Giáo trình Trắc địa ảnh Viễn thám Phần 1 - TS. Đàm Xuân Hoàn (ĐH Nông Nghiệp)

Giáo trình nghiên cứu trắc địa ảnh viễn thám phần 1 ts đàm xuân hoàn, trình bày lý thuyết rõ ràng, minh họa ví dụ thực tế, phù hợp sinh viên .

• Tác giả: Đàm Xuân Hoàn
• Trường học: Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
• Chuyên ngành: Trắc Địa
• Đề tài: Giáo Trình Trắc Địa Ảnh Viễn Thám Phần 1
• Loại tài liệu: Giáo Trình
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan giáo trình trắc địa ảnh viễn thám TS Đàm Xuân Hoàn

Giáo trình Trắc địa ảnh viễn thám của TS. Đàm Xuân Hoàn, do Nhà xuất bản Nông nghiệp ấn hành năm 2008, là một tài liệu nền tảng quan trọng dành cho sinh viên ngành Quản lý Đất đai và các ngành liên quan. Cuốn sách được biên soạn với mục tiêu cung cấp những kiến thức cơ bản, ngắn gọn và dễ hiểu về một lĩnh vực khoa học phức tạp, kết hợp giữa trắc địa ảnh truyền thống và công nghệ viễn thám cơ sở hiện đại. Đây không chỉ là một bài giảng viễn thám thông thường mà còn là một cẩm nang hệ thống hóa các khái niệm cốt lõi, từ bản chất của phương pháp đo ảnh, cơ sở toán học trắc địa ảnh, đến các ứng dụng thực tiễn trong đo đạc và thành lập bản đồ. Nội dung giáo trình được cập nhật các kiến thức mới về ảnh hàng không và ảnh vệ tinh, giúp người học nắm bắt được sự phát triển của công nghệ. Tác giả đã cấu trúc tài liệu một cách logic, bao gồm 7 chương, mỗi chương đều có phần tóm tắt nội dung chính cùng hệ thống câu hỏi, bài tập trắc địa ảnh để củng cố kiến thức. Việc tham khảo các giáo trình chuyên ngành khác như "Trắc địa ảnh" cho thấy sự đầu tư nghiêm túc của tác giả. Cuốn sách này đóng vai trò là một tài liệu đo đạc bản đồ không thể thiếu, đặt nền móng vững chắc cho việc tiếp cận các công nghệ tiên tiến hơn như GIS và viễn thám, sử dụng các phần mềm chuyên dụng như ENVI hay ArcGIS trong công tác quản lý đất đai và giám sát tài nguyên.

1.1. Mục tiêu và đối tượng của giáo trình trắc địa ảnh

Giáo trình được biên soạn chủ yếu để phục vụ công tác giảng dạy và học tập cho sinh viên ngành Quản lý Đất đai tại Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội (nay là Học viện Nông nghiệp Việt Nam). Mục tiêu chính là trang bị cho sinh viên những kiến thức cốt lõi về trắc địa ảnh và viễn thám cơ sở. Các khái niệm được trình bày một cách ngắn gọn, dễ hiểu, từ những nguyên lý cơ bản của phương pháp đo ảnh, các tính chất hình học của ảnh hàng không, nguyên lý nhìn và đo lập thể, cho đến kỹ thuật giải đoán ảnh. Tài liệu không chỉ hướng đến sinh viên mà còn là nguồn tham khảo hữu ích cho các cán bộ kỹ thuật, nhà nghiên cứu hoạt động trong lĩnh vực đo đạc bản đồ, địa chính và quản lý tài nguyên môi trường.

1.2. Cấu trúc và các nội dung cốt lõi trong bài giảng

Giáo trình bao gồm 7 chương được sắp xếp một cách khoa học. Chương I giới thiệu khái niệm chung về phương pháp đo ảnh. Chương II đi sâu vào cơ sở toán học của phương pháp đo ảnh, làm rõ các nguyên lý chiếu hình. Chương III phân tích các tính chất hình học cơ bản của ảnh trong chụp ảnh hàng không, bao gồm các loại biến dạng và phương pháp nắn ảnh. Chương IV trình bày nguyên lý nhìn và đo lập thể, nền tảng của việc tạo mô hình số độ cao (DEM). Các chương tiếp theo đề cập đến các kiến thức về ảnh vệ tinh, lý thuyết phản xạ phổ và các ứng dụng thực tiễn. Mỗi chương đều có tóm tắt, câu hỏi ôn tập và bài tập, giúp người học hệ thống hóa kiến thức một cách hiệu quả.

