Một số giải pháp kỹ thuật tăng dày ảnh vệ tinh spot theo khối bằng hệ thống spacemat để phục vụ thành lập bình đồ trực ảnh

1

Bộ giáo dục và Đào tạo

Trờng đại học mỏ - địa chất

Nguyễn việt an

Một số giải pháp kỹ thuật tăng dày ảnh vệ
tinh SPOT theo khối bằng hệ thống SPACEMAT
để phục vụ thành lập bình đồ trực ảnh

Chuyên ngành : Kỹ thuật Trắc địa
MÃ số : 60.52.85

Luận văn thạc sĩ kü tht

Ng−êi h−íng dÉn khoa häc :
1. PGS. TS. Ngun Trờng Xuân
2.TS. Nguyễn Xuân Lâm

Hà nội - 2007


2

lời cam đoan

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và cha từng đợc ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Hà nội, ngày 10 tháng 8 năm 2007
Tác giả luận án

Nguyễn Việt An


3

mục lục
lời cam đoan.............................................................................................. 2
mục lục ......................................................................................................... 3
danh mục các chữ viết tắt ................................................................ 4
danh mục các bảng................................................................................ 5
danh mục các hình vẽ .......................................................................... 6
Mở đầu ........................................................................................................... 8
Chơng 1 giới thiệu về viễn thám và ảnh vệ tinh SPOT .... 14
1.1 Giới thiệu về viễn thám .................................................................... 14
1.2 ảnh vệ tinh SPOT............................................................................. 18
1.3 Các nguyên nhân gây biến dạng hình học ảnh vệ tinh SPOT .......... 27
Chơng 2 giới thiệu công nghệ thành lập bình đồ
Trực ảnh bằng hệ thống SPACEMAT ...................... 33
2.1. Các quy định kỹ thuật của bình đồ trực ảnh vệ tinh ......................... 33
2.2. Công nghệ thành lập bình đồ trực ảnh SPOT bằng hệ thống
SPACEMAT ..................................................................................... 35
Chơng 3 Nghiên cứu kỹ thuật tăng dày ảnh vệ tinh
SPOT theo khèi trªn hƯ thèng SPACEMAT ........... 40
3.1 Mét số khái niệm cơ bản ................................................................... 40
3.2 Các nội dung của tăng dày khối ảnh vệ tinh ..................................... 49
3.3 Khả năng tăng dày khối đM nghiên cứu ở nớc ngoài ....................... 54

3.4 Một số giải pháp kỹ thuật tăng dày ảnh vệ tinh theo khối ................ 56
3.5 u điểm và nhợc điểm của tăng dày ảnh vệ tinh theo khối............. 59
Chơng 4 Thực nghiệm tăng dày ảnh vệ tinh SPOT
theo khối để thành lập bình đồ trực ảnh
trên hệ thống SPACEMAT ............................................ 61
4.1 Mục đích công tác thực nghiệm ........................................................ 61
4.2 Tình hình khu vực thực nghiệm và t liệu ảnh vệ tinh SPOT............ 62
4.3 Công việc thực nghiệm trên hệ thống SPACEMAT......................... 65
Kết luận và kiến nghị ......................................................................... 71
Tài liƯu tham kh¶o .............................................................................. 73


4

danh mục các chữ viết tắt
CCD : Charged Coupled Device
CNES : Centre National d'Etudes Spatiales
DORIS: Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite
EADS : European Aeronautic Defence and Space
GIS

: Geographical Information System

GPS

: Global Positioning System

GDTA : Groupement pour le DÐveloppement de la TÐlÐdÐtection AÐrospatiale
HRG : High Resolution Geometric
HRS

: High Resolution Stereoscopic

HRV : High Resolution Visble
HRVIR: High Resolution Visible InfranRed
IGN

: Institut GÐographique National

KCA

: Khống chế ảnh

NTĐHN: Nguyên tố định hớng ngoài
SPOT : Satellite Pour l’Observation de la Terre
TM

: Thematic Mapper


5

danh mục các bảng
Bảng 1. Thông số kỹ thuật các kênh phổ của vệ tinh SPOT............................ 22
Bảng 2. Chức năng của các phần mềm xử lý ảnh vệ tinh SPOT ..................... 25
Bảng 3. Tính chất điểm kiểm tra ..................................................................... 50
Bảng 4. Sai số giữa các phơng án .................................................................. 55


6

danh mục các hình vẽ
Hình 1.1 Vị trí của vệ tinh SPOT trên quỹ đạo ............................................... 18
Hình 1.2 Dải bay cđa hƯ thèng vƯ tinh SPOT ............................................... 19
H×nh 1.3 VƯ tinh SPOT4.................................................................................. 20
H×nh 1.4 VƯ tinh SPOT5................................................................................. 21
H×nh 1.5 Chơp ảnh số SPOT........................................................................... 22
Hình 1.6 Các độ phân giải ảnh vệ tinh SPOT ................................................. 23
Hình 1.7 Bình đồ ảnh vệ tinh SPOT tỷ lệ 1:10 000........................................ 27
Hình 1.8 Bình đồ ¶nh vƯ tinh SPOT tû lƯ 1:25 000......................................... 27
H×nh 1.9 Bình đồ ảnh vệ tinh SPOT tỷ lệ 1:50 000 ......................................... 27
Hình 1.10 Các biến dạng do ảnh hởng của các nguồn sai số bên trong bộ cảm
biến ............................................................................................................... 28
Hình 1.11 Các biến dạng do ảnh hởng của các nguồn sai số bên ngoài bộ
cảm biến ........................................................................................................ 29
Hình 2.1 Bố trí điểm KCA trong 1 cảnh ảnh................................................... 38
Hình 3.1 Cảnh ¶nh SPOT ............................................................................... 40
H×nh 3.2 D¶i ¶nh vƯ tinh SPOT ...................................................................... 41
Hình 3.3 Khối ảnh SPOT ................................................................................ 41
Hình 3.4 Mô hình hình học của một tấm ảnh ................................................ 42
Hình 3.5 Hớng quét thẳng đứng ................................................................... 46
Hình 3.6 Hớng quét ngang ........................................................................... 46
Hình 3.7 Mô tả mô hình biến dạng mặt phẳng............................................... 47
Hình 3.8 Vị trí điểm độ cao Z giữa 2 dải ảnh ................................................ 51
Hình 3.9 Các loại điểm khống chÕ trong hƯ thèng Spacemat .................. 52
H×nh 3.10 Bè trÝ điểm trên ảnh đơn.................................................................53
Hình 3.11 Bố trí điểm trên dải ảnh..................................................................54
Hình 3.12 Điểm KC của một khối ảnh ............................................................ 53
Hình 3.13 Khối ảnh gồm có các cảnh ở vùng biển và biên giới ..................... 54

