Đề xuất giải pháp kỹ thuật nâng cao độ xác bình đồ ảnh vệ tinh phục vụ cơng tác chỉnh đồ tỷ lệ nhỏ trung bình Hồng Thị Hà Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Chuyên ngành: Bản đồ, viễn thám hệ thông tin địa lý Mã số: 60.44.76 Người hướng dẫn: PGS TS Trần Đình Trí Năm báo vệ: 2011 Abstract quan ảnh vệ tinh; bình đồ ảnh bình đồ ảnh vệ tinh Nghiên cứu xử lý ảnh vệ tinh chỉnh đồ đưa phương pháp xử lý ảnh vệ tinh SPOT chỉnh đồ: Nắn chỉnh hình học ảnh vệ tinh SPOT; Tăng cường chất lượng ảnh; Phân loại ảnh (Image classification) Đưa giải pháp kỹ thuật nhằm nâng cao độ xác bình đồ ảnh vệ tinh: Các nguồn sai số ảnh hưởng đến độ xác bình đồ ảnh; Mơ hình vật lý mơ hình hàm số hữu tỷ sử dụng để nắn ảnh Thực nghiệm nắn ảnh vệ tinh sử dụng mơ hình vật lý với ảnh vệ tinh SPOT5 Phân tích, đánh giá độ xác ảnh nắn sử dụng mơ hình vật lý Keywords Ảnh vệ tinh; Bản đồ; Hiện chỉnh đồ; Xử lý ảnh Content: Tính cấp thiết đề tài Đã từ lâu, đồ công cụ cần thiết hoạt động điều tra, quy hoạch tài nguyên thiên nhiên phát triển kinh tế xã hội Bản đồ sau thời gian sử dụng bị cũ đi, chất lượng suy giảm, thông tin đồ bị lạc hậu không phản ánh trạng bề mặt đất nên cần phải chỉnh thành lập Thành lập đồ thường tốn nhiều thời gian So với thành lập mới, việc chỉnh đồ giúp cho việc cung cấp thông tin cập nhật cách nhanh chóng hơn, với chi phí thấp Đối với đồ địa hình, tuỳ thuộc vào tỷ lệ đồ khu vực để xác định khu vực cần chỉnh Đối với vùng thay đổi đồi núi, sau - 10 năm tiến hành chỉnh lần Đối với vùng có nhiều biến động thị, khu cơng nghiệp, vùng ven biển thời gian tiến hành chỉnh năm lần Chu kỳ chỉnh loại đồ tỷ lệ nhỏ thuờng dài so với đồ tỷ lệ lớn, khu vực cần chỉnh thường lớn mang tính chất khu vực Nhu cầu chỉnh đồ tỷ lệ lớn thường tập trung vùng trọng điểm có nhiều hoạt động kinh tế xã hội diện tích chỉnh thường nhỏ Nếu đối tượng thực tế thay đổi > 40% nên thành lập thay chỉnh Hiện Việt Nam, có số phương pháp chỉnh đồ thường sử dụng như: phương pháp đo vẽ trực tiếp thực địa, phương pháp sử dụng ảnh hàng không, phương pháp liên biên từ đồ lớn hơn,…Các phương pháp có ưu điểm độ xác tương đối cao nhược điểm giá thành cao, thời gian thi cơng kéo dài, diện tích phủ trùm khơng lớn, phải có đồ tỷ lệ lớn thành lập được,… Trong năm gần đây, phát triển mạnh mẽ kỹ thuật thu nhận thông tin từ xa xử lý ảnh làm cho công nghệ viễn thám ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực Ảnh vệ tinh ngày xuất nhiều giới Việt Nam Ảnh vệ tinh có ưu điểm: Diện tích phủ trùm lớn, tính đồng thông tin cao, cho phép tiến hành chỉnh khu vực rộng lớn, ảnh vệ tinh sử dụng nhiều kênh phổ khác cho thông tin đa dạng đối tượng, khả chụp lặp cao phù hợp với việc theo dõi biến động theo thời gian, có khả quan sát khu vực lại khó khăn hay chí khơng đến được, loại ảnh vệ tinh đa dạng từ độ phân giải thấp, trung bình, cao đến siêu cao, cho phép chỉnh đồ tỷ lệ khác từ nhỏ đến lớn.Với ưu điểm ảnh vệ tinh trở thành công cụ hiệu phục vụ công tác chỉnh loại đồ Trong công tác chỉnh đồ người ta thường sử dụng bình đồ ảnh thành lập từ ảnh vệ tinh Trên bình đồ ảnh vệ tinh, thông tin đối tượng địa lí khai thác trực tiếp để phục vụ cho mục đích chỉnh Để có bình đồ ảnh, ảnh vệ tinh phải nắn chỉnh nhằm loại trừ hay hạn chế ảnh hưởng nhiều nguyên nhân khác tới vị trí điểm ảnh, phải đưa tỷ lệ đồ cần chỉnh hệ quy chiếu, hệ tọa độ đồ Độ xác đồ sau chỉnh, độ tin cậy thông tin khai thác phụ thuộc vào độ xác bình đồ ảnh, hay nói cách khác độ xác q trình nắn ảnh vệ tinh Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn tơi chọn đề tài nghiên cứu: "Đề xuất giải pháp kỹ thuật nâng cao độ xác bình đồ ảnh vệ tinh phục vụ cơng tác chỉnh đồ tỷ lệ nhỏ trung bình" Mục đích nghiên cứu Mục đích đề tài nghiên cứu sở khoa học thực nghiệm trình nắn ảnh, tạo bình đồ ảnh nhằm đưa giải pháp kỹ thuật nâng cao độ xác bình đồ ảnh vệ tinh phục vụ cơng tác chỉnh đồ Đối tượng phạm vi nghiên cứu Do hạn chế tư liệu ảnh vệ tinh, đối tượng nghiên cứu luận văn loại ảnh vệ tinh có độ phân giải trung bình phục vụ cơng tác chỉnh đồ tỷ lệ nhỏ trung