụp ảnh ........................ 48
Hình 2.9 Chơng trình dẫn đờng bay ......................................................... 49
Hình 2.10 Phần mềm Camera Operation Software (COS) 3.60 ................... 49
Hình 2.11 Các bớc chính xử lý ảnh số của phần mềm Ultramap............... 50

Hình 2.12 Kết nối mạng các máy tính để tận dụng bộ vi xử lý ................... 50
Hình 2.13 Hệ trục tọa độ tham chiếu .......................................................... 55
Hình 2.14 Thiết kế các tuyến bay và điểm khống chế ................................ 56
Hình 2.15 Nhập thông số cánh tay đòn trong chơng trình POSPAC MNS57
Hình 3.1 Quy cách mốc chôn ngoài thực địa .............................................. 59
Hình 3.2 Cài đặt thông số thu tại máy GPS................................................. 60
Hình 3.3 Kiểm tra thông số đo bằng TGOffice............................................ 61
Hình 3.4 Thiết kế bay khu Biên giíi Song ph−¬ng ...................................... 63
 
 


7

Hình 3.5 Nhập thông số thiết kế bay............................................................ 64
Hình 3.6 Minh họa thiết kế bay một phân khu ............................................ 65
Hình 3.7 Minh họa báo cáo bay khu vực CV9 ngày chụp 16/03/2011 ........ 65
Hình 3.8 Trạm xử lý UltraMap và nôi trút Docking Sation_Data interface. 69
Hình 3.9 Chơng trình Ultramap Raw Data Center ..................................... 70
H×nh 3.10 Néi dung 13 file trút ra của một ảnh gốc .................................... 71
Hình 3.11 Định dạng toàn bộ số ổ cứng khi cần thiết.................................. 72
Hình 3.12 Chơng trình RawQvQview để xem nhanh ảnh gốc................... 73
Hình 3.13 Ghép 9 tấm ảnh đợc chụp từ 4 ống kính chính lại với nhau...... 74
Hình 3.14 Chọn xử lý từng tuyến bay hoặc cả ngày bay ............................. 74
Hình 3.15 lệnh Create Tie Point Collection... tạo ảnh mức 3....................... 75
Hình 3.16 Chơng trình job monitor hiển thị xử lý ảnh............................... 75
Hình 3.17 Chơng trình Ultramap View sử dụng xem ảnh mức 2, 3 .......... 76
Hình 3.18 Chơng trình Ultramap Radionmetry ......................................... 76
Hình 3.19 Cách thể hiện ảnh trong chơng trình Ultramap Radionmetry... 77
Hình 3.20 Công cụ chỉnh ảnh trong chơng trình Ultramap Radionmetry.. 77

Hình 3.21 Hiển thị thông tin của tấm ảnh đang xử lý.................................. 78
Hình 3.22 Các tấm ảnh sau khi chỉnh màu chuẩn bị tạo ảnh mức 3 ............ 78
Hình 3.23 Tạo ảnh mức 3 với lựa chọn kiểu ảnh đầu ra .............................. 79
Hình 3.24 Tạo ảnh kiểu RGB 8 bit với độ phân giải cao ............................. 79
Hình 3.25 Tạo ảnh đen trắng Gray............................................................... 80
Hình 3.26 Tạo ảnh tổ hợp màu RGB............................................................ 81
Hình 3.27 Tạo ảnh ảnh cận hồng ngoại CIR................................................ 81
Hình 3.28 Chơng trình POSPac MMS 5.3.................................................. 82
 
 


8

Hình 3.29 Dữ liệu thu GPS của trạm trên không và mặt đất ........................ 83
Hình 3.30 Khởi tạo một hệ tọa độ mới......................................................... 84
Hình 3.31 ấn định trạm Base Stations .......................................................... 85
Hình 3.32 Nhập vào dữ liệu trên không ....................................................... 86
Hình 3.33 Dữ liệu tâm ảnh đợc hiển thị trớc khi tính toán xử lý ............. 86
Hình 3.34 Xử lý Single Base Station ............................................................ 87
H×nh 3.35 Xư lý víi sù tham gia tính tại một trạm base .............................. 88
Hình 3.36 Hiển thị bằng lệnh Display Plots................................................. 88
Hình 3.37 Kết quả sai số của North.. (đỏ), East.. (đen) và Down.. (xanh) .. 89
Hình 3.38 Kết quả kiểm định Lever Arms and Mounting Arm................... 90
Hình 3.39 Kết quả tính Single Basse Station lần thứ 2................................. 90
Hình 3.40 Chơng trình POSPac MMS 5.3 sau khi đà xử lý ....................... 91
Hình 3.41 Chơng trình POSPac MMS 5.3 xư lý víi lƯnh Smartbase ......... 91
H×nh 3.42 Tạo Overview ảnh số bằng chơng trình DIPEdit Ver 5.0 ......... 93
Hình 3.43 Tăng dầy bằng chơng trình Aerial Triangulation...................... 94
Hình 3.44 Bớc chọn lệnh Bundle trong chơng trình Aerial Triangulation

...................................................................................................................... 95
Hình 3.45. Tăng dầy bằng chơng trình ImageStation Automatic
Triangulation ................................................................................................ 97
Hình 3.46 Chơng trình Geomedia Professional để nắn và ghép bình đồ ảnh
...................................................................................................................... 98





