Đồ án ứng dụng công nghệ viễn thám hồng ngoại nhiệt khảo sát sự phân bố nhiệt độ bề mặt

1  2  3   !"#$%!$&'!()*+ Cng vi s bng n ca cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật, thế gii nói chung và Việt Nam nói riêng đang dần có những thay đi. Trong rất nhiều lĩnh vc, khoa học công nghệ đang dần chiếm ưu thế và có những bưc phát triển vượt bậc, trong đó có kỹ thuật viễn thám. Từ những năm 60 ca thế kỷ 20 vi s xuất hiện ca vệ tinh nhân tạo đầu tiên thì kỹ thuật không gian đã có s phát triển vượt bậc. Vệ tinh là công cụ quan trọng trong nghiên cứu ca khoa học hiện đại. Kỹ thuật thám trắc bằng vệ tinh đã phát triển nhanh chóng hình thành lên hệ thống quan trắc khí tượng vệ tinh toàn cầu. Quan trắc trái đất và quan trắc không gian đã bưc sang một giai đoạn mi, làm phong phú thêm phạm vi, nội dung quan trắc. Từ quan trắc mang tính cục bộ ở tầng thấp ca khí quyển chuyển sang quan trắc cả hệ thống khí quyển. Rất nhiều những yếu tố, những vị trí trong khí quyển và trên trái đất trưc đây rất khó quan trắc thì ngày nay vi vệ tinh khí tượng đều có thể thc hiện được. Công nghệ viễn thám đã cung cấp rất nhiều số liệu cho các lĩnh vc như: thiên văn, khí tượng, địa chất, địa lý, hải dương, nông nghiệp, lâm nghiệp, quân s, thông tin, hàng không, vũ trụ Ngày nay, công nghệ viễn thám đã đạt đến trình độ cao và đã trở thành kỹ thuật ph biến được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vc kinh tế xã hội ở nhiều nưc trên thế gii. Những kết quả thu được từ công nghệ viễn thám giúp các nhà khoa học và các nhà hoạch định chính sách các phương án la chọn có tính chiến lược về sử dụng và quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trường. Vì vậy viễn thám được sử dụng như là một công nghệ đi đầu rất có ưu thế hiện nay. Tại Việt Nam, công nghệ viễn thám được áp dụng từ những năm 80 nhưng trong khoảng gần 20 năm trở lại đây đi cng vi s phát triển ca đất nưc, công nghệ viễn thám mi được ứng dụng rộng rãi hơn trong nhiều lĩnh vc. Nhưng so vi thế gii, s phát triển này vẫn chỉ là bưc khởi đầu cho nền móng công nghệ 4 viễn thám trong nhiều lĩnh vc. Để b lại phần còn thiếu trong cập nhật công nghệ, Chính ph đã có những định hưng cho s phát triển công nghệ vũ trụ. Ngày 14/6/2006, th tưng đã ra quyết định về “chiến lược nghiên cứu và ứng dụng công nghệ vũ trụ đến năm 2020”. Ngày 20/11/2006, viện công nghệ vũ trụ trc thuộc viện khoa học và công nghệ Việt Nam ra đời, vi chức năng nghiên cứu các vấn đề cơ bản, khoa học ca công nghệ vũ trụ, nghiên cứu và phát triển công nghệ vệ tinh nhỏ. Một cột mốc lịch sử đánh dấu s phát triển ca khoa học viễn thám ở Việt Nam là s kiện phóng thành công vệ tinh viễn thám đầu tiên ca nưc ta VNREDSAT lên quỹ đạo đầu năm 2013. Điều này đã chứng tỏ những bưc