Đồ án Kỹ thuật nắn ảnh vệ tinh để thành lập bình đồ tỷ lệ 1 : 50.000

ử dụng các trục riêng biệt cho nhiều band phổ: 4 cho MSS và 5, 6 hoặc 7 cho TM.  Mỗi một ranh giới của một tập hợp các pixel cùng loại hay cùng một lớp phổ được xác định rõ trong hệ thống nhiều pixel của một hình ảnh, phương pháp phân loại đa phổ giải quyết việc đó bằng các thuật toán phân loại. Các phương pháp phân loại chính: Hình9 - . Nguyên tắc phân loại ảnh đa phổ. Hình 10 - Sơ đồ mô tả sự phân loại đa phổ hình 15 1- Phân loại có kiểm tra (supervice clasification): Người phân tích lựa chọn một vùng nhỏ gọi là vị trí kiểm tra (training site) hay một điểm kiểm tra. Vị trí kiểm tra thể hiện cho một tiêu chuẩn trên địa hình hay một lớp địa hình. Các giá trị phổ của mỗi pixel ở trong vị trí kiểm tra được dùng để xác định các không gian quy định cho lớp đó. Sau khi các cụm của vị trí kiểm tra được xác định thì dựa vào các chỉ tiêu đó máy tính phân loại toàn bộ các pixel còn lại trong hình ảnh. Như vậy trong phân loại có kiểm tra có một số đặc điểm sau: Các lớp đối tượng được xác định một cách rõ ràng dựa vào tính chất của đối tượng xác định trên các vị trí kiểm tra. Tuy nhiên trong thực tế khá nhiều đối tượng khác nhau song lại hiện phổ giống nhau. Bên cạnh đó có nhiều dấu hiệu phổ khác nhau song lại thuộc về một đối tượng, do đó có những ảnh hưởng khác làm thay đổi tín hiệu phổ của từng pixel . Do đó cần phải có sự phân loại bằng việc kết hợp nhiều dấu hiệu phổ thể hiện một lớp tương đối. Công vịêc này cần phải có sự hiệu biệt kỹ về từng đối tượng cần phân loại . 2 - Phân loại không kiểm tra (unsuperviced clasification): Giá trị độ sáng của pixel trên một hình ảnh MSS hay TM tối đa có thể được phân chia thành 256 cấp (0-255). Dựa vào các pixel (sử dụng hystogram)mà người ta phân tích có thể tự động hóa phân chia thành hình ảnh ra nhiều lớp đối tượng. Mỗi lớp đối tượng tương ứng với khoảng giá trị độ sáng nhất định. Số lớp đối tượng có thể là 8, 10, 12, 16,... Sự phân loại này chỉ cho thấy sự khác biệt về giá trị độ sáng giữa các nhóm pixel trên hình ảnh chứ không xác định chính xác bản chất (hay tên gọi) của chúng. Do đó sự phân loại không kiểm tra chỉ cho kiết quả có tính giả thuyết ban đấu.  I.2.3.7.4. Tạo các ảnh có sự thay đổi (change detection images). Các ảnh có sự thay đổi cung cấp thông tin về sự biến đổi theo mùa hoặc các sự thay đổi khác. Các thông tin này được tách ra bằng việc so sánh hay hoặc nhiều hình ảnh của một vùng, song được thu thập theo nhiều thời gian. Bước đầu tiên là phải xác định tọa độ của hình ảnh tại một thời điểm, trên cơ sở các điểm kiểm tra mặt đất, tiếp theo sự xác định khối lượng đó là trừ các số lượng các pixel của các ảnh thu được nhận trước hoặc sau thời điểm đó. Các giá trị sau khi trừ có thể là dương, âm hoặc bằng 0 (bằng không là không có thay đổi). Bước tiếp theo là đánh dấu các giá trị đó như một hình ảnh với độ xám trung gian thể hiện bằng 0. Màu đen và màu trắng là sự thay đổi âm cực đại hoặc dương cực đại. Phương pháp kéo giãn độ tương phản được sử dụng để nhấn mạnh sự khác biệt đó. Phương pháp này rất có ích cho việc