Tài liệu ứng dụng ảnh hàng không chụp từ máy bay không người lái (ux5) xây dựng mhs địa hình tỷ lệ 1trên10000 phục vụ quản lý công trình thủy lợi, thủy điện

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ ỨNG DỤNG ẢNH HÀNG KHÔNG CHỤP TỪ MÁY BAY KHÔNG NGƢỜI LÁI (UX5) XÂY DỰNG MÔ HÌNH SỐ ĐỊA HÌNH TỶ LỆ 1: 10000 PHỤC VỤ QUẢN LÝ CÔNG TRÌNH THỦY LỢI, THỦY ĐIỆN (THÍ ĐIỂM CHO HỒ CHỨA THỦY LỢI IAM’LAH, HUYỆN KRÔNG PA, TỈNH GIA LAI) CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ HOÀNG VIỆT HÙNG HÀ NỘI, NĂM 2017 BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ ỨNG DỤNG ẢNH HÀNG KHÔNG CHỤP TỪ MÁY BAY KHÔNG NGƢỜI LÁI (UX5) XÂY DỰNG MÔ HÌNH SỐ ĐỊA HÌNH TỶ LỆ 1: 10000 PHỤC VỤ QUẢN LÝ CÔNG TRÌNH THỦY LỢI, THỦY ĐIỆN (THÍ ĐIỂM CHO HỒ CHỨA THỦY LỢI IAM’LAH, HUYỆN KRÔNG PA, TỈNH GIA LAI) HOÀNG VIỆT HÙNG CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ MÃ SỐ: 60520503 NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC TS. NGUYỄN BÁ DŨNG HÀ NỘI, NĂM 2017 CÔNG TRÌNH ĐƢỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI Cán bộ hƣớng dẫn chính: TS. Nguyễn Bá Dũng Cán bộ chấm phản biện 1: PGS. TS. Trần Xuân Trƣờng Cán bộ chấm phản biện 2: TS. Nguyễn Tiến Thành Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại: HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI Ngày ... tháng ... năm 2017 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nguyên cứu của riêng tôi.Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc công bố trong các công trình khác. Nếu không đúng nhƣ đã nêu trên tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về đề tài của mình Ngày 03 tháng 09 năm 2017 Học viên Hoàng Việt Hùng ii LỜI CẢM ƠN Trƣớc hết tôi xin gửi tới các thầy cô khoa Trắc địa – Bản đồ lời chào trân trọng, lời chúc sức khỏe và lời cảm ơn sâu sắc. Với sự quan tâm, dạy dỗ, chỉ bảo tận tình chu đáo của thầy cô, đến nay tôi đã có thể hoàn thành luận văn, đề tài:“Ứng dụng ảnh hàng không chụp từ máy bay không ngƣời lái (UX5) xây dựng mô hình số địa hình tỷ lệ 1: 10000 phục vụ quản lý công trình thủy lợi, thủy điện (thí điểm cho hồ chứa thủy lợi IAM’LAH, huyện KRông Pa, tỉnh Gia Lai)”. Đặc biệt tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS. Nguyễn Bá Dũng đã quan tâm giúp đỡ, hƣớng dẫn tôi hoàn thành tốt luận văn này trong thời gian qua. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến lãnh đạo Trƣờng Đại học Tài nguyên và Môi trƣờng Hà Nội, các phòng ban chức năng đã trực tiếp và gián tiếp giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu đề tài. Không thể không nhắc tới sự chỉ đạo và hƣớng dẫn của phân xƣởng Bay chụp xử lý ảnh – Xí nghiệp Chụp ảnh Hàng không – Công ty TNHH MTV Trắc địa Bản đồ – Cục Bản đồ – Bộ Tổng Tham Mƣu đã tạo điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn Với điều kiện thời gian cũng nhƣ kinh nghiệm còn hạn chếcủa một học viên, luận văn này không thể tránh đƣợc những thiếu sót. Tôi rất mong nhận đƣợc sự chỉ bảo, đóng góp ý kiến của cácthầy cô để tôi có điều kiện bổ sung, nâng cao ý thức của mình, phục vụ tốt hơn công tác thực tế sau này. iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii MỤC LỤC ................................................................................................................. iii THÔNG TIN LUẬN VĂN .........................................................................................v DANH MỤC VIẾT TẮT .......................................................................................... vi DANH MỤC BẢNG ................................................................................................ vii DANH MỤC HÌNH ................................................................................................ viii MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1 1. Cơ sở khoa học và tính thực tiễn của đề tài ............................................................1 2. Mục tiêu của đề tài ..................................................................................................2 3. Phƣơng pháp nghiên cứu.........................................................................................2 4. Nội dung nghiên cứu ...............................................................................................3 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH SỐ ĐỊA HÌNH VÀ ẢNH HÀNG KHÔNG ......................................................................................................................4 1.1. Bản đồ địa hình ...................................................................................................4 1.2. Mô hình số địa hình ............................................................................................4 1.2.1. Khái niệm về mô hình số địa hình ...................................................................4 1.2.2. Các dạng thể hiện mô hình số địa hình ............................................................4 1.2.3. Tổng quan các phƣơng pháp thành lập mô hình số địa hình ...........................5 1.3. Tổng quan ảnh hàng không ................................................................................9 1.3.1. Khái niệm .........................................................................................................9 1.3.2. Đặc điểm của ảnh hàng không .......................................................................10 1.3.3. Nguyên lý chụp ảnh hàng không ....................................................................16 1.3.4. Ƣu, nhƣợc điểm và các lƣu ý khi sử dụng ảnh hàng không ...........................17 1.4. Tổng quan các thành tựu ứng dụng máy bay không ngƣời lái trên thế giới và Việt Nam ...................................................................................................................19 1.4.1. Khả năng ứng dụng trên thế giới ....................................................................19 1.4.2. Khả năng ứng dụng tại Việt Nam...................................................................21 CHƢƠNG 2: ỨNG DỤNG ẢNH HÀNG KHÔNG CHỤP TỪ MÁY BAY KHÔNG NGƢỜI LÁI (UX5) XÂY DỰNG MÔ HÌNH SỐ ĐỊA HÌNH ................................23 iv 2.1. Giới thiệu tổng quan về máy bay không ngƣời lái UX5 ....................................23 2.2. Cấu tạo và đặc điểm kỹ thuật của hệ thống........................................................24 2.2.1. Thân máy bay Trimble UX5 ...........................................................................24 2.2.2. Máy ảnh ...........................................................................................................25 2.2.3. Trạm điều khiển mặt đất .................................................................................26 2.2.4. Bệ phóng .........................................................................................................27 2.2.5. Bộ dò tìm thiết bị.............................................................................................27 2.2.6. Giới thiệu một số phần mềm xử lý ảnh hàng không .......................................27 2.3. Quy trình tiến hành bay chụp .............................................................................31 2.3.1. Thu thập tài liệu ..............................................................................................31 2.3.2. Thực hiện bay chụp .........................................................................................31 2.3.3. Đo nối khống chế ảnh .....................................................................................36 2.3.4. Xử lý dữ liệu ...................................................................................................37 CHƢƠNG 3. THỰC NGHIỆM XÂY DỰNG MÔ HÌNH SỐ ĐỊA