9

Mở đầu
1. Tính cấp thiết của đề tài
Ngành địa hình quân sự nhất thiết phải tiên phong trong lĩnh vực công
nghệ, đáp ứng mọi yêu cầu về t liệu địa hình trong bảo vệ và xây dựng tổ
quốc. Đảm bảo chủ động hoàn thành tốt mọi nhiệm vụ thờng xuyên cũng
nh đột xuất. Theo định hớng phát triển của ngành, công nghệ ảnh hàng
không và viễn thám là một trong những công nghệ mũi nhọn.
Công tác đảm bảo t liệu địa hình trong quân đội đòi hỏi ngày càng cao
để đáp ứng với hình thái chiến tranh công nghệ cao. Cơ sở dữ liệu để xây dựng
hệ thống thông tin địa lý (GIS) đòi hỏi chất lợng cao, nội dung phong phú là
cơ sở tin cậy giúp ngời chỉ huy đa ra những quyết định nhanh chóng, chính
xác trong các ®iỊu kiƯn cơ thĨ. Trªn thÕ giíi hiƯn ®· cã những hệ thống hỗ trợ
quyết định kết hợp GIS và các kiến thức chuyên gia.
Trong công tác đảm bảo dữ liệu địa hình phục vụ an ninh quốc phòng,
ảnh hàng không là t liệu đầu vào cực kỳ quan trọng. Trong điều kiện địch sử
dụng các thiết bị công nghệ cao trong chiến tranh nh hiện nay cần thiết phải
cung cấp t liệu nhanh chóng với độ chính xác cao. Kết hợp với hệ thống
POS/AV là hệ thống sử dụng máy định vị vệ tinh và bộ đo quán tính

(GPS/IMU) để xác định trực tiếp các nguyên tố định hớng ngoài của các tấm
ảnh. Các loại bản đồ tỷ lệ 1/25.000 và nhỏ hơn sẽ đợc thực hiện nhanh chóng
do không cần đo đạc khống chế ảnh ngoại nghiệp đặc biệt là các vùng đi lại
khó khăn nh vùng núi cao, hải đảo, các vùng tranh chấp có chiến sự...
Mặc dù những năm gần đây ảnh vệ tinh độ phân giải cao đà đợc thơng
mại hóa, nhng trong vòng vài thập niên tới vẫn cha thể thay thế đợc ảnh
hàng không trong việc cung cấp chi tiết các dữ liệu mặt đất để thành lập bản
đồ tỷ lệ vừa và lớn. Cha đáp ứng đợc yêu cầu về độ chính xác cũng nh tính
chủ động, chịu ảnh hởng nhiều của thời tiết. Những nớc phát triển nh Mỹ,
Nhật, Đức, Hà Lan...vẫn tiếp tục đầu t và phát triển các hệ thống chụp ảnh số
hàng không phục vụ cho nhu cầu chiến lợc lâu dài. Hiện tại trên thế giới đÃ




10

có khoảng 200 hệ thống máy ảnh số đợc đa vào sử dụng. Nhiều dự án đầu
t của nớc ngoài đầu t vào nớc ta cũng nh các nớc trong khu vực đều đỏi
hỏi phải sử dụng sản phẩm từ máy ảnh số nh một yêu cầu bắt buộc.
Những tiện ích mà máy chụp ảnh hàng không kỹ thuật số đem lại là rất
lớn. ảnh số hàng không không những nâng cao dung lợng và chất lợng
thông tin mà còn më ra nhiỊu øng dơng trong lÜnh vùc ®iỊu tra cơ bản, đồng
thời thích ứng với các hệ thống xử lý ảnh hiện đại nh công nghệ đo vẽ thành
lập bản đồ bằng phơng pháp ảnh số, công nghệ giải đoán ảnh số thành lập
bản đồ chuyên đề, công nghệ xây dựng cơ sở dữ liệu thông tin địa lý...
Công nghệ chụp ảnh số kết hợp với công nghệ định vị toàn cầu (GPS) và
các hệ thống xác định quán tính (IMU) đà tạo ra một quy trình công nghệ
thành lập bản đồ hoàn chỉnh. Sự kết hợp này cho phép dẫn đờng bay, xác
định tọa độ tâm chụp ảnh và các thông số về các góc định hớng của ảnh, do đó

giúp cho công tác thành lập bản đồ từ ảnh hàng không giảm tối đa khối lợng
ngoại nghiệp, tiết kiệm thời gian và kinh phí.
Đợc sự đồng ý của Trờng Đại học Mỏ - Địa Chất và sự hớng dẫn trực tiếp
và nhiệt tình của PGS. TS Trần Đình Trí, tôi đà chọn đề tài Khảo sát khả năng
sử dụng máy chụp ảnh hàng không kỹ thuật số trong điều kiện Việt Nam.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu làm rõ các đặc tính kỹ thuật nổi trội v ứng dụng hệ thống máy
chụp ảnh hàng không kỹ thuật sè Vexcel UltraCam XP W/a trong thùc tÕ s¶n
xt hiƯn tại ở Việt Nam.
3. Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu các khả năng ứng dụng thực tế của hệ thống máy chụp ảnh
hàng không kỹ thuật số Vexcel UltraCam XP W/a.
4. Nội dung nghiên cứu
Nghiên cứu các đặc tính cơ bản của hệ thống máy chụp ảnh hàng không kỹ
thuật số Vexcel UltraCam XP W/a, khả năng sử dụng để đa vào ứng dụng sản
xuất tại nớc ta.