II. Thách thức cốt lõi từ ảnh chụp đến bản đồ đo đạc chính xác

Một trong những thách thức lớn nhất trong ngành trắc địa ảnh là quá trình chuyển đổi từ một bức ảnh chụp (hình chiếu xuyên tâm) thành một bản đồ (hình chiếu thẳng góc) có độ chính xác hình học cao. Giáo trình của TS. Đàm Xuân Hoàn đã làm rõ bản chất của vấn đề này. Ảnh đo không phải là bản đồ. Nó là kết quả của ba quá trình phức tạp: hình học, quang học và hóa học. Về mặt hình học, ảnh tuân theo quy luật của phép chiếu xuyên tâm, khiến cho tỷ lệ ảnh không đồng nhất và các đối tượng bị biến dạng vị trí. Theo tài liệu, "Quan hệ tọa độ giữa các điểm trên ảnh và các điểm tương ứng trên mặt đất là quan hệ của phép chiếu xuyên tâm chứ không phải là quan hệ của phép chiếu thẳng như trên bản đồ". Điều này dẫn đến hai loại sai số xê dịch vị trí điểm ảnh chính: sai số do độ nghiêng của ảnh và sai số do chênh cao địa hình. Việc hiểu rõ các nguyên nhân gây biến dạng này là yêu cầu bắt buộc để có thể thực hiện các bước xử lý tiếp theo như nắn ảnh hay thành lập bình đồ ảnh. Giáo trình đã dành riêng một chương để phân tích sâu về các yếu tố này, cung cấp công thức tính toán và các nhận xét quan trọng, giúp người học nhận thức rõ những hạn chế của tư liệu ảnh hàng không thô và sự cần thiết của các kỹ thuật hiệu chỉnh.

2.1. Phân biệt phép chiếu xuyên tâm và phép chiếu thẳng góc

Trong trắc địa ảnh, việc phân biệt hai loại phép chiếu là nền tảng. Phép chiếu thẳng góc, được sử dụng để thành lập bản đồ, chiếu các điểm trên bề mặt đất lên một mặt phẳng theo các đường thẳng song song và vuông góc. Ngược lại, ảnh hàng không và ảnh vệ tinh là kết quả của phép chiếu xuyên tâm, nơi các tia chiếu từ đối tượng đều đi qua một điểm duy nhất gọi là tâm chiếu (ống kính máy ảnh). Sự khác biệt cơ bản này dẫn đến việc ảnh đo có tỷ lệ thay đổi và bị biến dạng hình học, trong khi bản đồ có tỷ lệ đồng nhất. Giáo trình nhấn mạnh, nhiệm vụ cốt lõi là "chuyển từ phép chiếu xuyên tâm về phép chiếu thẳng".

2.2. Nguyên nhân gây xê dịch vị trí điểm ảnh do ảnh nghiêng

Khi chụp ảnh hàng không, trục máy ảnh hiếm khi thẳng đứng tuyệt đối, tạo ra một góc nghiêng nhất định. Góc nghiêng này là nguyên nhân chính gây ra sự xê dịch vị trí của các điểm ảnh so với vị trí đúng của chúng trên một ảnh phẳng lý tưởng. Giáo trình của TS. Đàm Xuân Hoàn đã xây dựng công thức tính toán sự xê dịch này, cho thấy mức độ sai lệch phụ thuộc vào bán kính điểm ảnh, góc nghiêng của ảnh và tiêu cự máy ảnh. Theo đó, các điểm nằm càng xa điểm đẳng giác thì sự xê dịch càng lớn. Việc loại bỏ sai số này là nhiệm vụ chính của kỹ thuật nắn ảnh.

2.3. Ảnh hưởng của địa hình đến độ chính xác của ảnh đo

Ngoài độ nghiêng của ảnh, chênh cao địa hình là một yếu tố quan trọng khác gây ra biến dạng. Các điểm ở độ cao lớn hơn sẽ có hình ảnh bị dịch chuyển ra xa tâm ảnh, trong khi các điểm ở độ cao thấp hơn sẽ bị dịch chuyển về gần tâm. Hiện tượng này làm cho tỷ lệ ảnh không đồng nhất ngay cả trên một bức ảnh thẳng đứng hoàn hảo. Giáo trình cung cấp công thức tính sai số do địa hình, cho thấy nó tỷ lệ thuận với chênh cao địa hình và khoảng cách từ điểm ảnh đến điểm chính, và tỷ lệ nghịch với độ cao bay chụp. Để giảm thiểu ảnh hưởng này, cần áp dụng các phương pháp nắn ảnh vi phân hoặc thành lập mô hình số độ cao (DEM) để hiệu chỉnh.

