Kết hợp thông tin từ ảnh vệ tinh đa phổ, đa thời gian bằng phương pháp thống kê đa biến để nâng cao độ chính xác trong phân loại lớp phủ thực vật Tổng quan 1 1 Khái niệm và vai trò của lớp phủ thực vậ.
Kết hợp thông tin từ ảnh vệ tinh đa phổ, đa thời gian phương pháp thống kê đa biến để nâng cao độ xác phân loại lớp phủ thực vật Tổng quan 1.1. Khái niệm vai trò lớp phủ thực vật 1.1.1 Khái niệm Lớp phủ thực vật toàn thảm thực vật xuất mặt đất bao gồm thực vật mọc tự nhiên thực vật trồng người 1.1.2 Vai trò lớp phủ thực vật Lớp phủ thực vật che phủ bề mặt phản ánh trạng tài nguyên thực vật nguồn tài nguyên sinh vật khác tồn Đặc điểm tự nhiên vùng thể qua lớp thảm thực vật lớp thảm thực vật phản ánh trở lại phần tính chất, đặc điểm tự nhiên vùng mối quan hệ tương tác yếu tố tự nhiên với lớp thảm thực vật Thảm thực vật rừng tảng môi trường và tài nguyên rừng Thảm thực vật rừng coi lớp thơng tin phản ánh tính đa dạng sinh học cho vùng, địa phương Lớp phủ rừng giữ vai trò bảo vệ đất (chống sạc lở), bảo vệ nguồn nước Hiện nay, nạn chặt phá khai thác rừng cách bừa bãi, diện tích rừng giảm cách nghiêm trọng Kéo theo lũ lụt, hạn hán tượng thời tiết cực đoan Trong giai đoạn nay, việc phát triển bền vững phải gắn liền với quản lý, khai thác, bảo vệ rừng cách hợp lý Vì việc quản lý lớp phủ rừng yêu cầu cấp thiết quan trọng Yêu cầu phải có biện pháp sách quản lý, sử dụng cách hợp lý Thảm thực vật trồng nơng nghiệp có vai trò cung cấp lương thực cho người bảo vệ mơi trường, giảm thiểu sạc lở, xói mịn rửa trôi đất 1.2 Những khái niệm cở viễn thám 1.2.1 Khái niệm viễn thám Viễn thám định nghĩa khoa học công nghệ mà nhờ tính chất vật thể quan sát xác định, đo đạc phân tích mà khơng cần tiếp xúc trực tiếp với chúng (Hà Quang Hải, 2006) [3] Theo Nguyễn Ngọc Thạnh định nghĩa Viễn thám (Remote Sensing - RS) là thu thập phân tích thơng tin đối tượng mà khơng cần có tiếp xúc trực tiếp đến đối tượng Viễn thám phương pháp sử dụng xạ điện từ phương tiện để điều tra đo đạc đặc tính đối tượng (Nguyễn Ngọc Thạch, 2009) [9] Có hai loại viễn thám chính: Cảm biến thụ động cảm biến hoạt động Cảm biến thụ động phát lượng tự nhiên (bức xạ) phát hay phản xạ đối tượng khu vực xung quanh quan sát (tức ánh sáng mặt trời) Cảm biến hoạt động phát lượng để qt đối tượng khu vực dị cảm biến thụ động đo xạ phản xạ tán xạ trở lại từ vật quan sát (Lương Chi Lan, 2009) [5] Thiết bị dùng để cảm nhận sóng điện từ phản xạ hay xạ từ vật thể gọi cảm Phương tiện dùng để mang cảm gọi vật mang, gồm khí cầu, máy bay, vệ tinh nhân tạo, tàu vũ trụ Viễn thám chia làm loại theo bước sóng sử dụng: - Viễn thám dải sóng nhìn thấy hồng ngoại - Viễn thám hồng ngoại nhiệt - Viễn thám siêu cao tần Hình 1.1: Các kênh sử dụng viễn thám 1.2.2 Các loại ảnh viễn thám - Ảnh hàng không: Từ năm 1858 bắt đầu sử dụng khinh khí cầu để chụp ảnh nhằm mục đích thành lập đồ địa hình Những ảnh hàng khơng chụp từ máy bay Wilbur Wright thực năm 1909 vùng Centocalli, Italia Từ đến nay, phương pháp sử dụng ảnh hàng không phương pháp sử dụng rộng rãi - Ảnh vệ tinh Landsat: LANDSAT vệ tinh tài nguyên Mỹ quan hàng không vũ trụ NASA (National Aeronautics and Space Administration) quản lý Cho đến có nhiều hệ vệ tinh LANDSAT nghiên cứu phát triển Bảng 1.1 Các thông số kỹ thuật cảm TM Kênh phổ Bước sóng Phổ điện từ Độ phân giải Kênh 0.45 - 0.52 micromet Chàm 30m Kênh 0.52- 0.60 micromet Lục 30m Kênh3 0.63 - 0.69 micromet Đỏ 30m Kênh 0.76 - 0.90 micromet Cận hồng ngoại 30m Kênh 1.55 - 1.75 micromet Hồng ngoại 30m Kênh 10.4 - 12.5 micromet Hồng ngoại nhiệt 120m Kênh 2.08 - 2.35 micromet Hồng ngoại trung 30m Vệ tinh LANDSAT phóng năm 1972, lúc cảm cung cấp tư liệu chủ yếu MSS (Multispectral scanner) thuộc loại máy quét quang (Optical-Mechanical Scanner) Vệ tinh LandSat có độ cao bay 705km, góc nghiêng mặt phẳng quĩ đạo 980 Quĩ đạo đồng mặt trời bán lặp Thời điểm bay qua xích đạo 9h39' sáng chu kỳ lặp 17 ngày Bề rộng tuyến chụp 185km Hệ thống Landsat MSS hoạt động dải phổ nhìn thấy gần hồng ngoại Từ năm 1985 vệ tinh LANDAT phóng mang cảm TM (Thematic Mapper) Vệ tinh