Phân tích thống kê của ảnh số docx

1 đại học quốc gia h nội Trờng Đại học Khoa häc Tù nhiªn -***** NGUYễN NGọC THạCH sở viễn thám CC S H Nội 8-2005 Lời nói đầu Viễn thám (Remote sensing) đợc ứng dụng rộng rÃi nhiêu lĩnh vực khác nhau, đặc biệt khoa học trái đất Bớc việc ứng dụng viễn thám phân tích mắt ảnh chụp máy ảnh quang học phục vụ cho mục đích quân sự, với phát triển nhiều công nghệ nhiều ngành khoa học khác nhau, viễn thám đà có bớc phát triển vợt bậc với dạng t liệu công nghệ xử lý đa dạng Viễn thám, bớc đầu phát triển số nớc có công nghệ tiên tiến, đà trở nên công nghệ ngành khoa học có tính toàn cầu phục vụ cách hữu hiệu cho nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc biệt việc nghiên cứu, quản lý tài nguyên, môi trờng Khoa học Viễn thám có hợp phần là: sở vật lý viễn thám, công nghệ thu nhận hình ¶nh viƠn th¸m, viƠn th¸m d¶i phỉ quang, viễn thám hồng ngoại nhiệt, viễn thám radar, phơng pháp xử lý thông tin viễn thám ( giải đoán ảnh mắt xử lý ảnh số ) Ngoài Viễn thám đợc gắn chặt với công nghệ định vị toàn cầu (GPS ) Để phục vụ công tác đào tạo tham khảo khoa Địa lý, Trờng Đại học Khoa học tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà nội, giáo trình Cơ sở Viễn thám biên soạn sở tổng hợp từ nhiều nguồn thông tin từ kiến thức phổ biÕn trªn thÕ giíi cịng nh− ë ViƯt nam, có số giáo trình đà đựơc sử dụng Trờng Đại học khoa học tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội Giáo trình đợc sử dụng để giảng dạy khoa, ngành thuộc lĩnh vực khoa học trái đất, môi trờng Hà nội, tháng 10 năm 2005 Chơng Khái niệm chung viễn thám Viễn thám ngành khoa học có lịch sử phát triển từ lâu, có mục đích nghiên cứu thông tin vật tợng thông qua việc phân tích liệu ảnh hàng không, ảnh vệ tinh, ảnh hồng ngoại nhiệt ảnh radar Sự phát triển khoa học viễn thám đợc mục đích quân với việc nghiên cứu phim ảnh, đợc chụp lúc đầu từ khinh khí cầu sau máy bay độ cao khác Ngày nay, viễn thám việc tách lọc thông tin từ ảnh máy bay, áp dụng công nghệ đại thu nhận xử lý thông tin ảnh số, thu đợc từ cảm có độ phân giải khác nhau, đợc đặt vệ tinh thuộc quỹ đạo trái đất Viễn thám đợc ứng dụng nhiều ngành khoa học khác nh quân sự, địa chất, địa lý, môi trờng, khí tợng, thủy văn, thủy lợi, lâm nghiệp nhiều ngành khoa học khác Các liệu viễn thám, có ảnh vệ tinh đa phổ , siêu phổ ảnh nhiệt đợc dùng nghiên cứu khác nh: sử dụng đất, lớp phủ mặt ®Êt, rõng, thùc vËt, khÝ hËu khÝ t−ỵng, nhiƯt ®é mặt đất mặt biển, đặc điểm khí tầng ozon, tai biến môi trờng Dữ liệu ảnh radar đợc sử dụng nhiều lĩnh vực nghiên cứu khác nh nghiên cú mục tiêu quân sự, đo vận tốc gió, đo độ cao bay độ cao sóng biển, nghiên cứu cấu trúc địa chất, sụt lún đất, theo dõi lũ lụt ra, ứng dụng nghiên cứu bề mặt hành tinh khác 1.1 Định nghĩa Viễn thám (Remote sensing - tiếng Anh) đợc hiểu khoa học nghệ thuật để thu nhận thông tin đối tợng, khu vực tợng thông qua việc phân tích t liệu thu nhận đợc phơng tiện Những phơng tiện tiếp xúc trực tiếp với đối tợng, khu vực với tợng đợc nghiên cứu Thực đợc công việc thực viễn thám - hay hiểu đơn giản: Viễn thám thăm dò từ xa đối tợng tợng mà tiếp xúc trực tiếp với đối tợng tợng Mặc dù có nhiều định nghĩa khác viễn thám, nhng định nghĩa có nét chung, nhấn mạnh "viễn thám khoa học thu nhận từ xa thông tin đối tợng, tợng trái đất" Dới định nghĩa viễn thám theo quan niệm tác giả khác Viễn thám nghệ thuật, khoa học, nói nhiều vật không cần phải chạm vào vật (Ficher nnk, 1976) Viễn thám quan sát đối tợng phơng tiện cách xa vật khoảng cách định (Barret Curtis, 1976) Viễn thám khoa học lấy thông tin từ đối tợng, đợc đo từ khoảng cách cách xa vật không cần tiếp xúc với Năng lợng đợc đo hệ viễn thám lợng điện từ phát từ vật quan tâm (D A Land Grete, 1978) Viễn thám ứng dụng vào việc lấy thông tin mặt đất mặt nớc trái đất, việc sử dụng ảnh thu đợc từ đầu chụp ảnh sử dụng xạ phổ điện từ, đơn kênh đa phổ, xạ phản xạ từ bề mặt trái đất (Janes B Capbell, 1996) Viễn thám "khoa học nghệ thuật thu nhận thông tin vật thể, vùng, tợng, qua phân tích liệu thu đợc phơng tiện không tiếp xúc với vật, vùng, tợng khảo sát ".( Lillesand Kiefer, 1986) Phơng pháp viễn thám phơng pháp sử dụng lợng điện từ nh ánh sáng, nhiệt, sóng cực ngắn nh phơng tiện để điều tra đo đạc đặc tính đối tợng( Theo Floy Sabin 1987) Định nghĩa loại trừ quan trắc điện, từ trọng lực quan trắc thuộc lĩnh vực địa vật lý, sử dụng để đo trờng lực nhiều đo xạ điện từ 1.2 Lịch sử phát triển viễn thám Sự phát triển ngành viễn thám qua thời gian đợc tóm tắt bảng 1.1 Viễn thám khoa học, thực phát triển mạnh mẽ qua ba thập kỷ gần đây, mà công nghệ vũ trụ đà cho ảnh số, bắt đầu đợc thu nhận từ vệ tinh quĩ đạo trái đất vào năm 1960 Tuy nhiên, viễn thám có lịch sử phát triển lâu đời, bắt đầu việc chụp ¶nh sư dơng phim vµ giÊy ¶nh Tõ thĨ kû XIX, vào năm 1839, Louis Daguerre (1789 - 1881) đà đa báo cáo công trình nghiên cứu hóa ảnh, khởi đầu cho ngành chụp ảnh Bức ảnh đầu tiên, chụp bề mặt trái đất từ khinh khí cầu, đợc thực vào năm 1858 Gaspard Felix Tournachon nhà nhiếp ảnh ngời Pháp Tác giả đà sử dụng khinh khí cầu để đạt tới độ cao 80m, chụp ảnh vùng Bievre, Pháp Một ảnh chụp bề mặt trái đất từ khinh khí cầu ảnh vùng Bostom tác giả James Wallace Black, 1860 Việc đời ngành hàng không đà thúc đẩy nhanh phát triển mạnh mẽ ngành chụp ảnh sử dụng máy ảnh quang học với phim giấy ảnh, nguyên liệu nhạy cảm với ánh sáng (photo) Công nghệ chụp ảnh từ máy bay tạo điều kiện cho nghiên cứu mặt đất ảnh chụp chồng phủ cho khả nhìn ảnh (stereo).Khả giúp cho việc chỉnh lý, đo đạc ảnh, tách lọc thông tin từ ảnh có hiệu cao Một ngành chụp ảnh, đợc thực phơng tiện hàng không nh máy bay, khinh khí cầu tàu lợn phơng tiện không khác, gọi ngành chụp ảnh hàng không Các ảnh thu đợc từ ngành chụp ảnh hàng không gọi không ảnh Bức ảnh chụp từ máy bay, đợc thực vào năm 1910, Wilbur Wright, nhà nhiếp ảnh ngời ý, việc thu nhận ảnh di động vùng gần Centoceli thuộc nớc ý (bảng 1.1) Bảng 1.1: Tóm tắt phát triển cđa viƠn th¸m qua c¸c sù kiƯn Thêi gian Sù kiện (Năm) 1800 Phát tia hồng ngoại 1839 Bắt đầu phát minh kỹ thuật chụp ảnh đen trắng 1847 Phát dải phổ hồng ngoại phổ nhìn thấy 1850-1860 Chụp ảnh từ kinh khí cầu 1873 Xây dựng học thuyết phổ điện từ 1909 Chụp ảnh từ máy bay 1910-1920 Giải đoán từ không trung 1920-1930 Phát triển ngành chụp đo ảnh hàng không 1930-1940 Phát triển kỹ thuật radar ( Đức, Mỹ, Anh) 1940 Phân tích ứng dụng ảnh chụp từ máy bay 1950 Xác định dải phổ từ vùng nhìn thấy đến không nhìn thấy 1950-1960 Nghiên cứu sâu ảnh cho mục đích quân 12-4-1961 Liên xô phóng thành công tàu vũ trụ có ngời lái chụp ảnh trái đất từ vũ trụ 1960-1970 Lần sử dụng thuật ngữ viễn thám 1972 Mỹ phóng vệ tinh Landsat-1 1970-1980 Phát triển mạnh mẽ phơng pháp xử lý ảnh số 1980-1990 Mỹ phát triển hệ cđa vƯ tinh Landsat 1986 Ph¸p phãng vƯ tinh SPOT vào quĩ đạo 1990 đến Phát triển cảm thu đo phổ, tăng dải phổ số lợng kênh phổ, tăng độ phân giải cảm Phát triển nhiỊu kü tht xư lý míi (Ngn s−u tÇm Ngyễn Văn Đài, 2003) Chiến tranh giới thứ (1914 - 1918) đánh dấu giai đoạn khởi đầu công nghệ chụp ảnh từ máy bay cho mục đích quân Công nghệ chụp ảnh từ máy bay ®· kÐo theo nhiỊu ng−êi ho¹t ®éng lÜnh vùc này, đặc biệt việc làm ảnh đo đạc ảnh Những năm sau đó, thiết kế khác loại máy chụp ảnh đợc phát triển mạnh mẽ Đồng thời, nghệ thuật giải đoán không ảnh đo đạc từ ảnh đà phát triển mạnh, sở hình thành ngành khoa học đo đạc ảnh (photogrametry) Đây ngành ứng dụng thực tế việc đo đạc xác đối tợng từ liệu ảnh chụp Yêu cầu đòi hỏi việc phát triển thiết bị xác cao, đáp ứng cho việc phân tích không ảnh Trong chiến tranh giới thứ hai (1939 - 1945) không ảnh đà dùng chủ yếu cho mục đích quân Trong thời kỳ này, việc phát triển công nghệ radar, đánh dấu phát triển ảnh chụp sử dụng phổ hồng ngoại Các ảnh thu đợc từ nguồn lợng nhân tạo radar, đà đợc sử dụng rộng rÃi quân Các ảnh chụp với kênh phổ hồng ngoại cho khả triết lọc thông tin nhiều ảnh mầu, chụp máy ảnh, đà đợc dïng chiÕn tranh thÕ giíi thø hai ViƯc ch¹y đua vào vũ trụ Liên Xô cũ Hoa Kỳ đà thúc đẩy việc nghiên cứu trái đất viễn thám với phơng tiện kỹ thuật đại Các trung tâm nghiên cứu mặt đất đợc đời, nh quan vũ trụ châu Âu ESA (Aeropian Remote sensing Agency), Chơng trình Vũ trụ NASA (Nationmal Aeromautics and Space Administration) Mỹ Ngoài thống kê trên, kể đến chơng trình nghiên cứu trái đất viễn thám nớc nh Canada, Nhật, Pháp, ấn Độ Trung Quốc Bức ảnh đầu tiên, chụp trái đất từ vũ trụ, đợc cung cấp từ tàu Explorer-6 vào năm 1959 Tiếp theo chơng trình vũ trụ Mercury (1960), cho sản phẩm ảnh chụp từ quỹ đạo trái đất có chất lợng cao, ảnh màu có kích thớc 70mm, đợc chụp từ máy tự động Vệ tinh khí tợng (TIR0S-1), đợc phóng lên quĩ đạo trái đất vào tháng năm 1960, mở đầu cho việc quan sát dự báo khí tợng Vệ tinh khí tợng NOAA, đà hoạt động từ sau năm 1972, cho liệu ảnh có độ phân giải thời gian cao nhất, đánh dấu cho việc nghiên cứu khí tợng trái đất từ vũ trụ cách tổng thể cập nhật ngày Sự phát triển viễn thám, liền với phát triển công nghệ nghiên cứu vũ trụ, phục vụ cho nghiên cứu trái đất hành tinh khí Các ảnh chụp (stereo), thực theo phơng đứng xiên, cung cấp từ vệ tinh Gemini (1965), đà thể u công việc nghiên cứu trái đất Tiếp theo, tầu Apolo cho sản phẩm ảnh chụp đa phổ, có kích thớc ảnh 70mm, chụp trái đất, đà cho thông tin vô hữu ích nghiên cứu mặt đất Ngành hàng không vũ trụ Nga đà đóng vai trò tiên phong nghiên cứu Trái Đất từ vũ trụ Việc nghiên cứu trái đất đà đợc thực tàu vũ trụ có ngời nh Soyuz, tàu Meteor Cosmos (từ năm 1961), trạm chào mừng Salyut Sản phẩm thu đợc ảnh chụp thiết bị quét đa phổ phân giải cao, nh MSU-E (trên Meteor - priroda) Các ảnh chụp từ vệ tinh Cosmos có dải phổ nằm kênh khác nhau, với kích thớc ảnh 18 x 18cm Ngoài ra, ảnh chụp từ thiết bị chụp KATE-140, MKF-6M trạm quỹ đạo Salyut, cho kênh ảnh thuộc dải phổ 0.40 đến 0.89m Độ phân giải mặt đất tâm ảnh đạt 20 x 20m Tiếp theo vệ tinh nghiên cứu trái đất ERTS(sau đổi tên Landsat-1), vệ tinh hệ nh Landsat-2, Landsat-3, Landsat-4 Landsat-5 Ngay từ đầu, ERTS-1 mang theo cảm quét đa phổ MSS với bốn kênh phổ khác nhau, cảm RBV (Return Beam Vidicon) với ba kênh phổ khác Ngoài vệ tinh Landsat-2, Landsat-3, có vệ tinh khác SKYLAB (1973) HCMM (1978) Từ 1982, ảnh chuyên đề đợc thực vệ tinh Landsat TM-4 Landsat TM-5 với kênh phổ từ dải sóng nhìn thấy đến hồng ngoại nhiệt Điều tạo nên u nghiên cứu trái đất từ nhiều dải phổ khác Ngày nay, ảnh vệ tinh chuyên đề từ Landsat-7 đà đợc phổ biến với giá rẻ ảnh vệ tinh Landsat TM-5, cho phÐp ng−êi sư dơng ngµy cµng có điều kiện để tiếp cận với phơng pháp nghiên cứu môi trờng qua liệu vệ tinh (hình 1.1) T liệu số Hình 1.1: Viễn thám từ việc thu nhận thông tin đến ngời sử dụng (Theo Ravi Gupta, 1991) Dữ liệu ảnh vệ tinh SPOT Pháp khởi đầu từ năm 1986, trải qua hệ SPOT-1, SPOT-2, SPOT-3, SPOT-4 SPOT-5, đà đa sản phẩm ảnh số thuộc hai kiểu phổ, đơn kênh (panchoromatic) với độ phân dải không gian từ 10 x 10m đến 2,5 x 2,5m, đa kênh SPOT- XS (hai kênh thuộc dải phổ nhìn thấy, kênh thuộc dải phổ hồng ngoại) với độ phân giải không gian 20 x 20m Đặc tính ảnh vệ tinh SPOT cho cặp ảnh phủ chồng cho phép nhìn đối tợng (stereo) không gian ba chiều Điều giúp cho việc nghiên cứu bề mặt trái đất đạt kết cao, việc phân tích yếu tố địa hình Các ảnh vệ tinh cđa NhËt, nh− MOS-1, phơc vơ cho quan s¸t biĨn (Marine Observation Satellite) Công nghệ thu ảnh vệ tinh đợc thực vệ tinh ấn độ IRS-1A, tạo ảnh vệ tinh nh LISS thuộc nhiều hệ khác Trong nghiên cứu môi trờng khí hậu trái đất, ảnh vệ tinh NOAA có độ phủ lớn có lặp lại hàng ngày, đà cho phép nghiên cứu tợng khí hậu xảy khí nh nhiệt độ, áp suất nhiệt đới dự báo bÃo Sự phát triển lĩnh vực nghiên cứu trái đất viễn thám đợc đẩy mạnh áp dụng tiến khoa học kỹ thuật với việc sử dụng ảnh radar Viễn thám radar tích cực, thu nhận ảnh việc phát sóng dài siêu tần thu tia phản hồi, cho phép thực nghiên cứu độc lập, không phụ thuộc vào mây Sóng radar có đặc tính xuyên qua mây, lớp đất mỏng thực vật nguồn sóng nhân tạo, nên có khả hoạt động ngày đêm, không phụ thuộc vào nguồn lợng mặt trời Các ảnh tạo nên hệ radar kiểu SLAR đợc ghi nhận cảm Seasat Đặc tính sóng radar thu tia phản hồi từ nguồn phát với góc xiên đa dạng Sóng nhạy cảm với độ ghồ ghề bề mặt vật, đợc chùm tia radar phát tới, đợc ứng dụng cho nghiên cứu cấu trúc khu vực Công nghệ máy tính ngày đà phát triển mạnh mẽ với sản phẩm phần mềm chuyên dụng, tạo điều kiện cho phân tích ảnh vệ tinh dạng số ảnh radar Thời đại bùng nổ Internet, công nghệ tin học với kỹ thuật xử lý ảnh số, kết hợp với Hệ thông tin Địa lý (GIS), cho khả nghiên cứu trái đất viễn thám ngày thuận lợi đạt hiệu cao 1.3 Nguyên lý viễn thám Viễn