nghiên cứu các quá trình biến đổi, trên cơ sở phân tích các tư liệu viễm thám như biến đổi nhiệt độ, biến đổi mùa màng, biến đổi lượng phù sa vùng của sông, sự thay đổi mạng lưới sông suối biến đổi diện tích của các đợn vị sử dụng đất. Để xử lý số hóa ảnh, cần thiết phải có những chương trình phần mềm (sofware) chuyên dụng. Theo kinh nghiệm hiện nay, các phần mềm giá cả hợp lý có thể ứng dụng ngay cho người sử dụng với mục đích nghiên cứu đánh giá tài nguyên mội trường và trao đổi thông tin là các phần mềm đã phổ biến trên thế giới như: ERDAS, PERICOLOR, ILWIS, ARC VIEW, PCI,... với các version khác nhau luôn được cải tiến và nâng cao. Có nhiều thuật toán phân loại khác nhau như: phân loại theo khoảng cách gần nhất, phương pháp phân loại hình hộp, phương pháp phân loại “theo người láng giềng gần nhất (Nearest Neiboughoud)”...Các thuật toán đó được sử dụng để xây dựng các modul xử lý phân loại ảnh. I.2.3. Một số tư liệu ảnh vệ tinh phổ biến ở Việt Nam Như ở trên đã nói, ứng với vùng bước sóng sử dụng ảnh viễn thám được phân ra làm 3 loại ứng với 3 loại viễn thám : ảnh đa phổ, ảnh nhiệt, ảnh rađa. Một số ảnh đa phổ hiện có: Landsat, Spot, Quickbird, Cosmos… Orbview, Ikonos... Ảnh nhiệt: NOAA Ảnh rađa: Radasat I.2.3.1. Tư liệu ảnh LANDSAT Vệ tinh Landsat của Mỹ là hệ thống vệ tinh quỹ đạo gần cực (với góc mặt phẳng quỹ đạo so với mặt phẳng xích đạo là 98.20), lúc đầu có tên là ERTS (Earth Remote Sensing Satellite), sau 2 năm kể từ lúc phóng ERTS-1 ngày 23 tháng 7 năm 1972, đến năm 1976, được đổi tên là Landsat (Land Satellite), sau đó có tên là Landsat-TM (Thematic Mapper) và Landsat – ETM (Enhanced Thematic mapper). Chương trình được thực hiện giữa Bộ nội vụ và Trung tâm nghiên cứu vũ trụ Quốc gia NASA của Mỹ. Như vậy hệ thống Landsat được phóng lên quỹ đạo lần đàu tiên năm 1972, cho đến nay đã có 6 thế hệ vệ tinh được phóng. Mỗi vệ tinh được trang bị một bộ quét đa phổ MSS, một bộ chụp ảnh vô tuyến truyền hình RBP. Hệ thống Landsat – 4,5 đựơc trang bị thêm một sồ bộ quét đa phổ TM, hệ thống Landsat 6 được trang bị thêm…………….. ETM. Tư liệu vệ tinh Landsat là tư liệu đang được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới và Việt Nam. 1. Mô hình trên quỹ đạo của Landsat: §é cao 705 km Chu kú quÜ ®¹o 98,9 phót QuÜ ®¹o vÖ tinh Gãc nghiªng 98,20 Thêi gian ngµy giê ®Þa ph­¬ng 9:45' s¸ng VÐt quÐt mÆt ®Êt Hình 11: Quỹ đạo đồng bộ mặt trời của vệ tinh Landsat- 4,5 ( Phỏng theo sơ đồ của NASA) 2. Thông số kỹ thuật của các vệ tinh Landsat - Bảng 3 – các thông số kỹ thuật của ảnh vệ tinh Landsat - Bảng 4 - Hệ thống các thiết bị thu và tính chất cơ bản của Landsat: 3. Ảnh của vệ tinh Landsat có các đặc điểm sau: Ảnh Landsat có kích thước 185 × 185 Km Vị trí mỗi cảnh của vệ tinh Landsat được xác định theo sơ đồ: Số thứ tự hàng (row) Số thứ tự tuyến bay (path) Các ảnh Landsat có ở Việt Nam: Hình 12 - Các ảnh Landsat có ở Việt Nam I.2.3.2. Tư liệu ảnh SPOT Hình 13 - Vệ tinh SPOT Vào năm 1986, cơ quan hàng không Pháp đã phóng vệ tinh Spot (Systeme Protatoire d’ Observation De La Terre), trên cơ sở tên lửa phóng của Mỹ đặt ở Guyana thuộc Pháp. 