LANDSAT phóng vào quỹ đạo tháng 4/1999 với cảm TM cải tiến gọi ETM (Enhaced Thematic Mapper) Trên vệ tinh LANDSAT cảm có ý nghĩa quan trọng sử dụng nhiều TM Bộ cảm TM có thơng số nêu bảng sau: Vệ tinh LANDSAT bay độ cao 705km, cảnh TM có độ bao phủ mặt đất 185km x 170km với chu kỳ chụp lặp 16 ngày Có thể nói TM cảm quan trọng việc nghiên cứu tài nguyên môi trường Tư liệu TM cung cấp dạng CCT, CD ROM băng từ 8mm - Ảnh vệ tinh SPOT: Vào đầu năm 1978 phủ Pháp định phát triển chương trình SPOT (Système Pour l'Observation de la Terre) với tham gia Bỉ Thụy Điển Hệ thống vệ tinh viễn thám SPOT Trung tâm Nghiên cứu Không gian Pháp chế tạo phát triển Vệ tinh SPOT-1 phóng lên quỹ đạo năm 1986, SPOT-2, SPOT-3, SPOT- SPOT-5 vào năm 1990, 1993, 1998 2002 mang hệ thống quét CCD (Centre National d'Etudes Spatiales - CNES) [16] Vệ tinh SPOT bay độ cao 832 km, góc nghiêng mặt phẳng quỹ đạo 98.70, thời điểm bay qua xích đạo 10h30' sáng chu kỳ lặp 26 ngày Các hệ vệ tinh SPOT 1, 2, có cảm HRV (High Resolution Visible) với kênh toàn sắc (0,51 - 0,73mm) độ phân giải 10m; ba kênh đa phổ có độ phân giải 20m, phân bố vùng sóng nhìn thấy gồm lục (0,50 - 0,59mm), đỏ (0,61 - 0,68mm), cận hồng ngoại (0,79 - 0,89mm) Mỗi cảnh có độ bao phủ mặt đất 60km x 60km Vệ tinh SPOT với kênh toàn sắc (0,49 - 0,73mm); ba kênh đa phổ HRV tương đương với kênh phổ truyền thống HRV; thêm kênh hồng ngoại (1,58 - 1,75mm) có độ phân giải 20m Khả chụp nghiêng SPOT cho phép tạo cặp ảnh lập thể từ hai ảnh chụp vào hai thời điểm với góc chụp nghiêng khác Hình 1.2.Vệ tinh SPOT Vệ tinh SPOT - phóng lên quỹ đạo ngày 03 tháng năm 2002, trang bị cặp Sensors HRG (High Resolution Geometric) loại Sensor ưu việt loại trước Mỗi Sensor HRG thu ảnh với độ phân giải 5m đen - trắng 10m với ảnh mầu Với kỹ thuật xử lý ảnh đặc biệt, đạt ảnh độ phân giải 2,5m, dải chụp phủ mặt đất ảnh đạt 60km đến 80km Đây ưu điểm ảnh SPOT, điều mà loại ảnh vệ tinh thời khác độ phân giải không đạt Kỹ thuật thu ảnh HRG cho phép định vị ảnh với độ xác nhỏ 50m nhờ hệ thống định vị vệ tinh DOGIS Star Tracker lắp đặt vệ tinh Trên vệ tinh SPOT-5 lắp thêm hai máy chụp ảnh Máy thứ HSR (High Resolution Stereoscopic) - Máy chụp ảnh lập thể lực phân giải cao Máy chụp ảnh lập thể dọc theo đường bay với độ phủ 120 x 600km Nhờ ảnh lập thể độ phủ rộng tạo lập mơ hình số độ cao (DEM) với độ xác 10m mà khơng cần tới điểm khống chế mặt đất Máy chụp ảnh thứ hai mang tên VEGETATION, giống VEGETATION lắp vệ tinh SPOT- hàng ngày chụp ảnh mặt đất dải rộng 22.5km với kích thước pixel x 1km kênh phổ Ảnh VEGETATION sử dụng hữu hiệu cho mục đích theo dõi biến động địa cầu đo vẽ đồ trạng sử dụng đất Hai vệ tinh SPOT-4 SPOT-5 có thêm kênh phổ chụp SWIR nằm phía ba kênh phổ vệ tinh SPOT trước đó, nhờ thuận lợi cho nghiên cứu độ ẩm lớp phủ thực vật Sự cải tiến tạo nhiều ứng dụng nông nghiệp, nghiên cứu trạng đất quản lý tài nguyên thiên nhiên Bảng 2.2 Bảng 2.3 giới thiệu tổng hợp thông số hệ ảnh Spot Bảng 1.2 Các đặc trưng ảnh vệ tinh SPOT Loại Vệ tinh Độ phân Tên cảm Số kênh SPOT giải (m) Các kênh đa phổ HRV (High XS SPOT 1, Resolution (Multispectral) 2, Visible) 20 x 20 Lục, đỏ, cận hồng ngoại HRV (High P PAN SPOT 1, Resolution (Panchromatic) 2, Visible) 10 x 10 Toàn sắc P + XS (Panchromatic HRV (High SPOT 1, and Resolution 2, Multispectral Visible) merging) 10 x 10 Lục, đỏ, cận hồng ngoại 20 x 20 Lục, đỏ, cận hồng ngoại, Hồng ngoại trung bình 10 x 10 Đỏ HRVIR XI (High SPOT (Multispectral) Resolution Visible) M SPOT HRVIR (Monospectral) (High Resolution Visible) M + XI P + XI (Panchromatic SPOT and Multispectral merging) HRVIR (High Resolution Visible and InfraRed) 10 x 10* Lục, đỏ, cận hồng ngoại, Hồng ngoại trung bình HI HRG (High (Multispectral SPOT Resolution InfraRed High Geometric) Resolution) 10 x 10 Lục, đỏ, cận hồng ngoại, Hồng ngoại trung bình HX (Multispectral High Resolution) 10 x 10 Lục, đỏ, cận hồng ngoại HMA HMB HRG (High (Panchromatic SPOT Resolution High Geometric) Resolution) 5x5 Toàn sắc HRG (High HMX (HM and SPOT Resolution HX merging) Geometric) 5x5 Lục, đỏ, cận