thám nghiên cứu đối tợng giải đoán tách lọc thông tin từ liệu ảnh chụp hàng không, việc giải đoán ảnh vệ tinh dạng số Các liệu dới dạng ảnh chụp ảnh số đợc thu nhận dựa việc ghi nhận lợng xạ (không ảnh ảnh vệ tinh) sóng phản hồi (ảnh radar) phát từ vật thể khảo sát Năng lợng phổ dới dạng sóng điện từ, nằm dải phổ khác nhau, cho thông tin vật thể từ nhiều góc độ góp phần giải đoán đối tợng cách xác (hình 1.2) Dữ liệu vệ tinh Dữ liệu m áy bay tầng cao Dữ liệu tầng thấp M ặt đất Hình 1.2: Nghiên cứu viễn thám theo đa quan niệm (Theo Lillesand Kiefer, 1986) Nếu biết trớc phổ phát xạ, phản xạ (emited/reflected) chuẩn vật thể phòng thí nghiệm, xác định máy đo phổ, ta giải đoán vật thể cách phân tích đờng cong phổ thu đợc từ ảnh vệ tinh Các phần mềm xử lý ảnh số đợc phát triển, nhằm cho thông tin phổ xạ vật thể tợng xảy giới hạn diện phủ ảnh Xử lý ảnh số kỹ nghệ làm hiển thị rõ ảnh tách lọc thông tin từ liệu ảnh số, dựa vào thông tin chìa khóa phổ xạ phát Hiện nay, có nhiều phơng pháp xử lý ảnh số đợc thực phần mềm xử lý ảnh nh− IDRISI, ERDAS (PC), ERDAS Imagine (UNIX), PCI, ERMAPER, DRAGON, ENVI,ILWIS Giải đoán, tách lọc thông tin từ liệu ảnh viễn thám đợc thực dựa cách tiếp cận khác nhau, kể đến là: §a phỉ: Sư dơng nghiªn cøu vËt tõ nhiỊu kªnh phổ dải phổ từ nhìn thấy đến sóng radar Đa nguồn liệu: Dữ liệu ảnh thu nhận từ nguồn khác độ cao khác nhau, nh ảnh chụp mặt đất, chụp khinh khí cầu, chụp từ máy bay trực thăng phản lực đến ảnh vệ tinh có ngời điều khiển tự động Đa thời gian: Dữ liệu ảnh thu nhận vào thời gian khác Đa độ phân giải: Dữ liệu ảnh có độ phân giải khác không gian, phổ thời gian Đa phơng pháp: Xử lý ảnh mắt số Hệ định vị toàn cầu (GPS) viễn thám Trong khoa học viễn thám hệ định vị chung cho việc quan sát trái đất từ vệ tinh giám sát từ mặt đất Hệ định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) quân đội Mỹ thiết kế ban đầu mục đích quân Hệ định vị bao gồm 24 vệ tinh quay quanh trái đất nhóm quĩ đạo khác nhau, vệ tinh nhóm quĩ đạo Thông thờng, vệ tinh quay quanh quĩ đạo trái đất vòng hết thời gian 24 độ cao so với bề mặt trái đất 20.200km Những vệ tinh giống nh chòm nhân tạo, giúp cho định vị dẫn đờng Các vệ tinh truyền tín hiệu radio, mà hóa thời gian đợc ghi nhận trạm thu mặt đất (hình 1.3) Trái Đất Hình 1.3 Hệ định vị toàn cầu bắt tín hiệu từ vệ tinh quĩ đạo Hình 1.3: HệTrái Đất toàn cầu GPS định vị Mặt phẳng quĩ đạo "gần" tròn vệ tinh nghiêng so với đờng xích đạo góc 600 phân bố cách 600 theo kinh tuyến Điều có nghĩa là, điểm Trái Đất với hệ định vị toàn cầu nhận đợc tín hiệu từ vệ tinh Hệ định vị toàn cầu, bắt đầu hoạt động từ năm 1993, bao gồm 21 vệ tinh hoạt động vệ tinh dự phòng Hình 1.4 sơ đồ hệ thống định vị toàn cầu với vệ tinh hoạt động Vị trí điểm ã ã Cu trỳc t v nhỏm bề mặt Là hai yếu tố có ảnh hưởng đến độ phản xạ Đất có bề mặt ghồ ghề làm giảm độ phản xạ Đất khơng có cấu trúc phản xạ nhiều từ 10-20% so với đất có cấu trúc tốt Bảng 10.3 Các tính chất phản xạ ánh sáng cấu trúc Loại đất Độ phản xạ % Band Band Đất bột thô bị đào xới 19 20 Đất bột thô không bị 31 44 đào xới Band 21 47 Band 20 43 • • Độ ẩm đất Độ ẩm đất ảnh hưởng đến độ phản xạ theo quy luật lượng ẩm đất độ sáng giảm Ngay vùng sóng 0.38 đến 1.4 diện tích đất khơ có độ phản xạ lớn đất ướt Các kết nghiên cứu mối quan hệ độ ẩm đất độ phản xạ (bảng 10.4) Bảng 10.4 Mối quan hệ độ ẩm đất độ phản xạ Độ ẩm % 12 16 20 24 32 Độ phản xạ % Đất sét- bột Đất cát 20 36 19 26 18 20 16 19 15 14 18 14 - • • Nhiệt độ đất Nhiệt độ đất nhân tố quan trong, có liên quan đến tỷ lệ ẩm , tỷ lệ phong hố, q trình phản ứng hoá học, hoạt động vi sinh vật, Nhiệt độ bề mặt đất thu nhận nhiều loại sensor hồng ngoại nhiệt có khả ghi nhận số điều kiện nhiệt đất tầng bề mặt Việc giải đoán ảnh nhiệt nhìn chung khó phụ thuộc vào nhiều điều kiện ngoại cảnh như: độ ẩm khơng khí, mức độ canh tác mùa chụp ảnh, Ví dụ vào mùa xuân đất sét lạnh đất cát ảnh mờ hơn, nhiệt độ đất yếu tố quan trọng khó ghi nhận giải đoán 2 Một số đặc điểm ảnh có ảnh hưởng đến trinh giải đốn đất • • Kích thước đối tượng Là đặc điểm quan trọng để nhận dạng đối tượng giải đoán, giải đoán dựa vào mối quan hệ kích thước đối tượng để định Ví dụ: sộng đào rõ ràng phải rộng kênh mương