1. Quỹ đạo: Độ cao quỹ đạo của Spot là 932 km và quỹ đạo đồng trục tương tự như Landsat. Các quỹ đạo cắt ở vĩ độ 400 Bắc vào 10h sáng theo giờ điạ phương, các bức ảnh chụp mặt đất được lặp lại sau 26 ngày. 2. Bộ cảm:  Spot có sử dụng hệ thống tạo ảnh nhìn thấy có độ phân giải cao (high resolution visible - HRV). Đó là hệ thống quét vệt dọc. Đặc điểm đầu thu HRG: Có khả năng nghiêng về 2 phía tối đa là 27độ theo hướng thẳng góc với dải bay Đầu thu HRG có trường nhìn là 4 độ tương ứng với độ rộng 60km trên mặt đất Hai đầu thu thường hoạt động độc lập với nhau Các độ phân giải phổ và không gian: Toàn sắc : 0.49 – 0.69 μm 5m Đa phổ : Kênh 1 0.50 – 0.59 μm 10m Kênh 2 0.61 – 0.68 μm 10m Kênh 3 0.79 – 0.89 μm 10m Thực phủ: 1.58 – 1.75 μm 20m Đặc điểm của đầu thu HRS Độ rộng dải bay: 120 km Không có khả năng xoay về 2 phía của dải ba Độ phân giải ảnh chụp: 10m, toàn sắc (0.49 – 0.69 μm) Có khả năng xoay về phía trước và phía sau của dải bay góc tối đa là 200, cho phép thu được cặp ảnh lập thể gần như tức thời trên cùng dải bay Độ chính xác của mô hình số địa hình tạo ra là 15m hoặc cao hơn Ảnh Spot cho khả năng nhìn lập thể rõ, sự phóng đại chiều cao khá lớn. Các trạm thu ảnh Landsat TM có thể thu ảnh Spot. Cho đến nay đã có 5 thế hệ Spot được phóng lên quỹ đạo. Tư liệu vệ tínhPOT là tư liệu viễn thám hiện đang được sử dụng rộng rãi trên thế giới và Việt Nam 3.Đặc tính cơ bản của hệ thống Spot Bảng 5. Đặc điểm hệ thống chụp ảnh vùng nhìn thấy có độ phân giải cao của SPOT. Các band Đa phổ Toàn sắc (panchomatic) Xanh lá cây 0,5 - 0,59 mm 0,51 - 0,73 mm Đỏ 0,61 - 0,68 mm Hồng ngoại phản xạ 0,79 - 0,89 mm Góc nhìn 4013 4013 Độ phân dải mặt đất (cell) (tại tâm điểm) 20 ´ 20 m 10 ´10 m Số dector trên 1 band 3.000 6.000 Dải rộng mặt đất nhìn tại tâm 60 km 60 km Độ phủ dọc 117 km 117 km Độ phủ bên 3 km 3 km Độ cao vệ tinh 932 km Hệ thống Spot – XS gồm 4 kênh đa phổ (độ phân giải 10m) và 1 kênh toàn sắc (độ phân giải 5m) Sensor thực vật độ phân giải 1km thu hàng ngày Độ phân giải 2.5m bằng cách quét với 2 Sensor lệch nhau ½ pixel với 2 kênh toàn sắc 0.48 – 0.71,độ phân giải 5m gộp lại Cảnh Spot: Độ rộng: 60 km × 60 km Các kênh phổ: Panchromatic (toàn sắc): 0.51 – 0.73 μm Đa phổ: - XS1: 0.50 – 0.59 μm (sóng xanh lá cây) - XS2: 0.61 - 0.68 μm (sóng đỏ) - XS3: 0.79 – 0.89 μm (sóng cận hồng ngoại) - XI (sóng hồng ngoại ngắn SWIR) Độ phân giải: Pan: 10m, 5m. Super mode: 2.5m XS : 20m, 10m Hình 14 - Ảnh vệ tinh Spot 3 khu vực Hà Nội chụp tháng 10 – 1995 (độ phân giải 20m) Ảnh vệ tinh Spot 5 chụp ngày 11-10-2002 (độ phân giải 5m) I.2.2.3. Tư liệu COSMOS Tư liệu vệ tinh Cosmos là tư liệu viễn thám được sử dụng rộng rãi trên thế giới va ở Việt Nam. Ảnh vệ tinh của Liên Xô có hai loại: 1. Ảnh có độ phân giải cao: Độ cao bay chụp là: 270 km Tiêu cự máy chụp: f = 1000 mm Kích thước ảnh: 30 × 30 cm Độ phân giải mặt đất: 6 – 7 m Chụp ở hai kênh phổ Độ phủ dọc > 60% 2. Ảnh có độ phân giải trung bình: Độ cao bay chụp: 250 km Tiêu cự máy chup: f = 200 m Kích thước ảnh: 18 × 18 cm Độ phân giải mặt đất: 30m Chụp ở ba kênh phổ: 510 – 600 μm 600 - 700 μm 700 - 850 