Giáo trình cơ sở viễn thám (ngành trắc địa) phần 2

Chương GIẢI ĐỐN ẢNH VIỄN THÁM Nội dung chương trình bày vấn đề xử lý ảnh giải đoán ảnh Bao gồm khái niệm giải đoán ảnh, bước xử lý ảnh, phương pháp giải đoán ảnh mắt phương pháp giải đốn ảnh xử lý số Mục đích chương giúp sinh viên nắm khái niệm giải đoán ảnh, phương pháp giải đoán ảnh mắt phương pháp giải đoán ảnh theo phương pháp số để từ áp dụng hai phương pháp giải đốn ảnh trường hợp cụ thể phục vụ cho mục đích ngành 3.2 KHÁI NIỆM Giải đốn ảnh viễn thám q trình tách thơng tin định tính định lượng từ ảnh dựa tri thức chuyên ngành kinh nghiệm người đốn đọc điều vẽ Việc tách thơng tin viễn thám phân thành loại: - Phân loại đa phổ - Phát biến động - Chiết tách thông tin tự nhiên - Xác định số - Xác định đối tượng đặc biệt Phân loại đa phổ q trình tách gộp thơng tin dựa tính chất phổ, khơng gian thời gian đối tượng Phát biến động phát phân tích biến động dựa tư liệu ảnh đa thời gian Chiết tách thông tin tự nhiên tương ứng với việc đo nhiệt độ trạng thái khí quyển, độ cao vật thể dựa đặc trưng phổ thị sai cặp ảnh lập thể Xác định số việc tính tốn số mới, ví dụ số thực vật Xác định đặc tính tượng đặc biệt thiên tai, cấu trúc tuyến tính, biểu tìm kiếm khảo cổ Q trình tách thơng tin từ ảnh thực mát người hay máy tính Việc giải đốn mắt có ưu điểm khai thác tri thức chuyên môn kinh nghiệm người, mặt khác việc giải đốn mắt phân tích thông tin phân bố không gian Tuy nhiên phương pháp có nhược điểm tốn thời gian kết thu không đồng Việc xử lý máy tính có ưu điểm suất cao, thời gian xử lý ngắn, đo số đặc trưng tự nhiên có yếu điểm khó kết hợp với tri thức kinh nghiệm người, kết phân tích thông tin Để khắc phục nhược điểm này, năm gần người ta nghiên cứu hệ chun gia, hệ chương trình máy tính có khả mơ tri thức chun mơn người phục vụ cho việc đoán đọc điều vẽ tự động 52 Giải đoán ảnh 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 băng từ CCT Ở dạng máy tính đọc số liệu Các ảnh tương tự 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 đối 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 Sau hoàn tất khâu xử lý cần phải xuất kết 3.2 NHẬP DỮ LIỆU Đối với ảnh số tư liệu ảnh chuyển từ băng từ lưu trữ mật độ cao HDDT vào băng từ CCT.Ở dạng máy tính đọc số liệu.Vì hệ nhập ảnh mô tả phần coi hệ chuyển đổi ảnh tương tự đen trắng hay màu dạng số Chức cụ thể hệ phục thuộc vào yếu tố sau: - Kích thước phim: Kích thước tối đa mà thiết bị chuyển đổi - Độ phân giải: Mật độ điểm/inch (DPI) - Thang cấp độ xám: Bao nhiêu cấp độ sáng chuyển đổi hay nói cách khác pixel đầu mã bít - Tốc độ chuyển đổi - Điều kiện môi trường:Yêu cầu làm việc bóng tối hồn tồn,trong ánh sáng mờ - Độ xác Loại ảnh chuyển đổi được: Film giấy Các hệ nhập ảnh nhìn chung thiết kế dựa phương pháp quét ảnh sau: 53 a Quét học Bức ảnh đặt ống hình trụ trình quét thực việc quay ống tia sáng chiếu từ bên Tốc độ quét theo phương pháp nói chung khơng cao sử dụng rộng rãi cho phép thực việc chuyển đổi với độ xác cao độ phân giải lớn b Máy quay vô tuyến Máy quay vơ tuyến đơi sử dụng giá thành rẻ Tuy nhược điểm độ phân giải thấp, độ xác vị trí khơng cao độ phân giải mầu không cao c Buồng chụp CCD Các buồng chụp CCD có ưu máy quay vơ tuyến chúng có độ phân giải cao hơn, xác kích thước bé Đương nhiên giá thành chúng đắt nhiều lần d Buồng chụp CCD mảng tuyến tính Buồng chụp CCD mảng tuyến tính làm việc nguyên lý chia đối tượng nghiên cứu thành nhiều hàng nhỏ việc chuyển đổi thực theo hàng Các máy quét làm theo nguyên lý phổ cập giá thành rẻ, chất lượng lại cao 3.3 HIỆU CHỈNH ẢNH 3.3.1 Hiệu chỉnh xạ Tất tư liệu số chịu mức độ nhiễu xạ định Để loại trừ nhiễu cần phải thực số phép tiền xử lý Khi thu xạ từ mặt đất vật mang vũ trụ, người ta thấy chúng có số khác biệt so với trường hợp quan sát đối tượng khoảng cách gần Điều chứng tỏ khoảng