III. Các phương pháp đo ảnh cơ bản trong trắc địa ảnh viễn thám

Để giải quyết những thách thức về biến dạng hình học, ngành trắc địa ảnh đã phát triển qua nhiều giai đoạn với các phương pháp xử lý ngày càng tiên tiến. Giáo trình của TS. Đàm Xuân Hoàn đã hệ thống hóa ba phương pháp đo ảnh cơ bản, thể hiện rõ sự tiến hóa của công nghệ. Ban đầu là phương pháp đo ảnh tương tự, sử dụng các thiết bị quang cơ phức tạp như máy nắn ảnh SEG.I để dựng lại mô hình vật lý của quá trình chụp ảnh. Tiếp theo, sự ra đời của máy tính đã mở đường cho phương pháp đo ảnh giải tích, thay thế các thao tác cơ học bằng các thuật toán toán học chính xác để tăng dày điểm khống chế ảnh. Cuối cùng, phương pháp đo ảnh số là bước tiến vượt bậc, nơi ảnh hàng không hoặc ảnh vệ tinh được chuyển thành dữ liệu số (pixel) và toàn bộ quá trình xử lý được thực hiện trên máy tính thông qua các phần mềm chuyên dụng. Tài liệu nhấn mạnh sự khác biệt cốt lõi: "Phương pháp đo ảnh số sử dụng ảnh được số hóa, chiếu ảnh bằng phương pháp chiếu ảnh số qua các trạm xử lý ảnh số". Mỗi phương pháp có một quy trình công nghệ riêng, nhưng đều chung mục tiêu là tạo ra các sản phẩm đo đạc chính xác như bình đồ ảnh, bản đồ địa hình, hoặc mô hình số độ cao (DEM). Việc nắm vững các phương pháp này giúp người học hiểu được bản chất và lựa chọn công nghệ phù hợp cho các bài toán thực tiễn.

3.1. Nguyên lý phương pháp đo ảnh tương tự và giải tích

Phương pháp đo ảnh tương tự dựa trên nguyên tắc quang cơ, sử dụng các máy đo vẽ lập thể để tái tạo lại chùm tia chụp và mô hình không gian của đối tượng. Người vận hành sẽ trực tiếp đo vẽ trên mô hình này. Phương pháp đo ảnh giải tích là một bước cải tiến, kết hợp thiết bị đo có độ chính xác cao với máy tính. Việc tăng dày lưới khống chế và đo vẽ được thực hiện thông qua các mô hình toán học, giúp tăng độ chính xác và hiệu suất so với phương pháp tương tự, nhưng vẫn đòi hỏi sự tương tác bán tự động của con người.

3.2. Khám phá phương pháp đo ảnh số và xử lý ảnh hiện đại

Phương pháp đo ảnh số là phương pháp hiện đại và phổ biến nhất hiện nay. Dữ liệu đầu vào là ảnh số, có thể thu nhận trực tiếp từ các bộ cảm biến số hoặc được quét từ ảnh tương tự. Toàn bộ quá trình từ định hướng, nắn ảnh, đến tạo bình đồ ảnh và trích xuất thông tin đều được thực hiện bằng phần mềm trên máy tính như ENVI hay ArcGIS. Phương pháp này cho phép tự động hóa ở mức độ cao, nâng cao đáng kể độ chính xác và hiệu suất, đồng thời tạo ra các sản phẩm số linh hoạt, dễ dàng tích hợp vào hệ thống GIS và viễn thám.

3.3. Quy trình công nghệ cơ bản của một dự án đo ảnh

Giáo trình đã tóm tắt một quy trình công nghệ cơ bản trong trắc địa ảnh. Quy trình này bắt đầu từ việc thu nhận dữ liệu (công tác chụp ảnh) và thu thập các điểm khống chế mặt đất (công tác trắc địa). Dữ liệu ảnh sau đó được đưa vào xử lý thông qua một trong ba phương pháp (tương tự, giải tích, hoặc số). Các bước xử lý chính bao gồm tăng dày điểm khống chế ảnh, nắn ảnh, giải đoán ảnh và điều vẽ. Kết quả cuối cùng có thể là các sản phẩm đa dạng như bản đồ ảnh (bình đồ ảnh), bản đồ địa hình, hoặc các mô hình số độ cao (DEM).

