Nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số hình học chụp ảnh bằng mày chụp ảnh kỹ thuật số ultracam tới độ chính xác đo vẽ ảnh

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

ĐÀO NGỌC DŨNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THAM SỐ
HÌNH HỌC CHỤP ẢNH BẰNG MÁY CHỤP ẢNH
KỸ THUẬT SỐ ULTRACAM TỚI ĐỘ CHÍNH
XÁC ĐO VẼ ẢNH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2012


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

ĐÀO NGỌC DŨNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THAM SỐ
HÌNH HỌC CHỤP ẢNH BẰNG MÁY CHỤP ẢNH
KỸ THUẬT SỐ ULTRACAM TỚI ĐỘ CHÍNH
XÁC ĐO VẼ ẢNH
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
TS. Đào Ngọc Long

HÀ NỘI - 2012


1

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng bản thân.
Tồn bộ q trình nghiên cứu được tiến hành một cách khoa học, các số liệu,
kết quả trình bày trong luận văn là chính xác, trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Hà Nội, ngày 6 tháng 10 năm 2012
Tác giả luận văn

Đào Ngọc Dũng


2

MỤC LỤC
Lời cam đoan.......................................................................................... 1
Mục lục .................................................................................................. 2
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt................................................... 5
Danh mục các bảng ................................................................................ 6
Danh mục các hình vẽ ............................................................................ 7
MỞ ĐẦU................................................................................................ 9
Chương 1:HỆ THỐNG MÁY CHỤP ẢNH HÀNG KHÔNG KỸ THUẬT SỐ
VEXCEL ULTRACAM XP W/A......................................................... 13
1.1. Một số khái niệm ........................................................................... 13
1.1.1. Ảnh số ........................................................................................ 13

1.1.2. Bộ cảm biến CCD....................................................................... 13
1.1.3. Cấu tạo và nguyên lý thu nhận hình ảnh ..................................... 14
1.2. Hiện trạng thiết bị, công nghệ bay chụp ảnh hàng không tại Việt
Nam và trên thế giới ............................................................................. 14
1.2.1. Hiện trạng thiết bị, công nghệ bay chụp ảnh hàng không tại Việt
Nam...................................................................................................... 14
1.2.2. Công nghệ chụp ảnh hàng không dạng số trên thế giới ............... 16
1.3. Hệ thống máy chụp ảnh hàng không kỹ thuật số Vexcel UltraCam
XP W/A................................................................................................ 17
1.3.1. Giới thiệu về máy chụp ảnh hàng không kỹ thuật số Vexcel
UltraCam XP W/A ............................................................................... 17
1.3.2. Hệ thống định vị POS/AV (Position and Orientation System for
Airborne Vehicle)................................................................................. 25
1.3.3. Phần mềm sử dụng trong máy chụp ảnh hàng không kỹ thuật số
Vexcel UltraCam XP W/A ................................................................... 28


3

1.3.4. Kiểm định các góc nghiêng giữa hệ thống IMU và hệ thống ống
kính máy ảnh ........................................................................................ 29
Chương 2:CƠNG TÁC BAY CHỤP ẢNH HÀNG KHÔNG VÀ LÝ
THUYẾT CƠ BẢN TRONG ĐO ẢNH................................................ 31
2.1. Công tác bay chụp ảnh hàng không................................................ 31
2.1.1. Khái niệm về q trình chụp ảnh hàng khơng ............................. 31
2.1.2. Các dạng chụp ảnh hàng không................................................... 31
2.1.3. Các máy móc thiết bị hỗ trợ dùng cho cơng tác bay chụp ........... 34
2.1.4. Chọn độ cao bay chụp, tiêu cự máy chụp ảnh và tỷ lệ chụp ảnh
hàng không........................................................................................... 36
2.2. Một số lý thuyết cơ bản trong đo ảnh............................................. 42

2.2.1. Khái niệm về phương pháp đo ảnh.............................................. 42
2.2.2. Các hệ thống tọa độ trong đo ảnh................................................ 42
2.2.3. Các nguyên tố định hướng của ảnh đo ........................................ 45
2.2.4. Công thức cơ bản về quan hệ tọa độ trong đo ảnh....................... 48
2.3. Một số vấn đề liên quan đến độ chính xác khi sử dụng máy chụp ảnh
hàng không kỹ thuật số Vexcel UltraCam XP W/A trong công tác chụp
ảnh để thành lập bản đồ ........................................................................ 55
Chương 3:THỰC NGHIỆM MỘT SỐ VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN MÁY
CHỤP ẢNH SỐ ULTRACAM............................................................. 58
3.1 Đánh giá ảnh hưởng của việc bố trí máy chụp ảnh khi bay chụp đến
độ chính xác xác định độ cao và hiệu quả kinh tế ................................. 58
3.1.1. Ảnh hưởng bố trí máy chụp ảnh đến độ chính xác xác định độ cao
............................................................................................................. 58
3.1.2. Ảnh hưởng bố trí máy chụp ảnh đến hiệu quả kinh tế khi thiết kế
bay chụp. .............................................................................................. 60


