Cơ sở khoa học xác định độ phân giải mặt đất được chụp bằng công nghệ ảnh số phục vụ thành lập bản đồ địa hình cơ bản ở Việt Nam

ThS. Trần Phúc Thắng

Trung tâm Ứng dụng và Phát triển công nghệ đo đạc và bản đồ-Cục Đo đạc và Bản đồ Việt Nam

1. Cơ sở khoa học xác định độ phân giải mặt đất (GSD)

Sự xuất hiện của máy ảnh số cỡ lớn năm 2000 đặt ra yêu cầu nghiên cứu, khảo sát, so sánh giữa công nghệ đo ảnh truyền thống và công nghệ đo ảnh số. Năm 2003, Dörstel [1] đã có các phân tích về độ chính xác của máy ảnh số cỡ lớn DMC sử dụng 4 đường bay với độ cao bay khác nhau nhưng có cùng tỷ số giữa đường đáy B và độ cao bay H (tỷ số B/H).  Dörstel thực hiện 10 trị đo trên mỗi điểm và sử dụng các loại điểm khác nhau để so sánh, đối chiếu giữa độ chính xác lý thuyết và độ chính xác thực nghiệm. Các tác giả khác như Alamús và nnk (2005) đã so sánh tọa độ các điểm được đo bằng công nghệ GNSS tại thực địa với kết quả đo ảnh lập thể trên ảnh chụp từ máy ảnh dùng phim RC30 (B/H = 0.6) và máy ảnh số DMC (B/H = 0.3). Kết quả cho thấy tỷ số B/H nhỏ đối với trường hợp của máy ảnh số DMC đã được bù trừ bởi độ chính xác đo lập thể cao hơn dẫn tới các kết quả về độ chính xác là tương đương (cả về tọa độ mặt bằng X, Y và độ cao Z) giữa hai loại máy ảnh RC30 và DMC này.

Dựa trên kinh nghiệm thực tế trong thành lập bản đồ địa hình và chuyên đề từ dữ liệu ảnh số, các tác giả như Topan, Jacobsen và Büyüksalih [5] đã đưa ra kết luận về mối quan hệ giữa độ phân giải ảnh số với tỷ lệ bản đồ cần thành lập. Theo đó kích thước pixel của ảnh số không được vượt quá 0.1 mm theo tỷ lệ bản đồ, chẳng hạn cho bản đồ tỷ lệ 1: 50.000 thì độ phân giải của ảnh số phải bằng hoặc cao hơn 0.1 mm × 50 000 = 5 m, cho tỷ lệ bản đồ 1: 10.000 thì độ phân giải của ảnh số phải bằng hoặc cao hơn 0.1 mm × 10 000 = 1 m. 

Trong đo vẽ ảnh độ phân giải “resolution” là một chỉ số quan trọng về khả năng nhận biết chi tiết và khả năng phân biệt các đối tượng khác nhau trên ảnh. Độ phân giải của ảnh có thể được chia ra làm 4 loại: độ phân giải không gian, độ phân giải phổ, độ phân giải bức xạ và độ phân giải thời gian. Trong chuyên đề này độ phân giải không gian được tập trung nghiên cứu, khảo sát.

Độ phân giải và chi tiết của ảnh chụp có ảnh hưởng lớn đến năng suất và chất lượng cũng như độ chính xác của bản đồ cần thành lập. Cho tới nay vẫn chưa có đầy đủ các chuẩn về độ phân giải của ảnh. Trong các tài liệu tiếng Anh có các thuật ngữ sau đây được dùng: GSD-Ground Sample Distance tức khoảng cách lấy mẫu trên mặt đất; pixel size - kích thước phần tử ảnh (pixel được hiểu là picture element); ppi - pixel per inch - tức số phần tử ảnh trong 1 inch; dpi - dots per inch tức số điểm trên 1 inch. Trong các tài liệu kỹ thuật tiếng Việt thì các thuật ngữ “độ phân giải mặt đất” và “kích thước điểm ảnh” thường được dùng nhiều hơn cả.