7

Hình 3.14 Sơ đồ khối và điểm khống chế ...................................................... 55
Hình 3.15 Điểm KC chung cho các dải ảnh ................................................... 57
Hình 3.16 Bố trí điểm KC trong trờng hợp các điểm có độ chính xác thấp 58
Hình 3.17 Bố trí điểm ở vùng biên giới và vùng biển .................................... 58
Hình 3.18 Tách một khối ảnh thành nhiều khối nhỏ hơn............................... 59
Hình 3.19 Kết hợp nhiều khối nhỏ thành một khối ảnh lớn........................... 59
Hình 3.20 Ghép cảnh ảnh đơn vào khối ảnh .................................................. 59
Hình 4.1 Mô tả điểm GPS và tọa độ, độ cao của điểm................................... 63
Hình 4.2 Sơ đồ điểm khống chế ..................................................................... 63
Hình 4.3 Mô hình số địa hình tại khu vực thực nghiệm ................................. 64
Hình 4.4 Điểm KCA trên ảnh vệ tinh............................................................. 66
Hình 4.5 Đồ thị sai số trung phơng vị trí điểm............................................. 69


8

Mở đầu
1.Tính cấp thiết của đề tài
Trong những năm gần đây, kỹ thuật viễn thám đM đợc ứng dụng rộng
rMi trong nhiều lĩnh vực. Phát triển từ những thành tựu míi nhÊt cđa khoa häc
kü tht cịng nh− c«ng nghƯ vũ trụ, công nghệ điện tử, tin học viễn thám là
môn khoa học liên ngành với mục tiêu cung cấp thông tin nhanh nhất, khách
quan nhất phục vụ các ngành kinh tế quốc dân nh nông nghiệp, lâm nghiệp,
địa chất, khí tợng, bản đồ, bảo vệ môi trờng
Ngày 14/6/2006 Thủ tớng Chính phủ đM ký quyết định số
137/2006/QĐ-TTG phê duyệt bản Chiến lợc nghiên cứu và ứng dụng công
nghệ vũ trụ đến năm 2020. Một trong những nội dung quan trọng của bản

chiến lợc này là xây dựng cơ sở hạ tầng cho công nghệ vũ trụ mà nhiệm vụ
trớc mắt thực hiện trong giai đoạn 2006-2010 là phải xây dựng Trạm thu và
Trung tâm Xử lý ảnh vệ tinh phục vụ chung cho các ngành kinh tế quốc dân
và để nghiên cứu khoa học.
Trạm thu ảnh Viễn thám đợc xây dựng sẽ là một bớc đột phá trong
việc thực hiện kế hoạch tổng thể ứng dụng và phát triển viễn thám tại Việt
Nam. Trạm thu ảnh Viễn thám có chức năng thu nhận các loại ảnh vệ tinh
nh: SPOT 2, 4 và 5 (ảnh phân giải cao 2,5m), ENVISAT ASAR (ảnh Radar
có độ phân giải 30-1000 m), ENVISAT MERIS (độ phân giải trung bình
khoảng 300m). Nh vậy, đến năm 2007 khi trạm thu ảnh Viễn thám Việt Nam
đợc lắp đặt và đi vào hoạt động, cùng với t liệu ảnh SPOT đM có sẵn thì việc
sử dụng t liệu ảnh vệ tinh SPOT phục vụ các ngành kinh tế nớc ta ngày càng
thuận lợi và sẽ đợc phổ biến rộng rMi hơn.
Trong các ứng dụng công nghệ viễn thám thì bình đồ ảnh vệ tinh là
một sản phẩm thông dụng, đặc biệt trong ngành tài nguyên và môi trờng.
Nhất là bình đồ ảnh vệ tinh SPOT đợc sử dụng chủ yếu trong công tác hiện
chỉnh hay thành lập mới bản đồ địa hình, bản đồ theo dõi biến động tµi


