PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ ẢNH VỆ TINH

 1 LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành TS. Nguyễn Hải Châu, người tận tình hướng dẫn tôi trong suốt thời gian làm luận văn tốt nghiệp. Tôi xin cảm ơn các thầy, cô giáo ở khoa Công nghệ thông tin, phòng Sau đại học, trường Đại học Công nghệ - ĐHQG HN đã giảng dạy tôi trong suốt thời gian học tập tại trường và tạo điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này. Cảm ơn các bạn bè, đồng nghiệp đã cổ vũ động viên tôi trong suốt quá trình học tập tại trường. Tuy đã có những cố gắng nhất định nhưng do thời gian và trình độ có hạn nên chắc chắn luận văn này còn nhiều thiếu sót và hạn chế nhất định. Kính mong nhận được sự góp ý của thầy cô và các bạn. Luận văn thạc sĩ này được thực hiện trong khuôn khổ đề tài nghiên cứu mang mã số QG.09.27, Đại học Quốc gia Hà Nội.  Hà Nội, ngày tháng 11 năm 2010 Học viên Phùng Nam Thắng  2 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết quả đạt được trong luận văn là sản phẩm nghiên cứu, tìm hiểu của riêng cá nhân tôi. Trong toàn bộ nội dung của luận văn, những điều được trình bày hoặc là của cá nhân tôi hoặc là được tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có xuất xứ rõ ràng và được trích dẫn hợp pháp. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định cho lời cam đoan của mình. Hà Nội, ngày tháng 11 năm 2010 Người cam đoan Phùng Nam Thắng  3 MỤC LỤC MỞ ĐẦU 8 1.1 Khái niệm cơ bản về viễn thám 12 1.2. Khái niệm về một số đặc trưng của ảnh viễn thám 12 1.5.1. Ảnh Landsat 17 1.5.2. Ảnh MODIS 19 1.5.3. Ảnh VHARR 22 1.5.4. Ảnh ASTER 23 1.5.5. Ảnh SPOT 24 1.5.6. Ảnh IKONOS 26 1.5.7 Ảnh QuickBird 27 1.5.8 Ảnh SPIN 27 1.5.9. Ảnh OrbView 27 1.5.10 Ảnh ARIES 27 CHƯƠNG 2 - PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ ẢNH VỆ TINH 31 2.1. Phương pháp giải đoán ảnh bằng mắt: 31 2.2 Phân loại ảnh vệ tinh bằng phương pháp xử lý số 33 2.3 Phương pháp theo dõi biến động 38 2.3.1. Yêu cầu về tạo ảnh nghiên cứu biến động 39 2.3.2. Các phương pháp 39 CHƯƠNG 3 - XÂY DỰNG HỆ THỐNG QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN RỪNG 42 3.1 Phát biểu bài toán 42 3.2 Cơ sở phân chia rừng và quản lý rừng 42 3.2.1. Khái niệm về rừng 42 3.2.2. Phân chia ranh giới đối tượng điều tra 42 3.2.3. Phân chia kiểu trạng thái rừng 42 3.3 Khảo sát bài toán 45 3.4 Các công cụ hỗ trợ mã nguồn mở. 46 3.4.1 Công cụ x ử lý ảnh viễn thám Grass. 46 3.4.2 Hệ quản trị cơ sở dữ liệu không gian PostGIS 51 3.4.3 WebGIS và MapServer 52 3.5. Mô hình hệ thống thông tin quản lý tài nguyên rừng 54 3.5.1 Mô hình tổng quan 54 3.5.2. Phương pháp xây dựng cơ sở dữ liệu quản lý tài nguyên rừng55 3.6 Thử nghiệm và kết quả 57  4 3.6.1 Giải đoán dự liệu ảnh vệ tinh. 57 3.6.2. xây dựng cơ sở dữ liệu quản lý tài nguyên rừng 62 3.6.3. xây dựng modun website hiển thị bản đồ và biểu đồ biến động63 KẾT LUẬN 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO 78  5 CÁC TỪ VIẾT TẮT Viết tắt Tên đầy đủ - Mô tả RS Remote sensing – Viễn thám GIS Geographic information system - Hệ thống thông tin địa lý NDVI Normalized difference vegetation index GRASS Geographic resources analysis support system BV