Luận văn Công nghệ đo ảnh trên cơ sở ảnh chụp từ máy chụp ảnh số phổ thông

bộ giáo dục vμ đμo tạo Tr−ờng đại học mỏ địa chất Trần trung anh công nghệ đo ảnh trên cơ sở ảnh chụp từ máy chụp ảnh số phổ thông luận văn thạc sĩ kỹ thuật hμ nội-2005 bộ giáo dục vμ đμo tạo Tr−ờng đại học mỏ địa chất Trần trung anh công nghệ đo ảnh trên cơ sở ảnh chụp từ máy chụp ảnh số phổ thông Chuyên ngành : Trắc địa Mã số : 2.16.00 luận văn thạc sĩ kỹ thuật ng−ời h−ớng dẫn khoa học GS. TSKH Phan văn lộc hμ nội-2005 1 lời cam đoan Tôi xin cam đoan rằng đây là công trình nghiên cứu của riêng bản thân. Toàn bộ quá trình nghiên cứu đ−ợc tiến hành một cách khoa học, các số liệu, kết quả trình bày trong luận văn là chính xác, trung thực và ch−a từng đ−ợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận văn Trần Trung Anh 2 lời cảm ơn Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới thầy giáo GS.TSKH Phan Văn Lộc, ng−ời đã dìu dắt tôi ngay từ khi bỡ ngỡ b−ớc vào nghề và động viên h−ớng dẫn tôi trong suốt thời gian công tác và làm luận văn. Thầy là một tấm g−ơng lớn về tinh thần trách nhiệm, lòng tận tụy, tình yêu nghề và ý thức nghiên cứu khoa học nghiêm túc. Đặc biệt thầy để lại trong tôi sự kính phục về tri thức khoa học, lối sống yêu th−ơng, độc lập và thẳng thắn. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS.TS Phạm Vọng Thành đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi thuận lợi trong công tác và cố vấn nhiệt tình về mặt chuyên môn. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Bộ môn Trắc Địa ảnh, Bộ môn Trắc Địa Mỏ, Khoa Trắc Địa, Phòng Đại học và Sau Đại học, Tr−ờng Đại học Mỏ Địa chất cùng bạn bè đồng nghiệp đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và làm luận văn. Tác giả luận văn 3 mục lục Trang phụ bìa Lời cam đoan.....................................................................................................1 Lời cảm ơn.........................................................................................................2 Mục lục..............................................................................................................3 Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt.............................................................5 Danh mục các bảng...........................................................................................6 Danh mục các hình vẽ, đồ thị............................................................................7 Mở đầu.............................................................................................................9 Ch−ơng 1. tổng quan về sự phát triển của công nghệ đo ảnh..........12 1.1. Bản chất và nhiệm vụ của ph−ơng pháp đo ảnh........................................12 1.2. Sự phát triển của công nghệ đo ảnh..........................................................14 1.3. Đo ảnh mặt đất trên thế giới.....................................................................17 1.4. Đo ảnh mặt đất tại Việt Nam....................................................................18 1.5. Cơ sở lý thuyết đo ảnh mặt đất.................................................................20 1.5.1.Các yếu tố định h−ớng của ảnh mặt đất..................................................20 1.5.2. Các dạng chụp cơ bản của ảnh lập thể mặt đất......................................21 1.5.3. Công thức xác định tọa độ điểm chi tiết bằng ảnh mặt đất....................22 1.5.4. Độ chính xác tọa độ điểm chi tiết xác định bằng ảnh mặt đất...............23 1.6. Yêu cầu thực tiễn đặt ra cho đo ảnh mặt đất.............................................24 1.7. Công nghệ đo ảnh số mặt đất....................................................................25 Kết luận ch−ơng 1............................................................................................27 Ch−ơng 2. máy chụp ảnh số phổ thông và ph−ơng pháp kiểm định 28 2.1. Máy chụp ảnh số phổ thông......................................................................28 2.2. Một số đặc tr−ng của ảnh số.....................................................................30 2.2.1. ảnh số....................................................................................................30 2.2.2. Độ phân giải của ảnh số.........................................................................31 2.2.3. Nguyên lý tạo ảnh của máy chụp ảnh số...............................................32 2.2.4. Bộ cảm CCD..........................................................................................32 4 2.3. Hệ thống kính vật của máy chụp ảnh số...................................................34 2.4. Kiểm định máy chụp ảnh số phổ thông....................................................34 2.4.1. Sự cần thiết phải kiểm định....................................................................34 2.4.2. Các ph−ơng pháp kiểm định..................................................................35 2.4.3. Lựa chọn hàm toán học hiệu chỉnh sai số méo hình kính vật................38 2.4.4. Bản chất của méo hình kính vật.............................................................40 2.4.5. Thuật toán kiểm định.............................................................................41 2.4.6. Ch−ơng trình kiểm định.........................................................................44 2.4.7. Quy trình kiểm định máy chụp ảnh số phổ thông.................................46 2.4.8. Kết quả kiểm định.................................................................................48 Kết luận ch−ơng 2............................................................................................51 Ch−ơng 3. công nghệ đo ảnh trên cơ sở ảnh chụp từ máy chụp ảnh số phổ thông................................................................................................................52 3.1. Cấu trúc hình tháp với số l−ợng pixel không đổi......................................52 3.2. Xác lập hệ tọa độ mặt phẳng ảnh số.........................................................53 3.3. Giới hạn chụp hữu dụng của ảnh số..........................................................57 3.4. Thiết kế đ−ờng đáy chụp ảnh....................................................................58 3.5. ảnh h−ởng của sự không ổn định của tiêu cự tới độ chính xác điểm chi tiết.....60 3.6. Công nghệ đo vẽ ảnh số phổ thông.......................................................................62 3.7. Quy trình công nghệ thành lập bình đồ tỷ lệ lớn......................................64 3.8. Quy trình công nghệ thành lập bản vẽ kiến trúc.......................................75 3.9. Công dụng và khả năng phát triển của t− liệu ảnh số phổ thông..............77 Kết luận ch−ơng 3............................................................................................79 ch−ơng 4. thực nghiệm ..............................................................................80 Kết luận và kiến nghị.............................................................................................88 Tài liệu tham khảo...................................................................................................90 phụ lục............................................................................................................................93 5 danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt CCD Charge Coupled Device - mảng nhận ảnh số CMOS Complementary Metal-Oxide Semiconductor - mảng nhận ảnh số DTM Mô hình số địa hình GIS Hệ thống thông tin địa lý GPS Hệ thống định vị toàn cầu int Số nguyên Integer LIS Hệ thống thông tin đất đai m Đơn vị đo dài mét mm Đơn vị đo dài milimét MP Mega Pixel - triệu điểm ảnh Pixel Picture Element - phần tử ảnh số, điểm ảnh 6 danh mục các bảng Bảng 2.1. Một số máy chụp ảnh số phổ thông có độ phân giải tốt 29 Bảng 2.2. Một số máy chụp ảnh kỹ thuật số chuyên dụng 30 Bảng 2.3. Kết quả kiểm định máy chụp ảnh số Sony F707 48 Bảng 3.1. Tọa độ các mấu khung trong ảnh số phổ thông 55 Bảng 3.2. Tọa độ 4 mấu khung của ảnh số máy chụp Sony F707 56 Bảng 3.3. Thiết kế chụp ảnh cho máy chụp ảnh số Sony F707 59 Bảng 3.4. Giới hạn sai số t−ơng đối của tiêu cự máy chụp ảnh số Sony F707 61 Bảng 3.5. Sổ ghi các thông số chụp ảnh 67 Bảng 3.6. Kết quả định h−ớng và kiểm tra mô hình lập thể 71 Bảng 4.1.Thống kê sự so sánh kết quả đo ngoại nghiệp và kết quả đo ảnh 85 Bảng 4.2. Quy tỷ lệ và kiểm tra mô hình công trình Nhà hát Lớn Hà Nội 87 7 danh mục các hình vẽ, đồ thị Hình 1.1. Đồ giải ảnh trên th−ớc Ckiridov 14 Hình 1.2. Đo vẽ bản đồ trên máy toàn năng Wild A8 15 Hình 1.3. Hệ thống đo vẽ ảnh giải tích Planicom P3 của Carl Zeiss, Đức 16 Hình 1.4. Trạm đo vẽ ảnh số ImageStation Z/I Intergraph, Mỹ 16 Hình 1.5. Các yếu tố định h−ớng ngoài của cặp ảnh lập thể mặt đất 21 Hình 1.6. Dạng chụp giao nhau, dạng chụp xiên đều và dạng chụp thẳng 22 Hình 1.7. Xác định tọa độ điểm chi tiết bằng ảnh mặt đất 23 Hình 1.8. Công nghệ đo ảnh số mặt đất 26 Hình 2.1. Máy chụp ảnh số Sony CyberShot Pro DSC-F828 28 Hình 2.2. Ma trận độ xám của ảnh số 30 Hình 2.3. Nguyên lý tạo ảnh của máy chụp ảnh số 32 Hình 2.4. Một số CCD nhìn ở bên ngoài 32 Hình 2.5. Nguyên lý tạo ảnh trên CCD 33 Hình 2.6. Hệ thống kính vật của máy chụp ảnh số 34 Hình 2.7. Phòng kiểm định máy chụp ảnh Carl Zeiss, Oberkochen, Đức 36 Hình 2.8. Tự kiểm định bằng các điểm khống chế tại thực địa 36 Hình 2.9. Bãi kiểm định chuẩn 37 Hình 2.10. Méo hình xuyên tâm 40 Hình 2.11. Hiệu chỉnh sai số méo hình xuyên tâm 40 Hình 2.12. Sự lắp ráp không đồng trục của hệ thống kính vật 41 Hình 2.13. Hiệu chỉnh méo hình tiếp tuyến theo công thức Brown 41 Hình 2.14. Giao diện của ch−ơng trình kiểm định CalImage Ver 2.0 44 Hình 2.15. Sơ đồ khối tổng quát quá trình kiểm định ảnh 45 Hình 2.16. Quy trình kiểm định máy chụp ảnh số phổ thông 46 Hình 2.17. Méo hình xuyên tâm 53 3 21 rKrKrKdr ++= 49 Hình 2.18. Hiệu chỉnh méo hình xuyên tâm yx ΔΔ , 50 Hình 2.19. Méo hình tiếp tuyến yx δδ , 50 8 Hình 2.20. Hiệu chỉnh méo hình kính vật dydx, 50 Hình 3.1. Cấu trúc hình tháp với số l−ợng pixel không đổi 52 Hình 3.2. Hệ tọa độ ảnh số và hệ tọa độ mặt phẳng ảnh 54 Hình 3.3. Hệ tọa độ mặt phẳng ảnh số phổ thông 56 Hình 3.4. Giới hạn chụp hữu dụng của ảnh số 57 Hình 3.5. Thiết kế đ−ờng đáy chụp ảnh 58 Hình 3.6. Thiết kế chụp ảnh cho máy chụp ảnh số Sony F707 60 Hình 3.7. Phần mềm ISDM định h−ớng cặp ảnh số phổ thông 62 Hình 3.8. Phần mềm PhotoModeler đo vẽ phi địa hình 63 Hình 3.9. Quy trình công nghệ thành lập bình đồ địa hình 64 Hình 3.10. Chụp ảnh số phổ thông phục vụ đo vẽ địa hình mỏ lộ thiên 67 Hình 3.11. Mẫu sổ ghi sơ đồ trạm chụp tại thực địa 68 Hình 3.12. Nhập các hệ số méo hình của máy chụp ảnh số phổ thông 69 Hình 3.13. Định h−ớng trong tấm ảnh số phổ thông 70 Hình 3.14. Mô hình số địa hình 73 Hình 3.15. Quy trình công nghệ thành lập bản vẽ kiến trúc 75 Hình 3.16. Chụp ảnh số phổ thông phục vụ đo vẽ phi địa hình 76 Hình 3.17. Canon EOS 1Ds Mark II và CMOS 16,7 triệu pixel 78 9 mở đầu 1. lý do chọn đề tài Sự phát triển của đo ảnh gắn liền với sự phát triển của khoa học công nghệ từ công nghệ cơ giới chính xác cho tới khoa học điện tử tin học. Công nghệ đo ảnh cũng gắn liền với sự phát triển của các thiết bị thu nhận hình ảnh (camera) đó là bộ phận thu nhận những t− liệu gốc ban đầu phục vụ đo ảnh chiếm một vị trí quan trọng trong quy trình đo ảnh. Các máy chụp ảnh chuyên dùng cho đo vẽ (metric camera) đ−ợc đặt trên máy bay với sản phẩm là các tấm ảnh hàng không chất l−ợng cao đã khẳng định sự thành công trong thành lập các loại bản đồ địa hình, địa chính ở Việt Nam và trên thế giới. Các máy kinh vĩ chụp ảnh chuyên dùng (phototheodolite) đặt trên mặt đất đ−ợc ứng dụng trong lĩnh vực đo ảnh địa hình tỷ lệ lớn và phi địa hình. Tuy nhiên, ở Việt Nam sự phát triển của đo ảnh mặt đất với các máy kinh vĩ chụp ảnh chỉ dừng lại ở công nghệ đo ảnh t−ơng tự trên phim kính từ những năm 70 của thế kỉ tr−ớc. Ngày nay, khi công nghệ số đã phổ biến rộng rãi trong đo ảnh hàng không thì đo ảnh mặt đất với các máy kinh vĩ chụp ảnh gần nh− đã bị lãng quên. Không phải vì đo ảnh mặt đất không ứng dụng đ−ợc công nghệ số mà vấn đề ở đây là công nghệ chụp ảnh. Những máy PhotoTheodolite phải sử dụng những tấm phim kính hoặc phim nhựa là khá đặc dụng phải nhập ngoại, nh−ng lại chỉ ứng dụng trong đo vẽ địa hình tỷ lệ lớn hoặc đo vẽ kiến trúc trong một khu vực nhỏ là không kinh tế. Hơn nữa với yêu cầu hiện đại cho sản phẩm ở dạng số và nhanh chóng thì các phim kính này lại phải quét ảnh dẫn tới không hiệu quả cả về mặt thời gian và kinh tế. Trong khi công nghệ chụp ảnh số chuyên dụng đ−ợc quan tâm nhiều hơn ở chụp ảnh hàng không (đã có máy chụp ảnh số DMC, ADS40 [18],[19]) thì công nghệ chụp ảnh số chuyên dụng cho đo ảnh mặt đất lại không đ−ợc phát triển. Với yêu cầu của thực tế sản xuất hiện nay cần thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn vùng mỏ lộ thiên, vùng núi đá vôi... phục vụ tính toán khối l−ợng khai thác định kì đang gặp 10 nhiều khó khăn của ph−ơng pháp đo và tính. Sự phát triển của ngành kiến trúc phục chế cũng đặt ra các yêu cầu về vẽ lại bản vẽ hiện trạng kiến trúc...Các yêu cầu trên lại đặt ra nhiệm vụ cho đo ảnh cần giải quyết. Nh−ng v−ớng mắc ở đây là công nghệ chụp ảnh chuyên dụng cho đo vẽ. Vậy giải quyết ra sao? Những năm đầu của thế kỉ XXI đã xuất hiện ồ ạt các loại máy chụp ảnh số phổ thông (non-metric digital camera) đ−ợc dùng rộng rãi trong chụp ảnh nghệ thuật. Chúng tôi sử dụng thuật ngữ này nhằm nói về loại máy chụp ảnh đại chúng trên cơ sở công nghệ số hóa, đ−ợc sử dụng theo nhu cầu thông th−ờng của ng−ời yêu thích chụp ảnh nghệ thuật, chụp ảnh l−u niệm...không đ−ợc thiết kế cho mục đích đo vẽ. Ưu điểm của các loại máy này là gọn nhẹ, rẻ tiền và đặc biệt sản phẩm ảnh chụp đ−ợc l−u trữ d−ới dạng số rất thuận lợi cho việc kết nối với máy tính và nhập vào các phần mềm đo ảnh. Việc áp dụng máy ảnh số loại này vào kỹ thuật đo vẽ của trắc địa ảnh đặt ra nhiều vấn đề phải quan tâm giải quyết, thành công của nó sẽ cởi bỏ một số gút mắc khó khăn về t− liệu đầu vào của đo ảnh số mặt đất. Với mong muốn đóng góp phần nhỏ của trí thức bản thân cho sự phát triển đa dạng của công nghệ đo ảnh ở Việt Nam, đ−ợc sự h−ớng dẫn tâm huyết của thầy giáo GS.TSKH Phan Văn Lộc, tác giả đã chọn đề tài “Công nghệ đo ảnh trên cơ sở ảnh chụp từ máy chụp ảnh số phổ thông”. Đây là một mảng đề tài khá lớn đòi hỏi những nghiên cứu lý thuyết và thực tiễn nghiêm túc. 2. mục đích, đối t−ợng và phạm vi nghiên cứu a. Mục đích của đề tài: - Giải quyết các vấn đề về sự không chuyên dụng của ảnh số phổ thông nhằm nâng cao khả năng đo vẽ, độ chính xác của sản phẩm đo ảnh. - Giải quyết một số đặc tr−ng riêng khi xử lý tấm ảnh số phổ thông trên các phần mềm đo ảnh số. - ứng dụng thành công trong đo vẽ đo vẽ địa hình và phi địa hình sử dụng ảnh số phổ thông, khẳng định −u thế của ph−ơng pháp đo ảnh. - Nâng cao trình độ tiếp cận và phục vụ sản xuất theo h−ớng chính xác và nhanh chóng, đơn giản mà hiện đại, đáp ứng yêu cầu thực tế. 11 - Bổ sung kiến thức cho bản thân nhằm phục vụ tốt công tác giảng dạy tại tr−ờng đại học. b. Đối t−ợng nghiên cứu của đề tài: Máy chụp ảnh số phổ thông gắn liền với tính chất không chuyên dụng cho đo vẽ có thể cung cấp sản phẩm ảnh số phục vụ trong lĩnh vực đo vẽ địa hình và phi địa hình. c. Phạm vi nghiên cứu của đề tài: - Nghiên cứu xây dựng cơ sở lý thuyết kiểm định các thông số của máy chụp ảnh số phổ thông. - Nghiên cứu xây dựng ch−ơng trình và quy trình kiểm định. - Nghiên cứu sử dụng ảnh số phổ thông và các thông số kiểm định, đánh giá hiệu quả của chúng trong việc thành lập bình đồ địa hình và bản vẽ kiến trúc. 3. Ph−ơng pháp nghiên cứu - Sử dụng các tài liệu về lý thuyết kinh điển của đo ảnh làm cơ sở lý luận, viết thuật toán và ch−ơng trình. - Tìm kiếm tài liệu và cập nhật các thông tin trên mạng Internet. - Nghiên cứu tìm hiểu bản chất của quá trình đo vẽ trên phần mềm đo ảnh để tìm ra ph−ơng án phù hợp về xử lý ảnh số phổ thông. - Tiến hành các thực nghiệm để chứng minh lý thuyết, khẳng định tính khả thi và đi đến kết luận khách quan, chính xác. 4. ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ảnh chụp từ máy chụp ảnh số phổ thông ứng dụng thành công trong đo ảnh mang ý nghĩa khoa học lớn: bổ sung cơ sở khoa học về kiểm định ảnh, đo ảnh, bổ sung đa dạng cho ph−ơng pháp đo ảnh hàng không trong lĩnh vực địa hình và phi địa hình. Đề tài xuất phát từ cơ sở khoa học đo ảnh hiện đại, mang lại ý nghĩa thực tiễn về thiết bị chụp ảnh, rút ngắn thời gian của quy trình công nghệ, giảm nhẹ công tác ngoại nghiệp nhờ −u thế của đo ảnh, phát huy tính độc lập tự c−ờng trong điều kiện hạn chế của tài chính và công nghệ ở Việt Nam. 12 ch−ơng 1 tổng quan về sự phát triển của công nghệ đo ảnh Ch−ơng này trình bày bản chất, −u thế của ph−ơng pháp đo ảnh và sự phát triển của công nghệ đo ảnh nói chung. Tổng quan về tình hình phát triển của ph−ơng pháp đo ảnh mặt đất trên thế giới và ở Việt Nam, nhiệm vụ và khả năng đáp ứng yêu cầu đo vẽ của ph−ơng pháp. Từ đó khẳng định cần phải phát triển ph−ơng pháp đo ảnh số mặt đất hiện đại trong điều kiện cụ thể ở n−ớc ta phát huy sự đa dạng của đo ảnh. 1.1. bản chất và nhiệm vụ của ph−ơng pháp đo ảnh Trong các phép đo và tính của trắc địa nói chung, ph−ơng pháp đo ảnh chiếm một vị trí quan trọng. Ph−ơng pháp đo ảnh với bản chất là một ph−ơng pháp đo gián tiếp thông qua hình ảnh thu nhận đ−ợc theo phép chiếu xuyên tâm của đối t−ợng đo. Nó cũng thực hiện nhiệm vụ trắc địa nh− các phép đo khác đó là xác định trạng thái hình học của đối t−ợng đo bao gồm: vị trí, hình dáng, kích th−ớc và mối quan hệ t−ơng hỗ của các đối t−ợng đo [2]. Bởi vậy, ph−ơng pháp đo ảnh có những đặc tr−ng riêng biệt: - Có khả năng đo vẽ tất cả các đối t−ợng đo mà không nhất thiết phải tiếp xúc hoặc đến gần chúng, miễn là các đối t−ợng này có thể chụp ảnh đ−ợc. Đối t−ợng đo của ph−ơng pháp đo ảnh rất đa dạng, từ các miền thực địa hình rộng lớn đến những vi vật thể nhỏ bé, từ những vật thể tĩnh đến các đối t−ợng có trạng thái vật lý biến đổi nhanh chóng. - Nhanh chóng thu đ−ợc các t− liệu đo vẽ trong thời gian chụp ảnh, nên cho phép giảm nhẹ công tác ngoài trời, tránh ảnh h−ởng của thời tiết và môi tr−ờng đo đối với công tác đo vẽ. - Có thể đo cùng một thời điểm nhiều điểm đo khác nhau của đối t−ợng đo. Thuận lợi cho phép tính toán, so sánh sự biến đổi của địa hình, địa vật cũng nh− các công trình kiến trúc, các hiện t−ợng vật lý... 13 - Quy trình công nghệ của ph−ơng pháp đo ảnh rất thuận lợi cho việc áp dụng các thành tựu của khoa học công nghệ, tự động hoá công tác đo tính, giúp nâng cao năng suất và tính kinh tế của ph−ơng pháp. Từ những đặc tr−ng đa dạng của ph−ơng pháp đo ảnh hình thành hai ph−ơng pháp chính đó là ph−ơng pháp đo ảnh hàng không và ph−ơng pháp đo ảnh mặt đất. * Ph−ơng pháp đo ảnh hàng không: với các thiết bị thu nhận hình ảnh bề mặt trái đất là các máy chụp ảnh đặt trên máy bay, các tấm ảnh hàng không phục vụ đo vẽ chiếm một khối l−ợng lớn trong thành lập các loại bản đồ địa hình, địa chính các loại tỷ lệ đặc biệt là tỷ lệ trung bình. Những năm gần đây, các thiết bị thu nhận ảnh là các bộ cảm SenSor đặt trên tàu vũ trụ và vệ tinh nhân tạo cho những tấm ảnh vệ tinh ngày càng có độ phân giải cao cũng trợ giúp đắc lực cho công tác thành lập bản đồ, hiện chỉnh bản đồ và viễn thám trái đất. * Ph−ơng pháp đo ảnh mặt đất: các máy chụp ảnh đ−ợc đặt trên mặt đất. Những tấm ảnh này có khả năng thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn 1:500, 1:1000, 1:2000, 1:5000 là một ph−ơng pháp bổ sung hữu hiệu cho đo ảnh hàng không trong lĩnh vực địa hình tỷ lệ lớn chủ yếu ở những khu vực núi đá, mỏ lộ thiên mà công tác đo vẽ ngoại nghiệp gặp nhiều khó khăn. Do máy đặt trên mặt đất nên có thể bố trí máy chụp rất gần đối t−ợng chụp ảnh. Ngoài lĩnh vực địa hình, đo ảnh khoảng cách gần có nhiều lĩnh vực ứng dụng rất đa dạng: quan trắc biến dạng công trình, đo vẽ các bản vẽ phục chế kiến trúc, trong các ngành khác nh− quân sự, nông lâm, y học, địa chất, giao thông thuỷ lợi ... Có thể nói ph−ơng pháp đo ảnh là một ph−ơng pháp viễn thám hiện đại không chỉ của lĩnh vực khoa học trái đất mà còn của các ngành khoa học rất gần gũi với cuộc sống. 14 1.2. sự phát triển của công nghệ đo ảnh Sự phát triển của công nghệ đo ảnh gắn liền với sự phát triển chung của các ngành khoa học công nghệ khác, đặc biệt là các ngành khoa học công nghệ về cơ giới chính xác, công nghệ điện tử tin học... Lịch sử đo ảnh luôn bám sát sự phát triển của khoa học công nghệ [10], t−ơng ứng với quá trình này có bốn giai đoạn của ph−ơng pháp đo ảnh đó là: 1.2.1. Ph−ơng pháp đồ giải (plane table photogrammetry) Đây là ph−ơng pháp đo ảnh thô sơ của giai đoạn hình thành ph−ơng pháp đo ảnh (1850-1900). Trong giai đoạn phát triển đầu tiên này, ph−ơng pháp đồ giải ảnh là một ph−ơng pháp giao hội thuận với các h−ớng đ−ợc xác định từ các điểm ảnh trên ảnh mặt đất chính vì vậy nó còn có tên gọi là ph−ơng pháp giao hội ảnh hoặc ph−ơng pháp bàn đạc ảnh. Nh−ợc điểm cơ bản nhất của ph−ơng pháp này là việc nhận biết khó khăn các điểm đo cùng tên trên các tấm ảnh đơn đ−ợc chụp từ các trạm chụp khác nhau. Do đó, khả năng ứng dụng của ph−ơng pháp đồ giải vào công tác đo vẽ địa hình là rất hạn chế. Hình 1.1. Đồ giải ảnh trên th−ớc Ckiridov 1.2.2. Đo ảnh t−ơng tự (analog photogrammetry) Đây là ph−ơng pháp đo ảnh phát triển khá rực rỡ trong giai đoạn 1900 đến 1960 với sự xuất hiện của các máy đo vẽ ảnh toàn năng cơ học, quang học và quang cơ. T− liệu đầu vào là các ảnh chụp quang học đ−ợc dựng lại và đo vẽ trên các máy toàn năng khá cồng kềnh. Con ng−ời phải thực hiện các thao 15 tác đo toàn bộ trên máy, sản phẩm đầu ra đ−ợc vẽ trực tiếp trên các bản vẽ t−ơng tự. Công nghệ này là một b−ớc phát triển lớn của công nghệ cơ học, quang học và truyền động học kết hợp với lý thuyết đo ảnh. Thành công của nó là các máy đo vẽ ảnh lập thể toàn năng nh− Multiplex, StereoMetrograph, StereoAutograph, Topocar, Technocar, SD, SPR3, Wild A8 A7 A10... đáp ứng đ−ợc các yêu cầu thành lập bản đồ của giai đoạn bấy giờ. Hiện nay công nghệ này còn sử dụng rất ít trong sản xuất vì nó đã quá lạc hậu, không còn phù hợp với thời đại công nghệ thông tin. Hình 1.2. Đo vẽ bản đồ trên máy toàn năng Wild A8 1.2.3. Đo ảnh giải tích (analytical photogrammetry) Ngay từ khi máy tính điện tử bắt đầu phát triển thì công nghệ đo ảnh đã đ−ợc thừa h−ởng thành quả, đo ảnh giải tích ra đời và phát triển nhanh chóng (1950 đến nay). Đo ảnh giải tích là sự kết hợp hoàn hảo của công nghệ cơ học, quang học trong đo tọa độ ảnh công nghệ số hóa trị đo và công nghệ máy tính trong thực hiện các bài toán đo ảnh giúp nâng cao độ chính xác đáng kể của đo ảnh. Đó là sự kết hợp của máy đo tọa độ ảnh và máy tính cùng các phần mềm chuyên dụng cho đo ảnh giải tích. Các hệ thống đo ảnh giải tích có thể kể đến đó là hệ thống Planicom P3 (Zeiss-Đức), Aviomap AMH và AMU, Aviolyt BC3(Wild-Thụy Sỹ), DSR1(Kern-Thụy Sỹ)... Công nghệ đo ảnh giải tích đ−ợc phát triển chủ yếu trong công tác tăng dày khống chế ảnh, công tác đo vẽ bán tự động. Đó là sự phát triển cao nhất của công nghệ đo ảnh t−ơng tự có sự áp dụng các thành tựu số hóa và công nghệ tin học. 16 Hình 1.3. Hệ thống đo vẽ ảnh giải tích Planicom P3 của Carl Zeiss, Đức 1.2.4. Đo ảnh số (digital photogrammetry) Mặc dù sự ra đời và phát triển của đo ảnh giải tích đã tạo ra một b−ớc ngoặt quan trọng, nh−ng vấn đề tự động hóa đo ảnh luôn là lý t−ởng mà các nhà khoa học về đo ảnh theo đuổi. Nếu công nghệ đo ảnh t−ơng tự và đo ảnh giải tích, thông tin bức xạ của ảnh trong khả năng nhận dạng điểm cùng tên đ−ợc thực hiện một cách thủ công hoặc bán tự động bằng mắt ng−ời dựa trên cặp ảnh t−ơng tự, thì trong ph−ơng pháp đo ảnh số các thông tin bức xạ trở thành một đối t−ợng chính đ−ợc số hoá, xử lý và nhận dạng tự động trên máy tính. Đó là điểm khác biệt lớn nhất của đo ảnh số so với các ph−ơng pháp truyền thống. Hình 1.4. Trạm đo vẽ ảnh số ImageStation Z/I Intergraph, Mỹ 17 Đỉnh cao của sự phát triển này là trạm đo vẽ ảnh số, nó đ−ợc phát triển vào thập kỷ 90 của thế kỷ XX và ngày càng hoàn thiện. Trạm đo ảnh số là sản phẩm tuyệt vời của sự kết hợp giữa cơ sở lý thuyết ngành đo ảnh giải tích với công nghệ điện tử tin học và nhận dạng để thực hiện các chức năng đo ảnh. Sản phẩm của đo ảnh số rất đa dạng nh− : Bản đồ số, mô hình số, bình đồ ảnh số... với khả năng l−u trữ, cập nhật, kết nối GIS, LIS dễ dàng. Có thể kể tới một số phần mềm đo ảnh số thông dụng nh−: ImageStation của Intergraph- Mỹ, Photomod của Racus-Nga, 3Dmapper- Australia... Ngày nay, đo ảnh số là ph−ơng pháp chủ yếu để thực hiện các nhiệm vụ đo vẽ bằng ảnh. 1.3. đo ảnh mặt đất trên thế giới Đo ảnh mặt đất (Terrestrial Photogrammetry) là một công nghệ ra đời