HÌNH PHỤC VỤ QUẢN LÝ HỒ CHỨA THỦY LỢI IAM’LAH HUYỆN KRÔNGPA, TỈNH GIA LAI ....................................................................................................................41 3.1. Khái quát khu vực thực nghiệm .........................................................................41 3.1.1. Điều kiện tự nhiên ...........................................................................................41 3.1.2. Quy mô, tính chất công trình...........................................................................44 3.1.3. Vai trò của công trình ......................................................................................45 3.2. Mục đích nhiệm vụ và yêu cầu kỹ thuật ............................................................46 3.2.1 Mục đích của nhiệm vụ ....................................................................................46 3.2.2 Yêu cầu kỹ thuật...............................................................................................46 3.3. Thiết kế bay chụp ...............................................................................................48 3.4. Tổ chức thực hiện bay chụp khống chế ảnh tại ngoại nghiệp ............................51 3.5. Tính toán, xử lý số liệu trên phần mềm Trimble Business Center 3.4 ..............51 3.6. Kết quả kiểm tra và đánh giá độ chính xác ........................................................57 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................................62 TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................62 v THÔNG TIN LUẬN VĂN Họ và tên học viên: Hoàng Việt Hùng Lớp: CH1TĐ Khóa: 1 Cán bộ hƣớng dẫn: TS. Nguyễn Bá Dũng Tên đề tài: Ứng dụng ảnh hàng không chụp từ máy bay không ngƣời lái (UX5) xây dựng mô hình số địa hình tỷ lệ 1: 10000 phục vụ quản lý công trình thủy lợi, thủy điện (thí điểm cho hồ chứa thủy lợi IAM’LAH. Huyện Krông Pa, Tỉnh Gia Lai) Luận văn trình bày cách xây dựng mô hình số địa hình tỷ lệ 1: 10000 từ ảnh hàng không chụp từ máy bay không ngƣời lái UX5. Kết quả nghiên cứu phục vụ cho công tác quản lý các công trình thủy lợi, thủy điện. Đây là đề tài mang tính ứng dụng cao, bổ sung thêm nguồn tƣ liệu và công nghệ trong công tác thành lập bản đồ bằng công nghệ ảnh. vi DANH MỤC VIẾT TẮT Nghĩa Tiếng Anh Nghĩa Tiếng Việt STT Chữ viết tắt 1 UAV 2 UX5 3 BQP 4 DEM Digital Elavation Model Mô hình số độ cao 5 DTM Digital Terrain Model Mô hình số địa hình 6 DSM Digital Surface Model Mô hình số bề mặt 7 GPS Global Positioning Hệ thống định vị toàn cầu 8 CCD Charge Coupled Device Bộ cảm biến 9 TCVN 10 TBC Trimble Business Center Phần mềm xử lý ảnh 11 MP Mega Pixel Triệu điểm ảnh 12 BTTM Unmanned Aerial Vehicles Máy bay không ngƣời lái Máy bay không ngƣời lái UX5 Bộ Quốc Phòng Tiêu chuẩn Việt Nam Bộ Tổng tham mƣu vii DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1. Tính năng kỹ thuật chính của hệ thống.....................................................26 Bảng 3.1. Tọa độ mặt phẳng và độ cao của các điểm kiểm tra .................................57 Bảng 3.2. Tọa độ mặt phẳng và độ cao của các điểm kiểm tra trích ra từ bình đồ ...57 Bảng 3.3. Bảng sai số tại các điểm kiểm tra .............................................................58 Bảng 3.4. Bảng sai số chích khống chế ảnh KCA_01 ..............................................58 Bảng 3.5. Bảng sai số chích khống chế ảnh KCA_04 ..............................................59 Bảng 3.6. Bảng sai số chích khống chế ảnh KCA_05 ..............................................59 Bảng 3.7. Bảng sai số chích khống chế ảnh KCA_06 ..............................................60 Bảng 3.8. Bảng sai số chích khống chế ảnh KCA_07 ..............................................60 viii DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Ảnh chụp trên