cách xa tổn lượng nhiễu định góc nghiêng độ cao mặt trời, số điều kiện quang học khí hấp thụ, tán xạ, độ mù gây Chính để bảo đảm tương đồng định mặt xạ cần phải hiệu chỉnh ảnh Các nguồn nhiễu xạ gồm nhóm sau : Các nguồn nhiễu biến đổi độ nhậy cảm Trong trường hợp cảm tuý quang học xảy trường hợp cường độ xạ tâm ảnh lớn góc Hiện tượng gọi tượng làm mờ ảnh Đây sai lệch tránh khỏi cho hệ quang học Khi sử dụng cảm quang điện tử chênh lệch cường độ xạ trước ống kính cường độ mà thiết bị thực ghi nhận đại lượng cần đưa vào trình hiệu chỉnh 54 Các nguồn nhiễu góc chiếu mặt trời địa hình - Bóng chói mặt trời Bản thân mặt trời tạo bóng chói mặt đất dạng vùng sáng vùng khác Bóng chói mặt trời loại trừ với tượng làm mờ ảnh nguyên lý ứng dụng chuỗi Furie - Bóng che Bóng che tượng che khuất nguồn xạ thân địa hình Để loại trừ cần có số liệu mơ hình số địa hình toạ độ vật mang thời điểm thu tín hiệu Các nguồn nhiễu trạng thái khí Rất nhiều hiệu ứng khí khác hấp thụ, phản xạ, tán xạ ảnh hưởng tới chất lượng ảnh thu Người ta thường sử dụng mơ hình khí để mơ trạng thái khí áp dụng qui luật quang hình học quang khí để giải vấn đề 3.3.2 Hiệu chỉnh khí Bức xạ mặt trời đường truyền xuống trái đất bị hấp thụ, tán xạ lượng định trước tới mặt đất xạ, tán xạ từ vật thể bị hấp thụ hay tán xạ trước tới cảm Do xạ mà cảm thu khơng chứa riêng lượng hữu ích mà chứa nhiều thành phần nhiễu khác Hiệu chỉnh khí cơng đoạn tiền xử lý nhằm loại trừ thành phần xạ không mang thông tin hữu ích Có nhóm phương pháp sử dụng hiệu chỉnh khí là: phương pháp sử dụng hàm truyền khí quyển, phương pháp sử dụng số liệu quan trắc thực địa phương pháp khác Phương pháp sử dụng hàm truyền khí Phương pháp sử dụng hàm truyền khí giải pháp gần hay sử dụng Mọi thông số dựa trạng thái trung bình khí kể hàm lượng hạt bụi lơ lửng nước Phương pháp sử dụng số liệu quan trắc thực địa Trong phương pháp người ta tiến hành đo đạc xạ đối tượng cần nghiên cứu thời điểm bay chụp Sau dựa khác biệt cường độ xạ thu vệ tinh giá trị đo người ta tiến hành hiệu chỉnh xạ Phương pháp cho kết tốt lúc đâu thực Các phương pháp khác Một số vệ tinh trang bị cảm đặc biệt chuyên thu nhận tham số trạng thái khí đồng thời với cảm thu nhận ảnh việc hiệu chỉnh khí tiến hành trình bay 55 3.3.3 Hiệu chỉnh hình học ảnh Méo hình hình học sai lệch vị trí tọa độ ảnh thực tế đo tọa độ ảnh lý tưởng thu từ cảm có thiết kế hình học lý tưởng điều kiện thu nhận lý tưởng Méo hình hình học gồm méo hình nội sai méo hình ngoại sai Méo hình nội sai sinh tính chất hình học cảm méo hình ngoại sai gây vị trí vật mang hình dáng vật thể Để đưa tọa độ ảnh thực tế tọa độ ảnh lý tưởng phải hiệu chỉnh hình học Bản chất hiệu chỉnh hình học xây dựng mối tương quan hệ tọa độ ảnh đo hệ tọa độ qui chiếu chuẩn Hệ tọa độ qui chiếu chuẩn hệ tọa độ mặt đất (hệ tọa độ vng góc hệ tọa độ địa lý) hệ tọa độ ảnh khác Các trình tự hiệu chỉnh hình học bao gồm : Chọn lựa phương pháp Phương pháp chọn lựa phải dựa chất méo hình tư liệu nghiên cứu số lượng điểm khống chế Xác định tham số hiệu chỉnh Việc xác định tham số hiệu chỉnh thơng thường dựa việc thiết lập mơ hình tốn học hệ số mơ hình tính theo phương pháp bình sai sở điểm biết tọa độ ảnh tọa độ điểm kiểm tra Những biến đổi thường sử dụng thực tế : Biến đổi Helmert : x = au + bv + c Số ẩn số y = - bu + av + d Biến đổi Affine : x = au + bv + c Số ẩn y = du + ev + f Biến đổi theo phép chiếu hình x= a1v  a u  a a u  a 1 y= a 4u  a 5v  a a u  a 1 Số ẩn Biến đổi đa thức : x =  aijui-1vj-1 y =  bijui-1vj-1 Số ẩn phụ thuộc vào bậc đa thức 56 3.4 BIẾN ĐỔI ẢNH 3.4.1 Tăng cường chất lượng chiết tách đặc tính Tăng cường chất lượng ảnh thao tác chuyển đổi nhằm tăng tính dễ đọc, dễ hiểu ảnh cho người đốn đọc điều vẽ Cịn chiết tách đặc tính thao tác nhằm phân loại, xắp xếp thông tin có sẵn ảnh theo yêu cầu tiêu đưa dạng