từ rất sớm trong lĩnh vực đo vẽ nói chung. Ngay từ giai đoạn hình thành ph−ơng pháp đo ảnh (1850-1900), nhà khoa học ng−ời Pháp A.Laussedat (1819-1907) và ng−ời Đức A.Meydenbauer (1834-1921) đã có những thí nghiệm thành công về ứng dụng kỹ thuật chụp ảnh mặt đất đơn giản. Tại triển lãm Paris 1867, Laussedat đã trình bày những kiến thức đầu tiên về máy kinh vĩ chụp ảnh (Phototheodolite) và mặt bằng trực quan của Paris bằng ảnh chụp mặt đất. Cùng thời gian này Meydenbauer đã thiết kế máy chụp ảnh chuyên dụng đầu tiên cho đo vẽ ảnh. Đó là một máy kinh vĩ chụp ảnh có kính vật góc rộng tới 1050 sử dụng kích cỡ phim chụp lớn 40x40cm. Nó đã đ−ợc ông ứng dụng trong thành lập bình đồ địa hình của vùng Freyburg, Đức và đo vẽ các yếu tố kiến trúc của nhà thờ Thánh Mary. Đó là giai đoạn đầu của sự ứng dụng ph−ơng pháp giao hội ảnh hoặc ph−ơng pháp bàn đạc ảnh trong đo vẽ bản đồ (Plane Table Photogrammetry)[10]. Năm 1896 tại Canada, E.Deville (1849-1924) đã giới thiệu ph−ơng pháp đo vẽ lập thể. Ông đã ứng dụng thành công trong thành lập bình đồ địa hình các vùng núi đá của Canada bằng ảnh lập thể mặt đất. Sau này TS. Carl Fulfrich (1858-1929) đã phát triển và chế tạo thành công máy đo tọa độ ảnh lập thể Stereokomparator tại x−ởng Zeiss. Năm 1907 tại Đức, Ritter Von Orel 18 (1877-1941) dựa trên nguyên mẫu máy Stereocomparator của C.Fulfrich và cơ sở đo ảnh mặt đất áp dụng cho vùng núi đã phát triển máy toàn năng đo ảnh mặt đất StereoAutograph [10]. Việc này mở ra kỷ nguyên áp dụng rộng rãi ph−ơng pháp đo ảnh mặt đất trong lĩnh vực địa hình tỷ lệ lớn. Song song với sự phát triển của đo ảnh hàng không, đo ảnh mặt đất cũng đ−ợc thừa h−ởng thành quả. Ph−ơng pháp xử lý giải tích ảnh trong loại trừ sai số hệ thống của tấm ảnh và tính toán giúp nâng cao độ chính xác của đo ảnh mặt đất ứng dụng trong quan trắc biến dạng công trình. Từ những năm 90 của thế kỉ 20, ph−ơng pháp đo ảnh số đã bắt đầu phát triển và ứng dụng rộng khắp. Các trạm đo ảnh số chuyên dùng cho ảnh hàng không nh− ImageStation-Intergraph, Helava-Leica Geosystem, Photomod- Racur, 3DMapper đã khẳng định sự hiệu quả và ứng dụng trong thành lập bản đồ, xây dựng mô hình số, kết nối GIS... Đo ảnh mặt đất cũng có những ứng dụng riêng cho mình, hãng ADAM (ADAM-Technology, Australia) đã giới thiệu phần mềm 3DMAnalyst trong đo vẽ địa hình khu mỏ lộ thiên [11]. Hãng EosSystem-Canada đã chào bán phần mềm Photomodeler Pro ứng dụng ảnh số phổ thông trong đo vẽ kiến trúc và các đồ vật [12]. Hãng Photometrix Pty Ltd giới thiệu phần mềm iWitnet trong đo vẽ hiện tr−ờng các vụ tai nạn giao thông sử dụng máy chụp ảnh số [13]. Ngoài ra còn rất nhiều các nghiên cứu ứng dụng khác của đo ảnh số mặt đất nh−: tính toán khối l−ợng gỗ của cây rừng trong lâm nghiệp khai thác gỗ [14], theo dõi sự phát triển của cơ thể ng−ời và động vật trong y tế và nông nghiệp [15], sử dụng khả năng của đo ảnh trong hỗ trợ loại bỏ các ch−ớng ngại vật trên đ−ờng sắt [16]... Đo ảnh số mặt đất đã phát huy triệt để các ứng dụng đa dạng của đo ảnh. 1.4. Đo ảnh mặt đất tại việt nam Từ những năm 70 của thế kỉ 20, ph−ơng pháp đo vẽ chụp ảnh mặt đất mới đ−ợc ứng dụng ở n−ớc ta trong việc đo vẽ bản đồ địa hình tỷ lệ lớn ở các vùng khai thác công nghiệp (mỏ than, mỏ đá) với các trang thiết bị t−ơng đối đồng bộ nh−: máy kinh vĩ chụp ảnh PhotoTheodolite19/1318, máy đo ảnh mặt 19 đất toàn năng StereoAutograph EL1318. Các cán bộ kỹ thuật trắc địa ảnh cũng đã có một số ứng dụng thành công công nghệ này, thầy Phan Văn Lộc và các đồng nghiệp trong bộ môn Trắc Địa ảnh đã thành lập bình đồ địa hình bằng ảnh lập thể mặt đất tại khu mỏ than Hà Tu năm 1971 và mỏ đá Hoàng Mai năm 1972. Năm 1973, tại Tr−ờng Đại học Tổng hợp Dresden-Đức, thầy Tr−ơng Anh Kiệt đã bảo vệ thành công luận án phó tiến sĩ “Ph−ơng pháp đo ảnh trong phạm vi gần và ứng dụng của nó trong các thí nghiệm công trình”. Năm 1989 việc xác định khối l−ợng bóc dỡ đất đá tại một số mỏ than Quảng Ninh đ−ợc TSKH Ngô Phúc H−ng tiến hành thử nghiệm, do nhiều khó khăn kỹ thuật công việc này đã không đ−ợc hoàn thành trọn vẹn. Từ đó đến nay công nghệ đo ảnh mặt đất ứng dụng trong địa hình tỷ lệ lớn tại n−ớc ta vẫn chỉ dừng ở đó. Năm 2000 tại hội nghị khoa học kỹ thuật của Tr−ờng Đại học Mỏ Địa chất, TS Phạm Vọng Thành đã trình bày khả năng sử dụng ảnh số từ máy chụp ảnh số phổ thông trong đo vẽ đồ vật là một bức t−ợng. Đây là một nghiên cứu ban đầu về máy chụp ảnh số phổ thông trong lĩnh vực phi địa hình. Năm 2004, trong nội dung hợp tác khoa học Việt Nam-Ba Lan giữa Tr−ờng Đại học Mỏ Địa chất Hà Nội và Tr−ờng Đại học Mỏ Luyện kim Crakov, các cán bộ kỹ thuật của Bộ môn Trắc Địa Mỏ và Trắc Địa ảnh với sự chỉ đạo của GS.TSKH Phan Văn Lộc đã nghiên cứu lý thuyết cùng thực nghiệm áp dụng thành công ảnh số phổ thông trong đo vẽ địa hình mỏ lộ thiên phục vụ tính toán khối l−ợng khai thác định kì tại mỏ Cọc Sáu. Đây là đầu tiên ở Việt Nam việc áp dụng máy chụp ảnh số phổ thông vào đo vẽ địa hình trong khoảng cách lớn đến 500m. Có thể nói đo ảnh mặt đất tại n−ớc ta đã có những ứng dụng thành công nhất định, tuy nhiên các ứng dụng này chỉ dừng lại ở một quy mô nhỏ hẹp và ch−a triệt để. 20 1.5. cơ sở lý thuyết đo ảnh mặt đất 1.5.1. Các yếu tố định h−ớng của ảnh mặt đất Tấm ảnh mặt đất (cũng nh− ảnh hàng không) về quan điểm hình học là hình ảnh xuyên tâm của đối t−ợng chụp. Tại thời điểm bấm máy chụp của quá trình chụp ảnh, vị trí phối cảnh giữa ảnh, tâm chụp và vật đ−ợc thiết lập. Trong phép chiếu ng−ợc, muốn xác định tọa độ của các điểm trên đối t−ợng đo nhất thiết phải khôi phục lại vị trí đó giữa tâm chiếu, ảnh đo và vật (xây dựng mối quan hệ chiếu hình t−ơng ứng giữa ảnh đo và đối t−ợng đo) đó chính là định h−ớng ảnh. Những yếu tố hình học dùng để xác định ( hoặc khôi phục) vị trí nói trên đ−ợc gọi chung là các yếu tố định h−ớng của ảnh đo. Quá trình định h−ớng gồm: định h−ớng trong và định h−ớng ngoài - Định h−ớng trong: định vị tâm chiếu so với tấm ảnh nhằm khôi phục mối quan hệ giữa các tia chiếu của chùm tia chiếu giống nh− lúc chụp ảnh. Các yếu tố định h−ớng trong gồm 3 yếu tố: tiêu cự máy chụp ảnh f, tọa độ điểm chính ảnh x0, z0. - Định h−ớng ngoài: định vị chùm tia chiếu trong không gian vật (không gian bên ngoài tấm ảnh - không gian của đối t−ợng đo - hệ tọa độ trắc địa) phục vụ đo vẽ trong một hệ tọa độ thống nhất. Một tấm ảnh thông th−ờng có 6 yếu tố định h−ớng ngoài đó là: + Tọa độ không gian của tâm chụp trong hệ tọa độ trắc địa XS, YS, ZS + Các góc định h−ớng (góc xoay) chuyển các trục của hệ tọa độ không gian ảnh về t−ơng ứng song song với các trục của hệ tọa độ trắc địa α, ω, χ. Nh− vậy, vị trí một tấm ảnh đ−ợc xác định khi biết đ−ợc 3 yếu tố định h−ớng trong và 6 yếu tố định h−ớng ngoài. Cặp ảnh lập thể đ−ợc xác định bởi 3 yếu tố định h−ớng trong (nếu chụp cùng một máy chụp) và 12 yếu tố định h−ớng ngoài: f, xo, yo, XS1, YS1, ZS1 , α1 , ω1 , χ1 ,XS2, YS2, ZS2 , α2 , ω2 , χ2 21 Hình 1.5. Các yếu tố định h−ớng ngoài của cặp ảnh lập thể mặt đất Ngoài ra do đặc tính của chụp ảnh mặt đất là các trạm chụp đ−ợc đặt cố định trên mặt đất nên trong chụp ảnh lập thể mặt đất ng−ời ta còn dùng một hệ thống các yếu tố định h−ớng ngoài khác gồm 12 yếu tố : XGS1, YGS1, ZGS1 - tọa độ trắc địa của tâm chụp trái, A - góc ph−ơng vị của đ−ờng đáy, ψ - góc nằm ngang tại tâm chụp trái, B - chiều dài nằm ngang của cạnh đáy chụp ảnh, h - chênh cao giữa hai đầu đ−ờng đáy, γ - góc giao của hình chiếu hai trục quang chính ảnh trái và ảnh phải trên mặt phẳng, ω1 , χ1- góc nghiêng và góc xoay của ảnh trái, ω2 , χ2 - góc nghiêng và góc xoay của ảnh phải. 1.5.2. Các dạng chụp cơ bản của ảnh lập thể mặt đất Tuỳ thuộc vào vị trí trục quang hai đầu đ−ờng đáy chụp ảnh và giá trị các yếu tố định h−ớng ngoài của cặp ảnh, có các dạng chụp cơ bản là: tổng quát, giao nhau, xiên đều, nghiêng đều và thẳng. Dạng chụp tổng quát: các góc yếu tố định h−ớng ngoài của cặp ảnh lập thể có giá trị bất kỳ. 22 Quá trình chụp ảnh máy ảnh đ−ợc đặt cố định ở các trạm chụp và đ−ợc định h−ớng tr−ớc khi chụp trên mặt đất, nên có các dạng chụp đặc biệt của dạng chụp tổng quát khi các góc xoay của ảnh, góc nghiêng của trục quang buồng máy chụp bằng 0 (trục quang luôn nằm ngang). Hình 1.6. Dạng chụp giao nhau, dạng chụp xiên đều và dạng chụp thẳng Dạng chụp giao nhau : h−ớng trục quang hai đầu đ−ờng đáy chụp ảnh giao nhau một góc γ ≠ 0, và ψ < 900 (α1=ω1=χ1=0 , α2 = -γ , ω2=χ2=0). Dạng chụp xiên đều : h−ớng hai trục quang hai đầu đ−ờng đáy chụp ảnh song song nhau γ = 0, (ψ > 900 xiên đều trái, ψ < 900 xiên đều phải). Dạng chụp nghiêng đều : sử dụng khi chụp các công trình có chiều cao lớn, h−ớng trục quang hai đầu đ−ờng đáy song song với nhau và thẳng góc với đ−ờng đáy chụp ảnh, có góc nghiêng đều bằng nhau ω1=ω2≠ 0. Dạng chụp thẳng : h−ớng trục quang hai đầu đ−ờng đáy nằm ngang và song song với nhau và thẳng góc với đ−ờng đáy chụp ảnh γ = 0, ψ = 900. 1.5.3. Công thức xác định tọa độ điểm chi tiết bằng ảnh mặt đất Xác định tọa độ điểm chi tiết A khi đã xác định các yếu tố định h−ớng của cặp ảnh và tọa độ đo đ−ợc trên cặp ảnh của hai điểm ảnh cùng tên a1 và a2. Đó chính là công thức giao hội thuận đo ảnh từ hai đầu đ−ờng đáy của cặp ảnh lập thể. Công thức này đơn giản hay phức tạp tùy thuộc vào dạng chụp của cặp ảnh lập thể mặt đất. 23 Hình 1.7. Xác định tọa độ điểm chi tiết bằng ảnh mặt đất Trong tr−ờng hợp tổng quát, tọa độ điểm chi tiết sẽ đ−ợc xác định theo công thức: ⎟⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ′++′ ′++′ ′++′ = ⎟⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎜ ⎝ ⎛ 2211 2211 2211 2 1 ZNBZN YNBYN XNBXN Z Y X z y x (1.1) trong đó: X, Y, Z - tọa độ điểm chi tiết, BX, BY, BZ, - các thành phần tọa độ của đ−ờng đáy chụp ảnh, X’1, Y’1, Z’1 - tọa độ điểm ảnh trái trong hệ không gian đo ảnh trái, X’2, Y’2, Z’2 - tọa độ điểm ảnh phải trong hệ không gian đo ảnh phải, N1, N2 - hệ số tỷ lệ tại điểm ảnh trái và điểm ảnh phải. 1.5.4. Độ chính xác tọa độ điểm chi tiết xác định bằng ảnh mặt đất Độ chính xác tọa độ điểm chi tiết phải dựa trên yêu cầu về độ chính xác bản đồ cần thành lập. Việc −ớc tính độ chính xác tọa độ điểm chi tiết đ−ợc tính dựa trên công thức đơn giản áp dụng cho dạng chụp xiên đều là: ⎪⎪ ⎪⎪ ⎭ ⎪⎪ ⎪⎪ ⎬ ⎫ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛+Ψ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛+⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛= Ψ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛+⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛= ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛+Ψ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛+⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛= 2 2 2 42 2 12 2 12 2 42 2 2 2 2 2 2 42 2 12 2 12 sin sin sin Y f mY Bf mz Y Bf mzm Y Bf m Y B mm Y f mY Bf mx Y Bf mxm zpB Z pB Y xpB X (1.2) trong đó: mX, mY, mZ - sai số trung ph−ơng tọa độ điểm chi tiết, 24 mx, mz, mp - sai số trung ph−ơng đo tọa độ điểm ảnh và thị sai ngang, mB - sai số trung ph−ơng đ−ờng đáy chụp ảnh, B B - độ dài đ−ờng đáy chụp ảnh, f - tiêu cự máy chụp ảnh, x1, z1 - tọa độ điểm ảnh trái, Y - khoảng cách từ điểm chi tiết tới gốc tọa độ tâm chụp trái. Ψ - góc nằm ngang tại tâm chụp trái. Nhìn vào công thức 1.2 ta nhận thấy: - Sai số đo tọa độ điểm ảnh, sai số đo đ−ờng đáy ảnh h−ởng tới độ chính xác tọa độ điểm chi tiết tỉ lệ thuận với Y. - Sai số đo thị sai ngang ảnh h−ởng tỉ lệ thuận với Y2. - Điểm chi tiết càng xa đ−ờng đáy (Y càng lớn) thì càng sai nhiều. - Thành phần tọa độ Y có sai số lớn nhất so với thành phần X, Z. - Dạng chụp thẳng có độ chính xác điểm chi tiết cao hơn dạng chụp xiên đều (khi Ψ=900). 