hồng ngoại THR (Very High Resolution) HRG (High SPOT Resolution Geometric) 2,5 x 2,5** Toàn sắc THX (Very High Resolution Multispectral, THR and HX merging, HRG (High SPOT Resolution Geometric) 2,5 x 2,5** HRG (High SPOT Resolution Geometric) THN (Very SPOT HRG (High High Resolution Resolution Geometric) Multispectral, THR and HX merging, in pseudo - natural Lục, đỏ, cận hồng ngoại 2,5 x 2,5** Chàm, lục, đỏ colors) HRS (High Resolution Stereoscopic) HRG (High SPOT Resolution (FW/BW x 10 Stereoscopic) ) Toàn sắc * Chỉ riêng kênh B2 (=M) có độ phân giải 10m Các kênh lại lấy mẫu lại từ 20 đến 10m * Điểm mặt đất - kích thước THR lấy mẫu lại Độ phân giải nhỏ 3m Ảnh SPOT sử dụng chủ yếu lĩnh vực đo vẽ chỉnh đồ địa hình; thành lập đồ trạng sử dụng đất; theo dõi biến động môi trường rừng, xói mịn, phát triển thị Ảnh SPOT - có độ phân giải cao, đặc biệt ảnh độ phân giải 2,5m mở triển vọng nhiều ứng dụng mà trước thực với ảnh hàng không thành lập đồ tỷ lệ lớn, quy hoạch đô thị, quản lý hiểm hoạ thiên tai… Bảng 1.3: Độ phân giải phổ ảnh nguồn vệ tinh SPOT từ đến Vệ tinh SPOT Kênh phổ Bước sóng Phổ điện từ Độ phân giải SPOT 1, 2, Kênh 0,50 - 0,59mm Lục 20m SPOT 1, 2, Kênh 0,61 - 0,68mm Đỏ 20m SPOT 1, 2, Kênh 0,79-0,89mm Cận hồng ngoại 20m SPOT 4, Kênh 1,58 - 1,75mm Toàn sắc 10m SPOT Kênh 0,50 - 0,59mm Lục 10m SPOT Kênh 0,61 - 0,68mm Đỏ 10m SPOT Kênh 0,79-0,89mm Cận hồng ngoại 10m SPOT 1, 2, Kênh toàn sắc 0,51 - 0,73mm Toàn sắc 10m SPOT Kênh toàn sắc 0,49 -0,73mm Toàn sắc 10m SPOT Kênh toàn sắc 0,49 -0,73mm Toàn sắc 5m SPOT Kênh toàn sắc 0,49 -0,73mm Toàn sắc 2,5m SPOT Kênh toàn sắc 0,49 -0,73mm Toàn sắc x 10m - Ảnh vệ tinh COMSMOS RESURS-01: Tư liệu ảnh viễn thám COSMOS gồm có loại Ảnh độ phân giải cao có độ bay chụp 270km, máy ảnh tiêu cự 1.000mm, kích thước ảnh 30 x 30cm, độ phủ dọc 60%, độ phân giải mặt đất - 7m Ảnh độ phân giải trung bình có độ cao bay chụp 250km, máy ảnh tiêu cự 200mm, kích thước ảnh 18 x 18cm, độ phủ dọc 60%, độ phân giải mặt đất 30cm, chụp phổ lục (0,51 - 0,60mm), đỏ (0,60 - 0,70mm), cận hồng ngoại (0,70 - 0,85mm) Vào năm 1985, 1988 1994 CHLB Nga đưa lên quỹ đạo vệ tinh viễn thám RESURS - 01 Vệ tinh RESURS - 01 bay độ cao 678km, trang bị cảm đa phổ MSU-SK, có độ phân giải khơng gian 170m kênh gồm kênh lục (0,5 - 0,6mm), đỏ (0,6 - 0,7mm), cận hồng ngoại (0,7 - 0,8mm 0,8 - 1,1mm) Kênh hồng ngoại nhiệt (10,4 - 12,6mm) có độ phân giải 600m Một cảnh có độ bao phủ 600 x 600km2 2.1.3 Xử lý ảnh viễn thám 2.1.3.1 Đăng ký ảnh nắn ảnh Biến dạng hình học sai lệch vị trí tọa độ ảnh thực tế tọa độ ảnh lý tưởng tạo cảm có thiết kế hình học xác điều kiện thu nhận lý tưởng Nhằm loại trừ sai số tọa độ ảnh thực tế tọa độ ảnh lý tưởng cẩn phải tiến hành đăng ký ảnh nắn chỉnh hình học (Lê Văn Trung, 2006) [10] Có hai phương pháp đăng ký ảnh nắn chỉnh hình học: - Nắn chỉnh ảnh theo ảnh: Đã có ảnh có đầy đủ thông tin tọa độ cho vùng nghiên cứu, ảnh ảnh sở để nắn chỉnh Ảnh cần nắn chỉnh chưa có hệ tọa độ đúng, chọn điểm khống chế đồng thời chọn ảnh có hệ tọa độ ảnh chưa có hệ tọa độ - Nắn chỉnh ảnh theo đồ: Bản đồ sử dụng thường đồ địa hình có đầy đủ chi tiết địa hình hệ tọa độ vùng nghiên cứu 2.1.3.2 Tăng cường ảnh - Tăng cường ảnh làm bật hình ảnh cho người giải đốn ảnh dễ đọc, dễ nhận biết nội dung ảnh so với ảnh gốc Tùy trường hợp cụ thể vầ tùy vào ảnh vệ tinh với đặc điểm kênh ảnh bao gồm: Tăng cường độ tương phản ảnh: Các kênh ảnh vệ tinh thu thơng thường có giá trị phẩn tử ảnh phân bố phạm vi hẹp so với khả hiển thị ảnh Từng kênh ảnh hiển thị có xu hướng tương đối tối tương đối sáng Do để tăng cường độ tương phản ảnh ta phải thực phép kéo dãn giá trị ảnh Nhằm biến đổi khoảng giá trị cấp độ xám thực tế ảnh gốc khoảng cấp độ xám mà thiết bị hiển thị có khả thể Trong phần mềm ENVI chức tăng cường ảnh nằm công cụ Enhance Hình 1.3: Tăng cường chất lượng ảnh (Sử dụng ENVI 4.5) Sau chọn Interactive Stretching, xuất cửa sổ tương tác cho phép điều chỉnh Histogram cho kênh ảnh hiển thị Trên cửa sổ cho phép ta chọn kênh (R/G/B) để tăng cường, kiểu kéo giãn, nhập khoảng giá trị cần kéo