Thành lập bản độ địa hình tỷ lệ trung bình bằng công nghệ ảnh số

đồ án tốt nghiệp bộ môn trắc địa ảnh Chơng II công nghệ thành lập bản đồ địa hình bằng phơng pháp đo ảnh số 2.1 Khái niệm về ảnh số ảnh số đợc tạo bởi mảng 2 chiều của các phần tử ảnh có cùng kích thớc đợc gọi là pixel. Mỗi pixel đợc xác định bởi toạ độ hàng (m), cột (n) và giá trị độ xám (g) của nó là g (m, n) biến đổi theo toạ độ điểm (x, y). Toạ độ hàng và cột của mỗi pixel dều là các số nguyên. Còn giá trị độ xám của pixel nằm trong thang độ xám từ 0 đến 255 (thang độ xám có 256 bậc theo đơn vị thông tin là 8 bit). Toạ độ số hoá chỉ là các giá trị rời rạc m, n và đợc biểu thị : x = x0 + m.x y = y 0 + n.y (2.1) Trong đó : m = 0,1,...M n = 0,1,...N y , là bớc nhảy số hoá. x y Khi lấy x = và m = n chỉ ra các giá trị rời rạc đợc gắn vào các giá trị độ xám g (m, n) tơng ứng của các pixel, lúc đó chúng ta nói rằng ảnh dợc lấy mẫu (Sampling) và các giá trị độ xám của nó đợc lợng tử hoá. Nh vậy, ảnh số là tập hợp các điểm ảnh rời rạc với vị trí m, n (hoặc x, y) và giá trị độ xám tơng ứng với từng điểm ảnh. Các phần tử của ma trận độ xám g (m, n) có dạng: g(0, 1) g(0, N - 1) g(0, 0) g(1, 0) g(1, 1) g(1, N - 1) . g(M - 1, 0) g(M - 1, 1) g(M - 1, N - 1) (2.2) Trong đó, mỗi pixel có độ xám g và có vị trí tính theo hàng m, cột n. Đối với ảnh vệ tinh dạng số thì mỗi phần tử ảnh của pixel thể hiện một khu vực bề mặt trên trái đất. Giá trị độ xám của pixel đợc tính bằng giá trị trung bình của độ SV: chu thế mạnh 11 Lớp LT Trắc địa A K3 đồ án tốt nghiệp bộ môn trắc địa ảnh phản xạ phổ của toàn bộ khu vực nằm trong phạm vi của pixel. Ta có thể thu đợc ảnh số nhờ các thiết bị số hoá mà cụ thể là máy quét ảnh. Quá trình số hoá bao gồm 2 vấn đề quan trọng đó là định mẫu ảnh và lợng tử hoá hình ảnh, hay có thể nói rằng: Quá trình số hoá = quá trình định mẫu + quá trình lợng tử hoá Quá trình định mẫu ảnh đợc sử dụng để tạo ra sự rời rạc hoá không gian hình học liên tục của ảnh. Thông thờng nó đợc thực hiện nhờ hệ thống quang học với kích thớc nào đó dã đợc chọn chuyển động dọc theo đờng quét trên tấm ảnh, cũng tại thời điểm đó nó tiến hành đo, ghi (thời gian đã dợc định trớc hoặc độ dài của bớc nhảy) phản xạ hoặc bức xạ giá trị độ đen của từng vùng với đối tợng tơng ứng. Việc định mẫu ảnh cho từng vị trí cửa mở của hệ thống quang học là giá trị thich hợp của toàn giá trị độ đen trong khoảng cửa mở (kích thớc). Theo luật định mẫu, bớc nhảy định mẫu lý tởng T thoả mãn điều kiện: T l 2 fc (2.3) Trong đó: fc là tần số cao nhất của phép biến đổi FURIER của việc định mẫu ảnh, tức là tần số cắt. Quá trình lợng tử hoá đợc sử dụng để tạo ra sự rời rạc không gian độ đen liên tục của ảnh. Lợng tử hoá có thể thực hiện bằng 2 phơng pháp là tuyến tính hoặc không tuyến tính. Lợng tử hoá cho ta các giá trị độ xám tại