1.6. yêu cầu thực tiễn đặt ra cho đo ảnh mặt đất Trong lĩnh vực địa hình, sự xuất hiện các máy toàn đạc điện tử, máy định vị vệ tinh GPS đã đẩy mạnh công tác trắc địa lên một giai đoạn phát triển mới, tạo khả năng đo vẽ nhanh, độ chính xác cao. Tuy nhiên một số khó khăn truyền thống vẫn không thể v−ợt qua đ−ợc, đó là sự leo trèo của ng−ời đi máy, đi mia ở ngoài thực địa. Điều kiện làm việc với các ph−ơng tiện đó vừa vất vả, lệ thuộc nhiều vào thiên nhiên, khó cải thiện điều kiện an toàn lao động. Do mức độ khó khăn của địa hình, do nhịp độ sản xuất tại hiện tr−ờng, ng−ời trắc địa khó có đ−ợc một số l−ợng lớn các điểm đo trực tiếp và không thể ghi nhận các điểm đo trong cùng một thời điểm. Ai cũng rõ là chụp ảnh mặt đất cho phép ghi nhận thực địa (đối t−ợng đo vẽ) gần nh− trong cùng một thời điểm. Việc xác định các yếu tố cần khảo sát đ−ợc tiến hành trên mô hình lập thể. Do vậy có những −u điểm rõ rệt sau đây: 25 - Hạn chế đến mức tối đa các ảnh h−ởng của địa hình phức tạp, thời tiết và nhịp độ vận động từ các hoạt động tại hiện tr−ờng. - Đo đạc trên mô hình lập thể nên cải thiện đáng kể điều kiện làm việc của ng−ời trắc địa. - Tạo khả năng thuận lợi để ứng dụng các tiến bộ trong tự động hoá, ứng dụng nhiều ph−ơng pháp thích hợp để xử lý số liệu nâng cao độ chính xác và hiệu quả kinh tế. Trong lĩnh vực phi địa hình, việc đo vẽ các bề mặt kiến trúc là yêu cầu cấp thiết nhằm phục chế, l−u trữ các bản vẽ của các công trình quan trọng. Việc đo vẽ các đồ vật ở khoảng cách gần phục vụ mục đích nghiên cứu nghệ thuật, y tế... là rất cần thiết. Các nhiệm vụ trên đặt ra cho đo ảnh mặt đất giải quyết. Việc ứng dụng đo ảnh mặt đất trong đo vẽ địa hình và phi địa hình tuy có nhiều thuận lợi nh−ng đi theo công nghệ truyền thống của đo ảnh t−ơng tự sẽ không có tính khả thi về kỹ thuật, thời gian, hiệu quả và kinh tế. Trong điều kiện hiện tại và vì sự phát triển đa dạng của đo ảnh, sự lựa chọn ph−ơng pháp đo ảnh số là duy nhất hiện nay. 1.7. công nghệ đo ảnh số mặt đất Trong công nghệ đo ảnh số mặt đất từ đối t−ợng đo, thiết bị chụp ảnh, công cụ xử lý đ−ợc sản phẩm đo, nếu chụp ảnh đối t−ợng đo bằng máy kinh vĩ chụp ảnh chuyên dụng thì phải thông qua máy quét ảnh chuyên dụng để chuyển khuôn dạng t−ơng tự của “phim kính” sang dạng số sau đó nhập vào trạm đo ảnh số. Điều này dẫn đến một số khó khăn là: máy móc chụp ảnh khá cồng kềnh, các dạng chụp yêu cầu đặc biệt và chặt chẽ (chụp xiên đều, chụp giao nhau, chụp thẳng), “phim kính” đặc dụng thiếu thốn phải nhập ngoại, không đáp ứng đ−ợc yêu cầu sản phẩm số một cách nhanh chóng do phải quét ảnh... cho nên công nghệ số đi theo h−ớng truyền thống sẽ không hiệu quả về thời gian và kinh tế. 26 Hình 1.8. Công nghệ đo ảnh số mặt đất Sử dụng máy chụp ảnh số chuyên dụng (DMC, ADS40...), các máy này sản xuất chủ yếu phục vụ cho đo ảnh hàng không rất đắt tiền và hiện tại ở n−ớc ta ch−a nhập loại máy này. Hơn nữa ứng dụng nó chụp trong một không gian hẹp thì không kinh tế. Ph−ơng án sử dụng máy chụp ảnh số chuyên dụng cũng không khả thi. Máy chụp ảnh số phổ thông (non-metric digital camera) với độ phân giải cao xuất hiện nhiều trên thị tr−ờng có thể giải quyết khúc mắc ở t− liệu đầu vào trong công nghệ đo ảnh số. Bởi vì các lý do sau: - Máy chụp ảnh số: ngày càng có độ phân giải cao và ngày càng rẻ. - Công tác chụp ảnh gọn nhẹ, nhanh chóng, t− liệu chụp nhiều, khuôn dạng ảnh số dễ dàng nhập vào máy tính không cần máy quét ảnh. Việc áp dụng máy chụp ảnh số phổ thông vào công tác đo vẽ phi địa hình ở trên thế giới là khá phổ biến, nh−ng ở Việt Nam thì vẫn còn khá mới 27 mẻ. áp dụng loại máy này vào lĩnh vực địa hình với khoảng cách chụp lớn hơn 100m thì cả ở trên thế giới và Việt Nam đều ch−a thành công về độ chính xác. Vấn đề cần giải quyết là sự không chuyên dụng của máy chụp ảnh và các đặc tr−ng xử lý truyền thống của ảnh số nhằm nâng cao khả năng đo vẽ địa hình và phi địa hình ở Việt Nam, đây là h−ớng giải quyết cơ bản của luận văn. Kết luận ch−ơng 1: - Sự phát triển của công nghệ đo ảnh mà đỉnh cao là công nghệ ảnh số có ảnh h−ởng rất lớn đến khả năng đo vẽ hiện đại nói chung của trắc địa ảnh. - Lĩnh vực ứng dụng của đo ảnh số ngày càng đa dạng và t− liệu ảnh số phổ thông là một sự lựa chọn hợp lý trong thời điểm hiện tại khi đo vẽ địa hình tỷ lệ lớn và đo vẽ phi địa hình. - Việc phát triển các ứng dụng trong lĩnh vực địa hình tỷ lệ lớn và phi địa hình sử dụng ảnh số phổ thông tại Việt Nam cần đ−ợc quan tâm, phát triển và hoàn thiện. 28 Ch−ơng 2 máy chụp ảnh số phổ thông vμ ph−ơng pháp kiểm định Ch−ơng này giới thiệu về thiết bị thu nhận hình ảnh không chuyên dụng cho đo ảnh, đó là máy chụp ảnh số phổ thông. Nguyên lý tạo ảnh, nguyên nhân gây sai số vị trí điểm ảnh của máy chụp ảnh số phổ thông. Ph−ơng pháp kiểm định, thuật toán và ch−ơng trình kiểm định, phân tích các kết quả kiểm định. Từ đó khẳng định kiểm định máy chụp ảnh số là không thể thiếu và kết quả kiểm định máy chụp ảnh số phổ thông rất cần thiết trong đảm bảo độ chính xác của công tác đo vẽ ảnh. 2.1. máy chụp ảnh số phổ thông Máy chụp ảnh số phổ thông là loại máy ảnh số thông dụng trên thị tr−ờng phục vụ cho mục đích chính là chụp ảnh nghệ thuật. Đối với đo ảnh các máy chụp ảnh loại này có các thuật ngữ gọi là: non-metric digital camera, amateur digital camera, unprofessional digital camera [17]. Đó là các máy không chuyên dụng cho đo ảnh. Các loại máy này có độ phân giải ngày càng cao và giá thành rẻ, kiểu máy nhẹ nhàng, cơ động, dễ chụp và hiện đại. Hình 2.1. Máy chụp ảnh số Sony CyberShot Pro DSC-F828 Về đặc điểm cấu tạo, máy chụp ảnh số phổ thông có các phần chính nh−: thân máy chứa các bộ phận cấu thành, hệ thống kính vật cùng bộ điều chỉnh chế độ thu phóng, bộ cảm CCD nhận ảnh, các vi mạch điện tử, thẻ nhớ 29 l−u trữ hình ảnh chụp dạng số, các phím điều chỉnh các chức năng chụp theo phần mềm có trong máy. Ngoài ra, máy chụp ảnh số còn các bộ phận phụ trợ khác nh−: đèn Flash, màn hình hiển thị, pin sạc... Bảng 2.1. Một số máy chụp ảnh số phổ thông có độ phân giải tốt Hình dáng Đặc điểm chính Tên gọi : Sony CyberShot Pro DSC-F707 Hãng sản xuất : Sony, Nhật Bản Ra đời : 9 -2002 Kênh chụp: toàn sắc, hồng ngoại Bộ cảm CCD đơn: 5 triệu pixel Bộ nhớ : 128 MB Tên gọi : Sony CyberShot Pro DSC-F828 Hãng sản xuất : Sony, Nhật Bản Ra đời : 8 -2003 Kênh chụp: toàn sắc, hồng ngoại Bộ cảm CCD đơn: 8 triệu pixel Bộ nhớ : 256 MB Tên gọi : NIKON CoolPix 8700 Hãng sản xuất : Nikon, Nhật Bản Ra đời : 2003 Kênh chụp: toàn sắc, hồng ngoại Bộ cảm CCD đơn: 8 triệu pixel Bộ nhớ : 256 MB Nếu đặt máy chụp ảnh loại này trong sự so sánh với một số máy chụp ảnh kỹ thuật số chuyên dụng cho đo ảnh hàng không sẽ thấy rõ sự khác biệt về tính phổ thông và chuyên dụng. Một điều nữa là giá thành của máy chụp ảnh chuyên dụng đắt gấp khoảng 100 lần so với máy chụp ảnh số phổ thông. 30 Bảng 2.2. Một số máy chụp ảnh kỹ thuật số chuyên dụng Hình dáng Đặc điểm chính Tên gọi : DMC Hãng sản xuất : Z/I imaging, Mỹ Ra đời : 2002 Kênh chụp : toàn sắc, đỏ, lục, chàm, cận hồng ngoại Bộ cảm CCD tích hợp mảng: 106 triệu pixel Bộ nhớ : 840 GB Tên gọi : ADS-40 Hãng sản xuất : Leica Geosystems, Thụy Sĩ Ra đời : 7 - 2000 Kênh chụp: toàn sắc, đỏ, lục, chàm, cận hồng ngoại Bộ cảm CCD tích hợp hàng : 12000pixel/hàng/kênh đa phổ, 24000 pixel/hàng/kênh toàn sắc Bộ nhớ : 200-500 GB 2.2. Một số đặc tr−ng của ảnh số 2.2.1. ảnh số nmnmgmgmg nggg nggg ì−−−− − − )1,1()1,1()0,1( )1,1()1,1()0,1( )1,0()1,0()0,0( L LLLL L L Hình 2.2. Ma trận độ xám của ảnh số ảnh số là một mảng hai chiều của các phần tử ảnh có cùng kích th−ớc đ−ợc gọi là pixel (picture element). Mỗi pixel đ−ợc xác định bằng tọa độ hàng (i), tọa độ cột (j) và độ xám g(i,j). Độ xám của mỗi pixel đ−ợc mã hóa theo đơn vị thông tin là bit. Thông th−ờng pixel ảnh toàn sắc mã hóa theo 8bit=1byte tức là 28=256 bậc độ xám, pixel ảnh màu đ−ợc tổ hợp từ ba băng đỏ R(256), lục G(256), chàm B(256) t−ơng ứng với 24bit=3byte có 256x256x256 màu. 31 ảnh số có thể đ−ợc thu nhận thông qua máy quét ảnh t−ơng tự, máy chụp ảnh số hoặc SenSor quét của vệ tinh. 2.2.2. Độ phân giải của ảnh số Độ phân giải của t− liệu ảnh số là mối quan tâm hàng đầu của công nghệ đo ảnh số. Có hai loại độ phân giải cần quan tâm là độ phân giải không gian và độ phân giải độ xám * Độ phân giải không gian: Là khoảng cách hình học tối thiểu giữa hai đối t−ợng mà chúng phân chia và tách biệt với nhau trên ảnh. Biểu thị cho độ phân giải không gian là: kích cỡ pixel và DPI (Dot Per Inch). + Độ phân giải theo kích cỡ pixel thể hiện độ rộng của một pixel. Kích cỡ pixel càng nhỏ thì độ phân giải càng cao, th−ờng tính theo đơn vị μm + Độ phân giải DPI: là số l−ợng pixel chứa trong một inch (đơn vị đo l−ờng của Anh: 1inch = 25,4mm). Số pixel trên 1 inch càng nhiều thì độ phân giải càng cao. Hai cách biểu thị này có thể chuyển đổi cho nhau theo công thức: 25,4.103 Độ phân giải kích cỡ pixel = số pixel DPI μm 25,4.103 Độ phân giải DPI = kích cỡ pixel (2.1) Trong máy chụp ảnh số, ng−ời ta gọi độ phân giải của ảnh số theo số l−ợng pixel của bản thân ảnh số t−ơng ứng với số hàng nhân số cột của ảnh số, th−ờng lấy đơn vị là MP Mega Pixel (triệu điểm ảnh). Ví dụ nh− độ phân giải 5 triệu pixel, 8 triệu pixel gọi là 5 MP, 8 MP. * Độ phân giải độ xám (Radiometric): là sự thay đổi nhỏ nhất về độ xám mà hai pixel phân biệt đ−ợc với nhau trên ảnh. Thông th−ờng lấy 256 bậc để biểu thị độ xám trong ảnh toàn sắc và 224 (24 bit) bậc màu trong ảnh màu. Ngoài ra còn có độ phân giải phổ phụ thuộc vào sự cảm biến theo b−ớc sóng ánh sáng của bộ cảm SenSor, th−ờng quan tâm nhiều ở ảnh vệ tinh. 32 2.2.3. Nguyên lý tạo ảnh của máy chụp ảnh số Hình 2.3. Nguyên lý tạo ảnh của máy chụp ảnh số Nguyên lý tạo ảnh của máy chụp ảnh số cũng giống nh− nguyên lý tạo ảnh của máy chụp ảnh thông th−ờng. Điểm khác biệt lớn nhất của máy chụp ảnh số là không dùng phim halogel Bạc để l−u trữ hình ảnh với độ nhạy cao mà dùng bộ cảm biến ánh sáng CCD để l−u hình ảnh tạm thời kết hợp với bộ chuyển đổi A/D (Analog to Digital) để mã hóa tạo ảnh số l−u trữ trong đĩa cứng. CCD đóng vai trò là “phim” trong máy chụp ảnh số. 2.2.4. Bộ cảm CCD Bộ cảm CCD (Charge Coupled Device) là một thiết bị tích điện kép đ−ợc sáng chế bởi các nhà khoa học của phòng thí nghiệm Bell bang New Jerney Mỹ những năm 60 của thế kỷ tr−ớc. CCD đ−ợc ứng dụng rộng rãi trong ngành chụp ảnh, quét ảnh, quay phim số, thiên văn học [20] ... Hình 2.4. Một số CCD nhìn ở bên ngoài Mảng CCD gồm tập hợp các tế bào quang điện rất nhỏ làm bằng chất bán dẫn nhạy sáng (photodiot) tựa trên hợp chất silic, mỗi tế bào quang điện t−ơng ứng là một pixel. Số l−ợng và kích cỡ các tế bào quang điện cùng với độ lớn của mảng CCD chính là yếu tố quyết định độ phân giải của ảnh số. 33 Khi ánh sáng đập lên CCD, c−ờng độ ánh sáng giải phóng điện tử trên mỗi tế bào quang điện, sau đó chuyển thành dòng điện nhỏ có c−ờng độ tuỳ thuộc vào c−ờng độ chiếu sáng trên mỗi tế bào quang điện, tức là liên quan tới số l−ợng điện tử đ−ợc giải thoát và đ−ợc mã hóa thành độ xám l−u trữ theo vị trí của các sensor-pixel thành phần tạo nên ảnh số và chuyển vào bộ nhớ. Hình 2.5. Nguyên lý tạo ảnh trên CCD Từ khi CCD ra đời nó đã thống trị trong các lĩnh vực liên quan đến công nghệ ảnh số vì CCD có nhiều −u điểm nh−: độ nhiễu nhỏ (các sensor t−ơng ứng đ−ợc đặt cố định và dùng chung một nguồn điện), chất l−ợng l−ợng tử và chuyển đổi số cao, thu phóng dễ dàng (thay đổi độ phân giải), khả năng giảm nhiễu phản xạ tốt... tuy vậy CCD cũng có một số nh−ợc điểm: vì phải có quá nhiều sensor chip trên khung CCD dẫn tới phải chuyển đổi nhiều tín hiệu điện cùng một lúc, tốc độ ghi ảnh chậm, khó có thể nâng cao độ phân giải nếu cứ phải giảm nhỏ kích cỡ của tế bào quang điện. Đối trọng với CCD, từ giữa những năm 90 thế kỉ tr−ớc phòng thí nghiệm phản lực của NASA (Mỹ) đã giới thiệu công nghệ CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) [21] kết hợp tất cả các bộ phận nh− sensor, đọc ảnh, xử lý chuyển đổi trên một chip nên tốc độ ghi ảnh “pixel động” nhanh, tốn ít năng l−ợng... nó đ−ợc dùng rất nhiều trong công nghệ quay video số, chụp ảnh số, công nghệ vi mạch... CMOS là công nghệ nano có yêu cầu kỹ thuật chế tạo rất cao và đắt tiền...Phần lớn các máy chụp ảnh số hiện nay đều vẫn dùng CCD. Hiện nay, vị trí, kích th−ớc của các sensor trên CCD đ−ợc chế tạo, sắp xếp rất chính xác. Bởi vậy, quá trình lộ quang nhanh và ghi ảnh của bản thân 34 mặt CCD không ảnh h−ởng đến vị trí điểm ảnh hay nói chính xác hơn là ảnh h−ởng rất bé. Vậy nguyên nhân chính của sự xê dịch vị trí điểm ảnh của bản thân máy chụp ảnh sẽ nằm ở hệ thống kính vật. 2.3. hệ thống kính vật của máy chụp ảnh số Hình 2.6. Hệ thống kính vật của máy chụp ảnh số Hệ thống kính vật của máy chụp ảnh số là một tổ hợp của các thấu kính hội tụ và phân kì loại bỏ sắc sai, cầu sai và để có khả năng thay đổi tiêu cự theo chế độ thu phóng (Zoom) nhằm tạo ảnh hội tụ rõ nét trên CCD. Hệ thống kính vật loại này tuy chất l−ợng rất cao (tạo ảnh rất nét) nh−ng độ chính xác hình học thì lại thua kém kính vật của máy chụp ảnh chuyên dụng (RC30, RMK-TOP, DMC, ADS-40). Có nghĩa là sai số méo hình kính vật lớn dẫn tới sự xê dịch vị trí điểm lớn. Một đặc điểm nữa là sự thu phóng chính là nguyên nhân gây thay đổi tiêu cự dẫn tới cả sự thay đổi tọa độ điểm chính ảnh và hệ số méo hình. Trong đo ảnh thì các yếu tố rất quan trọng này cần giữ đ−ợc sự ổn định vì nó ảnh h−ởng rất lớn tới độ chính xác của các kết quả đo cuối cùng. Nh− vậy, vấn đề mấu chốt ở đây là phải có chế độ chụp “ổn định” trong mức độ cho phép, và phải kiểm nghiệm các yếu tố định h−ớng trong, các hệ số méo hình của hệ thống kính vật máy chụp ảnh số phổ thông. 