μm Độ phủ dọc > 60% Kết quả của việc thu nhận ảnh từ vệ tinh hay máy bay ta sẽ có những tắm ảnh ở dạng tương tự hay dạng số, lưu trữ trên phim hoặc trên băng từ I.2.2.4. Tư liệu Quickbird Hình 15- Vệ tinh Quickbird 1. Vệ tinh Quickbird được phóng lên vũ vào ngày 18 tháng 10 năm 2001, là hệ tạo ảnh vệ tinh thứ hai sau Ikonos cho ra ảnh có độ phân giải cao so với ảnh chụp photos. Nó cho ra khả năng cao nhất về độ phân giải. Từ khi phóng thành công vệ tinh Quickbird Digital Globe và có thể thu nhận được dữ liệu, ảnh Quickbird nhanh chóng được đưa ra sử dụng một cách phổ thông và rộng rãi để thành lập bản đồ tỉ lệ lớn bằng dữ liệu vệ tinh phân giải cao. Lần đầu tiên vệ tinh cho ra ảnh toàn sắc Panchromatic và ảnh đa phổ Multispectral với độ phân giải 61 – 72 cm và 2.44 – 2.88 m, phụ thuộc vào hình ảnh nadir thu nhận được với góc (0 - 25º). Bởi thế các đầu thu (sensor) có thể phủ chum độ rộng từ 16.5 – 19 km trong khi quét vuông góc với hướng chuyển động của vệ tinh (across-track diretion).Thêm vào đó, theo hướng dọc (along-track) và hướng ngang (across-track) có thể cung cấp một cặp ảnh lập thể với tần suất chụp lặp từ 1 -3.5 ngày. Kết quả, dữ liệu có thể có nhiều khuôn dạng khác nhau, dữ liệu thô(Basic Imagẻy),. loại này được bảo toàn thông số hình học của vệ tinh, loại dữ liệu này được quan tâm hơn trong Trắc địa ảnh, cụ thể là tăng dày, đo vẽ và thành lập bản đồ. Sử dụng loại dữ liệu thô này cho kết quả độ chính xác hiệu chỉnh hình học cao và sản phẩm về ảnh phổ tốt hơn nhiều. 2. Các đặc điểm của Quickbird - bảng 7 Ngày phóng 18 tháng 10 năm 2001 Thiết bị phóng Boeing Delta II Địa điểm phóng Vandenberg Air Force Base, Caliornia Độ cao quỹ đạo 450 km Góc nghiêng quỹ đạo 972º, đồng bộ mặt trời Tốc độ 7.1 km/s Thời gian cắt qua xích đạo 10h30' sáng (điểm đi xuống) Thời gian hoàn thành một quỹ đạo 93.5 phút Thời gian lặp lại một vị trí 1 – 3.5 ngày phụ thuộc vĩ độ (30º tính từ điểm thiên đế) Độ rộng dải quét 16.5 km × 16.5 km tại điểm thiên đế Độ chính xác tính theo hệ mét 23 m mặt phẳng (theo tieu chuẩn CE 90) Dữ liệu số 11 bits Độ phân giải Ảnh đen trắng 61 cm (tại điêm thiên đế) đến 72 cm (25º tính từ điểm thiên đế) Ảnh đa phổ 2.44 m đến 2.88 m tương ứng Các kênh ảnh Đen trắng (pan):450 – 900 nm Lam (blue): 450 – 520 nm Lục (green): 520 – 600 nm Đỏ (red): 630 – 690 nm Cận hồng ngoại (NIR): 760 – 900 nm § I.3. Khả năng thành lập bản đồ bằng ảnh vệ tinh Ưu thế của công nghệ viễn thám so với phương pháp truyền thống là ảnh chụp phủ trên vùng rộng với chu kỳ lặp rất ngắn (tối đa 26 ngàytuỳ thuộc vệ tinh), đối tượng được thể hiện trên ảnh rõ rang (tuỳ thuộc vào độ phân giải ảnh). Thông thường, dữ liệu viễn thám sau khi xử lý sẽ được chuyển về các dạng dữ liệu đồng nhất với các dữ liệu sẵn có trong cơ sở dữ liệu GIS (khuôn dạng và toạ độ tham chiếu trong GIS), từ đó có thể chồng lớp chính sác lớp raster (ảnh viễn thám) với các lớp dữ liệu vector (đang được lưu trữ và cần được cập nhật trong GIS). Điều này giúp tiết kiệm chi phí rất nhiều khi tích hợp hai công nghệ trong việc cập nhật dữ liệu không gian. Có thể nói rằng đây là phương pháp