Đề cương ôn tập Công nghệ đo ảnh

u số điểm > 3 có thể giải bằng phương pháp số bình phương nhỏ nhất. Trong thực tế thường sử dụng tọa độ trọng tâm cho phép xác định vector chuyển dịch gốc tọa độ R0 = [X0, Y0, Z0] dó đó số lượng ẩn số xuống còn 4. Sau khi tìm được các ẩn số tính chuyển tọa độ các điểm trên mô hình sang hệ tọa độ trắc địa bằng công thức (*).
Câu 8: Nguyên lý và đặc điểm của phương pháp đo ảnh giải tích?
Phương pháp đo ảnh giải tích là phương pháp đo ảnh lấy việc trợ giúp của máy tính để thực hiện quá trình phục hồi chùm tia chiếu hoặc xây dựng mô hình lập thể và thông qua sự điều khiển của máy tính để đưa ra kết quả dướ dạng đồ họa hoặc dạng số. Về nguyên lý cơ bản, phương pháp đo ảnh giải tích gồm ba bộ phận chủ yếu hợp thành: điều khiển của con người, máy đo tọa độ ảnh, máy tính và các thiết bị ngoại vi.
Trong hệ thống máy đo ảnh giải tích máy đo tọa độ lập thể chính xác là thiết bị thu nhận thông tin từ các ảnh analog thông qua sự quan sát lập thể của người đo để nhận biết các điểm ảnh cùng tên.
Máy tính thực hiện tức thời toàn bộ các công tác tính toán như: định hướng tương đối cặp ảnh lập thể, tính tọa độ mô hình, định hướng tuyệt đối mô hình, 
Thiết bị ngoại vi (máy vẽ, máy in, ): dưới sự điều khiển của máy tính sẽ biểu diễn kết quả đo dưới dạng đồ họa (bản đồ, mắt cắt) hoặc dưới dạng dữ liệu số.
Người đo vẽ có nhiệm vụ quan sát lập thể và điều khiển máy tính hoạt động theo chương trình làm việc được thiết kế sẵn.
Như vậy hệ thống đo ảnh giải tích phải bao gồm 2 phần cơ bản:
Phần cứng: thiết bị đo ảnh, máy tính, các thiết bị ngoại vi.
Phần mềm: các chương trình máy tính được thiết kế cho từng loại công việc.
Một số đặc điểm của phương pháp đo ảnh giải tích:
Độ chính xác cao: có thể khống chế được độ chính xác đo, phát hiện các sai số lớn, các sai số hệ thống được tính toán và hiệu chỉnh trong qua trình đo, sai số ngẫu nhiên được bình sai theo phương pháp số bình phương nhỏ nhất.
Công năng lớn: tính linh hoạt cao, đầy đủ chứ năng của máy tọa độ lập thể, máy đo vẽ toàn năng, Không bị hạn chế bởi tiêu cự, góc định hướng của ảnh chụp →xử lý ảnh chụp chéo, ảnh toàn cảnh và các tư liệu viễn thám khác.
Hiệu suất cao: nhanh chóng thực hiện các nhiệm vụ đo đạc cơ bản của đo vẽ ảnh như: quan sát và đo lập thể các điểm chuẩn, khôi phục vị trí tương đối của cặp ảnh lập thể, , có thể thực hiện nhiều nhiệm vụ biên vẽ bản đồ như: điền ký hiệu, vẽ các loại đường nét khác nhau.
Thực hiện tự động hóa thuận lợi: dễ dàng thực hiện quá trình tự động hóa đo vẽ ảnh với việc bổ sung vào máy hệ thống xử lý ảnh số để có thể nhận dạng tự động hoặc đo vẽ bản đồ tự động.
Thuân lợi cho việc đo vẽ bản đồ số và thành lập cơ sở dữ liệu: kết quả đo vẽ thường được biểu diễn dưới dạng số và được lưu trên máy tính, nên có thể thông qua phần mềm thích hợp để xử lý kết quả đó theo yêu cầu của bản đồ số, đồng thời đưa vào cơ sở dữ liệu hệ thống thông tin đất đai (LIS) hoặc hệ thống cơ sở dữ liệu địa lý (GIS).
Câu 9: Các hệ tọa độ thường dùng trong đo ảnh?
