Nghiên cứu hệ thống tích hợp viễn thám và gis trong xây dựng cơ sở dữ liệu không gian phục vụ quản lý đô thị

Œ #/q UBND THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH SỞ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ VÀ MÔI TRƯỜNG ete BáO CáO TỔNG HỢP ĐỀ Tài NGHIÊN €ỨI! HỆ THỐNG TÍÊM HỢP MIỄN THÁM & GIS TRONG XAY DỰNG CO Sd OU LIEU KHONG GIAN PHỤ€ WỤ QUAN LY BO TH] (CO QUAN CHU TRI: OMT HOC RACH KHON TP.HO CHI MINH Chủ nhiệm đề tài: TS LÊ VĂN TRUNG Ths LAM DAO NGUYEN Thành phố Hồ Chí Minh, tháng7 năm 2003 AS s Để tài Nghiên Cửu Khoa Học Por ye THÔNG TIN CHUNG VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ +I Tên để tài: NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TÍCH HỢP VIỄN THÁM & GIS TRONG XÂY DỰNG Mã số: €Ơ SỞ DỮ LIỆU KHÔNG GIAN (PHỤC VỤ THÀNH LẬP CƠ SỞ DỮ LIỆU CHO SAGOGIS) Thời gian thực Từ tháng 6/2001 đến tháng 12/2002 NN Cấp quản lý: Cấp Thành phố Bộ, Tỉnh cs Thuộc Chương trình: Ứng dụng GIS quản lý đô thị Sore Chủ nhiệm đề tài: Họ tên: LÊ VĂN TRUNG Học hàm / học vị : Tiến sĩ Chức danh khoa học : Giảng viên Điện thoại: 8655142 (CQY (NR); 8652387 Mobile: 0903802647 E-mail: Lvtrung @ hemut edu.vn Dia chi co quan: số 268 đường Lý Thường Kiệt Q.10 Thành phố Hơ Chí | Minh Dia chi nha riéng: K8BIS BUU LONG PHUONG 15 QUAN 10 TP HOCHIMINH Co quan quan ly: Sở KHOA HỌC CÔNG NGHỆ VÀ MÔI TRƯỜNG Thành phố Hồ Chi Minh Địa chỉ: 244 Điện Biên Phú, Quận 3, Tp Hỗ Chí Minh Điện thoại: (84-8) 9325425 § Cơ quan chủ trì: Đại Học Bách Khoa ~ Đại Học Quốc Gia TP.HCM Địa : số 268 đường Lý Thường Kiệt Q.10 Thành phố Hồ Chí Minh Điện thoại: §655142 Fax: 8653823 Cơ quan phối hợp chính: © Phịng Tin Học & Viễn Thám Phân Viện Vật Lý Tp Hồ Chí Minh Sở Địa Chính Nhà Đất Thành Phố Hồ Chí Minh Hội Trắc Địa Bản Đơ Thành phố Hồ Chí Minh Cơng ty Đo Đạc Địa Chính Cơng Trình Trung Tâm Viễn thám- Tổng Cục Địa Chính Nghiên Cứu Hệ Thống Tích Hợp Viễn Thám & GIS Dé tai Nghién Citu Khoa Hoc DANH SACH NHUNG NGUO! THYC HIEN VA PHO! HOP CHINH TT Ho tên Cơ quan công tác | TS Trần Trọng Đức | TS Nguyễn Ngọc Lâu Bộ môn | TS Lê Trung Chơn Trắc Địa Thông Tin Địa Lý | KS Lê Tiến Thuần Đại Học Bách Khoa | ThS Lê Thị Ngọc Liên | KS Nguyễn Tấn Lực Tp Hồ Chí Minh | PGS TS Trần Tấn Lộc | ThS Lâm Đạo Nguyên 9| 10 | 11 | 12 | 13 | Phòng Tin Học ThS Phạm Bách Việt TS Hồ Đình Duẫn CN Trần Thái Bình CN Phạm Thị Mai Thy CN Trần Đình Trung Viễn Thám Phân Viện Vật Lý Tp Hồ Chí Minh 14 | KS.Văn Hùng Tiến Sở Địa Chính Nhà Đất Tp Hồ Chí Minh 15 | KS.Chu Tất Thịnh TT Viễn thám- TC Địa Chính 16 | KS.Lê Hữu Giáp Hội Trắc Địa-Bản Đồ TP HCM 17 | KS.Trương Anh Phong Cơng ty Đo Đạc Địa Chính Cơng Trình TĨM TẮT TỔ CHỨC ĐĂNG KÝ CHỦ TRÌ ĐỀ TÀI Tên tổ chức Bộ môn Trắc Địa Thông Tin Địa Lý Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng - Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh Năm thành lập: 1957 Địa chỉ: 268 Lý Thường Kiệt Quận 10 TP HCM Điện thoại: 8655142 Fax: 8653823 E-mail: survey@dce.hcmut.edu.vn Chức năng, nhiệm vụ loại hình nghiên cứu chủ yếu Bộ môn Trắc Địa Thông Tin Địa Lý, Trường Đại Học Bách Khoa, Đại Học Quốc Gia TP Hỗ Chí Minh có nhiệm vụ đào tạo Đại học Chính quy, Tại chức Sau Đại học chuyên ngành Địa Tìn Học (Geomatics Engineering) bao gồm lĩnh vực Trắc địa, Bản đồ, Viễn thấm, Công nghệ thông tin địa ly (GIS), Định vị toàn cầu (GPS) va Dia Với nhân lực trang thiết bị có, Bộ mơn phối hợp với Phịng Tin học— Viễn thám thuộc Phân viện Vật lý Tp Hỗ Chí Minh để triển khai ứng dụng GIS đáp ứng yêu cầu công tác quản lý đô thị quản lý nhà nước tỉnh thành phố khu vực phía nam Nghiên Cứu Hệ Thống Tích Hợp Viễn Thám & GIS SỞ KHOA HỌC, CÔNG NGHỆ VÀ MÔI TRƯỜNG TP HỒ CHÍ MINH WHS ĐỀ TÀI : NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TÍCH HỢP VIỄ N THÁM VÀ GIS af TRONG XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU KHÔNG GIA N jÏ PHỤC VỤ QUẦN LÝ ĐÔ THỊ CƠ QUAN CHỦ TRÌ : TRƯỜNG ĐẠI HỌC CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI : TS LẺ VĂN TRUNG BÁCH KHOA TP HCM Ths LAM DAO NGUYEN — IP H& Chi Minh, thang 07/2003 _ —_ LOI NOI DAU Sở KHOA HỌC, CÔNG NGHỆ VÀ MÔI TRƯỜNG TP.HCM xây dựng dự án Hệ thống thơng tin địa lý TP Hổ Chí Minh (SAGOGIS) nhằm chia sẻ đữ liệu Sở, Ban, Ngành, Quận (Huyện) cung cấp thông tin nhanh, chuẩn xác giúp UBND thành phố tăng cường lực quản lý thị Để tài “Nghiên cứu Hệ thống tích hợp Viễn Thám GIS xây dựng sở liệu không gian phục vụ quân lý đô thị” triển khai bước chuẩn bị cho việc cung cấp giải pháp kỹ thuật hiệu thu thập thông tin liệu không gian cho Trung tâm SAGOGI S, đồng thời hỗ trợ quan liên quan xây dựng lớp thơng tin chun để Để có sở liệu nhiễu cấp độ khác (đa tỉ lệ, đa thời gian ) nến sử đụng kỹ thuật truyền thống, đồi hỏi thành phố phải đầu tư thời gian kinh phí lớn Giải pháp tích hợp Viễn Thám GIS xây dựng sở đữ Hệu không gian nhân tố quan trọng có tính định để đẩy mạnh ứng đụng phát triển công nghệ viễn thám GIS, Vé mat kinh tế rút ngắn thời gian điểu tra, đo đạc, thu thập cập nhật đữ liệu; mặt khoa học tạo giải pháp xây dựng Hệ thống thông tin thành phố mặt xã hội hỗ trợ cho phân hệ việc nâng cao trình độ cho cán tham gia xây dựng cập nhật liệu chuyên phép đáp ứng yêu câu hiệu chỉnh cập nhật nhanh liệu không gian điện rộng hiệu Sân phẩm đề tài thực đưới chủ trì Trường Đại Học Bách Khoa liên kết với Phân Viện Vật Lý TP.HCM cộng tác chặt chế nhiễu chuyên gia Hội Trắc Địa-Bản Đổ TP Hồ Chí Minh, sản phẩm bao gồm: 1)_ Báo cáo tổng hợp thể tất nội dung để tài kết đạt trình nghiên cứu - 2) Các phụ lục dạng báo cáo chuyên để (4 tập), bao gồm: @ Số liệu thống kê vùng mẫu loại hình sử dụng đất ® Quy trình thành lập Bản đồ trạng sử dung đất $ Hướng dẫn sử đụng chương trình quản lý sử dụng đất © Hướng dẫn sử đụng chương trình quản lý giao thông 3)_ Phần mềm trợ giúp quản lý sử dụng đất 4) Phần mềm trợ giúp quản lý giao thơng Đại diện nhóm nghiên cứu xin chân thành cẩm ơn Sở KHOA HOC, CONG NGHỆ VÀ MÔI TRƯỜNG TP HCM hỗ trợ tạo điểu kiện thuận lợi cho việc triển khai để tài, đồng thời cảm ơn cộng tác hiệu qủa quan chuyên gia góp phần cho thành công để tài Dé Tai Nghién Cứu Khoa Hoc - Mục Lục Lời nói đầu “ Muc luc Muc luc bang Mục lục hình CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1 CƠ SỞ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI _— 1.1.1 Nhu cầu kinh tế xã hội 1.1.2 Tổng quan vấn để nghiên cứu liên quan 1.1.3 Triển vọng áp dụng kết nu 1.2 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI 2s 22221 21222 ° CHƯƠNG 2: HIỆN TRẠNG ỨNG DỤNG VIỄN THÁM TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH 221 .ztzEE EEEEEE EEEE 2.1 THỰC TRẠNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM Ở VIỆT NAM 2.2 KHAO SAT DANH GIA HIEN TRANG VE DU Lift ANH VE TINH VÀ NGUỒN CUNG CẤP 22122218 lội 2.3 PHẦN MỀM XỬ LÝ VÀ PHÂN TÍCH DỮ LIỆU 2cccccccc14 2.4 CƠ SỞ CÔNG NGHỆ PHẦN CỨNG ĐƯỢC THIẾT LẬP 15 2.5 QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ GIẢI ĐOÁN ẢNH SỐ ĐANG ÁP DUNG 16 2.6 PHƯƠNG PHÁP TỔ CHỨC E221 .SE 2.7 KHẢO SÁT ĐÁNH GIÁ HIỆN TRẠNG NHÂN LỰC VÀ KHẢ NĂNG ĐÀO TẠO t0 1110 ereereeeeeeee CHƯƠNG 3: NHU CẦU ỨNG DỤNG VIỄN THÁM TẠI TP.HCM 3.1 TONG QUAN VE NHU CAU PHAT TRIEN CÔNG NGHỆ VIỄN ˆ e THÁM Ở VIỆT NAM ` 21 3.2 NHU CÂU SỬ DỤNG DỮ LIỆU ANH VIEN THÁM TAI TP HCM 24 3.3 NHU CAU VỀ CƠNG NGHỆ GIẢI ĐỐN ẢNH ` Nghiên Cứu Hệ Thống Tích Hợp Viễn Tham & GIS Đề Tài Nghiên Cúu Khoa Học 3.6 NHU CAU TÍCH HỢP VIỄN THÁM VÀ GIS ĐỂ XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU 222t222221111.110 011110.E11.