Để chiết xuất có hiệu quả các đối tượng địa hình trên ảnh cần thiết phải hiểu rõ độ phân giải và tỷ lệ của ảnh. Trên thực tế thường nảy sinh các vấn đề từ việc hiểu không cặn kẽ về độ phân giải và độ chính xác và tính không nhất quán trong các thuật ngữ liên quan, chẳng hạn như “độ phân giải của ảnh” và “khoảng cách lấy mẫu trên mặt đất - GSD” thường được sử dụng thay thế cho nhau (như nhau). Tuy nhiên hai đại lượng này có thể không tương đương nhau.

Khoảng cách lấy mẫu trên mặt đất (GSD) là khoảng cách giữa các tâm của các phần tử ảnh được chiếu trên mặt đất. Còn khi được chiếu xuống mặt đất thì phần tử ảnh có kích thước bằng kích thước của phần tử ảnh trong đầu thu nhân với mẫu số tỷ lệ ảnh. Các phần tử ảnh có thể được lấy mẫu quá dày (over-sampled) khi các phần tử ảnh chồng phủ lên nhau hoặc lấy mẫu quá thưa (under-sampled) khi giữa các phần tử ảnh có các khoảng trống. Việc lấy mẫu quá dày hay quá thưa này chỉ ảnh hưởng đến độ tương phản của ảnh. Người sử dụng ảnh không nhận ra được ảnh nào được lấy mẫu quá dày hay quá thưa và thường cho rằng độ phân giải mặt đất (GSD) và kích thước pixel trên mặt đất là bằng nhau. Một ví dụ cho thấy GSD khác pixel trên mặt đất là trong trường hợp của ảnh SPOT5, theo đó trong chế độ chụp supermode có kích thước pixel trên mặt đất là 5 m nhưng các pixel liền kề có độ phủ 50% do đó GSD là 2.5 m.

Độ phân giải không gian của ảnh là khoảng cách hay kích thước của địa vật nhỏ nhất có thể phân biệt được trên ảnh. Độ phân giải này chịu ảnh hưởng của các yếu tố như trường nhìn tức thời (IFOV), tiêu cự, chuyển động của địa vật, tương phản của địa hình và ảnh hưởng của khí quyển.

    Do đặc tính của đầu thu, độ phân giải không gian của một ảnh phụ thuộc vào hai thông số FOV (Field of view-trường/góc nhìn) và IFOV (instantaneous field of view - trường/góc nhìn tức thì) được thiết kế sẵn. Thông số FOV cho thấy được phạm vi không gian mà đầu thu có thể thu nhận được sóng điện từ đối tượng. Như vậy, với góc nhìn càng lớn (FOV càng lớn) thì ảnh thu được càng rộng, và với cùng một góc nhìn, độ cao lớn hơn sẽ có khoảng thu ảnh lớn hơn. 

    Ý nghĩa quan trọng nhất của độ phân giải không gian là cho biết các đối tượng nhỏ nhất mà có thể phân biệt được trên ảnh. Ví dụ, ảnh có độ phân giải không gian là 30 x 30^m sẽ cho phép phân biệt được các đối tượng có kích thước lớn hơn 30 x 30^m. Tuy hiện nay đã có những nghiên cứu về phương pháp phân loại dưới pixel nhưng để áp dụng rộng rãi cần được nghiên cứu thêm.

Người dùng ảnh chụp hàng không truyền thống trên phim chụp thường sử dụng các thuật ngữ như tỷ lệ ảnh (bằng tiêu cự máy ảnh chia độ cao bay chụp). tuy nhiên đối với ảnh số thì ngoài tỷ lệ ảnh nêu trên (do máy ảnh chụp) còn có các tỷ lệ ảnh khác như tỷ lệ ảnh hiển thị trên màn hình máy tính và tỷ lệ ảnh trên bản in ra giấy.