Brightness value - giá trị độ sáng của pixel IFOV Instantaneous field of view - Trường nhìn không đổi FOV Field of view - Trường nhìn DN Digital number - Giá trị của các pixel ảnh MLC Maximum likelihood classifier - Phân loại gần đúng nhất LNN Layered neural networks - Phân loại mạng neural  6 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1. Cấu trúc dữ liệu ảnh vệ tinh 14 Hình 2. Phần mềm GRASS 46 Hình 3. Công cụ quản trị pgAdmin III 51 Hình 4. Mô hình hoạt động của Mapserver 53 Hình 5. Ứng dụng WebGIS 53 Hình 6. Mô hình tổng quan hệ thống 54 Hình 7. Quy trình cập nhật dữ liệu tài nguyên rừng 56 Hình 8. Ảnh Landsat TM khu vực nghiên cứu năm 2007 58 Hình 9. Ảnh huyệ n Kim Bôi - Hòa Bình sau khi cắt 58 Hình 10. Ảnh chỉ số NDVI năm 2007 61 Hình 11. Ảnh phân loại đối tượng năm 2007 62 Hình 12. Mô hình triển khai website quản lý tài nguyên rừng 64 Hình 13. Mô hình phát triển website bằng mapserver 68 Hình 14. Giao diện website theo dõi tài nguyên rừng 69 Hình 15. Kết quả biến động bằng biểu đồ 70   7 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1 Một số thông số các kênh phổ của ảnh Landsat TM 18 Bảng 2. Một số thông số các kênh phổ ảnh Landsat ETM+, Landsat -7 19 Bảng 3. Một số thông số về các kênh phổ của ảnh MODIS 22 Bảng 4. Một số thông số về các kênh phổ của ảnh NOAA 23 Bảng 5. Một số thông số về các kênh phổ của ảnh ASTER 24 Bả ng 6. Một số thông số về các kênh phổ của ảnh SPOT-1;-2;-3 25 Bảng 7. Một số thông số các kênh phổ của ảnh SPOT-4 25 Bảng 8. Một số thông số các kênh phổ của ảnh IKNONOS 26 Bảng 9. Tổng hợp thông số kỹ thuật và ứng dụng một số loại ảnh viễn thám 30 Bảng 10. Bảng ma trận biến động giữa hai thời đi ểm 40 Bảng 11. So sánh chi phí bản quyền phần mềm (cho một giấy phép sử dụng) 49 Bảng 12. So sánh về yêu cầu phần cứng hệ thống 50 Bảng 13. Các phương pháp phân loại ảnh bằng GRASS 51 Bảng 14. Khóa phân loại rừng ảnh Landsat 59 Bảng 15. Kết quả phân loại ảnh theo chỉ số NDVI 62 Bảng 16. Cấu trúc bảng d ữ liệu lớp rừng 63  8 MỞ ĐẦU Ngày nay khoa học công nghệ và sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật giúp con người quản lý tốt hơn các nguồn tài nguyên, trong đó có khoa học kỹ thuật viễn thám. Kỹ thuật viễn thám được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực nghiên cứu của Việt Nam đã mang lại nhiều ứng dụng to lớn trong quản lý tài nguyên. Trong lĩnh vực lâm nghiệp, kỹ thuật viễn thám đã được sử d ụng để thành lập các loại bản đồ hiện trạng rừng, phân loại trạng thái rừng, phân vùng trọng điểm cháy rừng, theo dõi diễn biến tài nguyên rừng. Năm 1943, Việt Nam có 14,3 triệu ha rừng, độ che phủ là 43% nhưng đến năm 1990 chỉ còn 9,18 triệu ha, độ che phủ rừng là 27,2%. Theo công bố tại quyết định số 1970/QĐ/BNN-KL-LN ngày 06 tháng 7 năm 2006, tính đến 31/12/2005, diện tích rừng toàn quốc là 12,61 triệu ha, độ che phủ rừ ng là 37%, trong đó mất rừng là nguyên nhân gây ra một loạt các hiện tượng như: lũ lụt, hạn hán, mất mùa, … kéo theo đó là các tai biến về môi trường đã làm ảnh hưởng rất lớn đến quá trình sản xuất và sinh hoạt của người dân. Chính vì vậy, nhiệm vụ đặt ra đối với các cơ quan chức năng, những nhà quản lý lâm nghiệp là cần phát triển