Đề xuất các giải pháp kỹ thuật để nâng cao độ chính xác và hiệu quả kinh tế của công nghệ đo vẽ ảnh số trong thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

LÊ THỊ HỒNG HIÊN

ĐỀ XUẤT CÁC GIẢI PHÁP KỸ THUẬT ĐỂ
NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC VÀ HIỆU QUẢ KINH TẾ
CỦA CÔNG NGHỆ ĐO VẼ ẢNH SỐ TRONG THÀNH
LẬP BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH TỶ LỆ LỚN

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. Trần Đình Trí

Hà Nội – 2010


1

LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng được
ai công bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Hà Nội, ngày 18 tháng 10 năm 2011
Tác giả luận văn

Lê Thị Hồng Hiên


2

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................. 1
MỤC LỤC ......................................................................................................... 2
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .......................................................................... 4
DANH MỤC CÁC BẢNG................................................................................ 5
MỞ ĐẦU........................................................................................................... 6
CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT VỀ ẢNH SỐ .................................................... 10
1.1. Tổng quan về công nghệ đo vẽ ảnh số trong thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn.............10
1.2. Khái niệm về ảnh số..................................................................................................11
1.3. Phương pháp đo vẽ ảnh số: .......................................................................................13
1.4. Tổng quan về hệ thống đo vẽ ảnh số: .......................................................................17

CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH THÀNH LẬP BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH BẰNG
CƠNG NGHỆ ẢNH KỸ THUẬT SỐ ......................................................... 30
2.1. Sơ đồ quy trình cơng nghệ thành lập bản đồ địa hình ..............................................30
2.2. Các bước của quy trình cơng nghệ ...........................................................................31
2.3. Các nguồn sai số ảnh hưởng đến độ chính xác của bản đồ cần thành lập bằng
phương pháp đo vẽ ảnh số. ..............................................................................................50

CHƯƠNG 3: CÁC ĐỀ XUẤT KỸ THUẬT ĐỂ NÂNG CAO HIỆU QUẢ
CỦA CÔNG NGHỆ ĐO VẼ ẢNH SỐ ........................................................ 59
3.1. SỬ DỤNG CÁC TRỊ ĐO CỦA HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG VÀ ĐẠO HÀNG
QN TÍNH TRONG Q TRÌNH BAY CHỤP ẢNH...............................................59
3.2 ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP CHẠY MƠ HÌNH SỐ ĐỊA HÌNH BẰNG CHƯƠNG
TRÌNH GLOBAL MAPPER 10.01 .................................................................................72

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ......................................................................... 81
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 83
PHỤ LỤC........................................................................................................ 84
PHỤ LỤC 1..................................................................................................... 85
PHỤ LỤC 2..................................................................................................... 88
PHỤ LỤC 3..................................................................................................... 91
PHỤ LỤC 4..................................................................................................... 92


3

DTM
3D
PIXEL
DGPS

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Digital Terrain Model
Mơ hình số địa hình
Three Dimensions

Khơng gian 3 chiều

Picture Element

Phần tử điểm ảnh

Differential Global Positioning
System

GPS vi phân

DMC

Digital Mapping Camera

Máy ảnh kỹ thuật số DMC

DEM

Digital Elevation Model

Mơ hình số độ cao

CCD

Charge Coupled Device

Bộ cảm biến

TIN

Triangulated Irregular Networks

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
POS/AV
PPS
LIDAR

The ImageStation Automatic
Triangulation

Mạng lưới tam giac không
quy chuẩn

Trạm tăng dày ảnh tự động

Position and Orientation System for

Hệ thống định hướng và

Airborne Vehicle

định vị cho máy ảnh

Postprocessing Software

Phần mềm xử lý

Light Detection And Ranging

Dò và đo khoảng cách bằng
sóng ánh sáng

RMS

Root Mean Square

Sai số trung phương

TBFR

Time Between Frame

Thời gian giữa hai tấm ảnh


4

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Sơ đồ trạm đo vẽ ảnh số ................................................................... 18

Hình 2.1 Sơ đồ quy trình cơng nghệ thành lập bản đồ địa hình ..................... 30
Hình 2.2 Các phương án bố trí điểm............................................................... 36
Hình 3.1 Sơ đồ quy trình cơng nghệ thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn bằng
ảnh hàng khơng kỹ thuật số............................................................................. 60


5

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 Phương pháp đo vẽ ảnh số............................................................. 14
Bảng 1.2 Bảng liệt kê một số loại máy quét chuyên dụng ........................... 20


6

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong những năm gần đây khoa học công nghệ ngày càng phát triển
mạnh mẽ, đặc biệt là cơng nghệ tin học nó đã thúc đẩy sự phát triển hầu hết
các ngành khoa học trong đó có ngành khoa học đo ảnh. Sự phát triển mạnh
mẽ của kỹ thuật tính tốn tích hợp với công nghệ thông tin đã cho ra đời
phương pháp đo ảnh mới, đó là phương pháp đo ảnh số. Để đáp ứng kịp sự
phát triển ngày càng hoàn thiện của cơng nghệ số thì ảnh hàng khơng kỹ
thuật số đã ra đời.
Công nghệ đo vẽ ảnh số đã được áp dụng vào nước ta từ gần 10 năm
nay và đang được hồn thiện cùng với hai cơng nghệ cũ là đo vẽ tương tự và
giải tích. Đo vẽ ảnh số đã cho ra đời những sản phẩm bản đồ đáp ứng được
các nhu cầu thực tiễn. Ảnh số ngoài việc cung cấp tất cả các sản phẩm của
ảnh tương tự và giải tích cịn cho ra đời những sản phẩm mới tiềm năng tự
động hố và khả năng tích hợp với các cơng nghệ khác cịng là những nét đặc

trưng của công nghệ này. Phương pháp đo vẽ ảnh số đã thể hiện được sự ưu
việt của nó so với các phương pháp truyền thống về tính tổng thể, độ chính
xác đồng đều, tốc độ thi cơng nhanh, khả năng tự động hoá cao, hiệu quả kinh
tế lớn, thuận lợi cho công tác kiểm tra giám sát chất lượng. Với những gì đã
đạt được và sự phát triển khơng ngừng của khoa học cơng nghệ thì trong
tương lai khơng xa việc sử dụng công nghệ ảnh số để thành lập bản đồ nói
chung và bản đồ địa hình nói riêng ngày càng được phổ biến rộng khắp và trở
thành công nghệ chính trong việc sử dụng ảnh hàng khơng để thành lập bản
đồ.
Như chúng ta đã biết công tác thành lập bản đồ trên trạm ảnh số thì sự
thay đổi lớn nhất so với phương pháp tương tự và giải tích là thiết bị máy