đi đúng đắn ca chính ph, s đón đầu đi tắt trong việc phát triển công nghệ viễn thám, đẩy mạnh quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nưc. Phần ln ảnh viễn thám hiện nay được xử lý và tích hợp trên một số phần mềm hiện đại như ERDAS, ENVI, MATLAB, MAPINFO…Các sản phẩm được tính toán thông qua các thuật toán đã được ứng dụng ở nhiều nưc trên thế gii như Mỹ, EU, Nhật Bản, Trung Quốc và đã được hiệu chỉnh cho ph hợp vi điều kiện Việt Nam. Các kết quả thu được đã được tích hợp vi hệ thống thông tin địa lý tạo ra các bản đồ chuyên đề. Ngoài ra các giá trị số ca các sản phẩm viễn thám còn được lưu trữ dưi dạng nhị phân rất thuận tiện trong việc khai thác và sử dụng. Khi sử dụng ảnh viễn thám có thể quan trắc trong một khu vc rộng ln và chi tiết. Trong khi đó hệ thống trạm quan trắc mặt đất khá thưa tht, phạm vi quan trắc hẹp và không liên tục theo thời gian. Cng vi s nóng lên ca trái đất, các trạm quan trắc không thể cập nhật các thông tin liên quan đến s thay đi nhiệt độ trong khi dữ liệu viễn thám đáp ứng đầy đ các yêu cầu trên. Bởi vậy, tôi đã la chọn đồ án tốt nghiệp:   !" Trong phạm vi nghiên cứu, bên cạnh việc phân tích cơ sở lý thuyết, cơ sở toán học và mô hình tính toán, nội dung nghiên cứu còn bao gồm việc xây dng chương trình tính nhiệt độ bề mặt. 5 Chương trình là bưc đầu cho việc ứng dụng công nghệ thông tin vào lĩnh vc viễn thám. ,-!$&./0&.!1/!()*+ Đưa ra quy trình phân tích xử lý thông tin nhiệt ca ảnh Landsat và Aster bằng phần mềm Erdas Imagine. Xây dng chương trình LST tính nhiệt độ bề mặt. Xác định mối tương quan giữa nhiệt độ và hiện trạng lp ph bề mặt đồng thời đánh giá s thay đi nhiệt độ bề mặt khu vc nghiên cứu. 23&4/00&.!1/ Nghiên cứu cơ sở vật lý và nguyên lý hoạt động ca công nghệ viễn thám. Nghiên cứu đặc điểm và khả năng ứng dụng ca ảnh vệ tinh đa ph nói chung và ảnh Landsat, Aster nói riêng trong giám sát tài nguyên môi trường. Các thuật toán xác định độ phát xạ bề mặt và quy trình tính giá trị nhiệt độ từ ảnh hồng ngoại nhiệt. 567809+90&.!1/ Phương pháp nghiên cứu sử dụng trong đồ án bao gồm: • Phương pháp chuyên gia (nghiên cứu, ứng dụng các thành tu đã được chứng minh bởi các nhà khoa học trên thế gii); • Phương pháp phân tích, xử lý ảnh (tiền xử lý ảnh, thuật toán xác định nhiệt độ bề mặt, độ phát xạ bề mặt); • Phương pháp phân tích, tng hợp tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu. :;!-!)*+ Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung đề tài được nghiên cứu theo 4 chương: Chương I. Viễn thám hồng ngoại nhiệt và ứng dụng. Chương II. Cơ sở lý thuyết và phương pháp tính nhiệt độ bề mặt từ dữ liệu ảnh hồng ngoại nhiệt Landsat. 