nghiên cứu áp dụng công nghệ viễn thám (rs) và hệ thống thông tin địa lý (gis) trong khí tượng thủy văn

BTNMT VKTTVMT BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG VIỆN KHOA HỌC KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN VÀ MƠI TRƯỜNG 23/62 Nguyễn Chí Thanh, Đống Đa, Hà Nội -******** BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM (RS) VÀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ (GIS) TRONG KHÍ TƯỢNG THUỶ VĂN Chủ nhiệm Đề tài: TS Dương Văn Khảm 7040 01/12/2008 HÀ NỘI, 11-2008 BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MƠI TRƯỜNG VIỆN KHOA HỌC KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN VÀ MƠI TRƯỜNG 5/62 Nguyễn Chí Thanh, Đống Đa, Hà Nội -******** BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM (RS) VÀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ (GIS) TRONG KHÍ TƯỢNG THUỶ VĂN Chỉ số đăng ký: Chỉ số phân loại: Chỉ số lưu trữ: Cộng tác viên chính: TS Dỗn Hà Phong, Ths Phạm Ngọc Hải, KS Chu Minh Thu, CN Đỗ Thanh Tùng, CN Hoàng Thanh Tùng, CN Nguyễn Thị Huyền Hà Nội, ngày10tháng11năm2008 Hà Nội, ngày10 tháng11 năm2008 Hà Nội, ngày…tháng 11 năm2008 CƠ QUAN CHỦ TRÌ ĐỀ TÀI ĐƠN VỊ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI TS Dương Văn Khảm Dương Văn Khảm Trần Thục Hà Nội, ngày… tháng… năm 2008 HỘI ĐỒNG ĐÁNH GIÁ CHÍNH THỨC CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG Hà Nội, ngày… tháng… năm 2008 CƠ QUAN QUẢN LÝ ĐỀ TÀI TL BỘ TRƯỞNG VỤ TRƯỞNG VỤ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TS Lê Kim Sơn Nguyễn Đắc Đồng CÁC CHỮ VIẾT TẮT AIRS Bộ đo hồng ngoại phản hồi khí ASTER Bức xạ kế phát xạ phản xạ nhiệt nâng cao AVHRR Máy quét phân giải phổ cao ASCII Khuôn dạng chuẩn chuyển đổi thông tin BRDF Hàm tán xạ lưỡng hướng BIL Cấu trúc đường xen đường band ảnh vệ tinh BIP Cấu trúc xen kẽ pixel band ảnh vệ tinh BSQ Tần số band ERS Vệ tinh tài nguyên trái đất ETM Hệ thống lập đồ chuyên đề nâng cao EOS Hệ thống quan trắc trái đất GSFC Trung tâm chuyến bay không gian HIRS Máy quét phổ độ phân giải cao IFOV Trường nhìn liên tục LST Nhiệt độ bề mặt đất LTER Nghiên cứu hệ sih thái dài hạn LUT Bảng tra LWIR Sóng dài hồng ngoại MODIS Máy quét ảnh phổ độ phân giải trung bình MOS Vệ tinh quan trắc biển Nhật MODATM Sản phẩm khí MODIS MODLAND Sản phẩm đất MODIS NDVI Chỉ số thực vật chuẩn hóa NOAA Cơ quan quốc gia Đại dương Khí RGB Ba màu (đỏ, lục, lam) RSR Quan hệ phổ phản hồi SRF Hàm phổ phản xạ SST Nhiệt độ mặt nước biển SWIR Sóng ngắn hồng ngoại TM Lập đồ chuyên đề (của Landsat 2) TIR Hồng ngoại nhiệt UTM Hệ tọa độ chuyển đổi tổng hợp Mỹ LỜI NÓI ĐẦU Công nghệ viễn thám, thành tựu khoa học vũ trụ đạt đến trình độ cao trở thành kỹ thuật phổ biến ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực kinh tế xã hội nhiều nước giới, nước phát triển có trình độ khoa học kỹ thuật tiên tiến mà nước phát triển kinh tế lạc hậu Nhu cầu ứng dụng công nghệ viễn thám hệ thống thông tin địa lý (GIS) lĩnh vực điều tra, nghiên cứu, khai thác, sử dụng, quản lý tài nguyên thiên nhiên môi trường ngày gia tăng nhanh chóng khơng phạm vi Quốc gia, mà phạm vi Quốc tế Tiềm ứng dụng công nghệ viễn thám GIS giúp nhà khoa học nhà hoạch định sách phương án lựa chọn có tính chiến lược sử dụng quản lý tài ngun thiên nhiên mơi trường Vì viễn thám GIS sử dụng “cơng nghệ đầu” có ưu nay[21] Để đẩy mạnh công tác nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám hệ thống thông tin địa lý khí tượng thuỷ văn, nhằm tạo sở vật chất khoa học nghiên cứu ứng dụng ban đầu, bước đưa sản phẩm viễn thám GIS vào cơng tác phục vụ Khí tượng Thủy văn (KTTV), phòng tránh giảm nhẹ thiên tai, tăng cường lực phát triển khoa học công nghệ KTTV, góp phần thúc đẩy cơng tác nghiên cứu, giám sát, dự báo KTTV, phục