ảnh, chúng thẳng có màu • • Hình dạng đối tượng Hình dạng đối tượng ảnh yếu tố quan trọng để giải đoán ảnh, chụp từ cao, hình dạng ảnh xuất ảnh khơng hồn tồn giống với hình dạng thực, có kinh nghiệm giải đốn dễ dàng nhận • • Bóng đối tượng Đơi bóng đối tượng có ích q trình giải đốn, cho biết nhiều thơng tin đối tượng thân đối tượng, đặc biệt trường hợp thân đối tượng bị mờ thơng tin • • Tone ảnh thay đổi tone ảnh Chúng ta biết ảnh đen trắng, nói chung vật thể màu sẫm đen vật thể màu sáng Các vật thể có bề mặt nhẵn đường nhựa màu có màu sẫm ảnh sáng vật thể có bề mặt nhám thơ Bề mặt nước thay đổi từ đen đến trắng phụ thuộc vào góc chiếu mặt trời góc chụp máy ảnh nhìn chung vùng đất ướt đen vùng đất khơ có trường hợp sáng màu ảnh Sự thay đổi từ từ hay đột ngột tone ảnh tốt để giải đoán đối tượng Chẳn hạn tone ảnh thay đổi từ từ theo điểm đất xói mịn di chuyển phần phẩu diện Còn trường hợp tone ảnh thay đổi đột ngột cách sử dụng đất khác • • Cấu trúc ảnh Cấu trúc ảnh định nghiã xếp không gian đối tượng theo trật tự Các loại đất khác thể ảnh theo cấu trúc khác đất bị xói mịn khe rãnh, cấu trúc gờ ảnh, cịn xói bề mặt ảnh cấu trúc mịn • • Vị trí đối tượng ảnh Là yếu tố để nhận dạng đối tượng đất chẳng hạn đất phù sa phải nằm gần vùng châu thổ hai bên sơng Đất nước tốt phải gắn với tập đoàn định, đất úng nước liền với loại thị cho • • Cấu tạo rtên bề mặt ảnh Có nghiã bề mặt bao phủ điểm có tone khác với tone tồn ảnh Rất khó để phân biệt điểm chấm bày với bề mặt tone ảnh không phẳng, nhiên mối liên hệ với tính chất khác đặc trưng sử dụng tốt để giải đoán đất III I CÁC BƯỚC GIẢI ĐỐN ẢNH Theo quy trình giải đốn ảnh nêu phần I, trình bày chi tiết việc giải đoán ảnh, phần quan trọng cơng việc có sử dụng kỹ thuật viễn thám 1 Phát nhận dạng đối tượng Sau chuẩn bị ảnh, ảnh ghép, công việc giải đốn ảnh xem xét xem có ảnh với tất yếu tố có liện quan đến đất Sau ghi nhận, xác định vị trí, kích thước, hình dạng đối tượng cuối nhận dạng đối tượng đó, tồn phần phần với tên đối tượng 2 Phân tích Sau phát đối tượng, nhận dạng chúng, bước thứ phân tích đối tượng đó, tìm mối quan hệ chúng yếu tố khác để làm xác phân loại đất Có phương pháp phân tích đối tượng đề xuất là: Phân tích cấu trúc Phân tích nhân tố Phân tích tự nhiên Phân tích đốn từ bên ngồi a) a) Phân tích cấu trúc Phương pháp nầy Frosf đưa dựa nguyên tắc sau: - - Đất giống xuất ảnh cấu trúc giống - - Đất khác xuất cấu trúc khác - - Một đối tượng giải đoán kiểm tra với quan sát đất thực địa đối tượng dùng chià khố để mở rộng phân tích cho vùng khác Phương pháp đơn giản song xác b) Phương pháp phân tích yếu tố Là phương pháp quan trọng, nhiều người quan tâm nghiên cứu bắt đầu Buring ( 1960 ) sau Vink ( 1963 ) bổ sung phân tích thêm Năm 1964, Kamphorst đưa nhóm yếu tố quan trọng để giải đoán đất ( bảng 10.5 ) Bảng 10.5 Nhóm yếu tố quan hệ với việc giải đốn đất ( Kamphost- ITC 1964 ) Nhóm I Quan hệ với Hình thái lãnh thổ Tên yếu tố Kiểu địa hình Hình dáng chung Sườn Mạng lưới đường tụ thuỷ Mạng lưới lưu vực Sơng suối Hình dáng thung lũng II III IV V Các nét đặc biệt địa hình Tone ảnh ảnh Màu sắc Cấu trúc ảnh Thực vật Thực vật tự nhiên Các trồng đặc biệt Sử dụng đất Các yếu tố dự đoán Điều kiện nước Đá mẹ Các tầng đất Tiểu trung địa hình nh hường người Đê sóng Hào, rãnh Ranh ggiới đồng rộng Cấu trúc khu dân cư Giao thông Các điểm khảo cổ Gần hơn, Nenema Gelen ( ITC, 1969 ) đưa nhóm yếu tố có liên quan với việc giải đoán: Các yếu tố gồm: - - Bề mặt địa hình - - Thực vật tự nhiên - - Các loại trồng - - Đá mẹ - - Nước - - Các cơng trình nhân tạo - - Thảm thựcvật Các yếu tố hỗn hợp: - - Các đường thoát nước - - Cấu trúc mạng lưới thoát nước - - Sử dụng đất - - Các đứt gãy - - Các kiến trúc thảm thực vật Các yếu tố đốn: khơng nhìn thấy ảnh mà suy từ yếu tố hai nhóm - - Điều kiệnt thoát nước - - Đá mẹ - - Các tầng đất - - Các yếu tố ảnh hưởng đến xói mịn đất Goosen Deeko (FAC, 1967) tìm tầm quan trọng yếu tố giải `oán trình điều tra đất liên hệ tổng hợp trình xử lý hệ thống thơng tin địa lý Nhìn chung thấy yếu tố có quan hệ chặt chẽ với việc giải đoán ảnh phục vụ điều tra lập đồ là: 1 Kiểu lãnh thổ (kiểu tự nhiên-Land type) 2 Hình thái địa hình (relief form) Đá mẹ Mức độ phong hoá Chế độ ẩm