IV. Giải pháp xử lý ảnh Kỹ thuật nắn ảnh và tạo bình đồ ảnh

Để biến một tấm ảnh hàng không thô, vốn bị biến dạng, thành một sản phẩm có tính chất hình học như bản đồ, kỹ thuật nắn ảnh (orthorectification) đóng vai trò then chốt. Giáo trình trắc địa ảnh viễn thám của TS. Đàm Xuân Hoàn định nghĩa rõ: "Nắn ảnh là công việc xử lý để loại trừ các sai số do ảnh nghiêng gây ra và hạn chế sai số do địa hình lồi lõm gây ra". Quá trình này về cơ bản là biến đổi mỗi pixel trên ảnh nghiêng về đúng vị trí địa lý của nó trên một mặt phẳng chiếu, tạo ra một ảnh trực giao gọi là ảnh trực chiếu (orthophoto). Để thực hiện được điều này, cần có ba yếu tố đầu vào quan trọng: ảnh gốc, các thông số định hướng của ảnh (xác định vị trí và góc chụp), và một mô hình số độ cao (DEM) để hiệu chỉnh sai số do địa hình. Bên cạnh đó, công tác tăng dày điểm khống chế ảnh cũng là một bước không thể thiếu. Các điểm khống chế này là cơ sở để xác định chính xác các thông số định hướng, đảm bảo sản phẩm cuối cùng là bình đồ ảnh được định vị chính xác trong hệ tọa độ trắc địa. Giáo trình đã trình bày các phương pháp nắn ảnh khác nhau, từ đồ giải, quang cơ (nắn mặt phẳng, nắn phân vùng, nắn vi phân) đến nắn ảnh giải tích và nắn ảnh số, phản ánh sự phát triển của công nghệ xử lý ảnh số.

4.1. Nguyên lý cơ bản và các phương pháp nắn ảnh viễn thám

Nguyên lý cơ bản của nắn ảnh là thiết lập một mối quan hệ toán học để chiếu lại từng điểm ảnh từ mặt phẳng ảnh nghiêng lên một mặt phẳng tham chiếu nằm ngang với một tỷ lệ xác định. Các phương pháp ban đầu như nắn ảnh quang cơ thực hiện điều này bằng các máy móc vật lý. Trong khi đó, phương pháp nắn ảnh số hiện đại, được thực hiện trên các phần mềm như ArcGIS hay ENVI, sử dụng các thuật toán phức tạp để tính toán lại tọa độ cho từng pixel dựa trên các tham số định hướng và dữ liệu DEM, tạo ra một bình đồ ảnh có độ chính xác hình học cao.

4.2. Vai trò của tăng dày điểm khống chế trong đo ảnh

Điểm khống chế ảnh là những điểm có tọa độ chính xác đã biết cả trên ảnh và ngoài thực địa. Tuy nhiên, việc đo đạc tất cả các điểm này ngoài trời rất tốn kém. Do đó, công tác tăng dày điểm khống chế ảnh bằng phương pháp trong phòng (như tam giác ảnh không gian) là cực kỳ quan trọng. Nhiệm vụ của nó là xác định tọa độ của nhiều điểm ảnh khác dựa trên một số ít điểm khống chế ngoại nghiệp. Mạng lưới điểm khống chế dày đặc này là cơ sở để định hướng tuyệt đối cho các mô hình lập thể và đảm bảo độ chính xác cho toàn bộ khối ảnh, là tiền đề cho việc nắn ảnh và đo vẽ bản đồ.

4.3. Từ ảnh nắn đến thành lập bình đồ ảnh và phân loại ảnh

Sau khi quá trình nắn ảnh hoàn tất, ta thu được ảnh trực chiếu. Khi ghép nối nhiều ảnh trực chiếu lại với nhau, ta sẽ có một bình đồ ảnh (orthophoto mosaic) phủ trùm một khu vực rộng lớn. Bình đồ ảnh này vừa mang thông tin hình ảnh chi tiết của ảnh chụp, vừa có độ chính xác vị trí của một bản đồ. Từ đây, có thể tiến hành các bước phân tích sâu hơn như giải đoán ảnh để xác định các đối tượng, hoặc áp dụng các thuật toán phân loại ảnh viễn thám để tự động bóc tách các lớp thông tin như lớp phủ thực vật, khu dân cư, mặt nước, phục vụ hiệu quả cho công tác quản lý đất đai.

V. Ứng dụng thực tiễn của trắc địa ảnh trong quản lý đất đai

Phương pháp trắc địa ảnh và viễn thám không chỉ là lý thuyết học thuật mà còn có phạm vi ứng dụng vô cùng rộng rãi, đặc biệt trong các ngành kinh tế quốc dân và quốc phòng. Giáo trình của TS. Đàm Xuân Hoàn đã dành một phần quan trọng để nêu bật những ứng dụng này. Trong lĩnh vực quản lý đất đai, công nghệ này là công cụ cơ bản để xây dựng bản đồ địa chính, bản đồ hiện trạng sử dụng đất, phục vụ công tác quy hoạch và kế hoạch sử dụng đất. Tài liệu trích dẫn: "Ở nước ta công nghệ viễn thám vệ tinh bắt đầu được tiếp cận và ứng dụng trong công tác trắc địa bản đồ, quản lý đất vào đầu những năm 80 của thế kỷ 20". Việc sử dụng ảnh vệ tinh như KATE-200, Landsat TM, hay SPOT đã giúp hiệu chỉnh và thành lập bản đồ địa hình ở nhiều tỷ lệ, đặc biệt ở các vùng khó tiếp cận như hải đảo, giúp giảm giá thành sản phẩm từ 30-70% so với phương pháp truyền thống. Ngoài ra, trắc địa ảnh còn được ứng dụng mạnh mẽ trong nông nghiệp để lập bản đồ cơ cấu cây trồng, trong lâm nghiệp để điều tra, quy hoạch và giám sát tài nguyên rừng. Các ngành xây dựng, công nghiệp, quân sự cũng đều khai thác hiệu quả nguồn dữ liệu từ ảnh hàng không và ảnh vệ tinh.