Hệ tọa độ mặt phẳng ảnh (oxy): nối các vạch chuẩn đối xứng được in trên ảnh tạo thành hệ tọa độ vuông góc. Điểm gốc của hệ tọa độ trùng với điểm chính ảnh. Trục x trùng với đường nối 2 vạch chuẩn đối xứng nằm ngang. Trục y trùng với đường nối 2 vạch chuẩn đố xứng nằm theo chiều dọc. Điểm a bất kỳ trên ảnh được biểu diễn bằng tọa độ xa, ya; a (xa,ya).	 
Hệ tọa độ mặt phẳng ảnh
Hệ tọa độ không gian ảnh (sxyz): gốc hệ tọa độ trùng với tâm chiếu s. Trục z trùng với trục quang học của ống kính máy chụp ảnh. Trục x và trục y song song với các đường nối các vạch chuẩn đối xứng in trên ảnh. Điểm a bất kỳ trên ảnh có tọa độ x, y tương tự như trong tọa độ mặt phẳng ảnh, z = - f; a (xa, ya, -f).
Hệ tọa độ không gian ảnh
Hệ tọa độ đo ảnh OXYZ: để xác định vị trí các điểm trên mô hình lập thể. Hệ tọa độ đo ảnh là hệ cục bộ nên có thể chọn tùy ý theo nguyên tắc hệ tọa độ không gian vuông góc. Thường chọn gốc tọa độ trùng vói tâm chiếu trái của mô hình, trục X trùng với đường đáy ảnh b. Một điểm bất kỳ trên mô hình được định hướng bởi 3 tọa độ X, Y, Z. 
Hệ tọa độ đo ảnh
Hệ tọa độ Gauss: trong trắc địa ảnh thường sử dụng hệ tọa đọ Gauss để biểu diễn kết quả đo vẽ trong không gian vật. Hệ tạo độ Gauss là hình chiếu của múi chiếu 3º hoặc 6º của bề mặt trái đất theo phép chiếu hình trụ ngang đồng góc. Gốc của hệ tọa độ trùng với giao điểm của kinh tuyến giữa múi chiếu và đường xích đạo. Trục X là hình chiếu của kinh tuyến giữa, trục Y là hình chiếu của xích đạo. Một điểm bất kỳ được xác định trong hệ tọa độ này bằng XG, YG và độ cao H trong hệ độ cao quốc gia.
Hệ tọa độ Gauss
Câu 10: Bài toán chuyển đổi hệ tọa độ trong không gian vuông góc đo ảnh?
Trong đo ảnh một điểm ảnh p được xác địn trong hệ tọa độ vuông góc Sxyz và điểm vật tương ứng P được xác định trong hệ tọa độ vuông góc OXYZ phải thỏa mãn quan hệ hình học sau đây: R = R0 + mAr
Trong đó: R – vector tọa độ của điểm P;
R=XYZ
 R0 – vector tọa độ của tâm chụp S
R0=X0Y0Z0
Quan hệ giữa các vector điểm ảnh và điểm vật tương ứng
r – vector tọa độ của điểm ảnh P
m – hệ số tỷ lệ
A – ma trận quay với các phần tử là các cosin chỉ hướng giữa các trục tọa độ tương ứng trên hai hệ tọa độ; A=a11a12a13a21a22a23a31a32a33 
Nếu hệ tọa độ không gian ảnh Sxyz quay xung quanh trục z một góc κ, tiếp theo quay xung quanh trục x một góc ω, sau đó tiếp tục quay quanh trục y một góc φ để cho các trục của nó song song với các trục tương ứng của hệ toa độ không gian vật OXYZ thì ta được các cosin chỉ hướng sau đây:
a11 = cosφcosκ – sinφsinωsinκ	a23 = -sinω
a12 = -cosφsinκ – sinφsinωcosκ	a31 = sinφcosκ + cosφsinωsinκ
a13 = -sinφcosω	a32 = -sinφsinκ + cosφsinωcosκ	(*)
a21 = cosωsinκ	a33 = cosφcosω
a22 = cosωcosκ
Nếu thứ tự quay thay đổi thì các giá trị cosin chỉ hườn cũng sẽ thay đổi.
Nếu các góc quay có giá trị nhỏ có thể dùng ma trận quay nhỏ: A=1-dκdφdκ1-dω-dφdω1
Câu 11: Các phần mềm của máy đo vẽ ảnh giải tích?
Các phần mềm của máy đo vẽ ảnh giải tích bao gồm hai phần cơ bản:
Các phần mềm thuộc hệ điều hành: còn gọi là phần mềm hệ thống. Khi chọn máy tính cần chú ý đến tính năng mạnh của phần mềm hệ thống đảm bảo điều hành tốt toàn bộ hoạt động của máy đo vẽ ảnh giải tích.