vụ công phát triển kinh tế xã hội đất nước thời kỳ cơng nghiệp hố, đại hố đất nước, Bộ Tài nguyên Môi trường giao cho Viện Khoa học Khí tượng Thuỷ văn Mơi trường chủ trì thực đề tài “Nghiên cứu áp dụng công nghệ viễn thám (RS) hệ thống thông tin địa lý (GIS) khí tượng thuỷ văn” Đây đề tài thuộc lĩnh vực khoa học công nghệ mới, lần đề cập nghiên cứu Viện Khoa học Khí tượng Thuỷ văn Mơi trường, điều kiện phục vụ cho cơng tác nghiên cứu cịn thiếu, thiết bị xử lý, tư liệu ảnh viễn thám chưa có, trình độ kinh nghiệm nghiên cứu lĩnh vực viễn thám nhóm thực đề tài hạn chế Nhưng với động viên đạo kịp thời cấp lãnh đạo, với nỗ lực vừa học, vừa làm tập thể cộng tác viên, đến đề tài hoàn thành mục tiêu nội dung đề Trong trình thực hiện, chủ nhiệm đề tài đội ngũ cộng tác viên nhận đạo, động viên tạo điều kiện thuận lợi lãnh đạo Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn Môi trường, Vụ Khoa học Công nghệ, Khí tượng Thủy văn, Kế hoạch Tài chính, Bộ Tài nguyên Môi trường, lãnh đạo đơn vị Viện với cộng tác, giúp đỡ nhiệt tình đơn vị bạn như: Trung tâm Khí tượng Thuỷ văn Quốc gia, Trung tâm Viễn thám, Viện Vật lý Điện tử, Trung tâm Nghiên cứu ứng dụng Công nghệ Vũ trụ, Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam, Trung tâm Viễn Thám GIS, Đại học Khoa học Tự nhiên, Chúng xin trân trọng cảm ơn đạo, giúp đỡ hợp tác quý báu Chủ nhiệm đề tài MỞ ĐẦU Ý nghĩa khoa học tính cấp thiết đề tài Ở nước ta công tác nghiên cứu, dự báo Khí tượng Thuỷ văn (KTTV), Khí tượng Nông nghiệp (KTNN) đạt nhiều thành tựu việc phát triển kinh tế-xã hội, phòng tránh giảm nhẹ thiên tai, phát triển sản xuất nông nghiệp, chuyển đổi cấu trồng vật nuôi làm đa dạng hoá sản phẩm cho tiêu dùng nước xuất Song trước điều kiện kinh tế đất nước chưa cho phép phát triển sâu rộng công nghệ viễn thám GIS lĩnh vực KTTV KTNN Các nghiên cứu trước tiến hành điều kiện số liệu thiếu thốn, kỹ thuật tính tốn cịn hạn chế, việc nghiên cứu, đánh giá chủ yếu tập trung khai thác số liệu trạm khí tượng thuỷ văn khí tượng nơng nghiệp mà chưa có số liệu đặc trưng thu nhận tính tốn từ cơng nghệ mơ hình tiên tiến, như: viễn thám (RS), hệ thống thơng tin địa lý (GIS), hệ thống định vị toàn cầu (GPS) kết thu cịn chưa mong muốn Nước ta nhiều đồi núi, địa hình phức tạp (độ cao, độ dốc, hướng, khe suối, thung lũng…) điều kiện khí tượng, khí hậu, thuỷ văn vùng núi diễn biến phức tạp, thay đổi lớn phạm vi hẹp Hơn nữa, vùng đồi núi mạng lưới quan trắc khí tượng thuỷ văn, khí tượng nơng nghiệp thưa thớt, số liệu hạn chế cho công tác nghiên cứu ứng dụng Để khắc phục tình trạng thường phải đo đạc khảo sát để bổ sung thêm số liệu, nhiều thời gian, cơng sức kinh phí mà khơng thể đáp ứng yêu cầu đặt Đặc biệt, tượng thời tiết bất thường hạn hán, lũ lụt ngày gia tăng mức độ gây tổn hại ngày lớn, nhiệt độ tăng cao kết hợp với hạn hán dẫn tới nguy cháy rừng, phát sinh phát triển sâu bệnh mùa màng, vật nuôi ngày trầm trọng, việc sử dụng thông tin từ trạm quan trắc KTTV, KTNN báo cáo từ địa phương để phân tích đánh giá giám sát bất thường thời tiết khó kịp thời đầy đủ Ngày kỹ thuật viễn thám chụp bề mặt trái đất với độ phân giải cao không gian, thời gian phổ Độ phân giải không gian Landsat/MSS, TM, Spot 30 m chí 2,5 m; độ phân giải phổ MODIS với 36 kênh từ bước sóng 0,45 đến 14,38 µm; vệ tinh GMS, MTSAT-1R, FY-2 chụp ảnh toàn lãnh thổ Việt Nam 30 phút lần Với độ phân giải cao vậy, viễn thám xác định kịp thời chi tiết diễn biến điểm cụ thể bề mặt trái đất Trong nhiều trường hợp số liệu viễn thám loại thông tin dùng để bổ sung, cung cấp mảng số liệu thiếu hụt, vùng khó tiếp cận Viễn thám kết hợp với hệ thống thông tin địa lý hệ thống định vị tồn cầu xây dựng đồ trạng với độ xác cao với nhiều thơng tin hữu ích khác thuận tiện