dãn Hình 1.4: Hiệu chỉnh tương phản Histogram (Sử dụng ENVI 4.5) - Lọc ảnh: Do sai số phát sinh trình truyền liệu bị gián đoạn tạm thời Một số phần tử ảnh ảnh có giá trị độ sáng lớn hay nhỏ nhiều so với phần tử ảnh chung quanh Kết tạo điểm sáng trắng hay sậm đen ảnh mà làm ảnh hưởng đến việc tách thông tin từ ảnh viễn thám Lọc ảnh nhằm loại nhiễu ngẫu nhiên giá trị đột biến phần từ ảnh ảnh, tạo ảnh mịn so với ảnh gốc Trong ENVI cung cấp nhiều phép lọc cho phép thay đổi tham số kernel tùy theo ứng dụng ví dụ: Lọc Convolution, lọc Morphology 1.1.3.3 Giải đoán ảnh Giải đoán ảnh viễn thám q trình tách thơng tin định tính định lượng hình ảnh dựa tri thức chuyên ngành kinh nghiệm người giải đoán Có hai phương pháp giải đốn chủ yếu là: Phương pháp giải đoán mắt phương pháp giải đoán xử lý số v Phương pháp giải đoán ảnh mắt Phương pháp giải đoán ảnh mắt với tham gia tri thức người mức độ đầy đủ, độ xác kết phụ thuộc nhiều vào khả người giải đoán, hiệu kinh tế thấp tốn nhiều chi phí điều tra ngoại nghiệp Giải đốn mắt áp dụng điều kiện trang thiết bị Giải đoán mắt việc sử dụng mắt thường với dụng cụ quang học kính lúp, kính lập thể, máy tổng hợp màu để xác định đối tượng Cơ sở để giải đoán mắt chuẩn đốn đọc khóa đốn đọc - Các chuẩn giải đốn ảnh vệ tinh: Nhìn chung chia chuẩn đốn đọc thành nhóm sau: + Chuẩn kích thước: Cần phải chọn tỷ lệ ảnh phù hợp để giải đốn Kích thước đối tượng xác định lấy kích thước đo ảnh nhân với mẫu số tỷ lệ ảnh + Chuẩn hình dạng: Hình dạng có ý nghĩa quan trọng giải đốn ảnh Hình dạng đặc trưng cho đối tượng nhìn từ cao xuống coi chuẩn giải đoán quan trọng + Chuẩn bóng: Bóng vật thể dễ dàng nhận thấy nguồn sáng khơng nằm xác đỉnh đầu trường hợp chụp ảnh xiên Dựa vào bóng vật thể xác định chiều cao + Chuẩn độ đen: Độ đen ảnh đen trắng biến thiên từ trắng đến đen Mỗi vật thể thể cấp độ sáng định tỷ lệ với cường độ phản xạ ánh sáng Ví dụ: cát khơ phản xạ mạnh ánh sáng nên có màu trắng, cát ướt độ phản xạ nên có màu tối ảnh đen trắng Trên ảnh hồng ngoại đen trắng nhọn phản xạ mạnh tia hồng ngoại nên chúng có màu trắng nước lại hấp thụ hết xạ dải sóng nên có màu đen + Chuẩn màu sắc: Màu sắc chuẩn tốt việc xác định đối tượng Ví dụ như: kiểu lồi thực vật phát dễ dàng cho người khơng có nhiều kinh nghiệm giải đốn hình ảnh sử dụng ảnh hồng ngoại mầu Các đối tượng khác cho tông màu khác đặc biệt sử dụng ảnh đa phổ tổng hợp màu + Chuẩn cấu trúc: Cấu trúc tập hợp nhiều hình mẫu nhỏ Ví dụ: bãi cỏ khơng bị lẫn lồi khác cho cấu trúc mịn ảnh, ngược lại rừng hỗn giao cho cấu trúc sần sùi Đương nhiên điều phụ thuộc vào tỷ lệ ảnh sử dụng + Chuẩn phân bố: Chuẩn phân bố tập hợp nhiều hình dạng nhỏ phân bố theo quy luật định toàn ảnh mối quan hệ với đối tượng cần nghiên cứu Ví dụ: hình ảnh dãy nhà, hình ảnh ruộng lúa nước, đồi trồng chè tạo hình mẫu đặc trưng riêng cho đối tượng + Chuẩn mối quan hệ tương hỗ: Một tổng thể chuẩn giải đốn mơi trường xung quanh mối liên quan đối tượng nghiên cứu cung cấp thơng tin giải đốn quan trọng Nhằm trợ giúp cho cơng tác giải đốn người ta thành lập khóa giải đốn cho đối tượng khác Khóa giải đốn tập hợp chuẩn dùng để giải đoán đối tượng định Kết giải đốn phụ thuộc vào khóa giải đốn Mục đích việc sử dụng khóa giải đốn làm chuẩn hóa kết giải đốn nhiều người khác Thơng thường khóa giải đốn người có kinh nghiệm hiểu biết thành lập dựa vùng nghiên cứu thử nghiệm điều tra kỹ lưỡng Tất chuẩn giải đoán với thông tin thời gian chụp, tỷ lệ ảnh, mùa chụp phải đưa vào khóa giải đốn Một khóa giải đốn gồm khơng phần ảnh mà cịn mơ tả lời - Ảnh tổng hợp màu: Tư liệu ảnh dùng để giải đoán mắt tốt ảnh tổng hợp màu Đặc điểm ảnh tổng hợp màu mã hóa màu sắc khác biệt phổ đối tượng Ở chuẩn giải đốn tương phản màu nhấn mạnh nhờ lựa chọn cách có ý thức phương án tổng hợp màu Trong trường hợp tư liệu gốc thỏa mãn điều kiện kỹ thuật sử dụng phương án tổng hợp màu chuẩn điều kiện xử lý hóa ảnh chặt chẽ màu chuẩn giải đốn tương đối ổn định Nhờ khả phân biệt cao màu sắc mà truyền đạt khác biệt phổ đối tượng, ảnh tổng hợp màu có tính trực quan sinh động ảnh phổ đen trắng