khinh khí cầu chụp vùng Booston, tác giả James Wallace Black vào 13 tháng 10 năm 1860 ( Thomas) ..............................................................9 Hình 1.2. Độ phủ của tấm ảnh...................................................................................10 Hình 1.3. Hình chuẩn để kiểm tra độ phân giải. .......................................................12 Hình 1.4. Ảnh hƣởng độ lệch địa hình .....................................................................13 Hình 1.5. Kiểm tra khả năng nhìn lập thể (A) với các hình có vị trí sắp xếp khác nhau theo chiều thẳng đứng (trên dƣới). ...................................................................14 Hình 1.6. Chụp ảnh theo nguyên tắc khung (B) và phân tích hiệu ứng lập thể(C) ...15 Hình 1.7. Một số kiểu kính soi khác nhau ................................................................16 Hình 1.8. Nguyên lý hoạt động của ống kính ...........................................................17 Hình 1.9. Hệ thống UAV Falcon-PARS ...................................................................20 Hình 1.10. Máy ảnh RCD30 và TC-1235 UAV .......................................................20 Hình 1.11. Hệ thống UAS Skate Small của Mỹ........................................................21 Hình 2.1. Hệ thống Trimble UX5 .............................................................................23 Hình 2.2. Cấu tạo mặt trên Trimble UX5 .................................................................24 Hình 2.3. Cấu tạo mặt dƣới Trimble UX5 ................................................................25 Hình 2.4. Máy ảnh Sony NEX-5T ............................................................................25 Hình 2.5. Góc chụp và diện tích 1 tấm ảnh chụp ......................................................25 Hình 2.6. Trạm điều khiển mặt đất ...........................................................................26 Hình 2.7. Bệ phóng ...................................................................................................27 Hình 2.8. Bộ dò tìm thiết bị.......................................................................................27 Hình 2.9. Quy trình tiến hành bay chụp ....................................................................31 Hình 2.10. Hƣớng thiết kế tuyến bay ........................................................................33 Hình 2.11. Hƣớng cất cánh và hạ cánh .....................................................................33 Hình 2.12. Thông số máy chụp ảnh ..........................................................................34 Hình 2.13. Bệ phóng máy bay...................................................................................35 Hình 2.14. Phần mềm Trimble Business Center 3.4 .................................................38 Hình 3.1. Ảnh một phần khu vực hồ thủy điện IAM’LAH ......................................42 ix Hình 3.2. Lựa chọn phạm vi bay chụp ca bay 1 và thông số kỹ thuật ......................48 Hình 3.3. Lựa chọn phạm vi bay chụp ca bay 2 và thông số kỹ thuật ......................49 Hình 3.4. Lựa chọn vị trí và hƣớng cất hạ cánh ca bay 1 .........................................49 Hình 3.5. Lựa chọn vị trí và hƣớng cất hạ cánh ca bay 2 .........................................50 Hình 3.6. Bố trí vị trí các điểm khống chế ảnh .........................................................50 Hình 3.7. Đƣa 2 file dữ liệu bay “jxl” .......................................................................51 Hình 3.8. Gộp 2 ca bay tạo thành một Block để xử lý...............................................52 Hình 3.9. Bình sai khối ảnh với các điểm liên kết .....................................................53 Hình 3.10. Thể hiện các bƣớc xử lý ..........................................................................53 