VŨ THỊ HÒA NGHIÊN CỨU VÀ ĐÁNH GIÁ CÁC PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP DỮ LIỆU CHO BÀI TOÁN PHÂN LOẠI LỚP PHỦ ĐÔ THỊ TẠI VIỆT NAM LUẬN VĂN THẠC SỸ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN HÀ NỘI – 2017 ( ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜN[.]
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ *** VŨ THỊ HÒA NGHIÊN CỨU VÀ ĐÁNH GIÁ CÁC PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP DỮ LIỆU CHO BÀI TOÁN PHÂN LOẠI LỚP PHỦ ĐÔ THỊ TẠI VIỆT NAM LUẬN VĂN THẠC SỸ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN HÀ NỘI – 2017 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ *** VŨ THỊ HÒA NGHIÊN CỨU VÀ ĐÁNH GIÁ CÁC PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP DỮ LIỆU CHO BÀI TỐN PHÂN LOẠI LỚP PHỦ ĐƠ THỊ TẠI VIỆT NAM Ngành: Công nghệ Thông tin Chuyên ngành: Hệ thống thông tin Mã số: 60480104 LUẬN VĂN THẠC SỸ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS BÙI QUANG HƯNG HÀ NỘI – 2017 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết đạt luận văn nghiên cứu, tổng hợp thực Tồn điều trình bày luận văn cá nhân tham khảo tổng hợp từ nguồn tài liệu khác Tất tài liệu tham khảo tổng hợp trính dẫn với nguồn gốc rõ ràng Tơi xin chịu trách nhiệm hoàn toàn lời cam đoan Nếu có sai, tơi xin chịu hình thức kỷ luật theo quy định Hà Nội, tháng 10 năm 2017 Học viên Vũ Thị Hòa LỜI CẢM ƠN Trước tiên xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Bùi Quang Hưng, cô Nguyễn Thị Nhật Thanh, nghiên cứu sinh Phạm Tuấn Dũng toàn thể Trung tâm FIMO tận tâm, tận lực hướng dẫn, định hướng phương pháp nghiên cứu khoa học cho tôi; đồng thời, cung cấp nhiều tài liệu tạo điều kiện thuận lợi suốt trình học tập nghiên cứu để tơi hồn thành luận văn Tôi xin cảm ơn đề tài Xây dựng hệ thống thu thập, xử lý, phân tích số liệu đa nguồn để đánh giá biến động lớp phủ mặt đất chất lượng khơng khí, mã số QMT.17.03 cung cấp cho kiến thức tảng vô quý giá Tôi xin gửi lời cảm ơn đến thầy, cô Bộ môn Hệ thống thông tin Khoa Công nghệ thông tin, Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội nhiệt tình giảng dạy truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm quý giá suốt thời gian học tập trường Tôi xin gửi lời cảm ơn đến bạn học viên lớp K21-HTTT, người đồng hành suốt khóa học có nhiều góp ý bổ ích cho tơi Cảm ơn gia đình, bạn bè quan tâm động viên giúp tơi có nghị lực phấn đấu để hoàn thành tốt luận văn Do kiến thức thời gian có hạn nên luận văn chắn khơng tránh khỏi thiếu sót định Một lần xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc Hà Nội, tháng 10 năm 2017 Học viên thực Vũ Thị Hòa MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN .2 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .6 MỞ ĐẦU .8 Chương TỔNG QUAN 11 1.1 Tổng quan liệu viễn thám 11 1.1.1 Khái niệm viễn thám 11 1.1.2 Một số loại liệu viễn thám 17 1.1.3 Tổng quan trình tiền xử lý viễn thám 18 1.2 Bài tốn phân loại lớp phủ thị .22 1.2.1 Tổng quan toán .22 1.2.2 Chi tiết liệu sử dụng 24 1.2.3 Tiền xử lý liệu tốn phân loại lớp phủ thị Việt Nam 27 1.3 Kết