11

5. Phơng pháp nghiên cứu
Trớc hết, luận văn tập trung nghiên cứu các vấn đề lý thuyết cơ bản nhất
liên quan đến máy chụp ảnh số hàng không, sau đó trên thực tế sản xuất đa
ra kết quả để đánh giá độ chính xác và các tính năng u việt của hệ thống máy
chụp ảnh hàng không kỹ thuật số Vexcel UltraCam XP W/a.
Phơng pháp thống kê: Thu thập, tổng hợp, xử lý các thông tin và tài liệu
liên quan.
Phơng pháp phân tích: Sử dụng các phơng tiện và các công cụ tiện ích,

phân tích logic các t liệu, đánh giá khách quan các yếu tố để đa ra kết luận
chính xác làm cơ sở giải quyết các vấn đề đặt ra.
Phơng pháp so sánh: Tổng hợp các kết quả, so sánh, đánh giá, đa ra các
kết luận chính xác về vấn đề nêu ra.
Phơng pháp chuyên gia: Thu thập, tổng hợp và phân tích các ý kiến
chuyên gia làm cơ sở đa ra các kết luận khoa học.
Phơng pháp thực nghiệm: Tiến hành thực nghiệm để chứng minh cho các
luận chứng khoa học đà đa ra.
6. ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Đầu t đổi mới công nghệ phù hợp với chiến lợc phát triển ngành Địa hình
quân sự theo từng giai đoạn và đúng xu thÕ chung cđa thÕ giíi trong lÜnh vùc kü
tht nµy.
Sư dụng hệ thống máy ảnh số để thành lập cơ sở dữ liệu địa hình quân sự ở
các tỷ lệ phủ trùm toàn bộ lÃnh thổ Việt Nam và các nớc trong khu vực.
ứng dụng công nghệ chụp ảnh số trong việc cung cấp thông tin, cập
nhật dữ liệu bản đồ, thông tin địa lý, xây dựng bản đồ ba chiều (3D), bản đồ
địa hình và các loại bản đồ chuyên đề khác.
7. Cấu trúc của luận văn
Luận văn gồm 121 trang, đợc chia làm 3 chơng với 5 bảng biểu và 64
hình vẽ.
Trong suốt thời gian học tập tại trờng Đại học Mỏ - Địa chất, tôi đà nhận




12

đợc sự giúp đỡ quý báu của các Thầy, Cô giáo trong trờng; Ban lÃnh đạo Xí
nghiệp Chụp ảnh Hàng không nơi tôi công tác, cùng tập thể các bạn đồng
nghiệp. Nhân dịp này, tôi xin trân trọng gửi lời cảm ơn tới:

- Ban chủ nhiệm cùng toàn thể các thầy, cô giáo thuộc Khoa trắc địa, đặc
biệt là bộ môn Đo ảnh viễn thám thuộc Trờng đại học Mỏ - Địa chất, Hà Nội.
- Xí nghiệp Chụp ảnh Hàng không, Công ty TNHH MTV Trắc địa - Bản đồ
thuộc Cục Bản đồ, BTTM
- Phòng Khoa học - Kỹ thuật công nghệ thuộc Công ty TNHH MTV Trắc
địa - Bản ®å thc Cơc B¶n ®å, BTTM
- XÝ nghiƯp Bay chơp và đo vẽ ảnh ảnh thuộc Tổng công ty Tài nguyên và
Môi trờng Việt Nam.
Cũng qua đây, tôi xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn trân trọng tới: PGS.TS
Trần Đình Trí, ngời đà trực tiếp hớng dẫn, giúp đỡ, đóng góp nhiều ý kiến
quý báu trong quá trình chọn và nghiên cứu đề tài này. Tôi cũng xin cảm ơn tới
toàn thể bạn bè, đồng nghiệp đà luôn quan tâm, động viên giúp đỡ và tạo mọi
điều kiện thuận lợi để tôi học tập, công tác hoàn thành tốt khãa häc.

 
 


13

Chơng 1: Giới thiệu chung về công tác bay
chụp ảnh hng không v một số hệ thống máy
chụp ảnh hng không kỹ thuật số hiện nay.
1.1 Công tác bay chụp ảnh hàng không
1.1.1 Khái niệm về quá trình chụp ảnh hàng không
Chụp ảnh hàng không là dùng các thiết bị bay trên không nh không khí
cầu, tàu lợn, máy bay ... để mang máy ảnh lên cao chụp bề mặt của mặt
đất. Sản phẩm của chụp ảnh hàng không là các tấm ảnh theo một tỷ lệ phù
hợp với mục đích sử dụng và dựa vào các tấm ảnh đó ta có thể tiến hành đo
vẽ thành lập bản đồ gốc hoặc đoán đọc điều vẽ các địa vật chụp đợc trên