-EEsree 28 3.7 NHU CẦU VỀ NỘI DUNG VÀ CẤP ĐỘ ĐÀO TẠO 29 CHƯƠNG 4: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍCH HỢP VIỄN THÁM VÀ GIS 31 4.1 TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN ĐỊA LÝ -.221EEEEE se 31 4.1.1 Khái niệm thông tin địa lý cS22E12115022EeEE eeerrree 31 4.1.2 Nguồn cung cấp thông tin địa lý -2-2ccvse+22222zsv2E2Esccerrr 32 4.1.3 Quy trình xử lý thơng tin địa lý . G se tre creerecxccecccee Scs 33 4.2 HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ (GI8) .2222E SE 34 4.2.1 Khái niệm Hệ thống thông tin địa "1 34 4.2.2 Các chức GIS .+ cs s21 kg te rrrerrrrrre 35 4.2.3 Cấu trúc liệu không gian 4.3 VIỄN THÁM (REMOTE SENSING) .40 4.3.1 Khái niệm liệu ảnh viễn thám SA USn HT nhe 42 4.3.2 Cấu trúc liệu ảnh số vệ tỉnh 2ssvEts2EetEEe2EEEcESeetrea 43 4.3.3 Tách thông tin viễn thám cv 22S E2 2E crxerresre 44 4.3.4 Giải đoán ảnh n2 H2 - 2e, -ccU 44 4.3.5 Xử lý ảnh viễn thám 2-5 -SSe SE SEE210112211121112 .- 11 0222252 45 4.4 TÍCH HỢP GIS VÀ VIỄN THÁM 222 22222212.521221 -: -ee 47 4.4.1 Nhu cầu liệu GIS thành phố -s-ccxeesvvvezvrvzrecrcre 47 4.4.2 Khả cung cấp liệu viễn thám .-sexy 49 4.4.3 Sự cần thiết tích hợp viễn thám GIS - 52 CHƯƠNG 5: MƠ HÌNH TÍCH HỢP VIỄN THÁM VÀ GIS 53 5.1 SỰ TƯƠNG THÍCH GIỮA DỮ LIỆU VIỄN THÁM VÀ GI5 53 5.2 THUẬT TOÁN CƠ BẢN TRONG XỬ LÝ ẢNH VIỄN THÁM 54 5.2.1 Biến đổi cấp độ xám cu Hong eeeererrrece .e 54 5.2.2 Thể mầu liệu ảnh 2/22css v2vrEErrrrrerrErrrrervev 55 5.2.3 Biến đổi ảnh v.v xteEEEELxeerirrrre - 22ccs eeree 56 3.2.4 Phân loại ảnh viễn thám 2-2 EEE2EEZESEEEESEEer recrerzse 58 Nghiên Cứu Hệ Thống Tích Hợp Viễn Thám & GIS Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học 3.2.5 Đánh giá kết phân loại ảnh viễn thám ƯƯ tt 61 5.3 MƠ HÌNH CHUYỂN ĐỔI DỮ LIỆU VIỄN THÁM VÀ GI8 63 CHƯƠNG 6: QUY TRÌNH TÍCH HỢP VIỄN THÁM VÀ GIS 67 6.1 QUY TRÌNH CƠ BẢN TRONG XỬ LÝ ẢNH VIỄN THÁM 67 6.2 QUY TRINH CUNG CAP THONG TIN CUA GIS vooscccseccccscceeseeseecce 68 6.3 QUY TRÌNH TÍCH HỢP VIỄN THÁM VÀ GI8 t2 6.4 QUY TRÌNH TÍCH HỢP VIỄN THÁM VÀ GIS TRONG THÀNH LẬP 70 BẢN ĐỒ SỬ DỤNG ĐẤT 21t 6.5 QUY TRÌNH TÍCH HỢP VIỄN THÁM VÀ GIS TRONG CẬP NHẬT DỮ LIỆU .222222222111 ne 21111 nTE1 75 CHƯƠNG 7: ỨNG DỤNG CƠNG NGHỆ TÍCH HỢP VIỄN THÁM VÀ GIS XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU n0 Ằ tị 7.1 TỔNG QUAN VỀ HUYỆN BÌNH CHÁNH .tt 77 7.1.1 Đặc điểm lịch sử hình thành phát triển 22212 T1 7.1.2 Đặc điểm địa lý ~ hành chánh .-2225sSSEE1112n 78 7.1.3 Các điều kiện tự nhiên -55 Snnnnnee TH cv, 79 7.1.4 Hiện trạng dân cư đất đai nnn 222 80 7.2 CƠ SỞ DỮ LIỆU NỀN 20t 2222 2ET te 81 7.5 PHƯƠNG PHÁP THÀNH LẬP DỮ LIỆU CHUYÊN ĐỀ 7.5.1 Giới thiệu -S c HH 1g kererrr rersers e 7.5.2 Chon vang Maw on ceccsssccssssssesssercersecesssstecessesessssesenne 7.5.3 Tạo ảnh thành phần 220 S2STHEn nen Nghiên Cúu Hệ Thống Tích Hợp Viễn Thám & GIS 101 10] 103 Dé Tai Nghiên Cứu Khoa Học 7.5.4 Lập khoá giải đoán ảnh 02 S2 TH re 105 7.5.5 Phan load ambos ecsssccsssesssssssesssssscerasesssssssasesissssitessiseesescoesecssece 107 7.5.6 Vector hod Anh phan lai .c.ccccesssssscscsesssssscssssssesssssassavscsseccccssecee 108 7.5.7 Thành lập đề trạng sử dụng đất huyện Bình chánh 110 7.6 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ BIẾN ĐỘNG ĐẤT 112 7.6.1 Khái niệm se s2 10211271 11101 + 112 7.6.2 Thành lập đồ biến động đất scnserescecce, 113 7.7 ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG ÁP DỰNG CÔNG NGHỆ TÍCH HỢP 7.7.1 Ưu điểm cơng nghệ tích hợp 2t 119 7.7.2 Nhược điểm công nghệ 22oo, "— 119 7.7.3 Những thuận lợi khó khăn phân loại ảnh vệ tinh 119 7.7.4 Khả ứng dụng cập nhật đữ liệu 22 te 120 7.7.5 Khả ứng dụng thành lập đô tt e 120 7.7.6 Đặc điểm biến động đất huyện Bình €hánh 22 120 7.7.7 Đề xuất giải pháp khả 25sceesieerv T2] CHƯƠNG 8: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH CẬP NHẬT VÀ KHAI THÁC ĐỮ LIỆU 2s22E2ctt:z2E2EE9222222::E2 124 8.1 GIỚI THIỆU CHUNG 2252222 20101 124 8.2 GIỚI THIỆU ARCVIEW VÀ NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH AVENUE 125 8.3 CÁC CHỨC NĂNG CHÍNH CỦA CHƯƠNG TRÌNH _.