MỤC LỤC
Table of Contents
Lời nói đầu

 !"#$%&!'()*$+,-*$-.
.%/012%345
6070189 1"494:1:;.5
0<(*=;>2%?4:@A
 B4018*=75
C
1. Tính cấp thiết của đề tài.
Ngày này, khoa học công nghệ ngày càng phát triển mạnh mẽ, nhiều kỹ
thuật hiện đại được đưa vào ứng dụng trong thực tế. Kéo theo đó là sự phát triển
vô cùng nhanh chóng của công nghệ vũ trụ trong vài thập niên gần đây. Trong
đó, công nghệ viễn thám là một phần của công nghệ vũ trụ, tuy mới phát triển
nhưng đã nhanh chóng được áp dụng trong nhiều lĩnh vực và được phổ biến
rộng rãi ở các nước phát triển. Công nghệ viễn thám đã trở thành phương tiện
chủ đạo cho công tác giám sát tài nguyên thiên nhiên và môi trường ở cấp độ
từng nước, từng khu vực và trong phạm vi toàn cầu. Khả năng ứng dụng công
nghệ viễn thám ngày càng được nâng cao, đây là lý do dẫn đến tính phổ cập của
công nghệ này trong nhiều lĩnh vực khoa học khác nhau như trong lâm nghiệp,
cập nhật và thành lập bản đồ, trong bảo vệ môi trường và phòng chống thiên
tai…
Tính ưu việt cơ bản của thông tin viễn thám là khả năng tổng hợp và tính
tổng quát hóa cao, độ chi tiết lớn.Bằng ảnh máy bay và ảnh vệ tinh ta có khả
năng nghiên cứu các đối tượng tự nhiên trên một diện rộng với độ phân giải
không gian vài mét. Tính lặp lại có chu kỳ của thông tin viễn thám cho phép
nghiên cứu sự biến động theo chu kỳ và sự thay đổi tính chất của các đối tượng
tự nhiên theo thời gian và dưới tác động của các hoạt động kinh tế- xã hội của
con người.
Tuy nhiên, ảnh thu được sau quá trình thu nhận ảnh hoặc các phép biến

- Thu thập thông tin, tài liệu về các thuật toán nội suy ảnh, nghiên cứu và
đánh giá ưu khuyết điểm của các thuật toán, nghiên cứu quy trình nắn ảnh
trong các phần mềm nắn ảnh đã có trên thế giới.
- Thực hành nắn ảnh trên các phần mềm thương mại, so sánh đánh giá giữa
các phương pháp.
- Xây dựng phần mềm nắn ảnh theo bản đồ.
CHƯƠNG 1. CỞ SỞ LÝ THUYẾT BÀI TOÁN NẮN PHẲNG ẢNH VỀ
BẢN ĐỒ
1.1 Cấu trúc ảnh vệ tinh và bản đồ số
1.1.1 Cấu trúc ảnh vệ tinh
Ảnh vệ tinh là những hình ảnh về trái đất hoặc các hành tinh khác được
chụp từ các vệ tinh do con người tạo ra. Ảnh vệ tinh cho phép lấy được các
thông tin về các đối tượng từ khoảng cách xa, do đó có rất nhiều ứng dụng trong
các lĩnh vực như nông nghiệp ,lâm nghiệp, địa chất, quy hoạch…
Ảnh vệ tinh đựơc xử lý theo nhiều công đoạn khác nhau để mang lại kết
quả mong muốn.Hiện nay có nhiều nguồn ảnh vệ tinh miễn phí trên Internet như
LANDSAT [2-4], MODIS [5], Google map [6]…
Ảnh số là một dạng tư liệu ảnh ghi nhận các thông tin viễn thám ở dạngsố,
thường được lưu trên các media điện từ bằng các băng từ, đĩa quay từ… Hình
ảnh thu đuợc sẽ được chia thành nhiều phần tử nhỏ, mỗi phần tử được gọi là các
pixel. Mỗi pixel tương ứng với một đơn vị không gian bao phủ trên bề mặt trái
đất. Ðộ rộng bao phủ mặt dất của một pixel có thể từ vài mét đến hàng km tùy
theo loại bộ cảm và được gọi là độ phân giải ảnh. Vị trí của mỗi pixel được xác
định theo tọa độ hàng và cột trên ảnh tính từ góc trên cùng bên trái.Tùy theo hệ
thống quét ảnh mà có kích thuớc của hình ảnh (diện tích quét trên mặt đất).Ví dụ
với hệ thống Landsat MSS là 185 x 185km, với hệ thống SPOT là 65 x 65km,
ảnh NOAA là 2400 x 2400km [2] …
Ảnh vệ tinh được đặc trưng bởi một số thông số cơ bản như sau:
- <D)!A7E
Trường nhìn không đổi IFOV (instantaneous field of view) được định nghĩa