ảnh. Quá trình chụp ảnh hàng không có thể đợc thực hiện nhờ các máy
chụp ảnh quang cơ hoặc máy chụp ảnh số.
1.1.2 Các máy móc thiết bị hỗ trợ khác dùng cho công tác bay chụp
+/ Giá máy chụp ảnh hàng không
Khi hoạt động, động cơ máy bay sÏ t¹o ra mét lùc nhiƠu lo¹n chu kú trun
cho tất cả các bộ phận trên máy bay trong đó có máy chụp ảnh hàng không. Lực
này sẽ tạo ra mômen xoắn không đều của động cơ máy bay, tạo ra sự không cân
bằng động lực, tĩnh lực... Ngoài ra, do luồng không khí xoáy của cánh quạt và
thân máy bay, lực nhiễu loạn khí động học sẽ xuất hiện. Những lực này sẽ làm
cho các bộ phận của máy bay dao động với biên độ nhỏ nhng có tần số lớn.
Nhờ có giá máy chụp ảnh nên máy ảnh đợc đa về vị trí xác định, trong một
số trờng hợp máy ảnh còn đợc cân bằng và định hớng. Ngoài ra, giá máy chụp
ảnh còn giảm bớt tác dụng rung động của máy bay đến máy chụp ảnh, giảm bớt
độ xóc của máy bay đến máy ảnh khi cất, hạ cánh cũng nh khi chạy trên mặt
đất. Giá máy chụp ảnh hàng không làm việc theo nguyên lý ổn định con quay
hiện nay đợc dùng khá phổ biến trên thế giới. Nó có khả năng:
- ổn định do xóc và lắc trong phạm vi 50;
- ổn định do trôi dạt phạm vi 300;
- Độ lệch góc còn lại của trục quang máy chụp ảnh so với




14
đờngdây dọi trong phạm vi 0,20.
+/ Thiết bị dẫn đờng bay và xác định tọa độ tâm chụp bằng GPS
Khi chụp ảnh ở vùng rừng núi ít điểm định hớng hoặc khi bay chụp tỷ lệ
lớn do tốc độ mặt đất lớn nên việc dẫn đờng bay bằng mắt gặp nhiều khó khăn
và gây căng thẳng cho hoa tiêu. Để khắc phục khó khăn này, trong các hệ thống
chụp ảnh hiện đại, ngoài thiết bị dẫn đờng bằng mắt truyền thống nh telescop,

ngời ta còn trang bị hệ thống dẫn đờng bằng GPS .
Hệ thống định vị toàn cầu GPS là hệ thống xác định vị trí bằng cách đo
khoảng cách tới các vệ tinh và không chỉ tạo ra khả năng mới cho việc dẫn
đờng bay, mà còn cho cả việc xác định tọa độ không gian XS , YS, ZS của tâm
chụp. Sau khi GPS đợc ứng dụng vào chụp ảnh hàng không, ta tính đợc tọa
độ, độ cao tâm ảnh vào thời điểm chụp ảnh và các thông số này là yếu tố hỗ
trợ thêm trong phần mềm tăng dày tọa độ điểm khống chế ảnh néi nghiƯp,
nh−ng chØ cã 1m×nh sè liƯu GPS th× ch−a tính đợc các nguyên tố định hớng
ảnh. Muốn xác định đợc nguyên tố định hớng ảnh tại thời điểm chụp ảnh,
thì ta phải đa vào khái niệm thiết bị định vị quán tính (IMU). Khi kết hợp
GPS và IMU vào chụp ảnh hàng không thì ta có thể tính toán đợc tọa độ tâm
ảnh và nguyên tố định hớng ảnh tại thời điểm chụp ảnh.
1.1.3 Thực trạng công nghệ chụp ảnh hàng không hiện nay ở Việt Nam
Công nghệ bay chụp ảnh hàng không tại Việt nam bắt đầu đợc đầu t
phát triển vào khoảng những năm 1965 để phục vụ trong quân đội. Hiện
nay, tại Việt nam có hai hệ thống máy ảnh hàng không là hệ thống máy chụp
ảnh RC30 (Thụy Sỹ) của Công ty THHH MTV Trắc địa Bản đồ - BQP và hệ
thống máy chụp ảnh RMK-TOP15 (Đức) hiện đang đợc sử dụng tại Công ty
Đo đạc ảnh địa hình, Tổng công ty Tài nguyên Môi trờng, Bộ Tài nguyên và
Môi trờng. Cả 2 hệ thống đều là thế hệ máy chụp ảnh quang cơ sử dụng
film chụp chuyên dụng dạng đen trắng và dạng màu.
Hệ thống chụp ảnh RMKTOP 15 bao gồm: Máy chụp ảnh RMKTOP 15,
Đầu camera, tiêu cự 152mm, Đế máy cân bằng tự động T - AS, catset để lắp