Các phần mềm thực hiện các bài toán trong trắc địa ảnh: được thiết kế xây dựng cho các nhiệm vụ chuyên môn của công tác đo vẽ ảnh và được phân thành hai loại:
Phần mềm trình tự tức thời: tực hiện các bài toán biến đổi trong quá trình đo ảnh. Tốc độ tực hiện một chu trình trong phần mềm này phải cao hơn 130s để người thao tác trên máy không có ảm giác mô hình lập thể là những điểm rời rạc không liên tục.
Phần mềm ứng dụng: bao gồm các phần mềm cơ bản sau đây:
Phần mềm định hướng trong: xác định các nguyên tố định hướng trong của ảnh trên cơ sở các trị đo tọa độ ảnh các điểm khung.
Phần mềm định hướng tương đối: giải bài toán định hướng tương đối cạp ảnh lập thể từ các trị đo tọa độ ảnh và thị sai tại các điểm được bố trí định hướng tương đối trên mô hình.
Phần mềm định hướng tuyệt đối: xác định các yếu tố định hướng tuyệt đối của mô hình để phục vụ cho việc tính chuyển tọa độ mô hình của các điểm đo về tọa độ thực địa.
Phần mềm lưu trứ và khôi phục mô hình: lưu giữ các nguyên tố định hướng tương đối của mô hình phục vụ việc tính toán tọa độ mô hình của các điểm đo khi cần thiết.
Phần mềm quan sát điểm: lưu giữ tọa độ ảnh, tọa độ mô hình và mã số của điểm đo phục vụ việc tìm kiếm khi quan sát đo điểm đó.
Phần mềm nhận dạng mô hình số địa hình (DTM – Digital Terain Model). Với phần mềm này máy đo vẽ có thể tự động nhận dạng vad vẽ đường bình độ của địa hình khi người thao tác đặt độ cao của đường bình độ.
Phần mềm tính diện tích, thể tích và vector điểm phục vụ cho trắc địa công trình, 
Phần mềm tang dày điểm khống chế ảnh.
Phần mềm vẽ bản đồ.
Câu 12: Nắn ảnh số đối với ảnh quét?
Ảnh quét là loại ảnh chụp được tạo thành thông qua tín hiệu điện tử được quét theo tuyến.
Dạng ảnh quét SPOT
Hình ảnh trên ảnh quét được xác định theo phương trình tạo ảnh tại thời điểm t như sau:
x0-fk=1λa11(t)a21(t)a31(t)a12(t)a22(t)a32(t)a13(t)a23(t)a33(t).X-XS(t)Y-YS(t)Z-ZS(t) (*)
	Các tham số có biến (t) sẽ thay đổi theo thời gian quét ảnh.
Nắn ảnh số đối với ảnh quét có thể thực hiện theo phương pháp nắn ảnh số gián tiếp hoặc phương pháp nắn ảnh số trực tiếp hoặc phương pháp nắn ảnh đa thức.
Phương pháp nắn ảnh số gián tiếp:
Tọa độ x của điểm ảnh p được rút được xác định theo công thức rút ra từ (*) như sau:
x=-fkX-XSt.a11t+Y-YSt.a21t+Z-ZSt.a31(t)X-XSt.a13t+Y-YSt.a23t+Z-ZSt.a33(t)
	Trong đó: các phần tử của ma trận quay a11(t), a21(t), a31(t),  được triển khai theo chuỗi Taylor theo biến thời gian t.
các nguyên tố định hướng ngoài của ảnh được biểu diễn là hàm tuyến tính của biến thời gian t.
biến thời gian t xác định bằng phương pháp tiệm.
Tọa độ y của điểm ảnh p tại thời điểm t được xác định theo công thức sau:
y = (lp – l0)δ
	Trong đó: lp – số thứ tự rẻo quét ứng với các điểm ảnh p.
l0 – số thứ tự rẻo quét ứng với điểm chính ảnh o.
δ – độ rộng của rẻo quét (đối với ảnh SPOT δ = 13μm).
Phương pháp nắn ảnh số trực tiếp
Tọa độ X, Y của điểm ảnh nắn được xác định theo công thức được rút ra từ (*) nhưa sau:
X=XSt+Z-ZS(t)a11tx-a13(t)fka31tx-a33(t)fkY=YSt+Z-ZS(t)a21tx-a23(t)fka31tx-a33(t)fk (**)
	Trong đó: a11(t), a13(t), a21(t), a23(t), a31(t), a33(t) là các hệ số của mâ trận quay chứa các nguyên tố định hướng ngoài của điểm ảnh có tọa độ x, y.