cho người sử dụng Vì việc sử dụng thông tin viễn thám, công nghệ GIS, GPS kết hợp với quan trắc thu từ bề mặt đáp ứng cách khách quan thông tin cần thiết thời gian, phạm vi, mức độ vị trí yếu tố KTTV, KTNN đáp ứng kịp thời đa dạng số liệu phục vụ cho công tác nghiên cứu, đánh giá dự báo, đặc biệt phục vụ cho công tác giám sát cảnh báo tác hại thiên tai để có biện pháp phịng tránh ứng cứu kịp thời Ngày nay, yêu cầu phục vụ phát triển kinh tế-xã hội nói chung KTTV nói riêng, đòi hỏi ngày cao xã hội công tác phục vụ KTTV phạm vi nước việc nghiên cứu ứng dụng cơng nghệ viễn thám hệ thống thông tin địa lý cần thiết Những nghiên cứu ứng dụng công nghệ tạo sở vật chất khoa học cao để bước đưa sản phẩm viễn thám GIS vào công tác phục vụ KTTV, phòng tránh giảm nhẹ thiên tai, tăng cường lực phát triển khoa học công nghệ KTTV, thúc đẩy công tác nghiên cứu, giám sát, dự báo KTTV, KTNN thời kỳ cơng nghiệp hố, đại hố đất nước nhu cầu cấp bách Sự phát triển, ứng dụng công nghệ viễn thám giới Việt Nam Sự phát triển, ứng dụng công nghệ viễn thám giới Từ năm 60 kỷ 20 với xuất vệ tinh nhân tạo kỹ thuật khơng gian có phát triển vượt bậc Vệ tinh công cụ quan trọng nghiên cứu khoa học đại Ngày tháng năm 1960 Mỹ phóng thành cơng vệ tinh khí tượng TIROS-1, mở kỷ nguyên quan trắc khí tượng Từ đến nay, loạt nước Nga, Liên Minh Châu Âu, Nhật Bản, Trung Quốc, Ấn Độ phóng thành cơng nhiều vệ tinh khí tượng mình, kỹ thuật thám trắc vệ tinh phát triển nhanh chóng, hình thành lên hệ thống quan trắc khí tượng vệ tinh toàn cầu Quan trắc trái đất quan trắc không gian bước sang giai đoạn mới, làm thay đổi cục diện quan trắc, làm phong phú thêm phạm vi, nội dung quan trắc, từ quan trắc mang tính cục tầng thấp khí chuyển sang quan trắc hệ thống khí Rất nhiều yếu tố, vị trí khí trái đất trước khó quan trắc ngày với vệ tinh khí tượng thực Công nghệ viễn thám cung cấp nhiều số liệu cho lĩnh vực như: Thiên văn, khí tượng, địa chất, địa lý, hải dương, nông nghiệp, lâm nghiệp, quân sự, thông tin, hàng không, vũ trụ[29], Năm 1982, hội nghị sử dụng vũ trụ vào mục đích hồ bình Liên hiệp quốc tổ chức Viên (Áo) (UNISPACE) có nghị quan trọng việc chuyển giao kỹ thuật tiên tiến cho tất nước, cần quan tâm đến nước phát triển nêu rõ trách nhiệm nước phát triển giúp nước phát triển thông qua số liệu vũ trụ để có hiểu biết xác tài nguyên thiên nhiên, điều kiện tự nhiên, tạo điều kiện phát triển kinh tế xã hội bảo vệ môi trường Triển khai nghị này, khu vực tổ chức thành lập hội viễn thám như: Hiệp hội viễn thám Châu Á, Mỹ La Tinh Nhiều nước thành lập quan trung tâm viễn thám Quốc gia, nhiều đề án viễn thám có tính Quốc gia khu vực quan phát triển Liên hiệp quốc tài trợ đời Tất kiện xảy đồng thời mang tính quốc tế sâu rộng, điều khẳng định kỹ thuật viễn thám trở thành công cụ đắc lực cho nhà nghiên cứu tự nhiên, mơi trường tác dụng cách mạng khoa học kỹ thuật[30] Ngày có nhiều loại vệ tinh, tàu vũ trụ điều tra thiên nhiên nhiều nước khác như: Mỹ, Pháp, Nga, Ấn Độ, Trung Quốc, Nhật Bản, Cơ quan vũ trụ châu Âu… Ngoài trạm thu mặt đất giải khắp giới như: Cecuaba (Brazil), Prince Albert (Canađa), Fairbank-Alaska, Greenbelt (Mỹ), Kuwsuna (Thuy Điển), Fucino (Italia), Johannebug (Nam Phi), Hydeafbat (Ấn Độ), Bangkok (Thái Lan), Bắc Kinh (Trung quốc), Tokyo (Nhật Bản), Alicerping (Úc), Dacc (Bangladef), Jakata (Inđonessia)… thu số liệu viễn thám từ vệ tinh khác cung cấp kịp thời số liệu cho nghiên cứu ứng dụng nghiệp vụ mang lại hiệu kinh tế to lớn Công nghệ viễn thám giới ứng dụng cụ thể lĩnh vực sau: 1) Viễn thám ứng dụng quản lý biến đổi môi trường: - Điều tra biến đổi sử dụng đất lớp phủ; - Xây dựng đồ lớp phủ thực vật; - Nghiên cứu trình sa mạc hoá phá rừng; - Giám sát thiên tai (hạn hán, lũ lụt, cháy