bình Nội dung nghiên cứu Luận văn tập trung nghiên cứu khái niệm viễn thám, bình đồ ảnh, bình đồ ảnh vệ tinh, bước thành lập bình đồ ảnh tư liệu ảnh vệ tinh, chủ yếu công đoạn nắn ảnh từ lựa chọn, đề xuất giải pháp kỹ thuật tối ưu nhằm nâng cao độ xác cơng tác thành lập bình đồ ảnh Phương pháp nghiên cứu Để thực nhiệm vụ đề tài đặt ra, tác giả áp dụng phương pháp nghiên cứu sau: thu thập thông tin, tài liệu có tìm hiểu khả lý thuyết, đặc tính kỹ thuật số ảnh vệ tinh có Việt Nam nhằm khảo sát ảnh hưởng yếu tố tới độ xác nắn ảnh độ xác điểm khống chế ảnh, số lượng điểm khống chế sử dụng mơ hình phân bố đồ hình chúng, mơ hình nắn chỉnh hình học mơ hình số độ cao để đảm bảo cho việc nắn ảnh đạt độ xác hình học cao Nghiên cứu độ xác đạt cho việc thành lập bình đồ ảnh vệ tinh Trên sở nghiên cứu, đề xuất giải pháp kỹ thuật tối ưu cho việc thành lập bình đồ ảnh Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Về mặt khoa học, đề tài nghiên cứu góp phần giúp học viên nắm kiến thức viễn thám kỹ thuật xử lý ảnh vệ tinh bước phương pháp thành lập bình đồ ảnh từ tư liệu ảnh vệ tinh Bên cạnh kết nghiên cứu luận văn góp phần đánh giá khả tư liệu viễn thám công tác chỉnh đồ Về mặt thực tiễn, kết nghiên cứu luận văn đưa số giải pháp kỹ thuật nâng cao độ xác thành lập bình đồ ảnh vệ tinh phục vụ tốt cho công tác chỉnh đồ tỷ lệ nhỏ trung bình nhằm giảm bớt cơng sức chi phí cơng tác chỉnh đồ Chương 1: Tổng quan ảnh vệ tinh bình đồ ảnh vệ tinh Viễn thám ngành khoa học công nghệ giúp cho việc xác định, đo đạc phân tích tính chất vật thể quan sát mà khơng cần tiếp xúc trực tiếp với chúng Sóng điện từ phản xạ xạ từ vật thể thường nguồn lượng chủ yếu viễn thám Những lượng từ trường, trọng trường sử dụng Thiết bị dùng để cảm nhận sóng điện từ phản xạ hay xạ từ vật thể gọi cảm Phương tiện dùng để mang cảm gọi vật mang, gồm khí cầu, máy bay, vệ tinh nhân tạo, tàu vũ trụ Viễn thám phân loại làm loại theo bước sóng sử dụng: - Viễn thám dải sóng nhìn thấy hồng ngoại - Viễn thám hồng ngoại nhiệt - Viễn thám siêu cao tần Nguồn lượng sử dụng nhóm thứ xạ mặt trời Mặt trời cung cấp xạ có bước sóng ưu 500nm Tư liệu viễn thám dải sóng nhìn thấy phụ thuộc vào phản xạ từ bề mặt vật thể bề mặt trái đất Vì vậy, thơng tin vật thể xác định từ phổ phản xạ Tuy nhiên, radar sử dụng tia laser trường hợp ngoại lệ không sử dụng lượng mặt trời Nguồn lượng sử dụng nhóm thứ hai xạ nhiệt vật thể sản sinh Mỗi vật thể nhiệt độ bình thường phát xạ có đỉnh bước sóng 10.000nm Trong viễn thám siêu cao tần người ta sử dụng hai loại kỹ thuật chủ động bị động Viễn thám siêu cao tần bị động xạ siêu cao tần vật thể phát ghi lại, viễn thám siêu cao tần chủ động lại thu xạ tán xạ phản xạ từ vật thể Đặc điểm chung ảnh viễn thám xác định dựa vào đặc điểm chuyển động vệ tinh độ cao, quỹ đạo tốc độ chuyển động…, bên cạnh kỹ thuật, vật liệu, thiết bị thu chụp xử lý ảnh vệ tinh - Ảnh viễn thám cung cấp thông tin phạm vi rộng chụp thời điểm điều kiện vật lý cho phép nhanh chóng rút ngắn thời gian thu thập xử lý thông tin cho trình thành lập chỉnh đồ - Ảnh viễn thám chụp tỷ lệ nhỏ với giải phổ khác nên tính chất tổng quát hóa tự nhiên mặt hình học quang học khách quan xác, phản ánh tính quy luật tượng tự nhiên - Độ cao thu chụp vệ tinh lớn so với độ cao địa hình, vị trí điểm bị xê dịch ảnh không đáng kể, quan tâm vùng núi vượt hạn sai cho phép Ngược lại, ảnh phủ diện tích rộng nên sai số độ cong đất lớn, phải có phương pháp xử lý thích hợp - Kỹ thuật viễn thám cho phép thu chụp ảnh vệ tinh với độ phân giải cao – 30m, chí 0,8 – 5m đảm bảo cho thành lập đồ tỷ lệ 1:10000, 1:50000, 1:100000,… - Viễn thám có khả chụp lặp lại theo chương trình với chu kỳ định nguồn thơng tin đảm bảo tính tức thời, phản ánh tượng, đối tượng biến đổi nhanh - Thiết bị thu nhận xử lý ảnh đại cho phép nhận ảnh vũ trụ với lượng thông tin phong phú tổng hợp mặt đất Phản ánh tất thành phần cảnh quan, ảnh vệ tinh nguồn thơng tin có ý nghĩa liên ngành, với phương pháp xử lý khác cho nguồn thơng tin hữu ích cho chuyên ngành khác - Ảnh vệ tinh có khả cung cấp thông