Hình 3.11. Chấp nhận kết quả bình sai từ các điểm liên kết .....................................53 Hình 3.12. Báo cáo bình sai bay chụp.......................................................................54 Hình 3.13. Đám mây điểm khu vực hồ......................................................................54 Hình 3.13. Mô hình số địa hình khu vực hồ IAM’LAH ...........................................55 Hình 3.14. Bình đồ ảnh khu vực hồ IAM’LAH ........................................................56 1 MỞ ĐẦU 1. Cơ sở khoa học và tính thực tiễn của đề tài Trƣớc đây, các công nghệ sử dụng máy toàn đạc điện tử và định vị vệ tinh (GNSS) đang đƣợc sử dụng rộng rãi trong thu thập dữ liệu mặt đất phục vụ cho công tác địa chính, trắc địa địa hình, xây dựng dân dụng và thiết kế kiến trúc, với độ chính xác cao, đạt đƣợc dƣới 5 cm. Tuy nhiên, hai công nghệ trên có nhƣợc điểm là giá thành cao và tiêu tốn thời gian tƣơng đối lớn. Thêm nữa, hai công nghệ trên có thể khó thực hiện đối với khu vực đo vẽ có địa hình phức tạp, hoặc khi điều kiện môi trƣờng khu đo gây nguy hiểm cho sức khỏe cho con ngƣời khi tiếp xúc trực tiếp. Do vậy, công nghệ quét Laser mặt đất và công nghệ bay quét LiDAR đƣợc phát triển, sử dụng thay thế cho hai công nghệ đã nêu bên trên. Điểm thuận lợi của công nghệ quét Laser là việc sử dụng và vận hành không phức tạp, phù hợp cho các dự án có diện tích vừa và nhỏ. Về lý thuyết, khoảng cách quét có thể lên đến 6000m. Đối với các dự án đòi hỏi độ chính xác cao, độ chính xác của điểm đƣợc quét có thể đạt đến 2 mm (ví dụ cho máy Trimble TX5 Laser Scanning với khoảng cách quét dƣới 120 m). Do vậy công nghệ quét Laser đƣợc sử dụng tƣơng đối rộng rãi hiện nay tại nhiều nƣớc trên thế giới và Việt Nam. Nhƣợc điểm của công nghệ này đó là có thể không thích hợp với các dự án có diện tích lớn có địa hình phức tạp, do phải di chuyển nhiều trạm máy quét trên bề mặt địa hình. Từ các hạn chế đó, công nghệ bay quét LiDAR (sau đây gọi tắt là công nghệ LiDAR) đƣợc phát triển nhƣ một công nghệ thay thế cho các công nghệ trên. Điểm bất lợi hiện tại của LiDAR là giá thành trang thiết bị cao. Thực tế, trong công tác đo đạc thành lập mô hình số địa hình phục vụ công tác thành lập bản đồ, quản lý công trình thủy lợi, thủy điện, yếu tố giá thành sản phẩm đóng vai trò rất quan trọng trong việc lựa chọn công nghệ sử dụng. Do đó, việc thúc đẩy phát triển và ứng dụng các công nghệ mới với giá thành thấp hơn là hết sức cấp thiết. Thời gian gần đây, cùng với sự phát triển của công nghệ định vị vệ tinh, công nghệ máy bay không ngƣời lái (Unmanned Aerial Vehicles – UAV), các thuật toán tự động xử lý ảnh, xây dựng mô hình 3 chiều (Structure – from – Motion, SFM), giá 2 thành trang thiết bị cho công nghệ đo vẽ sử dụng UAV đã giảm xuống rất mạnh. Khảo sát cho thấy công nghệ này đang đƣợc ứng dụng thành công, rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nhƣ công tác đo đạc thành lập bản đồ, giao thông, sản xuất nông nghiệp, nghiên cứu địa chất và nghiên cứu môi trƣờng. Ngoài việc giá thành tƣơng đối thấp, công nghệ UAV với các máy ảnh phổ thông dễ dàng thu nhận các ảnh số với độ phân giải rất cao ( mm, cm), trong điều kiện địa hình phức tạp, khó tiếp cận môi trƣờng nguy hiểm. Thêm nữa, các phần mềm mã nguồn mở và phần mềm thƣơng mại đều tích hợp các thuật toán SFM, cho phép gần nhƣ hoàn toàn tự động xử lý ảnh, xây dựng các sản phẩm bản đồ ( mô hình số bề mặt, mô hình số địa hình, mô hình số độ cao, bản đồ trực ảnh, bản đồ 3D, video). Ngƣời sử dụng công nghệ này không nhất thiết phải có kiến thức quá sâu về công nghệ đo ảnh truyền thống [1]. Chính vì thế công nghệ UAV đang rất hứa hẹn đƣợc ứng dụng rộng rãi hơn nữa vào các lĩnh vực khác nhau. Chính vì vậy, việc sử dụng máy chụp ảnh số gắn trên máy bay không ngƣời