rừng, bão, mưa đá, sương muối,…); - Nghiên cứu ô nhiễm nước không khí 2) Viễn thám ứng dụng điều tra đất: - Xác định phân loại vùng thổ nhưỡng; - Đánh giá mức độ thoái hoá đất, tác hại xói mịn, q trình muối hố 3) Viễn thám lâm nghiệp, diễn biến rừng: - Điều tra phân loại rừng, diễn biến rừng: - Nghiên cứu côn trùng sâu bệnh phá hoại rừng 4) Viễn thám quản lý sử dụng đất: - Thống kê thành lập đồ sử dụng đất; - Điều tra giám sát trạng thái mùa màng thảm thực vật 5) Ứng dụng viễn thám địa chất: - Thành lập đồ địa chất; - Lập đồ phân bố khoáng sản; - Lập đồ phân bố nước ngầm; - Lập đồ địa mạo 6) Viễn thám nghiên cứu tài nguyên nước: - Lập đồ phân bố tài nguyên nước; - Bản đồ phân bố tuyết; - Bản đồ phân bố mạng lưới thuỷ văn; - Bản đồ vùng đất thấp 7) Viễn thám địa chất cơng trình: - Xác định vị trí khảo sát cho xây dựng cơng trình; - Nghiên cứu tượng trượt lở đất 8) Viễn thám môi trường đô thị: - Theo dõi kiểm kê đất đai đô thị; 9) Viễn thám khảo cổ học: - Phát thành phố cổ, dịng sơng cổ hay di khảo cổ khác 10) Viễn thám khí tượng: - Đánh giá định lượng lượng mưa, giám sát, cảnh báo bão lũ lụt, hạn hán; - Đánh giá, dự báo dịng chảy, đánh giá tài ngun khí hậu, phân vùng khí hậu - Tích hợp thơng tin viễn thám với thông tin quan trắc từ bề mặt phục vụ cho công tác điều tra bản, quản lý tài nguyên thiên nhiên nguồn số liệu đầu vào cho mơ hình giám sát, cảnh báo dự báo khí tượng thuỷ văn mơi trường Về lĩnh vực Cơ quan Khí tượng nhiều nước xây dựng hệ thống tích hợp thơng tin viễn thám, nhằm giám sát cán cân lượng nước như: hệ thống giám sát cán cân lượng nước Châu Âu “European Energy and Water Balance Monitoring System” (EWBMS) áp dụng thành công Châu Âu đặc biệt Hà Lan, Tây Ban Nha, Châu Phi; hệ thống giám cán cân lượng nước Trung Quốc “China Energy and Water Balance Monitoring System” Những kết từ hệ thống ứng dụng nhiều lĩnh vực Sau số ứng dụng quan trọng: Nông nghiệp: - Dự báo cảnh báo sớm suất mùa màng (Crop yield forecasting and early famine warning) - Giám sát cảnh báo sớm châu chấu (Locust monitoring and early warning) Thuỷ văn: - Nghiên cứu cán cân nước cho vùng (Regional water balance studies) - Kế hoạch phân phối nước (Water distribution planning) - Quản lý nước (Real time water basin management) Môi trường: Hình 1.2 Cửa sổ hiển thị danh sách kênh phổ làm việc Hình 1.3 Các cửa sổ hiển thị liệu ảnh 1.2 Các chức hệ thống ENVI ENVI đơn giản hố q trình xử lý tương tác với tập liệu đa kênh phổ, hiển thị lập thư viện phổ, đồng thời cung cấp khả hiển thị duyệt ảnh tảng địa lý Chức xử lý ảnh ENVI bao gồm: • Chuyển đổi liệu: biến đổi ảnh hay kênh phổ đầu vào thành kênh phổ đầu ra, làm bật đối tượng quan tâm • ENVI cung cấp cơng cụ thích hợp cho việc sử dụng thư viện phổ xây dựng sẵn • ENVI cho phép sử dụng hàm toán học dải phổ (band) toán học phổ mềm dẻo, cho phép người sử dụng đưa vào biểu thức tốn học phức tạp, hàm thủ tục mà chúng truy cập hàm sử lý ma trận IDL • ENVI có khả xử lý liệu Radar SAR (ERS-1, JERS-1, RADARSAT, SIR-C, X-SAR, AIRSAR) • ENVI có cơng cụ cho phép tạo liệu đồ hoạ cuối từ liệu ảnh 2-P5 • Một cơng cụ tích hợp import, export phân tích liệu GIS cho phép xử lý liệu hệ thông tin địa lý ENVI II NGƠN NGỮ LẬP TRÌNH IDL 2.1 Khái qt ngơn ngữ lập trình IDL IDL (Interactive Data Language) ngơn ngữ lập trình hướng đối tượng, mơi trường tính tốn thân thiện cho phân tích tương tác hiển thị trực quan liệu, nói rằng: IDL ngơn ngữ hướng ma trận, hỗ trợ phân tích tốn học kỹ thuật thị đồ hoạ Do đó, IDL dùng lập trình phần mềm xử lý ảnh IDL hỗ trợ cấu trúc mảng cấu trúc Một cấu trúc tập hợp đại lượng vô hướng, ma trận, cấu trúc khác chứa biến Do vậy, tuỳ vào nhu cầu người sử dụng, dùng ngơn ngữ để lập trình tương tác, khảo sát liệu, lập trình tạo module xử