4

3.2. Độ chính xác tăng dày khống chế ảnh liên quan đến độ phủ khi chụp
ảnh........................................................................................................ 63
3.3. Đánh giá khả năng sử dụng số liệu của hệ thống định vị POS/AV
trong công tác tăng dày......................................................................... 65
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................. 85
DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ ...................................... 87
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................... 88
PHỤ LỤC 1.......................................................................................... 89


5

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
ADC

Analog-To-Digital Converter

Thiết bị đo lượng điện

CCD

Charge Coupled Device

Bộ cảm biến

DGPS

Differential Global Positioning
System

GPS vi phân

DMC

Digital Mapping Camera

Máy ảnh kỹ thuật số DMC

FMC

Forward Motion Compensation

Hệ thống chống trượt

GPS

Global Positioning System

Hệ thống định vị toàn cầu

IMU

Inertial Measurement Unit

Thiết bị đo quán tính

INS

Inertial Navigation System

Hệ thống dẫn đường quán tính

Position and Orientation System for

Hệ thống định hướng và

Airborne Vehicle

định vị cho máy ảnh

POS Computer System

Hệ thống máy tính POS

POS/AV
PCS


6

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Các số liệu kỹ thuật chính của hệ thống UltraCam XP W/A......... 24
Bảng 3.1. Độ chính xác định độ cao theo hai vị trí máy chụp ảnh ................ 60
Bảng 3.2. Số đường bay và số ảnh khi chiều dài ảnh trùng với hướng bay ... 61
Bảng 3.3. Số đường bay và số ảnh khi chiều dài ảnh vng góc với hướng bay
..................................................................................................................... 61
Bảng 3.4. Độ chính xác tăng dày theo hai phương án ................................... 64
Bảng 3.5 Bảng giá trị các nguyên tố định hướng ngoài của ảnh.................... 73
Bảng 3.6 Bảng kết quả đánh giá độ lệch tọa độ độ cao giữa (1) và (2).......... 77
Bảng 3.7 Bảng giá trị các giá trị các nguyên tố định hướng ngoài của ảnh khi
thay Zo = Z ................................................................................................... 79
Bảng 3.8 Bảng kết quả đánh giá độ lệch tọa độ độ cao giữa (1) và (3).......... 82


7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Máy chụp ảnh Vexcel UltraCam XP W/A (phần đặt trên máy bay):
Máy chủ lưu trữ dữ liệu, màn hình điều khiển và máy chụp ......................... 18
Hình 1.2. Bộ cảm SUX (Sensor Unit)........................................................... 19
Hình 1.3 Nguyên lý ghép ảnh của máy UltraCam XP W/A .......................... 20

Hình 1.4 Diện tích thu nhận ảnh của 9 ống kính chồng phủ lên nhau ........... 21
Hình 1.5 Các ảnh riêng biệt của hệ thống ống kính ...................................... 21
Hình 1.6 Máy chụp ảnh UltraCam XP W/A và bộ xử lý ghi số liệu.............. 22
Hình 1.7 Phía trong máy chụp ảnh và ổ cứng chứa dữ liệu........................... 23
Hình 1.8 Nơi đặt giá máy và nguồn điện cung cấp cho máy chụp ảnh .......... 24
Hình 1.9 Hệ thống POS/AV ......................................................................... 26
Hình 1.10 Chương trình dẫn đường bay ....................................................... 28
Hình 1.11 Phần mềm Camera Operation Software (COS) 3.60 .................... 29
Hình 1.12 Các bước chính xử lý số của phần mềm Ultramap 2.1.2 .............. 29
Hình 2.1 Độ phủ dọc và độ phủ ngang ......................................................... 33
Hình 2.2 Độ cao bay chụp ............................................................................ 37
Hình 2.3 Tiêu cự máy chụp ảnh.................................................................... 38
Hình 2.4 Hệ tọa độ mặt phẳng ảnh ............................................................... 43
Hình 2.5 Hệ tọa độ khơng gian ảnh .............................................................. 43
Hình 2.6 Hệ tọa độ đo ảnh............................................................................ 44
Hình 2.7 Các nguyên tố định hướng trong của ảnh....................................... 46
Hình 2.8 Các nguyên tố định hướng ngoài của ảnh hàng khơng ................... 47
Hình 2.9 Quan hệ đồng phương giữa véc tơ điểm ảnh và véc tơ điểm vật
tương ứng..................................................................................................... 48
Hình 2.10 Ảnh hàng khơng lý tưởng ............................................................ 51
Hình 2.11 Ảnh hàng không nghiêng............................................................. 52