Đối với ảnh phổ chụp vùng hồng ngoại, ảnh tổng hợp màu cho ta tranh màu giả khơng có thực tự nhiên Về màu sắc, ảnh tổng hợp màu so với ảnh màu vệ tinh chụp phim màu lớp có nhiều màu sắc với độ tương phản màu cao So với ảnh đa phổ ảnh tổng hợp màu có nhiều màu sắc độ tương phản cao hơn, lực phân giải lại ảnh phổ màu Khả giải đoán đối tượng ảnh tổng hợp màu phụ thuộc vào nhiệm vụ giải đoán, khả ứng dụng ảnh tổng hợp màu để giải đoán đối tượng cụ thể Lựa chọn kênh phổ để tổng hợp màu công việc quan trọng định chất lượng thông tin kết tổng hợp màu Việc lựa chọn kênh phổ xác định sở sau: + Đặc tính phản xạ phổ đối tượng cần giải đoán + Nhiệm vụ giải đoán + Yêu cầu lực phân giải + Đặc điểm vùng cần tổng hợp màu v Phương pháp giải đoán xử lý số Các thuật toán phân loại sử dụng để quy pixel chưa biết vào loại Việc lựa chọn cách phân loại riêng biệt luật định phụ thuộc vào tính chất tiêu đầu vào yêu cầu liệu đầu Giải đoán ảnh xử lý số viễn thám bao gồm giai đoạn sau: + Nhập số liệu: Có hai nguồn tư liệu ảnh tương tự máy chụp ảnh cung cấp ảnh số máy quét cung cấp Trong trường hợp ảnh số tư liệu ảnh chuyển từ băng từ lưu trữ mật độ cao HDDT vào băng từ CCT, dạng máy tính đọc số liệu Trong trường hợp ảnh tương tự tư liệu ảnh chuyển thành dạng số thông qua máy quét + Khôi phục hiệu chỉnh ảnh: Đây giai đoạn mà tín hiệu số hiệu chỉnh hệ thống nhằm tạo tư liệu ảnh sử dụng Giai đoạn thường thực máy tính lớn Trung tâm thu số liệu vệ tinh + Biến đổi ảnh: Các trình xử lý tăng cường chất lượng, biến đổi tuyến tính giai đoạn Giai đoạn thực máy tính nhỏ máy vi tính khn khổ phịng thí nghiệm + Phân loại: Phân loại đa phổ để tách thông tin cần thiết phục vụ việc theo dõi đối tượng hay lập đồ chuyên đề khâu then chốt việc khai thác tư liệu viễn thám + Xuất kết quả: Kết xuất dạng tương tự, dạng số hay đồ đường nét Các kết dạng số khai thác, sử dụng nhiều đầu vào tốt cho công nghệ sử dụng hệ thông tin địa lý Trên sở ứng dụng hệ thông tin địa lý, nhiều chủng loại thông tin khác đưa vào xử lý tạo kết xác phong phú so với trường hợp sử dụng riêng tư liệu viễn thám 1.1.3.4 Phân loại ảnh a Phương pháp phân loại không giám định Tại khu vực khơng có thơng tin đối tượng cần phân loại, người ta sử dụng kỹ thuật phân loại không giám định Phân loại không giám định sử dụng tuý thông tin ảnh Trình tự thực tóm tắt sau: - Các pixel ảnh gộp thành nhóm có đặc trưng phổ tương đối đồng kỹ thuật ghép lớp - Các nhóm lớp sử dụng để tính tham số thống kê cho trình phân loại Việc xác định tham số thống kê tệp mẫu phụ thuộc cụ thể vào phương pháp phân loại sử dụng Tuy nhiên phần lớn phương pháp phân loại sử dụng tham số giá trị trung bình tệp mẫu, ma trận, phương sai b Phương pháp phân loại có giám định Phân loại có giám định hình thức phân loại mà tiêu phân loại xác lập dựa vùng mẫu Vùng mẫu khu vực mà ảnh người giải đoán biết chắn thuộc vào lớp cần tìm Dựa vào vùng mẫu, tham số thống kê xác định tiêu thống kê sử dụng trình phân loại sau Như phân loại giám định địi hỏi q trình chọn mẫu đặc trưng cho đối tượng ảnh dựa kết khảo sát thực địa từ thông tin liên quan khác khơng khảo sát, có nghĩa phải biết trước đặc điểm số vùng thực tế tương ứng với vùng ảnh loại mà ta cần xác định Quá trình thực gồm bước sau: Bước 1: Xác định vùng mẫu Bước 2: Khoanh vùng mẫu ảnh Trước tiên cần hiển thị ảnh cần phân loại sau vào Tool/region of interest/roi toll cửa sổ ảnh cơng cụ chọn hình mẫu hình Hình 1.5: Cơng cụ chọn mẫu (Sử dụng ENVI 4.5) Bước 3: Phân loại dựa vùng mẫu Trong Menu, chọn Classification/Supervised sau chọn phương pháp phân loại: Maximum Likelihood Minimum Distance hình 1.6 hình 1.7 Hình 1.6: Phân loại theo Minimum Distance (Sử dụng ENVI 4.5) Hình 1.7: Phân loại theo Maximum Likelihood (Sử dụng ENVI 4.5) 1.3 Sử dụng tư liệu ảnh vệ tinh nghiên cứu lớp phủ thực vật giới Việt Nam 2.3.1 Tình hình nghiên cứu giới Biến đổi đất lớp phủ thực vật vấn đề mơi trường mang tính tồn cầu nhiều nhà khoa học giới quan tâm nghiên cứu Từ sau năm 1972, có ảnh vệ tinh Landsat, nhiều quốc gia thử nghiệm sử dụng chúng cho việc lập đồ rừng hoạt