15

phim chụp T-MC, máy tính chụp ảnh T-TL, ống ngắm chụp ảnh T-NT, máy tính

dẫn đờng và chụp ảnh T - NC, trung tâm điều khiển T - CU. Phần mềm thiết
kế và dẫn đờng bay chụp ảnh T FLIGHT, phÇn mỊm thiÕt kÕ T-PLAN, phÇn
mỊm dÉn tun bay chụp T-NAV, phần mềm tính toán tọa độ tâm ảnh SKIP
Máy chụp ảnh Wild RC-30 bao gồm các thành phần sau: Máy chụp ảnh
WILD RC-30, tiêu cự f2=153mm, hộp đựng film FMC, giá máy chụp ảnh
WILD PAV-30, Bộ điều khiển bay chụp ASCOT, phần mềm dẫn đờng bay,
phần mềm tính toán tọa độ tâm ảnh SKIP
Đồng thời với hệ thống máy chụp ảnh, hệ thống xử lý ảnh số bao gồm máy
tráng phim, máy quét ảnh, các trạm xử lý ảnh số và các phần mềm chuyên dụng
đợc đầu t đồng bộ để hình thành dây chuyền công nghệ đo vẽ thành lập bản
đồ bằng phơng pháp ảnh số. Dây chuyền công nghệ thành lập bản đồ số đÃ
đợc đầu t nâng cấp để duy trì hoạt động ổn định. Tuy nhiên do phải hoạt
động qua các công đoạn nh: tráng rửa phim ảnh, quét phim, in ảnh kiểm tra
tiếp đến là tăng dày, đo vẽ ảnh trên trạm đo vẽ ảnh số và biên tập bản đồ ... sẽ
gây ra các sai số không mong muốn trong quá trình đo vẽ thành lập bản đồ
địa hình. Với phơng pháp công nghệ nh vậy chỉ dừng ở mức độ đo ảnh hỗn
hợp, cha đồng bộ. Có thể đánh giá trình độ công nghệ còn hạn chế, chỉ đạt
mức trung bình hoặc trên trung bình.
Năm 1993 Cục Bản Đồ BTTM đà đợc Bộ Quốc Phòng trang bị cho hệ
thống máy chụp ảnh hàng không RC30 thế hệ mới của Thụy Sĩ, cỡ phim
23cmx23 cm, tiêu cự 152.76 mm kết hợp với hệ thống GPS dẫn đờng bay và
xác định tọa độ tâm ảnh. Tính đến thời điểm này hệ thống đà đợc đa vào
hoạt động 15 năm với tần suất sử dụng cao phục vụ kịp thời và hiệu quả các
mục đích quốc phòng cũng nh kinh tế. Hệ thống này ®· tham gia nhiỊu dù ¸n
quan träng nh− c¸c dù án bay chụp ảnh thành lập bản đồ phục vụ phân định
đờng biên giới trên bộ Việt - Trung, Việt - Lào, phân định Vịnh Bắc Bộ giữa
Việt Nam và Trung Quốc, dự án bản đồ trực ảnh 1:50.000. Tuy nhiên do thời
gian sử dụng đà lâu với tần suất cao nên hiện nay máy chụp ảnh RC30 đÃ

16

xuống cấp. Máy đà phải sửa chữa bảo dỡng nhiều, chất lợng ảnh chụp kém
gây khó khăn, tốn kém và không ổn định trong sử dụng. Công nghệ thành lập
bản ®å hiƯn nay ®· thay ®ỉi vµ chun hoµn toµn sang công nghệ số. Tính thời
sự, chất lợng của bản đồ đòi hỏi ngày càng cao. Sản phẩm thu đợc từ máy
chụp ảnh RC-30 là phim nên để sử dụng trên quy trình công nghệ ảnh số cần
phải thực hiện công đoạn raster hoá bằng các máy quét phim chuyên dụng.
Sau đó mới tiến hành đợc các công đoạn tiếp theo nh tăng dày, đo vẽ thành
lập bản đồ. Quá trình này kéo dài thời gian sản xuất, đồng thời làm chất lợng
phim suy giảm. Điều này sẽ đợc loại bỏ nếu sử dụng máy chụp ảnh số.
Ngoài ra, các máy ảnh hàng không chụp phim hiện nay phụ thuộc nhiều
vào nguồn phim chụp và thuốc tráng chuyên dùng, chỉ có rất ít hÃng sản xuất
với số lợng hạn chế thậm chí chỉ sản xuất theo đơn đặt hàng, giá thành rất
cao. Xu thế trong vài ba năm tới sẽ không còn nguồn cung cấp phim chụp
hàng không do máy ảnh số sẽ thay thế hoàn toàn máy ảnh chụp phim truyền
thống. Các nớc đang phát triển và phát triển trên thế giới hiện nay hầu hết đÃ
thay thế công nghệ chụp ảnh quang cơ bằng công nghệ chụp ảnh số, số lợng
máy chụp ảnh số hiện tại khoảng 300 chiếc của nhiều hÃng sản xuất khác nhau.
1.2 Các hệ thống máy chụp ảnh kỹ thuật số trên thế giới
1.2.1 Giới thiệu chung
Máy chụp ảnh hàng không kỹ thuật số đợc chia ra làm 2 loại. Một là, kỹ
thuật quét theo mảng, hai là kỹ thuật quét theo dòng. Trong phơng pháp quét
theo mảng thì ra kết quả là từng tờ ảnh riêng biệt nh trong chụp ảnh hàng
không thông thờng. Các tờ ảnh sau đó đợc ghép thành mô hình để đo vẽ
lập thể trên trạm ảnh số hoặc nắn ảnh theo từng tờ ảnh đơn riêng lẻ.

17


Hình 1.1 Máy chụp ảnh số khổ lớn DMC của hÃng Z/I


Hình 1.2 Máy chụp ảnh số khổ lớn Ultra Cam XP W/A
Trong phơng pháp quét theo dòng, kết quả thu đợc là từng dải bay.
Khi quét ảnh tại thực địa ngời ta quét đợc 3 giải bay trên một ®−êng bay tõ
3 èng kÝnh 45 ®é vỊ phÝa tr−íc, thẳng đứng, 45 độ phía sau. Việc lập thể đợc
thực hiện khi kết hợp từng cặp giải bay một. Các số liệu GPS/IMU tham gia vào
tính toán cải chính số liệu hình ảnh. Nếu không có tín hiệu GPS/IMU thì chất
lợng hình ảnh không đảm bảo để thành lập bản ®å.