— 133 8.4 KHẢ NĂNG UNG DỤNG CỦA CHƯƠNG TRÌNH 137 8.4.1 Chương trình quản lý sử dụng đất G1 nhe 137 8.4.2 Chương trình quan lý giao thong s.cccscsssssssessssssssesssssocssesssseessess 144 8.5 ĐÁNH GIÁ CHUONG TRINH .sesscccsssccssssessssssccsssssocsssesscensssseeeeceece 148 Nghiên Cứu Hệ Thống Tích Hợp Viễn Thám & GIS Để Tài Nghiên Cứu Khoa Học MUC LUC BANG Bang 4.1 : Độ xác khơng gian liệu ảnh viễn thám 31 Bang 5.1 : Ma trận tương quan ảnh Landsat TM (7 kênh) 37 Bang 5.2 : Ma trận sai số phân loại 62 Bang 7.1 : Nhiệt độ trung bình tháng năm 79 Bang 7.2 : Số ngày mưa lượng mưa trung bình 79 Bang 7.3 : Số liệu đặc trưng sơng rạch 80 Bang 7.4 : Diện tích, dân số, mật độ dân cư huyện BC (số liệu 07/1996) 80 Bang 7.5 : Hiện trạng sử dụng đất đai 81 Bang 7.6 : Cấu trúc bảng đữ liệu thuộc tính 88 Bang 7.7 : Cấu trúc bảng liệu thuộc tính 91 Bang 7.8 : Số liệu thống kê mẫu: Nước (giá trị phổ ghi nhận cho ảnh Landsat) Bang 7.9 103 : Số liệu thống kê mẫu: Nước (giá trị phổ ghi nhận cho ảnh SPOT) 103 Bang 7.10: Ma trận biến động sử dụng đất Nghién Citu Hé Thong Tich Hop Vién Thém & GIS 116 Dé Tai Nghién Citu Khoa Hoc CHUONG MƠ HÌNH TÍCH HỢP VIỄN THÁM VÀ GIS Viễn thám công nghệ thu thập đữ liệu quan trọng va hiệu cho việc cập nhật xây dựng sở liệu GIS Để có quy trình thích hợp việc xử lý hiệu hai nguồn liệu nhận từ công nghệ viễn thám GIS phục vụ nhu cầu đa dạng ứng dựng GIS phục vụ quần lý đô thị, chương nhằm để xuất mô hình khơng sử dụng ảnh viễn thám phối hợp với liệu vector GIS mà phối hợp chức sẵn có hai cơng nghệ khai thác tối đa liệu thuộc tính nhằm đạt hiệu cao việc cung cấp thông tin 5.1 SỰ TƯƠNG THÍCH GIỮA DỮ LIỆU VIỄN THÁM VÀ GIS ¡Dữ liệu viễn thám xử lý lưu trữ dạng cấu trúc raster Hai mơ hình liệu vector raster thường sử đụng GIS để lưu trữ liệu khơng gian, đo việc tích hợp liệu viễn thám GIS dễ đàng thực Thí dụ: lớp thơng tin chun để số thực vật (NDVD) nguồn cung cấp thông tin phong phú cho lớp thực phủ GIS Ngược lại, lớp đữ liệu ranh giới, độ cao lưu GIS sé nguồn thông tin bổ trợ tốt cho việc phân loại xử lý ảnh a Anh viễn thám chuyển đổi dễ dàng vào loại liệu GIS mong muốn Với cơng nghệ nay, phần mềm GIS có module chuyển đổi mơ hình Hệu từ vector sang raster va từ raster sang vector bảo đảm tính xác khơng mát thơng tin Ngồi ra, chức chồng lớp (overlay) cho phép tích hợp hiển thị đồng thời hai lớp vector va raster, diéu cho phép cập nhật nhanh lớp liệu giao thông, thuỷ hệ, thực phủ, liệu nên, lớp đữ liệu chuyên để GIS (hiện trạng sử dụng đất, biến đổi đường bờ đọc sông, ) nhiều tỉ lệ khác cấp độ cập nhật khác a Dữ liệu viễn thám nguồn liệu GIS có tọa độ tham chiếu Sự tương đồng kỹ thuật xử lý ảnh viễn thám GIS thực tế hai kỹ thuật xử lý liệu khơng gian thành lập đồ số Diéu cho thấy yêu cầu đữ liệu khu vực có tọa độ tham chiếu, nên khía cạnh sở tốn học đữ liệu tương ứng hai công nghệ tham chiếu hệ tọa độ độ cao thống Do đó, tính hiệu vận Nghiên Cứu Hệ Thống Tích Hợp Viễn Thám & GIS 53 Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học hành, phân tích hiển thị di liệu nâng cao đáng kể cho người sử dụng, đồng thời bảo đầm tính thống liệu a_ Dữ liệu tích hợp tạo thuận lợi xây dựng cập nhật liệu Công nghệ viễn thám cho phép thành lập đồ tự động phạm vi rộng lớn cập nhật nhanh đữ liệu Các thông tin chuyên để tạo dạng số nên dễ dạng tổ chức thành lớp thông tin hợp lý cho việc lưu trữ, quản lý, phân tích hiển thị mơi trường GIS Ngược lại ngn liệu sẵn có GIS nguồn thông tin bổ trợ tốt cho việc nắn chỉnh hình học, tạo liệu mẫu, phân loại đánh giá chất lượng sau xử lý ảnh 5.2 THUAT TOÁN CƠ BẢN TRONG XỬ LÝ ẢNH VIỄN THÁM — Để cơng nghệ viễn thám cung cấp liệu đạng tương thích với GIS nhằm đạt hiệu cao việc cung cấp thông tin, số thuật toán chủ yếu cần thực hoàn chỉnh để hỗ trợ cho việc chuyển đổi cấp độ xám ảnh, tổ hợp màu, phân tích thành phân chính, phân loại ảnh giúp cho người giải đoán ảnh dễ đọc, đễ nhận biết nội dung hơn, từ xếp thơng có ảnh theo yêu cầu nhằm đáp ứng nhu cầu xây dựng cập nhật liệu không gian 5.2.1 Biến đổi cấp độ xám Thuật toán xây dựng nhằm biến đổi khoảng giá trị cấp độ xám thực tế ảnh khoảng cấp độ xám thích hợp với thiết bị hiển thị Đây kỹ thuật đơn giản để tăng cường chất lượng ảnh Kết việc áp dụng thuật toán tạo ảnh có hình ảnh rõ ràng ảnh gốc, giúp cho người giải đoán ảnh dễ đọc, dễ nhận biết nội dung Thuật toán biến đổi thường dựa theo hàm số sau: y=f (x) Trong y giá trị cấp độ xám sau biến đổi x giá trị cấp độ xám ảnh gốc Phép biến đổi tuyến tính bắn sau thường sử dụng: y=ax+b Nghiên Cứu Hệ Thống Tích Hợp Viễn Thám & GIS 54 Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học Ymax Ymin Giá trị cấp độ xám tính theo công thức y = J max — mản max ~~ “min (x—x, | }† Văn Vi dy : cấp độ xám ảnh gốc biến thiên từ x„ụ¡„ = 20 dén Xmax = 120 khodng cấp độ xám mà thiết bị hiển thị có khả thể từ y„¡ạ= đến y„„„= 255 Nếu pixel ảnh gốc có giá trị x = 40 sau biến đổi, cấp độ xám pixel là: _ 255-0 (40-20)+0= 51 *= 120-20 5.2.2 Thể màu liệu ảnh Thể màu liệu ảnh vệ tinh đóng vai trị quan trọng việc giải đốn ảnh mắt Phương pháp thường sử dụng tổ hợp màu (Color Composite) sở gán ba kênh phổ cho ba màu bản: Red, Green Blue (R,G,B) Anh nhận có màu sắc khác tùy thuộc vào việc chọn kênh phổ định màu (R, G, B) Khi ảnh có kênh thu nhận tương ứng vùng phổ Red, Green, Blue ta nhận ảnh màu tự nhiên Tuy nhiên ảnh đa phổ viễn thám, kênh phổ phan chia tương ứng vùng phổ Red, Green Blue nên tái tạo màu tự nhiên hình hiển thị ảnh Ví dụ cần hiển thị thông tin ghỉ nhận vùng phổ không nhìn thấy (ảnh hồng ngoại) tổ hợp màu với kênh phổ hồng ngoại không cho màu tự nhiên, trường hợp gọi £ổ hợp màu giả (False color composiie) Tổ hợp màu giả thông dụng hay sử dụng viễn thám £ổ hợp màu hông ngoại (Infrared color composite), gần màu đỗ (Red) cho kênh gần hồng ngoại, màu luc (Green) cho kénh dé va mau cham (Blue) cho kênh lục Trên tổ hợp màu đối tượng thể giếng thể film hồng ngoại Nghiên Cứu Hệ Thống Tích Hợp Viễn Thám & GIS 55 Dé Tai Nghién Citu Khoa Hoc a) T6 hop từ kênh: 1, 2,3 b) Tổ hợp từ kênh : 3, 2, Hình 5.1 Ảnh SPOT tổ hợp từ kênh 5.2.3 Biến đổi ảnh ø Tạo ảnh tỷ số: Phép chia sử dụng rộng rãi việc tao ảnh tỉ số nhằm loại trừ ảnh hưởng địa hình, tách đặc tính yếu tố địa chất cách chọn hai kênh thích hợp ảnh đa phổ, chia giá trị độ sáng tương ứng pixel hai kênh ảnh gốc để nhận giá trị độ sáng pixel ảnh tỉ số: BVix BV iicpatioy = BV, Trong đó: BVụx: Giá trị độ sáng pixel (¡, j) kênh K BVụ : Giá trị độ sáng pixel (i, j) kênh L a Tạo ảnh dựa số thực vật NDVI (Normalized Difference Vegetation Index): Là dạng đặc biệt ảnh tỉ số để xuất Rouse cộng (1973) Ảnh số thực vật Lanđsat tính sau: NDVI _= BVyy - BV, BY + BY,, Trong đó: BV,, : Gia tri d6 sing pixel (i, j) kênh (sóng hồng ngoại) BV;, : Giá trị độ sáng pixel (¡, j) kênh (sóng ánh sáng đỏ) Nghiên Cứu Hệ Thống Tích Hợp Viễn Thám & GIS 56 Dé Tai Nghién Citu Khoa Hoc Giá trị NDVI lớn vùng có độ che phủ thực vật cao bé vùng thực vật thưa thớt a Phân tích thành phần PCA (Principal Component Analysis) Phân tích thành phần sử vấn giữ lượng thơng tin không bị thay đổi ảnh chứa thông tin chủ yếu dễ nhận biết hợp tuyến tính từ khơng gian p chiều (số dụng để giảm số lượng đáng kể Thực chất PCA so với ảnh gốc Về kênh ảnh gốc) kênh phổ mà thuật tốn tạo tổ khơng gian m chiểu (số kênh ảnh thành phân chính) v6i p>m ma van bao tồn thơng tin mức chấp nhận Phương pháp áp dụng viễn thám sở thực