7

móc, cơng nghệ và các cơng cụ hỗ trợ ở yếu tố con người tham gia vào
quá trình sản xuất và các sản phẩm mới được tạo ra. Tuy nhiên ảnh số
không làm thay đổi nguyên lý đo vẽ ảnh.
Việc thành lập, đo vẽ bản đồ trên trạm ảnh số nhờ áp dụng những
thành tựu tin học đã cho chúng ta những sản phẩm có chất lượng cao và tiết
kiệm thời gian, tính kinh tế cao. Ảnh số khơng những phản ánh chính xác
khách quan các đối tượng cần đo mà bảo quản nó cịng rất dễ dàng và thuận
tiện.
Ngày nay khoa học kỹ thuật không ngừng phát triển đặc biệt là trong
lĩnh vực thông tin. Muốn nâng cao chất lượng, khả năng tự động hố của q
trình sản xuất bản đồ thì cần phải có những quy trình sản xuất hợp lý. Để làm
rõ được điều này chúng ta cần hiểu rõ về quá trình sản xuất bản đồ, từ đó có
những thay đổi phù hợp với sự phát triển mới là điều hết sức cần thiết. Nhận
rõ tầm quan trọng của việc áp dụng những tiến bộ khoa học kỹ thuật và tận
dụng hết khả năng tự động hóa vào sản xuất, tác giả đăng ký thực hiện đề tài:

“Đề xuất các giải pháp kỹ thuật để nâng cao độ chính xác và hiệu quả kinh tế
của cơng nghệ đo vẽ ảnh số trong thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn”.
2. Mục đích nghiên cứu
Để nâng cao chất lượng sản phẩm cũng như hiệu quả kinh tế của công
tác đo vẽ bản đồ tỷ lệ lớn bằng cơng nghệ ảnh số cần có các giải pháp kỹ thuật
còng như tận dụng hết khả năng tự động hóa của quy trình sản xuất, cụ thể:
+ Sử dụng ảnh số được chụp bằng máy chụp ảnh kỹ thuật số như máy
Vexcel UltraCam XP W/a.
+ Sử dụng có hiệu quả các trị đo trong quá trình bay chụp ảnh bằng các
thiết bị dẫn đường bay và đạo hàng quán tính.
+ Tích hợp sử dụng các phần mềm đồ họa trong biểu thị kết quả đo vẽ.


8

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Nội dung nghiên cứu: Đề xuất các giải pháp kỹ thuật để nâng cao độ
chính xác và hiệu quả kinh tế của cơng nghệ đo vẽ ảnh số trong thành lập bản
đồ địa hình tỷ lệ lớn.
Phạm vi nghiên cứu: Quy trình tăng dày khớp ảnh kỹ thuật số tự động
và quy trình thành lập mơ hình số địa hình bằng phần mềm Global Mapper
10.01.
4. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu khái quát về cơng nghệ ảnh số.
- Nghiên cứu quy trình thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn bằng cơng
nghệ đo vẽ ảnh số.
- Thực nghiệm:
Đề xuất giải pháp chạy khớp ảnh kỹ thuật số tự động mà không cần đến
điểm khống chế ngoại nghiệp phục vụ đo vẽ bản đồ tỷ lệ 1/5.000.
Đề xuất giải pháp chạy mơ hình số địa hình bằng phần mềm Global

Mapper 10.01.

5. Phương pháp nghiên cứu
- Phân tích, tổng hợp, cơ sở lý luận và thực tiễn.
- Ứng dụng Tin học.
- Phương pháp ảnh số.
- Phương pháp đề xuất.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Đề xuất giải pháp tăng dày sử dụng ảnh số của máy chụp ảnh kỹ thuật
số mà không cần sử dụng điểm khống chế ngoại nghiệp phục vụ thành lập bản


9

đồ địa hình tỷ lệ 1:5.000 và giải pháp thành lập mơ hình số địa hình bằng
phần mềm Global Mapper 10.01 .
- Sản phẩm thử nghiệm là kết quả tăng dày khối ảnh Hà Nội và mơ
hình số địa hình.
7. Cấu trúc luận văn
Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, cấu trúc luận văn gồm 3
chương.
Trong quá trình thực hiện đề tài tơi đã được PGS.TS.Trần Đình Trí
hướng dẫn, động viên giúp đỡ tận tình cũng như sự hỗ trợ nhiệt tình của các
thầy cơ giáo trong bộ mơn Đo ảnh và Viễn thám, Khoa Trắc địa, phịng đại
học và sau đại học, các nhà khoa học, các đồng nghiệp... để Tơi hồn thành
luận văn này. Tơi xin chân thành cảm ơn những sự giúp đỡ quý báu đó.