rẻ và nhanh nhất để thu được thông tin mới nhất trên một khu vực rộng lớn. Ảnh vệ tinh được sử dụng như ảnh nền, sử dụng các công cụ để đo vẽ điểm, đường thảng gấp khúc, đa giác bất kỳ…để cập nhật hoặc thành lập mới các lớp dữ liệu không gian tương ứng. I.3.2. Mối liên hệ giữa độ phân giải và tỷ lệ bản đồ Công thức liên hệ ? Độ phân giải không gian của một số Sensor hiện nay Độ phân giải (m) Tỷ lệ bản đồ phù hợp 1 × 1 1 : 5.000 2 × 2 1 : 10.000 10 × 10 1 : 50.000 30 × 30 1 : 150.000 100 × 100 1 : 500.000 500 × 500 1 : 2.500.000 Bảng 8 - Mối quan hệ giữa độ phân giải không gian và tỷ lệ bản đồ Trong những năm trở lại đây, ảnh vệ tinh có độ phân giải cao như Ikonos, Quickbird, Orb View (Mỹ), Alos (Nhật), Irs (Ấn Độ), Spot (Pháp)vv.. đang là đề tài nghiên cứu ứng dụng sôi động trên phạm vi toàn thế giới. Xu thế sử dụng ảnh vệ tinh phân giải cao ngày càng cạnh tranh mạnh mẽ với ảnh số hàng không, trong đố có sản phẩm bản đồ trực ảnh được nắn từ ảnh vệ tinh độ phân giải cao. Để có được bản đồ trực ảnh từ dữ liệu là ảnh vệ tinh phân giải cao, chúng ta phải tiến hành nắn chỉnh hình học ảnh gốc và hiệu chỉnh, xử lý phổ tấm ảnh đó. Quá trình nắn ảnh viễn thám giữ một vai trò quan trọng trong công nghệ xử lí ảnh viễn thám. Việc nắn chỉnh này sẽ giúp chúng ta hoàn thiện các quá trình xử lí gia công các thông tin trong bài toán phân loại ảnh, thành lập hoặc hoàn hiện chỉnh bản đồ, chồng xếp các thông tin bản đồ chuyên đề, xây dựng cơ sở dữ liệu trong hệ thống thông tin địa lí… Chương 2: NẮN CHỈNH HÌNH HỌC ẢNH VỆ TINH Biến dạng hình học của ảnh đựơc hiểu như sự sai lệch vị trí giữa toạ độ ảnh thực tế (đo được) và toạ độ ảnh lý tưởng được tạo bởi bộ cảm có thiết kế hình học chính xác và trong các điều kiện thu nhận lý tưởng, nhằm loại trừ sai số giữa toạ độ ảnh thực tế và toạ độ ảnh lý tưởng cần phải tiến hành hiệu chỉnh hình học. Sự cần thiết của việc hiệu chỉnh hình học ảnh viễn thám? Do bản chất của các phương pháp thu chụp ảnh của các camera/sensor trên máy bay/ vệ tinh nên hình ảnh của mặt đất nhận được trên các tấm ảnh còn chứa nhiều sai số. Các băng ảnh của mỗi cảnh ảnh vệ tinh cần phải được xử lý hiệu chỉnh để khớp, chỉnh để có thể đưa ra hình ảnh chân thực, chính xác nhất, phục vụ cho các công việc nghiên cứu trên nó tốt hơn. Các đối tượng được nghiên cứu trên tư liệu ảnh viễn thám cần phải được chỉ ra vị trí chính xác của chúng trong một hệ tọa độ tham chiếu xác định. § II.1. Nguyên nhân làm cho biến dạng ảnh vệ tinh II.1.1. Các nguyên nhân gây sai số méo hình của ảnh vệ tinh: Các sai số làm méo hình ảnh viễn thám có thể được chia thành hai nhóm là sai số méo hình hình học của chính hệ thống Sensor và sai số méo hình do ảnh hưởng của các yếu tố bên ngoài hệ thống. 