9

nguyên môi trờngdo có u điểm phủ trùm toàn bộ lMnh thổ Việt nam và có
độ phân giải ảnh phù hợp với yêu cầu sử dụng.
Độ chính xác khi nắn ¶nh vƯ tinh ¶nh h−ëng tíi kÕt qu¶ s¶n phÈm bình
đồ ảnh. Vì vậy việc nghiên cứu kỹ thuật nắn ảnh vệ tinh SPOT để nâng cao
chất lợng bình đồ ảnh là một vấn đề rất quan trọng, rất cần đợc quan tâm
nghiên cứu. Thông thờng ảnh vệ tinh đợc nắn chỉnh theo từng cảnh ảnh đơn
hoặc theo dải chụp. Với cách nắn chỉnh nh vậy, sai số nắn chỉnh hình học
thờng không đợc thoả mMn ở vết ghép giữa các dải ảnh và các ảnh đơn. Để
khắc phục nhợc điểm này ngời ta tiến hành tăng dày ảnh vệ tinh theo khối

bao gồm nhiều cảnh ảnh đơn và nhiều dải chụp khác nhau. Tuy nhiên việc
nghiên cứu bản chất hình học tăng dày theo khối ảnh vệ tinh cũng nh các giải
pháp kỹ thuật áp dụng để đạt đợc độ chính xác cần thiết trong khối với số
lợng điểm khống chế ảnh thích hợp còn cha đợc tiến hành nghiên cứu ở
Việt nam.
Từ tính cấp thiết của vấn đề, tôi đM lựa chọn đề tài nghiên cứu cho luận
văn thạc sĩ của mình với tên gọi: Một số giải pháp kỹ thuật tăng dày ảnh vệ
tinh SPOT theo khối bằng hệ thống SPACEMAT để phục vụ thành lập
bình đồ trực ảnh.
2. Mục đích của luận văn
Xác định khả năng áp dụng phơng pháp tăng dày khối ảnh vệ tinh
SPOT trong ®iỊu kiƯn ë ViƯt nam, tõ ®ã ®Ị xt một số giải pháp kỹ thuật phù
hợp để nâng cao chất lợng sản phẩm bình đồ trực ảnh vệ tinh đồng thời giảm
khống chế ảnh ngoại nghiệp.
3. Nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu
Trong phạm vi cho phép của luận văn này, nhiệm vụ cụ thể là tìm
kiếm những luận cứ khoa học để đa ra các giải pháp kỹ thuật tăng dày ảnh vệ
tinh SPOT theo khối trên hệ thống SPACEMAT nhằm mục đích để nâng cao
độ chính xác hình học của bình đồ ảnh vệ tinh.


10

Trong khuôn khổ của luận văn, tôi sẽ thực hiện phơng pháp nghiên
cứu với dữ liệu ảnh vệ tinh toàn sắc SPOT5 Panchromatic có độ phân giải
2.5m. Khu vực thực hiện ở miền bắc Việt nam, nơi có đa dạng địa hình: có
đồng bằng, có vùng núi cao và có vùng biển đảo.
4. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu cơ së lý thut thu nhËn ¶nh vƯ tinh SPOT sư dụng trong tăng
dày khối.

- Nghiên cứu kỹ thuật tăng dày khối ảnh vệ tinh trên hệ thống SPACEMAT.
- Nghiên cứu yêu cầu kỹ thuật thành lập bình đồ trực ảnh và giải pháp kỹ thuật
liên quan khi tăng dày khối ảnh vệ tinh.
- Đề xuất giải pháp bố trí khống chế ảnh để bình đồ trực ảnh đạt độ chính xác
và chất lợng cao, đồng đều trên diện rộng.
5. Phơng pháp nghiên cứu
- Thu thập t liệu và nghiên cứu tìm hiểu bản chất hình học, đặc tính kỹ thuật
của ảnh vệ tinh SPOT.
- Khảo sát các phần mềm và chức năng của chúng trong hệ thống xử lý ảnh
SPACEMAT.
- Trên cơ sở nghiên cứu và phân tích các yếu tố ảnh hởng đến độ chính xác
nắn ảnh vệ tinh SPOT dẫn đến nghiên cứu các giải pháp kỹ thuật có liên quan
nh điểm khống chế, phân bố điểm hay đồ hình sử dụng để giảm ảnh hởng
của các yếu tố này trong tăng dày khống chế ảnh không gian, đảm bảo cho
việc nắn ảnh đạt độ chính xác hình học cao.
- Phơng pháp nghiên cứu nội nghiệp: xác định thực nghiệm tại một khu vực
cụ thể và tiến hành ở nội nghiệp.
Thực nghiệm đợc thực hiện trên hệ thống SPACEMAT tại Trung tâm Viễn
thám - Bộ Tài nguyên và Môi trờng.
6. ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn
Hiện nay ở Việt nam đM có một số phần mềm chuyên dụng dùng để


11

tăng dày khống chế ảnh vệ tinh SPOT có khả năng cho độ chính xác cao. Tuy
nhiên trong quá trình thực hiện đM phát sinh một số vấn đề xuất phát từ điều
kiện t liệu và địa hình của Việt nam nh đồ hình khống chế ảnh ngoại
nghiệp, đặc điểm địa hình rừng núi hay vùng ven biển và đảo Để khắc phục
các vấn đề nêu trên cần phải nghiên cứu một số giải pháp kỹ thuật trong tăng