8

Hình 2.12 Quan hệ giữa các điểm đặc trưng trên mặt phẳng ảnh P và mặt
phẳng vật E .................................................................................................. 54
Hình 3.1 Hai dạng bố trí máy chụp ảnh ........................................................ 58
Hinh 3.2 Sơ đồ thiết kế bay chụp trường hợp chiều dài ảnh trùng với hướng
bay ............................................................................................................... 62

Hinh 3.3 Sơ đồ thiết kế bay chụp trường hợp chiều dài ảnh vuông góc với
hướng bay .................................................................................................... 62
Hình 3.4 Độ phủ dọc của ảnh 60% và độ phủ dọc của ảnh 80% ................... 63
Hình 3.5 Phương án 1 - độ phủ 70%............................................................. 64
Hình 3.6 Phương án 2 - độ phủ 85%............................................................ 64
Hình 3.7 Sơ đồ tâm ảnh - khối tăng dày Nam Định ...................................... 66


9

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Cơng nghệ chụp ảnh hàng không để phục vụ cho công tác đo đạc thành
lập bản đồ được du nhập vào Việt Nam từ những năm 1965. Cùng với sự phát
triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin, những năm gần đây máy chụp ảnh nói
chung đã có những thay đổi vượt bậc. Theo đó cơng nghệ chụp ảnh hàng khơng
cũng đã chuyển hẳn sang công nghệ số với việc ứng dụng những thành tựu mới
nhất của khoa học công nghệ về tốc độ xử lý và dung lượng bộ nhớ.
Nhiệm vụ trước mắt và lâu dài của ngành đo đạc và bản đồ là hiện đại
hóa trang thiết bị cơng nghệ nhằm tạo ra các sản phẩm đo đạc bản đồ vừa đảm
bảo yêu cầu kỹ thuật quy định vừa đảm bảo về mặt giá thành thành lập.
Từ năm 2011, Công ty TNHH một thành viên Trắc địa Bản đồ - Bộ Quốc
phòng đã đầu tư và đưa vào sử dụng hệ thống máy chụp ảnh hàng không kỹ
thuật số Vexcel UltraCam XP W/A. Nó có nhiều ưu điểm so với cơng nghệ
chụp phim truyền thống. Nó đã và đang thay thế tồn bộ máy chụp ảnh phim
thơng thường. Với những đặc tính kỹ thuật nổi trội, đã mở ra nhiều ứng dụng
trong các lĩnh vực khác nhau như là thành lập bản đồ địa hình, địa chính, bản đồ
chun đề,..
Cơng nghệ chụp ảnh số kết hợp với hệ thống định vị tồn cầu (GPS) và
các hệ thống xác định qn tính (IMU) đã mở ra một quy trình thành lập bản đồ

hoàn chỉnh. Sự kết hợp này cho phép dẫ đường bay, xác định tọa độ tâm chụp
ảnh và các thông số về các góc định hướng của ảnh, do đó giúp cho công tác
thành lập bản đồ từ ảnh hàng không giảm tối đa khối lượng ngoại nghiệp, tiết
kiệm thời gian và kinh phí.
Mặc dù những năm gần đây ảnh vệ tinh với độ phân giải cao đã được
thương mại hóa, nhưng trong vài thập niên tới vẫn chưa thể thay thế được ảnh
hàng không trong việc cung cấp chi tiết các dữ liệu mặt đất để thành lập bản


10

đồ tỷ lệ vừa và lớn. Chưa đáp ứng được yêu cầu về độ chính xác cũng như
tính chủ động và còn chịu ảnh hưởng nhiều của thời tiết. Ngày nay, những
nước phát triển trên thế giới như Mỹ, Nhật, Đức, ... vẫn tiếp tục đầu tư và phát
triển các hệ thống chụp ảnh số hàng không phục vụ cho nhu cầu phát triển
cũng như chiến lược lâu dài. Nhiều dự án đầu tư của nước ngoài vào nước ta
cũng như các nước trong khu vực đều đòi hỏi phải sử dụng sản phẩm từ máy
chụp ảnh số như một yêu cầu bắt buộc.
Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin,
việc nghiên cứu khả năng ứng dụng của máy chụp ảnh hàng không kỹ thuật số
Vexcel Ultracam XP W/A là hết sức cần thiết trong công tác đo đạc thành lập
bản đồ bằng công nghệ ảnh số.
Được sự đồng ý của Trường Đại học Mỏ - Địa Chất và sự hướng dẫn trực
tiếp và nhiệt tình của TS. Đào Ngọc Long, tơi đã chọn đề tài “Nghiên cứu ảnh
hưởng của các tham số hình học chụp ảnh bằng máy chụp ảnh kỹ thuật số
Ultracam tới độ chính xác đo vẽ ảnh”.
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Mục đích của đề tài là nghiên cứu khả năng ứng dụng của hệ thống
(GPS) và thiết bị đo quán tính (IMU) với máy chụp ảnh kỹ thuật số Ultracam
trong công tác tăng dày.