Chất mùn Độ dốc Việc phân tích yếu tố kết hợp đồ Bản đồ sử dụng kiểm tra ngồi thực địa xác hố ranh giới đơn vị Phương pháp phân tích yếu tố nầy có thuận lợi người điều tra không cần kiến thức sâu đất mà cần người lãnh đạo nhóm biên tập lại Tuy nhiên, bất lợi tốn nhiều thời gian cơng sức so với phương pháp Bảng 10.6 Quan hệ yếu tố phân tích với khả điều tra đất Khả nhận Yếu tố thấy ảnh lập thể Kiểu lãnh thổ Cao Địa hình Cao Hình dạng sườn Cao Điều kiện thoát nước Cao Hệ thống thoát nước nhân Cao tạo Thực vật tự nhiên Cao Đá mẹ Thấp Màu ảnh Cao Tình hình sử dụng đất Cao Mối quan hệ với Mức độ trùng điều kiện đất hợp với ranh giới Cao Cao Cao Cao Cao Cao Cao Trung bình Cao Trung bình Cao Cao Thấp Trung bình Trung bình Cao Thấp Thấp c) c) Phương pháp phân tích yếu tố tự nhiên Phương pháp dựa trình độ hiểu biết cao mối quan hệ đất tự Nhiên, công nhận q trình động khơng phải yếu tố tĩnh Các yếu tố phương pháp phân tích yếu tố sử dụng khác Nhiều yếu tố không cần vạch ranh giới đồ mà lại sử dụng sở vật chất mối quan hệ thành phần tự nhiên cảnh quan Mối quan hệ dựa nguyên tắc trình tương tác tự nhiên, nên phương pháp phân tích coi phương pháp phân tích q trình phân tích tượng Như phương pháp nầy, việc nghiên cứu phân thành đơn vị tự nhiên cấp theo tỷ lệ nghiên cứu việc nầy giải đoán từ ảnh cách tương đối thuận lợi Bản đồ xây dựng từ phương pháp cho phép xác định tổ hợp đất đơn vị phân loại đất cấp chủ yếu đơn vị tự nhiên d) d) Phương pháp phân tích ngoại suy Phương pháp phân tích nầy Benema Gelen (ITC, 1969) đề nghị Như tên gợi ý, phương pháp nầy dựa dựa vào đặc điểm bên lãng thổ, miêu tả đơn giản thuật ngữ dân gian như: diện mạo đặc điểm địa mạo bên lãnh thổ Ví dụ: Vùng đất cao, vùng giữa, núi, đồi lượng sóng, sườn bên, sườn giữa, dốc đứng, Trong thực tiển, nhiều nhà nghiên cứu ứng dụng phương pháp giải đốn nhanh ảnh để vạch ranh giới kiểu đất tương đối xác việc chuyển từ thuật ngữ phương pháp sang thuật nhữ ( c ) khơng khó khăn nhà thổ nhưỡng có kinh nghiệm Vì phương pháp hay dùng kết hợp với phương pháp ( c ) Hiện nay, người ta cố gắng chuyển đổi hệ thống phân loại riêng theo hệ thống phân loại chung FAO-UNESCO viễn thám đáp ứng việc thành lập đồ đất theo hệ thống tiêu e) e) Phân loại tương đối Các ảnh phân tích bốn phương pháp tTrên đưa ranh giới đơn vị khác trình ấn định tên đơn vị liên quan đến trình phân loại đơn vị Sự phân loại ta dùng thuật ngữ tương tự định nghiã đối tượng Ví dụ: Yếu tố phân tích Phân tích sườn Sử dụng đất Cây ăn Phân tích tự nhiên Thuật ngữ tương tự Sườn cong Sườn lõm Đất rừng Đất đồng cỏ Thềm thấp Thềm cao Bãi bồi Như vậy, thông qua pha giải đoán ảnh nêu thu kết thể đơn vị đất đồ hoàn thành quy trình điều tra đất phương pháp viễn thám Để nâng cao độ xác kết giải đốn, cần thực đủ quy trình ghi phần I IV SỬ DỤNG KỸ THUẬT VIỄN THÁM ĐỂ LẬP BẢN ĐỒ CÁC VÙNG ĐẤT BỊ THOÁI HOÁ Đối với loại đất thoái hoá (nhiễm mặn bị xói mịn, ), kỹ thuật viễn thám ứng dụng rộng rãi để nghiên cứu đạt kết 1 Điều tra đất bị nhiễm mặn Để giải đoán vùng đất bị nhiễm nặn, phim ảnh cần thiết phải lựa chọn kỹ Các kiểu phim hồng ngoại Ektachrome tỏ thích hợp để giải đoán (Myers et al, 1963; Manchanda, 1981) Trên phim này, trồng bị ảnh hưởng mặn có bóng đen bị nhiễm mặn nghiêm trọng có màu đen sẫm (Crowm, 1979) Đối với ảnh thơng thường diện tích có màu trắng nơi tích tụ nhiều muối clorua natri nơi khác , nơi tích tụ phèn n Bài 4: Nghiên cứu thuỷ văn I NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP LƯU VỰC SƠNG Lưu vực sơng chia thành lớp khác chế độ thủy văn, phân chia phụ thuộc vào lớp thơng tin mặt điệm như: thực vật thổ nhưỡng, Thơng qua phân tích ảnh từ hệ số dịng chảy cho mổi lớp tương ứng tính tốn Khi liên hệ với số tài liệu thủy văng yếu tố dòng chảy có liên quang đến vùng khác khu vực, tách tư liệu viển thám Tiềm dịng chảy mặt tính liên hệ công thức sau: Q=0,0276 CIA (11,1) Ở đây: Q- cực đại dòng chảy mặt( Lưu lượng) m3/s C- Hệ số dòng chảy( dòng chảy /lượng mưa) thứ nguyên Y- Giá trị lượng mưa trung bình thời giang với thời gian tập trung mưa (cm/h) A- Diện tích lưu vực(ha) Theo tính tốn quan nghiên cứu đất Mỹ, trị số kinh nghiệm đường cong dịng chảy(curve number[CN]) tính sở phân tích tư liệu viễn thám trị số