dày khống chế ảnh vệ tinh SPOT.
Nh vậy việc nghiên cứu kỹ thuật tăng dày ảnh vệ tinh SPOT sẽ giúp
cho việc nâng cao độ chính xác nắn chỉnh hình học trong sản xuất bình đồ
trực ảnh vệ tinh.
7. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nớc
Ngay từ năm 1997 với dự án Hiện chỉnh bản đồ địa hình phủ trùm tỷ
lệ 1 : 50 000 bằng t liệu ảnh viễn thám trung tâm Viễn thám đM đợc trang
bị hệ thống xử lý ảnh của Cộng hoà Pháp với hai phần mềm PRODIGEO và
MULTISCOPE. Lúc đó, đây là hệ thống chuyên dụng xử lý ảnh u việt nhất ở
Việt nam. Tuy nhiên hệ thống này lúc đó cũng chỉ xử lý đợc ảnh SPOT theo
từng cảnh đơn mà thôi. Do vậy khi tiến hành thành lập bình đồ trực ảnh trên
một khu vực rộng lớn, có nhiều dạng địa hình khác nhau thì độ lệch của các
mảnh bình đồ ảnh ở khu vực tiếp biên giữa hai cảnh ảnh là đáng kể. Vấn đề
này cũng đM đợc đề xuất nghiên cứu nhng do hạn chế về cơ sở lý thuyết
cũng nh phơng tiện tiến hành nên cũng cha khắc phục đợc.
Năm 2001 với dự án hợp tác Pháp - Việt Thành lập bản đồ phục vụ
điều tra tài nguyên thiên nhiên Việt Nam , trung tâm Viễn thám đM đợc
trang bị các hệ thống thiết bị đồng bộ để xử lý và đo vẽ ảnh vệ tinh SPOT
trong đó có hệ thống SPACEMAT. Hệ thống này do chi nhánh của IGN tại
Toulouse (IGN ESPACE) qua quá trình sản xuất đM phát minh ra. Trớc khi hệ
thống SPACEMAT đợc sử dụng tại Việt nam, cụ thể tại trung tâm Viễn
thám, hệ thống này đM đợc sử dụng tại IGN ESPACE từ năm 1999 và cũng
đợc ứng dụng trong ngành viễn thám tại ch©u ©u. HƯ thèng SPACEMAT bao


12

gồm rất nhiều phần mềm dùng để xử lý ảnh vƯ tinh SPOT lµ chđ u nh−
GEOVIEW, DELTAMULTI, MAC 330, FETCH 3.0.1và đM khắc phục
đợc phần lớn các khiếm khuyết của các phần mềm trớc đó.

Hiện nay trên thế giới, các phần mềm chuyên dụng của Pháp và các
phần mềm thơng mại của Mỹ nh DELTAMULTI, PRODIGEO,
GEOVIEW, SOCET SET, ERDAS, PCI ... đều có khả năng tăng dày khối ảnh
vệ tinh.
Các vấn đề về khống chế ảnh vệ tinh (mô hình hoá ảnh) đM đợc
nghiên cứu, thử nghiệm nhng các kết quả nghiên cứu chỉ đợc giới thiệu một
cách khái quát trên các tài liệu và thờng tiến hành trong các điều kiện tiêu
chuẩn. Tuy nhiên trên thực tế khi áp dụng vào từng điều kiện cụ thể ở Việt
nam thì kết quả lại khác nhau do còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nh :
điều kiện t liệu, thiết bị (phần mềm, phần cứng), điều kiện địa hình, vùng
hải đảo, biên giới
Trong các năm 2001- 2006 tôi đM tham gia nghiên cứu trong các đề tài
cấp Bộ:
-Nghiên cứu quy trình đo vẽ địa hình để hoàn thiện vùng trống, vẽ
nháp trên bản đồ phủ trùm bằng t liệu viễn thám 2001-2002, chủ nhiệm
đề tài TS. Nguyễn Xuân Lâm.
-Nghiên một số giải pháp kỹ thuật xử lý ảnh viễn thám độ phân giải
cao cho mục đích thành lập bản đồ chuyên đề tỷ lệ 1:10 000 và lớn hơn
2005-2006, chủ nhiệm đề tài TS. Nguyễn Xuân Lâm.
Trong các công trình nghiên cứu này mới chỉ đa ra đợc các kết quả
thực nghiệm trong một số điều kiện tiêu biểu còn vấn đề nghiên cứu sâu cơ sở
lý thuyết và các trờng hợp khác có thể xảy ra trong điều kiện thực tế ở Việt
nam thì còn hạn chế.
8. Cấu trúc luận văn
Luận văn gồm 4 chơng với 74 trang, có 37 hình vẽ và 4 bảng biểu.


13

Để hoàn thành luận văn tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới PGS. TS.

Nguyễn Trờng Xuân v TS. Nguyễn Xuân Lâm và đM giúp đỡ tôi về những t
tởng khoa học, cách thức dàn dựng luận văn, cách giải quyết các vấn đề một
cách khoa học và các thủ tục cần thiết trong quá trình tiến hành làm luận văn
cho đến ngày bảo vệ chính thức. Đồng thời tôi xin chân thành cám ơn toàn thể
bạn bè, đồng nghiệp tại Trung tâm Thu nhận và Xử lý ảnh Viễn thám, Trung
tâm Viễn thám - Bộ Tài nguyên và Môi trờng đM giúp đỡ, tạo điều kiện để tôi
hoàn thành luận văn.
Xin chân thành cám ơn Ban Giám hiệu, khoa Sau Đại học, khoa Trắc
địa và bộ môn Trắc địa ảnh trờng Đại học Mỏ - Địa chất đM giúp đỡ, tạo điều
kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu.


14

Chơng1
giới thiệu về viễn thám
và ảnh vệ tinh SPOT
1.1 Giới thiệu về viễn thám
1.1.1 Cơ sở viễn thám
1. Khái niệm về viễn thám
Viễn thám không chỉ là một phơng pháp nghiên cứu ghi nhận thông
tin từ khoảng cách xa đối tợng nghiên cứu mà còn dùng để chỉ một bộ môn
khoa học nghiên cứu và thu nhận thông tin về các sự vật, hiện tợng, môi
trờng trên Trái đất từ không gian.
Đợc phát triển từ những thành tựu mới nhất cđa khoa häc kü tht
cịng nh− c«ng nghƯ vị trơ, công nghệ điện tử, tin họcviễn thám là môn
khoa học liên ngành với mục tiêu cung cấp thông tin nhanh nhất, khách quan
phục vụ các ngành kinh tế quốc dân nh nông nghiệp, lâm nghiệp, địa chất,
khí tợng thủy văn, bản đồ, bảo vệ môi trờng
Phơng pháp viễn thám là phơng pháp sử dụng bức xạ điện từ (ánh