tin vùng người khó tiếp cách xa (rừng núi, hải đảo,…) cách dễ dàng, trở ngại mà phương pháp truyền thống phải nhiều công sức tiền để khắc phục - Các sai số hệ thống ảnh vệ tinh có độ ổn định cao giúp cho cơng tác nắn chỉnh hình học tiến hành với độ xác cao phục vụ cho thành lập đồ địa hình Tất đặc điểm xác định khả ứng dụng ảnh vệ tinh vào công tác đồ với hiệu cao khoa học công nghệ, phương pháp luận hiệu kinh tế Khả lý thuyết để thành lập đồ ảnh vệ tinh bao gồm: - Độ phân giải không gian ảnh - Độ lớn pixel thực địa độ phân giải ảnh vệ tinh Dung lượng thông tin (hay nội dung) đồ phụ thuộc vào tỷ lệ đồ cần thành lập Mức độ khái quát lớn tỷ lệ đồ nhỏ, dung lượng thông tin đồ giảm Trái lại đồ tỷ lệ lớn dung lượng thơng tin tăng Giữa dung lượng thông tin đồ ảnh có mối liên hệ chặt chẽ Đối với ảnh photo mối liên hệ thể thơng qua tỷ lệ ảnh tỷ lệ đồ Song, ảnh số, mối liên hệ thể thông qua độ lớn pixel thực địa GSD ảnh tỷ lệ đồ 1:Mb GSD nhỏ dung lượng thơng tin ảnh lớn; cho nên, dung lượng thông tin đồ phong phú Bình đồ ảnh hình ảnh miền thực địa thực cách ghép cắt dán ảnh đơn nắn theo mảnh đồ Những ảnh nắn khử sai số góc nghiêng ảnh gây ra, cịn sai số điểm ảnh địa hình hạn chế tới mức tối thiểu phù hợp với độ xác đồ Cơ sở nắn ảnh, ghép ảnh điểm khống chế ghi gốc Bình đồ ảnh mang thơng tin tối đa bề mặt thực địa, sản phẩm trung gian để thành lập hay chỉnh đồ Trong trường hợp này, hình ảnh bình đồ ảnh giải đốn yếu tố địa hình đo vẽ trực tiếp phương pháp trắc địa phương pháp đo vẽ lập thể Bình đồ ảnh có hai khái niệm bình đồ ảnh thành lập thông qua công tác nắn ảnh theo nguyên lý nắn ảnh vùng phẳng bình đồ ảnh trực giao thành lập theo nguyên lý ảnh trực giao Ngày nay, bình đồ ảnh trực giao thành lập theo dây chuyền cơng nghệ đo ảnh số Bình đồ ảnh thường sử dụng thành lập chỉnh đồ địa hình, đồ chun đề, đơi thay đồ cơng tác khảo sát thăm dò Trong chiến đấu, tài liệu quan trọng giúp người huy trận đánh bảo vệ mục tiêu quan trọng Trong huấn luyện, bình đồ ảnh tài liệu học tập Có thể nói thành lập bình đồ ảnh vệ tinh trình xử lý, hiệu chỉnh hình học ảnh vệ tinh cấp độ cao nhất, nhằm hiệu chỉnh khử ảnh hưởng nguồn sai số liệu ảnh hiệu chỉnh ảnh hưởng chênh cao địa hình để nhận ảnh kết đảm bảo độ xác mặt phẳng theo yêu cầu kỹ thuật tương ứng với tỷ lệ đồ xác định Thành lập bình đồ ảnh vệ tinh thực phương pháp số Quy trình gồm bước: - Nhập ảnh số, thông tin bổ trợ - Chọn phương pháp nắn, mơ hình nắn điểm khống chế nắn ảnh - Nắn ảnh, ghép ảnh cắt mảnh bình đồ ảnh - Xử lý phổ trình bày khung bình đồ ảnh - Xuất in bình đồ ảnh Bình đồ ảnh vệ tinh sản xuất sử dụng quy trình chỉnh đồ địa hình phục vụ cho việc điều vẽ yếu tố địa vật Để sản xuất đồ ảnh vệ tinh đạt độ xác, người ta ứng dụng nguyên lý nắn chỉnh hình học dựa sở mơ hình tốn học để nắn chỉnh ảnh vệ tinh, sử dụng mơ hình tốn học thích hợp tùy theo u cầu cụ thể để nắn hình học ảnh Theo quy trình thành lập bình đồ ảnh vệ tinh thấy yếu tố ảnh hưởng tới kết nắn ảnh vệ tinh là: độ phân giải ảnh vệ tinh; phương pháp nắn, mơ hình tốn học sử dụng để thực phép nắn; số lượng điểm khống chế ngoại nghiệp đồ hình bố trí chúng, độ xác đo đạc điểm khống chế ảnh; mơ hình số độ cao sử dụng nắn ảnh mơ hình hình học dùng nắn ảnh Chương 2: Nghiên cứu xử lý ảnh vệ tinh chỉnh đồ Trong q trình chỉnh đồ sử dụng phương pháp sau: - Hiện chỉnh đồ theo ảnh hàng không, ảnh vệ tinh - Hiện chỉnh đồ từ tài liệu đồ có tỷ lệ lớn - Hiện chỉnh trực tiếp thực địa Mỗi phương pháp nêu có ý nghĩa kinh tế kỹ thuật độc lập Song để đạt hiệu cao phạm vi khu vực chỉnh mảnh đồ cho phép ta áp dụng kết hợp phương pháp Trường hợp lúc ta tiến hành chỉnh dãy tỷ lệ đồ có tỷ lệ lớn trực tiếp chỉnh, đồ tỷ lệ nhỏ chỉnh phương pháp biên vẽ chỉnh sửa theo đồ chỉnh Phương pháp xử lý ảnh vệ tinh SPOT chỉnh đồ Nắn chỉnh hình học ảnh vệ tinh SPOT * Các mức xử lý ảnh SPOT Ảnh SPOT thu nhận ảnh thơ có nhiều biến dạng ảnh Mỗi mức nắn nhằm loại trừ biến dạng để đạt độ xác định Các mức nắn chỉnh ảnh quy ước sau: - Mức 1A: ảnh hình vng, khn dạng ảnh gốc đặc biệt hãng SPOT cung cấp, nhập