bền vững nguồn tài nguyên này làm cơ sở để đưa ra các ph ương án quy hoạch, đề xuất các giải pháp kỹ thuật, kinh tế - xã hội và định hướng cho việc sử dụng và quản lý bền vững tài nguyên rừng. Hiện trạng về công tác quản lý rừng ở Việt Nam Ở nước ta, các chương trình theo dõi diễn biến tài nguyên rừng đã được tiến hành từ những năm 1976 với chương trình đánh giá diễn biến tài nguyên rừng toàn quốc giai đoạn 1976 - 1990 - 1995, chương trình đi ều tra, đánh giá và theo dõi diễn biến tài nguyên rừng toàn quốc 5 năm các giai đoạn 1996 – 2000 và 2000 - 2005 và hiện nay đang thực hiện chương trình điều tra, đánh giá và theo dõi diễn biến tài nguyên rừng toàn quốc giai đoạn 2006 - 2010. Những năm trước đây để điều tra theo dõi diễn biến tài nguyên rừng chủ yếu vẫn dựa trên việc đo vẽ, thành lập bản đồ hiện trạng rừng bằng phương pháp th ủ công vì vậy công việc này đòi hỏi tốn rất nhiều thời gian, công sức, tiền bạc, độ chính xác không cao và thông tin thường không được cập nhật vì tình hình rừng và đất rừng luôn biến động. Trong những năm gần đây, khi khoa học công nghệ viễn thám phát triển mạnh thì việc áp dụng công nghệ viễn thám vào lâm nghiệp là rất  9 cần thiết vì kỹ thuật viễn thám với khả năng quan sát các đối tượng ở các độ phân giải phổ và không gian khác nhau, từ trung bình đến siêu cao và chu kỳ chụp lặp từ một tháng đến một ngày cho phép ta quan sát và xác định nhanh chóng hiện trạng lớp phủ rừng, từ đó có thể dễ dàng xác định được biến động rừng và đặc biệt là xu hướng của biến động. Tuy nhiên, các nghiên cứu về ứng d ụng công nghệ viễn thám trong lâm nghiệp còn rất thiếu đặc biệt là công nghệ xử lý ảnh số viễn thám tự động và bán tự động và hầu hết đều sử dụng các sản phẩm phần mềm xử lý ảnh thương mại có giá thành cao từ vài chục đến hàng trăm nghìn đô la Mỹ. Mục tiêu của luận văn Nhìn chung, những nghiên cứu, ứng dụng công nghệ viễn thám trong phân loại và đ iều tra rừng ở Việt Nam đã được thực hiện từ rất sớm. Tuy nhiên, từ trước đến nay thành lập bản đồ rừng vẫn chủ yếu áp dụng phương pháp truyền thống là giải đoán bằng mắt, điều tra ngoại nghiệp, sử dụng các phần mềm thương mại có giá thành cao và sử dụng các dạng tư liệu viễn thám chủ yếu có độ phân giả i thấp hoặc trung bình nên chỉ có thể thành lập được bản đồ tỷ lệ thấp, không đáp ứng đuợc yêu cầu về độ chính xác và tính cập nhật của bản đồ hiện trạng rừng. Hiện nay, công nghệ viễn thám đang phát triển mạnh, nhiều ảnh vệ tinh có độ phân giải cao cho phép thành lập được các bản đồ có tỷ lệ lớn. Tuy nhiên, các nghiên cứu về phương pháp phân loại để thành lập bản đồ rừng; các dạng chỉ số thực vật có thể sử dụng để phân loại rừng; cách thành lập các dạng bản đồ tài nguyên rừng như bản đồ phân bố trữ lượng, sinh khối; nghiên cứu về phương pháp đánh giá biến động rừng từ ảnh vệ tinh có độ phân giải cao bằng các giải pháp phần mềm mã nguồn mở vẫn còn thiếu nhiề u và hầu như chưa có các nghiên cứu như vậy. Chính vì vậy, tôi mạnh dạn thực hiện đề tài “Ảnh vệ tinh ứng dụng trong điều tra, quản lý diện tích rừng” nhằm đưa ra giải pháp thành lập bản đồ tài nguyên rừng từ ảnh vệ tinh có độ phân giải cao bằng các công cụ mã nguồn mở, tìm ra được một số