Để xác tọa độ X, Y của điểm nắn, trước tiên cần chọn trị gần đúng Z0 của hệ độ cao Z đưa vào công thức (**) tính giá trị gần đúng X1, Y1. Dựa vào mô hình số độ cao lấy X1, Y1 nội suy độ cao Z1. Tiếp tục dùng Z1 tính giá trị gần đúng của điểm ảnh nắn X2, Y2. Lặp lại nhiều lần chp đến khi đạt độ chính xác yêu cầu.
Nắn ảnh đa thức
Sự biến dạng của ảnh do nhiều nguyên nhân khác nhau có thể được mô tả bằng đa thức được triển khai theo nhiều cấp độ khác nhau. Bậc của đa thức đơn giản là số mũ cao nhất được sử dụng trong đa thức. Mỗi một điểm có một phương trình hiệu chỉnh sau:
∆x=a0+a1X+a2Y+a3XY+a4X2+a5Y2+∆y=b0+b1X+b2Y+b3XY+b4X2+b5Y2+
	Trong đó: ai, bi – các tham số
X, Y – tọa độ mặt đất của điểm ảnh
Δx, Δy – độ chênh lệch giữa trị tọa độ ảnh tính được (x, y) từ tọa độ mặt đất và tọa độ ảnh đo được (x', y'), tức là:
Δx = x - x'
Δy = y - y'
Đối với phương pháp nắn ảnh trực tiếp thì sử dụng đa thức hiệu chỉnh tọa độ mặt đất cho mỗi điểm ảnh như sau:
∆X=c0+c1x+c2y+c3xy+c4x2+c5y2+∆Y=d0+d1x+d2y+d3xy+d4x2+d5y2+
	Trong đó: ci, di – các tham số
x, y – tọa độ của điểm ảnh nắn
ΔX, ΔY – độ chênh tọa độ mặt đất đã biết (X, Y) và tọa độ tính được (X', Y') của điểm ảnh nắn, được tính theo công thức sau:
ΔX = X - X'
ΔY = Y - Y'
Các tham số của đa thức được xác định thông qua việc thành lập hệ phương trình số hiệu chỉnh với n điểm khống chế nắn ảnh và tiến hành bình sai để xác định chúng. Bậc của đa thức càng lớn thì yêu cầu số lượng điểm khống chế nắn ảnh càng nhiều. Thông thường chỉ sử dụng đa thức bậc 2 là thỏa mãn như cầu nắn ảnh. Với đa thức bậc 2 cần có ít nhất 5 điểm khống chế nắn ảnh để xác định các tham số của đa thức.
Câu 13: Nắn ảnh số đối với ảnh chụp xuyên tâm?
Nắn ảnh theo phép giải gián tiếp:
Giữa điểm ảnh và điểm vật tồn tại quan hệ tọa độ trong phép chiếu xuyên tâm như sau:
x-x0=-fka11X-X0+a21Y-Y0+a31(Z-Z0)a13X-Xo+a23Y-Y0+a33(Z-Z0)
y-y0=-fka12X-X0+a22Y-Y0+a32(Z-Z0)a13X-Xo+a23Y-Y0+a33(Z-Z0)
Anh gốc được số hóa thông qua quét ảnh nên các điểm ảnh được sắp xếp theo dạng ma trận có m hàng và n cột. Vị trí của 1 điểm ảnh được xác định theo số hàng và số cột I, J thay cho tọa độ của điểm ảnh, tức là:
λ0x-x0y-y0z-z0= λ.m1m20n1n20001.I-I0J-J0-fk
Thay x-x0 và y-yo và biến đổi ta được:
I=u1X+u2Y+u3Z+u4u9X+u1OY+u11Z+1
J=u5X+u6Y+u7Z+u8u9X+u1OY+u11Z+1
Trong đó: X, Y, Z - tọa độ của pixel trên ảnh số hóa
 uk (k = 1 ÷ 11) - các tham số
Do tọa độ của điểm ảnh không trùng với tâm của pixel nên cần tiến hành nội suy độ xám cả điểm ảnh. Thông thường độ xám của ảnh nắn P được nội suy theo hàm song tuyến sau:
G(X,Y) = g (x,y)
Trong đó: g(x,y) - trị độ xám của điểm ảnh p
Sơ đồ nguyên lý nắn ảnh số theo phép giải gián tiếp
Nắn ảnh theo phép giải trực tiếp
Quá trình nắn ảnh số theo phép giải trực tiếp được xuất phát từ ảnh gốc, trên đó từng pixel được xác định tọa độ của nó trên ảnh nắn và gắn giá trị độ xám được nội suy theo hàm song tuyến.