động của khu vực cần nghiên cứu. Hầu hết các vệ tinh đều bay qua cùng một
điểm vào khoảng thời gian cố định (mất từ vài ngày đến vài tuần) phụ thuộc vào
quỹ đạo và độ phân giải không gian.
Dữ liệu ảnh vệ tinh được lưu trữ theo các khuôn dạng sau đây:
Theo kiểu BIL (band interleaved by lines): từng hàng được ghi theo thứ tự
của số kênh, mỗi hàng được ghi tuần tự theo giá trị của các kênh phổ và sau đó
lặp lại theo thứ tự của từng hàng, như vậy sẽ tạo ra các file dữ liệu ảnh chung
cho các kênh phổ.
Theo kiểu BSQ (band sequential): là khuôn dạng trong đó các kênh phổ
được lưu tuần tự hết kênh này sang kênh khác. Nghĩa là mỗi ảnh ứng với một
kênh.
Theo kiểu BIP (band interleaved by pixel): mỗi pixel được lưu tuần tự
theo các kênh, nghĩa là các kênh phổ được ghi theo hàng và cột của từng pixel.
Sau khi kết thúc tổ hợp phổ của pixel này lại chuyển sang tổ hợp phổ của pixel
khác.
Hình 1.1: Cấu trúc dữ liệu của ảnh
1.1.2 Các phương pháp tổ chức dữ liệu ảnh đa phổ
Phương pháp tổ chức dữ liệu ảnh vệ tinh trong các tập tin ảnh là cách thức
sắp xếp logic các hàng, cột và các kênh ảnh trong các tập tin ảnh. Nó là nhân tố
chính quyết định đến cách thức sắp xếp dữ liệu trên đĩa cứng đồng nghĩa với
việc có ảnh hưởng tới tốc độ đọc hay truy vấn dữ liệu ảnh trên đĩa cứng. Có ba
phương pháp chính tổ chức dữ liệu ảnh đa phổ: Phương pháp gối kênh theo hàng
– BIL(band interleaved by line), phương pháp gối kênh theo điểm ảnh –
BIP( Band interleaved by pixel) và phương pháp gối kênh tuần tự - BSQ( Band
sequential). BIL, BIP và BSQ không phải là các khuân dạng tập tin ảnh mà chỉ
là các lược đồ lưu trữ các giá trị điểm ảnh thực trong tập tin ảnh đa phổ.
H)IEJD:2!7%F+ ;K5
Dữ liệu cấu trúc BIL lưu trữ thông tin ảnh theo từng hàng của mỗi kênh
gối nhau. Ví dụ một ảnh đa phổ 3 kênh được lưu trữ như hình vẽ: Hàng 1 của
ảnh cấu thành từ kết nối tuần tự gối nhau 3 hàng của ba kênh. Cứ như thế lặp lại