- Nghiên cứu vấn đề độ phủ của ảnh và đường đáy khi chụp ảnh bằng
máy Ultracam tới độ chính xác đo vẽ ảnh.
3. Đối tượng nghiên cứu
Nghiên cứu khả năng ứng dụng của hệ thống máy chụp ảnh hàng không
kỹ thuật số Ultracam tới độ chính xác đo vẽ ảnh.
4. Nội dung nghiên cứu
Nghiên cứu vấn đề liên quan đến độ phủ của ảnh, đường đáy chụp ảnh
và khả năng sử dụng hệ thống GPS/IMU với máy chụp ảnh Ultracam tới độ


11

chính xác đo vẽ ảnh.
5. Phương pháp nghiên cứu
Trước hết, luận văn tập trung nghiên cứu các vấn đề lý thuyết cơ bản
liên quan đến máy chụp ảnh hàng không kỹ thuật số Ultracam và lý thuyết cơ
bản trong đo ảnh, sau đó nghiên cứu những vấn đề liên quan đến độ chính
xác đo ảnh khi sử dụng máy chụp ảnh Ultracam trong công tác chụp ảnh để
thành lập bản đồ.
Phương pháp thống kê: Thu thập, tổng hợp, xử lý các thơng tin và tài
liệu liên quan.
Phương pháp phân tích: Sử dụng các phương tiện và các cơng cụ tiện
ích, phân tích logic các tư liệu, đánh giá khách quan các yếu tố để đưa ra kết
luận chính xác làm cơ sở giải quyết các vấn đề đặt ra.
Phương pháp so sánh: Tổng hợp các kết quả, so sánh, đánh giá, đưa ra
các kết luận chính xác về vấn đề nêu ra.
Phương pháp chuyên gia: Thu thập, tổng hợp và phân tích các ý kiến
chuyên gia làm cơ sở đưa ra các kết luận khoa học.
Phương pháp thực nghiệm: Tiến hành thực nghiệm để chứng minh cho
các luận chứng khoa học đã đưa ra.

6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Dựa trên các đặc tính kỹ thuật của máy chụp ảnh Ultracam và hệ thống
GPS/IMU, tiến hành nghiên cứu khả năng sử dụng chúng để nâng cao độ chính
xác trong cơng tác chụp ảnh để thành lập bản đồ. Qua đó, kiến nghị một số vấn
đề liên quan đến công tác thiết kế bay chụp ảnh với máy ảnh Ultracam nhằm
nâng cao hiệu quả sử dụng.
7. Cấu trúc của luận văn
Luận văn gồm phần mở đầu, 3 chương, phần kết luận kiến nghị được
trình bày trong 88 trang, 31 hình và 09 bảng biểu.


12

Trong suốt thời gian học tập tại trường Đại học Mỏ - Địa chất, tôi đã
nhận được sự giúp đỡ quý báu của các Thầy, Cô giáo trong trường; Ban lãnh
đạo Trung tâm Thiết kế - Tư vấn đo đạc và bản đồ, Cục Đo đạc và Bản đồ Việt
Nam 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 Trường đại học Mỏ - Địa chất, Hà Nội.
- Trung tâm Thiết kế - Tư vấn đo đạc và bản đồ, Cục Đo đạc và Bản đồ
Việt Nam.
- Xí nghiệp Tài ngun và Mơi trường 1, Tổng công ty Tài nguyên và
Môi trường Việt Nam.
Cũng qua đây, tơi xin trân trọng bày tỏ lịng biết ơn trân trọng tới TS.
Đào Ngọc Long, người đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ, đóng góp nhiều ý
kiến quý báu trong quá trình chọn và nghiên cứu đề tài này. Tơi cũng xin cảm
ơn tới tồn thể bạn bè, đồng nghiệp đã luôn quan tâm, động viên giúp đỡ và tạo
mọi điều kiện thuận lợi để tôi học tập, cơng tác hồn thành tốt khóa học.