5.1. Thành lập bản đồ địa hình và bản đồ địa chính hiện đại

Đây là ứng dụng truyền thống và quan trọng nhất của trắc địa ảnh. Thay vì các phương pháp đo đạc toàn đạc ngoài thực địa tốn nhiều công sức, việc sử dụng các cặp ảnh hàng không lập thể cho phép đo vẽ bản đồ địa hình một cách nhanh chóng và chính xác, đặc biệt là việc thể hiện đường đồng mức. Đối với bản đồ địa chính, bình đồ ảnh có độ phân giải cao được sử dụng làm nền để xác định ranh giới thửa đất, phục vụ hiệu quả cho công tác cấp giấy chứng nhận quyền sử dụng đất và giải quyết tranh chấp.

5.2. Giám sát tài nguyên quy hoạch nông lâm nghiệp hiệu quả

Với khả năng chụp ảnh định kỳ, ảnh vệ tinh là công cụ lý tưởng cho việc giám sát tài nguyên và môi trường. Các ứng dụng tiêu biểu bao gồm theo dõi biến động lớp phủ rừng, giám sát tình hình khô hạn, lũ lụt, phát hiện các điểm khai thác khoáng sản trái phép. Trong nông nghiệp, phân loại ảnh viễn thám giúp xác định diện tích và tình trạng sức khỏe của các loại cây trồng, từ đó hỗ trợ công tác quy hoạch sản xuất và dự báo năng suất. Đây là một ứng dụng quan trọng mà các phần mềm như ArcGIS hỗ trợ rất tốt.

5.3. Vai trò trong xây dựng địa chất và các lĩnh vực khác

Trong xây dựng, trắc địa ảnh được dùng để đo độ lún và biến dạng của các công trình. Trong ngành mỏ, nó giúp tính toán khối lượng khai thác một cách nhanh chóng. Các nhà khoa học tại các trường như Đại học Mỏ - Địa chất cũng ứng dụng công nghệ này để nghiên cứu các cấu trúc địa chất, tìm kiếm khoáng sản. Trong quân sự, đây là phương pháp chủ yếu để thành lập bản đồ địa hình phục vụ tác chiến và nghiên cứu trinh sát.

VI. Giá trị nền tảng của giáo trình trắc địa ảnh trong kỷ nguyên số

Mặc dù được biên soạn từ năm 2008, giáo trình Trắc địa ảnh viễn thám của TS. Đàm Xuân Hoàn vẫn giữ nguyên giá trị nền tảng trong bối cảnh công nghệ số phát triển mạnh mẽ. Cuốn sách không tập trung vào việc hướng dẫn sử dụng một phần mềm cụ thể nào, mà thay vào đó, nó trang bị cho người học một tư duy hệ thống và những kiến thức cốt lõi về cơ sở toán học trắc địa ảnh và các nguyên lý vật lý. Đây chính là nền móng vững chắc để sinh viên và các kỹ sư có thể tự tin tiếp cận và làm chủ các công nghệ mới. Ngày nay, việc xử lý ảnh số gần như được thực hiện hoàn toàn trên các phần mềm mạnh mẽ như ENVI và ArcGIS. Các phần mềm này tự động hóa nhiều công đoạn phức tạp, nhưng để sử dụng chúng một cách hiệu quả, người dùng phải hiểu rõ bản chất của các thuật toán bên trong: tại sao phải nắn ảnh, các tham số định hướng có ý nghĩa gì, hay mô hình số độ cao (DEM) ảnh hưởng đến kết quả ra sao. Giáo trình này cung cấp câu trả lời cho tất cả những câu hỏi đó. Nó là cầu nối giữa lý thuyết kinh điển và thực hành hiện đại, giúp người học không bị "ngợp" trước công nghệ và có khả năng giải quyết các bài toán GIS và viễn thám một cách sáng tạo và chính xác.

