Xem mẫu

TIỀM NĂNG BẢN ĐỒ CỦA ẢNH VỆ TINH CÓ ĐỘ PHÂN GIẢI CAO TSKH. LƯƠNG CHÍNH KẾ Viện đo ảnh và Bản đồ ĐH Bách Khoa Vacsava Email: lchinhke@poczta.pl TÓM TẮT: Độ lớn pixel thực địa của ảnh vệ tinh có độ phân giải cao (AVT-ĐPGC) là một trong số các tham số quan trọng trước tiên, quyết định dung lượng thông tin của ảnh và tỷ lệ bản đồ thích ứng cần thành lập. Bài báo trình bầy và xác lập mối liên hệ giữa độ lớn pixel thực địa của AVT-ĐPGC và tỷ lệ bản đồ. Phần cuối bài báo đề cập tới khả năng thành lập cơ sở dữ liệu từ AVT-ĐPGC để xây dựng hệ thống thông tin địa lý GIS. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Trong những năm gần đây, ảnh vệ tinh có độ phân giải cao (AVT-ĐPGC) với độ lớn pixel thực địa ≤ 1m đang là những đề tài nghiên cứu ứng dụng hấp dẫn trên thế giới, phục vụ trước hết cho việc thành lập và hiện chỉnh bản đồ. Ngoài ra, ảnh vệ tinh là những tư liệu có giá trị cho công tác nghiên cứu quy hoạch tài nguyên đất đai, nghiên cứu thăm dò các hiện tượng địa chấn, hoạt động của núi lửa và sóng thần, dự báo lũ lụt, sụt lở bờ biển vv...Việc nghiên cứu khả năng ứng dụng AVT-ĐPGC để thành lập bản đồ - gọi là „tiềm năng bản đồ” (topographic mapping potential) phục vụ cho sự phát triển kinh tế là một nhu cầu bức xúc trước sự đòi hỏi ngày càng tăng của nền kinh tế đang phát triển. Tiềm năng bản đồ của AVT-ĐPGC đòi hỏi phải thoả mãn: - Yêu cầu về độ chính xác hình học của điểm địa hình, địa vật (geometric potential) [1b], - Khả năng suy giải của ảnh đảm bảo cho nội dung bản đồ cần thành lập (interpretation potential) [2]. Giữa dung lượng thông tin (hay nội dung) của ảnh và của bản đồ tồn tại mối liên hệ. Với ảnh photo trên nền phim (ảnh analogue) là mối liên hệ giữa tỉ lệ ảnh và tỉ lệ bản đồ. Song, đối với ảnh số nói chung và ảnh vệ tinh nói riêng là mối liên hệ giữa độ lớn pixel thực địa của ảnh và tỷ lệ bản đồ. Khái niệm „độ lớn pixel thực địa” hay „độ dài mẫu thực địa” GSD (Ground Sampling Distance) không đồng nghĩa với khái niệm „độ phân giải của ảnh” (image resolution). „Độ phân giải của ảnh” là thuật ngữ được sử dụng chung cho cả ảnh photo và ảnh số, nhưng bản chất của nó không giống nhau. Nội dung bài báo đề cập tới: - Sự khác nhau về khái niệm „độ phân giải” của ảnh photo và của ảnh số, cũng như sự khác nhau giữa „độ lớn pixel thực địa” và „độ phân giải của ảnh số”. - Mối liên hệ giữa dung lượng thông tin của ảnh số và bản đồ. Qua đó, chúng ta sẽ thấy được „tiềm năng bản đồ” của AVT-ĐPGC. - Cuối cùng, thông qua kết quả nghiên cứu, bài báo giới thiệu khả năng xây dựng hệ thống cơ sở dữ liệu cho GIS từ AVT-ĐPGC. 1 2. ĐỘ LỚN PIXEL THỰC ĐỊA VÀ ĐỘ PHÂN GIẢI CỦA ẢNH VỆ TINH Bước vào đầu kỉ nguyên 21, AVT-ĐPGC với độ lớn pixel thực địa ≤ 1m như IKONOS, QuickBird , OrbView (Mỹ) đã được đưa vào ứng dụng trong thực tế. Các thực nghiệm nghiên cứu đều đi đến kết luận chung về tiềm năng to lớn của AVT-ĐPGC để thành lập bản đồ, với sự cạnh tranh ngày càng có ưu thế so với ảnh hàng không. Một số những khái niệm kinh điển trong đo ảnh hàng không của kỉ nguyên 20 không thể suy diễn và áp đặt thiếu căn cứ đối với AVT-ĐPGC. Trong kỉ nguyên 20 chúng ta xử lý ảnh trên các phân tử Halogen bạc. Trái lại, bước vào kỷ nguyên 21 chúng ta xử lý ảnh trên những tế bào quang điện – pixel. Không những công nghệ có sự thay đổi mà ngay cả một số các khái niệm kinh điển của ảnh photo phải được hiểu