lái phục vụ trong công tác thành lập mô hình số địa hình bằng phƣơng pháp đo ảnh là một đề tài nghiên cứu mang tính ứng dụng cao, bổ su ng thêm nguồn tƣ liệu và công nghệ trong công tác thành lập bản đồ bằng công nghệ ảnh. Đƣợc sự hỗ trợ từ nhà nghiên cứu đề tài cấp bộ “ Nghiên cứu ứng dụng công nghệ địa tin học nâng cao chất lƣợng dữ liệu không gian phục vụ công tác điều tra quy hoạch tài nguyên nƣớc”, mã số 2015.02.12 đề tài luận văn thạc sĩ: “Ứng dụng ảnh hàng không chụp từ máy bay không ngƣời lái UX5 xây dựng mô hình số địa hình tỷ lệ 1: 10000 phục vụ quản lý công trình thủy lợi, thủy điện (thí điểm cho hồ chứa thủy lợi IAM’LAH, huyện KRông Pa, tỉnh Gia Lai)" đã đƣợc thực hiện. 2. Mục tiêu của đề tài Sử dụng đƣợc ảnh hàng không chụp từ máy bay không ngƣời lái UX5 để xây dựng đƣợc mô hình số địa hình tỷ lệ 1:10000 phục vụ quản lý công trình thủy lợi thủy điện 3. Phƣơng pháp nghiên cứu – Về lý thuyết: 3 + Phƣơng pháp thu thập tài liệu, số liệu: Tham khảo các tài liệu nhƣ các bài giảng, luận văn, luận án tốt nghiệp, mạng internet về ứng dụng máy bay không ngƣời lái. + Phƣơng pháp xử lý số liệu: gồm các công việc thống kê, tổng hợp, phân tích so sánh độ chính xác của các số liệu tài liệu và kết quả nghiên cứu. – Về thực nghiệm: + Phƣơng pháp tin học: sử dụng phần mềm để xây dựng mô hình số địa hình phục vụ quản lý công trình thủy lợi, thủy điện cho hồ chứa thủy lợi IAM’LAH, huyện Krông Pa, tỉnh Gia Lai. + Phƣơng pháp điều tra: điều tra bổ sung ngoại nghiệp thông tin đối tƣợng địa lý. 4. Nội dung nghiên cứu – Quy trình chụp ảnh bằng máy bay không ngƣời lái; – Quy trình thành lập mô hình số địa hình bằng ảnh máy bay không ngƣời lái; – Sử dụng ảnh hàng không chụp từ máy bay không ngƣời lái để xây dựng mô hình số địa hình phục vụ quản lý công trình thủy lợi, thủy điện (thí điểm cho hồ chứa thủy lợi IAM’LAH huyện KRông Pa, tỉnh Gia Lai) * Bố cục luận văn Luận văn có bố cục nhƣ sau: MỞ ĐẦU Chƣơng 1. Tổng quan về mô hình số địa hình và ảnh hàng không Chƣơng 2. Ứng dụng ảnh hàng không chụp từ máy bay không ngƣời lái (UX5) xây dựng mô hình số địa hình Chƣơng 3. Thực nghiệm xây dựng mô hình số địa hình phục vụ quản lý hồ chứa thủy lợi IAM’LAH, huyện KrongPa, Tỉnh Gia Lai KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 4 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH SỐ ĐỊA HÌNH VÀ ẢNH HÀNG KHÔNG 1.1. Bản đồ địa hình Khái niệm bản đồ địa hình: Bản đồ địa hình là biểu thị thunhỏ một phần hay toàn bộ bề mặt Trái Đất dựa trên một quy định toán học nhất định. Nội dung trên bản đồ đƣợc thể hiện bằng ký hiệu quy định, những ký hiệu đó đƣợc gọi là ngôn ngữ bản đồ và đã thông qua một quá trình tổng kết hóa nhằm phản ánh sự phân bố các tính chất, các mối quan hệ, sự biến đổi các đối tƣợng và các hiện tƣợng tự nhiên, kinh tế xã hội phù hợp với mục đích sử dụng. Bản đồ địa hình thuộc loại bản đồ địa lý chung. Nội dung bản đồ địa hình bao gồm các yếu tố sau: cơ sở toán học, thủy hệ, giao thông, dáng đất, ranh giới, dân cƣ, thực vật. Mức độ đầy đủ, tỉ mỉ của nội dung phải phù hợp với mục đích sử dụng của bản đồ và đặc điểm khu vực. Bản đồ địa hình cần phải rõ ràng, dễ đọc, cho phép định hƣớng dễ dàng, nhanh chóng ngoài thực địa. Các yếu tố thể hiện trên bản đồ cần phải đầy đủ, chính xác, cho phép ngƣời đọc xác định đƣợc định tính, định lƣợng của vùng địa hình. 1.2. Mô hình số địa hình 1.2.1. Khái niệm về mô hình số địa hình Mô hình số địa hình DTM ( Digital Terrain Model) là sự biểu diễn dáng đất hữu hạn thông qua số lƣợng điểm xác định, thành phần của mô hình số địa hình là các điểm trên bề mặt đất đƣợc cho bởi tọa độ ( X, Y, Z) trong hệ tọa độ nào đấy. Các vị trí này đƣợc bố trí tùy theo dáng địa hình có thể là điểm nút hoặc mắt lƣới của mạng kèm theo hàm toán học mô phỏng bề mặt địa hình giữa các điểm nút lƣới đó [2]. 