13

CHƯƠNG 1
HỆ THỐNG MÁY CHỤP ẢNH HÀNG KHÔNG KỸ THUẬT SỐ
VEXCEL ULTRACAM XP W/A
1.1. Một số khái niệm
1.1.1. Ảnh số
- Pixel (Picture Element):
Trong phương pháp ảnh số, một ảnh được biểu diễn bởi các phần tử
ảnh, chúng được gọi là pixel. Như vậy, có thể gọi mỗi pixel là một điểm ảnh
mà tại đó có hai giá trị là tọa độ (x,y) và giá trị độ xám (D).
- Độ phân giải:
Chất lượng của bất kỳ hình ảnh số nào nói chung đều phụ thuộc vào
độ phân giải, đó chính là số lượng pixel được dùng để hợp thành ảnh số. Số
pixel càng nhiều và càng nhỏ sẽ làm tăng thêm độ chi tiết và độ sắc nét của
hình ảnh. Có ba cách để biểu diễn độ phân giải của hình ảnh:
+ Bằng kích thước pixel;
+ Bằng tổng số pixel;
+ Bằng số pixel trên một inch (dpi).
1.1.2. Bộ cảm biến CCD (Charge Coupled Device)
Máy chụp ảnh kỹ thuật số là loại máy chụp ảnh mà kết quả thu nhận
hình ảnh được lưu giữ dưới dạng số, dữ liệu được lưu trữ trên máy tính.
Một trong những thiết bị cơ bản nhất của máy chụp ảnh kỹ thuật số đó
là bộ cảm biến CCD. CCD bao gồm một mạng lưới các điểm bắt sáng. Các
điểm này lại được phủ các lớp lọc màu (thường là một trong 3 màu cơ bản
Red, Green và Blue) để mỗi điểm chỉ bắt một màu nhất định. Do các điểm
ảnh được phủ các lớp lọc màu khác nhau và được đặt xem kẽ nhau nên màu
nguyên thủy tại một điểm của hình ảnh thật sẽ được tái hiện bằng màu từ một

14

điểm ảnh chính kết hợp với các màu bù được bổ sung từ các điểm xung quanh
bằng phương pháp nội suy.
1.1.3. Cấu tạo và nguyên lý thu nhận hình ảnh
1.1.3.1. Cấu tạo chung
Một trong những hạn chế cơ bản của máy chụp ảnh số là kích thước
nhỏ của bộ cảm biến CCD. Điều đó gây trở ngại để tạo ra hình ảnh kích thước
lớn có điều khiển như trong hệ thống vệ tinh là sự mất tương xứng giữa việc
tạo ra dung lượng lớn số liệu khoảng 1GB/giây và khả năng xử lý số liệu đó.
Do sự hạn chế của bộ cảm biến CCD cỡ nhỏ, đưa đến ý tưởng sử dụng
nhiều máy ảnh để thu được diện tích phủ mặt đất lớn. Vì thế, máy ảnh kỹ
thuật số khổ lớn có cấu tạo chung là sử dụng nhiều máy chụp ảnh ghép lại với
nhau để mở rộng trường nhìn.
1.1.3.2. Nguyên lý thu nhận hình ảnh
Khi chụp ảnh, cửa chớp mở, ánh sáng qua ống kính sẽ được lưu lại bề
mặt chíp thơng qua các điểm ảnh. Thơng tin về số lượng ánh sáng lưu lại của
mỗi điểm (thể hiện sự khác nhau về điện áp) sẽ được chuyển lần lượt theo
từng hàng ra ngoài bộ phận đọc giá trị (để đọc các giá trị khác nhau của mỗi
điểm sáng). Sau đó các giá trị này sẽ đi qua bộ khuếch đại tín hiệu, rồi đến bộ
chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (A/D converter), rồi tới bộ xử lý
để tái hiện lại hình ảnh đã chụp được.
CCD chuyển dịng điện qua một con chíp, một bộ ADC (Analog-ToDigital Converter) sẽ đo lượng điện tại mỗi tế bào quang điện và chuyển đổi
giá trị đo lường này thành dạng số.
1.2. Hiện trạng thiết bị, công nghệ bay chụp ảnh hàng không tại Việt
Nam và trên thế giới
1.2.1. Hiện trạng thiết bị, công nghệ bay chụp ảnh hàng không tại Việt
Nam

15

Công nghệ bay chụp ảnh hàng không được du nhập vào Việt Nam từ
những năm 1965 để phục vụ trong quân đội. Hiện nay, tại Việt Nam có ba hệ
thống máy chụp ảnh hàng không là hệ thống máy chụp ảnh RMK-TOP15
(Đức) của Tổng công ty Tài nguyên và Môi trường Việt Nam, Bộ Tài nguyên
và Môi trường; hệ thống máy chụp ảnh RC-30 (Thụy Sỹ), hệ thống máy chụp
ảnh Vexcel Ultracam XP W/A (Áo) của Công ty THHH một thành viên Trắc
địa Bản đồ - Bộ Quốc phòng. Từ năm 2011, công ty là đơn vị đầu tiên và duy
nhất ở Việt Nam đầu tư, đưa vào vận hành Hệ thống máy chụp ảnh số
UltraCam XP.
Hệ thống máy chụp ảnh Wild RC-30 bao gồm: Máy chụp ảnh Wild RC30, tiêu cự 153mm, hộp đựng film với bộ phận chống nhòe FMC, giá máy chụp
ảnh với thiết bị ổn định con quay Wild PAV-30, bộ điều khiển bay chụp với hệ
thống ASCOT (hệ thống dẫn đường bay nhờ GPS để xác định tọa độ tâm chụp),
phần mềm tính tốn tọa độ tâm ảnh SKIP.
Hệ thống máy chụp ảnh Vecxel Ultracam XP W/A bao gồm: Máy chụp
ảnh Vecxel Ultracam XP W/A, tiêu cự 70,5mm, hệ thống định vị POS/AV.
Hệ thống máy chụp ảnh RMK-TOP15 bao gồm: Máy chụp ảnh RMKTOP15, tiêu cự 152mm, bộ điều khiển trung tâm T-CU, đế máy cân bằng tự
động TAS, catset để lắp phim chụp T-MC, máy tính chụp ảnh T-TL, ống ngắm
chụp ảnh T-NT, máy tính dẫn đường và chụp ảnh T - NC, hệ thống điều khiển
bay chụp T- FLIGHT, phần mềm thiết kế T-PLAN, phần mềm tính tốn tọa độ
tâm ảnh SKIP, thiết bị dẫn đường bay và xác định tọa độ tâm chụp bằng GPS.
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 được đầu tư đồng bộ để hình thành dây chuyền cơng nghệ đo vẽ thành lập
bản đồ bằng phương pháp ảnh số. Dây chuyền công nghệ thành lập bản đồ số
đã được đầu tư nâng cấp để duy trì hoạt động ổn định. Tuy nhiên do phải hoạt