vị trí đợc số hoá thành các mức độ xám với các khoảng nhảy bằng nhau. I=2M (2.4) Với M= 1,2,...,8 là số đợc lấy cho bậc độ xám Với M = 1 thì ta có 2 mức độ xám trắng và đen. Với M = 8 thì ta có 256 mức độ xám, nh vậy khoảng dao động của mức độ xám từ 0 đến 255. ảnh đen trắng chỉ bao gồm hai màu đen và trắng. Ngời ta phân sự biến đổi đó thành I mức. Nếu I = 2, nghĩa là chỉ có hai mức 0 và 1 còn gọi là ảnh nhị phân với mức 1 tơng ứng với màu trắng và mức 0 ứng với màu đen. ảnh nhị phân khá đơn giản, các phần tử ảnh có thể coi nh các phần tử logic. Nếu I >2 ta có ảnh đa cấp xám. Việc xác định số mức phụ thuộc vào tiêu chí lợng tử hóa, I thờng chọn là 32, 64, 128 và 256 . SV: chu thế mạnh 12 Lớp LT Trắc địa A K3 đồ án tốt nghiệp bộ môn trắc địa ảnh Với ảnh nhị phân, mỗi pixel mã hoá trên 1 bit, ảnh 256 mức mã hoá trên 8 bit (1 by). Các bậc độ xám này có thể lu trữ dới dạng một byte nên chúng có rất nhiều thuận lợi trong quá trình xử lý ảnh số. Kích thớc của file ảnh đợc tính bằng tích số hàng với số cột và số bit đợc dùng mã hoá cho một pixel. ảnh màu là ảnh tổ hợp từ ba màu cơ bản là đỏ, lục và lơ đợc thu nhận trên các dải băng tần khác nhau. Mỗi pixel ảnh màu gồm ba thành phần nh trên. Mỗi màu cũng phân thành I cấp khác nhau ( thờng là 256). Do vậy, để lu trữ ảnh màu, ngời ta lu trữ từng màu riêng biệt, mỗi màu lu trữ nh một ảnh đa cấp xám. Vì vậy, không gian nhớ dành cho một ảnh màu lớn gấp ba lần một ảnh đa cấp xám cùng kích thớc. Hàm số độ đen xác suất về sai sót khi lợng tử hoá đợc lấy đồng nhất: 0,5 tức là: P(x) = 1 -0,5 X + 0,5 (2.5) =0 Các giá trị khác Và gía trị trung bình của chúng là P = 0 có phơng sai là: à = ( x à) P ( x)dx = 2 1 2 0,5 0 , 5 x 2 dx = 1 2 (2.6) Ngoài ra, ảnh số có thể thu nhận trực tiếp nhờ hệ thống Sensor đặt trên các thiết bị bay. Phơng thức thu trực tiếp này đợc sử dụng trong kĩ thuật viễn thám nh hệ thống MSS, TM đặt trên vệ tinh Lansat của Mỹ hoặc hệ thống CDD đặt trên vệ tinh Spot của Pháp. ảnh thu đợc sau quá trình số hoá đợc lu lại cho các quá trình xử lý tiếp theo hay truyền đi. Cho đến nay, có rất nhiều kỹ thuật xử lý ảnh, tồn tại nhiều định dang khác nhau nh ảnh đen trắng IMG, ảnh đa cấp xám, ảnh màu nh BMP, GIF, JPEG. Mặc dù các định dạng này là khác nhau, nhng chúng cũng tuân theo một cấu trúc chung nhất định. Bao gồm 3 phần: Đầu tệp (header) chứa các thông tin về kiểu ảnh, kích thớc, độ phân giải, số bit dùng cho 1 pixel, cách mã hoá, vị trí bảng màu. Kích thớc phần header phụ thuộc vào kiểu định dạng ảnh. Dữ liệu nén (Data Compression) là số liệu ảnh đã đợc mã hoá bởi kiểu mã hoá chỉ ra trong header. Bảng màu (Palette Color) chỉ ra số màu dùng trong ảnh và đợc sử dụng để hiện ảnh (bảng màu có thể không nhất thiết phải có) SV: chu thế mạnh 13 Lớp LT Trắc địa A K3 đồ án tốt nghiệp bộ môn trắc địa ảnh Do dung