2.4. Kiểm định máy chụp ảnh số phổ thông 2.4.1. Sự cần thiết phải kiểm định Trong đo ảnh, các sai số hệ thống gây nên sai lệch vị trí điểm ảnh cần đ−ợc loại trừ, các sai số này bao gồm: - Sai số do chiết quang khí quyển và độ cong trái đất, 35 - Sai số biến dạng phim ảnh, - Sai số do độ sai lệch các yếu tố định h−ớng trong, - Sai số méo hình kính vật. Đối với đo ảnh khoảng cách gần dùng máy chụp ảnh số phổ thông: sai số do chiết quang, độ cong trái đất ch−a cần quan tâm vì khoảng cách chụp gần trong không gian hẹp. Sai lệch biến dạng phim ảnh là nói đến chụp ảnh truyền thống, sai số này hiệu chỉnh nhờ các mấu khung tọa độ, tuy nhiên ảnh số của máy chụp ảnh số phổ thông không có mấu khung tọa độ, ảnh số này đ−ợc tạo nên nhờ mảng CCD. Công nghệ nano sắp xếp các tế bào quang điện tạo mảng CCD là rất chính xác, sự tạo ảnh trên CCD ở phần 2.2.4 là gần nh− không có sai số, sai số này sẽ đ−ợc kiểm định và hiệu chỉnh tổng hợp cùng sai số méo hình. Hệ thống kính vật của máy chụp ảnh số phổ thông tuy chất l−ợng cao, cho hình ảnh nét nh−ng ảnh số đ−ợc tạo chỉ nhằm mục đích nghệ thuật, sự xê dịch vị trí điểm ảnh bởi méo hình kính vật rất lớn vì tính không chuyên dụng cho đo ảnh và chế độ thu phóng lúc chụp. Nh− vậy, các thông số kiểm định ảnh của máy chụp ảnh số phổ thông là các yếu tố định h−ớng trong là tiêu cự, tọa độ điểm chính ảnh và các hệ số méo hình. Các thông số này là một phần không thể thiếu của đo ảnh nói chung, nó phục vụ công tác định h−ớng trong khôi phục chùm tia xây dựng mô hình, hiệu chỉnh sự xê dịch vị trí điểm ảnh nâng cao độ chính xác. Nếu không có các thông số này ảnh số phổ thông chỉ có ý nghĩa “nghệ thuật” thuần tuý. Khi nhà sản xuất cung cấp máy chụp ảnh số phổ thông thì chỉ cung cấp khoảng tiêu cự dao động, không cung cấp tọa độ điểm chính ảnh, hệ số méo hình. Do vậy vấn đề kiểm định các thông số máy chụp ảnh số phổ thông là nhiệm vụ cần quan tâm hàng đầu. 2.4.2. Các ph−ơng pháp kiểm định a. Ph−ơng pháp kiểm định trong phòng thí nghiệm * Kiểm định máy chụp ảnh sử dụng thiết bị chuyên dụng đắt tiền đặt trong phòng thí nghiệm nh− máy chuẩn trực nh− ở hình 2.7. Công việc này 36 chủ yếu dành cho kiểm định các thông số của máy chụp ảnh hàng không chuyên dụng. Hình 2.7. Phòng kiểm định máy chụp ảnh Carl Zeiss, Oberkochen, Đức * Kiểm định ảnh khi chụp các makét chuẩn (l−ới chuẩn) với khoảng cách rất gần ở các vị trí góc nhìn khác nhau, đo vẽ và tính toán các thông số kiểm định. Công tác kiểm định này có tính đơn giản, nhanh chóng và khả thi cao. Các kết quả đạt đ−ợc có thể áp dụng cho đo ảnh phi địa hình trong khoảng cách gần. b. Công tác tự kiểm định tại thực địa Hình 2.8. Tự kiểm định bằng các điểm khống chế tại thực địa 37 Khi chụp ảnh tại thực địa dùng để phục vụ đo vẽ, bố trí thêm một vài điểm khống chế kiểm tra khi xử lý định h−ớng tự hiệu chỉnh các sai lệch vị trí điểm ảnh cho mô hình. Ph−ơng pháp này buộc phải đo vẽ các điểm khống chế nhiều hơn trong từng mô hình dẫn tới phần ngoại nghiệp lại tăng lên, độ chính xác của các điểm khống chế cũng cần quan tâm đặc biệt hơn, vì nó ngoài nhiệm vụ định h−ớng mô hình còn phải kiểm định các thông số máy chụp ảnh. Các thông số hiệu chỉnh bị triệt tiêu trong quá trình định h−ớng, nên lúc đo vẽ thì không có các thông số này để hiệu chỉnh vị trí điểm ảnh dẫn tới độ chính xác các điểm chi tiết không đ−ợc đảm bảo. Ph−ơng pháp này không có tính khả thi về hiệu quả kỹ thuật và kinh tế. c. Công tác kiểm định với các bãi kiểm định chuẩn Xây dựng một bãi kiểm định chuẩn đơn giản bao gồm các điểm chuẩn từ các đ−ờng chuẩn thẳng đứng hoặc các điểm đ−ợc đánh dấu rõ nét đ−ợc đo vẽ ngoại nghiệp cẩn thận, có các điểm gần và xa, tiến hành chụp ảnh, đo vẽ trên ảnh và tính toán các thông số kiểm định theo thuật toán và ch−ơng trình kiểm định xây dựng nên. Hình 2.9. Bãi kiểm định chuẩn Công việc kiểm định với bãi kiểm định chuẩn đơn giản, không tốn kém, dễ thực hiện, đảm bảo yêu cầu kiểm định mà tính chất chụp ảnh lại giống thực tế (khi chụp ảnh cho đo vẽ địa hình). 38 2.4.3. Lựa chọn hàm toán học hiệu chỉnh sai số méo hình kính vật Tìm hiểu các hàm toán học hiệu chỉnh các sai số hệ thống đặc biệt là sai số méo hình kính vật là một vấn đề cơ bản của đo ảnh. Đã có rất nhiều nhà khoa học đã đ−a ra các công thức hiệu chỉnh khác nhau: a. Công thức đa thức tổng quát: ⎪⎭ ⎪⎬⎫++++++++++=Δ ++++++++++=Δ L L 3 9 2 8 2 7 3 6 2 54 2 3210 3 9 2 8 2 7 3 6 2 54 2 3210 ybxybyxbxbybxybxbybxbby yaxyayxaxayaxyaxayaxaax (2.2) Công thức do giáo s− A.H Lobanov (Nga) đ−a ra [9]. Công thức này hiệu chỉnh tổng quát các sai số hệ thống theo đa thức với số bậc tuỳ chọn. b. Công thức đa thức t−ơng quan: ⎪⎪ ⎪⎪ ⎪ ⎭ ⎪⎪ ⎪⎪ ⎪ ⎬ ⎫ ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −+⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −+ +⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −+⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −+⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −−++−=Δ ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −+⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −+ +⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −+⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −++⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −−+=Δ 2222 12 22 10 22 8 22 6 22 4321 2222 11 22 9 22 7 22 54 22 321 3 2 3 2 3 2 3 2 4 3 4 32 3 2 3 2 3 2 3 2 4 3 4 32 bybxabyxa bxyabxabyaxyaxayay bybxabxya byxabyaxyabxayaxax (2.3) Công thức do giáo s− H.Ebner (Đức) đề xuất hiệu chỉnh sai số hệ thống với 12 tham số, công thức này th−ờng đ−ợc sử dụng trong tăng dày khống chế ảnh theo thuật toán tự kiểm định, hoặc trong tr−ờng hợp phân tích tổng quát sự biến dạng hệ thống của phim ảnh. c. Công thức hiệu chỉnh của Brown ( ) ( ) ⎪⎪⎭ ⎪⎪⎬ ⎫ +−′−′= +−′−′= y x r dryyyy r drxxxx δ δ 0 0 (2.4) trong đó : yx, - tọa độ điểm ảnh đã hiệu chỉnh sai số méo hình, yx ′′, - trị đo tọa độ điểm ảnh, ( ) ( )2020 yyxxr −′+−′= - bán kính h−ớng tâm của điểm ảnh, 39 5 3 3 21 rKrKrKdr ⋅+⋅+⋅= - sai số do méo hình xuyên tâm, ( )[ ] ( )( ) ( )[ ] ( )( ⎪⎭ ⎪⎬ ⎫ −′−′+−′+= −′−′+−′+= 001 2 0 2 2 002 2 0 2 1 22 22 yyxxPyyrP yyxxPxxrP y x δ δ ) -sai số do méo hình tiếp tuyến Công thức này do giáo s− Brown (Mỹ) đ−a ra chủ yếu nhằm hiệu chỉnh sai số méo hình kính vật gồm hai loại: méo hình xuyên tâm (Radial Lens Distortion) và méo hình tiếp tuyến (Tangential Lens Distortion). Còn rất nhiều công thức khác nữa đã đ−ợc công bố, việc lựa chọn công thức hiệu chỉnh sai số méo hình kính vật cần tuân thủ hai tiêu chuẩn sau đây: * Phù hợp với quy luật méo hình: nếu công thức đ−ợc chọn phù hợp với quy luật hệ thống của sai số méo hình sẽ làm tăng độ chính xác (so với khi không hiệu chỉnh). Ng−ợc lại, sự không phù hợp quy luật sẽ làm giảm độ chính xác và rắc rối quá trình tính toán. * Phù hợp với phần mềm đo ảnh hiện thời: các phần mềm đo ảnh số hiện nay cho phép hiệu chỉnh sai số méo hình kính vật với các hệ số méo hình tuân theo công thức đã đóng gói lập sẵn, không tác động từ bên ngoài vào đ−ợc. Nếu khi tìm ra đ−ợc hệ số của các công thức khác mà không có cách nào nhập vào phần mềm để tiến hành hiệu chỉnh tọa độ ảnh trong quá trình đo thì điều này cũng vô nghĩa. Do vậy công thức cần phù hợp với khả năng hiệu chỉnh của phần mềm. Từ hai tiêu chí trên kết hợp với các công thức đã có, tác giả lựa chọn công thức 2.4 của giáo s− Brown để tiến hành kiểm định. Vì theo các nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới [22],[23],[24] đã chứng minh và sử dụng công thức 2.4 phù hợp với quy luật méo hình của hầu hết các kính vật máy chụp ảnh. Phần mềm ImageStation của Intergraph trên trạm đo ảnh số cho phép sử dụng công thức 2.4 để hiệu chỉnh sai số méo hình [26]. Do vậy lựa chọn công thức 2.4 của Brown đem lại tính đơn giản, phù hợp và khả thi. 40 2.4.4. Bản chất của méo hình kính vật a. Méo hình xuyên tâm (Radial Lens Distortion) Hình 2.10. Méo hình xuyên tâm Nguyên nhân gây nên sai số méo hình xuyên tâm chủ yếu nằm trong bản thân chất l−ợng kính vật, đó là sự chế tạo các thấu kính không đ−ợc chuẩn về chiết suất nh− thiết kế, môi tr−ờng lắp ráp các thấu kính. Sai số này khá lớn đối với máy chụp ảnh số phổ thông vì tính không chuyên dụng cho đo ảnh. Hiệu chỉnh sai số méo hình xuyên tâm theo công thức của Brown Hình 2.11. Hiệu chỉnh sai số méo hình xuyên tâm 41 b. Méo hình tiếp tuyến (Tangential Lens Distortion) Hình 2.12. Sự lắp ráp không đồng trục của hệ thống kính vật Nguyên nhân gây nên sai số vị trí điểm ảnh do méo hình tiếp tuyến chủ yếu nằm ở sự lắp ráp không đồng trục giữa các thấu kính của hệ thống kính vật máy chụp ảnh. Sai số này rất lớn đối với máy chụp ảnh số phổ thông vì sự thu phóng lúc chụp ảnh chính là sự thay đổi khoảng cách giữa các thấu kính nhằm thay đổi tiêu cự, gây nên sự không ổn định của trục quang chính. Hình 2.13. Hiệu chỉnh méo hình tiếp tuyến theo công thức Brown 2.4.5. Thuật toán kiểm định Xuất phát từ công thức của bài toán nghịch trong đo ảnh mặt đất: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ( ) ( ) ( ) )⎪⎪⎭ ⎪⎪⎬ ⎫ −+−+− −+−+−=−Δ+′ −+−+− −+−+−=−Δ+′ SSS SSS SSS SSS ZZcYYbXXa ZZcYYbXXafzzz ZZcYYbXXa ZZcYYbXXa fxxx 222 333 0 222 111 0 (2.5) 42 trong đó: XS, YS, ZS - tọa độ tâm chụp trong hệ tọa độ điểm địa vật, ai, bi, ci - các cosin chỉ h−ớng chứa các góc xoay của ảnh κωϕ ,, , X, Y, Z - tọa độ các điểm kiểm định của bãi kiểm định, f, x0, z0 - các yếu tố định h−ớng trong, zx ′′, - trị đo tọa độ điểm ảnh, - số hiệu chỉnh tọa độ ảnh do sai số méo hình kính vật. zx ΔΔ , ( )( ) ( )[ ] ( )( ) ( )( ) ( )[ ] ( )( ⎪⎭⎪⎬ ⎫ −′−′+−′++++−′−=Δ −′−′+−′++++−′−=Δ 001 2 0 2 2 4 3 2 210 002 2 0 2 1 4 3 2 210 22 22 zzxxPzzrPrKrKKzzz zzxxPxxrPrKrKKxxx ) (2.6) K1 , K2 , K3 , P1 , P2 – các hệ số méo hình xuyên tâm và tuyến tuyến * Từ (2.5) và (2.6) thành lập hệ ph−ơng trình sai số: PlxCtBv ,−⋅+⋅= (2.7) trong đó: v - véctơ số hiệu chỉnh tọa độ điểm ảnh đo ⎥⎥ ⎥⎥ ⎥⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢⎢ ⎢⎢ ⎣ ⎡ = n i v v v v M M 1 với ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡= i i z x i v v v n là tổng số điểm tham gia kiểm định t - véctơ ẩn số chứa số hiệu chỉnh các yếu tố định h−ớng tấm ảnh ( )κωϕ ddddZdYdXdzdxdft SSST 00= B – ma trận hệ số của véctơ t ⎥⎥ ⎥⎥ ⎥⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢⎢ ⎢⎢ ⎣ ⎡ = n i B B B B M M 1 với ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡= zzzzzzzzz xxxxxxxxx i kihgedcba kihgedcba B các hệ số của Bi đ−ợc lấy theo tài liệu tham khảo [9] x – véctơ ẩn số các số hiệu chỉnh hệ số méo hình 43 ( )21321 dPdPdKdKdKxT = C – ma trận hệ số của véctơ x ⎥⎥ ⎥⎥ ⎥⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢⎢ ⎢⎢ ⎣ ⎡ = n i C C C C M M 1 ( ) ( ) ( ) ( )( ) ( )( ( ) ( ) ( ) ( )( ) ( )( ) ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ −+−−′−′−−′−′−′ −′−′−−′+−−′−′−′= 2 0 2 00 4 0 2 00 00 2 0 24 0 2 00 22 22 zzrzzxxrzzrzzzz zzxxxxrrxxrxxxxCi ) l – véctơ số hạng tự do với ⎥⎥ ⎥⎥ ⎥⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢⎢ ⎢⎢ ⎣ ⎡ = n i l l l l M M 1 ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ −′ −′=⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡= 0 0 zz xx l l l i i z x i P là ma trận trọng số của trị đo, trị đo có cùng độ chính xác thì Pi = E2x2 * Lập hệ ph−ơng trình chuẩn Theo nguyên lý bình sai gián tiếp, từ hệ ph−ơng trình số hiệu chỉnh (2.6) thành lập hệ ph−ơng trình chuẩn có dạng nh− sau: (2.8) ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡=⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡⋅⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ x t xx T tx txtt L L x t NN NN trong đó: PBBN Ttt = , , , , PCCN Txx = PCBN Ttx = PlBL Tt = PlCL Tx = * Thuật toán bình sai [27] Vì số l−ợng ẩn nhỏ là 14 (9 yếu tố định h−ớng và 5 hệ số méo hình) nên có thể giải trực tiếp 2.8 thông qua nghịch đảo ma trận tổng thể của véctơ ẩn số và giải ẩn (2.9) LyN =⋅ LNy ⋅= −1 ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡= x t y , , ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡= xx T tx txtt NN NN N ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡= x t L L L 44 Quá trình giải đ−ợc lặp lại cho đến khi số hiệu chỉnh các ẩn số nhỏ hơn giới hạn cho phép. * Đánh giá độ chính xác Sai số trung ph−ơng trọng số đơn vị: [ ] 1420 −ì= n pvvm (2.10) Độ chính xác của các ẩn số sẽ là: iii Qmm ì= 0 (2.11) n là số điểm đo kiểm định, i là ẩn số thứ i, Qii là trọng số đảo của ẩn i 2.4.6. Ch−ơng trình kiểm định Từ thuật toán trên tác giả đã xây dựng thuật toán giải tích chặt chẽ của phép bình sai gián tiếp theo nguyên lý số bình ph−ơng nhỏ nhất. Kết quả giải đ−ợc 6 yếu tố định h−ớng ngoài cùng với các thông số kiểm định của ảnh là 3 yếu tố định h−ớng trong f, x0, z0 và 5 hệ số méo hình K1, K2, K3, P1, P2. Hình 2.14. Giao diện của ch−ơng trình kiểm định CalImage Ver 2.0 45 Ch−ơng trình kiểm định CalImage Ver 2.0 (Calibration Image) do tác giả xây dựng đ−ợc viết bằng ngôn ngữ Borland DelPhi Enterprise 7.0 trên Window theo ph−ơng pháp lập trình h−ớng sự kiện. Thiết kế giao diện của ch−ơng trình bằng Tiếng Việt thân thiện và dễ sử dụng đối với ng−ời dùng. Hình 2.15. Sơ đồ khối tổng quát quá trình kiểm định ảnh Ch−ơng trình CalImage Ver 2.0 có các chức năng chính: - Đọc và soạn thảo tọa độ ảnh, tọa độ khống chế trên bảng soạn thảo. - Đọc và nhập các giới hạn tính toán nh−: kiểu tính, giới hạn tính độ chính xác của ẩn, tính lặp tối đa, cho phép loại trừ sai số thô trị đo tọa độ ảnh. 46 - Tính toán chặt chẽ các thông số kiểm định và đánh giá độ chính xác. - Chuyển kết quả kiểm định sang phần mềm ImageStation. - Chuyển đổi tệp số liệu đo tọa độ ảnh từ các phần mềm khác nh−: ImageStation, PhotoMod, 3Dmapper, PhotoShop. 