theo nghĩa khác đối với ảnh số. Trong đo ảnh photo, khái niệm „độ phân giải của ảnh” đã được định nghĩa chính xác và được kiểm nghiệm qua thực tế. „Độ phân giải của ảnh photo” biểu diễn bằng số đường nét (đn) trên một đơn vị độ dài 1mm. Ảnh photo có độ phân giải trung bình là 40đn/1mm; nghĩa là vật nhỏ nhất có thể được ghi trên ảnh với độ lớn tương ứng là 1mm/40=0,025mm. Bảng 1 giới thiệu độ lớn tối thiểu của vật ở thực địa được ghi trên ảnh ở các tỷ lệ khác nhau. Bảng 1: Độ phân giải của ảnh photo Tỷ lệ ảnh Độ lớn tối thiểu của 1:Mz vật ở thực địa (m) 1:5 000 0.12 1:10 000 0.25 1:25 000 0.62 1:35 000 0.88 1:50 000 1.25 Một vấn đề quan trọng của đo ảnh số trong suốt quá trình từ phát hiện vật (detection) đến nhận biết vật đó là vật gì (indentification) là khả năng suy giải của ảnh (interpretation potential). Để giải quyết vấn đề này chúng ta cần vận dụng „lý thuyết làm mẫu ảnh” (theory of image sampling). Quá trình từ phát hiện đến nhận biết điểm đòi hỏi vật phải có độ lớn tối thiểu tương ứng trên ảnh bằng 2÷3 pixel. Đây là điều kiện ngưỡng và chính là „độ phân giải của ảnh”. Khi chúng ta nói „ảnh vệ tinh có độ phân giải 1m”, có nghĩa là bao hàm hai nội dung: - độ lớn pixel thực địa GSD (Ground Sampling Distance – độ lớn tối thiểu của vật ở thực địa có thể được ghi trên CCD) là 1m; - khả năng phát hiện và nhận biết vật trên ảnh đòi hỏi vật đó phải có độ lớn tối thiểu bằng 2÷3 pixel. „Lý thuyết làm mẫu ảnh” dựa vào cơ sở „tán xạ ánh sáng” (light diffraction) cho phép chúng ta xác định độ phân giải của ảnh. Nếu thiết bị quét ảnh số có đường kính cửa mở ống quang học là d và trục quang trùng với phương dây dọi, với bước sóng ánh sáng λ trong dải quang phổ toàn sắc Pan (panchromatic), góc tán xạ ánh sáng α (có đơn vị là mi-li-ra-đi-an) tương ứng 2 với độ lớn tối thiểu của vật ngoài thực địa (độ lớn pixel thực địa = GSD) nhìn từ độ cao H, được ghi nhận trên chip CCD, sẽ có mối liên hệ sau: GSD (m) = α.H = (1,22 λ /d).H (1) Theo số liệu của nhà phân phối ảnh, IKONOS Pan có GSD = 0.82 m, QuickBird Pan có GSD = 0.61 m. Hệ thống quét ảnh của IKONOS có f = 10m, d = 0.70 m, λ = 600nm, H = 680km, theo (1) GSD sẽ tương ứng là 0.71 m. Ảnh QuickBird với f = 8.78 m, d = 0.6 m, H = 450km, GSD sẽ là 0,55m [3]. Kết quả này cho chúng ta thấy hệ thống quang học của IKONOS và QuickBird đã đạt tới giới hạn của sự hoàn hảo. Con số 0.71m được tính toán nêu ra ở trên cho ảnh IKONOS, là độ lớn pixel thực địa của ảnh PLÉIADES trong tương lai do Pháp và một số nước EU đầu tư của chương trình ảnh vệ tinh có độ phân giải cao, sẽ phóng lên quỹ đạo vào năm 2008-2009. Cũng cần nói thêm rằng: độ phân giải của ảnh SAR (Synthetic Aperture Radar) sẽ được đánh giá dưới góc độ khác, vì nguyên lý thu nhận ảnh SAR không giống như ảnh quét trên CCD. Mối liên hệ giữ GSD của AVT-ĐPGC và tỷ lệ bản đồ cũng có điểm khác nhau so với mối liên hệ giữa GSD của ảnh hàng không số và tỷ lệ bản đồ. 3. MỐI LIÊN HỆ GIỮA DUNG LƯỢNG THÔNG TIN CỦA ẢNH VÀ CỦA BẢN ĐỒ Dung lượng thông tin (hay nội dung) bản đồ phụ thuộc vào tỷ lệ bản đồ cần thành lập. Mức độ khái quát càng lớn khi tỉ lệ bản đồ càng nhỏ, dung lượng thông tin trên bản đồ càng giảm. Trái lại, bản đồ ở tỷ lệ càng lớn thì dung lượng thông tin (mức độ chi tiết) càng tăng. Ví dụ, các ngôi nhà đơn kề nhau sẽ được thể hiện riêng biệt trên bản đồ tỷ lệ 1:2 000, nhưng ở tỷ lệ 1:50 000 các ngôi nhà