tế ảnh chụp kênh phổ gần có độ tương quan cao, thơng tin chúng có phần trùng lặp lớn (ảnh đa phổ chứa nhiễu dư thừa thơng tin) Ví dụ: Ảnh đa phổ Landsat TM với kênh, qua phân tích thống kê cho thấy tương quan kênh cao, chứng tổ có trùng lắp (dư thừa) thơng tin lớn đữ liệu Bảng 5.1 Ma trận tương quan ảnh Landsat TM (7 kênh) Kênh | Kênh2 | Kênh3 | Kênh4 | Kênh§ | Kênh | Kênh Kênh 1,00 Kênh 0,97 1,00 Kênh 0,95 0,98 1,00 Kênh 0/71 0,75 0,73 1,00 Kénh 0,67 0,73 0,78 0,72 1,00 Kénh 0,60 0,60 0,59 0,59 0,56 1,00 Kénh7 0,79 0,83 0,88 0,67 0,94 0,57 1,00 Để tạo ảnh thành phân có kênh phổ khơng tương quan (ảnh thành phần chính) cần áp dụng phép biến đổi thành phần Z = AX nhằm tạo thuận lợi cho việc lưu trữ giải đoán ảnh (tổ hợp màu kênh phổ ứng với màu bản), nâng cao độ hiệu phân loại Trong đó, Z thể giá trị độ sáng tương ứng pixel ảnh thành phần X thể giá trị độ sáng tương ứng pixel ảnh gốc Nghiên Cứu Hệ Thống Tích Hợp Viễn Thám & GIS 37 Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học Để tạo ảnh thành phần chính, giải hệ phương trình để tìm ma trận A phương trình = AX Thường giá trị nhận Z số thực nên phải chuyển số nguyên để phù hợp thiết bị hiển thị, nên cân phải tiến hành thay đổi cấp độ xám Hầu hết liệu thể tập trung thành phần thứ nhất, nên thành phan chứa hầu hết thông tin cho ảnh (Độ tương phần cao thành phần thứ giảm thành phần tiếp theo) Giá trị pixel ảnh thành phần hàm số lượng xạ phắn xạ từ mặt đất Phân tích thành phân sử dụng nhằm mục đích sau: ® Nén nội dung thơng tin đữ liệu ảnh có nhiều kênh sang ảnh có kênh phổ tạo thuận lợi cho việc lưu trữ giải đoán ảnh (hiện ảnh tổ hợp màu kênh phổ ứng với màu bản) © _ Phân lọai trạng sử dụng đất sở liệu ảnh đa phổ (loại trừ nhiễu tương quan biến) ¢ Phát biến động sở đữ liệu đa thời gian (so sánh ảnh thành phần khu vực thời điểm khác nhau) 5.2.4 Phân loại ảnh viễn thám Phân loại ảnh viễn thám thực cách gán cho khoảng cấp độ xám định thuộc nhóm đối tượng có tính chất tương đối đồng nhằm phân biệt nhóm với trong khn khổ ảnh Có phương pháp phân loại ảnh viễn thám: Phân loại có giám định (Supervised classification) hình thức phân loại mà tiêu phân loại xác lập dựa vùng mẫu dùng luật định (decision rule) dựa thuật tốn thích hợp để gán nhãn pixels ứng với vùng phủ cụ thể Các vùng mẫu khu vực ảnh tương ứng với loại mà người giải đoán biết đặc trưng phổ (hay đặc tính) Dựa liệu huấn luyện (training data) thu vùng mẫu, tham số thống kê xác định Từ đó, tiêu phân loại sử dụng trình định pixels thuộc vào loại cụ thể Phân loại phí giám dinh (Unsupervised classification) thường áp dụng khu vực khơng có thơng tin đối tượng cần phân loại, kỹ thuật phân loại sử dụng thuẫn túy thông tin ảnh cung cấp Trình tự thực tóm tắt sau: Từ liệu mẫu chọn ngẫu nhiên, pixels ảnh gộp thành nhóm có đặc trưng phổ tương đối kỹ thuật ghép lớp (clustering) Sau đó, loại ứng với nhóm xác định sử dụng Nghiên Cứu Hệ Thống Tích Hợp Viễn Thám & GIS 58 Đề Tài Nghiên Cúu Khoa Học nhóm ước tính tham số thống kê cho q trình phân loại Hình 5.2 thể nguyên lý phân loại ảnh viễn thám b Features of Classes (Value of sized) in Foote Space A= Nudc Bz Lua G= Bat tring ey Hình 5.2 Phân loại ảnh viễn thám Phân loại có giám định (Supervised classification) phương pháp thường sử dụng nay, có nhiều thuật toán ấp dụng phương pháp như: Phân loại hình hộp (Parallelpiped Classifer); Phân loại theo định (Decision tree Classifier); Phân loại theo khoảng cách ngắn (Minium distance Classifier) Phân loại gân (Maximum Likelihod Classifier— MLC) Phương pháp phân loại gần MLC xem thuật toán chuẩn xây dưng sở giả thiết hàm Mỗi pixel tính xác suất thuộc loại mà xác suất thuộc vào loại áp dụng phổ biến để so sánh với thuật toán khác, MLC mật độ xác suất tuân theo luật phân bố chuẩn vào loại định gần tên lớn Band