sáng nhiệt, sóng cực ngắn) nh một phơng tiện để điều tra và đo đạc những
đặc tính của đối tợng.
Phơng pháp tiếp cận và nghiên cứu của đối tợng chủ yếu trong lĩnh
vực viễn thám là phơng pháp nghiên cứu mô hình. Đó là mô hình phổ và mô
hình không gian của các đối tợng bề mặt trái đất, các đối tợng và tính chất
đối tợng đợc nghiên cứu bằng phơng pháp phân tích và tổng hợp một cách
biện chứng.
Đối tợng nghiên cứu của viễn thám là các sự vật và các quá trình xảy
ra trên trái đất dới tác động của năng lợng mặt trời. Viễn thám không
nghiên cứu trực tiếp các quá trình và sự vật đó mà nghiên cứu gián tiếp thông
qua hình ảnh của chúng là các bức ký tự về sự phân bố lại năng lợng mặt trêi


15

đợc phản xạ lại từ các vật trên bề mặt trái đất.
Nh vậy, viễn thám là phơng pháp thu nhận thông tin khách quan về
bề mặt trái đất và các hiện tợng trong khí quyển nhờ các máy thu đợc đặt
trên máy bay, vệ tinh nhân tạo hoặc đặt trên các trạm quỹ đạo.
2. Nhiệm vụ nghiên cứu của viễn thám
+ Phát triển cơ sở kỹ thuật các thiết bị thu nhận thông tin viễn thám
nh các hệ thống máy chụp ảnh, các hệ thống máy xử lý thông tin, các phần
mềm tin học chuyên dụng cho công việc xử lý t liệu viễn thám.
+ Nghiên cứu khả năng phản xạ phổ của các đối tợng tự nhiên và tác
động qua lại của môi trờng đến khả năng phản xạ phổ nhằm thu nhận ảnh
viễn thám phù hợp với mục đích nghiên cứu.
+ Hoàn thiện các phơng pháp xử lý thông tin trên mặt đất để có thể
khai thác tốt các t liệu viễn thám nhận đợc.
3. Những u điểm cơ bản của công nghệ viễn thám
- Độ phủ trùm không gian của ảnh viễn thám rất lớn: bao gồm các

thông tin về tài nguyên, môi trờng của trái đất ở mọi nơi ngay cả những khu
vực rất khó đến đợc nh rừng nguyên sinh, đầm lầy và hải đảo
- Có khả năng giám sát sự biến đổi của tài nguyên, môi trờng trái đất
do chu kỳ quan sát liên tục trên cùng một đối tợng mặt đất của các máy thu
viễn thám. Khả năng này cho phép công nghệ viễn thám ghi lại đợc các biến
đổi của tài nguyên, môi truờng giúp công tác giám sát, kiểm kê tài nguyên
thiên nhiên và môi trờng.
- Sử dụng các dải phổ đặc biệt khác nhau để quan sát và đo đạc các đối
tợng, nhờ khả năng này mà t liệu viễn thám đợc ứng dụng cho nhiều mục
đích, trong đó có nghiên cứu về khí hậu, nhiệt độ của trái đất ...
- Cung cấp nhanh các t liệu ảnh số có độ phân giải cao và siêu cao, là
dữ liệu cơ bản cho việc thành lập, hiện chỉnh hệ thống bản đồ quốc gia và hệ
thống cơ sở dữ liệu địa lý quèc gia.


16

1.1.2 Phân loại viễn thám
Viễn thám có thể đợc phân thành 3 loại theo bớc sóng sử dụng:
- Viễn thám trong dải sóng nhìn thấy (bớc sóng từ 0,4- 0,7àm) và hồng ngoại
(bớc sóng từ 0,7- 3,0àm): Nguồn năng lợng chính sử dụng là bức xạ mặt
trời. Bức xạ này có bớc sóng 500 àm (ngoại trừ viễn thám Radar sử dụng tia
laze). T liệu viễn thám thu đợc trong dải sóng nhìn thấy phụ thuộc chủ yếu
vào sự phản xạ từ bề mặt vật thể và bề mặt trái đất. Các thông tin về vật thể
xác định từ các phổ phản xạ thu nhận đợc.
- Viễn thám hồng ngoại nhiệt (bớc sóng từ 3,0- 104àm): Nguồn năng lợng
sử dụng là bức xạ nhiệt do chính vật thể sinh ra. Mỗi vật thể ở nhiệt độ bình
thờng đều tự phát ra một bức xạ có đỉnh tại bớc sóng10 000 àm.
- Viễn thám siêu cao tần (bớc sóng từ 1mm - 1m): Trong viễn thám siêu cao
tần chia làm hai loại chủ động và bị động. Viễn thám siêu cao tần chủ động có

nguồn năng lợng riêng để chiếu vào các đối tợng rồi thu lại các tín hiệu
phản xạ còn viễn thám siêu cao tần bị động thu lại năng lợng bức xạ do chính
vật thể phát ra. Tuy nhiên do bức xạ tự nhiên ở dải sóng này rất yếu đòi hỏi bộ
cảm phải có độ nhạy cao, hơn nữa ở độ cao của vệ tinh, ảnh hởng của khí
quyển quá lớn nên các bộ cảm siêu cao tần bị động thờng ít đợc sử dụng
trên vệ tinh.
1.1.3 Các phơng pháp chụp ảnh viễn thám
1. Chụp ảnh theo nguyên tắc khung (Framming)
Phơng pháp chụp ảnh theo nguyên tắc khung sử dụng máy ảnh và
phim ảnh để tạo hình ảnh của đối tợng dới mặt đất. Thông thờng ngời ta
áp dụng phơng pháp này cho việc chụp ảnh máy bay song cũng có thể chụp
từ vệ tinh.
ảnh đợc chụp ®ång thêi trong thêi ®iĨm më cưa èng kÝnh m¸y ảnh,
diện tích mặt đất chụp phụ thuộc vào ống kính của máy ảnh. Những đặc điểm