luận .29 Chương MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP DỮ LIỆU VIỄN THÁM 30 2.1 Các phương pháp tổng hợp ảnh viễn thám chứa liệu phân lớp .31 2.1.1 Phương pháp dựa luật đa số (Majority rule based method) .31 2.1.2 Phương pháp lấy giá trị ngẫu nhiên (Random rule based method) 32 2.1.3 Phương pháp cửa sổ dịch chuyển dựa so sánh trọng số khoảng cách với điểm trung tâm (PDW - Point-centred, distance-weighted moving window method) 32 2.2 Các phương pháp tổng hợp ảnh viễn thám chứa liệu số 34 2.2.1 Phương pháp lấy giá trị điểm trung tâm (Central pixel method) 34 2.2.2 Phương pháp lấy giá trị trung bình (Pixel mean method) .35 2.2.3 Phương pháp lấy giá trị lớn (Pixel maximum method) 35 2.2.4 Phương pháp lấy giá trị nhỏ (Pixel minimum method) 36 2.2.5 Phương pháp lấy giá trị trung bình dựa trọng số (Pixel Aggregate method) 36 2.3 Các số đánh giá phương pháp tổng hợp liệu viễn thám 38 2.3.1 Chỉ số ước lượng tương đồng cấu trúc (SSIM – Structural Similarity Index Measurement) 38 2.3.2 Tỷ số tín hiệu lớn nhất/ nhiễu (PSNR) 40 2.4 Tổng kết 41 Chương XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 42 3.1 Yêu cầu hệ thống công cụ sử dụng thực nghiệm 42 3.2 Quá trình thu thập liệu, tiền xử lý liệu viễn thám 43 3.2.1 Thu thập liệu đầu vào 43 3.2.2 Tiền xử lý liệu 43 3.3 Đánh giá phương pháp tổng hợp liệu viễn thám dựa số đánh giá .44 3.3.1 Xử lý liệu phương pháp tổng hợp .44 3.3.2 Kết đánh giá 46 3.4 Đánh giá ảnh hưởng phương pháp tổng hợp liệu ảnh viễn thám đến việc xây dựng đồ lớp phủ đô thị Việt Nam 47 3.4.1 Xây dựng đồ lớp phủ đô thị Việt Nam dựa liệu viễn thám 47 3.4.2 Đánh giá độ xác đồ lớp phủ đô thị thu 54 3.5 Tổng kết 55 KẾT LUẬN .56 TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt FOV IFOV TDRSS NDVI EVI NOAA EOS LPDAAC Giải thích Field of view Instantaneous field of view Tracking and Data Relay Satellite System The normalized difference vegetation index Enhanced vegetation index National Oceanic and Atmospheric Ý nghĩa Góc nhìn Góc nhìn tức Hệ thống theo dõi truyền liệu Administration dương Mỹ Hệ thống quan sát trái Earth Observing System Chỉ số thực vật Chỉ số thực vật cải tiến Cục khí hải Land Processes Distributed Active đất Trung tâm xử lý phân Archive Center phối đất DMSP-OLS The Defense Meteorological Satellite Program’s Operational Linescan System EstISA Estimate the density of constructed Impervious Surface Area MODIS Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer Chương trình vệ tinh khí tượng Bộ Quốc phịng Mỹ - Hệ thống thu thập ánh sáng ban đêm Ước tính mật độ xây dựng – Bề mặt không thấm nước Bộ cảm biến ảnh độ phân giả trung bình DACC GLCNMO Global Land Cover by National Mapping Organizations Bộ liệu lớp phủ toàn cầu Hiệp hội đồ quốc gia DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1 Mơ hình ngun tắc hoạt động Viễn thám 12 Hình Độ phân giải thời gian liệu viễn thám 14 Hình Sơ đồ phương pháp GLCNMO cải tiến .24 Hình Ảnh liệu mật độ dân số 25 Hình Tổng quan toán 28 Hình Phương pháp tổng hợp liệu đánh giá .28 Hình Phương pháp dựa luật đa số 32 Hình 