10

CHƯƠNG 1
LÝ THUYẾT VỀ ẢNH SỐ
1.1. Tổng quan về công nghệ đo vẽ ảnh số trong thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ
lớn
Phương pháp ảnh số có nhiều ưu điểm nổi trội so với các phương pháp đo
ảnh trước đây. Đó là:
- Khả năng tự động hóa cao trong hầu hết các công đoạn đo vẽ ảnh, đặc
biệt là khả năng tự động khớp điểm cùng tên trên các ảnh đo. Nhờ đó cho phép
nâng cao hiệu quả đo với số lượng điểm lớn.
- Tính hồn thiện về cơng nghệ. Hầu hết trên các trạm ảnh số thương
mại hiện nay đều có đầy đủ các modul xử lý các nhiệm vụ đo vẽ ảnh, từ công
tác tăng dày, nắn ảnh, thành lập bản đồ ảnh trực giao đến việc xây dựng mơ hình
số địa hình và đo vẽ lập thể.
Tuy nhiên, với đặc điểm của nền sản xuất trắc địa và bản đồ của nước ta
hiện nay, có những cơng trình cần đo vẽ với độ chính xác cao ở những khu vực
địa hình phức tạp, tư liệu ảnh chụp lại có tỷ lệ nhỏ; thí dụ như các cơng trình
thủy điện, thuỷ lợi, các khu vực khảo sát, qui hoạch cần phải đo vẽ bản đồ tỷ lệ
lớn 1/2000, 1/5000, thì các cơng nghệ đo vẽ ảnh hiện nay chưa thể đáp ứng
được yêu cầu độ chính xác.
Đặc biệt trong công tác tăng dày khống chế ảnh, đây là khâu rất quan
trọng trong qui trình cơng nghệ thành lập bản đồ bằng ảnh hàng không, các
phương pháp tăng dày khống chế ảnh giải tích đã được nghiên cứu xây dựng và
phát triển thay thế cho các phương pháp tăng dày quang cơ có độ chính xác thấp
và hiệu quả kinh tế kém. Tuy nhiên việc ỏp dụng các phương pháp bản sai lưới
tam giác ảnh không gian giải tích trong thực tế sản xuất vẫn cịn những hạn chế
do các nguyên nhân sau :


11

-Việc xây dựng các chương trình tính tốn bình sai lưới tam giác ảnh
khơng gian giải tích hồn chỉnh ln là một cơng việc hết sức phức tạp địi
hỏi sự tham gia của các chun gia có trình độ cao về đo ảnh và lập trình.
-Để đáp ứng được yêu cầu cao về độ chính xác của số liệu toạ độ ảnh
cũng như hiệu quả kinh tế thì từ năm 2010, máy chụp ảnh hàng không kỹ
thuật số đã được Cục bản đồ - BTTM đưa vào sử dụng.
1.2. Khái niệm về ảnh số
Ảnh số được tạo bởi mảng hai chiều của các phần tử ảnh có cùng kích
thước được gọi là Pixel. Mỗi pixel được xác định bởi tọa độ hàng (m), cột (n)
và giá trị độ xám (g) của nó là g(m, n) biến đổi theo tọa độ điểm (x, y). Tọa
độ hàng và cột của mỗi pixel đều là các số nguyên. Còn giá trị độ xám của
pixel nằm trong thang độ xám từ 0÷255 (thang độ xám 256 bậc theo đơn vị
thơng tin 8 bít). Tọa độ số hóa là các giá trị rời rạc m, n và được biểu thị:
X = x0 + m.Δx
Y = y0 + n.Δy

(1.1)

Trong đó:
m = 0, 1, 2...M
n = 0, 1, 2...N
Δx, Δy là bước nhảy số hoá.
Khi lấy Δx = Δy thì pixel có dạng hình vng. Nếu gán độ xám trong
mỗi pixel bằng một giá trị bằng số nhất định g(m,n) lúc đó ta nói rằng độ xám
đã được lượng tử hoá. Như vậy, ảnh số là tập hợp các điểm ảnh rời rạc với vị
trí n, m (hoặc x, y) và giá trị độ xám tương ứng với từng điểm ảnh.
Các phần tử của ma trận độ xám g(m, n) có dạng:

g =

⎡ g ( 0, 0 )
⎢ g
⎢ (1, 0)
⎢ ...
⎢
⎢⎣ g ( m−1, 0)

g ( 0,1)
g (1,1)
....
g ( m−1,1)

... g ( 0,n −1) ⎤
... g (1,n −1) ⎥⎥
...
... ⎥
⎥
... g ( m−1,n −1) ⎥⎦

(1.2)

Trong đó, mỗi pixel có độ xám g và có vị trí tính theo hàng m, cột n.


12

Đối với các ảnh viễn thám được thu nhận trực tiếp dạng số thì mỗi phần tử
ảnh của pixel thể hiện một khu vực bề mặt trên trái đất. Giá trị độ xám của
pixel được tính bằng trị trung bình của một độ phản xạ phổ của toàn bộ khu
vực nằm trong phạm vi của pixel được ghi trực tiếp nhờ bộ cảm biến. Còn đối

với ảnh số được chuyển hố từ ảnh tương tự thì được thu nhận thơng qua việc
đo mật độ quang học khi lượng tử hoá. Độ lớn của pixel được gọi là độ phân
giải của ảnh số, kích thước pixel càng nhỏ thì độ phân giải của ảnh số càng
cao. Ta có thể thu được ảnh số nhờ các thiết bị số hoá, cụ thể là máy qt ảnh.
Q trình số hố bao gồm hai vấn đề quan trọng đó là định mẫu ảnh và lượng
tử hố hình ảnh, hay có thể nói rằng:
Q trình số hố ảnh tương tự = Q trình định mẫu + Q trình lượng tử
hố.
Q trình định mẫu ảnh được sử dụng để tạo ra sự rời rạc hố khơng
gian hình học liên tục của ảnh. Thơng thường nó được thực hiện nhờ hệ thống
quang học với kích thước nào đó đã được chọn chuyển động dọc theo đường
quét trên tấm ảnh, cịng tại thời điểm đó nó tiến hành đo, ghi (thời gian đã
được quyết định trước hoặc độ dài của bước nhảy) phản xạ hoặc bức xạ giá trị
độ đen của từng vùng với đối tượng tương ứng.
Quá trình lượng tử hố được sử dụng để tạo ra sự rời rạc không gian độ
đen liên tục của ảnh. Lượng tử hố có thể thực hiện bằng hai phương pháp là
tuyến tính hoặc khơng tuyến tính .
Theo phương thức tuyến tính, cơng thức lượng tử hố có thể biểu diễn dưới
dạng sau:
I = Integer

(I A − I min )× N
I max − I min

(1.3)