6 Chương III. Cơ sở lý thuyết và phương pháp tính nhiệt độ bề mặt từ dữ liệu ảnh hồng ngoại nhiệt Aster. Chương IV. Đánh giá s phân bố nhiệt độ bề mặt Do kiến thức chuyên môn còn nhiều hạn chế, thời gian nghiên cứu không nhiều nên trong đồ án không tránh khỏi những sai sót, kính mong nhận được s đóng góp ca thầy cô và các bạn. Trong quá trình thc hiện đề tài, s giúp đỡ nhiệt tình ca thầy Trịnh Lê Hng và thầy Mai Đình Sinh cng các thầy cô trong bộ môn Trắc Địa – Bản Đồ và các bạn trong lp Địa Tin Học đã giúp tôi hoàn thiện nội dung ca đồ án. Tôi xin chân thành cảm ơn! 7 780<=>?@A<BC D0E/"F!G00H"&'$+I #"#"#$%&'()*'+,( Viễn thám là một ngành khoa học có lịch sử phát triển lâu đời, nghiên cứu về đối tượng mà không có s tiếp xúc trc tiếp vi đối tượng. S phát triển ca khoa học viễn thám bắt đầu từ mục đích quân s nhưng sau đó phục vụ cho rất nhiều lĩnh vc khác nhau trong xã hội. Viễn thám ứng dụng được sử dụng trong nhiều ngành khoa học như: quân s, địa chất, địa lý, môi trường khí tượng thy văn, thy lợi, lâm nghiệp. Lịch sử viễn thám được tính từ thế kỷ thứ 4 trưc công nguyên khi Aristote sáng tạo ra camera – obscura. Mãi sau đó vào năm 1839 Louis Daguerre (1789 - 1881) đã đưa ra báo cáo công trình nghiên cứu về hóa ảnh photo, đặt nền móng đầu tiên cho ngành chụp ảnh. Đến năm 1858, bức ảnh đầu tiên chụp bề mặt trái đất từ khinh khí cầu được thc hiện bởi nhà nhiếp ảnh người Pháp – Gaspard Felix Tournachon. Chiếc khinh khí cầu được đặt ở độ cao 80m chụp toàn bộ vng Bievre ca Pháp. Không dừng lại ở đó, việc ra đời ca ngành hàng không đã thúc đẩy nhanh chóng s phát triển mạnh mẽ ca ngành chụp ảnh. Kéo theo đó là viễn thám vi s phát triển vượt bậc. Công nghệ chụp ảnh từ máy bay tạo điều kiện cho các nhà nghiên cứu quan tâm ti bề mặt trái đất thông qua các bức ảnh chụp kế tiếp nhau, tạo nên ảnh chồng ph, tạo điều kiện cho việc chỉnh lý và đo đạc ảnh, tách lọc thông tin vi hiệu quả cao. Năm 1909, phi công Wilbur Wright đã chụp bức ảnh đầu tiên từ máy bay khi bay qua vng Centocelli ở Ý. Mãi đến chiến tranh thế gii lần thứ nhất, chụp ảnh trên không được sử dụng vi quy mô ln và có hệ thống. Máy ảnh được thiết kế đặc biệt để do thám trên không và xử lý nhanh, phục vụ trc tiếp cho mục đích quân s. Những năm sau đó, các thiết kế khác nhau về các loại máy chụp ảnh được phát triển mạnh mẽ hơn. Cng vi đó, nghệ 8 thuật giải đoán không ảnh và đo đạc từ ảnh đã phát triển lên một tầm cao mi, hình thành nên một ngành khoa học mi vi tên gọi        . Bưc vào thế chiến thứ hai, không ảnh lại tập trung cho mục đích quân s. Cũng trong giai đoạn này, công nghệ radar phát triển cng vi ph hồng ngoại. Các ảnh chụp trên kênh ph hồng ngoại cho ra khả năng triết lọc thông tin nhiều hơn và đã được sử dụng rất nhiều trong thế chiến thứ 2. Năm 1957, Liên Xô đã phóng vệ tinh SPUTNIK-1 đầu tiên trên thế gii, đánh dấu s bắt đầu