 
 


18


Hình 1.3 Máy chụp ảnh số ADS 40 của hÃng Leica (quét theo dòng)
1.2.2 Máy ảnh hàng không kỹ thuật số ADS-40 cho đo vẽ bản đồ.
+/ Khái quát:
HÃng Leica Geosystems đà giới thiệu máy ảnh hàng không kỹ thuật số tại
Hội nghị Đo ảnh viễn thám Quốc tế lần thứ 11 tại Amsterdam và đà thu hút sự
chú ý của các nhà khoa học. Đây là một phức hợp công nghệ hiện đại nhất của

máy chụp ảnh hàng không và viễn thám làm việc trong môi trờng hoàn toàn
số. ADS-40 hoàn chỉnh dây chuyền này, ngời ta có thể làm việc trong môi
trờng kỹ thuật số từ khâu thu nhận hình ảnh. ADS-40 thu đợc dữ liệu toàn
sắc và đa phổ có độ phân giải không gian và bức xạ cao, cùng với các thông
tin về vị trí và độ cao để tạo điều kiện thuận lợi cho xử lý sau này. Các dữ liệu
trong quá trình bay đợc lu trữ vào một bộ nhớ, sau đó đợc lấy ra khỏi máy
tính và đợc kết nối với một máy vi tính khác để xử lý trên mặt đất.
ADS-40 làm việc theo nguyên tắc dựa trên các bộ cảm CCD tuyến tính.
Các bộ cảm CCD tuyến tính cung cấp dữ liệu từ 3 kênh toàn sắc và 4 kênh đa
phổ. Một hệ thống định vị và định hớng do Công ty Applanix thiết kế dùng
để xử lý mặt đất. Bộ nhớ MM40 có thể tháo ra, ghi lại dữ liệu bay chơp nhiỊu
giê - 12 bit cã tû st tÝn hiệu so với nhiễu cao và dải động rộng.




19

ADS-40 khác biệt với máy ảnh chụp phim RC-30 quen thuộc của Leica
Geosystems chẳng những về nguyên tắc kỹ thuật số, mà cả về ý đồ thiết kế: ba
kênh toàn sắc dùng cho đo vẽ ảnh đợc bổ sung thêm 4 kênh đa phổ. Kết quả
là ADS-40 thu đợc đồng thời 7 kênh thông tin.
Vào đầu những năm 1990, Leica Geosystems đà có ý tởng tạo ra một
máy ảnh kỹ thuật số thỏa mÃn yêu cầu của các nhà đo ảnh là tài liệu chụp ảnh
tơng đơng với các máy ảnh chụp phim truyền thống. Lúc đó, các đối tác
tham gia cùng với các chuyên gia thế giới về chế tạo máy ảnh kỹ thuật số có
hiệu suất cao và chọn nguyên tắc máy quét 3 hàng làm cơ sở cho ý t−ëng thiÕt
kÕ hƯ thèng nµy. T− t−ëng thiÕt kế theo nguyên tắc máy quét 3 hàng lần đầu
tiên đợc tiến sỹ Otto Hofman đa ra trong những năm 1970 đà đợc Trung
tâm hàng không vũ trụ Đức sử dụng trong một hệ thống ghi hình trong máy

bay và tàu vũ trụ. Kết quả là một dự án nhiều triệu đô la thu hút sự tham gia
của nhiều nhà khoa học và kỹ s phần cứng và phần mềm tại Berlin,
Heerbrugg và San Diego để đa ADS-40 ra thị trờng vào tháng 7/2000.
+/ Cấu tạo của máy ảnh hàng không kỹ thuật số ADS-40.
ADS-40 đà chứng tỏ về mặt khoa học là những cảnh phía trớc, phía sau
và phía dới điểm đáy sẽ cung cấp đầy đủ thông tin cho công tác đo vẽ ảnh.
Trong giải pháp đặc biệt này cho ADS-40, mỗi bộ cảm toàn sắc trong thực tế
là 2 mảng CCD tuyến tính, mỗi mảng có 12.000 pixel để thu đợc các thông
tin đa phổ.
Về khía cạnh đo vẽ ảnh, thành công rõ nhất là các mảng tuyến tính kết
hợp với một kính vật có trờng nhìn 64o bảo đảm độ rộng dải và diện tích khu
vực. Yếu tố hạn chế của bộ cảm loại này là thời gian đọc các mảng lên đến
800 Hz và tốc độ máy bay trên thực địa. ở tốc độ bay bình thờng trên thực
địa là 370 km/giờ và độ cao bay là 2880 m so với mặt đất, khoảng cách lấy
mẫu thực địa là 30cm (nhỏ hơn 20cm khi việc tái lấy mẫu sử dụng thông tin từ
các mảng tuyến tính toàn sắc).