môn chọn một định dạng ảnh chung để trao đổi là định dạng GeoTiff. Cũng như
các phương pháp tổ chức dữ liệu ảnh định dạng tập tin ảnh cũng phần nào quyết
định tới cách thức truy cập và đọc tập tin. Mục này sẽ giới thiệu ngắn gọn các
khía cạnh chính của định dạng ảnh GeoTiff. Định dạng GeoTiff là sự kết hợp
của định dạng Tiff với sự bổ sung của các thẻ mô tả tham chiếu không gian
(geotag).
Tập tin ảnh Tiff gồm ba phần chính: Phần đầu (Header), phần thư mục
ảnh (IFD – image file directory) và giá trị của các thẻ thư mục. Chúng kết nối
với nhau bằng các con trỏ vị trí tương đối so với đầu tập tin. Phần Header có
kích thước tám byte gồm các trường chứa các thông tin về các tham số ảnh: trật
tự bít, số hiệu phiên bản, độ dịch (con trỏ) tới thư mục ảnh đầu tiên trong tập tin.
Tập tin GeoTiff có thể chứa một hoặc nhiều ảnh. Mỗi ảnh được mô tả bằng một
thư mục ảnh. Mỗi thư mục ảnh chứa ba loại thông tin: Số lượng thẻ thư mục,
bản thân các thẻ thư mục và con trỏ rỗng (bằng không) hoặc tới thư mục ảnh
tiếp theo nếu có. Các thẻ thư mục có kích thước 12 byte mô tả đầy các tham số
có lien quan của ảnh.
H)TE&+ UU5
GeoTIFF sử dụng một tập nhỏ các thẻ TIFF giành riêng để lưu trữ một
phạm vi rộng thông tin tham chiếu địa lý, phục vụ cho địa lý như là các hệ tọa
độ phép chiếu cần thiết. Các phép chiếu bao gồm UTM, US State Plane và
National Grids, cũng như các kiểu phép chiếu cơ bản Transverse Mercator,
Lambert Conformal Conic vv. không có thông tin được lưu trữ trong các cấu
trúc riêng, IFD hay các kỹ thuật khác sẽ ƒn các thông tin từ những phần mềm
đọc TIFF không tốt.
GeoTIFF sử dụng các siêu thẻ "MetaTag" (GeoKey) để mã hóa hàng chục
các phần tử thông tin vào trong 6 thẻ, tận dụng lợi thế của nền tảng TIFF-độc lập
định dạng dữ liệu. Các key này được thiết kế một cách song song với các thẻ
TIFF và chặt chẽ theo các nguyên tắc về cấu trúc và bố trí của TIFF. Các key
mới có thể định nghĩa những yêu cầu phát sinh và không đòi hỏi cấp phát các
thẻ mới từ Aldus/Adobe. GeoTIFF sử dụng các mã số để miêu tả các kiểu phép

 Hệ tọa độ mặt phẳng ảnh b. Hệ tọa độ không gian ảnh
Hình 1.1.2.a Các hệ tọa độ trong không gian ảnh
 Hệ tọa độ trong không gian vật
- Hệ tọa độ đo ảnh
Trong đo ảnh người ta thường sử dụng hệ tọa độ đo ảnh để xác định vị trí
của các điểm đo trên mô hình lập thể. Hệ tọa độ đo ảnh được xác định như sau:
Gốc tọa độ được chọn tùy ý (một điểm bất kỳ trên mô hình). Các trục tọa độ
cũng được chọn tùy ý chỉ cần tuân theo nguyên tắc hệ tọa độ vuông góc (2 trục
tọa độ vuông góc với nhau)
Hình sau biểu thị hệ tọa độ đo ảnh hay còn được gọi là hệ tọa độ mô hình.
Hình 1.1.2.b Hệ tọa độ mô hình trong đo ảnh
Trong hệ tọa độ đo ảnh (hệ tọa độ mô hình) một điểm đo P trên mô hình
được biểu diễn bằng vecto: R’= (X’,Y’,Z’).



- Các hệ tọa độ trắc địa thường dùng trong đo ảnh
• Hệ tọa độ Gauss-Kruger
Được xây dựng trên mặt phẳng của múi chiếu 6
0
hoặc 3
0
trong mặt phẳng
chiếu hình Gauss được gọi là hệ tọa độ Gauss- Kruger. Trong đó nhận hình
chiếu của kinh tuyến trục làm trục X, của xích đạo làm trục Y. Như vậy nếu tính
từ gốc về phía Bắc X luôn mang dấu dương, về phía nam luôn mang dấu âm.Trị
số Y tính từ gốc về phía Đông mang dấu dương, về phía Tây mang dấu âm.
Hình 1.1.2.c Phép chiếu Gauss
• Hệ tọa độ UTM
Phép chiếu UTM khác với phép chiếu Gauss ở chỗ Ellipsoid quy chiếu cắt