ca “”. Năm 1959, vệ tinh EXPLORER- 6 ca Mỹ đã truyền hình ảnh trái đất được chụp từ vệ tinh. Vệ tinh khí tượng đầu tiên ca thế gii được phóng năm 1960, nó là tiền thân ca những vệ tinh thời tiết thời nay và trong thời gian này thuật ngữ “” - remote sensing ra đời bởi Evelyn Pruitt thuộc viện Hải quân Hoa Kỳ. Sau đó, Mỹ và Liên Xô đã đưa camera, máy quét đặc biệt để chụp ảnh phục vụ cho đánh giá tài nguyên. Tuy nhiên, s hạn chế ca các bộ cảm biến trên các vệ tinh này cũng như s hạn chế về tính toàn cầu ca các dữ liệu hình ảnh không gian đã được khắc phục bằng việc Mỹ phóng vệ tinh viễn thám toàn cầu Landsat-1 đầu tiên trên thế gii vào năm 1972. Ngoài ra, có thể kể đến các chương trình nghiên cứu trái đất bằng viễn thám tại các nưc Canada, Nhật, Pháp, Ấn Độ, Trung Quốc. S phát triển ca viễn thám đi liền vi s phát triển ca công nghệ nghiên cứu vũ trụ, phục vụ cho nghiên cứu trái đất, các hành tinh và khí quyển. Rất nhiều ảnh chụp ni về Trái Đất đã cho ra các thông tin vô cng hữu ích trong nghiên cứu mặt đất. Ngày nay, viễn thám đã có s đột phá mạnh mẽ trong công nghệ thu thập và xử lý dữ liệu và có rất nhiều vệ tinh viễn thám trên thế gii như : hệ thống vệ tinh Landsat ca Mỹ, hệ thống vệ tinh SPOT, vệ tinh IKONOS, ENVISAT, v.v. Các ứng dụng ca viễn thám ngày càng đa dạng, giữ vị trí quan trọng trong các vấn đề về an ninh quốc phòng, phát triển kinh tế - xã hội, quản lý tài nguyên môi trường,…v.v. Những s kiện chính trong lịch sử ra đời và phát triển ca công nghệ viễn thám được trình bày trong bảng 1.1. 9   J&0&KLIM %&H 1800 Phát hiện ra hồng ngoại 1839 Bắt đầu chụp ảnh 1847 Ph hồng ngoại và ph nhìn thấy 1850 – 1860 Chụp ảnh từ khinh khí cầu 1909 Chụp ảnh từ máy bay 1910 – 1920 Nhận biết ảnh hàng không 1920 – 1930 Phát triển ngành chụp và đo ảnh 1930 – 1940 Phát triển Radar (Đức, Anh, Mỹ) 1940 Phân tích và ứng dụng ảnh chụp 1950 Từ ph nhìn thấy đến không nhìn thấy 1950 – 1960 Nghiên cứu sâu về ảnh cho mục đích quân s 1873 Học thuyết về ph điện từ 1960 – 1970 Lần đầu tiên sử dụng thuật ngữ viễn thám 1972 Phóng vệ tinh Landsat – 1 1970 – 1980 Phát triển mạnh mẽ phương pháp xử lý ảnh số 1980 – 1990 Phát triển thế hệ mi ca Landsat 1986 Vệ tinh SPOT vào quỹ đạo 1990 – nay Phát triển bộ cảm thu ph đo tăng dải ph và số lượng kênh ph, tăng độ phân giải ca bộ cảm Công nghệ viễn thám đã được ứng dụng ở Việt Nam từ những năm 1976. Thời gian đầu là một vài cơ quan ở trong nưc đã thu nhận ảnh vệ tinh phụ vụ cho các lĩnh vc thuộc địa chất và lâm nghiệp. Trong khoảng từ 1979-1980, một vài t chức ở Việt Nam đã bắt đầu nắm bắt công nghệ viễn thám. Mốc quan trọng để đánh dấu s phát triển ca kỹ thuật viễn thám ở Việt Nam là s hợp tác nhiều bên trong khuôn kh ca chương trình vũ trụ quốc tế nhân chuyến bay vũ trụ kết hợp Liên Xô – Việt Nam vào tháng 7 năm 1990. Kết quả nghiên cứu các 10 công trình khoa học này là s ứng dụng ảnh đa ph MKF-6M vào mục đích thành lập một loạt bản đồ chuyên đề. Mười năm tiếp theo, viễn thám đã được mở rộng cho những nghiên cứu và thí nghiệm để xác định phương pháp và khả năng sử dụng dữ liệu viễn thám cho việc giải quyết nhiệm vụ an sinh xã hội. Từ năm 1990-1995, nhiều lĩnh vc đã sử dụng công nghệ viễn thám vào trong những ứng dụng ca cuộc sống và đã gặt hái được những kết quả có ý nghĩa về công nghệ, khoa học và kinh tế. Hiện nay, một số t chức đã hoạt động một cách chuyên nghiệp trong lĩnh vc viễn thám. Công nghệ viễn thám đã trở thành một trong những công cụ ph biến cho nghiên cứu khoa học, quản lý tài nguyên thiên nhiên, nghiên cứu địa chất-khoáng sản, nghiên cứu môi trường và quy hoạch, v.v. Nhận thấy s phát triển nhanh và cấp thiết về ứng dụng công nghệ viễn thám trong cuộc sống, s phát triển kinh tế xã hội trên thế gii. Chính ph nưc ta đã có những định hưng cho s phát triển công nghệ vũ trụ. Ngày 14/6/2006, th tưng chính ph đã ra quyết định về “chiến lược nghiên cứu và ứng dụng công nghệ vũ trụ đến năm 2020”. Từ năm 2011 đến 2020 đưa vào ứng dụng tại Việt Nam các thành tu mi ca vệ tinh quan sát trái đất độ phân giải rất cao, vệ tinh định vị có độ chính xác rất cao. Theo d kiến, năm 2014 Việt Nam sẽ có vệ tinh viễn thám đa ph VNREDSat-1 đầu tiên do Pháp nghiên cứu và chế tạo. Tiếp theo đó, năm 2016 nưc ta sẽ có vệ tinh viễn thám siêu ph VNREDSat-1B do vương quốc Bỉ nghiên cứu và chế tạo. [...]... và phân tích ảnh (F): ảnh thô sẽ được xử lý để có thể sử dụng trong các mục đích khác nhau Ảnh được giải đoán bằng việc kết hợp các phương pháp khác nhau  Ứng dụng (G): đây là thành phần cuối cùng của hệ thống viễn thám, được thực hiện khi ứng dụng thông tin thu nhận được trong qúa trình xử lý ảnh vào các lĩnh vực, bài toán cụ thể 1.1.4 Ưu nhược điểm và ứng dụng của công nghệ viễn thám. .. Nếu kết quả giải đoán ảnh viễn thám chưa được kiểm tra bằng công tác ngoại nghiệp, việc sử dụng sẽ có nhiều hạn chế Với những ưu điểm vượt trội, hiện nay công nghệ viễn thám đã được ứng dựng trong hầu hết các lĩnh vực kinh tế và môi trường và mang lại hiệu quả lớn Một số ứng dụng chính của công nghệ viễn thám: 16  Nghiên cứu địa chất: Viễn thám từ lâu đã được ứng dụng để giải đoán các thông tin... trong mùa lũ, là dữ liệu được sử dụng để tính toán diện tích thiên tai và khả năng dự báo lũ lụt  Nghiên cứu các hành tinh khác: Dữ liệu viễn thám thu từ vệ tinh cho phép nghiên cứu các vì sao và mặt trăng Điều này khẳng định rằng viễn thám là một công nghệ có ứng dụng rộng lớn 1.2 Viễn thám hồng ngoại nhiệt 1.2.1 Tổng quan về viễn thám hồng ngoại nhiệt Viễn thám hồng ngoại nhiệt là một