số phần mềm định Về hình học chưa xử lý - Mức 1B: Nắn chỉnh hình học với hiệu chỉnh độ quay trái đất , độ cong trái đất thay đổi độ cao quỹ đạo vệ tinh Độ xác vị trí tuyệt đối đạt khoảng 1.500m ảnh chụp thẳng đứng - Mức 2A: Nắn chỉnh hình học tiến hành theo phương pháp mơ hình hố vật lý khơng sử dụng điểm khống chế từ ảnh mức 1B Do không cải sai số dịch vị điểm ảnh chênh cao địa hình nên cần chọn mặt phẳng nắn trung bình vùng ảnh phủ Độ xác tham số chụp ảnh Ảnh nắn lưới chiếu đồ - Mức 2B: Nắn chỉnh hình học theo phương pháp mơ hình hố vật lý không sử dụng điểm khống chế từ ảnh mức 1B có sử dụng điểm khống chế để xác hố mơ hình Dùng mơ hình sau hiệu chỉnh để nắn ảnh cho độ xác cao Độ xác mức nắn phụ thuộc vào độ xác điểm khống chế Trong điều kiện tiêu chuẩn, khả đạt độ xác định vị tuyệt đối đến 20m - Mức 3: Mức nắn bao gồm bước mức nắn 2B có sử dụng mơ hình số độ cao (DEM) để loại trừ sai số dịch vị điểm ảnh chênh cao địa hình Đây mức nắn sử dụng nắn ảnh vùng núi núi cao, u cầu đồ có độ xác cao Độ xác mức nắn phụ thuộc vào độ xác điểm khống chế chất lượng DEM sử dụng, cao đạt độ xác tới 0.5 pixel ảnh nắn mức trực ảnh (orthoimage) * Hiệu chỉnh hình học (nắn ảnh mức 1B) Ảnh SPOT mức 1B thu thông qua hiệu chỉnh hình học từ ảnh mức 1A Hiệu chỉnh hình học bao gồm việc hiệu chỉnh ảnh hưởng độ quay đất, độ cong đất thay đổi nguyên tố định hướng hệ thống Sensor * Nắn chỉnh ảnh SPOT mức mức Để thu sản phẩm ảnh SPOT mức mức 3, ta thực việc nắn chỉnh ảnh số Nắn chỉnh hình học ảnh số phải tiến hành cơng đoạn xác định mơ hình tốn học dùng để nắn ảnh số (mơ hình hóa ảnh) nắn ảnh số theo mơ hình xác định Tăng cường chất lượng ảnh Tăng cường chất lượng ảnh bao gồm kỹ thuật xử lý khác nhằm thay đổi giá trị Digital Number (DN) ảnh ban đầu nhằm đưa ảnh với giá trị số Kỹ thuật tăng cường chất lượng ảnh áp dụng cho kênh ảnh riêng biệt * Các kỹ thuật làm tăng cường độ tương phản (Contrast manipulation) - Kỹ thuật phân ngưỡng độ xám (Gray-level thresholding) - Kỹ thuật lọc theo mức (Level slicing) - Kỹ thuật kéo dãn độ tương phản (Contrast stretching) * Các kỹ thuật thao tác với đối tượng không gian (Spatial feature manipulation) - Kỹ thuật lọc không gian (Spatial filtering) - Kỹ thuật lọc tăng cường đường biên (Edge enhancement) - Kỹ thuật phân tích Fourier (Fourier Analysis) * Các kỹ thuật thao tác đa ảnh (Multi-Image Manipulation) - Tạo ảnh tỷ số phổ (Spectral rationing) - Tạo ảnh thành phần (Principal and Canonical Components) - Tạo ảnh thành phần thực vật (Vegetation Components) Phân loại ảnh (Image classification) Theo định nghĩa, phân loại ảnh số trình phân loại pixel thành lớp nhóm lớp theo chuyên đề khác Trong trình phân loại, giá trị DN pixel thông số sử dụng Thơng thường có hai phương pháp phân loại: phân loại có kiểm định (supervised) khơng có kiểm định (unsupervised) Trong cách phân loại khơng có kiểm định, ta chia mức độ xám ảnh cấp khác phân loại lại ảnh theo mức xám Với phân loại có kiểm định, ta phải định nghĩa rõ ràng lớp phân loại lựa chọn có tính đến đặc thù tư liệu ảnh Sau ta chọn đặc tính phổ cấu trúc cho phép phân biệt lớp cần tập hợp Tiếp đến, ta chọn vùng mẫu dựa vào kết hai bước Cuối ta chọn lựa phương pháp phân loại Có thể áp dụng nhiều cách phân loại khác khuôn khổ tệp mẫu so sánh kết đạt để lựa chọn cách phân loại tối ưu Thông thường, người ta chọn phương pháp phân loại theo xác suất cực đại (Maximum likelihood) để nhóm pixel vào lớp mà xác suất chúng thuộc vào lớp lớn Chương 3: Các giải pháp kỹ thuật nhằm nâng cao độ xác bình đồ ảnh vệ tinh Các nguồn sai số ảnh hưởng đến độ xác bình đồ ảnh Sai số trình thu nhận ảnh vệ tinh Trong trình thu nhận, hình ảnh tạo cách liên tục theo chuyển động vệ tinh Do chuyển động không ổn định vệ tinh nên hình ảnh thu dễ bị méo Hơn nữa, thay đổi góc định hướng quỹ đạo bay bị sai lệch nên hình ảnh méo hình Ảnh hưởng gây nên méo hình đáng kể hình ảnh có kích thước lớn nhiều lần kích thước pixel Các nguồn sai số gây méo hình gộp lại thành nhóm: sai số nội cảm biến thu chụp sai số tác động bên ngồi Sai số q trình xử lý