Hình 1.1.2.d Phép chiếu UTM
1.1.5. Cấu trúc bản đồ số.
Một cơ sở dữ liệu của hệ thống thông tin địa lý có thể chia ra làm 2 loại số
liệu cơ bản: số liệu không gian và phi không gian. Mỗi loại có những đặc điểm
riêng và chúng khác nhau về yêu cầu lưu giữ số liệu, hiệu quả, xử lý và hiển thị.
Số liệu không gian là những mô tả số của hình ảnh bản đồ, chúng bao
gồm toạ độ, quy luật và các ký hiệu dùng để xác định một hình ảnh bản đồ cụ
thể trên từng bản đồ. Hệ thống thông tin địa lý dùng các số liệu không gian để
tạo ra một bản đồ hay hình ảnh bản đồ trên màn hình hoặc trên giấy thông qua
thiết bị ngoại vi, …
Số liệu phi không gian là những diễn tả đặc tính, số lượng, mối quan hệ
của các hình ảnh bản đồ với vị trí địa lý của chúng. Các số liệu phi không gian
được gọi là dữ liệu thuộc tính, chúng liên quan đến vị trí địa lý hoặc các đối
tượng không gian và liên kết chặt chẽ với chúng trong hệ thống thông tin địa lý
thông qua một cơ chế thống nhất chung.
 Mô hình thông tin không gian
Dữ liệu là trung tâm của hệ thống GIS, hệ thống GIS chứa càng nhiều thì
chúng càng có ý nghĩa. Dữ liệu của hệ GIS được lưu trữ trong CSDL và chúng
được thu thập thông qua các mô hình thế giới thực. Dữ liệu trong hệ GIS còn
được gọi là thông tin không gian. Đặc trưng thông tin không gian là có khả năng
mô tả “vật thể ở đâu” nhờ vị trí tham chiếu, đơn vị đo và quan hệ không gian.
Chúng còn khả năng mô tả “hình dạng hiện tượng” thông qua mô tả chất lượng,
số lượng của hình dạng và cấu trúc. Cuối cùng, đặc trưng thông tin không gian
mô tả “quan hệ và tương tác” giữa các hiện tượng tự nhiên. Mô hình không gian
đặc biệt quan trọng vì cách thức thông tin sẽ ảnh hưởng đến khả năng thực hiện
phân tích dữ liệu và khả năng hiển thị đồ hoạ của hệ thống.
a. Hệ thống Vector
- Kiểu đối tượng điểm (Points)
Điểm được xác định bởi cặp giá trị đơn. Các đối tượng đơn, thông tin về địa
lý chỉ gồm cơ sở vị trí sẽ được phản ánh là đối tượng điểm. Các đối tượng kiểu

• Các điểm được xếp liên tiếp từ trái qua phải và từ trên xuống dưới.
• Mỗi một điểm ảnh (pixel) chứa một giá trị.
• Một tập các ma trận điểm và các giá trị tương ứng tạo thành một lớp
• Trong cơ sở dữ liệu có thể có nhiều lớp.
Mô hình dữ liệu raster là mô hình dữ liệu GIS được dùng tương đối phổ biến
trong các bài toán về môi trường, quản lý tài nguyên thiên nhiên.
Mô hình dữ liệu raster chủ yếu dùng để phản ánh các đối tượng dạng vùng là
ứng dụng cho các bài toán tiến hành trên các loại đối tượng dạng vùng: phân
loại; chồng xếp.
Các nguồn dữ liệu xây dựng nên dữ liệu raster có thể bao gồm:
• Quét ảnh
• Ảnh máy bay, ảnh viễn thám
• Chuyển từ dữ liệu vector sang
• Lưu trữ dữ liệu dạng raster.
• Nén theo hàng (Run lengh coding).
• Nén theo chia nhỏ thành từng phần (Quadtree).
• Nén theo ngữ cảnh (Fractal).
Trong một hệ thống dữ liệu cơ bản raster được lưu trữ trong các ô (thường
hình vuông) được sắp xếp trong một mảng hoặc các dãy hàng và cột. Nếu có
thể, các hàng và cột nên được căn cứ vào hệ thống lưới bản đổ thích hợp.
Việc sử dụng cấu trúc dữ liệu raster tất nhiên đưa đến một số chi tiết bị mất.
Với lý do này, hệ thống raster-based không được sử dụng trong các trường hợp
nơi có các chi tiết có chất lượng cao được đòi hỏi.
Hình 1.1.3.1e Sự biểu thị kết quả bản đồ dưới dạng Raster
d. Ưu và nhược điểm của hệ thống dữ liệu raster và vector
- Ưu điểm của hệ thống cơ sở dữ liệu raster
• Vị trí địa lý của mỗi ô được xác định bởi vị trí của nó trong ô biểu tượng,
hình ảnh có thể được lưu trữ trong một mảng tương xứng trong máy vi tính
cung cấp đủ dữ liệu bất kỳ lúc nào. Vì vậy mỗi ô có thể nhanh chóng và dễ
dàng được định địa chỉ trong máy theo vị trí địa lý của nó.

- Bất lợi của hệ thống cơ sở dữ liệu vector
• Vị trí của điểm đỉnh cần được lưu trữ 1 cách rõ ràng
• Mối quan hệ của những điểm này phải được định dạng trong 1 cấu trúc
thuộc về địa hình học, mà nó có lẽ khó để hiểu và điều khiển.
• Thuật toán cho việc hoàn thành chức năng thì hoàn toàn tương đương
trong hệ thống cơ sở dữ liệu raster là quá phức tạp và việc hoàn thành có lẽ
là không xác thực.
• Sự thay đổi 1 cách liên tiếp dữ liệu thuộc về không gian không thể được
hiện diện như raster. 1 sự khôi phục để raster được yêu cầu tiến hành dữ
liệu kiểu này.
1.1.5.2 Mô hình thông tin thuộc tính.
Số liệu phi không gian hay còn gọi là thuộc tính là những mô tả về đặc
tính, đặc điểm và các hiện tượng xảy ra tại các vị trí địa lý xác định. Một trong
các chức năng đặc biệt của công nghệ GIS là khả năng của nó trong việc liên kết
và xử lý đồng thời giữa dữ liệu bản đồ và dữ liệu thuộc tính. Thông thường hệ
thống thông tin địa lý có 4 loại số liệu thuộc tính:
- Đặc tính của đối tượng: liên kết chặt chẽ với các thông tin không gian có
thể thực hiện SQL (Structure Query Language) và phân tích
- Số liệu hiện tượng, tham khảo địa lý: miêu tả những thông tin, các hoạt
động thuộc vị trí xác định.
- Chỉ số địa lý: tên, địa chỉ, khối, phương hướng định vị…liên quan đến
các đối tượng địa lý.
- Quan hệ giữa các đối tượng trong không gian, có thể đơn giản hoặc phức
tạp (sự liên kết, khoảng tương thích, mối quan hệ đồ hình giữa các đối tượng).
Để mô tả một cách đầy đủ các đối tượng địa lý, trong bản đồ số chỉ dùng
thêm các loại đối tượng khác: điểm điều khiển, toạ độ giới hạn và các thông tin
mang tính chất mô tả (annotation).
Các thông tin mô tả có các đặc điểm:
• Có thể nằm tại một vị trí xác định trên bản đồ
• Có thể chạy dọc theo arc

- Mối quan hệ giữa dữ liệu không gian và phi không gian: thể hiện
phương pháp chung để liên kết hai loại dữ liệu đó thông qua bộ xác định, lưu trữ
đồng thời trong các thành phần không gian và phi không gian. Các bộ xác định
có thể đơn giản là một số duy nhất liên tục, ngẫu nhiên hoặc các chỉ báo địa lý
hay số liệu xác định vị trí lưu trữ chung. Bộ xác định cho một thực thể có thể
chứa toạ độ phân bố của nó, số hiệu mảnh bản đồ, mô tả khu vực hoặc con trỏ
đến vị trí lưu trữ của số liệu liên quan. Bộ xác định được lưu trữ cùng với các
bản ghi toạ độ hoặc mô tả số khác của các hình ảnh không gian và cùng với các
bản ghi số liệu thuộc tính liên quan.
Sự liên kết giữa hai loại thông tin cơ bản trong cơ sở dữ liệu GIS thể hiện
theo sơ đồ sau:
Tính chất 2
x
x
x
…