20

Các bộ lọc trong ADS-40 bảo đảm độ nhạy cho các kênh đa phổ đợc các
nhà khoa học của Trung tâm hàng không vũ trụ Đức chọn lọc rất kỹ nhằm bảo
đảm không những cung cấp thông tin tối u cho việc suy giải ảnh mà còn
cung cấp màu sắc thỏa mÃn về mặt thẩm mỹ.
Các kênh đợc lựa chọn trong nhiều bộ cảm khác cũng đợc nghiên cứu
sao cho có thể lựa chọn những cái có giá trị nhất. Vấn đề ở đây là các kênh
phổ lý tởng ứng dụng trong viễn thám cần phải hẹp và không gối phủ lên
nhau, trong khi đó yêu cầu hình ảnh thực có chất lợng cao đòi hỏi kênh phổ

phải rộng và gối phủ lên nhau.
Vỏ bọc có nhiệm vụ bảo vệ các bộ phận phức hợp của máy ảnh kỹ thuật số
xung quanh tiêu diện. Ngành điện tử hiện đại cung cấp dữ liệu compact từ tất cả
các kênh cho máy tính đặt trên máy bay. Bộ phận đo quán tính của POS - một hệ
thống định vị và định hớng do Công ty Applannix thiết kế lắp trên tiêu diện.
Dới tiêu diện là kính vật của ADS-40. Kính vật này đợc chế tạo theo một thiết
kế hoàn toàn mới có tÝnh chÊt viƠn t©m (telecentric). NhiỊu bé phËn cđa kÝnh vật
này đợc mài dũa và bố trí sao cho các tia sáng phát ra từ nó cắt vuông góc với
tiêu diện, nh vậy sẽ bảo đảm hiệu năng tối u của các bộ lọc.
Nét đặc biệt ở đây là tất cả các tia sáng đều cắt vuông góc tại tiêu diện
không giống nh ở các kính vật đợc dùng trong các máy ảnh chụp phim hàng
không. Ngoài ra, thiết bị tridoroid tách ánh sáng tới thành 3 màu đỏ, lục và
chàm, bằng cách sử dụng các bộ phận tách 2 màu đợc bố trí thành dÃy sao
cho tổn thất năng lợng là nhỏ nhất. Các bộ phận thành phần và hệ thống cải
tiến này bảo đảm hiệu năng của ADS-40 duy trì suốt trong các quá trình thay
đổi về áp suất và nhiệt độ.
Máy tính trên máy bay có một bộ nhớ có thể tháo ra đợc thiết kế tinh vi
và có hiệu năng rất cao. Một bộ nhớ nh vậy là cần thiết bởi vì ADS-40 tạo ra
đến 100 GB dữ liệu mỗi giờ bay.





21

Phần mềm hệ thống quản lý điều khiển bay và máy ảnh có màn hình cảm
ứng có thể gõ nhập đợc viết riêng cho ADS-40 và dựa vào sản phẩm ASCOT
hiện nay của Leica Geosystems dành cho các máy ảnh chụp phim.
Bộ phận điều khiển CV-40 là một máy vi tính chạy trong môi trờng

MicrosoftWindows với các phần mở rộng thời gian thực. Thiết bị này có cáp
quang học kết nối với đầu bộ cảm SH-40 và bao gồm hệ thống con POS
Applanix đợc tích hợp với một máy thu GPS.
Các dữ liệu đợc đa ra với tốc độ 50MB/giây đến bộ nhớ MM-40, đó là
một dÃy các đĩa cứng có thể lấy ra đợc và đợc thiết kế tinh vi, có hiệu năng
cao bảo đảm dung tích lu trữ lên đến 1TB (terabyte = 1012byte). Các khối
lợng khổng lồ của dữ liệu bộ cảm và hình ảnh đợc đa thẳng đến MM-40 và
dữ liệu đà xử lý đợc ghi lại tại đó từ CV-40. Kết quả là mọi dữ liƯu cÇn thiÕt
tõ chun bay sÏ n»m trong MM-40 dƠ dàng lấy ra khỏi máy bay sau khi hạ
cánh và đợc kết nối với một máy tính để xử lý trên mặt đất.
Trung tâm điều hành của ADS-40 là hệ thống quản lý điều khiển bay và
máy ảnh (FCMS). Mọi hoạt động thờng lệ của ADS-40 đợc tiến hành cách
sử dụng phần mềm này. Tác nghiệp viên giao tiếp với phần mềm này thông
qua giao diện của ngời tác nghiệp OI-40 mà không cần phải dùng chuột hoặc
bàn phím. FCMS có đặc điểm của một giao diện ngời sử dụng đồ họa đợc
thiết kế mới. Giao diện màn hình cảm ứng hiển thị các biểu tợng rõ ràng bảo
đảm quản lý bay hiệu quả và tiết kiệm lao động. Một màn hình phụ trong
buồng lái phục vụ cho phi công. Nhiệm vụ của tác nghiệp viên đợc thực hiện
dễ dàng hơn do cấu hình hệ thống đợc xác định trớc và bảo đảm hành trình
bay nhanh chóng thông qua các menu.
+/ Các đặc điểm của máy ảnh hàng không kỹ thuật số ADS-40
* Thiết kế đặc biệt: Cơ sở thiết kế ADS-40 dựa vào nguyên tắc máy quét 3
hàng do đó các mảng tuyến tính tiêu diện ghi đợc hình ảnh phía trớc, phía dới
và phía sau điểm đáy. Toàn bộ diện tích mặt đất đợc ghi hình 3 lần, cao hơn
nhiều so với độ phủ 60% trong chụp ảnh hàng không truyền thống bằng phim.