lý công việc 2.2 Một số đặc trưng dử dụng ngơn ngữ IDL IDL ngơn ngữ có cấu trúc hồn chỉnh, sử dụng cách tương tác với người sử dụng, tạo hàm, thủ tục hay ứng dụng phức tạp • Các toán tử hàm làm việc tồn ma trận, phân tích tương tác đơn giản làm giảm đáng kể thời gian lập trình • Biên dịch thực thi câu lệnh IDL cung cấp phản hồi thực hành tương tác • Vẽ đồ thị (plotting) 2D nhanh chóng, vẽ đồ thị đa chiều (multi-dimensional plotting), hiển thị trực quan dạng 3D (volume visualization), hiển thị ảnh tạo hoạt hình (animation) cho phép quan sát tức kết tính tốn người sử dụng • Hỗ trợ OpenGL - đồ hoạ nhanh chóng dựa vào phần cứng Khả Input/Output mềm dẻo IDL cho phép đọc nhiều kiểu liệu có định dạng theo yêu cầu người sử dụng theo hỗ trợ IDL • Những đối tượng đồ hoạ đơn giản IDL (Widgets) sử dụng để nhanh chóng tạo giao diện đồ hoạ người dùng cho chương trình ứng dụng • Các chương trình IDL chạy hệ điều hành khác (UNIX, Macintosh Microsoft Windows) với chỉnh sửa nhỏ khơng cần chỉnh sửa Tính linh hoạt ứng dụng cho phép người sử dụng dễ dàng làm việc với IDL nhiều loại máy tính đa dạng khác • Các routine viết ngơn ngữ FORTRAN C liên kết động IDL III TRÌNH TỰ SỬ DỤNG ENVI TRONG XỬ LÝ ẢNH VIỄN THÁM Các module tính tốn xây dựng dựa ngơn ngữ IDL tích hợp phần mềm ENVI kết nối với ENVI thông qua công cụ Band Math Các module tính tốn lưu dạng file *.pro Mỗi module tính tốn thành phần khác nhau: - sst.pro: tính tốn nhiệt độ mặt nước biển - lst.pro: tính tốn nhiệt độ bề mặt lớp phủ - lswi.pro: tính tốn số hạn hán 3-P5 Sau phần mềm ENVI cài đặt vào máy tính, tiến hành bước sau: - Copy module vào thư mục …\IDL62\products\ENVI42\save_add - Khởi động phần mềm ENVI - Biên dịch module - Mở ảnh cần tính - Nắn chỉnh ảnh - Sử dụng module tính tốn lưu kết - Biên tập in ảnh 3.1 Khởi động phần mềm ENVI Để kích hoạt phần mềm ENVI, sử dụng cách sau: • Kích đúp vào biểu tượng ENVI hình, phần mềm kích hoạt xuất thực đơn lệnh ENVI cửa sổ IDL Development Environment • Click vào menu Start Task bar hình nền, vào All Programs\RSI ENVI 4.2\ENVI, hình xuất thực đơn ENVI 3.2 Biên dịch module Các module tính tốn sau copy vào thư mục save_add cần biên dịch để sử dụng Việc biên dịch module tiến hành sau: • Click vào menu File cơng cụ ENVI, công cụ sổ xuống, click chọn Compile IDL Module • Hộp thoại Enter Module Filename xuất cho phép chọn file module cần biên dịch • Chọn file module, click vào Open để biên dịch (hình 3.1) Hình 3.1 Biên dịch module ENVI 3.3 Mở file ảnh • Chọn File\Open Image File (hình 3.2) • Hộp thoại Enter Input Data File xuất cho phép chọn file ảnh cần mở (hình 3.2) • Chọn file ảnh cần mở kích vào Open • Hộp thoại Available Bands List xuất hình có cấu trúc danh sách Danh sách cho phép ta chọn kênh phổ để hiển thị xử lý (Hình 3.3) 3.4 Nắn chỉnh ảnh Phần mềm ENVI hỗ trợ nhiều phương pháp nắn ảnh: 4-P5 a Nắn ảnh theo đồ • Mở ảnh cần nắn: Lựa chọn phương pháp nắn ảnh theo đồ: chọn Map\Registration\Select GSPs: Image to Map để chọn điểm khống chế mặt đất (hình 3.4) Hình 3.2 Mở ảnh ENVI Hình 3.3 Mở ảnh danh sách Available Bands List Hình 3.4 Lựa chọn phương pháp nắn ảnh theo đồ • Trên hình xuất hộp thoại Image to Map Registration cho phép ta chọn tham số phép chiếu, lưới chiếu, múi chiếu, đơn vị kích thước pixel cho phù hợp (hình 3.5) Sau chọn xong, nhấn OK để bắt đầu thực việc chọn điểm khống chế Hộp thoại chọn điểm khống chế - Ground Control Points Selection xuất cho việc chọn điểm (Hình 3.6) o Di chuyển trỏ chuột đến vị trí điểm biết tọa độ nhập tọa độ vào ô tọa độ trống hộp thoại Ground Control Points Selection ƒ Vị trí trỏ xác định giao điểm dấu thập đỏ xuất cửa sổ Zoom ảnh nắn 5-P5 ƒ Hình 3.5 Chọn tham số địa lý hình học phù hợp Tọa độ điểm khống chế nhập vào dạng tọa độ đồ tọa độ địa lý cách chọn vào phím mũi tên lên xuống góc bên trái hộp thoại Ground Control Points Selection để chuyển hai chế độ nhập tọa độ (Hình 3.6) Hình 3.6 Chọn điểm khống chế - Ground Control Points Selection o Mở file đồ vectơ: Chọn Vector\Open Vector File chọn định dạng file vectơ phù hợp (hình 3.7 Hình 3.7 Mở file vectơ – Open Vector File 6-P5 o Sau chọn file vectơ cần mở nhấn OK, định dạng file vectơ ENVI hình xuất hộp thoại yêu cầu chuyển file vectơ vừa mở sang định dạng file vectơ ENVI *.evf Ta lưu vào nhớ tạm thời cách chọn Memory chọn File để lưu thành file Để lưu thành file ta chọn Choose chọn đường dẫn đến thư mục định lưu Nhấn OK để thực (Hình 3.8) o Hộp thoại Danh sách file vectơ – Available Vectors List xuất hiện, chọn file vectơ cần mở danh sách, nhấn Load Selected\New Vector Layer để mở file vectơ (Hình 3.9) o Chọn cặp điểm khống chế tương ứng ảnh file đồ vectơ, nhập tọa độ điểm khống chế quan sát góc phía bên trái cửa sổ vectơ, nhấn Add hộp thoại Ground Control Points để chấp nhận Để thuận lợi cho nhập tọa độ điểm khống chế, sau chọn cặp điểm tương ứng ảnh file vectơ, ta nhấn chuột phải cửa sổ vectơ chọn Export Map Location, tọa độ điểm tự động cập nhật vào ô tọa độ điểm khống chế hộp thoại Ground Control Points Selection Hình 3.8 Chuyển file vectơ sang định dạng ENVI Hình 3.9 Mở file vectơ 7-P5 o Chú ý nên chọn cho điểm khống chế phân bố toàn ảnh, sai số RMS cuối hộp thoại Ground Control Points Selection cố gắng đạt mức nhỏ pixel chọn tối thiểu điểm cho phương pháp nắn đơn giản Sau chọn đủ số điểm, ta chọn Options/Warp File hộp thoại Ground Control Points Selection, chọn tiếp file tương ứng chọn ba phương pháp nắn – Warp Method để tiến hành nắn ảnh (Hình 3.11) ƒ Phương pháp RST – Rotating, Scaling, Translation: thực chuyển dịch đơn giản: xoay, xác định tỷ lệ tịnh tiến ảnh ƒ Phương pháp Polynomial – Hàm đa thức: phương pháp cho kết tốt phương pháp RST, với yêu cầu số số điểm khống chế N tương ứng với bậc hàm n sau: N > (n+1)2 ƒ Phương pháp Triangulation – lưới tam giác: ENVI sử dụng nguyên lý tam giác Delaunay để nắn ảnh cách chọn điểm khống chế làm đỉnh tam giác không tiến hành nội suy Hình 3.10 Chọn điểm khống chế Để tiến hành nắn ảnh ta phải lựa chọn ba phương pháp tái chia mẫu–Resampling cho đạt kết mong muốn (Hình 3.11) ƒ Nearest Neighbor – người láng giềng gần sử dụng giá trị pixel gần mà không cần tiến hành nội suy ƒ Bilinear – hàm song tuyến: tiến hành nội suy tuyến tính sử dụng giá trị bốn pixel ƒ Cubic Convolution – xoắn lập phương: sử dụng hàm lập phương với giá trị 16 pixel để tiến hành nội suy ƒ Sau chọn phương pháp phù hợp ta nhấn Choose để chọn đường dẫn lưu kết quả, nhấn OK để thực nắn ảnh (hình 3.11) ƒ File tọa độ điểm khống chế chọn lưu lại để kiểm tra cách chọn File/Save GCPs hộp thoại Ground Control Points Selection 8-P5 Hình 3.11 Chọn phương pháp nắn ảnh b Nắn ảnh theo ảnh Phần lớn bước thực phương pháp nắn ảnh theo ảnh giống với phương pháp nắn ảnh theo đồ không trình bày chi tiết phần Mở ảnh cần nắn ảnh gốc dùng để tham chiếu Chọn phương pháp nắn ảnh theo ảnh: Map\Registration\Select GSPs: Image to Image Trên hình xuất hộp thoại Image to Image Registration, chọn Base Image - Ảnh tham chiếu Warp Image - Ảnh nắn tương ứng với cửa sổ hiển thị ảnh (Hình 3.12) Hình 3.12 Chọn ảnh nắn ảnh gốc tham chiếu Chọn cặp điểm khống chế ảnh tương tự phần nắn ảnh theo đồ Khi số điểm khống chế ảnh đủ, tiến hành nắn ảnh Options\Warp file chọn phương pháp nắn mong muốn 3.5 Sử dụng module tính tốn lưu kết Các module tính tốn viết ngơn ngữ IDL liên kết với ENVI thông quan công cụ Band math Band math công cụ xử lý ảnh mềm dẻo với nhiều khả khơng tìm thấy hệ thống xử lý ảnh khác Vì người sử dụng ENVI có u cầu riêng biệt, cơng cụ Band math cho phép người sử dụng tự xây dựng thuật tốn xử lý họ tiến hành tính tốn ENVI Việc tính tốn số hay giá trị từ ảnh dựa vào xạ thu kênh phổ Mỗi số tính từ kênh phổ khác cần nắm rõ kênh phổ sử dụng module tính toán Bảng 3.1 giới thiệu kênh phổ tương ứng với module 9-P5 Bảng 3.1 Các kênh phổ sử dụng module Module Kênh phổ sst.pro b1, b2, b3, b4, b17, b18, b19, b31, b32 lst.pro b1, b2, b3, b4, b17, b18, b19, b31, b32 lswi.pro b1, b2, b3, b4, b6 Để tiến hành tính tốn, thực thao tác sau: • Chọn Basic Tools\Band Math, cửa sổ Band Math xuất hiện, cửa sổ cho phép ta gọi module cần tính tốn (hình 3.13) • Trong hộp thoại Enter an expression gõ dòng lệnh để gọi module theo cấu trúc sau: tên_module(các kênh phổ tương ứng) Ví dụ: để gọi module tính nhiệt độ mặt nước biển ta gõ lệnh sau: sst(b1,b2,b3,b4,b17,b18,b19,b31,b32) Click OK sau gõ xong lệnh Hình 3.13 Gọi module tính tốn Hình 3.14 Gán biến lưu kết • Cửa sổ Variables to Bands Pairings xuất Cửa sổ có hộp thoại (hình 3.14) - Hộp thoại Exp: mơ tả dòng lệnh vừa gõ - Hộp thoại Variables used in expression: hiển thị kênh phổ cần sử dụng - Hộp thoại Available Bands List: hiển thị file bands mở, hộp thoại không hiển thị gì, click vào nút Map Variable to Input File để mở file Tương ứng biến hộp Variables used in expression gán kênh phổ hộp Available Bands List Sau biến gán phía cửa sổ xuất số hộp thoại lựa chọn: ƒ Spatial Subset: click vào cho phép lựa chọn khu vực ảnh cần tính tốn mà khơng phải tính cho hết ảnh 10-P5 ƒ Output Result to: lựa chọn việc lưu giữ kết nhớ (Memory) hay File Nếu lựa chọn file hộp thoại Enter Output Filename xuất hiện, gõ đường dẫn click Choose để lựa chọn đường dẫn Click OK sau hoàn thành, ENVI tiến hành tính tốn 3.6 Biên tập in ảnh – Quick Map Quick Map công cụ đơn giản để biên tập tạo đồ để in cách nhanh chóng ENVI ƒ Từ cửa sổ ảnh ta chọn File\Quick Map\New Quick Map Trên hình xuất hộp thoại Quick Map Default Layout cho phép ta chọn kích thước giấy in – Output Paper Size, chiều giấy in – Orientation tỷ lệ đồ - Map Scale (hình 3.16) ƒ Tiếp đến xuất hộp thoại Quick Map Image Selection cho phép ta xác định giới hạn không gian khu vực dự định thể lên đồ Hình 3.15 Chồng lớp vectơ lên ảnh Hình 3.16 Xác định tham số ban đầu đồ ƒ Sau chọn khu vực thể lên đồ, hình xuất hộp thoại Quick Map Parameters cho phép ta đưa tiêu đề - Main Title, ghi bổ sung, lựa chọn thước tỷ lệ - Scale Bars, kiểu lưới – Grid Lines mũi tên định hướng – North Arrow Type đồ Hoàn tất tham số, ta đồ có dạng hình 3.17 Hình 3.17 Bản đồ ảnh biên tập ENVI 11-P5 Phụ lục modul Các module thành phần Module LST lst1.pro function lst1, b1, b2, b3, b4, b17, b18, b19, b31, b32 ;b1 He so phan xa kenh ;b2 He so phan xa kenh ;b2 He so phan xa kenh ;b2 He so phan xa kenh ;b17 He so phan xa kenh 17 ;b18 He so phan xa kenh 18 ;b19 He so phan xa kenh 19 ;b31 He so phan xa kenh 31 ;b32 He so phan xa kenh 32 ;*****************************: ; Tach may ; Neu (b1>0.2) or (b3 > 0.21) or (b4 > 0.23) thi cloud ;*****************************; b=(b1 lt 0.2) and (b3 lt 0.21) and (b4 lt 0.23) b2= b*b2 b17= b*b17 b18= b*b18 b19= b*b19 b31= b*b31 b32= b*b32 ;*****************************: ; Tinh emissive ; Tinh NDVI = (NIR - RED)/(NIR + RED) ; If NDVI 0.5 then ; e = 0.99 ; de = 0.001 ; If NDVI >0.2 and NDVI < 0.5 then ; e = 0.971 + 0.018*Pv ; de = 0.006*(1 - Pv) ; Pv = (NDVI - NDVImin)^2/(NDVImax - NDVImin)^2 ;*****************************; NDVI = (b2-b1)/(b2+b1) Pv = ((NDVI - 0.2)^2)/((0.5-0.2)^2) e=(NDVI lt 0.2)*(0.9832-0.058*b1) + (NDVI gt 0.5)*(0.99) + ((NDVI ge 0.2) and (NDVI le 0.5))*(0.971+0.018*Pv) de=(NDVI lt 0.2)*(0.0018-0.06*b1) + (NDVI gt 0.5)*(0.001) + ((NDVI ge 0.2) and (NDVI le 0.5))*(0.006*(1-Pv)) ;*****************************; ; Tinh