Nghiên cứu các giải pháp kỹ thuật nâng cao độ chính xác của bình đồ ảnh tỷ lệ lớp từ ảnh vệ tinh độ phân giải cao

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƢỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

ĐỖ THỊ HOÀI

NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP KỸ THUẬT

NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA BÌNH ĐỒ ẢNH TỶ

LỆ LỚN TỪ ẢNH VỆ TINH ĐỘ PHÂN GIẢI CAO

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội, Năm 2016

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƢỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

ĐỖ THỊ HOÀI

NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP KỸ THUẬT

NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA BÌNH ĐỒ ẢNH TỶ

LỆ LỚN TỪ ẢNH VỆ TINH ĐỘ PHÂN GIẢI CAO

Ngành : Kỹ thuật Trắc địa - Bản đồ

Mã số : 62.52.05.03

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1. PGS. TS TRẦN ĐÌNH TRÍ

2. TS NGUYỄN XUÂN LÂM

Hà Nội, Năm 2016

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng đây là công trình nghiên cứu của riêng bản

thân tôi. Toàn bộ quá trình nghiên cứu được tiến hành một cách khoa học, các

số liệu, kết quả trình bày trong luận án là chính xác, trung thực và chưa từng

được ai công bố trong bất kỳ công trình nào

Tác giả

Đỗ Thị Hoài

ii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN.......................................................................................... i

MỤC LỤC ....................................................................................................ii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT......................................................... vi

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU...............................................................vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ...................................................................viii

DANH MỤC PHỤ LỤC .............................................................................. x

MỞ ĐẦU....................................................................................................... 1

1. Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................ 1

2. Mục đích nghiên cứu................................................................................. 2

3. Đối tượng nghiên cứu ............................................................................... 3

4. Nội dung nghiên cứu................................................................................. 3

5. Phương pháp nghiên cứu........................................................................... 4

6. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn...................................................... 4

7. Các luận điểm bảo vệ ................................................................................ 5

8. Những điểm mới của luận án.................................................................... 5

9. Cơ sở tài liệu viết luận án.......................................................................... 5

10. Khối lượng và kết cấu của luận án.......................................................... 6

11. Lời cảm ơn .............................................................................................. 6

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ................ 7

1.1. Tình hình nghiên cứu sử dụng ảnh vệ tinh độ phân giải cao để thành

lập bình đồ ảnh phục vụ cho công tác thành lập và hiện chỉnh bản đồ............. 7

1.1.1. Trên thế giới...........................................................................................7

1.1.2. Ở Việt Nam..........................................................................................12

1.2. Kết luận ................................................................................................ 19

CHƢƠNG 2. ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA ẢNH VỆ TINH ĐỘ PHÂN

GIẢI CAO .................................................................................................. 21

iii

2.1. Các đặc tính kỹ thuật của vệ tinh độ phân giải cao.............................. 21

2.1.1. Các hệ thống vệ tinh độ phân giải cao ..............................................21

2.1.2. Đặc điểm của quỹ đạo vệ tinh............................................................24

2.1.3. Đặc điểm của bộ cảm biến .................................................................26

2.2. Một số đặc tính hình học của ảnh vệ tinh độ phân giải cao................. 30

2.2.1. Đặc tính hình học.................................................................................30

2.2.2. Sai số méo hình của ảnh vệ tinh ........................................................33

2.2.3. Độ phân giải và khả năng chiết tách thông tin từ ảnh vệ tinh........35

2.3. Thành lập bản đồ tỷ lệ lớn từ ảnh vệ tinh độ phân giải cao................. 38

2.3.1. Khả năng chiết tách thông tin từ ảnh vệ tinh độ phân giải cao......38

2.3.2. Yêu cầu độ chính xác của ảnh vệ tinh độ phân giải cao cho việc

thành lập bản đồ .............................................................................................42

2.4. Kết luận chương 2................................................................................ 45

CHƢƠNG 3. BÌNH ĐỒ ẢNH VỆ TINH VÀ QUY TRÌNH THÀNH LẬP

..................................................................................................................... 46

3.1. Khái niệm về bình đồ ảnh vệ tinh và phương pháp thành lập bình đồ

ảnh ................................................................................................................... 46