1. Sai số méo hình hình học của hệ thống Sensor: Sai số này phát sinh chủ yếu do có sự thay đổi trong hoạt động của Sensor như các méo hình quang học của Sensor, sự thay đổi tốc độ quét tuyến tính và sự lặp lại của các đường quét. Ảnh hưởng của các sai số này khi kiểm định thường rất nhỏ so với các sai số ảnh hưởng của các yếu tố bên ngoài. Vì thế, trong một chừng mực nào đó chúng ta không cần thiết phải quan tâm đến yếu tố này. 2. Sai số do các yếu tố bên ngoài: Chủ yếu gây ra do sự thay đổi của các nguyên tố định hướng ngoài (vị trí quĩ đạo của Sensor), khúc xạ khí quyển, độ cong của quả đất, chênh cao địa hình…ảnh hưởng hầu hết của các loại sai số này tương tự như trong ảnh hàng không, tuy nhiên trong viễn thám một số sai số này có tính khác biệt… Khi nhận ảnh thẳng đứng, hình ảnh tạo ra cho từng hệ thống Sensor sẽ có khuôn mẫu hình học khác nhau, các khuôn mẫu này phụ thuộc vào máy chụp ảnh sử dụng. Do đó sự méo hình sẽ có quan hệ tương xứng với khuôn dạng hình học tạo ảnh. Sự méo hình toàn cảnh (méo hình tổng hợp) thể hiện như hình vẽ. Hình 16 – Méo hình tổng hợp II.1.2. Một số yếu tố gây nên biến dạng hình học ảnh vệ tinh Do chuyển động của vệ tinh, sai lệch quỹ đạo, sai lệch vận tốc… Do bản thân camera: sai số của thiết bị điện tử, sai số kiểm định các yếu tố định hướng ngoài… Do việc ghi liên tục trên quỹ đạo, do cá góc nghiêng, xiên của vệ tinh… Do chuyển động xoay của Trái đất Do độ cong Trái đất, do địa hình thay đổi Do chiết quang khí quyển Do phép chiếu bản đồ. II.1.3. Một số dạng méo hình của ảnh vệ tinh Méo hình do bản thân bộ cảm biến của vệ tinh: Méo hình do các yếu tố bên ngoài Hình 17 - Một số dạng méo hình của ảnh vệ tinh II.1.4. Bản chất của hiệu chỉnh hình học ảnh vệ tinh Hiệu chỉnh hình học phải được thực hiện để loại trừ sự biến dạng về mặt hình học của ảnh. Như vậy, hiệu chỉnh biến dạng hình học của ảnh là quá trình chuyển các điểm trên ảnh bị biến dạng về toạ độ thực của chúng trong hệ toạ độ mặt đất và được hiểu như quá trình xử lý nhằm loại bỏ sai số nội sai gây bởi tính chất hình học của bộ cảm và ngoại sai gây bởi vị thế của vật mang và sự thay đổi của địa hình. Như vậy, sau quá trình xử lý về mặt hình học, ảnh thực tế (thu được) sẽ không còn bị biến dạng và kết quả nhận được giống như ảnh lý tưởng được tạo bởi một bộ cảm có thiết kế hình học chính xác và thu nhận ảnh trong các điều kiện lý tưởng. Những biến dạng hình học cần phải được loại trừ trước khi đưa ảnh vào sử dụng để: Xác định toạ độ của các đối tượng (điểm, đường, vùng) hoặc tạo ảnh lập thể. Chồng các ảnh với nhau để tích hợp trong xử lý và phân tích ảnh. Hiển thị ảnh trong môi trường GIS, thông thường để tạo ảnh nền cho các dữ liệu vector trong GIS đòi hỏi ảnh vệ tinh phải được đăng ký theo toạ độ được sử dung bởi GIS. Như vậy bản chất của hiệu chỉnh hình học là xây dựng mối tương quan giữa hệ toạ độ ảnh và hệ toạ độ quy chiếu chuẩn (có thể là hệ toạ độ mặt đất vuông góc hoặc địa lý) dụa vào các điểm khống chế mặt đất, vị thế của sensor, điều kiện khí quyển… Hay nói một cách cụ thể, hiệu chỉnh hình học: Là một trong những bước xử lý ảnh cơ bản để phục vụ các công việc chiết tách thông tin tiếp theo. Loại bỏ các sai số méo hình (tùy theo các mức độ xử lý) Đăng ký tấm ảnh về một hệ tọa độ tham chiếu xác định. Công việc này được thực hiện qua việc áp dụng các mô hình toán học, các điểm khống chế mặt đất và mô hình số độ cao. Trong đo ảnh, viễn thám, hiệu chỉnh hình học ảnh ở những mức cao nhất cũng còn gọi là nắn