2 Phương pháp lấy giá trị ngẫu nhiên 32 Hình Phương pháp cửa sổ dịch chuyển dựa so sánh trọng số khoảng cách với điểm trung tâm 33 Hình Phương pháp lấy giá trị điểm trung tâm 35 Hình Phương pháp lấy giá trị trung bình 35 Hình Phương pháp lấy giá trị lớn .36 Hình Phương pháp lấy giá trị nhỏ 36 Hình Phương pháp lấy giá trị trung bình dựa trọng số 37 Hình Chỉ số ước lượng tương đồng cấu trúc SSIM .39 Hình MODIS13Q1 250m 43 Hình Ảnh MOD13Q1 500m phương pháp Max 44 Hình 3 Ảnh MOD13Q1 500m phương pháp Median 44 Hình Ảnh MOD13Q1 phương pháp Mean 45 Hình Ảnh MOD13Q1 phương pháp Min 45 Hình Đồ thị thể số MSE, PSNR phương pháp tổng hợp 47 Hình Đồ thị thể số SSIM phương pháp tổng hợp 47 Hình Tập liệu huấn luyện 48 Hình Tập liệu kiểm tra 48 Hình 10 Histograms phương pháp tổng hợp liệu ảnh MOD13Q1 50 Hình 11 Bản đồ phân loại lớp phủ đô thị Việt Nam 2015 52 Hình 12 Bản đồ thị khu vực Hồ Chí Minh liệu NDVI tổng hợp theo phương pháp khác .53 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1 Các thông số kỹ thuật ảnh vệ tinh MODIS 17 Bảng Mô tả chi tiết đặc điểm liệu MOD13Q1 26 Bảng Kết chí số đánh giá phương pháp 46 Bảng Giá trị ngưỡng phương pháp tổng hợp 49 Bảng 3 Đánh giá độ xác đồ lớp phủ đô thị 54 MỞ ĐẦU Đặt vấn đề Có nhiều cơng nghệ xử lý ảnh số, phát triển bắt đầu năm 1960 viện công nghệ Massachusetts, đại học Maryland vài sở nghiên cứu khác ứng dụng cho ảnh vệ tinh, ảnh y học, nhận dạng ký tự….Càng ngày công nghệ xử lý ảnh ngày phát triển đáp ứng chất lượng thời gian thực cho người sử dụng Hiện giới có nhiều tài liệu cơng trình nghiên cứu tiền xử lý xử lý ảnh vệ tinh mô tả khía cạnh cơng nghệ xử lý ảnh số đặc biệt liên quan đến xử lý ảnh vệ tinh với mục tiêu phân loại tất điểm ảnh ảnh kỹ thuật số thành số lớp phủ chủ đề lớp phủ Dữ liệu phân loại sử dụng để tạo đồ chuyên đề lớp phủ đất [7] Hoặc mô tả phương pháp giảm nhiễu giảm độ mờ chủ yếu dựa vào lọc để phục hồi ảnh , đồng thời đưa phương pháp so sánh, phân tích đánh giá [8] Phân tích phương pháp tổng hợp xử lý ảnh số số đánh giá [9] Ở Việt Nam có nghiên cứu tiền xử lý ảnh vệ tinh, có số nghiên cứu với phạm vi hạn chế, chẳng hạn luận văn nội suy ảnh số ứng dụng đưa số vấn đề tiền xử lý ảnh, phương pháp nội suy ảnh số ứng dụng [3]; ứng dụng phép biến đổi Wavelet xử lý ảnh nhiên không phân biệt rõ tiền xử lý ảnh xử lý ảnh đồng thời tập trung vào số phương pháp phương pháp tập hợp ảnh phân loại lớp phủ đô thị Đồng thời cơng trình nghiên cứu lớp phủ thị Việt Nam chủ yếu khu vực thành phố lớn Hà Nội, Thành phố Hồ Chí Minh, Đà Nẵng “Nghiên cứu thay đổi nhiệt độ bề mặt đô thị tác động q trình thị hóa Thành phố Hồ Chí Minh phương pháp viễn thám” [4] Trong đề tài nghiên cứu tập trung vào phương pháp tổng hợp ảnh vệ tinh trình tiền xử lý ảnh nhằm đưa liệu độ phân giải toán phân loại lớp phủ đô thị Việt Nam Đây trình cần thiết để đưa kết tốt cho tập liệu đầu vào ảnh hưởng tới độ xác đầu việc phân loại lớp phủ đô thị Việt Nam Ý nghĩa khoa học Ứng dụng số đặc điểm không gian, thời gian, cấp độ xám, phổ xạ ảnh viễn thám số kỹ thuật tổng hợp ảnh viễn thám nhằm đưa