3.1.1. Khái niệm bình đồ ảnh vệ tinh...........................................................46

3.1.2. Cơ sở khoa học của phương pháp nắn ảnh.......................................48

3.2. Quy trình thành lập bình đồ ảnh vệ tinh .............................................. 49

3.3. Các phương pháp nắn ảnh vệ tinh........................................................ 55

3.3.1. Phương pháp nắn theo mô hình vật lý ..............................................56

3.3.2. Phương pháp nắn ảnh theo hàm đa thức...........................................60

3.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của nắn ảnh vệ tinh.............. 71

3.4.1. Ảnh hưởng của độ phân giải của ảnh vệ tinh...................................72

3.4.2. Ảnh hưởng của mô hình toán học sử dụng để nắn ảnh...................73

3.4.3. Ảnh hưởng của điểm khống chế ảnh.................................................73

iv

3.4.4. Ảnh hưởng của mô hình số độ cao (DEM) ......................................76

3.5. Trộn ảnh ............................................................................................... 78

3.5.1. Phương pháp biến đổi hệ màu RGB-IHS-RGB...............................78

3.5.2. Phương pháp phân tích thành phần chính - PCA ............................80

3.5.3. Phương pháp tổ hợp các kênh............................................................81

3.5.4. Phương pháp nhân ảnh (Multiplicative method) .......................... 82

3.5.5. Phương pháp trộn ảnh lọc tần số cao (HPF- High Pass Filter...... 82

3.6. Tiêu chuẩn đánh giá độ chính xác của bình đồ ảnh............................. 83

3.7. Kết luận chương 3................................................................................ 85

CHƢƠNG 4. CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA

BÌNH ĐỒ TRỰC ẢNH TỶ LỆ LỚN TỪ ẢNH VỆ TINH ĐỘ PHÂN

GIẢI CAO .................................................................................................. 86

4.1. Phân tích dữ liệu và khu vực thực nghiệm........................................... 86

4.1.1. Dữ liệu thực nghiệm............................................................................86

4.1.2. Đặc điểm địa lý khu vực thực nghiệm..............................................90

4.2. Giải pháp số lượng, đồ hình bố trí điểm khống chế ảnh...................... 94

4.2.1. Sơ đồ phương án bố trí điểm khống chế ảnh ...................................94

4.2.2. Kết quả đánh giá độ chính xác...........................................................97

4.3. Lựa chọn mô hình nắn với trường hợp khối ảnh ............................... 100

4.4. Độ chính xác của bình đồ ảnh từ ảnh vệ tinh độ phân giải cao khi sử

dụng mô hình DEM....................................................................................... 102

4.5. Lựa chọn phương pháp trộn ảnh đối với ảnh độ phân giải cao ......... 108

4.5. Xây dựng phần mềm đánh giá chất lượng bình đồ ảnh. .................... 114

4.5.1. Sơ đồ khối của chương trình ............................................................116

4.5.2. Công cụ của chương trình ................................................................117

4.5.3. Tính năng............................................................................................117

4.5.4. Giao diện của chương trình..............................................................117

v

4.5.5. Các bước thực hiện của chương trình .............................................118

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................. 123

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ ĐÃ

CÔNG BỐ CÓ LIÊN QUAN TỚI LUẬN ÁN ....................................... 126

TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................

PHỤ LỤC .......................................................................................................

vi

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Chữ

viết tắt

Tiếng Anh Tiếng Việt

CCD Charge-couple device Bộ cảm biến

CSDL Cơ sở dữ liệu

DBM Digital Building Model Mô hình nhà

DEM Digital Elevation Model Mô hình số độ cao

DLT

Direct Linear Transforma￾tion

Mô hình chuyển đổi tuyến tính

trực tiếp

DSM Digital Surface Model Mô hình số bề mặt

DTM Digital Terrain Model Mô hình số địa hình

GIS

Geographic Information Sys￾tem

Hệ thống thông tin địa lý

GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu

GSD Ground Sampling Distance Độ phân giải trên mặt đất

HPF High Pass Filter Lọc tần số cao

LiDAR

Light Detection And

Ranging

Công nghệ đo Laser

OLI Operational Land Imager Bộ thu nhận ảnh mặt đất

PT Projective Transform Mô hình phép chiếu

RFCs

Rational Function Coeffi￾cients

Các hệ số hàm hữu tỷ

RFM Rational Function Model Mô hình hàm hữu tỷ

SSTP Sai số trung phương

TDI Time Delay and Integration

Bộ cảm biến tích hợp và làm trễ

thời gian

TIN

Triangulated Irregular Net￾work

Cấu trúc mạng tam giác không đều

của mô hình số độ cao

TIRS Thermal Infrared Sensor Bộ cảm biến hồng ngoại nhiệt

vii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1. Bảng tổng hợp các đặc tính kỹ thuật của ảnh vệ tinh độ phân giải cao22