đơn ấy sẽ được thể hiện chung trong cùng một kí hiệu [1a]. Hình 1 giới thiệu dung lượng thông tin bản đồ địa hình ở các tỷ lệ khác nhau (hàng trên); bản đồ thành lập bằng phương pháp trắc địa (a), từ ảnh hàng không (b) và từ ảnh IKONOS (c) (hàng dưới). Giữa dung lượng thông tin trên bản đồ và trên ảnh có mối liên hệ chặt chẽ. Đối với ảnh photo mối liên hệ đó thể hiện thông qua tỷ lệ ảnh và tỷ lệ bản đồ. Song, đối với ảnh số, mối liên hệ ấy thể hiện thông qua độ lớn pixel thực địa GSD của ảnh và tỷ lệ bản đồ 1: Mb. GSD càng nhỏ thì dung lượng thông tin trên ảnh càng lớn; cho nên, dung lượng thông tin trên bản đồ càng phong phú [1c]. Trong đo ảnh số nói chung và đo ảnh vệ tinh nói riêng, khái niệm kinh điển „tỷ lệ ảnh” không phù hợp và không mang ý nghĩa thực tiễn. Bởi vì: - Mỗi đường quét ở mỗi thời điểm khác nhau, có tâm chiếu khác nhau và các góc nghiêng xoay cũng khác nhau. Một cảnh của ảnh số bao gồm nhiều đường quét; - Hai thiết bị quét ảnh số mặc dù có cùng độ lớn pixel thực địa GSD (độ lớn tối thiểu của vật ở thực địa có thể được ghi trên CCD), nhưng độ lớn pixel trên ảnh (image pixel) sẽ khác nhau và tỷ lệ ảnh cũng khác nhau. - Không phản ảnh thực tế tiềm năng bản đồ của AVT-ĐPGC. 3 1:5 000 1:25 000 a) b) 1:50 000 c) Hình 1: Dung lượng thông tin bản đồ tỷ lệ 1: 5000, 1:25 000, 1:50 000 và 3 phương pháp thành lập bản đồ: a) trắc địa, b) từ ảnh hành không, c) từ ảnh IKONOS. Hình 2 giới thiệu dung lượng thông tin trên ảnh của cùng một vùng địa hình phụ thuộc vào độ lớn pixel thực địa GSD. GSD = 0.6 m GSD = 5.0 m GSD = 1.0 m GSD = 10.0 m GSD = 2.0 m GSD = 15.0 m Hình 2: Dung lượng thông tin trên AVT-ĐPGC phụ thuộc vào độ lớn pixel thực địa 4 Phụ thuộc vào khả năng phân biệt của mắt người và độ chính xác khi in bản đồ, vật có kích thước nhỏ nhất được thể hiện trên bản đồ có độ lớn không nhỏ hơn 0.2mm. Để vật trên ảnh có thể được suy giải (intepretation) – như ở trên đã nói, đòi hỏi vật đó phải có độ lớn tối thiểu trên ảnh là 2÷3 pixel. Do vậy, độ lớn pixel của vật đó trên bản đồ sẽ là 0.2mm/(2÷3) = (0.07÷0.1)mm. Rõ ràng, giữa dung lượng thông tin AVT-ĐPGC và bản đồ có mối liên hệ thông qua độ lớn pixel thực địa GSD và mẫu số tỷ lệ bản đồ Mb như sau [3]: GSD (m) = (0.07÷0.1) Mb (2) Trên cơ sở công thức (2), ứng với từng tỷ lệ bản đồ, chúng ta sẽ xác định được độ lớn pixel thực địa tương ứng ghi ở bảng 2: Bảng 2: Độ lớn pixel thực địa và tỷ lệ bản đồ Tỷ lệ bản đồ Độ lớn pixel thực địa 1:Mb GSD (m) 1:5 000 0.35 – 0.50 1:10 000 0.70 – 1.00 1:25 000 1.75 – 2.50 1:50 000 3.50 – 5.00 1:100 000 7.00 – 10.00 Từ (1) và (2) chúng ta có mối liên hệ hàm số giữa mẫu số tỷ lệ bản đồ và các tham số λ, d, H, nghĩa là Mb = F(λ, d, H) có dạng sau: 1.22λ Η b (0.07 ÷0.1) d (3) Qua công thức (3) chúng ta nhận thấy tỷ lệ bản đồ thành lập từ AVT-ĐPGC không phụ thuộc vào độ dài tiêu cự f của thiết bị quét ảnh quang điện (trong công thức (3) không xuất hiện f mà chỉ phụ thuộc vào độ mở ống kính d và độ cao quỹ đạo H). Nghĩa là không tồn tại mối quan hệ giữa tỷ lệ ảnh (Mz =H/f) và tỷ lệ bản đồ Mb như ảnh photo hàng không. Rõ ràng, công thức (3) một lần nữa cho chúng ta thấy khái niệm kinh điển về tỷ lệ ảnh của ảnh photo không phù hợp đối với AVT-ĐPGC. Để mô tả mối quan hệ (2) ở bảng 2, hình 3 giới thiệu dung lượng thông tin (nội dung) bản đồ phụ thuộc vào độ lớn pixel thực địa của AVT. 5 ... - tailieumienphi.vn