Trước đây với công nghệ ảnh tương tự thì bộ cảm biến chụp ảnh với kích thước 9’ x 9’ hoặc 23 x23 mm và hầu hết ảnh được quét với độ phân giải khoảng từ 12.5µm đến 21µm bởi hệ thống máy quét, khi đó độ phân giải mặt đất (GSD) cho ảnh này được tính theo công thức sau:

GSD=tỷ lệ ảnh x độ phân giải quét    (1)

Trong đó: tỷ lệ ảnh= H/f (H độ cao bay chụp so với nền địa hình, f tiêu cự máy ảnh). Độ cao bay chụp có thể được tính theo công thức: H=(Hmax+Hmin)/2.

Hiện nay với công nghệ ảnh toàn số thì không có định dạng chuẩn cho bộ cảm biến, hầu hết những máy ảnh số này đều có định dạng ảnh hình chữ nhật, khi đó số lượng đường bay theo hướng bay sẽ giảm đáng kể. Kích thước của bộ cảm biến được xác định theo số lượng pixel trên ảnh (ví dụ đối với ảnh của DMC có kích thước là 13824 x 7680 pixel), chiều dài tiêu cự thông thường khoảng từ 62mm đến 120mm, nguyên nhân do bộ định dạng cảm biến hình chữ nhật, trường nhìn khác nhau theo hướng bay chụp ảnh.

            Độ phân giải mặt đất (GSD) cho ảnh số có thể được tính theo công thức sau:

GSD= H/f x S              (2)

            Trong đó: 

                                    + H: là độ cao bay chụp so với mặt đất;

                                    + f: là chiều dài tiêu cự.

+ S: kích thước pixel.

            Đối với hệ thống máy ảnh số thì kích thước pixel trên mảng CCD phải được tính đến và phụ thuộc nhà sản xuất. Kích thước pixel trong mảng CCD được xác định từ 6µm đến 12µm. Với mỗi hệ thống máy ảnh số khác nhau thì tiêu cự, kích thước pixel sẽ khác nhau trong từng hoàn cảnh cụ thể. Những thông số cho thiết kế bay với hệ thống máy ảnh số được xác định theo yêu cầu của độ phân giải mặt đất (GSD). Ví dụ hệ thống máy ảnh số DMC của Intergraph, thì độ phân giải mặt đất (GSD) có thể được tính ra từ độ cao bay 10.000m, tiêu cự 120mm, kích thước pixel là 12µm. Tỷ lệ ảnh được tính từ công thức f/H nó không phản ánh độ chính xác của bản đồ, chỉ có độ phân giải mặt đất (GSD) là có thể phản ảnh hết bản chất và độ chính xác vị trí của đối tượng trên ảnh (WUYundong, 2007 [2]). Độ phân giải mặt đất (GSD) có thể tác động bản chất của đối tượng ảnh hoặc bản đồ và trực tiếp đến năng suất công việc. Cơ bản theo kinh nghiệm hiện nay trong đo ảnh số thông thường nên cân nhắc giữa độ chính xác và năng suất, hiệu quả trong công việc. Ví dụ sẽ là tốt hơn nếu chọn độ phân giải mặt đất (GSD) từ 5-10cm cho thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ 1:1.000 và GSD từ 10-15cm cho bản đồ địa hình tỷ lệ 1:2.000. Về mặt cơ sở khoa học thì độ phân giải mặt đất (GSD) phụ thuộc vào tiêu cự (f), độ cao bay chụp (H) và kích thước pixel (S) và được xác định như công thức (2) trên.