2.4.7. Quy trình kiểm định máy chụp ảnh số phổ thông Hình 2.16. Quy trình kiểm định máy chụp ảnh số phổ thông Trong điều kiện hiện có, tác giả lựa chọn ph−ơng pháp kiểm định trong phòng thí nghiệm với các makét chuẩn và kiểm định ngoài trời với bãi kiểm định chuẩn. Quy trình kiểm định máy chụp ảnh số phổ thông với đầu vào là các đối t−ợng chuẩn chụp ảnh (bãi kiểm định, makét chuẩn), đầu ra là các thông số kiểm định của máy chụp ảnh số phổ thông. Các b−ớc làm của quy trình cần phải chặt chẽ, cẩn thận và chính xác vì kết quả kiểm định sẽ đ−ợc dùng cho công tác đo vẽ sau này. Đây là công tác rất quan trọng, nó ảnh h−ởng tới khả năng sử dụng của ảnh số phổ thông, độ chính xác đo vẽ trong 47 thành lập bình đồ địa hình, bản vẽ kiến trúc hay các lĩnh vực đo vẽ đa dạng khác. a. Bãi kiểm định chuẩn: có thể dùng các mốc đánh dấu rõ nét, hoặc các đ−ờng dây dọi thẳng đứng để tạo các điểm chuẩn xa và gần, cao và thấp, sau đó chuyền tọa độ giả định bằng máy toàn đạc điện tử chính xác. Nếu sử dụng các makét chuẩn là kính l−ới thì phải đảm bảo giải bài toán kiểm định bằng cách đơn giản là cho hai tấm l−ới vuông góc với nhau tạo ra các điểm vừa có độ xa gần lại có chênh cao. Tất cả các yếu tố gốc của đối t−ợng kiểm định phải chuẩn về độ chính xác, vị trí và số l−ợng điểm. b. Chụp ảnh: máy chụp ảnh số phổ thông có khả năng thu phóng (zoom) thay đổi tiêu cự t−ơng ứng từ vô cực (chụp xa nhất, rộng nhất) đến chụp gần nhất. Nếu chụp ở bất kỳ một chế độ thu phóng nào sẽ dẫn tới tình trạng mỗi một tấm ảnh đều có một giá trị tiêu cự khác nhau (cả hệ số méo hình cũng khác nhau) dẫn tới phải tự kiểm định lúc đo vẽ cho từng tấm rất phức tạp và không khả thi. Để kết quả kiểm định có thể áp dụng vào thực tế thì lúc chụp ảnh kiểm định và lúc chụp ảnh thực tế phải ở một chế độ chụp “giống nhau”, chế độ chụp ở tiêu cự vô cực đ−ợc chọn là xác định dễ nhất (một vị trí tiêu cự theo khả năng phóng tối đa). Tiến hành chụp ảnh sao cho các điểm chuẩn phủ đều trên tấm ảnh. Chụp ở các vị trí quan sát khác nhau, các góc nghiêng khác nhau để đảm bảo khách quan trong tính toán kiểm định và áp dụng các thông số khi chụp ảnh thực tế. c. Nhập ảnh vào máy tính: máy chụp ảnh số rất thuận lợi kết nối với máy tính, nhanh chóng có t− liệu và không bị mất mát thông tin. d. Chuyển dạng và tạo overview ảnh số: vì ảnh số chụp bằng máy ảnh số có định dạng (*.jpg) khác với phần mềm đo ảnh nên phải chuyển dạng và tạo overview (*.cot) cho ảnh số thì mới đo vẽ đ−ợc trên trạm đo ảnh số. Đây là một b−ớc khá đơn giản nh−ng không thể thiếu trong quy trình kiểm định cũng nh− đo vẽ đối với máy chụp ảnh số phổ thông sau này. 48 e. Định vị tấm ảnh: thông th−ờng ảnh số đọc tọa độ các pixel với gốc (0,0) là góc trái trên của CCD, các điểm ảnh (pixel) cần đo phải nằm trong hệ mặt phẳng ảnh với gốc là giao các mấu khung. Tuy nhiên, ảnh số không có mấu khung tọa độ nên việc định vị tấm ảnh theo tọa độ mặt phẳng ảnh có những đặc thù riêng. Công tác này đ−ợc thực hiện thông qua modul định h−ớng trong của trạm đo ảnh số. f. Đo tọa độ ảnh: ch−ơng trình đo tọa độ ảnh ISDM (Image Station Digital Mesuration) là một ch−ơng trình đo tọa độ ảnh khá hoàn hảo, nó có các công cụ hỗ trợ đo, hiển thị, chỉnh sửa... giúp ng−ời đo rất chính xác. Đo tất cả các điểm trong bãi kiểm định. Sau khi đo xong xuất tệp tọa độ ảnh và tọa độ các điểm chuẩn và nhập vào ch−ơng trình kiểm định. g. Chạy ch−ơng trình kiểm định: khởi động CalImage nhập tệp tọa độ ảnh và chuyển dạng cho phù hợp, tệp khống chế ảnh, thiết lập các thông số tính toán (số lần tính lặp, hạn sai dừng tính, loại trừ sai số thô). Chạy phần kiểm định sẽ cho ngay các thông số của tấm ảnh h. Các thông số kiểm định của máy chụp ảnh: các yếu tố định h−ớng trong và các hệ số méo hình kính vật lấy trung bình từ các tấm ảnh kiểm định khác nhau, đ−ợc xuất trở lại phần mềm đo ảnh để phục vụ đo vẽ thực tế. Công việc kiểm định rất nhanh chóng, nhẹ nhàng và tiện ích nhờ sự hỗ trợ của phần mềm đo ảnh, phần mềm kiểm định. 2.4.8. Kết quả kiểm định Bảng 2.3. Kết quả kiểm định máy chụp ảnh số Sony F707 Lần 1 Lần 2 Lần 3 Tiêu cự Vô cực Thu phóng Thu phóng Thu phóng Thu phóng f(mm) 85.748 153.093 157.468 145.558 152.051 x0(mm) 0.075 -1.041 0.021 0.468 0.640 z0(mm) -0.324 2.428 1.070 -0.031 -0.122 K1 0.01412 -0.01013 -0.00953 -0.00297 -0.00351 K2 -0.296*10 -4 0.53*10-4 0.062*10-4 0.018*10-4 0.032*10-4 49 K3 0.54*10 -8 0.1*10-8 0.08*10-8 0.2*10-8 0.12*10-8 P1 0.113*10 -4 0.422*10-4 0.148*10-4 -0.053*10-4 -0.052*10-4 P2 -0.18*10 -4 -0.764*10-4 -0.365*10-4 -0.208*10-4 -0.211*10-4 Để có một kết quả khách quan và tin cậy, chúng tôi tiến hành kiểm định máy chụp ảnh số phổ thông Sony F707 với ba lần kiểm định giãn cách nhau, có số l−ợng điểm khác nhau, chế độ thu phóng khác nhau và các góc chụp của các tấm ảnh trong một lần kiểm định có góc nhìn khác nhau. Từ kết quả kiểm định trình bày ở bảng 2.3, ta nhận thấy rõ ràng rằng các thông số kiểm định của máy chụp ảnh số Sony F707 gồm: tiêu cự, tọa độ điểm chính ảnh, các hệ số méo hình biến đổi theo chế độ thu phóng lúc chụp ảnh. Điều này sẽ dẫn đến sự không hiệu quả nâng cao độ chính xác nếu lúc chụp ảnh đo vẽ cũng dùng chế độ thu phóng. Bởi vì mỗi chế độ thu phóng đều có các thông số kiểm định khác nhau, không thể áp dụng thông số kiểm định của trạng thái thu phóng này (lúc kiểm định) cho trạng thái thu phóng khác (lúc đo vẽ). Do vậy để “cố định” tiêu cự cần chọn trạng thái tiêu cự lúc chụp ảnh dễ “cố định” đó chính là trạng thái vô cực của tiêu cự. Lúc chụp ảnh kiểm định và lúc chụp ảnh phục vụ đo vẽ phải giống nhau đều là trạng thái vô cực. Tuy rằng tại bãi kiểm định lần thứ nhất không quá nhiều điểm (24 điểm) nh−ng giá trị kiểm định đ−ợc với trạng thái tiêu cự vô cực nên rất phù hợp với lúc chụp ảnh thực tế để đo vẽ. Chúng tôi sử dụng kết quả này trong xây dựng mô hình lập thể phục vụ đo vẽ và đã đạt đ−ợc các kết quả rất khả quan. Để hiểu rõ hơn bản chất của méo hình kính vật máy chụp ảnh số phổ thông, tác giả phân tích trên hình vẽ sự hiệu chỉnh của các hệ số méo hình tìm đ−ợc trong đợt một. 50 Hình 2.17. Méo hình xuyên tâm 53 3 21 rKrKrKdr ++= Méo hình xuyên tâm theo bán kính là một hàm bậc lẻ của r, càng ở ngoài rìa ảnh sai số méo hình xuyên tâm càng lớn, đến bán kính 40mm sai số này có thể lớn tới -1mm. Hình 2.18. Hiệu chỉnh méo hình xuyên tâm yx ΔΔ , Sai số méo hình xuyên tâm hiệu chỉnh vào tọa độ x và tọa độ y phụ thuộc vào vị trí của điểm ảnh, càng rìa ảnh số hiệu chỉnh càng lớn và có dấu phụ thuộc vào dấu của x và y. Số hiệu chỉnh cho tọa độ x lớn hơn số hiệu chỉnh cho tọa độ y. Hình 2.19. Méo hình tiếp tuyến yx δδ , 51 Sai số méo hình tiếp tuyến hiệu chỉnh vào tọa độ x có dấu d−ơng (0 đến 0.06mm) và tọa độ y (hình ) có dấu âm (0 đến –0.06mm) phụ thuộc vào vị trí của điểm ảnh, càng rìa ảnh số hiệu chỉnh càng lớn. Hình 2.20. Hiệu chỉnh méo hình kính vật dydx, Từ các phân tích trên ta thấy rằng số hiệu chỉnh vị trí tọa độ điểm ảnh do sai số méo hình kính vật là khá lớn (từ –1 đến 1 mm đối với x, -0.7 đến 0.7mm đối với tọa độ y). Sai số này nếu không hiệu chỉnh sẽ dẫn tới tọa độ điểm thực địa khi đo vẽ sai đi rất nhiều (có thể nói là sai số thô). Nh− vậy kiểm định sai số méo hình là một việc không thể thiếu đối với máy chụp ảnh số phổ thông trong đo ảnh. Kết luận ch−ơng 2: - Máy chụp ảnh số phổ thông rẻ tiền mà tiện lợi khi chụp ảnh. - Tính phổ thông không chuyên dụng cho đo ảnh của ảnh số loại này có nguyên nhân chủ yếu do méo hình kính vật gây ra và phải kiểm định. Sự thay đổi các thông số kiểm định phụ thuộc vào trạng thái thu phóng của hệ thống kính vật, do vậy chụp ảnh khi kiểm định và chụp ảnh khi đo vẽ phải cùng một trạng thái tiêu cự là trạng thái vô cực. - Việc loại bỏ sai số méo hình kính vật khi áp dụng công thức Brown là phù hợp với quy luật méo hình và phù hợp với khả năng tự hiệu chỉnh của phần mềm đo ảnh. Chính công tác này đã làm cho tính khả thi về độ chính xác đo vẽ bằng ảnh số phổ thông đ−ợc khẳng định. - Ch−ơng trình CalImage Ver2.0 kiểm định ảnh hỗ trợ đắc lực trong việc tự động hoá công tác xử lý số liệu kiểm định ảnh. 52 Ch−ơng 3 Công nghệ đo ảnh trên cơ sở ảnh chụp từ máy chụp ảnh số phổ thông Trong ch−ơng này tác giả phân tích đặc tr−ng của xử lý tấm ảnh số phổ thông trong đo vẽ ảnh số, xác định khoảng cách chụp ảnh hữu dụng của máy chụp ảnh số trong khả năng đo vẽ của tấm ảnh, thiết kế đ−ờng đáy chụp ảnh đảm bảo khả năng đo vẽ tối đa của cặp ảnh. Trên cơ sở đó kết hợp với thành quả kiểm định tấm ảnh, ứng dụng công nghệ đo ảnh số sử dụng tấm ảnh số chụp từ máy chụp ảnh số phổ thông trong lĩnh vực đo vẽ địa hình và phi địa hình. 3.1. cấu trúc hình tháp với số l−ợng pixel không đổi Hình 3.1. Cấu trúc hình tháp với số l−ợng pixel không đổi Mảng điện tích CCD với n hàng và m cột với tọa độ mỗi pixel (i,j) là số nguyên, khi tiến hành đo vẽ phải định vị nó trong hệ mặt phẳng ảnh để chuyển về đơn vị mm. Nếu sử dụng độ rộng thực tế hữu dụng của CCD (vào khoảng 5 đến 30mm) để ép số pixel của mảng CCD vào độ rộng đó thì không thực tế vì độ rộng này cũng ch−a đ−ợc kiểm định chính xác. Còn nếu để nguyên đơn vị 53 pixel của mảng CCD với tọa độ điểm ảnh, tiêu cự tính theo đơn vị pixel thì ch−ơng trình đo ảnh số không xử lý đ−ợc. Mấu chốt của vấn đề là định vị mảng CCD theo một độ rộng lý thuyết, sau đó độ dài tiêu cự, tọa độ điểm chính ảnh, các hệ số méo hình (các thông số kiểm định) phải tính trên cơ sở độ rộng lý thuyết này của mảng CCD sao cho đảm bảo tính phục hồi chùm tia nh− lúc chụp ảnh với góc mở của ảnh là không đổi. Với số l−ợng pixel trên mảng CCD không đổi, rõ ràng rằng theo hình 3.1 thì đó chính là cấu trúc hình tháp của ảnh số. Mảng CCD có kích th−ớc lý thuyết lớn thì tiêu cự phải dài và độ rộng của pixel lớn, mảng CCD có kích th−ớc lý thuyết nhỏ thì tiêu cự phải ngắn và độ rộng của pixel nhỏ, nh−ng có một đặc điểm chung là số l−ợng pixel không thay đổi. Ta có công thức về mối liên hệ này: pixel pixel k CCD k CCD k CCD k N f S f S f S f ==′′ ′′=′ ′= L (3.1) trong đó: SCCD - độ rộng lý thuyết tính theo đơn vị mm, fk - tiêu cự ứng với độ rộng lý thuyết đó, Npixel - số l−ợng pixel trên độ rộng CCD, fk pixel - tiêu cự tính theo đơn vị pixel. Góc mở ngang của ảnh là cố định đ−ợc tính theo công thức: ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛==⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ′′ ′′=⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ′ ′=⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛=Ψ pixel k pixel k CCD k CCD k CCD f N f S f S f S 2 arctan2 2 arctan2 2 arctan2 2 arctan2 L (3.2) Để fk đồng nhất lúc kiểm định và lúc đo vẽ thực tế cần phải sử dụng một kích th−ớc đồng nhất SCCD cho tất cả mọi điều kiện đo đạc trên ảnh. 