G17 ; G17=b17/b2 ;*****************************; g17=b17/b2 1-P.Modul ;*****************************; ; Tinh G18 ; G18=b18/b2 ;*****************************; g18=b18/b2 ;*****************************; ; Tinh G19 ; G19=b19/b2 ;*****************************; g19=b19/b2 ;*****************************; ; Tinh W17, W18, W19 ; W17 = 28.449*G17^2 - 54.434*G17 + 26.314 ; W18 = 27.884*G18^2 - 23.017*G18 + 5.012 ; W17 = 19.914*G19^2 - 26.887*G19 + 9.446 ;*****************************; w17 = 28.449*g17^2 - 54.434*g17 + 26.314 w18 = 27.884*g18^2 - 23.017*g18 + 5.012 w19 = 19.914*g19^2 - 26.887*g19 + 9.446 ;*****************************; ; Tinh water vapor ; W = 0.192*W17 + 0.453*W18 + 0.355*W19 ;*****************************; w = 0.192*w17 + 0.453*w18 + 0.355*w19 ;*****************************: ; Tinh nhiet phat sang kenh 31, 32 ; Ti=14388/(lamda*log(1+119110000/(lamda^5*bi))) ;*****************************; t31=14388/(11.03*alog(1+119110000/(11.03^5*b31))) t32=14388/(12.02*alog(1+119110000/(12.02^5*b32))) ;*****************************; ; Tinh lst1 theo cong thuc ; lst1 = 0.97+0.13*w+(1+(0.112+0.006*w)*(1-e)/e+(0.52+0.02*w)*de/e/e)*(t31+t32)/2+(9.98-0.32*w+(-36.15-0.42*w)*(1-e)/e +(130.8 10.72*w)*de/e/e)*(t31-t32)/2 ;*****************************; result = 0.97+0.13*w+(1+(0.112+0.006*w)*(1-e)/e+(0.52+0.02*w)*de/e/e)*(t31+t32)/2+(9.98-0.32*w+(-36.15-0.42*w)*(1-e)/e +(130.8 10.72*w)*de/e/e)*(t31-t32)/2 -273.15 return, result end Module SST SST1.pro function sst1, b1, b3, b4, b31, b32 ;b1 He so phan xa kenh ;b3 He so phan xa kenh ;b4 He so phan xa kenh ;b31 He so phan xa kenh 31 ;b32 He so phan xa kenh 32 ;*****************************: 2-P.Modul ; Tach may ; Neu (b1>0.2) or (b3 > 0.21) or (b4 > 0.23) thi cloud ;*****************************; b=(b1 lt 0.2) and (b3 lt 0.21) and (b4 lt 0.23) and (b1 ne 0) b=alog(b)+1 b31= b*b31 b32= b*b32 ;*****************************: ; Tinh nhiet phat sang kenh 31, 32 ; Ti=14388/(lamda*log(1+119110000/(lamda^5*bi))) ;*****************************; t31=14388/(11.03*alog(1+119110000/(11.03^5*b31))) t32=14388/(12.02*alog(1+119110000/(12.02^5*b32))) ;*****************************; ; Tinh sst1 theo cong thuc ; sst1 = T31+3.83*(T31-T32)+0.14 ;*****************************; result = t31 + 3.83*(t31-t32) + 0.14 - 273.15 return, result end Module số thực vật a ndvi.pro function ndvi, b1, b2, b3, b4 ; b1: he so phat xa kenh ; b2: he so phat xa kenh ; b3: he so phat xa kenh ; b4: he so phat xa kenh ;******************************************: ; Loai may ; Neu (b1>0.2) or (b3 > 0.21) or (b4 > 0.23) thi cloud ;*****************************; b=(b1 lt 0.2) and (b3 lt 0.21) and (b4 lt 0.23) b2= b*b2 b1= b*b1 ;***************************************; ; Tinh NDVI ; NDVI = (b2 - b1)/(b2 + b1) ;***************************************; result = (b2 - b1)/(b2+b1) return, result end b avi.pro function avi, b01, b02, b1, b2, b3, b4, b5, b6, b7, b8, b9, b10, b11, b12 ;***************************************; ; b01 Hệ số phản xạ kênh (RED) ; b02 Hệ số phản xạ kênh (NIR) ; b1, b2, b3, b4, b5, b6, b7 ,b8, b9, b10, b11, b12 NDVI trung bình tháng ;***************************************; avi = (b02 - b01)/(b02 + 0b1) - (b1 +b2 +b3 + b4 + b5 + b6 + b7 + b8 + b9 + b10 + b11 + b12)/12 3-P.Modul return, avi end c vci.pro function vci, b01, b02, b1, b2, b3, b4, b5, b6, b7, b8, b9, b10, b11, b12 ;***************************************; ; b01 Hệ số phản xạ kênh (RED) ; b02 Hệ số phản xạ kênh (NIR) ; b1, b2, b3, b4, b5, b6, b7 ,b8, b9, b10, b11, b12 NDVI trung bình tháng ; ndvimax Chỉ số thực vật lớn ; ndvimin Chỉ số thực vật nhỏ ;***************************************; ndvi = (b02 - b01)/(b02 + b01) ndvimax = b1>b2>b3>b4>b5>b6>b7>b8>b9>b10>b11>b12 ndvimin = b1