hàm số a Tăng cường chất lượng ảnh Những phép tăng cường chất lượng ảnh thường sử dụng biến đổi cấp độ xám, biến đổi histogram, tổ hợp màu, biến đổi mầu hệ RGB vàHSI b Chiết tách đặc tính Chiết tách đặc tính thực loại đặc tính chính: - Đặc tính phổ: Các màu sắc đặc biệt, gradient, tham số phổ - Đặc tính hình học: Các cấu trúc đường, hình dáng, kích thước - Đặc tính cấu trúc: Mẫu, tần suất phân bố khơng gian, tính đồng 3.4.2 Biến đổi cấp độ xám Biến đổi cấp độ xám kỹ thuật tăng cường chất lượng ảnh đơn giản nhằm biến đổi khoảng giá trị cấp độ xám mà thiết bị hiển thị có khả thể Bằng cách biến đổi hình ảnh trơng rõ Có thể thực phép biến đổi dựa theo quan hệ y = f(x) Trong y giá trị cấp độ xám sau biến đổi x giá trị cấp độ xám nguyên thuỷ Hàm số f tuyến tính phi tuyến tính Thường người ta sử dụng phép biến đổi tuyến tính phép biến đổi dựa vào giá trị trung bình 3.4.3 Thể mầu tư liệu ảnh vệ tinh Để thể mầu tư liệu ảnh viễn thám người ta phải tổ hợp mầu màu giả a Tổ hợp mầu Một ảnh mầu tổ hợp sở gán kênh phổ cho mầu Có hai phương pháp trộn mầu cộng mầu trừ mầu Trên hình 3.1 sơ đồ nguyên lý việc trộn mầu Nếu ta chia tồn dải sóng nhìn thấy thành vùng đỏ, lục, chàm sau lại dùng ánh sáng trắng chiếu qua kính lọc đỏ, lục, chàm tương ứng ta thấy hầu hết mầu tự nhiên khôi phục lại Phương pháp tổ hợp mầu gọi phương pháp tổ hợp mầu tự nhiên 57 Chàm Lam Lục Lam Lục Tím Trắng Chàm Đen Đỏ Vàng Tím Đỏ Vàng a Tổ hợp cộng mầu b Tổ hợp trừ mầu Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý việc trộn mầu Trong viễn thám, kênh phổ không chia dải sóng nhìn thấy nên khơng thể tái tạo lại mầu tự nhiên sử dụng mầu đỏ, lục, chàm Tổ hợp mầu gọi tổ hợp mầu giả Tổ hợp mầu giả thông dụng viễn thám tổ hợp mầu giả gán mầu đỏ cho kênh hồng ngoại, mầu lục cho kênh đỏ mầu chàm cho kênh lục Trên tổ hợp mầu đối tượng thể theo gam mầu chuẩn thực vật có mầu đỏ Với mức độ khác màu đỏ thể mức độ dày đặc thảm thực vật b Hiện mầu giả Tổ hợp mầu thực trường hợp có kênh phổ trở lên Trong trường hợp có kênh phổ, để thể không gian màu người ta sử dụng phương pháp màu giả, phương pháp ứng với khoảng cấp độ xám định gán màu Cách gán mầu khơng có qui luật hoàn toàn phụ thuộc vào người thiết kế Thông thường cách hay sử dụng cho ảnh sau phân loại, ảnh số thực vật, ảnh nhiệt Hình 3.2 minh hoạ việc tổ hợp mầu giả 3.4.4 Các phép biến đổi ảnh Các phép biến đổi kênh ảnh ảnh chụp nhiều thời điểm khác hữu ích cho việc tăng cường chất lượng chiết tách đặc tính Có hai nhóm biến đổi biến đổi số học biến đổi logic Biến đổi số học Các phép biến đổi số học dựa phép tính cộng, trừ, nhân, chia phối hợp chúng sử dụng cho nhiều mục đích kể loại trừ số loại nhiễu Kết số phép biến đổi thường không số nguyên mà số thực, lại phải chuyển chúng không gian số nguyên dựa phép tăng cường chất lượng 58 Chàm 127 Lục Đỏ Mầu 127 127 Đen Xám 255 255 0 255 255 255 255 255 255 255 0 255 0 255 Trắng Chàm Lục Đỏ Lam Tím Vàng Chàm Lục Đỏ Hồng ngoại Độ chói Ví dụ tổ hợp màu Chàm Lam Lục Vàng lục Vàng Da cam Đỏ Lục Đỏ T«ng màu Ví dụ màu giả Hình 3.2 Ví dụ tổ hợp mầu mầu Các phép biên đổi logic Các phép biến đổi logic sử dụng toán tử OR tốn tử AND nhiều việc phân tích tư liệu đa thời gian để chồng ảnh lên đồ 3.4.5 Phân tích cấu trúc Cấu trúc tập hợp liên kết hình mẫu nhỏ lặp lại cách đặn Trong thực tế đoán đọc điều vẽ mắt, người đoán đọc điều vẽ thường cảm nhận cấu trúc mịn, trơn sần sùi đoán đọc điều vẽ thảm rừng cấu trúc cành đoán đọc điều vẽ mạng lưới thuỷ văn Phân tích cấu trúc việc phân loại hay chia tách đặc tính cấu trúc ảnh mối liên quan tới hình dáng hình mẫu bản, mật độ lượng phân bố chúng Trong đoán đọc điều vẽ mắt, việc cảm nhận cấu trúc phân loại chúng người đốn đọc điều vẽ thực Bộ óc người có khả khái quát, nhận biết tổng hợp cấu trúc cách tuyệt vời kết thường chấp nhận Trong việc đốn đọc 59 điều vẽ máy tính khả định nghĩa cấu trúc mặt toán học gặp nhiều khó khăn, khả lưu trữ thơng tin nhớ hạn chế, khả ngơn ngữ lập trình cho phép thực tư tương tự người trình khái quát, tổng hợp cịn q việc tự động phân tích cấu trúc máy tính nhiều chưa mang lại kết mong muốn Tuy vậy, người ta thực việc phân loại cấu trúc dựa kỹ thuật phân tích thống kê phân tích chuỗi phổ Phân tích thống kê dựa ma trận n*n Các số sau ma trận coi thông tin cấu trúc - Khoảng cấp độ sáng histogram - Ma trận phương sai - hiệp phương sai - Ma trận nén cốt chạy Các tham số sử dụng chungvới thông tin phổ khác trình phân loại Phân tích chuỗi phổ Các cấu trúc phân tích dựa việc ứng dụng chuỗi Furie nhằm tìm thành phần phân bố theo hướng, mật độ 3.5 GIẢI ĐỐN ẢNH VIỄN THÁM 3.5.1 Giải đốn ảnh mắt Đốn đọc điều vẽ ảnh mắt áp dụng điều kiện trang thiết bị Đoán đọc điều vẽ mắt việc sử dụng mắt người với dụng cụ quang học kính lúp, kính lập thể, máy tổng hợp mầu để xác định đối tượng Cơ sở để đoán đọc điều vẽ mắt chuẩn đoán đọc điều vẽ mẫu đoán đọc điều vẽ a Các chuẩn đoán đọc điều vẽ ảnh vệ tinh mẫu đoán đọc điều vẽ Nhìn chung chia chuẩn đốn đọc điều vẽ thành nhóm sau: Chuẩn kích thước Cần phải chọn tỷ lệ ảnh phù hợp để đốn đọc điều vẽ 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 đốn đọc ảnh Hình dạng đặc trưng cho đối tượng nhìn từ cao xuống coi chuẩn đoán đọc quan trọng 60 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 mầu trắng, cát ướt độ phản xạ nên có mầu tối ảnh đen trắng Trên ảnh hồng ngoại đen trắng nhọn phản xạ mạnh tia hồng ngoại nên chúng có mầu trắng nước lại hấp thụ hầu hết xạ dải sóng nên có mầu đen Chuẩn mầu sắc Mầu sắc chuẩn tốt việc xác định đối tượng Ví dụ kiểu lồi thực vật phát dễ dàng cho người khơng có nhiều kinh nghiệm đoán đọc điều vẽ ảnh sử dụng ảnh hồng ngoại mầu Các đối tượng khác cho tông mầu khác đặc biệt sử dụng ảnh đa phổ tổng hợp mầu Chuẩn cấu trúc Cấu trúc tập hợp nhiều hình mẫu nhỏ Ví dụ bãi cỏ khơng bị lẫn loài 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 đoán đọc điều vẽ, môi trường xung quanh mối liên quan đối tượng nghiên cứu với đối tượng khác cung cấp thơng tin đốn đọc điều vẽ quan trọng Nhằm trợ giúp cho cơng tác đốn đọc điều vẽ người ta thành lập mẫu đoán đọc điều vẽ cho đối tượng khác Mẫu đoán đọc điều vẽ tập hợp chuẩn dùng để đoán đọc điều vẽ đối tượng định Kết đoán đọc điều vẽ phụ thuộc vào mẫu đoán đọc điều vẽ Mục đích việc sử dụng mẫu đốn đọc điều vẽ làm chuẩn hóa kết đốn đọc điều vẽ 61 trọng để phân loại thổ nhưỡng lại ln ln khơng nhìn thấy nên việc thể thông tin thường theo dấu hiệu gián tiếp kết hợp kinh nghiệm Công việc giải đốn ảnh phát đối tượng, phân tích phân loại theo dấu hiệu có quan hệ với tính chất thổ nhưỡng để từ phân loại thổ nhưỡng Vì vậy, việc sử dụng phương pháp viễn thám điều tra lập đồ thổ nhưỡng thiết phải có hỗ trợ tư liệu hệ thông tin địa lý việc nghiên cứu ngồi thực địa nhà chun mơn ngành thổ nhưỡng có hiểu biết viễn thám tiến hành Tích hợp viễn thám với HTTĐL cơng tác nghiên cứu thổ nhưỡng Quy trình điều tra thổ nhưỡng phương pháp tích hợp viễn thám HTTĐL Khi sử dụng phương pháp tích hợp viễn thám HTTĐL để điều tra thổ nhưỡng, tuân thủ theo quy trình chung sau đây: a Cơng tác phòng - Chọn ảnh khu vực nghiên cứu, lập bình đồ ảnh, vạch vùng lãnh thổ chủ yếu khu vực lên ảnh - Vẽ ranh giới kiểu tự nhiên vùng lãnh thổ tự nhiên chủ yếu Đối với trường hợp tỷ lệ nghiên cứu lớn vùng tự nhiên cấp thấp - Nghiên cứu mắt thường, kính lập thể (đối với ảnh máy bay) toàn ảnh vùng tự nhiên vạch sơ - Sơ lựa chọn vùng mẫu vạch ranh giới vùng lên ảnh - Xây dựng giải sơ sở nghiên cứu vùng mẫu - Giải đoán ảnh theo giải sơ b Công tác thực địa - Điều tra nhanh toàn diện tích nghiên cứu để phát hiện: + Quan hệ địa hình với ảnh, + Quan hệ thổ nhưỡng kiểu phụ kiểu tự nhiên - Lựa chọn lần cuối vùng mẫu