động quan trắc Trong Hội nghị quan sát rừng giới (World Forest Watch) Brazil năm 1992, nhà khoa học tập trung đánh giá tiếp cận quan trắc vệ tinh đưa kết luận rằng, viễn thám tiến phương pháp công nghệ có khả đáp ứng hệ thống giám sát phù hợp mặt khoa học yêu cầu công tác quản lý lớp phủ rừng quốc gia Tại Châu Âu, dự án TREES (The Tropical Ecosystem Environment Observations by Satellites) đỡ đầu Uỷ ban Châu Âu Viện ứng dụng không gian thuộc Trung tâm nghiên cứu hội nhập Ý thực năm 1993 xem dẫn chứng cụ thể tính khả thi ứng dụng công nghệ quan sát không gian quan trắc lớp phủ mặt đất đặc điểm sinh khối Dự án sử dụng nhiều sensor khác cho quan trắc lớp phủ rừng Ngồi dự án cịn trọng sử dụng kênh nhiệt phát cháy rừng kết hợp với số tiêu khác để phát việc phá rừng Dự án có quy mô lớn gần phải kể đến dự án biến đổi sử dụng đất lớp phủ LUCC (Land-use and Land-cover Change) triển khai giai đoạn 1993-2005, lấy khu vực nghiên cứu điểm Thái Lan, Malaysia, Indonesia Philippin Mục tiêu dự án nghiên cứu phương thức khác biến đổi sử dụng đất lớp phủ quy mô không gian khác nhau, từ quy mơ tồn cầu đến quy mơ vùng địa phương Nghiên cứu Meyer cho thấy mối quan hệ chặt chẽ sử dụng đất che phủ thực vật Những thay đổi loại hình sử dụng đất hay che phủ thực vật ảnh hưởng trực tiếp đến chất đất ngược lại Những thay đổi lớn thực phủ làm thay đổi đa dạng sinh học, nguồn nước, xạ ảnh hưởng trực tiếp đến trình nóng lên tồn cầu (Meyer,1995)[14] Cơng trình nghiên cứu Sangavongse sử dụng ảnh Landsat TM để nghiên cứu biến thộng thực phủ thành phố Chiang Mai, Thái Lan giai đoạn 1988 - 1991 thấy sử dụng phương pháp phân loại có kiểm định mang lại độ xác cao phương pháp khác điều kiện lấy mẫu thực địa đủ lớn (Sangavongse,1995) [15] Nghiên cứu Alrabah and Alhamad sử dụng ảnh đa phổ đề nghiên cứu thực phủ ven biển địa Trung hải với diện tích 250000 phân tích đa biến sở quan trọng để khử sai số q trình phân tích mẫu lớp ảnh Trong nghiên cứu tác giả giảm 9% sai số so với phương pháp truyền thống khác (Alrabah and Alhamad,2006) [11] Trung Quốc có vài nghiên cứu phân tích đa phổ đa thời gian phân tích ảnh viễn thám Landsat ETM+ tỉnh Quảng Châu Nghiên cứu kết hợp ảnh Landsat TM Landsat ETM+ theo dõi xác biến đổi loại lớp phủ với độ xác 89% hệ số Kappa trung bình 0,79 (Fan ea al, 2007) [13]. Nhiều nghiên cứu khác lĩnh vực triển khai vùng ôn đới, nhiệt đới nhiệt đới (Turner II 1992, Turner II Meyer 1994, Geist Lambin 2001, Becker Bugman 2001), song nhiều điểm hạn chế hiểu biết vấn đề sử dụng đất, đặc biệt với nước phát triển vùng nhiệt đới 1.3.2 Tình hình nghiên cứu Việt Nam Trong năm gần nhiều nhà chuyên môn thuộc trường Đại học, Viện nghiên cứu nỗ lực xây dựng phương pháp khác phân tích ảnh vệ tinh Phương pháp phân loại thực phủ từ ảnh vệ tinh cho phép khai thác tối đa thông tin từ ảnh vệ tinh khắc phục tốt hạn chế kể để tự động tạo đồ thực phủ nhanh, có độ xác cao, phục vụ đắc lực cho quan trắc, đánh giá quản lý thực phủ Điều số nghiên cứu nước nước gần Ở nước nhìn chung nghiên cứu lĩnh vực hạn chế , Nguyễn Văn Khang Nguyễn Thanh Hùng cho thấy sử dụng ảnh vệ tinh có độ phân giải trung bình 30 x 30 đa thời gian phân biệt 20 loại thực phủ chủ yếu đất nông nghiệp Tuy tác giả cho phương pháp sử dụng nghiên cứu chưa tối ưu, kết phương pháp phụ thuộc nhiều vào am hiểu tác giả vùng nghiên cứu độ phân giải ảnh Nhược điểm độ phân giải xử lý nghiên cứu phương pháp phân tích liên hợp ảnh Nguyễn Huy Anh, Đinh Thanh Kiên: Ứng dụng viễn thám GIS thành lập đồ lớp phủ mặt đất khu vực Chân Mây, huyện Phú Lộc tỉnh Thừa Thiên Huế Đề tài nghiên cứu phân nhóm lớp phủ mặt đất gồm hai nhóm lớp phủ là: Lớp phủ nhân tạo lớp phủ tự nhiên Cũng liên quan đến phân loại ảnh giám sát lớp phủ thực vật tác giả Vũ Hữu Long sử dụng tư liệu ảnh vệ tinh MODIS nghiên cứu mùa vụ trồng, lập đồ trạng biến động lớp phủ vùng Đồng Sông Hồng giai đoạn 2008 - 2010 Từ đồ lớp phủ năm 2008 2010, nhóm nghiên cứu tiến hành phân tích đánh giá biến động thành lập lớp phủ Đồng Sông Hồng theo phương pháp hậu phân loại Dữ liệu ảnh MODIS đảm bảo yêu cầu cần thiết để