Trong đó:
N- là thang cường độ (bậc độ đen) lượng tử hố và thường từ 0÷255.
Imax, Imin: là giá trị cường độ cực đại và cực tiểu trong định mẫu ảnh.
Lượng tử hoá cho ta các giá trị độ xám tại vị trí được số hố (lấy mẫu)

thành các mức độ xám với khoảng nhảy bằng nhau.
(1.4)
I = aM


13

Với M là mức độ xám hay còn gọi là độ dài từ mã. Thường ở ảnh tương tự
M=8.
Với a là cơ số mã hoá tức là số ký hiệu được dùng để mã hoá. Trong kỹ
thuật điện tử chỉ có 2 ký hiệu 0 và 1 do vậy a =2.
Ngồi ra, ảnh số có thể thu nhận trực tiếp nhờ hệ thống Sensor đặt trên
các thiết bị bay. Phương thức thu trực tiếp này được sử dụng trong kỹ thuật
viễn thám như là hệ thống MSS, TM đặt trên vệ tinh Landsat của Mỹ hoặc hệ
thống CDD đặt trên vệ tinh Spot của Pháp.
1.3. Phương pháp đo vẽ ảnh số:
1.3.1. Khái niệm thứ nhất:
Phương pháp đo ảnh là một phương pháp xử lý các thơng tin hình học và
thơng tin vật lý của ảnh đo dựa trên nguyên lý cơ bản của phương pháp đo
ảnh kết hợp vận dụng lý luận và phương pháp của nhiều lĩnh vực khoa học
khác, như: kỹ thuật máy tính, kỹ thuật sử lý số liệu ảnh số, kỹ thuật nhận
dạng...và biểu đạt kết quả bằng dạng số. Khái niệm này được định nghĩa là
phương pháp đo ảnh toàn số (All Digital Photogam metry hoặc Full Digital
Photogram-metry). Theo định nghĩa này, trong phương pháp đo ảnh số, khơng
những sản phẩm của nó là dạng số mà tư liệu đầu vào (ảnh chụp) còng như
các kết quả trung gian còng đều là dạng số.
1.3.2. Khái niệm thứ hai:
Tất cả các phương pháp đo ảnh trong đó các kết quả xử lý trung gian và
sản phẩm cuối cùng của nó dưới dạng số đều gọi là phương pháp đo ảnh số.
Theo định nghĩa mở rộng này, sẽ có hai phương pháp đo ảnh số sau

đây:
1. Phương pháp đo vẽ bản đồ với sự trợ giúp của máy tính là phương
pháp đo vẽ ảnh sử dụng các hệ thống máy đo vẽ ảnh giải tích hoặc máy đo
ảnh quang cơ kết hợp với máy tính để tiến hành thu nhận số liệu và sử lý số
liệu, thành lập mơ hình số độ cao (DEM), bản đồ số và truy nhập vào cơ sở dữ
liệu tương ứng. Tuỳ theo nhu cầu sử dụng, từ cơ sở dữ liệu này có thể đưa ra
các sản phẩm là bản đồ đồ giải, bản đồ trực giao hoặc in các loại biểu đồ.
Trong phương pháp này, tư liệu vẫn là các ảnh chụp truyền thống, quá trình


14

đo ảnh thực hiện theo phương pháp nhìn lập thể và máy tính tham gia vào
q trình ghi nhận và sử lý số liệu. Vì vậy có thể coi phương pháp đo ảnh số
này là phương pháp đo vẽ ảnh bán tự động, là bước quá độ từ phương pháp
giải tích sang phương pháp số.
2. Phương pháp đo vẽ ảnh số là phương pháp sử dụng máy tính và các
phần mềm chuyên dùng để tiến hành xử lý ảnh số hoặc ảnh số hoá, kết hợp
với khả năng tổ hợp và nhận biết hình ảnh bằng máy tính thay cho mắt người
tự động thực hiện q trình xử lý thơng tin hình học và thơng tin vật lý của
đối tượng đo. Đây là phương pháp đo ảnh số hoàn toàn tự động, không cần sử
dụng các máy đo ảnh quang cơ và các thao tác truyền thống của con người.
Phương pháp ảnh số là giai đoạn thứ 3 của phương pháp đo ảnh. Sự
khác biệt cơ bản giữa phương pháp đo ảnh số với phương pháp đo ảnh tương
tự và phương pháp đo ảnh giải tích được mơ tả trong bảng sau:
Bảng 1.1
Phương
pháp đo ảnh

Tư liệu

đầu vào

Phương
thức chiếu
ảnh

Thiết bị
Sử lý

Phương thức
làm việc

Sản phẩm
đầu ra

Ảnh
Phương
pháp đo ảnh chụp
quang
tương tự
học

Chiếu ảnh
quang cơ

Máy đo
ảnh
tương tự

Người thao

tác toàn bộ
trên máy

Sản phẩm
đồ giải

Ảnh
Phương
pháp đo ảnh chụp
quang
giải tích
học

Chiếu ảnh
tốn học

Máy đo
ảnh giải
tích

Người trợ
giúp máy
thao tác

Sản phẩm
đồ giải và
sản phẩm
số

Phương

pháp đo ảnh -Ảnh số
hoá
số
- Ảnh số

Chiếu
ảnh số

Trạm xử Thao tác tự
lý ảnh số động có
người trợ
giúp

Sản phẩm
số và sản
phẩm đồ
họa


15

1.3.3. Nguyên lý cơ bản của phương pháp đo ảnh số:
Là biến đổi độ xám trên ảnh thành các tín hiệu điện, sử dụng máy tính
điện tử và các phần mềm để xử lý các tín hiệu này, thực hiện q trình tự động đo
vẽ ảnh.
Khác với cơng nghệ đo vẽ ảnh tương tự và giải tích dữ liệu đầu vào của
công nghệ đo vẽ ảnh số phải là ảnh số. Tuy nhiên dữ liệu số không làm thay
đổi nguyên lý của môn đo vẽ ảnh, đo vẽ ảnh số vẫn gắn liền với nền tảng
vững chắc của hình học xạ ảnh. Các trị đo của ảnh số được xử lý theo cùng
mơ hình tốn học như trong ảnh giải tích (như phương trình điều kiện đồng