tiến hành điều tra chi tiết vùng mẫu, xem xét quan hệ vùng giải đoán với vùng phân loại thổ nhưỡng - Rà soát lại kết giải đốn ảnh với vùng ngồi diện tích vùng mẫu cho phù hợp với tài liệu điều tra vùng mẫu - Lựa chọn tuyến kiểm tra tiến hành kiểm tra thực địa lần cuối đồ thổ nhưỡng giải đồ - Hoàn thiện đồ báo cáo thuyết minh Năm 1969, Bennema Gelens đưa quy trình điều tra thổ nhưỡng phương pháp viễn thám gồm nhóm sau: 89 Cho nhóm a: Yêu cầu kiểm tra thực địa theo tỷ lệ nghiên cứu: - Tỷ lệ nhỏ: kiểm tra toàn đường ranh giới - Tỷ lệ trung bình: kiểm tra số đường - Tỷ lệ lớn: kiểm tra chọn lọc không kiểm tra Cho nhóm b: quy trình điều tra vùng mẫu: - Giải đốn chi tiết tồn ảnh sau điều tra vùng mẫu - Giải đốn chi tiết tồn ảnh sau điều tra vùng mẫu soát lại điều tra vùng mẫu Các yếu tố thổ nhưỡng ảnh hưởng đến đặc điểm tạo ảnh a.Các tính chất thổ nhưỡng ảnh hưởng đến khả phản xạ - Kích thước hạt: Orlov ( 1994) nhiều thí nghiệm thổ nhưỡng có đường kính hạt tăng độ phản xạ thổ nhưỡng giảm Khi phá vỡ kiến trúc thổ nhưỡng thơng thường làm tăng khả phản xạ bề mặt phản xạ tăng Hạt thô có hình dạng đặc biệt, hình thành nên bề mặt gồm nhiều lỗ hổng thân hạt, hấp thụ nhiều ánh sáng làm giảm khả phản xạ thổ nhưỡng - Thành phần giới thổ nhưỡng Thành phần giới thổ nhưỡng có ảnh hưởng lớn đến độ phản xạ ánh sáng Thổ nhưỡng chứa 90% hàm lượng chất vô (hầu khơng có chất hữu cơ) phản xạ cao bước sóng Thổ nhưỡng có 60% thành phần giới sét phản xạ cao vùng sóng nhìn thấy Một số kết nghiên cứu NRSA khẳng định điều Bảng 4-1 Phản xạ ánh sáng loại thổ nhưỡng Thành phần giới Sét màu đen Sét bột khô Bột khô Cát bột khô Cát mịn Kênh 21 41 31 25 23 Độ phản xạ % Kênh Kênh 22 19 49 53 44 47 36 37 30 24 Kênh 25 56 43 43 21 Qua bảng 4-1 thấy rằng, thành phần giới thơ phản xạ ánh sáng giảm xuống trừ loại sét màu đen, sét, hạt mịn có màu đen nên độ phản xạ thấp có nhiều vật liệu có màu sẫm (cả chất hữu cơ, chất vô cơ) - Màu thổ nhưỡng Màu thổ nhưỡng có quan hệ chặt chẽ với độ phản xạ ánh sáng Thổ nhưỡng có màu thẫm phản xạ thấp thổ nhưỡng có màu đỏ sáng 90 Bảng 4-2 Mức độ phản xạ loại thổ nhưỡng có mầu khác Loại thổ nhưỡng Thổ nhưỡng đỏ đá granit Thổ nhưỡng đen Kênh 13 Độ phản xạ % Kênh Kênh 22 26 11 14 Kênh 25 15 - Chất hữu oxit kim loại Chất hữu oxit kim loại có ảnh hưởng quan trọng đến màu thổ nhưỡng, điều kiện canh tác khí hậu khác tính chất thay đổi Hàm lượng chất hữu ảnh hưởng đến màu thổ nhưỡng, nhiệt độ, khả giữ nước trao đổi Cation, cấu trúc thổ nhưỡng,thơng qua mà độ phản xạ thổ nhưỡng thay đổi Orlov Obukhov (1964)đã tìm mối quan hệ độ phản xạ hàm lượng Fe2O3 nhưsau: R(Y) = 84 – 4,9 C Trong đó: C - hàm lượng Fe2O3 thổ nhưỡng tính phần trăm R(Y) - hệ số phản xạ loại thổ nhưỡng Y đo máy đo phổ - Cấu trúc thổ nhưỡng độ nhám bề mặt Là hai yếu tố có ảnh hưởng đến độ phản xạ Thổ nhưỡng có bề mặt gồ ghề làm giảm độ phản xạ Thổ nhưỡng khơng có cấu trúc phản xạ nhiều từ 10 - 20% so với thổ nhưỡng có cấu trúc tốt Bảng 4-3 Độ phản xạ ánh sáng thổ nhưỡng có cấu trúc khác Loại thổ nhưỡng Thổ nhưỡng bột thô đào xới Thổ nhưỡng bột thô không bị đào xới Kênh 19 31 Độ phản xạ % Kênh Kênh 20 21 44 47 Kênh 20 43 - Độ ẩm thổ nhưỡng Độ ẩm thổ nhưỡng ảnh hưởng đến độ phản xạ theo quy luật độ ẩm thổ nhưỡng tăng độ sáng giảm Ngay vùng sóng 0.38 đến 1.4m vùng thổ nhưỡng khơ có độ phản xạ lớn vùng thổ nhưỡng ẩm ướt Các kết nghiên cứu mối quan hệ độ ẩm thổ nhưỡng độ phản xạ (bảng 4-4) - Nhiệt độ thổ nhưỡng Nhiệt độ thổ nhưỡng nhân tố quan trọng, có liên quan đến tỷ lệ ẩm , tỷ lệ phong hố, q trình phản ứng hoá học, hoạt động vi sinh vật,… Nhiệt độ bề mặt thổ nhưỡng thu nhận nhiều loại cảm hồng ngoại nhiệt Chúng có khả ghi nhận số điều kiện nhiệt độ thổ nhưỡng tầng bề mặt Việc giải đoán 91 ảnh nhiệt nhìn chung khó phụ thuộc vào điều kiện ngoại cảnh độ ẩm không khí, mức độ canh tác, mùa