17

cơ bản của ảnh chụp theo nguyên tắc khung là: độ phân giải không gian, độ
phủ mặt đất, tỉ lệ ảnh và độ lệch của địa hình. Hiệu quả của chụp ảnh theo
nguyên tắc khung là tạo hình ảnh có ®é phđ vỊ phÝa tr−íc, phÇn cã ®é phđ cã
thĨ nhìn hình ảnh 3 chiều, có thể tạo hình ảnh liên tục cho một vùng rộng.
2. Chụp ảnh theo phơng pháp quét (Scanning)
Một trong những phơng pháp thu nhận hình ảnh phổ biến trong viễn
thám là phơng pháp quét tạo ra ảnh số. Phơng pháp này sử dụng nhiều trong
việc thu nhËn tÝn hiƯu phỉ ë vïng cã b−íc sãng dài (hồng ngoại nhiệt, radar).
Có 4 kiểu quét phổ biến là: quét dọc, quét ngang, quét vòng cung và quét bên
sờn. Thiết bị của hệ thống quét ảnh bao gồm bốn bộ phận chính:
- Gơng dao động: có nhiệm vụ phản xạ lại từ mặt đất theo nguyên tắc
quét ngang hoặc quét dọc.

- Filter tách phổ: ánh sáng phản xạ từ mặt đất lên đợc tách thành
nhiều dải phổ khác nhau nhê cã filter läc.
- C¸c tia s¸ng víi b−íc sóng khác nhau đợc tách ra và thu nhận bằng
các thiết bị cảm biến, gọi là các detector.
- Các tín hiệu điện tử đợc thu nhận nhờ các detector sau đó đợc
khuếch đại và chuyển thành tín hiệu từ. Các tín hiệu này có thể đợc lu trên
vệ tinh hoặc chuyển về mặt đất nhờ các trạm thu, ghi băng từ rồi chuyển thành
hình ảnh số.
3. Chụp ảnh theo phơng pháp đa phổ
Các phơng pháp chụp ảnh trên chỉ ghi hình ảnh trên một kênh phổ
đơn điệu. Để phục vụ các mục đích khác nhau của viễn thám cần phải ghi lại
hình ảnh đa phổ, thu nhận trên nhiều kênh phổ.
Các máy ảnh đa phổ hiện nay ghi nhận hình ảnh ở 3 kênh phổ trong
vùng nhìn thấy (blue 0,4-0,5 µm, green 0,5-0,6 µm, red 0,6-0,7 µm) vµ mét
kªnh phỉ hồng ngoại phản xạ 0,7-0,8 àm. Nh vậy, các máy chụp ảnh đa phổ
này sẽ có 4 ống kính, 4 cửa đóng mở, cung cấp 4 hình ảnh của cùng mét khu


18

vực trên 4 tấm phim tách biệt.
Hệ thống TM của vệ tinh Landsat ghi lại hình ảnh ở 7 kênh phổ: 3
kênh nhìn thấy, 3 kênh hồng ngoại phản xạ và 1 kênh hồng ngoại nhiệt. Hệ
thống SPOT sử dụng hệ thống quét dọc đa phổ với độ phân giải cao.
1.2 ¶nh vƯ tinh SPOT
1.2.1 Giíi thiƯu vỊ vƯ tinh SPOT
Hệ thống vệ tinh SPOT bắt đầu hoạt động trên quỹ đạo từ 1986 gồm 5
vệ tinh do Trung tâm Nghiên cứu Không gian (CNES) của Pháp vận hành.
Hiện nay chỉ còn 3 vệ tinh đang hoạt động là SPOT 2, 4 và 5 còn vệ tinh
SPOT 3 đM ngừng hoạt động vào năm 1996, vệ tinh SPOT 1 ngừng hoạt động

năm 2003.
Vệ tinh SPOT bay ở độ cao 832 km, quỹ đạo đồng bộ mặt trời với chu
kỳ 101,4 phút ; góc nghiêng của mặt phẳng quỹ đạo là 98,7o ; thời điểm bay
qua xích đạo là 10h30 sáng và chu kỳ lặp 26 ngày.
Hiện nay, hệ thống vệ tinh SPOT đM gần nh có thể chụp ảnh hàng
ngày đối với bất kỳ khu vực nào trên Trái đất.

Hình 1.1 Vị trí của vệ tinh SPOT trên quỹ đạo
Vệ tinh SPOT có khả năng chụp nghiêng nên có thể chụp lặp lại bất kỳ
vị trí nào trên mặt đất trong vòng không quá 5 ngày ở vùng xích đạo và không
quá 3 ngày đối với vùng vĩ độ trên 45. Khả năng chụp nghiêng của vệ tinh


19

SPOT còn cho phép tạo ra cặp ảnh lập thể từ hai ảnh chụp vào hai thời điểm
với góc chụp nghiêng khác nhau.