có liên quan đến lượng mưa hệ số lưu vực Hệ số lưu vực coi hệ số dịng chảy, thể tiềm dịng chảy tập hợp lớp phủ đất thực vất Mối liên quan thể theo cơng thức: ( P-0,2 S)2 Q = -P+0,85 ( 11.2) Ở : Riêng Ấn Độ: ( P-0,1 S)2 Q = -P+0,9 25.400 CN = 254+S ( 11.3) Ở đây: Q- Tổng lượng dòng chảy theo mùa( cm) P- Tổng lượng mưa ( cm) S-Lượng nước mưa giữ lại bề mặt lưu vực(cm) CN- Hệ số (Có lên quan đến thổ nhưỡng đất, lớp phủ thực vật, lượng độ ẩm thực nghiệm) Nhiều nhà nghiên cứu xác định hệ số CN việc sử dụng tư liệu viễn thám hệ số hý hiệu la ìCNs Ragan Jacson 1980 phân tích tư liệu thổ nhưỡng so sánh với hệ lớp phủ thực vật lưu vực Blanchard 1974 so sánh độ phản xạ trung bìng lưu vực tỉ số band 5/band để tính giá trị CNs Khi so sánh thay đổi độ che phủ thực vật tính dự báo tổng lượng nước chảy khu vực II NGHIÊN CỨU DÒNG CHẢY SƠNG Những đặc trưng sơng đo tư liệu viễn thám (thông thường ảnh máy bay có độ xác phù hợp với tỉ lệ lớn) Các thơng số trắc lượng hình thái đo và tính là: độ đài sơng suối, độ rộng lịng sông,độ dốc lưu vực,hệ số phân nhánh, hệ số uốn khúc, độ nhám mặt đệm, tốc độ dịng chảy tính theo cơng thức: R2/3S1/2 V = ( 11.4) n A R = ( 11.5) P Ở đây: A- diện tích mặt cắt sơng, suối( m2) P- Chu vi bị ẩm ướt V- Tốc độ dòng chảy trung bình ( m/s) S- Độ dốc thủy vực ( mm-1) n- Hệ số độ nhám mặt đệm Trường hợp thực nghiệm, tốc độ V tính sở phân tích ảnh mẫu với vật chuyển động có ảnh (Các thuyền- theo Oros,1952) Trong trường hợp có trạm đo sơng, đối chiếu tư liệu thực tế với tư liệu viễn thám, sử dụng đường cong phân phối nước mặt theo mặt cắt để tính tốn, xác định lưu lượng dịng chảy sơng III NGHIÊN CỨU CÂN BẰNG NƯỚC CỦA LƯU VỰC Việc nghiên cứu cân nước lưu vực cho phép xác định trình động lực thuỷ văn diễn phạm vi khu vực Một số nội dung cần nghiên cứu để tính cân nước là: lượng mưa lượng dòng chảy mặt , độ ẩm đất, dòng chảy sông suối, Sơ đồ nghiên cứu tổng quát sau: Mỗi thơng số hương trình cân nước thể tính tốn qua thực nghiệm, thông số tư liệu viễn thám từ liên hệ tính tốn cho tồn khu vực IV TÍNH TỐN LƯỢNG DỊNG CHẢY RẮN Một thí nghiệm áp dụng xử lý số tư liệu ảnh Landsat tính tốn hệ số phổ ( Chromaticity Coeficents ) v-1I ca1c band 4, 5, để từ tính lượng dịng chảy rắn cho lưu vực ( theo Munday nnk,1979 ) X= X= N4 ∑ Ni N5 ∑ Ni & Ơí đây: Ni - hệ số xạ band thứ i X, Y- gía trị trục sơ đồ màu Và X’ = X +Δ X Y’ = Y + Δ Y Trong Δ X Δ Y hệ số hiệu chỉnh khí vùng sơ đồ màu Lượng phù sa cho lưu vực tính theo cơng thức: SYI = EA x V x D x 100/WA Ơí đây: EA - hệ số xâm thực lưu vực phụ WA - diện tích lưu vực V - giá trị trọng số D - tỷ số phân phối dòng sơng Và áp dụng viễn thám áp dụng công thức: Y ss = a+b ( Z6)1/2 + d ( X5)1/3 ( 11.7 ) Ơí đây: Z5 = X5/2.8132 Z6 = X6/2.7002 Z7 = ( X7 - 0,5524 )/0.4265 Y ss - tổng lượng độ đục ( mg/lít ) X5 - giá trị trung bình band X6 - giá trị trung bình band X7 - giá trị trung bình band a = 399.850; b = 135.787; c = -0,0115 d = 321.630 ( Các hệ số tính cho vùng Belgal Ấn độ ) V NHỮNG ỨNG DỤNG KHÁ TRONG NGHIÊN CỨU THUỶ VĂN Xây dựng kế hoạch tưới: nghiên cứu xác định hệ số yêu cầu nước cho kiểu tán nhiệt độ khác thời vụ khác = CWSI = - E/EP Y ( + rc/ra ) - Y* ( 11.8 ) Δ + Y ( + rc/ ) Ở đây: E/EP - tỷ số bốc thực/bốc tiềm Y - số ẩm Pa 0C-1 rc - sức chịu đựng tán ( giây/m ) - sức chịu động lực học ( giây/m) Δ - độ dốc đường áp suất nước Pa 0C-1 Y* = Y ( + rcp/ra ) Trong rcp - hệ số chịu đựng với bốc tiềm Ep.rc/ra, tính dùng máy đo nhiệt độ khơng khí vùng tán Việc nghiên cứu hệ số yêu cầu nước tán cho phép xáx định nhu cầu tưới theo mùa vị Ngồi có ứng dụng khác như: - Nghiên cứu trạng dự báo ngập lụt - Nghiên cứu thất thoát nước qua kinh dẫn - Nghiên cứu dòng cháy trở lại tưới.gpq - Nghiên cứu nước qua đập - Nghiên cứu độ sâu mực nước ngầm tầng nông - Nghiên cứu mở rộng bồn thu nước nhân tạo Phân hạng mực độ tưới đất, xác định sản phẩm mùa màng theo quan hệ ( theo Riquier nnk, 1970; RAO, 1982 ) P=WxDxHxTxOxNxSxCxM Ơí đây: D - mạng lưới thuỷ văn W - độ ẩm đất H - độ dầy đất T - cấu trúc đất O - hàm lượng chất hữu N - mức độ muối tan đất S - tổng độ muối C - khả biến đổi tầng dầy đất M - nguồn chất khoáng - Xây dựng đề án tưới tiêu Xác định vùng nước đất liền biển đơng Xác định vị trí xây