16

động qua các công đoạn như: 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 khơng mong muốn trong q trình đo vẽ thành lập bản đồ.
Các hệ thống máy chụp ảnh RC-30 và RMK-TOP15 đã được đưa vào
hoạt động khá lâu, với tần suất sử dụng cao nên đã xuống cấp. Máy đã phải
sửa chữa bảo dưỡng nhiều, chất lượng ảnh chụp kém gây khó khăn, tốn kém
và khơng ổn định trong sử dụng. Công nghệ thành lập bản đồ hiện nay đã thay
đổi và chuyển hồn tồn sang cơng nghệ số. Tính thời sự, chất lượng của bản
đồ đòi hỏi ngày càng cao. Sản phẩm thu được từ máy chụp ảnh là phim nên để
sử dụng trên quy trình cơng nghệ ảnh số cần phải thực hiện cơng đoạn raster
hố bằng các máy quét phim chuyên dụng. Sau đó mới tiến hành được các
công đoạn tiếp theo như tăng dày, đo vẽ thành lập bản đồ. Quá trình này kéo
dài thời gian sản xuất, đồng thời làm chất lượng phim suy giảm. Điều này sẽ
được loại bỏ nếu sử dụng máy chụp ảnh số.
Ngồi ra, các máy ảnh hàng khơng chụp phim hiện nay phụ thuộc
nhiều vào nguồn phim chụp và thuốc tráng chun dùng, chỉ có rất ít hãng sản
xuất với số lượng hạn chế thậm chí chỉ sản xuất theo đơn đặt hàng, giá thành
rất cao. Xu thế trong vài ba năm tới sẽ khơng cịn nguồn cung cấp phim chụp
hàng khơng do máy ảnh số sẽ thay thế hồn tồn máy ảnh chụp phim truyền
thống. Các nước 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.
1.2.2. Công nghệ chụp ảnh hàng không dạng số trên thế giới
Các máy ảnh số hàng không sử dụng thiết bị chuyên dùng để thu nhận
ảnh sáng phản xạ từ bề mặt trái đất. Đây là thiết bị ma trận điểm ảnh sử dụng
công nghệ mạch nạp năng lượng kép (Charged Couple Device - CCD) tạo ma
trận điểm ảnh (Digital Detector Array). Bộ cảm ứng CCD được thiết kế
chuyên dùng cho các hệ thống máy chụp ảnh số và thiết bị viễn thám. Bộ cảm

17

của UltraCam X được thiết kế để thu nhận một kênh toàn sắc (Panchromatic)
và 4 kênh đa phổ (Multispectral). Đặc trưng của bộ cảm này là khả năng làm
sạch dữ liệu (chuyển tín hiệu số ra thiết bị xử lí) rất nhanh.
Tùy vào thiết kế mà các hệ thống máy ảnh số được trang bị các bộ cảm
CCD khác nhau. Hiện nay, trên thị trường có hai cơng nghệ chụp ảnh hàng
khơng số chính phân theo cơ sở chế tạo ảnh như sau:
- Máy ảnh số dùng công nghệ chụp khung: Các máy ảnh này dùng bộ
cảm CCD sắp đặt theo hình vng hoặc hình chữ nhật. Điển hình của dòng
máy ảnh loại này là sản phẩm DMC (Digital Mapping Camera) của Intergraph
và Vexcel Ultracam của Vexcel (một công ty thuộc tập đồn Microsoft).
- Máy ảnh số dùng cơng nghệ quét dòng: Máy ảnh dạng này sử dụng bộ
cảm CCD tuyến tính. Điển hình của dịng máy ảnh loại này là ADS40 của
Leica Geosystems. Trong phương pháp quét theo dòng, kết quả thu được là
từng dải bay. Khi quét ảnh tại thực địa người ta quét được 3 giải bay trên
một đường bay từ 3 ống kính 45 độ về phía trước, thẳng đứng, 45 độ phía sau.
Việc lập thể được thực hiện khi kết hợp từng cặp giải bay một. Các số liệu
GPS/IMU tham gia vào tính tốn cải chính số liệu hình ảnh. Nếu khơng có tín
hiệu GPS/IMU thì chất lượng hình ảnh khơng đảm bảo để thành lập bản đồ.
Cả hai dịng máy ảnh đều có những ưu nhược điểm riêng nhưng đều đã
và đang được sử dụng đồng thời trên thế giới. Luận văn sẽ đi vào giới thiệu và
phân tích về máy Vexcel Ultracam.
1.3. Hệ thống máy chụp ảnh hàng không kỹ thuật số Vexcel UltraCam
XP W/A
1.3.1. Giới thiệu về máy chụp ảnh hàng không kỹ thuật số Vexcel
UltraCam XP W/A
1.3.1.1. Các tính năng kỹ thuật chính