Trong ảnh nắn số theo pháp giải trực tiếp tọa độ của điểm ảnh nắn được xác địh theo công thức sau:
X=Za11x+a12y-a13fka31x+a32y-a33fk
Y=Za21x+a22y-a23fka31x+a32y-a33fk
Trong đó: Z - độ cao điểm thực địa
Để tính tọa độ cảu ành nắn cần biết độ cao của điểm thực địa tương ứng, nhưng Z lại là hàm số của tọa độX, Y. Vì vậy thường áp dụng phương pháp nhích dần và sử dụng mô hình số độ cao đệ nội suy độ cao. Trước tiên cho Z một giá trị gần đúng Z0 để tính giá trị gần đúng X1, Y1. Dùng X1, Y1 để nội suy Z1 dùng để tính lại X2, Y2 của điểm ảnh nắn. Quá trình này được lặp lại nhiều lần cho đến khi đạt độ chính xác yêu cầu.
Phương pháp này có nhược điểm lớn là các điểm ảnh nắn sắp xếp không có quy luật, trên ảnh nắn có thể có những điểm trắng và cũng có thể có những điểm trùng lặp của nhiều điểm nắn có cùng trị tọa độ. Vì vậy phương pháp này ít được sử dụng. 
Sơ đồ nguyên lý nắn ảnh số theo phép giải trực tiếp
Câu 14: Kỹ thuật tăng cường ảnh và khôi phục ảnh trong xử lý ảnh số?
Tăng cường ảnh là 1 bước quan trọng trong quá trình xử lý ảnh số bao gồm 1 loạt các kĩ thuật như lọc ảnh, khử nhiểu, vv
Tăng cường độ tương phản là làm tăng độ nổi của điểm ảnh hay vùng ảnh so với nền. Đề điều chỉnh độ tương phản của ảnh, ta điều chỉnh lại biên độ bằng cách biến đổi biên độ tuyến tính đầu vào (dùng hàm biến đổi là hàm tuyến tính) hay phi tuyến (dùng hàm mũ hay logarithm).
Lọc ảnh được sử dụng để nhấn mạnh 1 cấu trúc thông tin nào đó trên ảnh thông qua việc áp dụng các hàm lọc hoặc các toán tử lọc. Có 2 kỹ thuật lọc :
Lọc không gian ảnh tạo ra 1 ảnh mới có 1 số tính chất mới nhằm nhấn mạnh 1 tính chất nào đó như đường nét, độ mịn  Các toán tử lọc được tổ chức dưới dạng ma trận n x n phần tử (n là số lẻ) được áp dụng cho toàn cảnh theo thuật toán cửa sổ trượt. Có nhiều loại phin lọc có tính chất khác nhau được dùng để đạt những hiệu quả khác nhau.
Lọc không gian tần số thường được xây dựng trên cơ sở pháp biến đổi Fourier được định nghia như sau:
 G(u,v) = F(u,v)H(u,v)
Trong đó : F – hàm biến đổi Fourier ;
 H - hàm lọc ;
 u, v – tọa độ ảnh.
Câu 15: Kỹ thuật phân tích ảnh trong xử lý ảnh số ?
Các bước trong quá trình phân tích ảnh được biểu diễn như trong hình. Phân tích ảnh liên quan tới việc xác định các giá trị định lượng của 1 ảnh để đưa ra mô tả đầy đủ về ảnh.
Phân loại
Trích lọc đặc trưng
Phân đoạn
Ảnh đầu ra của quá trình tiền xử lý ảnh
Giải thích
Các đặc trưng của ảnh thường bao gồm mật độ xám, phân bố xác suất, phân bố ko gian, biên ảnh. Biên là 1 vấn đề mấu chốt trong phân tích ảnh vì các kỹ thuật phân đoạn ảnh chủ yếu dựa vào biên. 1 điểm ảnh có thể coi là biên nếu ở đó có sự thây đổi đột ngột về cấp độ xám. Tập hợp các điểm biên sẽ tạo thành biên hay đường bao của ảnh.