1.2.2. Các dạng thể hiện mô hình số địa hình – Dạng GRID: Là một lƣới ô vuông đƣợc phủ trùm lên khu vực địa hình cần nghiên cứu vị trí và độ cao của lƣới ô vuông sẽ đƣợc đo trực tiếp bằng phƣơng pháp đo lập thể hoặc có thể nội suy. Kích thƣớc của lƣới ô vuông quyết định đến độ 5 chính xác của mô hình cần thành lập. Lƣới ô vuông là lƣới dễ thực hiện nhƣng độ chính xác thể hiện địa hình là không cao. – Dạng TIN: Là lƣới gồm các tam giác liên kết lại với nhau và đƣợc phủ trùm lên bề mặt địa hình khu vực nghiên cứu. Lƣới TIN thể hiện xác thực nhất địa hình khu vực nghiên cứu tuy nhiên khó xây dựng, vị trí và độ cao của các mắt lƣới TIN sẽ đƣợc xác định thông qua phƣơng pháp đo lập thể hoặc nội suy. Thông thƣờng lƣới TIN đƣợc nội suy trên cơ sở lƣới GRIT [2]. 1.2.3. Tổng quan các phương pháp thành lập mô hình số địa hình 1.2.3. 1. Thành lập mô hình số địa hình bằng phương pháp đo trực tiếp ngoài thực địa a. Các bƣớc tiến hành – Khảo sát, thiết kế, xây dựng luận chứng kinh tế – kỹ thuật. – Lập lƣới khống chế trắc địa (lƣới khống chế đo vẽ) làm cơ sở tọa độ để vẽ chi tiết, đảm bảo cho việc xác định vị trí của bản đồ trong hệ tọa độ nhà nƣớc, bao gồm các công việc: gắn mốc ngoài thực địa trên các điểm đã thiết kế, đo nối tọa độ của các điểm với các điểm cấp cao đã có tọa độ trong hệ tọa độ nhà nƣớc, tính toán bình sai kết quả đo, chuyển tọa độ của các điểm lƣới lên bản vẽ. – Đo đạc chi tiết ngoài thực địa: đặt máy đo đạc lần lƣợt tại vị trí các điểm của lƣới khống chế đo vẽ để tiến hành đo vẽ chi tiết các đối tƣợng xung quanh điểm đặt máy. Các kết quả đo cùng dữ liệu có liên quan đƣợc tự động ghi vào bộ nhớ của máy. – Nhập số liệu máy tính, tiền xử lý kết quả đo, xác định tọa độ của các điểm đo chi tiết, phân lớp đối tƣợng, dựng hình (nối các đối tƣợng dạng đƣờng và ranh giới các đối tƣợng vùng). Kiểm tra chất lƣợng đo, đo bù hoặc đo bổ sung nếu đo sai hoặc thiếu. b. Ƣu, nhƣợc điểm – Ƣu điểm: Phản ánh trung thực, chính xác, chi tiết các đối tƣợng nội dung mô hình số địa hình cần thể hiện. – Nhƣợc điểm: + Chịu ảnh hƣởng nhiều bởi thời tiết, khí hậu, điều kiện địa lý khu vực đo vẽ. 6 + Năng suất lao động không cao do đó chỉ thực hiện công việc đo vẽ trên khu vực có diện tích nhỏ. – Ứng dụng: + Phục vụ đo vẽ bản đồ địa hình, địa chính tỉ lệ lớn trên quy mô diện tích không quá lớn, chủ yếu thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn ở các vùng dân cƣ, đặc biệt là khu vực đô thị có mật độ dân cƣ đông đúc, công trình nhiều. + Đo vẽ bổ sung, kết hợp với các phƣơng pháp thành lập bản đồ khác. + Phục vụ thực hiện các công việc đo vẽ cho bản đồ chuyên đề và các công tác đo đạc khác. 1.2.3.2. Thành lập mô hình số địa hình từ ảnh hàng không a. Các bƣớc tiến hành – Khảo sát, thiết kế, xây dựng luận chứng kinh tế – kỹ thuật. – Chụp ảnh hàng không: ảnh đƣợc chụp từ máy chụp ảnh chuyên dụng đặt trong máy bay. – Lập lƣới khống chế ảnh ngoại nghiệp. Các tờ ảnh sau khi bay chụp cần đƣợc xác định chính xác vị trí của nó trong hệ tọa độ mặt phẳng (x, y) và trong hệ độ cao nhà nƣớc, nhờ lƣới khống chế ảnh. Các điểm của lƣới khống chế ảnh là những điểm đƣợc thiết kế, đánh dấu mốc trên mặt đất, và đƣợc nhận biết rõ trên ảnh. Tọa độ của những điểm này hoặc là đã có hoặc đƣợc xác định nhờ đo nối với điểm đã có tọa độ (gọi là đo nối khống chế ảnh ngoại nghiệp). – Tăng dày khống chế ảnh nội nghiệp. Để phục vụ cho quá trình đo vẽ trên ảnh và nắn ảnh thì các điểm khống chế ảnh đƣợc xác định ngoài thực địa nhƣ trên là không đủ. Cần tiến hành tăng dày các điểm khống chế ảnh, tính toán tọa độ mặt phẳng và độ cao của những điểm này ở trong phòng nhờ những thiết bị đo vẽ ảnh. – Điều vẽ ảnh: trong phƣơng pháp thành lập bản đồ hàng không các đối tƣợng địa hình mặt đất đƣợc nhận biết và đo vẽ lên bản đồ chủ yếu dựa vào cơ sở giải đoán và đo vẽ hình ảnh trên ảnh. Quá trình xét đoán hình ảnh