18

Hình 1.1 Máy chụp ảnh Vexcel UltraCam XP W/A (phần đặt trên máy bay):
Máy chủ lưu trữ dữ liệu, màn hình điều khiển và máy chụp
Thế hệ UltraCam là dịng máy ảnh số của hãng Vexcel (Áo) được đưa vào thị
trường năm 2003 với sản phẩm UltraCam D. Đến năm 2006, hãng này tiếp
tục giới thiệu sản phẩm UltraCam X và UltraCam XP được thiết kế trên nền
tảng UltraCam D nhưng có tính năng vượt trội hơn. Và đến nay là loại máy
chụp ảnh hàng không kỹ thuật số Vexcel UltraCam XP W/A có trang bị hệ
thống IMU. Đây là máy ảnh số có kích thước ảnh tun bố là lớn nhất thế giới
hiện nay.
Độ rộng băng phổ và khả năng đa phổ của máy chụp ảnh cho dải phổ
động đến hơn 12 bit trên một băng phổ và thu đồng thời cả băng cận hồng ngoại.
Điều này cho phép phân tích, giải đốn các băng phổ trong xử lý ảnh. Cùng với
việc phân tích hình học của các ảnh đơn sắc khổ lớn thì việc phân loại phổ
cho phép tự động hóa q trình xử lý.
Độ chính xác hình học của độ cảm biến đạt được duy trì từ phương pháp
xử lý cũng như từ việc kiểm định chính xác. Với độ chính xác đó có thể đạt
được kết quả đặc biệt của quá trình xây dựng và bình sai tam giác ảnh.


19

Thông số cơ bản máy chụp ảnh Vexcel UltraCam XP W/A:
- Tên đầy đủ: Vexcel UltraCam -XP-Wide-Angle;
- Tiêu cự: fk = 70,5 mm;
- Kích thước ảnh: 17310 x 11310 Pixcel;
- Kích thước điểm ảnh: 6 µm.
1.3.1.2. Cấu trúc phần quang học và bộ cảm CCD

Bộ cảm của UltraCam XP được thiết kế để thu nhận một kênh toàn sắc
(Panchromatic) và 4 kênh đa phổ (Multispectral):
Kênh toàn sắc: Là bộ bốn ống kính và 09 CCD nằm trên trục chính (master
cone)
Các kênh đa phổ: Là bộ bốn ống kính Đỏ - Lục - Lam - Cận hồng ngoại

Hình 1.2. Bộ cảm SUX (Sensor Unit)
Một tấm ảnh của UltraCam Xp được đồng bộ từ 09 tấm ảnh thành phần
thu nhận được qua 04 khoảnh khắc khác nhau tạo ra. Bốn ống kính nằm trên
trục chính điều khiển tồn bộ khn dạng ảnh, với 9 mảng cảm biến CCD thì
sau khi đồng bộ, ảnh sẽ có kích thước là 17310 x 11310 Pixel (tương đương
với ảnh 196 Mpixel). Các ống kính đa phổ sẽ chụp một lần toàn bộ cảnh ảnh
với độ phân giải 5770 x 3770 Pixel. Sau đó, kênh đa phổ sẽ được trộn với


20

kênh toàn sắc để cho ta một ảnh tổ hợp màu với các kênh có kích thước là
17310 x 11310 Pixel.

Hình 1.3 Nguyên lý ghép ảnh của máy UltraCam XP W/A
- Hình (a) : Bốn ống kính tồn sắc sắp xếp trên một đường thẳng và dọc
theo hướng bay lưu giữ 9 bộ cảm CCD thu nhận hình ảnh tồn sắc, 9 ảnh này
được ghép thành một ảnh lớn. 4 ống kính bên cạnh thu nhận dữ liệu đa phổ.
Kết hợp ảnh đa phổ và ảnh toàn sắc cho ta một ảnh tổng hợp.
- Hình (b) : Mơ tả q trình thu nhận hình ảnh từ các ống kính.