Bảng 2.2. Nội dung thông tin có thể đoán đọc được trên ảnh IKONOS đối chiếu

với yêu cầu thành lập bản đồ 1:5 000 theo [27].....................................................39

Bảng 2.3. Nội dung thông tin có thể được nhận biết từ ảnh QuickBird...............41

Bảng 3.1: Số lượng điểm không chế tối thiểu cho các mô hình hàm đa thức......61

Bảng 3.2. Giá trị xê dịch vị trí điểm ảnh nắn vệ tinh do ảnh hưởng của sai số mô

hình số độ cao...........................................................................................................77

Bảng 4.1. Thông số của ảnh WorldView - 2 dùng trong thử nghiệm ..................87

Bảng 4.2. Các hệ số của mô hình RPC...................................................................89

Bảng 4.3. SSTP vị trí điểm kiểm tra của mô hình nắn chỉnh hình học (đơn vị

mét)...........................................................................................................................98

Bảng 4. 4. Chỉ số đánh giá chất lượng phổ ảnh sau trộn.................................... 113

Bảng 4.5. Chỉ số tương quan (Corr) của ảnh trước và sau khi trộn................... 114

viii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1. Ảnh GeoEye - 1 với các điểm khống chế và điểm kiểm tra................10

Hình 1.2. Ảnh Geoeye với các điểm khống chế dùng để nắn ảnh........................11

Hình 1.3. Bình đồ ảnh Quickbird [19]....................................................................14

Hình 1.4. Mối quan hệ hình học giữa ảnh và bề mặt trái đất ................................16

Hình 2.1. Quỹ đạo đồng bộ Mặt trời.......................................................................25

Hình 2.2. Phạm vi của trạm thu ảnh vệ tinh...........................................................26

Hình 2.3. Cách bố trí các phần tử CCD của bộ cảm biến thu chụp......................27

Hình 2.4. Cách bố trí các hàng CCD so le với nhau của bộ cảm biến toàn sắc..28

Hình 2.5. Bộ cảm biến TDI đối với chế độ quét theo hai hướng Bắc sang Nam

với dòng quét đầu tiên là nét đứt và ngược lại với hướng từ Nam sang Bắc......30

Hình 2.6. Nguyên tắc quét ảnh dạng chổi quét ......................................................31

Hình 2.7. Nguyên tắc quét ảnh của dạng máy quét chổi đẩy................................33

Hình 2.8. Méo hình do các nguồn sai số trong của bộ cảm biến ..........................34

Hình 2.9. Méo hình do các nguồn sai số ngoài của bộ cảm biến..........................34

Hình 2.10. Ảnh toàn sắc và ảnh pan-sharpened QuickBird ..................................42

Hình 3.1. Xê dịch vị trí điểm ảnh do chênh cao địa hình......................................47

Hình 3.2. Sơ đồ quy trình công nghệ thành lập bình đồ ảnh vệ tinh ....................50

độ phân giải cao .......................................................................................................50

Hình 3.3: Sai số xác định điểm khống chế trên ảnh .............................................74

Hình 3.4: Sai số đoán nhận điểm ảnh trên ảnh vệ tinh ..........................................75

Hình 3.5. Xê dịch vị trí điểm ảnh do ảnh hưởng của chênh cao giữa điểm địa

hình và mặt phẳng nắn ảnh, hoặc sai số của DEM................................................76

Hình 4.1. Sự khác biệt về độ phân giải giữa kênh toàn sắc và kênh đa phổ ........91

Hình 4.2. Vị trí có chênh cao địa hình trên ảnh toàn sắc - WorldView2 .............92

Hình 4.3. Phân bố khu vực địa hình trên ảnh WorldView-2 – Bắc Giang...........93

Hình 4.4. Nội dung của cơ sơ dữ liệu.....................................................................95

ix

Hình 4.5. Sơ đồ phương án sử dụng điểm khống chế ...........................................97

Hình 4.6. Sơ đồ bố trí điểm khống chế và điểm kiểm tra................................... 101

Hình 4.7: DEM được lấy từ CSDL bằng bay quét Lidar................................... 103

Hình 4.8. Bình đồ ảnh số lấy từ CSDL nền thông tin địa lý tỷ lệ 1:5 000 ........ 103