Hình 1.2 Dải bay của hệ thống vệ tinh SPOT
1. SPOT 1, 2, 3
C¸c thÕ hƯ vƯ tinh SPOT 1, 2, 3 có bộ cảm HRV với kênh toàn sắc độ
phân giải 10 m; ba kênh đa phổ có độ phân giải 20 m. Mỗi cảnh có độ bao phủ
mặt đất là 60 km x 60 km.
Đối với vệ tinh SPOT 123 kênh toàn sắc và kênh đa phổ đợc thu nhận
cùng thời gian bởi chúng do cùng một thiết bị thu CCD (l 1 đầu thu ảnh, gồm
một mạch tích hợp chứa 1 mảng các tụ điện liên kết với nhau, rất nhạy với ánh
sáng) nằm trong mặt phẳng tiêu cự của thiết bị.
Đặc điểm vệ tinh SPOT 123
- Khèi l−ỵng :

1900 kg

- Thêi gian dù tÝnh sử dụng:

3 năm

- Kích thớc:

2x2x3.5 m

- Tên lửa phóng :

Ariane 2/3

- Độ cao quĩ đạo:

822 km

- Khả năng lu trữ dữ liệu:

2x60 Gbit bộ nhớ cứng (~ 160 ảnh)

- Tốc độ truyền dữ liệu:

50 Mb/giây

- Độ chính xác định vị: Thiết bị định hớng theo sao và thiết bị định
vị DORIS giúp tăng độ chính xác xác định vị trí 350 m (khi ch−a cã

20

điểm khống chế mặt đất).
2. SPOT 4
Vệ tinh SPOT 4 với kênh toàn sắc có độ phân giải 10 m; ba kênh đa
phổ của HRVIR có độ phân giải 20 m và kênh thực vật (Vegetation
Instrument). Đối với vệ tinh SPOT 4 đờng quét đơn phổ đợc đa ra bởi đầu
phân tích sóng B2. Đặc tính này cho phép tạo ra sản phẩm kết hợp Merge
product bao gồm các kênh đa phổ XS với độ phân dải 10 m. Từ một điểm vật
lý trong trờng nhìn, mảng bộ cảm biến kết hợp các kênh XS1, XS2, XS3
thành một tổ hợp của 4 mảng mà mỗi mảng gồm 1500 CCD.
Đặc điểm vƯ tinh SPOT 4
- Khèi l−ỵng : 2550 kg
- Thêi gian dự tính sử dụng: 5 năm
- Kích thớc: 2x2x5.6m
- Tên lửa phóng : Ariane 4
- Độ cao quĩ đạo: 822 km
- Khả năng lu trữ dữ liệu: 2x120 Gbit bộ
nhớ cứng (~400 ảnh)
Hình 1.3 Vệ tinh SPOT4
- Tốc độ truyền dữ liệu:

50 Mb/giây

- Độ chính xác định vị: Thiết bị định hớng theo sao và thiết bị định
vị DORIS giúp tăng độ chính xác xác định vị trí 350 m (khi cha có
điểm khống chế mặt đất).
3. SPOT 5
Vệ tinh SPOT 5, phóng lên quỹ đạo ngày 3 tháng 5 năm 2002. Trên vệ
tinh SPOT 5 trang bị một cặp đầu thu HRG và đầu thu HRS - máy chụp ảnh

lập thể độ phân giải cao. Vệ tinh SPOT5 với kỹ thuật xử lý ảnh đặc biệt có thể
nhận đuợc ảnh có độ phân giải 2,5 m trong khi dải chụp phủ mặt đất vẫn từ 60
km đến 80 km. Đây chính là u điểm của vệ tinh SPOT5, điều mà các loại vệ


21

tinh cùng thời không thể đạt đợc.

Hình 1.4 Vệ tinh SPOT5
Đặc điểm vệ tinh SPOT5
- Khối lợng :

3000 kg

- Thời gian dự tính sử dụng:

5 năm

- Kích thớc:

3.1x3.1x5.7m

- Tên lửa phóng :

Ariane 4

- Độ cao quĩ đạo:

822 km

- Khả năng l−u tr÷ d÷ liƯu: 90 Gbit bé nhí cøng (~ 550 ảnh)
- Tốc độ truyền dữ liệu:

2x50 Mb/giây

- Độ chính xác định vị:

Thiết bị định hớng theo sao và thiết bị định

vị DORIS giúp tăng độ chính xác xác định vị trí lên tới 50m (khi cha có
điểm khống chế mặt đất).
Thiết bị SPOT 5 - HRG
HRG là loại đầu thu u việt. Mỗi một đầu thu HRG có thể thu đợc
ảnh với độ phân giải 5m đen - trắng và 10 m màu. Hai kênh đơn phổ HMA và
HMB có độ phân giải 5m thu nhận giá trị phản xạ mặt đất về phía trớc ống
kính , trong khi các kênh đa phổ (XS1, XS2, XS3, SWIR) thu nhận giá trị phản
xạ mặt đất từ phía sau ống kính.Từ hai kênh HMA và HMB tạo ra kênh
SuperMode có độ phân giải 2.5 m.


22

ThiÕt bÞ SPOT 5 - HRS
HƯ thèng lËp thĨ HRS không có cơ cấu gơng. Cảnh HRS đợc thu
nhận dới vệt quét rộng 120 km, độ phân giải 10 m với 12000 bộ cảm biến.
Với góc nhìn của bộ phận lËp thĨ + 20o vỊ phÝa tr−íc vµ - 20o về phía sau.
Bảng 1: Thông số kỹ thuật các kênh phổ của vệ tinh SPOT

1.2.2 ảnh vệ tinh SPOT

Hình 1.5 Chụp ảnh số SPOT
Đối với ảnh vệ tinh quét bằng CCD nh ảnh SPOT, do phơng pháp chụp ảnh
nên tâm chiếu hình nằm trên một đờng thẳng và không phải là một điểm cố
định đối với toàn bộ tấm ảnh.
ảnh SPOT chụp với 2 loại:
- Đa phổ (Multispectral): độ phân giải 20m (SPOT 1, 2, 3, 4 và kênh SWIR-


23

SPOT 5); độ phân giải 10m (SPOT 5).
-Toàn sắc (Panchromatic): độ phân giải 10m (SPOT 1, 2, 3, 4); 2.5m

(SuperMode) và 5m (SPOT 5).