lợng file ảnh rất lớn, nên ngời ta đã nghiên cứu và đa ra kỹ thuật nén dữ liệu ảnh - đó là quá trình làm giảm lợng thông tin d thừa trong dữ liệu gốc và kết quả là lợng thông tin thu đợc sau khi nén thờng nhỏ hơn dữ liệu gốc rất nhiều. Với dữ liệu ảnh, kết quả nén thờng là 10:1. Nếu sử dụng kỹ thuật nén Fractal thì tỷ số nén có thể lên tới 30:1. Ngoài thuật ngữ nén dữ liệu ngời ta còn có các tên gọi khác nh giảm độ d thừa, mã hoá ảnh gốc. Cho tới nay có rất nhiều phơng pháp nén đã và đang đợc nghiên cứu sử dụng và phân chia thành các nhóm lớn nh nén không mất mát thông tin (tức là các phơng pháp nén mà sau khi giải nén ta thu đợc chính xác dữ liệu gốc) và nén có mất mát thông tin (tức là các phơng pháp nén mà sau khi giải nén ta không thu đợc dữ liệu nh bản gốc). ảnh số có những u nhợc điểm sau: u điểm - Đễ sao chép, dễ nhân bản, dễ bảo quản. - Có thể đợc sử dụng để giải đoán tự động và bán tự động. - Dễ dàng thay đổi, tăng cờng chất lợng hình ảnh (Histogram). - Có thể cho giá trị toạ độ và độ xám trực tiếp. - Có thể trực tiếp tích hợp các dữ liệu khác (dạng raster và vector). - Có thể hiển thị ở rất nhiều tỷ lệ bằng Zoom in và Zoom out mà không làm giảm chất lợng ảnh. Nhợc điểm - ảnh phân giải cao đòi hỏi bộ nhớ lớn. - Cần có máy tính màn hình đồ hoạ chất lợng tốt và phần mềm chuyên dùng. - Bị giới hạn bởi kích thớc màn hình. - Chuyển sang dạng tơng tự cần có máy in đắt tiền. 2.2 Hệ thống trạm đo vẽ ảnh số Quá trình phát triển của đo vẽ ảnh số có liên quan mật thiết tới quá trình thiết kế, chế tạo và khả năng của các hệ thống đo vẽ ảnh số. Hệ thống đo vẽ ảnh số đợc định nghĩa là phần cứng và phần mềm để thu đợc các sản phẩm đo vẽ từ ảnh số thông qua việc áp dụng các kỹ thuật tự động, bán tự động và thủ công. Cấu trúc của hệ thống đo vẽ ảnh số đợc mô tả nh sau: SV: chu thế mạnh 14 Lớp LT Trắc địa A K3 đồ án tốt nghiệp ảnh chụp A/D A Máy quét Raster ảnh của máy ảnh D số ảnh số chụp từ vệ tinh bộ môn trắc địa ảnh Bản đồ và ảnh trực giao trên giấy D/A D Trạm D Máy in Raster hoặc phim đo vẽ ảnh số D D Hệ thống bản đồ số hoặc GIS/LIS Hình 2,1 Hệ thống đo vẽ ảnh số Hình trên thể hiện sơ đồ của hệ thống đo vẽ ảnh số. Đó là một hệ thống bao gồm các phần cứng và phần mềm máy tính để thực hiện các bớc xử lý đo vẽ ảnh trên các dữ liệu ảnh số. Trong công tác thành lập bản đồ thì dữ liệu ảnh số ban đầu thờng có đợc thông qua quá trình quét ảnh hàng không bằng các máy quét chuyên dùng có độ chính xác cao. Do đó máy quét là một phần tích hợp quan trọng của hệ thống đo vẽ ảnh số. Thành phần chính của hệ thống đo vẽ ảnh số là trạm đo vẽ ảnh số. Trên thực tế có thể bao gồm nhiều trạm với các tính năng kỹ thuật và vai trò khác nh các trạm Image Station Z và SSK của Intergraph. Ngoài ra hệ thống này còn có các máy in raster hoặc in phim để chuyển sản phẩm dạng số sang dạng tơng tự. Hệ thống đo ảnh số xử lý t liệu là ảnh thu đợc bản đồ dới dạng số. Qua quá trình xử lý số liệu, sản phẩm nhận đợc của hệ thống đo ảnh số là: bản đồ số, mô hình số địa hình và địa vật, ảnh trực giao và các số liệu liên quan. Các sản phẩm này đợc lu trữ trên máy tính và chúng có khả năng hiển thị trên màn hình máy tính và chuyển tải ra máy in và có thể kết hợp với các nguồn thông tin khác trên các hệ thống GIS / LIS tạo ra khả năng lu trữ, cập nhật, quản lý và khai thác một cách có hiệu quả. Nó phục vụ không chỉ riêng cho nghành trắc địa bản đồ mà còn phục vụ đắc lực cho các nghành có liên quan. Hệ thống đo ảnh số gồm những thiết bị đợc liên kết chặt chẽ với nhau tạo thành một hệ thống hoàn chỉnh cho phép chúng ta thực hiện các chức năng của công tác đo ảnh. Các thiết bị đó gồm: máy quét, trạm xử lý ảnh số, máy in. SV: chu thế mạnh 15 Lớp LT Trắc địa A K3 đồ án tốt nghiệp bộ môn trắc địa ảnh 2.2.1. Máy quét Mặc dù công nghệ đo ảnh số đã đợc phát triển khá rộng rãi nhng trong thực tế công nghệ chụp ảnh vẫn ít thay đổi và đại đa số ảnh hàng không hiện nay vẫn đợc chụp bằng máy ảnh dùng phim. Các máy ảnh hàng không hiện đại có thể chụp ảnh với kích thớc là 23 cm ì 23 cm và thời gian giãn cách giữa 2 lần chụp khoảng 2 giây. Máy quét ảnh là một thiết bị đầu vào quan trọng của hệ thống đo ảnh số. Máy quét ảnh thực hiện chức năng biến đổi ảnh hàng không thành ảnh số một cách tự động và ảnh số đợc lu giữ trong máy tính dới dạng Raster. Khi nói tới máy quét chuyên dùng cho đo vẽ ảnh, ngoài độ chính xác hình học còn cần phải đề cập đến các tính chất và độ chính xác về bức xạ vì trong các công đoạn đo vẽ ảnh, đặc biệt là các công đoạn đo vẽ tự động thông tin bức xạ của ảnh là mấu chốt của các lời giải. hơn nữa chất lợng bức xạ của máy quét cũng là yếu tố quan trọng ảnh hởng tới một số sản phẩm của đo vẽ ảnh số nh ảnh trực giao. Nhiều máy quét chuyên dùng cho đo vẽ ảnh hiện nay có khả năng lợng tử hoá theo 10 bit hay12 bit . Hiện nay ở nớc ta đã có các máy quét nh: FSI, VX3000, SCAL. Các máy này đã và đang phục vụ tốt cho sản xuất của ngành đo đạc bản đồ và địa chính. Tuy nhiên để có đợc các máy này phải đàu t lớn. Bảng 2.1 Một số máy quét chuyên dùng trong đo vẽ ảnh số với các thông số kỹ thuật. Hãng sản xuát Tên máy quét Độ chính xác Độ phân giải Intergraph PSI 3,0 àm 7,5 àm Leica-Helava DSW200 2,0 àm 4,0 àm DSW300 DSW500 Vexcel VX3.000 3,0 àm 8,5 àm Wherli RM-1 5,0 àm 12,0 àm Zeiss Intergraph SCAL TD 2,0 àm 7,0 àm Các máy quét chuyên dùng cho đo vẽ ảnh cần có độ chính xác hình học khoảng 2-4 àm với kích thớc pixel nhỏ nhất có thể quét 7- 10 àm . độ chính xác của các máy quét ngang bằng với độ chính xác của các máy đo toạ độ ảnh đơn (monocomparator) hoặc các máy đo vẽ giải tích chính xác. 2.2.2 Trạm đo ảnh số SV: chu thế mạnh 16 Lớp LT Trắc địa A K3