ảnh và nắn ảnh trực giao. §II.2. Nguyên lý chung để nắn chỉnh ảnh vệ tinh II.2.1. Nguyên lí nắn ảnh số chung Ảnh số có thể xem như là mảng giá trị độ xám được lưu trữ trong máy tính, vì vậy việc nắn chỉnh ảnh số là sự thay đổi vị trí của các con số này và hiển thị lại giá trị độ xám của các pixel nằm trong mảng sắp xếp của ảnh số. Sự biến đổi này dụa trên hàm số chuyển đổi toạ độ tức là phải xác định mối quan hệ hình học giữa ảnh gốc và ảnh sau khi nắn và các phương pháp tái chia mẫu được lựa chọn thích hợp. Trong nắn chỉnh hình học ảnh số, vấn đề đầu tiên cần phải xác định là mối quan hệ hình học giữa ảnh gốc và ảnh sau khi nắn. Giả sử rằng toạ độ của pixel P nào đó trước và sau khi nắn là (x,y) và (X,Y) chúng ta sẽ có quan hệ hàm số sau: Xp = Fx(xp,yp) Yp = Fy(xp,yp) ( * ) Và xp = fx(Xp,Yp) yp = fy(Xp,Yp) ( * * ) Hàm số * tương đương với nắn ảnh trực tiếp. Theo phương pháp này đầu tiên tính toạ độ (X,Y) của điểm ảnh trên ảnh nắn từ toạ độ (x,y) trên ảnh gốc. Ngay sau khi tính chuyển , giá trị độ xám của pixel đó sẽ được gán từ giá trị nội suy theo các phương pháp tái chia mẫu thích hợp. Hàm số * * tương ứng với phương pháp nắn ảnh gián tiếp. Ngược với phương pháp nắn ảnh trực tiếp, phương pháp này lấy ảnh nắn làm cơ sở cho sự lựa chọn. Đối với từng pixel trong ảnh nắn, việc hiệu chỉnh vị trí của chúng trong ảnh gốc cần phải được tính toán trước tiên thông qua hàm số chuyển đổi * *. Theo vị trí tính toán được chỉ ranhờ toạ độ (X,Y) thì giá trị độ xám có thể nhận được từ ảnh gốc và từ đó gán sang pixel vừa gán được trong ảnh nắn. Các hàm số Fx, Fy hoặc fx, fy thường là các biểu thức toán học của hình học chiếu hoặc đa thức. Khi nắn chỉnh hình học ảnh số (tức là vị trí hình học của các pixel đã thay đổi), nếu chúng ta muốn biết các giá trị độ xám của các pixel thì cần lấy lại mẫu lần nữa trên cơ sở đã lấy lại mẫu trước đây trên ảnh gốc. Các hàm số thường được sử dụng trong thực tế để nội suy lại giá trị độ xám của các pixel là hàm song tuyến, hàm bậc ba… Trong nắn ảnh vệ tinh, chênh cao địa hình trên ảnh rất nhỏ so với độ cao bay của vệ tinh, vì vậy ta có thể sử dụng các hám số trên làm cơ sở để giải bài toán nắn ảnh. Tuy nhiên, khi nắn ảnh đòi hỏi độ chính xác cao, ngoài ảnh hưởng của chênh cao địa hình, chúng ta còn quan tâm đến ảnh hưởng của độ cong Trái đất. Vì vậy, ngoài các yếu tố định hướng của ảnh, chúng ta cần có số liệu độ caocủa vùng cần nắn DEM sử dụng trong mô hình nắn. Khi đó ta sử dụng phương trình biến đổi hình học tương ứng (phương trình đồng phương) để thực hiện chuyển đổi giữa toạ độ (x,y) của ảnh gốc và (X,Y) của ảnh nắn với độ cao Z của chúng. Vì khối lượng tính toán đòi hỏi rất lớn nên ta có thể chia nhỏ ảnh để thực hiện. Đối với 4 điểm nằm ở 4 góc vùng nắn được chia nhỏ, ta sử dụng phương trình thay đổi hình học chiếu chặt chẽ, ngược lại đối với các điểm nắn khác lúc đó ta có thể sử dụng đa thức đơn giản để tính toán. II.2.2. Đối với ảnh viễn thám Dựa trên cơ sở mô hình toán học được sử dụng, các phương pháp nắn ảnh số có thể được chia làm hai nhóm là phương pháp sử dụng thông số và không sử dụng thông số. Phương