trên ảnh để nhận dạng đối tƣợng đƣợc gọi là điều vẽ ảnh. Điều vẽ ảnh đƣợc đƣợc tiến hành trong 7 phòng trƣớc, sau đó tiến hành điều vẽ ngoài trời để xác định tính đúng đắn của quá trình giải đoán trong phòng. – Đo vẽ ảnh: đƣợc tiến hành theo các phƣơng pháp + Phƣơng pháp lập thể: ảnh chụp có độ phủ cùng hai tờ ảnh cùng hàng liền kề sẽ tạo thành một mô hình lập thể, phƣơng pháp này đƣợc sử dụng cho mọi khu vực, mọi điều kiện địa hình. + Phƣơng pháp tổng hợp bình đồ ảnh: phần địa vật đƣợc vẽ trên cơ sở bình đồ ảnh, phần dáng đất có thể đo vẽ trực tiếp trên thực địa, trên bình đồ địa vật. + Phƣơng pháp đo vẽ ảnh số: đây là phƣơng pháp công nghệ tiên tiến nhất hiện nay. Địa vật và địa hình đều đƣợc đo vẽ lập thể trên cơ sở ảnh đã chuyển sang dạng số, trên trạm đo ảnh số. => Mô hình số địa hình DTM b. Ƣu, nhƣợc điểm và khả năng ứng dụng – Ƣu điểm: + Loại bỏ khó khắn, vất vả của công tác ngoại nghiệp. + Cùng một lúc có thể đo vẽ đƣợc vùng rộng lớn, rút ngắn thời hạn sản xuất, hạ giá thành bản đồ. – Nhƣợc điểm: + Độ chính xác bản đồ phụ thuộc vào chất lƣợng và độ chính xác đo vẽ, tỷ lệ ảnh chụp. + Quá trình đoán đọc có thể làm giảm độ chính xác các thông tin thể hiện trên bản đồ. – Ứng dụng: + Dùng thành lập mô hình số địa hình tỷ lệ từ 1/2000 – 1/50000. + Phục vụ thành lập một số bản đồ mang tính chất chuyên ngành tỷ lệ lớn nhƣ bản đồ địa chính hay bản đồ lâm nghiệp. 1.2.3.3. Thành lập mô hình số địa hình bằng phương pháp mới sử dụng các hệ thống viễn thám chủ động như Radar độ mở tổng hợp giao thoa (IFSAR) Ứng dụng quan trọng nhất của ảnh Radar là tạo mô hình số địa hình độ chi tiết trung bình và độ chính xác từ vài mét đến hàng trăm mét cho một vùng rộng lớn 8 trong một thời gian ngắn. Ngoài ra còn có các hệ thống Radar độ mở tổng hợp giao thoa đặt trên máy bay, chẳng hạn nhƣ hệ thống Intermap STAR 3i dùng băng X có thể cho phép thành lập mô hình số địa hình với độ chính xác từ 0,5 m đến 3 m. Ảnh Radar không thể hiện hình ảnh tự nhiên của bề mặt mặt đất nên không dùng làm nền để số hóa hay điều vẽ ngoại nghiệp đƣợc. Để xây dựng các đối tƣợng địa vật thì phải kết hợp với các nguồn ảnh quang học. Các ảnh này có thể là ảnh máy bay hay các loại ảnh vệ tinh quang học khác. Sự kết hợp này tận dụng đƣợc ƣu thế của cả hai loại ảnh. Tuy nhiên với độ chính xác của mô hình số địa hình tạo từ ảnh Radar nhƣ trên thì phƣơng pháp này cũng chỉ có thể áp dụng để thành lập bản đồ 3D tỷ lệ 1:10000 và nhỏ hơn 1.2.3.4. Thành lập mô hình số địa hình từ các nguồn ảnh viễn thám khác Ngoài ảnh máy bay thƣờng dùng (ảnh quang học chụp từ các máy ảnh truyền thống dùng phim và gần đây là các máy ảnh số), ảnh viễn thám rất đa dạng, có thể phân loại thành hai nhóm chính là các loại ảnh vệ tinh và ảnh laser với đầu thu đặt trên máy bay. Thông thƣờng, ảnh đƣợc sử dụng làm nền để số hóa các dữ liệu vector, các thông tin chi tiết về hình dạng và tính chất của các đối tƣợng nằm trên mặt địa hình, ảnh trực giao để phủ lên mô hình số địa hình tạo ảnh thực bề mặt mặt đất. Độ phân giải của các loại ảnh viễn thám thay đổi từ vài dm đối với ảnh laser chụp từ máy bay đến trên dƣới 1m với các ảnh vệ tinh quang học panchromatic độ phân giải cao; các ảnh vệ tinh quang học đa phổ và ảnh Radar có độ phân giải kém hơn, từ vài mét đến vài trăm mét. Độ phân giải cũng nhƣ 29 khả năng đo vẽ lập thể là các yếu tố quyết định các ảnh này có thể dùng để thành lập mô hình số địa hình tỷ lệ nào và sử dụng nhƣ thế nào. Với sự đa dạng về đặc điểm cũng nhƣ khả năng ứng dụng của từng loại ảnh viễn thám cũng nhƣ tỷ lệ mô hình số địa hình cần thành lập, khó có thể đƣa ra một qui trình chính xác và chi tiết. Ngoài ra, có thể kết hợp với khu vực có sẵn mô hình số địa hình và dữ liệu vector thì ảnh vệ tinh quang học đa phổ có thể đƣợc nắn trực giao sử dụng mô hình số địa hình và dùng làm ảnh phủ bề mặt.