tuyến). Như vậy có thể nói đo vẽ ảnh số nghĩa là thực hiện các phép tốn của
đo vẽ giải tích lên các dữ liệu ảnh số. Trong đo vẽ ảnh số thì ảnh lưu trên
phim, kính hoặc trên giấy được thay thế bằng các dãy phần tử ảnh (pixel) với
hình dạng và kích thước nhất định. Mỗi một pixel đại diện cho lượng bức xạ
phổ trung bình mà máy thu nhận được từ các phần tương ứng của thực địa.
Các lượng bức xạ này có thể được ghi trực tiếp bởi máy thu (chụp ảnh số trực
tiếp) hoặc có được thơng qua việc đo mật độ quang học của ảnh chụp (quét
ảnh). Các pixel có giá trị nguyên độ xám là kết quả của phép lượng tử hoá sự
biến đổi tương tự - số của tín hiệu điện từ trong máy thu. Các pixel còn tạo
nên một hệ tọa độ của ảnh số. Trong khi ảnh tương tự lại được tạo bởi các hạt
muối halogen bạc với hình dạng và kích thước khác nhau và ghi nhận bức xạ
dưới dạng mật độ quang học. Trong đo vẽ ảnh số thì sản phẩm ảnh tương tự
này phải được thay thế bằng ảnh
dưới dạng số để có thể sẵn sàng cho các bước xử lý trong máy tính.
Dưới góc độ tin học thì dữ liệu số nói chung và ảnh số nói riêng được
cấu thành từ các số nhị phân. Tất cả các máy tính đều dùng bít làm cơ sở cho
mọi q trình xử lý số liệu. Một bít có thể được xem như một trạng thái “mở”
hoặc “tắt” và có giá trị là O hoặc là 1. Như vậy ảnh 1 bít chỉ có hai độ xám là
O và 1; trên thực tế người ta thường phải lưu trữ ảnh số với nhiều thang độ
xám hơn. Ảnh n bít có số thang độ xám từ O đến (2n - 1). Với ảnh đen trắng
hiện nay thì phổ biến nhất là ảnh 8 bít (8 bít = 1 byte) với thang độ xám từ O
đến 28 - 1= 255.


16

Từ nguyên lý của phương pháp đo ảnh số người ta đưa ra 3 phương
pháp đo ảnh số:
1. Phương pháp đo ảnh số hỗn hợp:
Trong phương pháp số hoá này, thơng thường người ta lắp đặt một bộ

số hố CCD trên máy đo ảnh giải tích để tiến hành số hoá cục bộ từng phần
của ảnh và nhờ bộ tổ hợp mà thu nhận được tọa độ không gian của điểm ảnh.
2. Phương pháp đo ảnh toàn số:
Trong phương pháp này số liệu đưa vào xử lý là ảnh số, tức là các tín
hiệu ảnh qt được ghi nhận thơng qua các hệ thống điện từ. Nếu tư liệu đầu
vào là ảnh chụp truyền thống, thì trước hết phải tiến hành số hố ảnh bằng
thiết bị số hố. Q trình đo vẽ ảnh số trong hệ thống này bao gồm các nội
dung chủ yếu sau: xác định các yếu tố định hướng ảnh, nhận dạng và tổ hợp
ảnh, tính tọa độ không gian điểm ảnh, nội suy bề mặt mô hình, tự động vẽ địa
hình trên bản đồ ảnh trực giao được thành lập theo phương pháp nắn ảnh số.
3. Phương pháp đo ảnh tức thời:
Là quá trình thu nhận thông tin ảnh và xử lý thông tin xẩy ra đồng thời
với sự liên kết chặt chẽ giữa thiết bị chụp ảnh và hệ thống máy tính có tính
năng cao. Phương pháp đo ảnh số tức thời được ứng dụng trong nhiều lĩnh
vực khoa học và công nghiệp. Trong đo ảnh, phương pháp này được ứng
dụng để phát triển phương pháp đo ảnh tự động trong phạm vi gần .
*Sự khác biệt cơ bản của phương pháp đo ảnh toàn số với phương pháp
đo ảnh tương tự và đo ảnh giải tích là q trình số hố và xử lý các thơng tin
bức xạ của ảnh. Trước đó các thơng tin bức xạ của ảnh được xử lý một cách
đơn giản thông qua nguồn chiếu sáng và xử lý bằng mắt và não người. Cùng
với sự phát triển của kỹ thuật viễn thám, các thông tin bức xạ của đối tượng
chụp ảnh đã trở nên hết sức quan trọng trong cơng tác đo ảnh. Có thể nói, nếu
khơng sử dụng thơng tin bức xạ
thì khơng thể thực hiện tự động hoá trong đo ảnh.
Do tư liệu ban đầu của phương pháp đo ảnh số là các ảnh số, nên các thiết
bị đo ảnh quang cơ truyền thống sử dụng phương pháp đo ảnh tương tự trở nên
không cần thiết nữa, thay vào đó là các máy tính hoặc trạm đo ảnh chuyên dùng.


17

Hiện nay phương pháp đo ảnh số được ứng dụng có hiệu quả trong việc thu
thập, quản lý và sử dụng các thông tin ảnh trong kỹ thuật viễn thám và hệ thống
thông tin địa lý (GIS).
*Phương pháp đo ảnh số tuy mới phát triển nhưng với tốc độ nhanh
chóng và đã tạo ra những kỳ tích đáng kinh ngạc. Đó là hiệu suất và độ chính
xác đạt được rất cao. Có thể nói: phương pháp đo ảnh số là sự phát triển hiện
đại về công nghệ của phương pháp đo ảnh.
1.4. Tổng quan về hệ thống đo vẽ ảnh số:
Q trình phát triển của mơn đo vẽ ảnh số có liên quan mật thiết tới q
trình thiết kế, chế tạo và khả năng của các hệ thống đo vẽ ảnh số. Hệ thống đo
vẽ ảnh số được định nghĩa là phần cứng và phần mềm để thu được các sản
phẩm đo vẽ từ ảnh số thông qua việc áp dụng các kỹ thuật tự động và thủ
cơng (Hình 1.1) Thành phần tối quan trọng của mỗi hệ thống đo vẽ ảnh số là
trạm đo vẽ ảnh số. Khi so sánh ảnh giải tích với ảnh số thì ưu điểm lớn của
các trạm đo vẽ ảnh số là chúng loại bỏ tất cả các bộ phận cơ học chính xác
cao và đắt tiền thường có trong các máy đo vẽ giải tích. Lý do là trong các
trạm đo vẽ ảnh số độ chính xác của các phép đo khơng cịn bị hạn chế bởi các
giới hạn vật lý như độ nhạy của các trục vít bước răng hoặc của các thiết bị
mã hố. Các trạm đo vẽ ảnh số khơng cần có các kiểm định về cơ học, lau dầu
mỡ như của các máy đo giải tích.
Các trạm đo vẽ ảnh số có tính linh hoạt cao hơn các máy đo vẽ giải
tích. Ưu điểm hàng đầu của các trạm đo vẽ ảnh số là chúng xử lý các dữ liệu
ảnh số và dựa hồn tồn vào các tính tốn số.


18

TRẠM ĐO VẼ ẢNH SỐ
Ảnh

chụp
trên
phim

A

A/D
Máy
Quét
Raster

Ảnh
của
máy

D

D

ảnh số

TRẠM ĐO
VẼ ẢNH
SỐ

D

Máy in
Raster
hoặc

phim

Bản đồ và
ảnh trực
giao trên
giấy

A

D
Hệ thống
bản đồ số
hoặc
GIS/LIS

D
Ảnh số
chụp từ
vệ tinh

Hình 1.1
1.4.1. Máy quét:
Mặc dù công nghệ đo vẽ ảnh số đã được áp dụng rộng rãi nhưng trong
thực tế công việc chụp ảnh vẫn ít thay đổi và đa số ảnh hàng không vẫn được
chụp bằng máy ảnh dùng phim. Ảnh hàng không dạng tương tự vẫn là môi
trường lưu giữ hình ảnh hiệu quả nhất. Nội dung thơng tin của một ảnh hàng
khơng có thể tương đương với một file ảnh số với 20.000 x 20.000 phần tử
ảnh (0,4 Giga byte - ảnh đen trắng, 1.2 Giga byte - ảnh mầu).
Các máy ảnh dùng phim vẫn được dùng phổ biến nhất và do đó, nếu
muốn áp dụng cơng nghệ đo vẽ ảnh số thì cần thiết phải chuyển ảnh tương tự

sang ảnh số. Quá trình này được thực hiện nhờ các máy quét chuyên dụng.
Ảnh hàng không dạng tương tự được xem như một tư liệu liên tục (hay còn
gọi là hàm liên tục của các thang độ xám) trong khi với ảnh số thì hàm độ
xám được rời rạc hố và lượng tử hố. Trong q trình qt giá trị độ xám
hoặc giá trị mầu trên ảnh gốc được đo bởi một hoặc nhiều phần tử nhạy sáng
(thường là một thiết bị tăng quang hoặc là các thiết bị thu hình ảnh bán dẫn).


19

Thơng thường khi qt ảnh đen trắng thì hình ảnh được làm rời rạc
hoá
thành 256 thang độ xám. Phim mầu thông thường được quét và tách thành 3
băng
(đỏ, lục, lam) bằng cách dùng các kính lọc mầu. Các máy quét chun dùng
cho đo vẽ ảnh cần có độ chính xác hình học khoảng 2 - 5 μm với kích thước
pixel nhỏ nhất khoảng 7 - 10 μm. Nói một cách khác, độ chính xác của các
máy gần ngang bằng với độ chính xác của các máy đo tọa độ ảnh đơn hoặc
các máy đo vẽ giải tích chính xác. Điều này cịng chính là lý do tại sao trong
máy qt PS1 có sử dụng nhiều bộ phận cơ học của máy đo vẽ giải tích
PlanicomP3. Xét về hình dạng của bộ phận đựng phim máy quét có hai dạng
là máy quét dạng hình trống và máy quét dạng đế phẳng.
1.4.1.1. Máy quét dạng hình trống:
Máy quét dạng hình trống thường dùng các ống hai cực (đioe) làm thiết bị
quét. Trong các máy quét dạng này ánh sáng đi từ nguồn sáng qua một lăng kính
chuyển động, qua phim đặt trên một đế chuyển động hình trống làm bằng thuỷ
tinh và tới ống hai cực. Các ống hai cực có ưu điểm cho nhiều độ xám khi quét,
tức là có độ phân giải bức xạ cao. Tuy nhiên việc đặt ảnh trên một mặt trống là
khá phức tạp và các bộ phận cơ học của máy quét dạng này có độ chính xác hình
học hạn chế (± 50 μm).

1.4.1.2. Máy qt dạng đế phẳng:
Với công nghệ CCD các máy quét dạng đế phẳng có hai dạng là CCD
dạng thanh và CCD dạng bảng.
- Máy quét dạng thanh: Các máy quét dạng này ánh sáng từ nguồn sáng
đi qua phim đặt trên một tấm kính phẳng và tới CCD. Tất cả các máy quét
chuyên dùng trong đo vẽ ảnh hiện nay đều ở dạng đế phẳng. Các máy quét
chuyên dùng như Zeiss SCAI, Intergraph PS1 hoặc Intergraph Photo Scan TD
có CCD dạng thanh. Đối với các máy quét dạng SCAI và Photo Scan TD
khay đựng phim đứng yên trong khi trục phụ đẩy thanh CCD để quét một dải
ảnh sau đó trục chính đẩy CCD theo chiều ngang với một lượng đóng bằng
chiều rộng của dải ảnh vừa quét. Tiếp đó trục phụ lại quét dải thứ hai và cứ