chụp ảnh,… Ví dụ, vào mùa xuân thổ nhưỡng sét lạnh thổ nhưỡng cát ảnh mờ hơn, nhiệt độ thổ nhưỡng yếu tố quan trọng khó ghi nhận giải đốn Bảng 4-4 Mối quan hệ độ ẩm thổ nhưỡng độ phản xạ Độ ẩm Độ phản xạ % (%) Thổ nhưỡng sét - bột Thổ nhưỡng cát 20 36 19 26 12 18 20 16 16 19 20 15 24 14 18 32 14 Một số đặc điểm ảnh liên quan đến trình giải đốn thổ nhưỡng a Kích thước đối tượng Là đặc điểm quan trọng để nhận dạng đối tượng giải đoán, giải đốn dựa vào mối quan hệ kích thước đối tượng để định Ví dụ: cát thô rõ ràng phải lớn cát mịn ảnh, chúng có dạng chấm có màu b Hình dạng đối tượng Hình dạng đối tượng ảnh yếu tố quan trọng để giải đoán ảnh, chụp từ cao, hình dạng ảnh xuất ảnh khơng hồn tồn giống với hình dạng thực, có kinh nghiệm giải đốn dễ dàng nhận c Bóng đối tượng Đơi bóng đối tượng có ích q trình giải đốn, cho biết nhiều thơng tin đối tượng thân đối tượng, đặc biệt trường hợp thân đối tượng bị mờ thơng tin d Độ đen thay đổi độ đen ảnh Chúng ta biết ảnh đen trắng, nói chung vật thể màu sẫm đen vật thể màu sáng Các vật thể có bề mặt nhẵn đường nhựa có màu sẫm ảnh sáng vật thể có bề mặt nhám thơ Bề mặt nước thay đổi từ đen đến trắng phụ thuộc vào góc chiếu mặt trời góc chụp máy ảnh nhìn chung vùng thổ nhưỡng ướt đen vùng thổ nhưỡng khô Sự thay đổi từ từ hay đột ngột độ đen ảnh tốt để giải đoán đối tượng Chẳng hạn độ đen ảnh thay đổi từ từ theo điểm, thổ nhưỡng bị xói mịn di chuyển phần phẫu diện Còn trường hợp độ đen ảnh thay đổi đột ngột cách sử dụng đất khác 92 e Cấu trúc ảnh Cấu trúc ảnh định nghĩa xếp không gian đối tượng theo trật tự Các loại thổ nhưỡng khác thể ảnh theo cấu trúc khác Đất bị xói mịn khe rãnh, cấu trúc gờ ảnh, cịn xói mịn bề mặt ảnh cấu trúc mịn f Vị trí đối tượng ảnh Là yếu tố để nhận dạng loại thổ nhưỡng Chẳng hạn thổ nhưỡng phù sa phải nằm gần vùng châu thổ hai bên sơng Đất nước tốt phải gắn với loại định, thổ nhưỡng úng nước liền với loại thích hợp với Các bước giải đốn ảnh a Phát nhận dạng đối tượng Sau chuẩn bị ảnh, bình đồ ảnh, cơng việc việc giải đốn ảnh xem xét xem có ảnh với tất yếu tố có liên quan đến thổ nhưỡng, sau ghi nhận, xác định vị trí, kích thước, hình dạng đối tượng cuối nhận dạng đối tượng đó, tồn phần phần đối tượng b Phân tích Sau phát nhận dạng đối tượng, bước thứ phân tích đối tượng, tìm mối liên hệ chúng yếu tố khác để làm xác việc phân loại thổ nhưỡng Có phương pháp phân tích đối tượng đề xuất là: - Phương pháp phân tích cấu trúc, - Phương pháp phân tích yếu tố, - Phương pháp phân tích tự nhiên, - Phương pháp phân tích đốn từ bên ngồi + Phương pháp phân tích cấu trúc Phương pháp Frosf đưa dựa ngun tắc sau: - Thổ nhưỡng giống xuất ảnh với cấu trúc giống - Thổ nhưỡng khác xuất cấu trúc khác - Một đối tượng giải đốn kiểm tra ngồi thực địa đối tượng dùng khố giải đốn để mở rộng phân tích cho vùng khác Phương pháp đơn giản song xác + Phương pháp phân tích yếu tố Là phương pháp quan trọng nhiều người quan tâm nghiên cứu bắt đầu Buring (1960) sau Vink (1963) bổ sung phân tích thêm Năm 1964, Kamphorst đưa nhóm yếu tố quan trọng để giải đốn thổ nhưỡng (bảng 4-5) Gần đây, Nenema Gelen (ITC, 1969) đưa nhóm yếu tố có liên quan với việc giải đoán: 93 a Các yếu tố gồm: - Bề mặt địa hình (sườn,…), - Thực vật tự nhiên, - Các loại trồng, - Đá mẹ, - Nước, - Các cơng trình nhân tạo, - Thảm thực vật b Các yếu tố hỗn hợp: - Các đường thoát nước, - Cấu trúc mạng lưới thoát nước, - Sử dụng, - Các đứt gẫy, - Các kiến trúc thảm thực vật Bảng 4-5 Nhóm yếu tố có liên quan với việc giải đốn thổ nhưỡng (Kamphost – ITC 1964) Quan hệ với Nhóm I Hình thái lãnh thổ II Các nét đặc biệt địa hình ảnh III Thực vật IV Các yếu tố dự đoán V Ảnh hưởng người 94 Tên yếu tố Kiểu địa hình Hình dáng chung, sườn Mạng lưới đường tụ thuỷ Mạng lưới lưu vực Sông, suối Hình dáng thung lũng Nền ảnh Màu sắc Cấu trúc ảnh Thực vật tự