phân tích trạng, theo dõi biến động phạm vi khu vực lớn (Vũ Hữu Long, 2011) [6] Hà Thúy Quỳnh "Sử dụng Viễn thám để nghiên cứu biến động lớp phủ rừng theo thời gian tác động biến đổi VQG Tam Đảo" (Hà Thúy Quỳnh, 2011) [8] Các thông tin chọn lọc, xử lý xây dựng sở liệu dạng bảng Bản đồ thành phần xây dựng gồm: Bản đồ thảm thực vật; thuỷ văn Các đồ chuẩn hoá hệ toạ độ UTM lưới chiếu WGS84 Bản đồ thảm thực vật thể phân bố kiểu thảm gồm: 1) Rừng tự nhiên giàu trung bình (21.5%), 2) rừng tự nhiên nghèo (55.3%), 3) rừng trồng (2.4%), 4) đất nông nghiệp (7.7%), 5) đất thổ cư (2.4%) 6) bụi (10.4%) 1.4 Công cụ nghiên cứu sử dụng ảnh vệ tinh xây dựng đồ lớp phủ thực vật 1.4.1 Phần mềm giải đoán ảnh * Phần mềm ENVI – Environment for Visualizing Images phần mềm xử lý ảnh viễn thám mạnh, với đặc điểm sau: ° Hiển thị, phân tích ảnh với nhiều kiểu liệu kích cỡ ảnh khác ° Môi trường giao diện thân thiện ° Cho phép làm việc với kênh phổ riêng lẻ toàn ảnh Khi file ảnh mở, kênh phổ ảnh thao tác với tất chức có hệ thống Với nhiều file ảnh mở, ta dễ dàng lựa chọn kênh từ file ảnh để xử lý (Trần Vân Anh, 2009) [1] ° ENVI có cơng cụ chiết tách phổ, sử dụng thư viện phổ chức chuyên cho phân tích ảnh phân giải phổ cao (high spectral resolution images) ° Phần mềm ENVI viết ngôn ngữ IDL – Interactive Data Language Đây ngôn ngữ lập trình cấu trúc, cung cấp khả tích hợp xử lý ảnh khả hiển thị với giao diện đồ hoạ dễ sử dụng * Một số chức phần mềm ° Phân loại khơng chọn mẫu- Unsupervised Classification ° Phân loại có chọn mẫu – Supervised Classification ° Kỹ thuật phân ngưỡng – Segmentation Image ° Tạo lát cắt giá trị - Density Slice ° Tính số thực vật NDVI 1.4.2 Phần mềm ArcGIS 9.3 Arcgis Desktop sản phẩm Viện Nghiên cứu hệ thống mơi trường (ESRI) Có thể nói phần mềm GIS hồn thiện nhất. ArcGIS cho phép người sử dụng thực chức Gis nơi họ muốn: hình, máy chủ, web, field … Phần mềm Arcgis Desktop bao gồm ứng dụng sau: - ArcMap để xây dựng, hiển thị, xử lý phân tích đồ + Tạo đồ từ nhiều loại liệu khác + Truy vấn liệu không gian để tìm kiếm hiểu mối liên hệ đối tượng không gian + Tạo biểu đồ + Hiển thị trang in ấn - ArcCatalog: dùng để lưu trữ, quản lý tạo liệu địa lý + Tạo sở liệu + Explore tìm kiếm liệu + Xác định hệ thống toạ độ cho sở liệu - ArcToolbox: cung cấp công cụ để xử lý, xuất – nhập liệu từ định dạng khác MapInfo, MicroStation, AutoCad… (Trần Quốc Bình, 2004) [2] Tính cấp thiết Lớp phủ thực vật giữ vai trò quan trọng điều tiết nguồn nước, hạn chế lũ lụt, hạn hán, xói mịn đất Trải qua thời gian, lớp phủ thực vật không ngừng biến đổi đặc biệt tác động mạnh mẽ thiên tai trực tiếp từ người Vì lớp phủ thực vật ngày có nguy bị suy thối nguyên nhân gây lên thiên tai ảnh hưởng trực tiếp đến đời sống người Do vấn đề đánh giá nhanh xác thực trạng lớp phủ thực vật cần thiết Ở Việt Nam thông tin diện tích lớp phủ lớp phủ thực vật lớp phủ rừng, trồng nông nghiệp thống kê từ trạng sử dụng đất hàng năm hộ gia đình báo cáo lên cấp quản lý theo phương pháp thủ công truyền thống Với phương pháp kết nhiều thời gian độ xác chưa cao Ngày nay, kỹ thuật viễn thám sử dụng để theo dõi biến đổi bề mặt đất, quản lý nguồn tài nguyên thiên nhiên giám sát môi trường Sử dụng kỹ thuật viễn thám kết hợp với hệ thông tin địa lý kỹ thuật định vị toàn cầu giúp cho việc đánh giá biến động lớp phủ cách nhanh chóng xác Theo Cihlar phân loại lớp phủ thực vật từ ảnh vệ tinh ứng rộng rãi, thành đạt ghi nhận quy mơ tồn cầu (Cihlar, 2000) [12] Tuy nhiên kết phân loại lớp phủ dựa vào phản xạ phổ hay số phổ thời điểm hạn chế độ xác thực vật khác nhau, có phản xạ phổ chí số phổ giống thời điểm định Chính việc kết hợp thông tin phản xạ theo thời gian để nâng cao độ xác phân loại lớp phủ quan trọng Việc sử dụng thông tin phản xạ đa phổ đa thời gian để theo dõi lớp phủ thực vật, trình sinh trưởng phát triển cây, tình trạng dinh dưỡng vv nghiên cứu rộng rãi giới, đặc biệt nước phát triển Nước ta có số nghiên cứu ứng dụng viễn thám phân loại lớp phủ thực vật xây dựng phân loại lớp thực phủ thời điểm định nên độ xác chưa cao, chưa đánh giá