Đề tài 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 chụ