2. Mối quan hệ giữa độ phân giải mặt đất và tỷ lệ bản đồ cần thành lập

            Theo kinh nghiệm của K. Jacobsen độ phân giải mặt đất (GSD) được xác định trong khoảng từ 0.05mm đến 0.1mm so với tỷ bản đồ cần thành lập. Ví dụ với tỷ lệ bản đồ là 1:10.000 thì độ phân giải mặt đất (GSD) cần đạt được là từ 0.5m đến 1m. Với công thức trên thì có thể áp dụng để xác định độ cao bay chụp tương đối trong bay chụp ảnh số. Theo cách tính trong công thức (2) với tỷ lệ lớn thì khá phù hợp, tuy nhiên để tính độ cao bay chụp cho tỷ lệ bản đồ trung bình và nhỏ thì kết quả độ cao bay chụp đối với tỷ lệ 1/10.000÷1/50.000 là quá cao không phù hợp trong điều kiện bay chụp thông thường. Để đạt hiệu quả kỹ thuật, kinh tế thì thông thường người ta thiết kế bay chụp với một độ phân giải mặt đất GSD cho thành lập nhiều loại tỷ lệ bản đồ địa hình. Trong thực tế thì việc áp dụng công thức (2) để tính độ cao bay chụp chỉ mang tính tương đối, công tác xác định độ cao bay chụp còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như máy bay, chênh cao địa hình, tiêu cự máy chụp ảnh, khoảng cao đều cơ bản cần thành lập.

Tuy nhiên, với sự phát triển của công nghệ ảnh số thì độ chính xác của bản đồ phụ thuộc rất nhiều vào hệ thống máy ảnh số hàng không, theo công bố của hãng Leica Geosystems và một số thực nghiệm trên thế giới thì độ phân giải mặt đất (GSD) của hệ thống máy ảnh số hàng không cho các dạng địa hình khác nhau có thể cho phép thành lập bản đồ địa hình với độ chính xác đạt được như sau:

Bảng 1: Mối quan hệ độ phân giải mặt đất (GSD) và độ chính xác thành lập bản đồ địa hình (ADS80 Brochure - Leica Geosystems)

            Với những thông số công bố trên của hãng Leica Geosystems (quy định sai số trung phương mặt phẳng đạt cỡ 0.35mmxMb), cũng như các nghiên cứu thực nghiệm trên thế giới và tiêu chuẩn kỹ thuật của Mỹ [4] (ASPRS accuracy standards for digital geospatial data) công bố tháng 12/2013 cho công nghệ ảnh số hàng không quy định, sai số trung phương về mặt phẳng đạt từ (0.17÷0.53)mmxMb (Mb mẫu số tỷ lệ bản đồ cần thành lập), sai số trung phương độ cao đạt cỡ 1/3 khoảng cao đều cơ bản. Như vậy, độ chính xác mặt phẳng của bản đồ trong công nghệ ảnh số đạt khoảng 1.7 ÷ 3.5 pixel, độ chính xác độ cao đạt khoảng 1 ÷ 1.5 pixel.

3. Kết luận

            Việc nghiên cứu cơ sở khoa học xác định độ phân giải mặt đất (GSD) trong công nghệ bay chụp ảnh số thành lập bản đồ địa hình cơ bản là yêu cầu rất cần thiết trong công tác xác định độ chính xác bản đồ cần thành lập, cũng như trong quy trình lập kế hoạch thiết kế bay đảm bảo kỹ thuật, hiệu quả kinh tế.

4. TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Dörstel, C. (2003). DMC - Practical experiences and Photogrammetric System Performance, Proceedings of Photogrammetric Week, pp 59-65, Stuttgart (Germany), 2003.
2. WU Yundong, ZhANG Qiang, WANG Hui etc., 2007.  The Technique of Low Aerial Photography and Photogrammetry System by Unmanned Helicopter. Transaction of Mapping Technology. 24(5), pp: 328-331.
3. TONG Xiao-chong, WU Yun-dong, WANG, Hui, ZHANG Yong-sheng, 2006. The Eliminate Inconsistent Algorithm of Large Plane Array CCD MultipleChannel Images. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,35(3), pp. 234-239.
4.  ASPRS Accuracy Standards for Digital Geospatial Data. Photogrammetric Engineering & Remote Sensing, December 2013.
5. Jacobsen, K. (2007). Comparison of large size digital airborne frame cameras. Leibniz University Hannover, Institute of Photogrammetry and Geoinformation.