Hình 4.9. Sơ đồ bố trí điểm khống chế................................................................ 104

Hình 4.11. Một số pixel bị trượt khi sử dụng DEM 1 (b) .................................. 107

Hình 4.12. Kết quả các phương pháp trộn ảnh ................................................... 110

Hình 4.13. Phân tích đồ thị Histogram của các phương pháp trộn ảnh............. 111

Hình 4.14. Sơ đồ khối của chương trình.............................................................. 116

Hình 4.15. Menu Đánh giá chất lượng bình đồ ảnh ........................................... 117

Hình 4.16. Sơ đồ các bước thực hiện của chương trình ..................................... 118

Hình 4.17. File ảnh nắn ........................................................................................ 119

Hình 4.18. Chương trình Đánh giá chất lượng của bình đồ ảnh........................ 119

Hình 4.19. Xuất điểm khống chế ngoại nghiệp lên bình đồ cần kiểm tra ......... 120

Hình 4.20. Kiểm tra độ chính xác của ảnh nắn................................................... 121

Hình 4.21. Kết quả sai số nắn ảnh ....................................................................... 121

Hình 4.22. Kết quả sai số tiếp biên ...................................................................... 122

x

DANH MỤC PHỤ LỤC

Phụ lục 1: Kết quả nắn ảnh theo mô hình hàm đa thức ................................ 146

Phụ lục 2: Kết quả nắn ảnh theo mô hình chuyển đổi tuyến tính trực tiếp... 155

Phụ lục 3: Kết quả nắn ảnh theo mô hình chuyển đổi phép chiếu................ 157

Phụ lục 4: Kết quả nắn ảnh theo mô hình hàm đa thức hữu tỷ..................... 166

Phụ lục 5: Kết quả sai số mặt phẳng của điểm khống chế khi sử dụng DEM

khác nhau....................................................................................................... 176

Phụ lục 6: Nguồn của chương trình .............................................................. 180

1

MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay, sự phát triển của công nghệ viễn thám và đặc biệt là việc

nâng cao độ phân giải không gian đã mở ra những triển vọng quan trọng trong

việc sử dụng tư liệu viễn thám cho việc lập bản đồ từ ảnh vệ tinh. Với công

nghệ truyền thống, thành lập và hiện chỉnh bản đồ chủ yếu dựa trên ảnh hàng

không. Với sự phát triển của khoa học công nghệ, việc chế tạo ra các bộ cảm

biến có độ phân giải hình học cao (độ phân giải mặt đất nhỏ hơn 1 m) cho

phép chúng ta tin tưởng rằng trong một thời gian ngắn ảnh vệ tinh sẽ được sử

dụng rộng rãi trong việc thành lập và hiện chỉnh bản đồ tỷ lệ lớn. Đặc biệt là

các vệ tinh được lắp đặt các bộ cảm biến cho phép thu nhận những cảnh ảnh

toàn sắc có độ phân giải cao đã được phóng lên và đang vận hành, khai thác

tốt như IKONOS, QuickBird, OrbView-3, Worldview-1,2,3 (Mỹ), EROS-A

(Israel). Tần suất chụp lặp lại cùng một vị trí trên bề mặt đất cũng là rất cao

(trong khoảng từ 1 ngày đến 3,5 ngày). Trong tương lai sẽ có nhiều quốc gia

tiếp tục phóng lên quỹ đạo những vệ tinh thu chụp ảnh độ phân giải cao.

Cùng với việc phát triển của công nghệ thu chụp ảnh vệ tinh là sự phát

triển của công nghệ xử lý ảnh độ phân giải cao, tư liệu viễn thám đã được sử

dụng rất nhiều trong các lĩnh vực kinh tế, khoa học kỹ thuật, đặc biệt là trong

lĩnh vực thành lập và hiện chỉnh bản đồ. Hiện nay, để thành lập và hiện chỉnh

bản đồ địa hình người ta sử dụng bình đồ ảnh được thành lập từ tư liệu ảnh vệ

tinh. Để có được bình đồ ảnh từ dữ liệu là ảnh vệ tinh, phải tiến hành nắn

chỉnh hình học nhằm loại trừ hay hạn chế các ảnh hưởng của rất nhiều nguyên

nhân khác nhau tới vị trí từng điểm ảnh. Với ảnh đã được nắn, tiến hành thành

lập bình đồ ảnh. Bình đồ ảnh sẽ được sử dụng để đo vẽ phần địa vật của nội

dung bản đồ.