dạng chỉ số thực vật dùng để phân loại r ừng cho ảnh vệ tinh có độ phân giải cao, đưa ra được quy trình đánh giá biến động rừng từ ảnh vệ tinh có độ phân giải cao từ đó góp phần vào việc ứng dụng vào thực tiễn sản xuất để thay thế các phương pháp truyền thống đặc biệt cho công tác điều tra, kiểm kê rừng trong giai đoạn mới hiện nay.  10 Đối tượng và nhiệm vụ của luận văn là: • Nghiên cứu về viễn thám - ảnh vệ tinh • Nghiên cứu các phương pháp xử lý và giải đoán ảnh vệ tinh • Nghiên cứu và sử dụng phần mềm mã nguồn mở Grass để xử lý và giải đoán ảnh vệ tinh • Xây dựng hệ thống thông tin quản lý tài nguyên rừng dựa trên ảnh vệ tinh và hệ thống thông tin địa lý Phương pháp và nội dung nghiên cứu được sử dụng trong suốt quá trình làm luận văn là: • Nghiên cứu về viễn thám, ảnh vệ tinh các đặc điểm của ảnh vệ tinh, phân loại ảnh vệ tinh, các phương pháp tổ chức dữ liệu của ảnh vệ tinh • Tìm hiểu các phương pháp xử lý ảnh vệ tinh như hiệu chỉnh bức xạ, hiệu chỉnh hình học, tăng c ường chất lượng ảnh, biến đối giữa các ảnh, phân loại ảnh • Tìm hiểu về phần mềm mã nguồn mở GRASS để xử lý và giải đoán ảnh vệ tinh • Xây dựng hệ thống thông tin quản lý tài nguyên rừng dựa trên các giải pháp GIS nguồn mở Bố cục của luận văn được trình bày như sau: Mở đầu: Đặt vấn đề về ý nghĩa, tính cấ p thiết, nhiệm vụ và tính thực tiễn của đề tài. Chương 1: Tổng quan về viễn thám và ảnh vệ tinh • Giới thiệu chung về viễn thám • Khái niệm về tư liệu ảnh số • Một số loại ảnh vệ tinh Chương 2: Phương pháp xử lý ảnh vệ tinh • Phương pháp giải đoán ảnh vệ tinh • Phương pháp phân loại ảnh vệ tinh • Phương pháp đánh giá biến động [...]... môi trường Bảng 9 Tổng hợp thông số kỹ thuật và ứng dụng của một số loại ảnh viễn thám   31 CHƯƠNG 2 - PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ ẢNH VỆ TINH Xử lý ảnh vệ tinh là quá trình chiết tách các thông tin theo định tính cũng như định lượng từ ảnh dựa trên các tri thức chuyên ngành hoặc kinh nghiệm của người giải đoán Việc tách các thông tin trong ảnh viễn thám có thể phân thành 5 loại: Phân loại đa phổ, phát hiện biến... so với việc thực hiện trên nguồn ảnh gốc Phương pháp biến đổi giữa các ảnh thường được sử dụng là phương pháp biến đổi số học, trong phương pháp này có 2 phương pháp thường được sử dụng là biến đổi tạo ảnh dựa trên chỉ số thực vật NDVI và biến đổi tạo ảnh tỷ số [2] - Biến đổi tạo ảnh dựa trên chỉ số thực vật: Tạo ảnh dựa trên chỉ số thực vật NDVI là dạng đặc biệt của ảnh tỷ số được đề xuất đầu tiên... thời gian chụp ảnh do đó giúp cho công tác giải đoán nhanh hơn và đảm bảo được tính thống nhất trong quá trình giải đoán 2.2 Phân loại ảnh vệ tinh bằng phương pháp xử lý số • Hiệu chỉnh bức xạ Do nhiều nguyên nhân khác nhau như: do ảnh hưởng của bộ cảm biến hoặc có thể do ảnh hưởng của địa hình và góc chiếu của mặt trời hoặc do ảnh hưởng của khí quyển, … làm ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng ảnh thu được... chiết tách các thông tin tự nhiên, xác định các đối tượng đặc biệt [7] Xử lý thông tin viễn thám có hai phương pháp cơ bản là: phân tích bằng mắt và xử lý số 2.1 Phương pháp giải đoán ảnh bằng mắt: Giải đoán bằng mắt là sử dụng mắt người cùng