thực trạng lớp phủ thời gian dài Xuất phát từ thực tế đó, tiến hành nghiên cứu đề tài “ Kết hợp thông tin từ ảnh vệ tinh đa phổ, đa thời gian phương pháp thống kê đa biến để nâng cao độ xác phân loại lớp phủ thực vật”. Nghiên cứu tiến hành xã Tân Thái, huyện Đại Từ, tỉnh Thái Nguyên Mục tiêu - Xác định cập nhập biến động loại thực phủ vùng nghiên cứu phản xạ phổ chúng theo thời gian - Kết hợp thông tin từ ảnh vệ tinh đa phổ đa thời gian phương pháp thống kê xác định biến động thực phủ, vẽ đồ lớp phủ dự tính diện tích loại thực phủ với độ xác cao Nội dung + Đặc điểm chung điều kiện tự nhiên – Kinh tế xã hội vùng nghiên cứu + Đặc điểm lớp phủ thực vật vùng nghiên cứu + Xây dựng đồ lớp phủ thực vật việc sử dụng ảnh viễn thám công cụ GIS Xác định lấy mẫu cố định thực địa đồ theo dõi biến động thực phủ thực địa Xử lý triết xuất thơng tin phản xạ đa phổ vị trí lấy mẫu cố định Xác định thay đổi thực phủ năm kết hợp phản xạ phổ số liệu kiểm tra thực địa thực phủ điểm lấy mẫu cố định ứng dụng phương pháp phân loại có kiểm định đa biến Kiểm tra độ xác phương pháp việc so sánh thực phủ thực tế đồng ruộng qua tháng thực phủ từ kết trình phân tích ảnh Tính tốn diện tích loại thực phủ qua thời điểm xác định biến động lớp thực phủ năm Tải file “ Kết hợp thông tin từ ảnh vệ tinh đa phổ, đa thời gian phương pháp thống kê đa biến để nâng cao độ xác phân loại lớp phủ thực vật PP nghiên cứu 1. Điều tra thu thập liệu, số liệu Sử dụng phương pháp RRA (đánh giá nhanh nông thôn) để điều tra thu thập liệu số liệu thứ cấp vùng nghiên cứu như: + Số liệu: Số liệu điều kiện tự nhiên, kinh tế, xã hội, đất đai vùng nghiên cứu Các số liệu thu thập từ UBND xã Tân Thái, phòng Tài nguyên & Môi trường huyện Đại Từ - Thái Nguyên + Dữ liệu gồm: Bản đồ trạng sử dụng đất năm 2010, đồ địa thu thập từ UBND xã Tân Thái Ảnh vệ tinh SPOT bao trùm khu vực tỉnh Thái Nguyên đặt mua từ Trung tâm Viễn thám Quốc gia – Bộ Tài nguyên & Môi trường 2 Phương pháp lấy mẫu theo dõi biến động thực phủ + Lựa chọn mẫu lấy mẫu: Việc xác định mẫu tiến hành lựa chọn vùng có đặc điểm đại diện cho lớp phủ thực vât, số lượng mẫu xác định mẫu/1 loại thực phủ, với tổng số mẫu 27. Diện tích mẫu có kích thước nhỏ x 3m lớn 20 x 20 m, diễn tích đủ lớn so với diện tích pixel ảnh 2,5 x 2,5m + Tiến hành lấy mẫu: Sử dụng máy định vị GPS xác định vị trí cần lấy mẫu, vị trí lấy mẫu đảm bảo tính ổn định thời gian nghiên cứu Chụp ảnh mẫu theo ngày vệ tinh chụp để đảm bảo ảnh chụp đũng với trạng thời gian vệ tinh chụp 3 Xây dựng đồ thực phủ Giải đoán ảnh phân lớp thực phủ: - Đăng ký ảnh SPOT lần thu nhận với đồ trạng sử dụng đất năm 2010 - Tăng cường ảnh, để ảnh thể rõ nét q trình giải đốn tác lớp ảnh sử dụng phương pháp tăng cường ảnh lọc trung bình - Phân lớp ảnh sử dụng phương pháp phân lớp có giám sát; lựa chọn mẫu ảnh, định nghĩa vùng mẫu tiến hành phân lớp phân loại có giám sát (Maximum Likehood) Sử dụng phần mềm ENVI 4.5 để thực q trình giải đốn ảnh phân lớp thực phủ Xây dựng đồ thực phủ Sau mơi lần giải đốn ảnh SPOT phân lớp thực phủ, từ dạng ảnh raster lớp thực phủ chuyển sang dạng vector Sử dụng phần mềm ArcGIS để biên tập đồ thực phủ từ ảnh giai đoạn Đánh giá độ xác việc giải đoán thành lập đồ thực phủ - Thống kê, so sánh diện tích từ đồ giải đốn với diện tích đồ diện tích thực tế mẫu giải đốn - Thống kê, so sánh tồn diện tích loại thực phủ lần giải đoán so sánh với diện tích thực địa … Hiệu KTXH ĐV sử dụng ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÁI NGUYÊN ... đề tài “ Kết hợp thông tin từ ảnh vệ tinh đa phổ, đa thời gian phương pháp thống kê đa biến để nâng cao độ xác phân loại lớp phủ thực vật? ??. Nghiên cứu tiến hành xã Tân Thái, huyện Đại Từ, tỉnh... thông tin từ ảnh vệ tinh đa phổ, đa thời gian phương pháp thống kê đa biến để nâng cao độ xác phân loại lớp phủ thực vật PP nghiên cứu 1. Điều tra thu thập liệu, số liệu Sử dụng phương pháp RRA... - Xác định cập nhập biến động loại thực phủ vùng nghiên cứu phản xạ phổ chúng theo thời gian - Kết hợp thông tin từ ảnh vệ tinh đa phổ đa thời gian phương pháp thống kê xác định biến