6.1. Tích hợp GIS và viễn thám với các phần mềm ArcGIS ENVI

Các sản phẩm của trắc địa ảnh như bình đồ ảnh hay DEM không phải là đích đến cuối cùng mà thường là dữ liệu đầu vào quan trọng cho Hệ thống Thông tin Địa lý (GIS). Việc tích hợp dữ liệu viễn thám cơ sở vào môi trường GIS, ví dụ như phần mềm ArcGIS, cho phép thực hiện các phân tích không gian phức tạp. Kiến thức nền tảng từ giáo trình giúp người dùng hiểu rõ các thuộc tính của dữ liệu (hệ tọa độ, độ phân giải, độ chính xác) để đảm bảo quá trình tích hợp và phân tích diễn ra một cách chính xác.

6.2. Xu hướng phát triển công nghệ ảnh vệ tinh và DEM

Công nghệ viễn thám đang phát triển không ngừng với sự ra đời của các hệ thống ảnh vệ tinh có độ phân giải siêu cao và các kỹ thuật thu thập dữ liệu độ cao tiên tiến như LiDAR để tạo ra mô hình số độ cao (DEM) ngày càng chi tiết. Dù công nghệ thay đổi, các nguyên lý cơ bản về hình học ảnh, hiệu chỉnh sai số, và đo lập thể được trình bày trong giáo trình vẫn là cốt lõi. Hiểu rõ các nguyên lý này giúp các chuyên gia dễ dàng thích ứng và khai thác tối đa tiềm năng của các nguồn dữ liệu mới.

6.3. Tài liệu không thể thiếu cho sinh viên ngành địa chất đo đạc

Đối với sinh viên các ngành liên quan đến Trái Đất như Quản lý đất đai, Trắc địa - Bản đồ, Địa chất tại các trường đại học hàng đầu như Đại học Mỏ - Địa chất hay Học viện Nông nghiệp Việt Nam, cuốn bài giảng viễn thám này là một tài liệu nhập môn không thể thiếu. Nó cung cấp một cái nhìn tổng quan, hệ thống và dễ tiếp cận về một lĩnh vực khoa học quan trọng, là chìa khóa để mở ra cánh cửa nghiên cứu và ứng dụng các công nghệ không gian trong sự nghiệp sau này.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương IT CƠ SỞ TOÁN HỌC CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐO ẢNH Nội dụng chính của chương này là trình bày khái niệm cơ bản về ảnh do (anh chụp theo nguyên lý của phép |chiếu xuyên tâm), những khải niệm về ệ pháp chiếu xuyên tôm, pháp chiếu thắng, các yếu tố hình học cơ bản của ảnh đo, một số định lý cơ bản của phép chiếu xuyên tâm trong do anh, tng đụng của các định lý đó trong việc giải đoán và điểm vẽ ảnh, các hệ tọa độ trong đo ảnh, các nguyên tổ định hướng của anh do, mỗi quan hệ toán học giữa vị trí điểm ảnh và điểm vat trong do ảnh. KHÁI NIỆM VỀ ẢNH ĐO _ Các ảnh chụp được dùng vào mục đích đo đạc được gọi là ảnh đo. Ảnh đo là số liệu gốc của quá trình đo đạc trong phương pháp đo ảnh. Nó là hình chiêu xuyên tâm của không gian vật trên mặt phăng nghiêng.

Tuy nhiên định nghĩa này chỉ có ý nghĩa hình học đơn thuần. Trong thực tế, ảnh đo là kết quả tổng hợp của 3 quá trình: Quá trình hình học: Việc chụp ảnh tuân theo quy luật của phép chiếu xuyên tâm, vì vậy môi quan hệ của diém anh va điểm vật đều tuân theo quy luật của phép chiêu này. Do đó muôn hiểu rõ mối quan hệ nảy cần hiểu rõ quy luật chiếu hình trong phép chiêu xuyên tâm. Quá trình quang học: Hình ảnh chụp được phải thông qua một hệ thống thấu kính, lăng kính trong máy chụp ảnh vì vậy chất lượng của ảnh phụ thuộc vào chất lượng của hệ thông thâu kính, lăng kính trong máy chụp ảnh.

Quá trình hoá học: Hình ảnh chụp được ghi lại trên vật hiện ảnh (phim cứng hoặc phim mềm) vì vậy chất lượng của ảnh còn phụ thuộc vào độ nhậy của phim, quá trình rửa ảnh, in ảnh. Đó là kết quả của quá trình hoá học trong chụp ảnh. Ảnh đo là kết quả của 3 quá trình đó, vì vậy ảnh đo có những tính chất cơ bản sau đây: - Nội dung của ảnh phản ánh trung thực các chỉ tiết bề mặt của đối tượng đo (địa hình, địa vật trên mặt đất tại khu vực chụp) nhưng chưa thể hiện đúng và day đủ theo yêu cầu của nội dung bản đồ. Đây mới chỉ là nguồn thông tin cơ bản của đối tượng đo thu nhận được tại thời điểm chụp ảnh.