ảnh vệ tinh Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến độ xác ảnh nắn trình xử lý Đó yếu tố xuất phát từ chất thiết bị thu chụp độ phân giải ảnh vệ tinh, mơ hình sử dụng để nắn ảnh hay yếu tố tham gia vào trình nắn chỉnh hình học từ khâu ngoại nghiệp tới khâu nội nghiệp độ xác tăng dày khống chế ảnh (độ xác điểm khống chế ảnh số lượng điểm, đồ hình bố trí khống chế ảnh), độ xác mơ hình số độ cao Thực nghiệm kết Mục đích nội dung thực nghiệm * Mục đích Thực nghiệm nắn ảnh vệ tinh SPOT5 Panchromatic độ phân giải 2,5m QUICKBIRD đen trắng độ phân giải 0,6m sử dụng mơ hình vật lý mơ hình hàm hữu tỷ phần mềm có Việt Nam là: SPACEMAT (Pháp), PCI (Canada) ERDAS Imagine Từ kết thu qua thực nghiệm, đánh giá sử dụng phương pháp mơ hình hóa thích hợp cho số loại ảnh vệ tinh thu nhận từ đầu thu chụp khác * Nội dung tiến hành Phần thực nghiệm thứ nắn ảnh vệ tinh sử dụng mơ hình vật lý với ảnh vệ tinh SPOT5 loại ảnh cung cấp Việt nam thường ảnh SPOT5 mức 1A hay 1B kèm theo thông số chụp ảnh liệu kèm Thực nghiệm tiến hành trường hợp: nắn ảnh vệ tinh đơn nắn theo khối ảnh với trường hợp lựa chọn số lượng điểm KCA đồ hình KC khác nhau, nắn ảnh vệ tinh với DEM thành lập từ đồ địa hình có tỷ lệ khác Phần thực nghiệm thứ hai nắn ảnh vệ tinh sử dụng mơ hình hàm hữu tỷ với ảnh vệ tinh QUICKBIRD bậc tiêu chuẩn loại ảnh cung cấp phần lớn Việt nam thường sử dụng thực tế sản xuất Do dự án sản xuất thử nghiệm “Thành lập trực ảnh tỷ lệ 1:5 000 tư liệu ảnh vệ tinh độ phân giải siêu cao ” - Trung tâm Viễn thám (8/ 2007) nhóm tác giả thử nghiệm nắn ảnh vệ tinh sử dụng mơ hình hàm hữu tỷ với ảnh vệ tinh QUICKBIRD bậc tiêu chuẩn với vùng địa hình phẳng nên đề tài tiến hành trường hợp nắn ảnh vệ tinh QUICKBIRD bậc tiêu chuẩn điều kiện có chênh cao địa hình lớn Thực nghiệm nắn ảnh vệ tinh sử dụng mơ hình vật lý với ảnh vệ tinh SPOT5 Thực nghiệm nắn ảnh SPOT5 Pan với số điểm KC khác Vị trí địa lý: Khu vực thực nghiệm có phạm vi từ 210 20’ đến 200 40’ vĩ độ Bắc, từ 1050 30’đến 1060 15’ kinh độ Đông Đánh giá tư liệu: - Điểm khống chế: Số lượng điểm KC thực nghiệm 32 điểm Các điểm KC đo phương pháp GPS Tọa độ độ cao tính tốn hệ tọa độ VN2000 Độ xác đo KC mặt phẳng   0,2m độ cao   0,4m - Mơ hình số địa hình (DEM): Trong thực nghiệm sử dụng DEM thành lập từ kết số hoá yếu tố đồ địa hình tỷ lệ 1:25 000 có sẵn khu vực Độ cao địa hình vùng núi khoảng 70m cịn vùng đồng khoảng 2-5m - Tư liệu ảnh vệ tinh: Thực nghiệm tiến hành với ảnh vệ tinh SPOT5 Pan độ phân giải 2.5m có số hiệu 270308 (10/11/2002), góc nghiêng chụp ảnh +13,8 Kết thực nghiệm: - Phương án điểm khống chế: Sai số TPTB vị trí điểm Mxy =  2.17m - Phương án điểm khống chế: Sai số TPTB vị trí điểm Mxy =  1.62m - Phương án 12 điểm khống chế: Sai số TPTB vị trí điểm Mxy =  1.67m - Phương án 14 điểm khống chế: Sai số TPTB vị trí điểm Mxy =  1.25m Nhận xét: Sau nắn ảnh SPOT Pan có độ phân giải 2.5m sử dụng mơ hình vật lý nhận thấy với phương án độ xác đạt kết   2.2m số lượng điểm khống chế tăng lên độ xác ảnh nắn tăng lên Trong trường hợp số điểm khống chế tăng từ đến 14 điểm độ xác ảnh nắn tăng dần đều, trường hợp điểm 12 điểm độ xác ảnh nắn gần tiếp tục tăng số điểm KC tăng lên 14 Như vậy, sử dụng mơ hình vật lý số lượng điểm KC cần thiết cảnh ảnh đơn tối thiểu điểm, tốt từ điểm đến 12 điểm phù hợp với yêu cầu kỹ thuật kinh tế Thực nghiệm nắn ảnh SPOT5 Pan với điểm KC không rải ảnh Vị trí địa lý: Khu vực thực nghiệm có phạm vi từ 200 25’ đến 210 05’ vĩ độ Bắc, từ 1060 02’ đến 1060 46’ kinh độ Đông Đánh giá tư liệu: - Điểm khống chế : Số lượng điểm KC thực nghiệm 24 điểm Các điểm KC đo phương pháp GPS Tọa độ độ cao tính tốn hệ tọa độ VN2000 Độ xác đo KC mặt phẳng   0.2m độ cao   0.4m - Mơ hình số địa hình (DEM): Trong thực nghiệm sử dụng DEM thành lập từ kết số hoá yếu tố đồ địa hình tỷ lệ 1:25 000 có sẵn khu vực Độ cao địa hình khu vực thực nghiệm vùng núi khoảng 200m vùng đồng khoảng 1m - Tư liệu ảnh vệ tinh: Thực nghiệm tiến hành với ảnh vệ tinh SPOT5 - Pan độ phân giải 2.5m có số hiệu 271308/5 (23/12/2003), góc nghiêng chụp ảnh -21 Các trường hợp thực nghiệm: - Thực nghiệm vùng khơng có điểm KC có độ cao trung bình 1m Sai số TPTB vị trí điểm: Mxy =  3.24m - Thực nghiệm vùng khơng có điểm KC có độ cao trung bình 50m Sai số TPTB vị trí điểm: Mxy =  4.02m Nhận xét: Khi tăng dày khống chế ảnh đơn khu vực địa hình tương đối phẳng khơng phức tạp trường hợp khơng có điều kiện phân bố điểm khống chế ảnh, bị khuyết góc trường hợp trên, qua kết thực nghiệm dựa vào sai số mơ hình (mặt phẳng   5.4m; độ cao   4.2m) sai số trung phương trung bình vị trí điểm điểm đo cơng nghệ GPS sau bình sai (M xy   4.02m) kết luận đảm bảo độ xác cho thành lập bình đồ ảnh vệ tinh tỷ lệ 1/25 000 Thực nghiệm nắn ảnh SPOT5 Pan theo khối ảnh có góc nghiêng chụp ảnh lớn với số lượng điểm KC khác Vị trí địa lý: Khu vực thực nghiệm có phạm vi từ 200 00’ đến 210 20’ vĩ độ Bắc, từ 1050 30’ đến 1060 45’ kinh độ Đông Đánh giá tư liệu: - Điểm khống chế: Số lượng điểm KC thực nghiệm 46 điểm Các điểm KC đo phương pháp GPS Tọa độ độ cao tính tốn hệ tọa độ VN2000 Độ xác đo KC mặt phẳng   0.2m độ cao   0.4m - Mơ hình số địa hình (DEM): Trong thực nghiệm sử dụng DEM thành lập từ kết số hoá yếu tố đồ địa hình tỷ lệ 1:25 000 có sẵn khu vực Độ cao địa hình khu vực thực nghiệm Hmin = 1m; Hmax = 600m - Tư liệu ảnh vệ tinh: Thực nghiệm tiến hành khối ảnh gồm cảnh: 270308 (11/10/02), góc nghiêng +13; 270309 (20/10/03), góc nghiêng +258; 271308 271309 (23/12/03), góc nghiêng -210 Các trường hợp thực nghiệm: - Phương án 1: số lượng điểm KC 36 điểm Sai số TPTB vị trí điểm: Mxy =  3.74m - Phương án 2: số lượng điểm KC 32 điểm Sai số TPTB vị trí điểm: Mxy =  3.80m - Phương án 3: số lượng điểm KC 18 điểm Sai số TPTB vị trí điểm: Mxy =  4.27m Nhận xét: Đối với khối ảnh vệ tinh, số lượng điểm khống chế nhiều độ xác sau nắn ảnh cao Ưu điểm tăng dày khối ảnh vệ tinh độ xác đồng khu vực tiếp biên cảnh ảnh Địa hình khu vực thực nghiệm tương đối phẳng, độ chênh lệch sai số vị trí điểm phương án khơng lớn nên sử dụng phương án có số lượng điểm khống chế khối ảnh gồm cảnh 32 điểm (trung bình cảnh khoảng điểm) để đảm bảo yêu cầu kỹ thuật đạt hiệu kinh tế Thực nghiệm nắn ảnh SPOT5 Pan sử dụng mơ hình số DEM khác Trong thực nghiệm sử dụng DEM thành lập từ đồ tỷ lệ 1:25 000 (viết tắt DEM25) DEM thành lập từ đồ tỷ lệ 1:50 000 (viết tắt DEM50) Vị trí địa lý: Khu vực thực nghiệm có phạm vi từ 20 35’ đến 210 35’ vĩ độ Bắc, từ 106 02’ đến 106 53’ kinh độ Đông Đánh giá tư liệu: - Điểm khống chế : Số lượng điểm KC cảnh ảnh 271307 17 điểm, với cảnh ảnh 271308 23 điểm Các điểm KC đo phương pháp GPS Tọa độ độ cao tính tốn hệ tọa độ VN2000 Độ xác đo KC mặt phẳng   0.2m độ cao   0.4m - Mơ hình số địa hình (DEM): Trong thực nghiệm sử dụng DEM thành lập từ kết số hố yếu tố đồ địa hình tỷ lệ 1: 25 000 có sẵn khu vực Độ cao địa hình vùng núi khoảng 1200m cịn vùng đồng khoảng 1m - Tư liệu ảnh vệ tinh: Thực nghiệm tiến hành với ảnh vệ tinh SPOT5 - Pan độ phân giải 2.5m có số hiệu 271307/5 (23/12/2003) 271308/5 (23/12/2003), góc nghiêng chụp ảnh -21 Các trường hợp thực nghiệm: - Trường hợp sử dụng DEM25 DEM50 với cảnh 271308 có địa hình phẳng, độ cao trung bình H = 1-5m; với phương án điểm KC 17 điểm, 12 điểm , điểm điểm Kết sai số điểm kiểm tra thể phụ lục số - Trường hợp sử dụng DEM25 DEM50 với cảnh 271307 có địa hình chênh cao lớn, Hmin = 1m; Hmax = 1200m; với phương án điểm KC 12 điểm, điểm điểm Kết sai số điểm kiểm tra thể phụ lục số Nhận xét: Với địa hình phẳng nắn ảnh sử dụng DEM 25 DEM 50 sai số vị trí điểm kiểm tra ảnh xê dịch khoảng  3m đến  4m Sai số phương án điểm chênh không lớn, với địa hình phẳng sử dụng DEM25 DEM50 kết nắn ảnh tương đương Với địa hình núi cao nắn ảnh sử dụng DEM25 DEM50 sai số vị trí điểm kiểm tra ảnh xê dịch khoảng  3.9 –  4.5m  4.3 –  4.8m Theo đồ thị hình 3.15 phương án 12 điểm KC có sai số bé Như với địa hình núi cao nắn ảnh sử dụng DEM25 đạt kết tốt số điểm KC cần sử dụng 12 điểm Khi sử dụng mơ hình số địa hình phục vụ cho nắn mức ảnh vệ tinh cần phải quan tâm đến độ xác mơ hình số sử dụng điều ảnh hưởng đến độ xác bình đồ ảnh sau nắn