trong... hiện ánh sáng phản xạ từ nước rất yếu Kênh 5 – Hồng ngoại trung Kênh 5 rất nhạy cảm với độ ẩm Kênh 6 – Hồng ngoại nhiệt Kênh 7 – Hồng ngoại xa Kênh 7 nhạy cảm với độ ẩm Bảng 1.6 Ứng dụng từng kênh ảnh Landsat – bộ cảm ETM+ Kênh ảnh Kênh 1 Kênh 2 Kênh 3 Kênh 4 Ứng dụng Lập bản đồ nước gần bờ biển, phân biệt sự khác nhau giữa đất và thực vật, xác định các đối tượng nhân tạo như đường, nhà cửa, phân. .. đồ nhiệt độ mặt đất 1.3.1 Thành lập bản đồ nhiệt độ mặt đất Đây là một trong những ứng dụng quan trọng của ảnh hồng ngoại nhiệt, có ý nghĩa thiết thực trong thực tế Việc thành lập bản đồ nhiệt độ mặt đất sẽ giúp con người có cái nhìn khái quát, tổng quan hơn về sự thay đổi của khí hậu trái đất, từ đó ước tính giá trị nhiệt độ cho từng khu vực Trong khi các trạm quan trắc chỉ phản ánh... khác Hình 1.10 Ảnh ASTER 1.2.4 Ảnh hồng ngoại nhiệt MODIS Ảnh MODIS được thu nhận từ hai hệ thống vệ tinh chính , bao gồm: MODIS Terra và MODIS Aqua Với tầm quan sát lên đến hơn 2.330 km, vệ tinh này có thể quan trắc gần như toàn bộ Trái Đất Ảnh MODIS có 36 băng phổ, với 3 độ phân giải: 250, 500 và 1000 mét, dữ liệu dạng 12 bit Bảng 1.10 Ứng dụng của ảnh MODIS Ứng dụng Khoanh ranh giới mây, đất... dự báo cháy rừng,… 1.3.4 Nghiên cứu nhiệt độ nước biển Nhiệt độ là một trong những đặc trưng vật lí của nước biển có vai trò rất quan trọng trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu Đặc biệt trong hải dương học, nghiên cứu nhiệt độ, độ muối giúp tính toán mật độ riêng, thể tích riêng, phân chia các khối nước, nghiên cứu sự di chuyển của các khối nước, tính toán dòng chảy mật độ, vận tốc âm v.v… Trong...11 Hình 1.1 Ảnh vệ tinh Landsat 1.1.2 Nguyên lý hoạt động của viễn thám Viễn thám nghiên cứu vật bằng việc giải đoán, tách lọc thông tin từ dữ liệu ảnh chụp hàng không hoặc bằng việc giải đoán ảnh số ảnh vệ tinh và ảnh Radar Các dữ liệu dưới dạng ảnh chụp và ảnh số được thu nhận dựa trên việc ghi nhận năng lượng bức... phân loại rừng v.v Phân biệt giữa các loại thảm thực vật, xác định sức khỏe của thảm thực vật và các đối tượng nhân tạo v.v Phân biệt giữa thực vật và đất, theo dõi tình trạng sức khỏe của thảm thực vật, phân biệt giữa các loại thực vật khác nhau, lập bản đồ ranh giới giữa các loại đất và ranh giới hình thành địa chất v.v Xác định bề mặt đất và nước, xác định cây trồng, phân biệt giữa cây... ngoại – SWIR TM6 10.4 – 12.5 Hồng ngoại nhiệt TM7 2.08 – 2.35 Giữa hồng ngoại – SWIR Ứng dụng chính Dùng để nghiên cứu thềm lục địa nông, đánh giá hàm lượng clorophyl và karotin trong thực vật, phân biệt rừng kín thường xanh và rừng rụng lá Đánh giá trạng thái của thực vật Xác định vùng hấp thụ chlorophyll giúp phân loại thực vật Xác định các kiểu thực vật, trạng thái và sinh khối, độ ẩm của