dựng đập nước Khai thác tổng hợp lưu vực Thiết kế vị trí xây dựng cầu cống ống dẫn Quan trắc ảnh hưởng việc xây dựng đập Nghiên cứu trình diển biến ngập lụt ( hình 11.1) Nghiên cứu chất lượng nước, xác định nguồn gây ô nhiễm nước Theo dõi diển biến trình trầm tích Nghiên cứu ảnh hưởng thị hố cơng nghiệp hố tới nguồn nước Nghiên cứu ô nhiễm nước dầu Nghiên cứu ô nhiễm nguyên nhân khác Nghiên cứu trình sa mạc hố Nghiên cứu biến động đường bờ sơng, biển Nghiên cứu động lực học vùng cửa sông quản lý đới ven biển Nghiên cứu thuỷ văn đô thị Nghiên cứu môi trường nước: nhiệt độ, độ muối, độ đục, Hình 11.1 Quá trình diễn biến ngập lụt phân tích từ ảnh vệ tinh Tuy nhiên, để thực nội dung nói cần thiếtphải sử dụng nhiều nguồn tư liệu, kết hợp với nhiều nguồn thông tin bổ sung Các tư liệu viễn thám bao gồm dải sóng nhìn thấy, cận hồng ngoại, hồng ngoại sóng rada Tư liệu bao gồm ảnh máy bay ảnh vệ tinh loại với nhiều thời kỳ chụp khác Trong trình phân tích, xử lý tư liệu ảnh viễn thám cần kết hợp nhuần nhuyễn với kiến thức thuỷ văn, kiến thức điạ lý thực nghiệm Có kết đảm bảo mức độ xác, sát với thực tiển, từ định tính tiến tới định lượng hố kết tính tốn Chương XIII : VIỄN THÁM TRONG NGHIÊN CỨU CÁC TAI BIẾN TỰ NHIÊN Động đất, trượt lở, hoạt động núi lửa, trình ngập lụt, cháy rừng tượng tai biến tự nhiên giết hại hàng nghin người làm thiệt hại hàng tỷ dola hàng năm Thiệt hại tương tự hao phí cho tăng dân số hàng năm mối hiểm hoạ cho người dân sống vùng Sử dụng viễn thám cho phép bổ sung phương pháp nghiên cứu hữu hiệu nhằm ngăn ngừa tai biến I NGHIÊN CỨU ĐỘNG ĐẤT Động đất thường phát sinh vùng mà vỏ trái đất yếu có đứt gãy hoạt động Viễn thám góp phần dự đoán động đất việc phát đứt gãy (Active faults), đặc biệt giai đoạn Holosen (từ 1000 năm lại đây) Việc xác định đứt gãy có liên quan đới việc nghiên cứu dấu hiệu gián tiếp địa mạo, địa hình, đồng thời có liên quan đến vài thơng số địa vật lý Những thơng tin phát tư liệu LANDSAT, SPOT, với dải sóng khác Tất nhiên, việc chụp ảnh hồng ngoại, ảnh Rada cung cấp thêm nhiều thông tin xác chuyển động tân kiến tạo dự báo động đất II NGHIÊN CỨU TRƯỢT LỞ ĐẤT Trượt lở đất xuất mặt đất đáy biển vùng có vật chất không ổn định Hiện tượng trượt lở đất thực khó phân biệt ảnh, sóng phân tích kỹ ảnh đa phổ đặc biệt ảnh máy bay dễ dàng phát thay đổi màu sắc, độ cao hình dạng khối trượt Hiện tượng trượt lở đất vùng núi dễ dàng phát ảnh vệ tinh song dễ nhầm lẫn với hoạt động canh tác sườn dốc (shifting cultivation) III NGHIÊN CỨU SỰ LÚN ĐẤT Đây tượng tai biến quan trọng cầc nghiên cứu kỹ gây hậu nghiêm trọng Nguyên nhân lún đất là: - Các đứt gãy địa chất cổ tác động vào thành tạo địa chất trẻ Các đứt gãy đột biến ( fault scarps ) Sự lún hạ đứt gãy vòng Sự khác biệt mạng lưới thuỷ văn phía khác đứt gãy Do tăng độ ẩm phía đứt gãy Các dị thường thực vật Các hoạt động cáctơ ngầm Những thơng tin xác định việc phân tích ảnh máy bay, ảnh vệ tinh loại, ảnh hồng ngoại nhiệt, ảnh Rada Hình 13.1 Mối liên quan đứt gãy ĐệÛ Tứ với động đất miền Nam California ( 1912-1974 ) ( Ailen, 1975 ) Hình 13.2 nh LANDSAT vùng trung tâm Alaska ( band chụp 1972 ) kết phân tích tâm động đất qua đo đạc Hình 13.3 nh LANDSAT đứt gãy Chaman vùng Tây Bắc Pakistan IV NGHIÊN CỨU CÁC TAI BIẾT KHÁC - Q trình sa mạc hố Hoạt động núi lửa Ngập lụt Cháy than mặt đất Những vấn đề tai biến nói phát việc phân tích tư liệu viễn thám loại ( ảnh máy bay đơn phổ, đa phổ, ảnh TM, SPOT, RADA, ) Song phạm vi hạn chế sách xuất phát từ thực tế nguồn tư liệu Việt Nam, tác giả hy vọng đề cập đến quy mơ chun đề cụ thể Hình 13.4 Aính phân loại thành phần sơ đồ sa mạc hoá ... dàng ã Phân tích tín hiệu phổ: thực đợc hai phơng thức: phân tích mắt xử lý số máy tính - Phân tích mắt đợc thực với t liệu dạng hình ảnh Đây công việc đà phổ biến viễn thám, phân tích ảnh mắt... loại hệ thống thu ảnh khác số l ợng pixel ảnh khác nhau, liên quan đến kích th ớc ảnh, số band phổ, kích th ớc pixel ảnh (độ phân giải không gian) tức l liên quan đến số hng, số cột Hình ảnh đối... tin từ liệu ảnh chụp hàng không, việc giải đoán ảnh vệ tinh dạng số Các liệu dới dạng ảnh chụp ảnh số đợc thu nhận dựa việc ghi nhận lợng xạ (không ảnh ảnh vệ tinh) sóng phản hồi (ảnh radar) phát