2

Chất lượng của bình đồ ảnh vệ tinh trước hết phụ thuộc vào chất lượng

tư liệu ảnh gốc, vào phương pháp nắn chỉnh hình học, vào trình độ, kỹ năng

và kinh nghiệm của người xử lý.

Ở Việt Nam các loại ảnh SPOT 5m và SPOT 2,5m đã được sử dụng

trong các công trình hiện chỉnh bản đồ địa hình tỷ lệ 1:25 000, thành lập trực

ảnh vệ tinh tỷ lệ 1:10 000 hỗ trợ cho đợt Tổng kiểm kê đất đai năm 2005 và

2015. Hiện chỉnh bản đồ nền là ứng dụng của ảnh vệ tinh độ phân giải cao

được áp dụng nhiều ở Việt Nam và có xu hướng tăng tỷ lệ bản đồ hiện chỉnh

lên1:5 000 và lớn hơn. Tuy ảnh vệ tinh độ phân giải cao đã có những ứng

dụng trong thực tế ở Việt Nam nhưng quy mô ứng dụng còn hạn chế, chưa áp

dụng sản xuất rộng rãi, chưa mang tính sản xuất đại trà. Việc lựa chọn tư liệu

ảnh viễn thám, thành lập và đánh giá độ chính xác của bình đồ ảnh vệ tinh độ

phân giải cao chủ yếu được thực hiện theo kinh nghiệm cho nên quá trình

khai thác thông tin từ bình đồ ảnh chưa thể hiện rõ ưu thế về kinh tế - kỹ

thuật. Với nhu cầu cấp thiết đó và lòng mong muốn đóng góp phần nhỏ của trí

thức bản thân cho sự phát triển của công nghệ viễn thám, nghiên cứu sinh

chọn đề tài: “Nghiên cứu một sô giải pháp kỹ thuật nâng cao độ chính xác

của bình đồ ảnh tỷ lệ lớn từ ảnh vệ tinh độ phân giải cao”.

2. Mục đích nghiên cứu

- Nghiên cứu nguyên lý thu nhận và đặc điểm của ảnh vệ tinh độ phân

giải cao; quy trình và các nguồn sai số ảnh hưởng đến độ chính xác trong quá

trình thành lập bình đồ ảnh vệ tinh độ phân giải cao để từ đó đưa ra giải pháp

kỹ thuật nhằm nâng cao độ chính xác của bình đồ ảnh tỷ lệ lớn từ ảnh vệ tinh

độ phân giải cao;

- Nâng cao trình độ tiếp cận và phục vụ sản xuất theo hướng chính xác

và nhanh chóng mà hiện đại đáp ứng được nhu cầu thực tiễn;

3

- Bổ sung kiến thức cho bản thân nhằm phục vụ tốt cho công tác nghiên

cứu khoa học và ứng dụng vào thực tiễn sản xuất tại đơn vị.

3. Đối tƣợng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận án là:

- Ảnh vệ tinh quang học độ phân giải cao;

- Các mô hình toán học sử dụng để nắn ảnh trên cơ sở sử dụng các số

liệu gốc khác nhau;

- Các nguồn sai số ảnh hưởng đến độ chính xác của bình đồ ảnh tỷ lệ

lớn được thành lập từ ảnh vệ tinh độ phân giải cao, phục vụ cho công tác

thành lập và hiện chỉnh bản đồ địa hình.

4. Nội dung nghiên cứu

- Tổng quan các tài liệu, các công trình nghiên cứu đã có trên thế

giới cũng như ở Việt Nam liên quan đến phương pháp nắn chỉnh hình học

ảnh vệ tinh.

- Nghiên cứu đặc điểm kỹ thuật của ảnh vệ tinh độ phân giải cao;

- Nghiên cứu quy trình thành lập bình đồ ảnh từ ảnh vệ tinh độ phân

giải cao;

- Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sai số nắn chỉnh hình học ảnh

vệ tinh bao gồm các nguồn sai số, mô hình toán học nắn chỉnh ảnh vệ tinh

- Độ chính xác nắn chỉnh hình học của ảnh vệ tinh và các sai số ảnh

hưởng đến độ chính xác đáp ứng cho việc thành lập bình đồ ảnh phục vụ

thành lập hiện chỉnh bản đồ địa hình với tỷ lệ phù hợp;

- Triển khai thử nghiệm và xây dựng phần mềm đánh giá chất lượng

bình đồ ảnh