21

Hình 1.4 Diện tích thu nhận ảnh của 9 ống kính chồng phủ lên nhau

Hình 1.5 Các ảnh riêng biệt của hệ thống ống kính
Kết quả dữ liệu ảnh thơ từ 8 ống kính của máy chụp ảnh:
Hình (a) - hình (d) là 9 ảnh thu nhận bởi 4 ống kính cho dữ liệu tồn sắc
định dạng lớn.
Hình (e) - hình (h) là 4 ảnh thu nhận từ 4 ống kính cho dữ liệu đa phổ
độ phân giải thấp, cụ thể là đỏ, xanh lá cây, xanh dương và hồng ngoại.
Chính thiết kế đặc biệt này của UltraCam XP W/A cho phép máy ảnh
này chụp được ảnh với tốc độ (Frame rate) nhanh nhất (<1 giây) và với kích
thước ảnh lớn nhất. UltraCam XP W/A cũng được trang bị công nghệ hiệu
chỉnh bù độ trượt ảnh theo hướng bay (Forward Motion Compensation


22

(FMC)). Công nghệ này cho phép bay nhanh hơn với thời gian lộ quang lâu
hơn nhưng lại cho ảnh có chất lượng rất tốt khơng bị nhịe.
1.3.1.3. Các phần chính của hệ thống máy chụp ảnh hàng không Vexcel
UltraCam XP W/A
Máy chụp ảnh được cấu tạo gồm bộ cảm biến, thiết bị lưu trữ gắn trong hệ
thống chụp ảnh, giao diện điều khiển và 2 bộ thiết bị lưu trữ tháo lắp được. Hệ
thống hoàn chỉnh gồm phần mềm để điều khiển hoạt động của máy ảnh và xử lý
dữ liệu ảnh sau khi bay chụp.

Hình 1.6 Máy chụp ảnh UltraCam XP W/A và bộ xử lý ghi số liệu
- Thiết bị lưu trữ:
Đây là hệ thống điều khiển, tính toán và ghi số liệu đặt trên máy bay được
thiết kế chuyên dụng. Thiết bị này chứa mạch xử lí tương đương với 14 máy
tính tích hợp chạy song song. Dữ liệu thu được từ CCD không ghi trực tiếp ngay

ra ổ cứng mà được lưu lại tại bộ xử lí sau đó ghi dần ra ổ cứng. Cơng nghệ này
giúp máy ảnh giải phóng ngay lập tức bộ nhớ CCD để có thể thu nhận ảnh ngay,
đảm bảo chế độ chụp ảnh với tốc độ nhanh nhất.
Thiết bị ghi ảnh của UltraCam XP W/A có thể tháo lắp nên khơng hạn
chế dung lượng, nếu cần, khách hàng có thể mua thêm để đảm bảo thời gian bay
chụp những khu vực lớn. Với cấu hình chuẩn là hai Data Unit với dung lượng
trên 4,2 TeraByte, thiết bị này có khả năng ghi trên 6600 tệp ảnh ở chế độ sao


23

lưu (khơng nén) nhằm đảm bảo an tồn dữ liệu và có thể thu liên tục trong 22
giờ với ảnh có độ phân giải mặt đất là 20 cm.
Mỗi Data Unit có lắp hệ thống 14 ổ cứng loại 320 GB, được thiết kế
chống rung, chống va đập khi bay chụp ảnh và di chuyển. Data Unit kết nối
qua máy tính trạm để trút dữ liệu vào máy tính bằng 4 cáp dữ liệu nối song
song qua card PCI chuyên dụng.

Hình 1.7 Phía trong máy chụp ảnh và ổ cứng chứa dữ liệu
- Giá máy chụp ảnh và hệ thống cung cấp điện lắp trên máy bay chụp
ảnh:
Máy chụp ảnh muốn lắp đặt trên máy bay cần phải có 1 giá đỡ bằng thép,
nhằm mục đích gắn chặt với sàn máy bay, chống rung lắc trong quá trình thực
hiện nhiệm vụ và chống chiều dài ống kính sẽ chạm xuống kính chắn ở khoang
bụng hở của máy bay, gây nguy hiểm vỡ kính và mất an tồn bay.
Đội ngũ kỹ thuật viên của Xí nghiệp chụp ảnh Hàng khơng đã tổ chức đo
đạc, thiết kế và đặt hàng một giá đỡ bằng thép, đảm bảo yêu cầu gắn máy chụp
ảnh và kê ống kính chụp lên cao an tồn. Tương tự như vậy, đảm bảo hệ thống
nguồn điện cung cấp cho máy chụp ảnh (máy ảnh và GPS/IMU) cùng máy tính
xách tay để dẫn đường bay.