pháp sử dụng thông số là phương pháp sử dụng phương trình số hiệu chỉnh. Phương trình này dựa trên cơ sở phương trình tạo ảnh hình học của hệ thống Sensor. Trong khi đó, phương pháp không sử dụng thông số bỏ qua vấn đề tạo ảnh hình học mà chỉ mô tả sự méo hình của chính bản thân tấm ảnh theo đa thức và phương pháp nội suy trong lĩnh vực xác suất thống kê. § II.3. Mô hình toán học II.3.1. Một số mô hình toán học Để hiệu chỉnh hình học ảnh vệ tinh phân giải cao, phép chiếu hình, góc nghiêng, vệt quét, điều kiện khí quyển, độ cong trái đất, chênh cao địa hìnhvv…chính là nguyên nhân gây biến dạng ảnh vệ tinh. Rất cần thiết để hiệu chỉnh biến dạng này trước khi sử dụng nó. Độ chính xác khi dung các ảnh vệ tinh phân giải cao sẽ phù hợp với việc thành lập bản đồ tỷ lệ lớn. Trước đây, điều này đã được xem xét đến, khi mà các thông số của quĩ đạo còn chưa biết rõ. Sử dụng mô hình toán học để bù đắp lại và hiệu chỉnh sự méo hình, phương pháp này được gọi là phương pháp loại bỏ méo hình hình học. Nó không quan tân đến tất cả các nguồn gây méo mó hình ảnh nhưng nó rất cần kết hợp với các điểm khống chế mặt đất. Chính điều này tạo nên các công đoạn hiệu chỉnh hình học dễ dàng hơn khi không đủ các thông số. Một vài trường hợp biến đổi 2D hay 3D được sử dụng số lượng điểm khống chế khác nhau. Sử dụng mô hình toán học này cùng cung cấp đầy đủ thông tin về ảnh hưởng của độ cao bề mặt Trái đất đến ảnh nắn. Có thể áp dụng nhiều mô hình toán học sau: II.3.1.1. Phương pháp mô hình vật lý Mô hình vật lý: Dựa trên các thiết bị GPS gắn trên vệ tinh, bộ theo dõi sao, thiết bị hồi chuyển… có thể xác lập được các mối quan hệ toán học giữa: Toạ độ cục bộ của thiết bị chụp Vị trí vệ tinh Hệ tọa độ điều khiển vệ tin Hệ tọa độ tham chiếu; hệ tọa độ trắc địa; lưới chiếu bản đồ và các điểm khống chế mặt đất. Tuy nhiên, vì nhiều lý do mà hầu hết các nhà cung cấp ảnh không công khai, hoặc cung cấp dữ liệu về mô hình vật lý thu chụp ảnh cho khách hàng. Riêng nhà cung cấp ảnh SPOT cung cấp dữ liệu này công khai cho khách hàng. 2. Các kiểu mô hình vật lý: 1 – Mô hình 1 cảnh: Là mô hình cho từng cảnh riêng (60 km × 60 km) 2 – Mô hình theo dải: Mô hình gắn kết các cảnh chụp cùng thời điểm trong dải bay. Có thể gắn 9 cảnh trong 1 dải (60 km × 540 km) 3 – Mô hình khối: Mô hình này gắn kết các dải và cảnh chụp các thời điểm khác nhau - Ưu điểm: Số lượng điểm khống chế cần tối thiểu Độ chính xác cao trong khu vực rộng lớn - Nhược điểm: Cần thiết bị phần cứng và phần mềm chuyên dụng (đắt tiền) Minh hoạ mô hình hình học ảnh vệ tinh Z X Y L T V R S G Giá trị T, L, R xác định trong hệ toạ độ địa tâm G (X,Y,Z) Hệ toạ độ quỹ đạo cục bộ (T,L,R) Hình 18 : Hệ toạ độ địa tâm và hệ toạ độ quĩ đạo cục bộ Y Z X h j l l’ h’ j’ Y Z p 0 0 q L T R Z X Y L T V R S G Toạ độ ảnh trong hệ toạ độ cuc bộ LRT Hệ toạ độ địa tâm XYZ Hệ toạ độ trắc địa λ . φ . h Hệ toạ độ bản đồ x y Z (Z: độ cao Geoid) II.3.1.2. Phương pháp mô hình tham số / mô hình chặt chẽ: Dựa trên điều kiện cơ bản của đo ảnh, đó là sự đồng tuyến của các véc-tơ điểm địa vật và điểm ảnh trên mỗi đường ảnh của đầu thu CCD. X’ = 3