 !"
#$%&"'$("")"*"+, /012 .,345678,"1"'/012  9"4
Hình 1.1.5.1f: Mối quan hệ giữa thông tin bản đồ và thông tin thuộc tính
1.2 Hiệu chỉnh hình học ảnh vệ tinh.
Ảnh số bị méo hình học do nhiều yếu tố liên quan đến vận tốc vệ tinh, sự
quay của Trái đất, sự phản xạ của khí quyển, dịch chuyển của địa hình, và sự phi
tuyến tính của các trường nhìn của các bộ cảm.Méo hình học là sự sai lệch vị trí
giữa tọa độ ảnh đo được và tọa độ ảnh lý tưởng được tham chiếu với hệ tọa độ
biết trước dùng cho Trái đất.Vì vậy, trước quá trình phân tích, giải đoán, ảnh vệ
tinh cần được nắn chỉnh hình học để hạn chế sai số vị trí và chênh lệch địa hình,
sao cho hình ảnh gần với bản đồ địa hình ở phép chiếu trực giao nhất. Kết quả
giải đoán phụ thuộc rất nhiều vào độ chính xác của ảnh. Do vậy, công đoạn nắn
chỉnh hình học ảnh vệ tinh rất quan trọng cho các bước phân tích tiếp theo.

1.2.1 Các nguyên nhân gây sai số méo hình của ảnh vệ tinh.
Các sai số làm méo hình ảnh viễn thám có thể được chia thành hai nhóm là
sai số méo hình hình học của chính hệ thống Sensor và sai số méo hình do ảnh
hưởng của các yếu tố bên ngoài hệ thống
- Sai số méo hình hình học của hệ thống Sensor.
Nguyên nhân chính là do ảnh hưởng của thiết bị. Sai số này phát sinh chủ
yếu do có sự thay đổi trong hoạt động của Sensor như các méo hình quang học
của Sensor, sự thay đổi tốc độ quét tuyến tính và sự lặp lại của các đường quét.
Như vậy, theo một quy luật đều, các đường quét đều bị biến dạng giống nhau
khi so sánh giữa phần trọng tâm và phần hai cánh của ảnh. Một hiện tượng khác
là đường quét bị kéo lệch sang một phía. Sự lệch hệ thống đó được gọi là lệch
toàn cảnh (Panoramic distortion).
Khắc phục các hiện tượng lệch hệ thống tương đối đơn giản bằng cách nắn
hệ thống theo chương trình phầm mềm trong máy tính. Phim ảnh sẽ được in ra
sau khi xử lý nắn hệ thống. Ngoài ra để khắc phục hiện tượng biến dạng này, mà
nguyên nhân là hệ thống quét ngang, người ta đã chế ra hệ thống quét dọc (như
với ảnh SPOT). Tuy nhiên mỗi hệ thống đều có những ưu nhược điểm riêng, khi
quét dọc lại có sự biến dạng theo chiều dọc mặc dù có nhỏ hơn.
Sau khi kết thúc quá trình nắn ảnh, ảnh kết quả đạt độ chính xác khá cao. Các
đối tượng trên ảnh và bản đồ địa hình sẽ trùng khít với nhau.
Ảnh hưởng của các sai số này khi kiểm định thường rất nhỏ so với các sai số
ảnh hưởng của các yếu tố bên ngoài.Vì thế, trong một chừng mực nào đó chúng
ta không cần thiết quan tâm đến yếu tố này.
- Sai số do các yếu tố bên ngoài hệ thống.
Chủ yếu gây ra do sự thay đổi của các nguyên tố định hướng ngoài (vị trí quỹ
đạo của sensor), khúc xạ khí quyển, độ cong của trái đất,chênh cao địa hình…
ảnh hưởng hầu hết của các loại sai số này tương tự như trong ảnh hàng không,
tuy nhiên trong viễn thám một số sai lệch này có tính khác biệt…Hình học tạo ra
của từng bộ cảm sẽ có khuôn mẫu hình học khác nhau, các khuôn mẫu này phụ
thuộc vào máy chụp ảnh mà ta sử dụng. Do đó sự méo hình sẽ có quan hệ tương