nhiên Các trồng đặc biệt Sử dụng thổ nhưỡng Điều kiện nước Đá mẹ Các tầng thổ nhưỡng Tiểu trung địa hình Đê sóng Hào, rãnh Ranh giới đồng ruộng Cấu trúc khu dân cư Giao thông Các điểm khảo cổ c Các yếu tố suy đốn: Khơng nhìn thấy ảnh mà suy từ yếu tố hai nhóm - Điều kiện nước, - Đá mẹ, - Các tầng thổ nhưỡng, - Các yếu tố ảnh đến xói mịn Goosen Deeko (FAO, 1967) tìm tầm quan trọng yếu tố giải đốn q trình điều tra thổ nhưỡng liên hệ tổng hợp trình xử lý hệ thống thơng tin địa lý Nhìn chung thấy yếu tố có quan hệ chặt chẽ với việc giải đoán ảnh phục vụ điều tra lập đồ thổ nhưỡng là: Loại đất (Landtype) .Hình thái địa hình (Relieffform) - Đá mẹ, - Mức độ phong hoá, thành phần giới, độ dày, - Độ ẩm, - Chất mùn, - Độ dốc Việc phân tích yếu tố kết hợp đồ Bản đồ sử dụng kiểm tra thực địa xác hố ranh giới vùng Phương pháp phân tích yếu tố có thuận lợi người điều tra không cần kiến thức sâu thổ nhưỡng mà cần người lãnh đạo nhóm biên tập lại Tuy nhiên, bất lợi tốn nhiều thời gian công sức so với phương pháp khác Bảng 4-6 Quan hệ yếu tố phân tích với khả điều tra thổ nhưỡng Yếu tố Khả nhận thấy ảnh lập thể Loại đất Địa hình Hình dạng sườn Điều kiện nước Hệ thống thoát nước nhân tạo Thực vật tự nhiên Đá mẹ Màu ảnh Tình hình sử dụng đất Cao Cao Cao Cao Cao Cao Thấp Cao Cao 95 Mối quan hệ với điều kiện thổ nhưỡng Cao Cao Cao Cao Cao Cao Cao Thấp Trung bình Mức độ trùng hợp với ranh giới Cao Cao Cao Trung bình Trung bình Trung bình Cao Thấp Thấp +Phương pháp phân tích yếu tố tự nhiên Phương pháp dựa hiểu biết mối quan hệ thổ nhưỡng tự nhiên Nhiều yếu tố không cần vạch ranh giới đồ mà lại sử dụng sở mối quan hệ thành phần tự nhiên tự nhiên cảnh quan Mối quan hệ dựa ngun tắc q trình tương tác tự nhiên, nên phương pháp phân tích coi phương pháp phân tích q trình phân tích tượng Như phương pháp này, việc nghiên cứu phân thành vùng tự nhiên cấp theo tỷ lệ nghiên cứu việc giải đốn cách tương đối thuận lợi từ ảnh viễn thám Bản đồ thổ nhưỡng xây dựng từ phương pháp cho phép xác định tổ hợp thổ nhưỡng vùng thổ nhưỡng chủ yếu vùng tự nhiên +Phương phán phân tích ngoại suy: Phương pháp Bennema Gelen (ITC, 1969) đề nghị Như tên gợi ý, phương pháp dựa vào đặc điểm bên ngồi lãnh thổ hình dạng, đặc điểm địa mạo bên ngồi lãnh thổ Ví dụ: vùng thổ nhưỡng cao, vùng thổ nhưỡng giữa, núi, đồi lượn sóng, sườn bên, sườn giữa, dốc đứng… Trong thực tiễn, nhiều nhà nghiên cứu ứng dụng phương pháp giải đốn nhanh ảnh để vạch ranh giới kiểu thổ nhưỡng tương đối xác việc chuyển từ thuật ngữ phương pháp sang thuật ngữ phương pháp (c) khơng khó khăn nhà thổ nhưõng có kinh nghiệm Vì phương pháp hay dùng kết hợp với phương pháp (c) Hiện nay, người ta cố gắng chuyển đổi hệ thống phân loại riêng theo hệ thống phân loại chung FA0 – UNESCO viễn thám đáp ứng việc thành lập đồ thổ nhưỡng theo hệ thống tiêu + Phân loại đối tượng Các ảnh phân tích bốn phương pháp đưa ranh giới vùng khác Quá trình ấn định tên cho vùng liên quan đến q trình phân loại vùng Ví dụ: Yếu tố phân tích Thuật ngữ tương tự Phân tích sườn - Sườn lồi - Sườn lõm Sử dụng thổ nhưỡng - Đất rừng - Đồng cỏ Cây ăn - Thềm thấp Phân tích tự nhiên - Thềm cao - Bãi bồi 96 Như vậy, thông qua trường hợp giải đoán ảnh nêu thu kết thể vùng thổ nhưỡng đồ hoàn thành quy trình điều tra thổ nhưỡng phương pháp viễn thám Để nâng cao độ xác kết giải đốn, cần thực đủ quy trình ghi phần I Sử dụng kỹ thuật viễn thám để lập đồ vùng đất bị thối hóa Đối với loại thổ nhưỡng bị thoái hoá (nhiễm mặn, bị xói mịn,…), kỹ thuật viễn thám sử dụng để nghiên cứu đạt kết tốt a Điều tra thổ nhưỡng bị nhiễm mặn Để giải đoán vùng thổ nhưỡng bị nhiễm mặn, tư liệu ảnh cần thiết phải lựa chọn kỹ Các ảnh hồng ngoại tỏ thích hợp để giải đốn (Myers et al, 1963; Manchanda, 1981) Trên loại ảnh này, trồng bị ảnh hưởng mặn có bóng đen bị nhiễm mặn nghiêm trọng có