22

* Ghi đồng thời đợc tất cả dữ liệu phổ: ADS-40 ghi đồng thời đợc dữ
liệu từ 3 kênh toàn sắc và 4 kênh đa phổ do đó không phải lựa chọn giữa phim
toàn sắc, phim màu và phim màu giả.
* Ghi đồng thời 3 màu đỏ, lục, chàm hoàn hảo.
Trong ADS-40, các mảng màu đỏ, lục, chàm tách biệt với nhau trên tiêu
diện (về mặt vật lý), nhng mỗi mảng nhận thông tin một cách chính xác từ
chính phần đó của bề mặt đất, do đó không phát sinh vấn đề gì về việc ghi
hình ảnh trong dải phổ nhìn thấy vô luận phơng thức xử lý đợc chấp nhận là
phơng thức gì.
Thiết bị tách 3 màu đợc thiết kế để tổn thất năng lợng là ít nhất bảo
đảm ánh sáng màu đỏ, lục, chàm tới từ cùng một diện tích trên mặt đất đợc
mảng tuyến tính nhạy cảm với màu đỏ, lục, chàm ghi lại. Một mảng tuyến
tính riêng rẽ trên tiêu diện ghi đợc dữ liệu ở cận hồng ngoại.
* Hiệu năng hoạt động phổ chính xác: Hiệu năng hoạt động của mảng
CCD và các bộ lọc ®−ỵc tèi −u hãa qua viƯc sư dơng mét kÝnh vật telecentric
cải tiến, do đó các tia chiếu sáng vuông góc vào tiêu diện bất kể góc tới của
chúng tại mặt phẳng giao cắt phía trớc, Kính vật của ADS-40 cho ta hiệu
năng phân giải quang học cao 130 cặp nét/mm ở độ mở tối đa f/4.
* Giảm thiểu yêu cầu khống chế mặt đất: ADS-40 ghi đợc các dữ liệu
toàn sắc và đa phổ với độ phân giải cao cùng với các thông tin về vị trí và độ
cao để việc xử lý trên mặt đất đợc dễ dàng. Việc kết hợp IMU, tiêu diện và
GPS cộng với việc không có sai số phim đà giảm đáng kể những yêu cầu về
khống chế mặt đất.
* Giao diện thân thiện với ngời sử dụng: Màn hình cảm ứng đọ phân giải
cao của hệ thống quản lý điều khiển bay và máy ảnh (FCMS) với các biểu
trng to, dễ sử dụng cho phép điều khiển bay nhanh và trực quan. Các cấu
hình hệ thống đợc xác định trớc vẫn có thể thay đổi để phù hợp với những
ngời sử dụng khác nhau.

 
 


23

+/ Xử lý hình ảnh và đo tam giác ảnh bằng các tài liệu ADS-40 và
ORIMA
* Xử lý ảnh:
Dữ liệu đầu ra của thiết bị quét hàng có một vẻ pha trộn rối rắm bởi vì
vết trên mặt đất của các hàng không song song với nhau do chuyển động của
máy bay. Dữ liệu thô, hoặc cấp 0 có thể đợc hiệu chỉnh bằng cách sử dụng dữ
liệu vị trí và độ cao phục vụ cho máy bay thu đợc trong quá trình bay nhờ hệ
thống định vị.
Một điều đáng chú ý là quá trình đó chú trọng đến bất kỳ khác biệt nào
trong quá trình tiến lên giữa các hàng do các biến đổi trong chuyển động về
phía trớc của máy bay, tức là không cần điều chỉnh chuyển động về phía
trớc mà chỉ cần xử lý các hàng quét đà thu đợc trên thực tế. Các dữ liệu cấp
1 thu đợc có thể nhìn thấy mono hoặc lập thể, nh vậy để đo tam giác ảnh
bằng cách sử dơng mét biÕn thĨ cđa s¶n phÈm ORIMA cđa Leica Geosystems.
Mặc dầu dữ liệu cấp 1 đó đợc sử dụng để khởi động công đoạn này các
kết quả cuối cùng của việc đo tam giác ảnh có thể dùng cho dữ liệu hình ảnh
cấp 0 sao cho tổn thất thông tin là ít nhất qua quá trình tái lấy mẫu. Các giá trị
cuối cùng từ việc đo tam giác ảnh có thể sử dụng tạo ra dữ liệu cấp 1 cuối
cùng, mà dữ liệu này bao gồm các hình ảnh toàn sắc và các hình ảnh màu đỏ,
lục, chàm hoặc cận hồng ngoại đà đợc điều chỉnh đầy đủ. Sau đó, dữ liệu có
thể chuyển qua các công đoạn đo vẽ ảnh số thông thờng, chẳng hạn nh thu
thập các đờng nét hoặc tạo ra DTM bằng cách đối chiếu hình ảnh, lập bình
đồ trực ảnh và cắt ghép bình đồ trực ảnh (dữ liệu cấp 2).
Dòng dữ liệu cho dữ liệu cấp 0 là đơn giản (theo đờng thẳng). Các dữ

liệu hình ảnh và định vị đợc tìm kiếm từ MM-40 và format lại thành dữ liệu
định vị, dữ liệu hình ảnh ở cấp 0 và dữ liệu đà biến đổi. Dữ liệu định vị đợc
tiếp tục hiệu chỉnh bằng cách dùng phần mềm định hớng, kết quả ta có một
file định hớng, Nắn mặt đất cấp 0 thờng đợc thực hiện bằng cách dùng
phần mềm của Leica Geosystems (phần mềm tạo cấp 0 và sản phẩm POSPAC