Thực nghiệm nắn ảnh vệ tinh sử dụng mơ hình hàm hữu tỷ với ảnh vệ tinh QUICKBIRD Thực nghiệm nắn ảnh vệ tinh QUICKBIRD bậc tiêu chuẩn độ phân giải 0.6m khu vực có chênh cao địa hình ( Hmin= 1m, Hmax= 700m) áp dụng hệ số RPC bậc 1, bậc sử dụng 8, điểm KC áp dụng hệ số đa thức hữu tỷ RPC bậc 1, bậc 2, bậc sử dụng 11, 12, 13 điểm KC Đối với mơ hình hàm hữu tỷ bậc 1, SSTP điểm kiểm tra giảm dần số lượng điểm KC tăng dần   1.2m ( pixel) Với trường hợp điểm KC SSTP điểm kiểm tra lớn nhất, điều lý giải điểm kiểm tra K084100-KT01 có sai số lớn nằm vùng núi góc cảnh ảnh Khi sử dụng số lượng điểm KC từ 11 điểm trở lên SSTP điểm kiểm tra ổn định Khi sử dụng hay điểm KC, mơ hình RFM có hệ số RPC bậc bậc Qua SSTP điểm kiểm tra cho thấy áp dụng mơ hình RFM bậc bậc sử dụng hay điểm KC cho kết tương đương Nhưng số điểm KC tăng từ 12 điểm trở lên mơ hình RFM bậc lại cho kết tốt so với mơ hình RFM bậc Đối với mơ hình RFM bậc 3, sử dụng hay điểm KC sai số vị trí điểm KC sau bình sai khơng có chưa đủ số điểm KC cần thiết Các phương án 11, 12 hay 13 điểm, SSTP điểm kiểm tra sau bình sai giảm dần nhỏ so với giá trị nhận từ kết bình sai với mơ hình RFM bậc bậc (  1.05m) Khi sử dụng 12 điểm KC trở lên SSTP ổn định   0.85m Do điểm KC cảnh ảnh thực nghiệm có 18 điểm nên tiến hành số phương án khác để khẳng định thêm Theo đồ thị sai số, SSTP phương án bình sai cảnh ảnh theo mơ hình RFM bậc khác không vượt  1.2m (2 pixel) mơ hình RFM bậc cao cho SSTP thấp rõ ràng, số lượng điểm KC tăng từ 11 điểm trở lên Có thể giải thích phân bố điểm KC điểm kiểm tra số lượng điểm từ 11 điểm trở lên cảnh ảnh hơn, xen kẽ cảnh ảnh bị thiếu phía Bắc Áp dụng mơ hình RFM bậc 1, phương án sử dụng 11 điểm KC trở lên sai số vị trí điểm kiểm tra nhỏ hạn sai cho phép đồ tỷ lệ 1: 000 Sử dụng phương án 11, 12 13 điểm KC bậc SSTP điểm kiểm tra sau bình sai biến đổi không nhiều gần tương đương Điều có ý nghĩa quan trọng lựa chọn số lượng điểm KC số bậc mơ hình cần thiết để đạt hiệu kinh tế mà đảm bảo chất lượng bình đồ ảnh Như vậy, với cảnh ảnh QUICKBIRD bậc tiêu chuẩn, thực nghiệm vùng có chênh cao địa hình, khơng có nhiều điểm KC sử dụng mơ hình RFM bậc bậc với hay điểm KC cho kết đạt độ xác đồ tỷ lệ 1:5 000 giải pháp an tồn hợp lý cịn phụ thuộc nhiều vào đồ hình phân bố điểm KC, điểm kiểm tra Khi số điểm KC tăng từ 11 điểm trở lên mơ hình RFM bậc 1, bậc hay bậc cho kết sai số ổn định hơn, đạt yêu cầu đồ tỷ lệ 1: 000 Ngoài điểm KC, điểm kiểm tra cần phân bố rải toàn cảnh ảnh, rìa ảnh Sử dụng mơ hình RFM với hệ số RPC cung cấp liệu ảnh sản phẩm ảnh QUICKBIRD bậc tiêu chuẩn cho kết đạt độ xác cao việc thành lập bình đồ ảnh tỷ lệ lớn Về sơ đồ bố trí số lượng điểm KC cảnh ảnh đơn, có chênh cao địa hình lớn lựa chọn phương án 18 điểm phân bố ảnh, sử dụng 12 hay 13 điểm KC hay điểm kiểm tra tùy theo địa hình khu vực phương án đảm bảo phù hợp yêu cầu độ xác yêu cầu kinh tế 10 Kết luận Kết nghiên cứu đề tài cho phép đưa kết luận sau: - Qua thực nghiệm sử dụng hai mơ hình vật lý mơ hình hàm hữu tỷ để nắn ảnh vệ tinh đơn với số liệu đầu vào thực nghiệm cho độ xác ảnh SPOT5 Pan sau nắn đảm bảo yêu cầu kỹ thuật cho việc thành lập bình đồ ảnh tỷ lệ 1:10 000 ảnh QUICKBIRD đen trắng 1:5 000 - Ở phương án thử nghiệm nhận thấy điểm KCA bố trí cảnh ảnh sai số điểm KCA đồng Điều quan trọng liên quan tới đồ hình bố trí điểm KC thực địa chất lượng ảnh sau nắn - Để đảm bảo độ xác ảnh sau nắn cần nâng cao độ xác xác định điểm KCA ảnh vệ tinh đo đạc điểm KCA ngoại nghiệp Cụ thể phải trọng chất lượng việc chọn điểm KCA phục vụ nắn ảnh * Sử dụng mơ hình vật lý để nắn ảnh vệ tinh SPOT5 - Số lượng điểm khống chế tối thiểu từ điểm đến 12 điểm KC vùng phẳng (độ cao trung bình 1-5m), sử dụng DEM thành lập từ đồ địa hình tỷ lệ 1:25 000 bình đồ ảnh đạt độ xác tỷ lệ 1:10 000 - Số lượng điểm khống chế tối thiểu 12 điểm KC vùng có chênh cao lớn (Hmin= 1m, Hmax=1200m), sử dụng DEM thành lập từ đồ địa hình tỷ lệ 1:25 000 bình đồ ảnh đạt độ xác tỷ lệ 1:10 000 DEM thành lập từ đồ địa hình tỷ lệ 1:50 000 bình đồ ảnh đạt độ xác tỷ lệ 1:25 000 Các trường