3.2. xác lập hệ tọa độ mặt phẳng ảnh số Nh− ở phần 3.1 đã trình bày, mảng ảnh số CCD với n hàng và m cột, tọa độ điểm ảnh đo đ−ợc là vị trí của pixel (i j) trong hệ tọa độ ảnh số lấy góc trên bên trái làm gốc 0.uv, cần chuyển giá trị này về hệ tọa độ mặt phẳng ảnh 0.x’y’ với đơn vị là mm. Thông th−ờng quá trình chuyển đổi này nhờ modul định h−ớng trong của trạm đo vẽ ảnh số trên cơ sở đo các mấu khung tọa độ, với các mấu khung tọa độ có giá trị kiểm định tr−ớc trong hệ tọa độ mặt phẳng 54 ảnh. Tuy nhiên ảnh số chụp từ máy ảnh số phổ thông không có dấu khung tọa độ nên có những b−ớc xử lý đặc tr−ng riêng: Hình 3.2. Hệ tọa độ ảnh số và hệ tọa độ mặt phẳng ảnh Các b−ớc xử lý tính chuyển hệ tọa độ ảnh số về hệ tọa độ mặt phẳng ảnh: - Chọn độ rộng lý thuyết: SCCD (mm) - Tính toán kích th−ớc pixel: pixel CCD s N Sp = (3.3) - Tính tọa độ điểm ảnh bất kì theo công thức: ⎪⎪⎭ ⎪⎪⎬ ⎫ ⋅⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −=′ ⋅⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −=′ s s pjny pmix 2 2 (3.4) trong đó: - vị trí điểm ảnh trong mảng CCD ⎭⎬ ⎫ −ữ= −ữ= 10 10 mj ni m, n - số cột và số hàng của mảng CCD Khi tính chuyển hệ tọa độ ảnh số về hệ tọa độ mặt phẳng ảnh nhờ modul định h−ớng trong của phần mềm đo ảnh số, cần phải tính toán tọa độ 4 mấu khung giả định. Lúc này ta coi các mấu khung là mép biên ngoài cùng (dễ đo vẽ chính xác) của 4 pixel góc trái d−ới, góc phải trên, góc trái trên, góc phải d−ới. Dựa trên độ rộng lý thuyết SCCD ta sẽ tính toán đ−ợc tọa độ 4 mấu khung giả định này. 55 - Chọn độ rộng lý thuyết: SCCD (mm) - Tính toán kích th−ớc pixel: pixel CCD s N Sp = (mm) - Tính chiều cao của CCD theo đơn vị mm: pixelsCCD MpQ = (3.5) - Tính tọa độ các mấu khung trong hệ mặt phẳng ảnh Bảng 3.1. Tọa độ các mấu khung trong ảnh số phổ thông Mấu khung U (int) V(int) x’ (mm) y’ (mm) Ghi chú 1 0 n-1 2 CCDS− 2 CCDQ− Trái d−ới 2 m-1 0 2 CCDS 2 CCDQ Phải trên 3 0 0 2 CCDS− 2 CCDQ Trái trên 4 m-1 n-1 2 CCDS 2 CCDQ− Phải d−ới Nhìn vào các số liệu ở bảng 3.1, nhận thấy rằng quá trình tính chuyển tọa độ ảnh số về tọa độ mặt phẳng ảnh rất dễ dàng và không hề có sai số vì tọa độ mấu khung là giả định. Modul định h−ớng trong [26] đ−a ra các thuật toán chuyển đổi đơn giản nh− Helmert, Affine, Projective... nh− sau: Thuật toán Helmert với 4 tham số chuyển: a0, b0, tỷ lệ m, góc xoay k ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡⋅⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ −⋅+⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡=⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ ′ ′ j i m b a y x κκ κκ cossin sincos 0 0 (3.6) Thuật toán Affine với 6 tham số tính chuyển: a0, a1, a2, b0, b1, b2 ⎭⎬ ⎫ ++=′ ++=′ jbibby jaiaax 210 210 (3.7) Thuật toán Projective với 8 tham số: a1, a2, a3, b1, b2, b3, c1, c2 1 ; 1 21 321 21 321 ++ ++=′++ ++=′ jcic bjbiby jcic ajaiax (3.8) 56 Đối với máy chụp ảnh Sony F707 chụp với độ phân giải mảng CCD là 2560x1920 (m cột và n hàng), tác giả tiến hành tính chuyển nh− sau: - Chọn độ rộng lý thuyết: SCCD = 3” = 76,2 mm - Tính toán độ rộng của pixel: mm N Sp pixel CCD s 0298,02560 2,76 === - Tính chiều cao của CCD theo đơn vị mm: mmMpQ pixelsCCD 15,5719200298,0 =ì== - Tính tọa độ 4 mấu khung Bảng 3.2. Tọa độ 4 mấu khung của ảnh số máy chụp Sony F707 Mấu khung U (int) V(int) x’ (mm) y’ (mm) Ghi chú 1 0 1919 -38,1 -28,575 Trái d−ới 2 2559 0 38,1 28,575 Phải trên 3 0 0 -38,1 28,575 Trái trên 4 2559 1919 38,1 -28,575 Phải d−ới Quá trình tính các tham số chuyển đổi dựa trên modul định h−ớng trong của trạm đo vẽ ảnh số. Các kết quả đạt đ−ợc đối với ba thuật toán tính chuyển là giống nhau, sai số rất bé khoảng 0,5 micron. Do vậy, để tính chuyển tọa độ ảnh số về tọa độ mặt phẳng ảnh dùng 4 mấu khung nh− trên th−ờng dùng thuật toán Affine. Hình 3.3. Hệ tọa độ mặt phẳng ảnh số phổ thông 57 3.3. giới hạn chụp hữu dụng của ảnh số Đối với ảnh số từ máy chụp ảnh số phổ thông dùng cho đo vẽ địa hình, ta cần −ớc tính giới hạn chụp ảnh hữu dụng. Đó là khoảng cách chụp xa nhất và gần nhất sao cho đảm bảo độ chính xác đo điểm chi tiết và đảm bảo khả năng nhìn lập thể. Hình 3.4. Giới hạn chụp hữu dụng của ảnh số Khoảng cách chụp xa nhất Ymax phụ thuộc vào: yêu cầu độ chính xác vị trí điểm chi tiết trên bản đồ, độ chính xác đo thị sai ngang của máy đo, tiêu cự máy chụp ảnh (t−ơng ứng với độ rộng lý thuyết của mảng CCD và số l−ợng pixel). Trên cơ sở công thức −ớc tính Ymax trong quy phạm đo vẽ bản đồ địa hình bằng ảnh mặt đất [8]. p Yk m MfY 8max ⋅= (3.9) trong đó: fk - tiêu cự kiểm định máy chụp ảnh số, MY - sai số vị trí điểm chi tiết trên bản đồ, mp - sai số đo thị sai ngang của máy đo. Trong các phần mềm đo ảnh số, độ chính xác đo thị sai ngang bằng khoảng 1/3 đến 1/2 kích th−ớc pixel, kích th−ớc pixel của ảnh số phổ thông phụ thuộc vào kích th−ớc lý thuyết CCD và số l−ợng pixel. Nếu lấy độ chính xác đo thị sai ngang khiêm tốn là 1/2 pixel thì: pixels CCD xp N Spm 22 1 == (3.10) Do đó Ymax sẽ đ−ợc −ớc tính theo công thức: 58 4max pixelsY CCD k NM S fY ⋅= (3.11) Nh− vậy khoảng cách chụp xa nhất đối với máy chụp ảnh số phổ thông phụ thuộc vào tỷ số fk/SCCD, yêu cầu độ chính xác bản đồ MY và số l−ợng pixel của mảng CCD. Việc −ớc tính khoảng cách chụp gần nhất Ymin sẽ phụ thuộc vào khả năng lấy nét của bản thân máy chụp ảnh và độ dài đ−ờng đáy chụp B để đảm bảo khả năng quan sát lập thể khi đo vẽ. Tuy nhiên đối với máy chụp ảnh số, vấn đề lấy nét đ−ợc máy xử lý tự động theo một thuật toán đ−ợc bảo mật, hình ảnh cho độ rõ nét trong tất cả phạm vi quan sát hữu dụng (từ mét đến cả trăm mét). Do vậy khoảng cách chụp gần nhất chủ yếu phụ thuộc vào độ dài đ−ờng đáy chụp. 3.4. thiết kế đ−ờng đáy chụp ảnh Công tác thiết kế đ−ờng đáy chụp ảnh trong đo vẽ địa hình và phi địa hình là rất quan trọng. Khi sử dụng ảnh số phổ thông trên trạm đo ảnh số, các bài toán định h−ớng và đo vẽ đ−ợc tính toán giải tích chặt chẽ nên các dạng chụp đặc biệt (thẳng, xiên đều...) không cần thiết phải nghiêm ngặt nh− chụp bằng máy phototheodolite. Đồng thời máy chụp ảnh số phổ thông cũng không có các bộ phận định h−ớng, cân bằng ... nên dạng chụp đơn giản nhất là chụp tổng quát. Do vậy, đ−ờng đáy chụp chỉ cần thiết kế sao cho đạt độ chính xác đo điểm chi tiết và đảm bảo khả năng quan sát tối đa. Hình 3.5. Thiết kế đ−ờng đáy chụp ảnh 59 Đ−ờng đáy chụp ảnh cần phải đặt ở những vị trí thích hợp sao cho hạn chế tối thiểu phần không nhìn thấy,và độ dài đ−ờng đáy cần phải −ớc tính sao cho vừa đảm bảo độ chính xác đo, vừa đảm bảo khả năng nhìn lập thể. Yk p Mf mY B 2 = (3.12) - Độ dài đ−ờng đáy ngắn nhất phải đảm bảo khả năng đo điểm xa nhất đạt độ chính xác, khi đó thay công thức xác định Ymax ở 3.9 vào 3.12 ta có: 8 max min YB = (3.13) - Độ dài đ−ờng đáy dài nhất phải đảm bảo khả năng nhìn lập thể của mắt ng−ời. Theo tính toán thì góc giao hội điểm gần nhất phải nhỏ hơn 160 thì thị sai sinh lý của mắt mới trong vòng kiểm soát và mới có khả năng nhìn lập thể. Nh− vậy Bmax phải thỏa mãn điều kiện: 4 min max YB = (3.14) Kết hợp 3.13 và 3.14 thì độ dài đ−ờng đáy chụp ảnh đ−ợc −ớc tính theo công thức: 48 minmax YBY ≤≤ (3.15) Nh− vậy đối với một máy chụp ảnh số phổ thông chụp ở một độ phân giải nào đó thì đầu tiên ta phải −ớc tính khoảng cách chụp xa nhất theo công thức (3.11), −ớc tính độ dài đ−ờng đáy chụp B theo công thức (3.15). Máy chụp ảnh số Sony F707 có các thông số: fk = 85,748mm; Npixels = 2560; SCCD = 76,2mm, với MY = 0,35 mmMBĐ Bảng 3.3. Thiết kế chụp ảnh cho máy chụp ảnh số Sony F707 MBĐ 500 1000 2000 5000 Ymax (m) 125 250 500 1200 B (m) 15,5 31 62 150 Ymin (m) 62 124 248 600 60 Hình 3.6. Thiết kế chụp ảnh cho máy chụp ảnh số Sony F707 Với cách tính nh− trên, trong khoảng cách 500m trở lại đối với máy chụp ảnh số phổ thông Sony F707 chụp ở độ phân giải 2560x1920 pixel hoàn toàn có thể thành lập đ−ợc bình đồ tỷ lệ 1:2000. 3.5. ảnh h−ởng của sự không ổn định của tiêu cự tới độ chính xác điểm chi tiết Sai số tiêu cự đối với máy chụp ảnh chuyên dụng không có chế độ thu phóng lúc chụp là rất nhỏ vào khoảng 0,01mm, sở dĩ yêu cầu nh− vậy vì khi chụp ảnh hàng không độ cao chụp ảnh rất lớn nên sự sai lệch của tiêu cự cần phải nhỏ thì mới đạt đ−ợc độ chính xác đo điểm chi tiết cho phép. Đối với máy chụp ảnh số phổ thông do lúc chụp ảnh có chế độ thu phóng và quá trình di chuyển, tiêu cự chụp ảnh sẽ không ổn định ngay cùng một chế độ thu phóng. Khi chụp gần (bảng 3.3), yêu cầu về sự ổn định của tiêu cự có thể đ−ợc nới rộng. Từ công thức tính tọa độ Y của điểm chi tiết (thành phần có độ chính xác yếu nhất trong đo ảnh mặt đất), ta vi phân 2 vế và chuyển về sai số trung ph−ơng ta có: k f YfYk f m YMm p BMf p BY =⇔=⇒= (3.16) 61 Độ chính xác xác định điểm chi tiết phụ thuộc vào sai số t−ơng đối của tiêu cự và khoảng cách từ điểm đó tới đ−ờng đáy chụp. Vậy để đảm bảo độ chính xác của bản đồ thì sai số t−ơng đối tiêu cự phải thỏa mãn công thức: maxY M f m Y k f = (3.17) Nh− vậy, yêu cầu về sự ổn định tiêu cự trong giới hạn phụ thuộc vào yêu cầu sai số vị trí điểm đo và khoảng cách lớn nhất đến điểm đó trong phạm vi đo vẽ. Với loại máy Sony F707 có các thông số nh− trên giới hạn sai số t−ơng đối của tiêu cự đ−ợc chỉ ra ở bảng 3.4. Rõ ràng, đối với máy chụp ảnh số phổ thông yêu cầu sai số t−ơng đối của tiêu cự mf/fk =1/700 là rất thoải mái vì khoảng cách chụp gần. Nếu so sánh với loại máy chụp ảnh chuyên dụng cho hàng không nh− RMK-TOP hay RC30 có mf = 0,01mm và fk=150mm thì mf/fk=1/15000, yêu cầu này của máy chụp ảnh số phổ thông dễ dàng thỏa mãn vì để ổn định tiêu cự ta chọn chế độ chụp vô cực duy nhất một vị trí, sự thay đổi tiêu cự trong quá trình di chuyển máy chụp, điều kiện chụp là không tránh khỏi nh−ng vẫn thỏa mãn yêu cầu trên. Bảng 3.4. Giới hạn sai số t−ơng đối của tiêu cự máy chụp ảnh số Sony F707 Ymax MBĐ 500 1000 2000 5000 125 1/700 1/350 250 1/700 1/350 500 1/700 1/350 1200 1/700 Trong khoảng cách chụp ảnh hữu dụng, việc bố trí các điểm kiểm tra xa và gần trong mô hình lập thể càng làm cho giới hạn về sự ổn định của tiêu cự đ−ợc nới rộng thêm nữa. Đó là vì trong quá trình định h−ớng mô hình, chính những điểm kiểm tra này sẽ hiệu chỉnh mô hình và giữ mô hình trong giới hạn chính xác của chúng. Nhờ có sự hỗ trợ này, mặc dù mf/fk =1/700 cũng có thể đạt MY/Ymax =1/2000 đó là cơ sở để nới rộng Ymax trong tr−ờng hợp cần thiết đặc biệt khi độ phân giải tăng lên. 62 3.6. Công nghệ đo vẽ ảnh số phổ thông Công nghệ đo ảnh số luôn gắn liền một cách khăng khít với các thiết bị xử lý máy tính. Đây là một công nghệ cao đòi hỏi sự nghiên cứu của nhiều nhà khoa học các lĩnh vực liên quan, mới sản xuất ra các phần mềm phần cứng chuyên dụng cho đo ảnh. Tại Việt Nam, vấn đề nghiên cứu chế tạo, lập trình phần mềm chỉ dừng lại ở một quy mô nhỏ, th−ờng là mua và sử dụng. Đối với công nghệ đo ảnh số chụp từ máy chụp ảnh số phổ thông ứng dụng trong hai lĩnh vực đo vẽ địa hình và đo vẽ phi địa hình ở n−ớc ta là một vấn đề mới mẻ. Công nghệ đo vẽ ảnh số đ−ợc sử dụng là thành tố quan trọng quyết định sự thành công khi sử dụng đầu vào là ảnh số của máy chụp ảnh số phổ thông. 