20

tiếp tục như vậy cho đến khi quét hết cả tấm ảnh. Với máy quét PS1 trục phụ
đẩy phim theo hướng qt cịn CCD thì đứng n. Tuy nhiên sau mỗi dải
quét trục chính lại đẩy CCD theo chiều ngang với một lượng đóng bằng chiều
rộng của dải ảnh vừa quét.
- Máy quét dạng bảng: Các máy quét này khay phim chuyển động theo
cả hai trục X và Y trong hệ thống quang học và CCD thì đứng yên. Sau mỗi
mảng quét khay phim lại được dịch chuyển với một lượng đóng bằng chiều
rộng của mảng ảnh vừa quét sau đó lại đứng yên để cho các CCD được lộ
quang.
Bảng liệt kê một số loại máy quét chuyên dụng trong đo vẽ ảnh số với các
thông số kỹ thuật như độ chính xác và độ phân giải.
Bảng 1.2
Hãng sản xuất

Tên máy quét

Độ chính xác

Độ phân giải

Intergph

PS1

3 μm

7,5 μm

Leica - Helava

DSW200

2 μm

4 - 16 μm

DSW300
DSW500
Vexcel

VX3.000

3 μm

8,5 - 160 μm

Wherli

RM - 1

5 μm

12 μm

Zeiss
Intergph

SCAI
TD

2 μm

7 μm

Trong bảng này các máy quét được in đậm như DSW300, DSW500,
VX3.000, SCAI, TD có tính năng quét phim cuộn tự động. Các máy quét
chuyên dùng cho đo vẽ ảnh có độ chính xác hình học cao (từ 2 μm đến 5 μm)
tương đương với các máy đo giải tích chính xác. Nhiều máy có khả năng quét
phim cuộn và Phim âm. Ảnh mầu có thể được quét 3 lần với 3 kính lọc hoặc
dùng CCD mầu. Quét 3 lần mất nhiều thời gian hơn nhưng có sự tách mầu tốt
hơn. Một số máy có thể quét 10 bít (1024 thang độ xám).


21

1.4.2. Trạm đo vẽ ảnh số:
Trạm đo vẽ ảnh số là hạt nhân của hệ thống ảnh số nó gồm một trạm đồ
họa với bộ nhớ, phần mềm xử lý ảnh và các tính năng hiển thị. Phần cứng của
trạm đo vẽ ảnh số bao gồm:
- Một bộ xử lý CPU mạnh và bộ nhớ RAM lớn để có thể xử lý các file ảnh
số lớn thường có trong đo vẽ ảnh số;
- Các tính năng xử lý khác như bộ tăng tốc độ đồ họa, bảng xử lý tín hiệu số,
bộ xử lý mảng để đảm bảo thực hiện nhanh các cơng việc có khối lượng tính
tốn lớn như khớp ảnh tạo mơ hình số địa hình (DTM);
- Bộ nhớ lưu trữ tư liệu lớn: đĩa cứng và các thiết bị lưu trữ phải có dung
lượng lớn (nhiều Giga Byte) để lưu trữ dữ liệu ảnh;
- Khả năng truyền dữ liệu nhanh giữa RAM, bộ nhớ video để hiện thị ảnh trên
màn hình, và bộ lưu trữ dữ liệu chính trong đĩa cứng;
- Màn hình mầu độ phân giải cao với khả năng nhìn lập thể;
- Thiết bị đo lập thể (chuột lập thể) cho phép định vị tiêu đo chính xác để thực
hiện tốt các thao tác như đo điểm hay số hoá các đối tượng.
1.4.2.1. Tiêu đo:
Tiêu đo được tạo bởi một nhóm các pixel trên màn hình. Tiêu đo này có thể
dịch chuyển theo từng pixel của màn hình. Nếu tỷ lệ pixel của ảnh và của màn
hình là 1/1 thì độ chính xác của phép đo trên thực địa sẽ bằng độ lớn của pixel
(tính theo thực địa). Nếu phóng ảnh lên (Zoom in) thì có thể đo được chính xác
tới một phần của pixel.
1.4.2.2. Tính năng nhìn lập thể:
Tính năng nhìn lập thể là yêu cầu cần thiết cho nhiều thao tác đo vẽ, chẳng
hạn như đo điểm khống chế mặt đất trong định hướng tuyệt đối, số hoá các
đặc trưng địa vật để thành lập bản đồ.
Thêm vào đó các dữ liệu số 3D cịn cần dùng trong GIS/LIS. Tính năng nhìn
lập thể là yếu tố không thể thiếu được trong hiện chỉnh bản đồ hay đo đạc và
chỉnh sửa mơ hình số địa hình. Ngồi ra nó cịn cho phép chồng các dữ liệu
vector lên mơ hình lập thể để kiểm tra độ chính xác và tính hồn chỉnh.

22

Có 5 phương pháp tạo lập thể hiện đang được áp dụng trong các hệ thống
đo vẽ ảnh số đó là các phương pháp:
- Dùng hai màn hình và một kính nhìn lập thể phản xạ (mirror sterescope) đặt
trước hai màn hình;
- Dùng màn hình và kính phân cực;
- Chia đơi màn hình và hiển thị mỗi ảnh trên một nửa màn hình, nhìn lập thể
bằng kính nhìn lập thể phản xạ;
- Hiển thị một ảnh theo màu đỏ và một ảnh theo mầu xanh, người thao tác đeo
kính có bộ lọc xanh, đỏ tương ứng để nhìn lập thể;
- Hiển thị xen kẽ và luân phiên ảnh trái và ảnh phải với tần số của mỗi ảnh là
50 đến 60 Hz, dùng bộ phát xạ hồng ngoại đặt trên nóc màn hình, người thao
tác đeo một loại kính đặc biệt để nhìn lập thể. Phương pháp này thường được
áp dụng trong các trạm đo vẽ ảnh số của Intergraph.
1.4.2.3. Hệ thống phần mềm:
Xét dưới khía cạnh thuật tốn thì các giải pháp dùng trong các trạm đo vẽ
ảnh số về cơ bản giống như trong đo vẽ giải tích. Chúng đều dùng các cơ sở
của hình học xạ ảnh và các mơ hình tốn học giống nhau ví dụ như các
phương trình đồng tuyến và điều kiện đồng phẳng. Các module phần mềm
trong các trạm đo vẽ ảnh số có thể được chia thành các phần chính sau đây
của hãng Intergraph:
- Phần mềm quét ảnh;
- Phần mềm tạo project và quản trị dữ liệu: ISPM;
- Phần mềm tăng dày khống chế ảnh: ISDM;
- Phần mềm xây dựng mơ hình số địa hình DTM: ISMT
- Phần mềm nắn ảnh trực giao: ISIR, BRECT;
- Phần mềm cắt, ghép ảnh: IRASC