Z ⁄ „ Xác suất thuộc loại B : lớn „ phân vào loại B zaXác suất thuộc loạiA : nhỏ Band Band Band Nguyên tắc phân loại gần Nghiên Củu Hệ Thống Tích Hợp Viễn Thám & GIS 59 Đà Tài Nghiên Cứu Khoa Học Theo hình trên, pixel phân vào loại B có xác suất thuộc vào loại B lớn xác suất thuộc vào loại A Xác suất định nghĩa sau: Likelihood L¿ xác suất hậu định (posterior probability) pixel trực thuộc loại K Lạ maximum Ly = p(K/X) = pŒ) x pOX/k) / X[p() x pO0] Trong đó: PŒ): xác suất tiền định loại K PQX⁄): xác suất điểu kiện xem X thuộc loại K ( hàm mật độ xác suất) Thường P(k) [p() x pOX/)] xem cho tất loại Do đó, L¿ phụ thuộc vào pŒX⁄k) Trong trường hợp distributton) theo Gauss liệu ảnh tuân theo đại lượng L¿ Ly (X) = ———rstŒ-„)3 0z)*|3, |; luật phân bố chuẩn (normal viết sau: (X= 44) Trong d6: ° Lk(X) : x4c sut ma X thuéc loai K °® X=[Xị,X¿, , Xa ]: vector giá trị cấp độ xám (đữ liệu ảnh với n kênh) ° n :số kênh phổ ° wy : vector trung bình loại K ° 23+: ma trận phương sai - hiệp phương sai ° |Bxl: định thức ma trận (determinant of Xx!) Khi ma trận phương sai- hiệp phương sai đối xứng, thuật toán Mansex trở thành thuật toán EucHdian distance định thức MLC sé tương tự thuật tốn Mahalanobis distance Phương pháp phân loại MLC dựa thuật toán phân loại tối ưu xét theo quan điểm lý thuyết xác suất Tuy nhiên, sử dụng cần phải ý điểm sau: u Số lượng lấy mẫu thực địa phải đủ lớn ứng với loại để giá trị trung bình ma trận phương sai— hiệp phương sai tính cho loại có giá trị với thực tế j_ Ma trận nghịch đảo ma trận phương sai— hiệp phương sai khơng ổn định trường hợp có tương quan cao kênh phổ gần ĐỀ nâng cao Nghiên Cứu Hệ Thống Tích Hợp Viễn Thám & GIS 60 Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học độ xác phân loại, cần phải giảm số kênh cách phân tích thành phân (PCA) q Trong trường hợp hàm phân bố liệu ảnh không tuân theo luật phân bố chuẩn Gauss khơng nên sử dụng phương pháp (nhận kết sai lệch lớn) 5.2.5 Đánh giá kết phân loại ảnh viễn thám Khi chọn thuật toán phân loại ứng với đữ liệu ảnh viễn i thám, kết xử lý cho thông tin hữu ích vùng phủ mặt đất, kết giải đoán thể dạng đổ chuyên để mã hố màu (dang raster) Hình 5.3 thể phân chia cụ thể màu tương ứng với loại khác giá trị pixels tương ứng định cho loại Xác định độ xác phân loại thường dùng để đánh giá chất lượng đổ giải đoán, so sánh độ tin cậy phương pháp khác phân loại ảnh phù hợp loại thực mặt đất toán phân loại thường thể ma kết đạt áp đụng viễn thám Kết việc so sánh loại giải đốn thuật trận sai số; số phần trăm đạt độ xác toàn cục sai số phân loại nhằm cho loại t 2 i t a s 3 s s s 5s $ $s l-t— lf aletefelelefel wlel-j-iel-l-l-l-|-el@l- lof l-pele le d-fwlelalal-|-|-l-j-lel-l-l-l-|-I eln motel |-|—-lel— wlajulel-|-l-l-t-|-l-l-l-l-[-j lel pelle alelul-lel-|-{-|-l-f—-I-|-|-}-le ills |-lelefetatea elul-i-lel-([-f-l-l-l-l-T-fet- wlulalalale|ajaulalelula«lej—[-|—-[-[epulelal—[-p— alujulelalwlelvlelslel-fe[elule|—-|—jeial-[s{ul|— alulalalalelo|=lulel-|-l-l=[el=l-|-l-i-[-|°]°|— IEIEDIEBDEERTDIEIEPIEBEBIEDIDEBRBEB,ẶBBĐBBBNEB alelelalelelalaleiele|s[ml~lel—-l-|-|-|-l-jI-|-Iulululelelelolul—l-l-l-fe|[~iel-l-|-|l-|-[-| >Oj= S¿= >> Su=n Độ xác tồn cục (overall accuracy) thuật tốn phân loại (T) tính theo phần trăm sau : k 3.0 T= -—*100 n Tỉ lệ phần trăm sai số bỏ sót (error of omission) xác định bởi: t= Six Or 4199 i+ Và tỉ lệ phân trăm sai số thực (error of commission) 1A: 8,,-O, t= —* #.