Chúng sẽ được khai thác theo các mục đích khác nhau trong quá trình sử dụng. - Mức độ chỉ tiết và khả năng đo đạc của ảnh đo phụ thuộc vào điều kiện và phương thức chụp ảnh như: điều kiện khí tượng, thiết bị chụp ảnh, vật liệu ảnh, kỹ thuật chụp, rửa và in ảnh, - Ảnh đo chỉ là số liệu ban đầu cho nên không trực tiếp sử dụng được như những thành quả đo đạc khác (bản đồ) vì: Quan hệ toa độ giữa các điểm trên ảnh và các điểm tương ứng trên mặt đất là quan hệ của phép chiếu xuyên tâm chứ không phải là quan hệ của phép chiếu thẳng như trên ban dé. 12 Tỷ lệ của hình ảnh trên ảnh không thống nhất như trên bản đồ do đặc điểm của quá : , có " trình chụp ảnh. Các hình ảnh trên ảnh không chính xác về vị trí mà nó bị biến dạng do nhiều nguyên nhân gây ra như quy luật chiếu hình, sai số quang học và nhiều nguồn sai số khác.

Là : Vi thé muốn sử dụng ảnh đo vào mục đích đo đạc trước hét cần nghiên cứu quy luật tạo hình trong phép chiếu xuyên tâm. Nó là cơ sở đoán nhận điểm vật khi biết điểm ảnh và ngược lại. KHÁI NIỆM VẺ PHÉP CHIẾU 1. Định nghĩa về phép chiếu Hình 2.

Phép chiếu thắng và phép chiều xuyên tâm - Việc biểu diễn một vật thể bắt kỳ trên một mặt phẳng bất kỳ theo quy luật nhất định được gọi là phép chiều. Hình ảnh nhận được gọi là hình chiếu. Có nhiều loại phép chiếu khác nhau. ¬ a) Phép chiếu thẳng ¬ Trong trắc địa để nhận được bình đồ 1 khu vực nhỏ ABCD của bề mặt trái đất, tất cả các điểm được người ta chiếu lên một mặt phẳng ngang theo phương dây đọi.

Phương pháp chiếu như vậy, được gọi lả phép chiếu thắng đứng và nhận được hình chiếu AgBoCoп là hình chiếu thăng đứng (hình 2. -- -- a b) Phép chiéu xuyén tam Nếu cũng các điểm trong không gian chiếu hình ABCD (hình 2.1) người ta chiếu lên mặt phẳng P bắt kỳ bằng các tia chiếu qua 1 điểm S gọi là tâm chiều thì phép chiếu như thế được gọi là phép chiếu xuyên tâm, những vết cắt tia chiếu đó lên mặt phẳng chiếu là abcd được gọi là hình chiếu xuyên tâm hay hình chiếu. phối cảnh của những điểm đó. Những tia nhờ đó để thực hiện phép chiếu được gọi là tia chiều.

Kết luận Như vậy những tia phân bố trong không gian được gọi là tia chiếu. Những tia chiếu đi qua một điểm chung, điểm chung đó gọi là tâm chiếu. Trong trắc địa người ta coi bình đồ 1 khu vực là hình chiếu thắng đứng của các điểm vật trong khu vực đó, còn ảnh chụp là hình chiếu xuyên tâm của các điểm vật trong. Vấn để đặt ra là cần phải chuyển từ ảnh chụp được về bản đồ thực chất là chuyển từ phép chiếu xuyên tâm về phép chiếu thắng.

Tuy nhiên nói như vậy mới chỉ mang ý nghĩa hình học đơn thuần. NHỮNG YẾU TÓ HÌNH HỌC CƠ BẢN CỦA ẢNH ĐO f Hình 2. Các yếu tô hình học cơ bản của ảnh đo Trong đo ảnh người ta thường khôi phục vị trí chùm tia chyp trong không gian vật, khí đó các điểm ảnh thường được thể hiện bang các yếu tố, các yếu tố đó được gọi là các yếu tô hình học cơ bản của ảnh đo. Các yếu tô đó là: - Mặt phẳng E là mặt phẳng vật.

Thường giả thiết mặt phẳng E là mặt phẳng nằm ngang. ˆ - Mặt phẳng P là mặt phẳng ảnh. Trong trường hợp chung mặt phẳng P nghiêng với mặt phẳng E một góc nghiêng œ bất kỳ. Góc œ gọi là góc nghiêng của ảnh.

- Điểm S là tâm chụp hay tâm chiếu. Vị trí của S với mặt phẳng P được xác định theo tiêu cự của máy chụp ảnh sao cho thoả mãn điều kiện SO = fk (fk là tiêu cực ủa máy chụp ảnh). - Qua tâm chiếu S dựng mặt phẳng W thẳng góc với mặt phẳng E và mặt phẳng P. Mặt phẳng W gọi là mặt phẳng chính.