hợp kết đạt điểm phân bố ảnh có điểm kiểm tra xen kẽ điểm KC Nếu điểm KC khơng thể bố trí ảnh kết đạt độ xác cho thành lập bình đồ ảnh tỷ lệ 1:25 000 nhỏ - Đối với khối ảnh vệ tinh với địa hình phẳng số lượng điểm KC sử dụng tối thiểu điểm/cảnh ảnh khối, phân bố rải kết đạt độ xác để thành lập bình đồ ảnh tỷ lệ 1:10 000 * Sử dụng mơ hình hàm hữu tỷ nắn ảnh vệ tinh QUICKBIRD bậc Tiêu chuẩn - Khi sử dụng hay điểm KC, mơ hình RFM có hệ số RPC bậc bậc cho kết sai số vị trí điểm sau nắn tương đương - Số lượng điểm khống chế tối thiểu từ 11 điểm đến 13 điểm KC vùng có chênh cao lớn (Hmin= 1m, Hmax=700m) bình đồ ảnh đạt độ xác tỷ lệ 1:5 000 Trong thực nghiệm sử dụng DEM thành lập từ đồ địa hình tỷ lệ 1:25000 đạt kết tốt có điểm kiểm tra vùng núi cao nên cần phải khảo cứu thêm số khu vực địa hình đặc trưng - Sử dụng phương án 11, 12 13 điểm KC bậc 1, bậc bậc SSTP điểm kiểm tra sau bình sai biến đổi khơng nhiều gần tương đương Từ kết thực nghiệm đưa đề xuất sau: - Đối với trường hợp loại ảnh SPOT, QUICKBIRD bậc sở sử dụng mơ hình vật lý để nắn chỉnh hình học đạt độ xác cao có hiệu sử dụng mơ hình hàm hữu tỷ mặt kinh tế - Đối với trường hợp ảnh QUICKBIRD nhà cung cấp ảnh không cung cấp loại ảnh sở (Basic) nên không sử dụng mơ hình vật lý áp dụng mơ hình hàm hữu tỷ q trình mơ hình hố ảnh cho độ xác cao số lượng điểm KCA cần nhiều - Đối với ảnh vệ tinh SPOT5: số lượng điểm KC cảnh ảnh từ điểm đến 12 điểm vùng phẳng tối thiểu 12 điểm vùng có chênh cao địa hình, ngồi điểm kiểm tra xen kẽ; điểm KC ngoại nghiệp cần bố trí tồn cảnh ảnh Sử dụng DEM thành lập từ đồ tỷ lệ 1:25 000 mơ hình vật lý để nắn ảnh thành lập bình đồ ảnh kết đạt độ xác đồ tỷ lệ 1:10 000 - Đối với khối ảnh vệ tinh SPOT5 khu vực địa hình phẳng, số lượng điểm KC sử dụng tối thiểu điểm/cảnh ảnh, phân bố kết đạt độ xác để thành lập bình đồ ảnh tỷ lệ 1:10 000 - Đối với ảnh vệ tinh QUICKBIRD bậc tiêu chuẩn: số lượng điểm khống chế từ 11 điểm đến 13 điểm KC vùng có chênh cao địa hình có điểm kiểm tra xen kẽ, rải toàn cảnh ảnh rìa ảnh; sử dụng DEM tốt thành lập từ đồ địa hình tỷ lệ 1:10 000 lớn hơn; mơ hình RFM với hệ số RPC để nắn ảnh bình đồ ảnh đạt độ xác tỷ lệ 1:5 000 - Đối với việc thành lập bình đồ ảnh tỷ lệ lớn 1:10 000, 1:5 000 khu vực có chênh cao địa hình nên sử dụng DEM có độ xác cao thành lập từ công nghệ đo vẽ lập thể ảnh hàng không, công nghệ LIDAR References : Nguyễn Xuân Lâm (2006), Đề tài nghiên cứu cấp Bộ: Nghiên cứu số giải pháp kỹ thuật xử lý ảnh viễn thám độ phân giải cao cho mục đích thành lập đồ chuyên đề tỷ lệ :10 000 lớn Tổng cục Địa (2002), Quy trình chỉnh đồ địa hình ảnh vệ tinh, Hà nội Cao Xuân Triều, Tăng Quốc Cương (2007), Tìm hiểu đánh giá mơ hình hàm số hữu tỷ: Các phương pháp ứng dụng, Bài báo, Đặc san Viễn thám Địa tin học số (4/2007), Trung tâm Viễn thám Nguyễn Hà Phú nnk (2007), Thành lập trực ảnh tỷ lệ 1:5 000 tư liệu ảnh vệ tinh độ phân giải siêu cao, Dự án SXTN, Trung tâm Viễn thám Institut Geographique National (2006), Block Adjustments Software, IGN ESPACE, Toulouse, France Institut Geographique National (2001), Logiciel DELTAMULTI, Manuel Utilisateur Version 1.0, IGN ESPACE, Toulouse, France SPOT IMAGE (2002), Spot Satellite Geometry Handbook, Toulouse, France Space Imaging (2003), RPC Block Adjustment Certification of PCI Geomatica OrthoEngine 9.0 Philip Cheng, Thierry Toutin, Yun Hang, Matthew Wood, Quickbird- Geometric Correction, Path and Block Processing and Data Fusion, Bài báo 22 ... nắn ảnh vệ tinh Xuất phát từ u cầu thực tiễn tơi chọn đề tài nghiên cứu: "Đề xuất giải pháp kỹ thuật nâng cao độ xác bình đồ ảnh vệ tinh phục vụ công tác chỉnh đồ tỷ lệ nhỏ trung bình" Mục đích... thành lập bình đồ ảnh vệ tinh phục vụ tốt cho công tác chỉnh đồ tỷ lệ nhỏ trung bình nhằm giảm bớt cơng sức chi phí cơng tác chỉnh đồ Chương 1: Tổng quan ảnh vệ tinh bình đồ ảnh vệ tinh Viễn... thám, bình đồ ảnh, bình đồ ảnh vệ tinh, bước thành lập bình đồ ảnh tư liệu ảnh vệ tinh, chủ yếu cơng đoạn nắn ảnh từ lựa chọn, đề xuất giải pháp kỹ thuật tối ưu nhằm nâng cao độ xác cơng tác thành