*100 + Bang 5.1 thé phần tử ma trận sai số phân loại dùng để đánh giá thống kê kết cách xác định số sai số (toàn cục, thực bổ s6t) trình phân loại Bảng 5.2 Ma trận sai số phân loại Loại Loại giải đoán thực (1) (2) (1) (2) On On On Oy (K-1) (K) [Og Orn Si Total |-— (K-1) |(K) Total | | - O11 Ors On Or Su 32; [Okun On | —— | - Oai Ove | Oxv Ory Skis Siz Sy | Saket Sak Nghiên Cứu Hệ Thống Tích Hợp Viễn Thám & GIS N=>>O; 62 Dé Tai Nghién Citu Khoa Hoc Ưu, nhược điểm việc dùng ma trận sai số để đánh giá kết phân loại: * Uy điểm: cho phép thấy rõ độ xác tồn cục mức độ phân loại nhằm loại *_ Nhược điểm: sử dụng liệu kiểm tra, khơng cung cấp thơng tin q trình phân loại thực thuật tốn chọn 5.3 MƠ HÌNH CHUYỂN ĐỔI DỮ LIỆU VIỄN THÁM VÀ GIS Dữ liệu GIS bao gồm liệu khơng gian thuộc tính, thu thập từ nhiều nguồn khác cập nhật để đảm bảo tính thời (real time) nhằm phần ánh xác giới thực (real world) da mơ hình qua hệ thống viễn thám xem công nghệ hữu hiệu cho việc thu thập liệu để cập nhật cho GIS, đữ liệu sẵn có lưu GIS nguồn thông tin bổ trợ tốt cho việc phân loại xử lý ảnh viễn thám Giải pháp xử lý tích hợp viễn thám GIS phối hợp ưu hai công nghệ việc thu thập, lưu trữ, phân tích xử lý liệu địa lý để nâng cao hiệu việc xây dựng cập nhật liệu không gian Ảnh viễn thám sau xử lý giải đoán dạng raster chuyển đổi dễ dàng qua định dạng vector GIS để lưu trữ, cập nhật hay phân tích để cung cấp thơng tin cho nhiễu lĩnh vực ứng đụng khác Người sử dụng chuyển đổi qua lại định dang vector va raster hodc phối hợp chúng khu vực để thành lập loại đỗ chuyên để Ngoài với chức chồng lớp tạo mơ hình độ cao số, GIS cung cấp thơng tin hữu ích cho việc giải đốn xử lý ảnh viễn thám Mơ hình chuyển đổi liệu viễn thám GIS thể sau: Nghiên Cứu Hệ Thống Tích Hợp Viễn Thám & GIS 63 Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học Số hố *Ì cấu trúc liêu Vector r Chuyển đổi Kết nối Vecl tor-| — Ảnh Viễn Thám | „| > Cơ sở dữwy liệu pte Cấu trúc liệu Raster E———n Phân tích khơng gian Phân tích ảnh Sẵn phẩm xuất kết Hình 5.4 Mơ hình chuyển đổi liệu viễn thám GIS Trong mô hình cho thấy quy trình xử lý giải đốn ảnh sử dụng liệu dạng vector, hệ thống xử lý ảnh viễn thám thường không đủ chức xử lý đữ liéu vector nhu GIS (vector overlay, vector buffer, ) Tuy nhién, liệu dạng vector sẵn có GIS điểm khống chế mặt đất cần thiết cho nắn chỉnh hình học tạo bình đổ ảnh, lớp polygon ranh giới hành chánh, loại hình sử dụng đất quan trọng cho cơng tác giải đốn ảnh Do quy trình thích hợp cần phải xây dựng để phối hợp ưu hai công nghệ nâng cao hiệu việc xây dựng cập nhật liệu khơng gian Mơ hình tích hợp GIS viễn thám nhằm tạo trình xử lý thuận lợi lưu trữ hợp lý dạng cấu trúc liệu phổ biến đáp ứng cho công tác xây dựng cập nhật liệu cho hệ thống thơng tin địa lý Mơ hình xây dựng nhằm đáp ứng ba yêu cầu tích hợp TỈ lệ liệu địa lý yêu cầu GIS khả cung cấp viễn thám Chu kỳ lặp vệ tính thời gian cập nhật liệu GIS Dòng luân chuyển thơng tin chuyển đổi liệu q trình xử lý giải đoán ảnh viễn thám kết hợp với chức GIS Nghiên Cứu Hệ Thống Tích Hợp Viễn Thám & GIS 64 Dé Tai Nghién Citu Khoa Hoc Nói chung, độ xác khơng gian thời gian liệu địa lý phụ thuộc chủ yếu vào loại tỉ lệ đê cần thành lập chu kỳ cập nhật Tuỳ thuộc vào lĩnh vực ứng dụng, cơng nghệ tích hợp viễn thám GIS cập nhật hay xây dựng sở đữ liệu GIS có yêu câu tương ứng với độ xác điện rộng tiết kiệm nhiều cơng lao động thời gian thực Tích hợp viễn địng ln chuyển đốn ảnh để tạo cập nhật liệu thám GIS nhằm kết hợp chiến lược xử lý thông tin chuyển đổi đữ liệu q trình thơng tin cần thiết đáp ứng cho ứng dụng cụ khơng gian địi hỏi mơ hình tương tác thuật ảnh xử lý giải thể Xây dựng toán sử dụng, liệu mẫu cung cấp, thông tin cân tạo lưu trữ Hình 5.5 thể mơ hình tích hợp q trình luân chuyển thông tin chuyển đổi liệu q trình xử lý giải đốn ảnh để cung cấp thơng tin cần thiết Nghiên Cứu Hệ Thống Tích Hợp Viễn Thám & GIS 65 Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học KHÁI QT HỐ Hình 5.5 Dịng ln chuyển thông tin chuyển đổi đữ liệu địa lý hai cơng nghệ Nghiên Cứu Hệ Thống Tích Hợp Viễn Thám & GIS 66 eS ° =S zs = = vA = = = => "KH = == = ` = x