với trí tuệ để tách chiết các thông tin từ tư liệu viễn thám dạng hình ảnh Trong việc xử lý thông tin viễn thám thì giải đoán bằng mắt (visual interpretaion) là... dõi biến động về diện tích của rừng qua các thời kỳ 1.5 Một số loại ảnh vệ tinh phổ biến 1.5.1 Ảnh Landsat Hiện nay ảnh Landsat có nhiều thế hệ với số lượng kênh phổ và độ phân giải khác nhau Tuy nhiên, thế hệ ảnh Landsat TM được thu từ vệ tinh Landsat-4 và -5 và ảnh Landsat ETM+ được thu từ vệ tinh Landsat-7 được sử dụng phổ biến nhất Ảnh Landsat TM gồm 6 kênh phổ nằm trên dải sóng nhìn thấy và hồng... trữ, xử lý và hiển thị ảnh vệ tinh trong máy tính kiểu raster, tuỳ thuộc vào số bit dùng để ghi nhận thông tin, mỗi pixel sẽ có giá trị hữu hạn ứng với từng cấp độ xám (giá trị độ sáng của pixel; BV - Brightness Value) Số bit dùng để ghi nhận thông tin được gọi là độ phân giải bức xạ của ảnh vệ tinh - Độ phân giải thời gian của ảnh vệ tinh Độ phân giải thời gian không liên quan đến thiết bị ghi ảnh. .. thông,… Hiện nay ảnh QuickBird được sử dụng phổ biến vào các lĩnh vực dân sự, an ninh, quản lý môi trường 1.5.8 Ảnh SPIN Ảnh SPIN-2 được thu từ vệ tinh SPIN (Space Information Meter) của Nga, ảnh được thu từ độ cao 220km, các bức ảnh chụp có tỷ lệ 1:200.000 với từng cảnh chụp phủ một diện tích có kích thước là 40km x 160km, kích thước trung bình của pixel ảnh trên mặt đất là 1,56m Ảnh SPIN chủ yếu... trên ảnh vệ tinh, cần phải thực hiện việc hiệu chỉnh bức xạ nhằm loại trừ các nhiễu trước khi sử dụng ảnh [2] • Hiệu chỉnh hình học ảnh Bản chất các biến dạng hình học của ảnh được hiểu như là sự sai lệch vị trí giữa tọa độ ảnh thực tế (đo được) và tọa độ ảnh lý tưởng được tạo bởi một bộ cảm biến có thiết kế hình học chính xác và trong điều kiện thu nhận lý tưởng, nhằm loại trừ sai số giữa tọa độ ảnh. .. bản chất của sự biến dạng để có phương pháp hiệu chỉnh cho phù hợp [2] • Tăng cường chất lượng ảnh Tăng cường chất lượng ảnh có thể được định nghĩa là một thao tác làm nổi bật hình ảnh sao cho người giải đoán ảnh dễ đọc, dễ nhận biết nội dung trên ảnh hơn so với ảnh gốc Phương pháp thường được sử dụng là biến đổi cấp độ xám, biến đổi histogram, biến đổi độ tương phản, lọc ảnh, tổ hợp màu, chuyển đổi giữa... Biến đổi giữa các ảnh Biến đổi giữa các ảnh liên quan đến việc tạo ra ảnh mới từ việc xử lý các ảnh đa phổ hoặc đa thời gian bằng các thuật toán được áp dụng trên nguồn ảnh gốc đã có Tùy thuộc vào yêu cầu thực tế ứng dụng, các kênh của ảnh đa phổ hoặc các ảnh đa thời gian (chụp ở thời điểm khác nhau) được phối hợp rất đa dạng để tạo ảnh mới nhằm nhấn mạnh các đối tượng được quan tâm trên ảnh hoặc cho phép . liệu tham khảo đều có xuất xứ rõ ràng và được tr ch dẫn hợp pháp. Tôi xin hoàn toàn ch u tr ch nhiệm và ch u mọi hình thức kỷ luật theo quy định cho lời cam đoan của mình. . mà ch liên quan đến khả năng ch p lặp lại của ảnh vệ tinh. Ảnh được ch p vào những ngày khác nhau cho phép so sánh đặc trưng bề mặt theo thời gian. Ưu thế của độ phân giải thời gian là cho. kênh và dữ liệu ở dạng 12 bit, MODIS có đặc tính ch nh hình học và phổ. Phương pháp ch nh phổ kênh đối với kênh được tham chiếu cho 36 kênh cho ra sai số ½ pixel hoặc cao hơn. Dữ liệu của