20 m đa phổ

10 m đa phổ

5m

2.5 m

5 m toàn sắc

10 m

Hình 1.6 Các độ phân giải ¶nh vƯ tinh SPOT
1.2.3 −u ®iĨm cđa ¶nh SPOT cho mục đích thành lập bình đồ trực ảnh

ảnh vệ tinh SPOT ngày càng đợc biết đến nhiều ở Việt nam. Sử dụng
ảnh vệ tinh SPOT có u điểm lớn đó là khả năng lấp chỗ trống trong cung cấp
thông tin địa hình bất cứ nơi nào, thay vì ảnh hàng không, nhất là khi cần có
thông tin đáp ứng nhu cầu khảo sát, đo đạc trong một thời gian ngắn trên một
diện tích rộng lớn.
ảnh vệ tinh SPOT do có độ phân giải cao mà tầm bao quát rộng (60km
x 60km) phù hợp với yêu cầu phục vụ cho công tác thành lập bản đồ địa hình,


24

bản đồ hiện trạng sử dụng đất ở tỷ lệ trung bình, có tính tổng quát hóa tự
nhiên về mặt hình học và quang học; có khả năng cung cấp thông tin đảm bảo
tính khoa học, tính khách quan và tính hiệu quả cao về công nghệ cũng nh
kinh tế; có khả năng chụp lặp với chu kỳ ngắn là nguồn thông tin bảo đảm
tính tức thời phản ánh các hiện tợng biến đổi nhanh nên đợc sử dụng rộng
rMi trong các ngành kinh tế, kỹ thuật nh đo đạc bản đồ, lâm nghiệp, địa
chất
1.2.4 Giới thiệu sản phẩm bình đồ trực ảnh vệ tinh SPOT
1. Khái niệm bình đồ trực ảnh vệ tinh
Vì bình đồ ảnh vệ tinh đợc nắn trực giao nên đợc gọi là bình đồ trực
ảnh. Sử dụng phơng pháp nắn trực giao một cách chính xác nên tất cả các sai
số méo hình hỗn hợp ở mức nguyên gốc nhất với hình học ảnh đM đợc hiệu
chỉnh và loại bỏ.
Bình đồ trực ảnh là sản phẩm sử dụng ảnh vệ tinh làm nền ảnh đợc
trích từ một cảnh ảnh vệ tinh hay đợc ghép từ các cảnh ảnh khác nhau và
cũng có khung tọa độ nh bản đồ truyền thống.
Bình đồ trực ảnh vệ tinh là sản phẩm ảnh có độ chính xác thích hợp
dùng để thành lập hay hiện chỉnh bản đồ và theo dõi biến đổi về đặc trng khu
vực nh biến động tài nguyên rừng, tài nguyên nớc, giám sát môi trờng...

Bình đồ trực ảnh vệ tinh đợc hiệu chỉnh về bức xạ, hiệu chỉnh hình học về
lới chiếu bản đồ.
Bình đồ trực ảnh vệ tinh đợc xử lý ở nhiều mức khác nhau:
- Mức 1A: ảnh vệ tinh thô - cha định vị và xử lý phổ.
- Mức 1B: Hiệu chỉnh các sai số nh sự quay của Trái đất, ảnh hởng của độ
cong Trái đất, góc chụp nghiêng...
- Mức 2A: Hiệu chỉnh sai số quỹ đạo, hiệu chỉnh độ cong của trái đất, định vị
về hệ tọa độ bản đồ... mà không cần sử dụng các điểm khống chế mặt đất.
- Mức 2B: ảnh vệ tinh đợc nắn chỉnh về hệ tọa độ bản đồ, sử dụng các điểm


25

khống chế ảnh đợc đo đạc ngoài thực địa hoặc lấy từ bản đồ tỉ lệ lớn hơn.
- Mức 3: ảnh vệ tinh đợc nắn chỉnh về hệ tọa độ bản đồ, sử dụng các điểm
khống chế và mô hình số độ cao để loại trừ các sai số do chênh cao địa hình
gây ra (trực ảnh).
2. Các hệ thống phần mềm xử lý ảnh vệ tinh SPOT để thành lập bình đồ trực
ảnh trên thế giới
ảnh vệ tinh SPOT, nhất là ảnh phân giải cao SPOT 5 có những u thế
rất lớn và rõ rệt nên đM cạnh tranh tích cực với ảnh chụp hàng không trong các
lĩnh vực thành lập bản đồ, GIS, giám sát và quản lý tài nguyên thiên nhiên và
môi trờng. Chính vì thế mà gần nh ngay khi ảnh vệ tinh SPOT xuất hiện,
các công ty phần mềm lớn về xử lý ảnh đM rất nhạy bén khi phát triển những
công cụ, phần mềm để xử lý hình học ảnh.
Chức năng và hiệu quả của các công cụ xử lý cũng chính là những vũ
khí cạnh tranh của các công ty, các hMng phần mềm xử lý ảnh.
Hiện nay, qua tìm hiểu có thể liệt kê đợc những hệ thống phần mềm có
thể xử lý ¶nh vƯ tinh SPOT nh− sau:
- HƯ thèng SpaceMat (IGN).

- PRODIGEO (EADS).
- GEOVIEW (IGN).
- ERDAS IMAGINE, LPS, cña Leica GeoSystem.
- PCI GEOMATICA (PCI Geomatics).
- SOCET SET (BAE System).
- ENVI (Research System).
- ERMapper (Earth Resource Mapping Co)
Bảng 2: Chức năng của các phần mềm xử lý ảnh vệ tinh SPOT