- Phần mềm đo vẽ mơ hình lập thể, nội suy đường bình độ.
- Phần mềm số hố và biên tập bản đồ số.
1. Phần mềm quét ảnh:
Đây là phần mềm này có chức năng chuyển phim ảnh dạng tương tự sang
dạng số rater hoá.


23

2. Phần mềm tạo project:
Là phần mềm cho phép lưu trữ các thông tin về ảnh được xử lý trên trạm xử
ảnh và chuyển đổi với các dạng dữ liệu của phần mềm khác, nó có chức
năng:
- Tạo ra một nền tảng cơ sở vững chắc cịng như mơi trường và điều kiện cần
thiết cho mỗi khu vực cần thành lập bản đồ.
- Cho phép quản lý dữ liệu ảnh dưới dạng hai file. File ASCII giúp ta có thể
quan sát dữ liệu dưới dạng văn bản và có thể sửa đổi được, đây là dạng file
mà chúng ta thường dùng. Tuy nhiên tốc độ ghi và nhận chậm hơn file Binary
nhiều lần. Do đó đối với những project lớn ta thường tiến hành công việc trên
file dạng Binary và cuối cùng chuyển sang file ASCII.
- Lưu trữ các thông số như kiểu dữ liệu hệ tọa độ, đơn vị đo, các thông số của
phim, tọa độ mấu khung, số liệu hiệu chỉnh độ méo hình kính vật, kinh tuyến
gốc, múi
chiếu khu đo, tạo ra số liệu mơ hình một cách tự động.
- Nhận các giới hạn cho phép của các phép định hướng trong, định hướng
ngoài, định hướng tuyệt đối, bình sai.
3. Phần mềm tăng dày khống chế ảnh:
a. Định hướng ảnh:
Các quá trình định hướng ảnh nhằm tạo ra các mơ hình lập thể và gắn chúng
với

các điểm khống chế mặt đất là các công đoạn bắt buộc trong đo vẽ giải tích
cịng như trong đo vẽ ảnh số. Định hướng trong được thực hiện thơng qua q
trình đo các dấu khung trên ảnh. Trong nhiều trạm đo vẽ ảnh số hiện nay
thông thường chỉ phải đo thủ công một hoặc hai dấu khung đầu tiên trước khi
cho máy chạy tự động dùng các thuật toán khớp ảnh. Một số hãng còn cho ra
đời các phần mềm định hướng trong hoàn toàn tự động dựa trên việc sử dụng
các kỹ thuật khớp ảnh cùng với các mẫu dấu khung của các máy ảnh khác
nhau để khớp ảnh.


24

Q trình định hướng ngồi được áp dụng theo nhiều cách khác nhau. Một
số hệ thống dùng phép giao hội khơng gian ngược cho từng ảnh một, sau đó
áp dụng phép giao hội không gian dựa trên nguyên lý chùm tia để liên kết các
ảnh với nhau. Tuy nhiên quá trình tuần tự theo truyền thống gồm định hướng
tương đối và tuyệt đối vẫn được dùng phổ biến nhất. Theo cách này một số
trạm đo vẽ ảnh số cịn có các module định hướng tương đối tự động và bán tự
động. Đối với định hướng tuyệt đối vẫn phải đòi hỏi người thao tác phải nhận
dạng các điểm khống chế mặt đất.
b. Tăng dày khống chế ảnh:
Giống như tăng dày giải tích, tăng dày ảnh số cịng bao gồm các công đoạn
cơ bản như: chọn điểm, truyền điểm, đo điểm, thiết lập mơ hình và kiểm tra
sai số thơ theo từng mơ hình dọc theo các tuyến bay. Tuy nhiên trong tăng
dày ảnh số kỹ thuật khớp ảnh (image matching) thường được áp dụng. Hai
phương pháp khớp ảnh thường được dùng nhất là khớp ảnh theo vùng và
khớp ảnh theo đặc trưng địa vật. Quá trình khớp ảnh được thực hiện dựa trên
các cấu trúc hình tháp của ảnh. Các phép khớp ảnh được tiến hành theo từng
lớp của cấu trúc hình tháp và kết thúc ở lớp cuối cùng, tức là lớp của file ảnh
được quét từ máy quét. Kỹ thuật khớp ảnh tỏ ra đặc biệt có hiệu quả khi có các

điểm khống chế được đánh dấu mốc và địa hình có các điểm rõ nét. Nếu địa hình
có ít các điểm rõ nét thì cần phải đo lập thể thủ công.
Như vậy một trong những thay đổi cơ bản mà hệ thống đo vẽ ảnh số
mang lại là khả năng khớp ảnh và đo tự động điều mà trong ảnh giải tích
khơng có. Phương pháp tam giác ảnh số tự động ứng dụng kỹ thuật khớp ảnh
để chọn, chuyển và đo tự động các điểm nối ảnh (đặc biệt là nối các tuyến
ảnh) là một trong các khả năng đó. Đã có một vài phương pháp và chương
trình phần mềm tăng dày bán tự động và tự động được đưa vào áp dụng như
ISDM của Intergraph hay DCCS của Helava (bán tự động), MATCH - AT,
HATS, PHODIS - AT (tự động) và một vài phần mềm khác của các trường
đại học trên thế giới.
Trong ảnh giải tích hai nhiệm vụ đo tọa độ điểm ảnh và tính toán các
yếu tố định hướng tách rời nhau nhưng trong ảnh số đang được hợp nhất lại