- Vết cắt của mặt W trên mặt phẳng ảnh P được gọi là đường đọc chính v v. - Vết cắt của mặt phẳng W trên mặt phẳng E được gọi là được hướng chụp VV. - Giao tuyến giữa mặt phẳng ảnh P và mặt phẳng vật E được gọi là đường nằm ngang hay gợi là trục chụp TT (đường gốc TT). - Từ tâm chụp S kẻ đường vuông góc xuống mặt phẳng ảnh P va giao điểm của chúng được gọi là điểm chính ảnh O.

SO gọi là tia sáng chính. 14 - Từ tâm chụp S kẻ đường vuông giác SN xuống mặt phẳng E và giao điểm của nó với mặt phẳng ảnh P là điểm đáy ảnh n. _ - Trong mặt phẳng W từ tâm chụp S kẻ đường song song với mặt phẳng vật E giao điểm của nó với mặt phẳng P được gọi là điểm tụ chính I. -Trong mặt phẳng.

W từ tâm chụp S là đường phân giác của góc OSn = a, giao điểm của nó với mặt phẳng P gọi là điểm đẳng giác C. - Trong mặt phẳng P qua I kẻ đường song song với đường nằm ngang TT sẽ có đường chân trời h; hị. - Trong mặt phẳng P qua điểm chính ảnh O kẻ đường song song với đường nằm ngang TT sẽ có đường nằm ngang chính hạ hạ. - Trong mặt phẳng P, qua điểm đăng giác C kẻ đường song song với đường nằm ngang TT sẽ có đường đẳng tỷ lệ h,họ.

- Khoảng cách từ tâm chụp S đến mặt phẳng vật E theo đường dây đọi được gọi là độ cao bay chụp, SN = H. ta xác định được các đại lượng hình học cơ bán của ảnh hàng không như sau: So=8, Sn= ‘Osa —#—, Se= —Í—,SI=IC= Cos.ctga,, oc = fy. tg $ Trong phương pháp đo ảnh, ảnh đo có thể được chụp ở 2 vị trí đặc biệt: - Đối với ảnh hàng không: Khí góc nghiêng của ảnh œ = 0 tức là mặt phẳng ảnh P nằm ngang (hình 2. Đây là trường hợp ảnh hàng không lý tưởng.

Trong trường hợp này các điểm chính ảnh O, điểm đáy ảnh n, và điểm đẳng giác C trùng nhau tai 1 điểm. Trên mặt phẳng ảnh điểm tụ chính I và đường chân trời h; h; nằm ở vô cực. - Đối với mặt phẳng đất: Khi góc nghiêng của ảnh œ = 90°, tức là mặt phẳng ảnh P thắng đứng (hình 2. Đây là trường hợp chụp ảnh mặt đất lý tưởng.

Trong trường hợp này điểm chính ảnh O sẽ trùng với điểm tụ chính I của ảnh. Đường nằm ngang chính hạhạ trùng với đường chân trời hị hị. Điểm đáy ảnh n nằm ở vô cực. 1 3 So Are g Wo ee ee w ¡ Are, LP f1 1! | _ ⁄ Vv ⁄ lên ZA W vú hobkc A iA 1 ~4-+-—- 1 7 Y ch ⁄v Lp yeZ^—1 a) Trường hợp ảnh hàng không b.

Trường hợp ảnh mặt đất Hình 2. Các trường hợp chụp ảnh đặc biệt 15 2. NHỮNG TÍNH CHÁT VÀ ĐỊNH LÝ CƠ BẢN CỦA PHÉP CHIEU XUYÊN TÂM Các ảnh đo được chụp theo nguyên lý của phép' chiếu xuyên tâm. Vì vậy các điểm ảnh trên ảnh đo cũng tuân theo quy luật của phép chiếu này.

Việc nghiên cứu các tính chất và định lý của phép chiếu xuyên tâm nhằm phục vụ việc đoán nhận điểm vật khi biết điểm ảnh và ngược lại. Điều này giúp cho việc giải đoán và điều vẽ ảnh được thuận lợi. Định lý cơ bản về phép chiếu của điểm a) Định lÿ thuận Nếu đã biết mặt phẳng ảnh P, tâm chiếu S và điểm vật A thì hình chiếu của A trên mặt ảnh P cũng được xác định tại điểm a và chỉ có một điểm a mà thôi (hình 2. b) Định lý đảo Nếu đã biết mặt phẳng P, tâm chiếu S và điểm ảnh a trên mặt P, thì điểm vật tương ứng của điểm ảnh là điểm A nằm trên đường thắng kéo đài Sa nhưng không phải là duy nhất (hình 2.

ậ § A ¬« 6 6 A/ P \- A Ve a) Định lý thuận b. Định lý đảo Hình 2. Định lý về phép chiếu của điểm 2.