3.6.1. Phần mềm đo ảnh số phổ thông trong đo vẽ địa hình Hình 3.7. Phần mềm ISDM định h−ớng cặp ảnh số phổ thông Sự thành công của trạm đo vẽ ảnh số ImageStation của hãng Intergraph trong đo vẽ ảnh hàng không ở n−ớc ta từ những năm 90 của thế kỉ tr−ớc đã đ−ợc khẳng định và trở nên thông dụng tại thời điểm hiện tại. Tiếp nối sự thành công đó, đối với ảnh số chụp từ máy chụp ảnh số phổ thông ứng dụng trong lĩnh vực đo vẽ địa hình sẽ tiến hành trên trạm đo ảnh số Intergraph và các phần mềm t−ơng ứng. Tại thời điểm hiện tại các phần mềm đ−ợc sử dụng là ISPM (ImageStation Photogrammetric Manager) phục vụ quản lý công việc, 63 ISDM (ImageStation Digital Mensuration) đo vẽ định h−ớng mô hình lập thể, ISSD (ImageStation Stereo Display) đo vẽ chi tiết trên mô hình lập thể, MGE Terrain Analyst tính toán khối l−ợng từ mô hình số địa hình, MicroStation biên tập bình đồ địa hình. 3.6.2. Phần mềm đo ảnh số phổ thông trong đo vẽ phi địa hình Hình 3.8. Phần mềm PhotoModeler đo vẽ phi địa hình Trong lĩnh vực phi địa hình, ảnh số phổ thông cũng có các công cụ đo vẽ riêng biệt. Khi mua một máy chụp ảnh số, nhà sản xuất th−ờng kèm theo miễn phí một phần mềm xử lý ảnh. Phần mềm này chỉ là phần mềm xem ảnh, in ấn và xử lý ảnh thông th−ờng nh−: tông màu sáng tối, cắt ghép ảnh, chỉnh sửa ảnh... ví dụ nh−: Photoshop, Paint... Hiện nay trên thị tr−ờng phần mềm, các phần mềm giá rẻ dùng đo vẽ ảnh số phổ thông khá nhiều, điển hình là phần mềm Photomodeler Pro5 của hãng EosSystem-Canada. Phần mềm này chạy trên các máy tính cá nhân PC (Personal Computer) bình th−ờng với yêu cầu cấu hình không cao, dễ sử dụng. Phần mềm Photomodeler có các chức năng: kiểm định máy chụp ảnh số, đo vẽ các công trình kiến trúc, đo vẽ các đồ vật, đo vẽ công nghiệp (ô tô, xe máy...), tạo mô hình 3Dstudio... Ưu điểm của phần mềm này là dễ sử dụng, đo vẽ và tính toán nhanh chính xác, có khả năng kết nối với các phần mềm đồ họa khác nh−: AutoCad, 3DS, PhotoShop... nh−ợc điểm lớn nhất của phần mềm là không có khả năng quan sát lập thể khi đo vẽ. 64 3.7. quy trình công nghệ thành lập bình đồ tỷ lệ lớn Hình 3.9. Quy trình công nghệ thành lập bình đồ địa hình Đo vẽ bình đồ địa hình tỷ lệ lớn khu vực núi đá vôi, mỏ lộ thiên... phục vụ công tác tính toán khối l−ợng thiết kế hoặc tính toán khối l−ợng khai thác cập nhật là rất quan trọng. Trong khi các ph−ơng pháp trắc địa truyền thống áp dụng ở những khu vực này gặp nhiều khó khăn (đo trực tiếp bằng máy toàn 65 đạc điện tử kể cả máy không g−ơng, đo ảnh hàng không...), thì ph−ơng pháp đo ảnh mặt đất với việc sử dụng máy chụp ảnh số phổ thông trong công tác thu nhận ảnh thực địa mở ra một giải pháp kinh tế và kỹ thuật. Tất cả các lý thuyết và thành quả về kiểm định ảnh, thiết kế kỹ thuật... cần sản xuất ra sản phẩm cụ thể. Sau đây là các công đoạn trong quy trình công nghệ thành lập bình đồ địa hình tỷ lệ lớn. 3.7.1. Thiết kế kinh tế kỹ thuật Trong phần này các yếu tố chính cần phải quan tâm đó là: khảo sát địa hình trên bản đồ tỷ lệ nhỏ sẵn có hoặc trực tiếp tại thực địa, xác định khối l−ợng đo vẽ, tỷ lệ bình đồ, yêu cầu về độ chính xác, lựa chọn độ phân giải chụp ảnh, kiểm định các thông số máy chụp ảnh, chuẩn bị các bảng kiểm tra và ph−ơng án đo nối tọa độ... Từ đó tiến hành −ớc tính các yếu tố nh−: xác định giới hạn chụp ảnh hữu dụng, độ dài đ−ờng đáy chụp, vị trí đặt trạm chụp... 3.7.2. Bố trí và đo nối các điểm kiểm tra Các điểm kiểm tra là cơ sở để định h−ớng mô hình lập thể trong hệ tọa độ đo vẽ (hệ tọa độ trắc địa). Số l−ợng điểm kiểm tra và vị trí cần tính hợp lý trong mỗi mô hình, gồm các điểm ở xa và ở gần, các điểm thừa để kiểm tra mô hình lập thể, ít nhất mỗi mô hình lập thể phải có 4 điểm: điểm thứ nhất ở gần, điểm thứ hai ở xa và nằm lân cận trục đi qua tâm chính ảnh vuông góc với đ−ờng đáy ảnh, điểm thứ ba và thứ t− nằm ở xa và ở hai bên trục quang học, các điểm thừa để kiểm tra mô hình lập thể thì cũng bố trí ở xa và ở gần. Kích th−ớc của các bảng ngắm phụ thuộc vào khoảng cách từ trạm chụp đến điểm đặt bảng ngắm, đảm bảo để hình ảnh của chúng có kích th−ớc không nhỏ hơn 0,1x0,04mm trên ảnh [8] hoặc chiếm một ô có kích th−ớc khoảng 5x3pixel. Cần −ớc tính tr−ớc theo công thức: Y f S N l f Ylr k CCD pixel pixel k mm ⋅⋅== (3.18) trong đó: 66 r - kích cỡ bảng ngắm thực tế, l - kích cỡ bảng ngắm trên ảnh (theo đơn vị mm, pixel), SCCD - kích cỡ lý thuyết của mảng CCD, Npixel - số pixel trên độ rộng của mảng CCD, Y - khoảng cách từ đ−ờng đáy tới bảng ngắm, fk - tiêu cự kiểm định máy chụp ảnh. Mầu của nền bảng ngắm phụ thuộc vào nền ở thực địa khi quan sát ở trạm chụp. Nếu nền ở thực địa là mầu tối thì bảng ngắm phải có mầu sáng. Nếu nền của thực địa mầu sáng thì bảng ngắm phải có mầu tối và tăng kích th−ớc lên 1,3 lần. Việc đo nối tọa độ các điểm kiểm tra cần tiến hành khẩn tr−ơng sau khi cắm mốc xong. Ph−ơng pháp đo nối có thể là giao hội cực, giao hội thuận góc... l−u ý các điểm càng ở gần càng phải đo cẩn thận (độ chính xác) hơn những điểm ở xa. Phải đánh số cho từng điểm và vẽ sơ đồ vị trí t−ơng đối các bảng ngắm để tránh nhầm lẫn. 3.7.3. Công tác chụp ảnh Công tác chụp ảnh đ−ợc tiến hành tại vị trí các trạm chụp đã thiết kế. Các trạm chụp phải bố trí ở những chỗ cao, bao quát đ−ợc xung quanh và cố gắng giảm đến mức tối thiểu số trạm chụp và các “vùng khuất”. Máy chụp ảnh cần đặt ở chế độ chụp vô cực và độ phân giải giống nh− lúc kiểm định, nên bảo quản máy chụp ảnh không thay đổi thu phóng từ lúc kiểm định cho đến lúc chụp ảnh. Công tác chụp ảnh cần tiến hành khẩn tr−ơng sau khi trải các điểm kiểm tra xong, có thể tiến hành song song với công tác đo nối tọa độ các điểm kiểm tra. Khi chụp ảnh cần đặt máy chụp lên giá ba chân để máy chụp đ−ợc ổn định tránh hình ảnh bị nhòe, thời điểm chụp đ−ợc chọn sao cho hình ảnh rõ nét, h−ớng chụp không nên ng−ợc với h−ớng ánh sáng mặt trời. Cần ghi chú các trạm chụp, số l−ợng ảnh chụp trên từng trạm tránh nhầm lẫn khi xử lý sau này. 67 Hình 3.10. Chụp ảnh số phổ thông phục vụ đo vẽ địa hình mỏ lộ thiên Mẫu sổ ghi tại thực địa phải đầy đủ và rõ ràng. Bảng 3.5. Sổ ghi các thông số chụp ảnh - Ng−ời chụp : Trần Trung Anh - Ngày chụp : 11 - 10 - 2003 - Địa điểm : Mỏ Cọc Sáu - Thời tiết, nhiệt độ : nắng nóng, 320 - Máy chụp ảnh : Sony F707 - Số hiệu máy : 3090304 - Độ phân giải : 2560 x 1920 - Chế độ thu phóng: vô cực STT Trạm chụp Thời gian H−ớng chụp Độ cao máy Ghi chú 1 A1 10h05’ thẳng 1,42 m 2 A1 10h06’ xiên trái 1.42 m 3 A1 10h07’ xiên phải 1.42m 4 A2 10h15’ thẳng 1.45m 5 A2 10h16’ xiên trái 1.45m 6 A2 10h17’ xiên phải 1.45m ... ... ... ... ... khu Tây Bắc 68 Sơ đồ trạm chụp Hình 3.11. Mẫu sổ ghi sơ đồ trạm chụp tại thực địa 3.7.4. Nhập ảnh, chuyển đổi định dạng và tạo overview Công tác nhập ảnh vào máy tính từ máy chụp ảnh số là rất thuận lợi, dữ liệu ảnh dạng số từ các tệp ghi trong thẻ nhớ của máy đ−ợc truyền trực tiếp thông qua cổng kết nối USB (Universal Serial Bus) của máy tính. Thông th−ờng dạng tệp ảnh của máy chụp ảnh số là dạng nén *.jpg nhờ một ch−ơng trình xử lý ảnh đơn giản nh− Photoshop hoặc Paint chuyển sang định dạng *.tif không nén phục vụ tạo oveview. Công tác tạo overview cho ảnh là bắt buộc khi tiến hành đo vẽ bằng phần mềm ImageStation của hãng Intergraph. Overview là một kỹ thuật tạo ra các lớp pixel có độ phân giải nhỏ hơn độ phân giải của ảnh gốc chứa trong chính tệp ảnh raster gốc mà không làm tăng kích th−ớc tệp, đó chính là cấu trúc hình tháp của ảnh với lớp ánh xạ pixel thay đổi. Nó trợ giúp quá trình hiển thị đ−ợc nhanh, hỗ trợ công tác thu phóng và đo vẽ chính xác. Phần mềm ImageStation Raster Utilities (ISRU) cung cấp công cụ Overview Utility và Many/Raw File Converter phục vụ tạo overview ảnh và nén ảnh. 69 3.7.5. Khai báo các thông số đo vẽ Khai báo các thông số đo vẽ chính là tạo ra một công việc (project) mới chứa các thông số ban đầu của công tác đo nh−: khai báo tên công việc, đơn vị đo (m, deg), các giới hạn độ chính xác định h−ớng ảnh, đ−ờng dẫn tới ảnh đã tạo overview, khai báo mô hình lập thể, khai báo các thông số kiểm định của máy chụp ảnh nh− tiêu cự, tọa độ điểm chính ảnh, tọa độ các mấu khung, các hệ số méo hình kính vật, nhập tọa độ các điểm kiểm tra. Công tác này đ−ợc thực hiện bằng phần mềm ISPM. Hình 3.12. Nhập các hệ số méo hình của máy chụp ảnh số phổ thông 3.7.6. Định h−ớng trong Quá trình đo vẽ định h−ớng mô hình đ−ợc thực hiện bằng phần mềm ISDM. Công tác định h−ớng trong (Interior Orientation) đối với ảnh số phổ thông là quá trình đo các mấu khung là 4 pixel góc khung mảng CCD. Bản chất của quá trình này là tính chuyển tọa độ hai chiều pixel ảnh số về hệ tọa độ mặt phẳng ảnh giúp phục hồi chùm tia nh− lúc chụp ảnh. Tiến hành đo các mấu khung là các góc pixel ngoài cùng d−ới sự trợ giúp của các cửa số hiển thị đối với tất cả các tấm ảnh dùng để đo. Với thuật toán đã trình bày, công tác đo vẽ định h−ớng trong hầu nh− không có sai số với bất kì mô hình chuyển đổi nào thông th−ờng chọn mô hình Affine. 70 Hình 3.13. Định h−ớng trong tấm ảnh số phổ thông 3.7.7. Định h−ớng ngoài và kiểm tra mô hình lập thể Định h−ớng ngoài nhằm xây dựng mô hình lập thể trong hệ tọa độ trắc địa, quá trình này có thể chia thành hai công đoạn: định h−ớng t−ơng đối và định h−ớng tuyệt đối. Đối với ảnh số phổ thông, nếu bố trí nhiều điểm kiểm tra thì có thể ghép hai công đoạn này thành một lần. Tiến hành đo các bảng ngắm có tọa độ đã đ−ợc nhập. Khi định h−ớng nên để lại một số các điểm kiểm tra (check point) không tham gia vào xây dựng mô hình để làm cơ sở kiểm tra độ chính xác của mô hình lập thể. Trong quá trình này, tác giả cũng kiểm tra khả năng nâng cao độ chính xác của mô hình lập thể khi có sự tham gia của các hệ số méo hình kính vật đã kiểm định. và ⎪⎭ ⎪⎬ ⎫ −=Δ ′−=Δ ′−=Δ 'ZZZ YYY XXX 222 ZYXM P Δ+Δ+Δ= (3.19) trong đó: X, Y, Z là tọa độ điểm kiểm tra đo bằng ngoại nghiệp X’, Y’, Z’ là tọa độ điểm kiểm tra đo bằng ảnh lập thể 71 Tác giả đã tiến hành xây dựng 8 mô hình lập thể tại ảnh chụp ở mỏ Cọc Sáu trong hai đợt chụp khác nhau, chụp bằng máy ảnh số Sony F707 độ phân giải 2560x1920 pixel. Các mô hình (cặp ảnh) khác nhau của cùng một khu vực, của các khu vực khác nhau. Kết quả đ−ợc trình bày trong bảng 3.6, khi không có sự tham gia của hệ số méo hình và có sự tham gia của hệ số méo hình độ chính xác mô hình lập thể đã nâng cao đáng kể tại các điểm kiểm tra. Bảng 3.6. Kết quả định h−ớng và kiểm tra mô hình lập thể Thông số chụp Điểm trắc địa Không áp dụng hệ số méo hình áp dụng hệ số méo hình Cặp ảnh B (m) Ymin (m) Ymax (m) Khống chế Kiểm tra MPmax (m) MPmin (m) MPmax (m) MPmin (m) 637-643 36.5 110 550 5 4 8.43 4.33 0.40 0.09 638-644 36.5 110 550 5 4 4.09 1.74 0.40 0.07 647-645 70.1 246 550 5 3 5.60 2.48 0.64 0.10 648-646 70.1 246 550 5 2 16.13 1.25 0.11 0.03 823-819 35.6 119 337 5 6 5.03 1.40 0.28 0.05 826-820 35.6 119 337 5 6 4.92 0.46 0.29 0.08 837-839 70 220 440 4 7 1.86 0.35 0.36 0.05 838-840 70 220 440 4 7 5.80 1.87 0.37 0.05 trong đó: B - đ−ờng đáy chụp ảnh, Ymin, Ymax - khoảng cách chụp ảnh đến điểm khống chế gần nhất và xa nhất, MPmax, MPmin- sai số vị trí điểm 3 chiều lớn nhất và nhỏ nhất tại các điểm kiểm tra không tham gia định h−ớng. Nhìn vào kết quả tại bảng 3.6, sai số vị trí điểm lớn nhất tại điểm kiểm tra là 0,64m đối với mô hình 467-465, còn các mô hình khác sai số lớn nhất cũng không v−ợt quá 0,4m. Nếu yêu cầu thành lập bản đồ với sai số vị trí điểm chi tiết là 0,5mmMBĐ và sai số độ cao 1/3 khoảng cao đều 1m, với 72 MBĐ=1000 ta có MP<0,6m hoàn toàn có thể thành lập bản đồ 1:1000, trong khi cần nhiều yếu tố kiểm tra khác thì thành lập bản đồ 1:2000 triển khai trong sản xuất là rất đảm bảo độ chính xác. Điều này giúp khẳng định lại, kiểm định méo hình kính vật là rất cần thiết và khả năng đo vẽ trong khoảng cách 500m để thành lập bình đồ địa hình tỷ lệ 1:2000 hoàn toàn khả thi đối với máy chụp ảnh số phổ thông Sony F707 độ phân giải 2560x1920 pixel. 3.7.8. Đo vẽ các điểm và các đ−ờng đặc tr−ng của địa hình Đo vẽ các điểm và các đ−ờng đặc tr−ng của địa hình nhằm phục vụ xây dựng mô hình số địa hình và biên tập thành bình đồ địa hình. Công tác này đ−ợc thực hiện trực tiếp trên mô hình lập thể đã định h−ớng và đã kiểm tra độ chính xác. Các điểm độ cao đặc tr−ng nh− các điểm đỉnh núi, yên ngựa, các điểm có độ cao đột biến... Các đ−ờng đặc tr−ng nh− các đ−ờng phân thủy, tụ thủy, các đ−ờng đứt gãy đột biến về độ cao... Đối với khu mỏ lộ thiên đó là các đ−ờng đỉnh tầng, đ−ờng chân tầng, đ−ờng g−ơng tầng khai thác. Đối với khu đá vôi là các đ−ờng chân núi, các đ−ờng khe đứt gãy, các điểm đỉnh núi... Quá trình đo vẽ tiến hành trên mô hình lập thể trong phòng nên khả năng khái quát địa hình tốt, đo rất nhanh chóng, ta có thể di chuyển cắt tiêu đo đến bất cứ đâu trong phạm vi đo vẽ và trong khả năng nhìn thấy của cặp ảnh lập thể. Có thể tiến hành đo hàng vạn điểm chi tiết trong một khu vực nhỏ mà ng−ời ngoại nghiệp nếu đi g−ơng đi mia không thể đi tới đ−ợc. Sau khi đo xong nên chồng những giá trị đo đ−ợc của mô hình này sang mô hình khác cùng khu vực (với góc nhìn khác) để kiểm tra tính bám sát bề mặt địa hình của các kết quả đo. 3.7.9. Xây dựng mô hình số địa hình Mô hình số địa hình DTM (Digital Terrain Model) là một dạng đặc biệt của mô hình số độ cao DEM (Digital Elevation Model) trong miêu tả bề mặt địa hình bằng ph−ơng tiện số, chủ yếu bởi các yếu tố điểm và đ−ờng. Một cách khái quát DTM miêu tả bề mặt địa hình bởi các điểm lấy mẫu có tọa độ (X Y Z) thoả mãn một hàm đơn trị Z = f (X, Y), hàm này dùng để nội suy ra 73 giá trị độ cao của các điểm khác. Với bất kì giá trị vị trí (X, Y) nào chỉ có một giá trị độ cao Z đ−ợc xác định trong một DTM. Hình 3.14. Mô hình số địa hình Thông th−ờng ng−ời ta biểu diễn bề mặt địa hình bằng các điểm phân bố đều