màu đen sẫm (Crowm 1979) Đối với ảnh thông thường vùng có màu trắng nơi tích tụ nhiều muối clorua natri nơi khác vùng đất phèn nặng tích tụ muối sufat,… Các tài liệu Landsat lựa chọn kỹ mùa chụp kênh phổ cho kết giải đoán tốt Diện tích vùng bị mặn quan sát tốt vào thời gian từ tháng giêng đến tháng Kênh cho lượng thơng tin lớn có độ tương phản vùng thổ nhưỡng bị nhiễm mặn không bị nhiễm mặn, kênh cho kết loại thổ nhưỡng này, kênh có độ tương phản lớn kênh yếu kênh Richrdson et al (1976) mức độ nhiễm mặn thể rõ kênh có bước sóng từ 0.69 đến 1.70m Kết so sánh việc sử dụng máy bay ảnh vệ tinh để nghiên cứu thổ nhưỡng nhiễm mặn (Manchada, 1984) cho thấy ảnh hàng khơng phân biệt ba cấp nhiễm mặn ít, trung bình nhiều, tài liệu ảnh Landsat MSS phát cấp nhiễm mặn nhiễm mặn nhiều Nếu xét giá thành thời gian việc sử dụng tài liệu ảnh vệ tinh MSS rẻ nhanh song mức độ xác có b Điều tra thổ nhưỡng bị xói mịn Nghiên cứu thổ nhưỡng xói mịn phương pháp viễn thám chủ yếu dựa vào tính chất thổ nhưỡng có ảnh hưởng đến xói mịn thành phần giới, chất hữu cơ, độ ẩm thổ nhưỡng,… 97 Trên ảnh hàng khơng phát khe rãnh theo chiều độ sâu, chiều rộng, chiều dài,… ảnh vệ tinh điều khó khăn Diện tích thổ nhưỡng có mương rãnh vạch ảnh vệ tinh thường lớn diện tích vạch ảnh hàng không khoảng 50% Trên ảnh vệ tinh, nhận dạng vùng xói mịn thơng qua đặc điểm: - Khả xói mịn gắn với thay đổi thực vật, - Sự thay đổi màu thổ nhưỡng, - Sự xuất cấu trúc kiểu cành cây, - Thế nằm đụn cát, - Sự xuất vùng thổ nhưỡng trơ sỏi đá, Thổ nhưỡng bị xói mịn thường phản xạ mạnh ánh sáng dải sóng 0,7 đến 1,1m (kênh MSS hay kênh TM ( vệ tinh Landsat) kênh ảnh vệ tinh SPOT) Manchanda (1985) nghiên cứu xói mịn thổ nhưỡng vùng Haryana phân cấp xói mịn sau (trên ảnh Landsat FCC): E1 : Xói mịn trung bình, vùng đồng thấp núi E2 : Xói mịn mạnh, vùng đồng cao núi E3 : Xói mịn mạnh, vùng đồi cao Một số quy trình giải đốn ảnh đề xuất áp dụng, quy trình giải đoán ảnh quan trọng cần tuân thủ nghiêm túc, đáng ý giải đốn phân tích đối tượng với phương pháp quan trọng phương pháp phân tích yếu tố Kỹ thuật viễn thám cịn sử dụng có hiệu để nghiên cứu thổ nhưỡng thối hoá thổ nhưỡng nhiễm mặn thổ nhưỡng bị xói mịn,… Khi muốn xác định tiêu định lượng cần có kiểm tra kỹ vùng mẫu tìm hệ số chung cho đơn vị thổ nhưỡng vùng lãnh thổ 98 99 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu nước: Nguyễn Đình Dương (1998) Bài giảng: Kỹ thuật phương pháp viễn thám Đặng Văn Đức (2001) Hệ thống thông tin địa lý GIS, NXB khoa học kỹ thuật - Hà Nội Phạm Trọng Mạnh, Phạm Vọng Thành (1999) Cơ sở GIS quy hoạch quản lý đô thị Phạm Vọng Thành (1995) Về phương pháp điều vẽ kết hợp phịng với ngồi trời khả ứng dụng chúng - Tuyển tập cơng trình khoa học XXI Phạm Vọng Thành (2000) Trắc địa ảnh - phần đoán đọc điều vẽ ảnh, Nhà xuất giao thông vận tải Hà Nội Phạm Vọng Thành (1995) Quy trình xây dựng ảnh mẫu điều vẽ dùng cho lập hiệu chỉnh đồ địa hình nước ta, Tạp chí Trắc địa đồ N01 Phạm Vọng Thành Công nghệ tích hợp Viễn thám GIS quản lý Đất đai Phạm Vọng Thành (2009) Ứng dụng công nghệ tích hợp Viễn thám GIS cơng tác đồ, Đại học Mỏ - Địa chất Phạm Vọng Thành, Nguyễn Trường Xuân (2003) Công nghệ Viễn thám 10 Nguyễn Ngọc Thạch công (1997) Viễn thám nghiên cứu tài nguyên môi trường , Nhà xuất khoa học kỹ thuật - Hà Nội 11 Nguyễn Ngọc Thạch Bài giảng Cơ sở viễn thám - Khoa địa lý, trường Đại học khoa học tự nhiên 12 Lê Văn Trung (2005) Viễn Thám, NXB Đại học quốc gia TP Hồ Chí Minh 100 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU Chương KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ VIỄN THÁM 1.1 Lịch sử phát triển viễn thám 1.2 Khái niệm viễn thám Định nghĩa Nguyên lý viễn thám Khái niệm xạ điện từ 1.3 Phân loại viễn thám 12 1.4 Bộ cảm phân loại cảm 15 Khái niệm chung cảm 15 Phân loại cảm 16 Máy chụp ảnh 17 1.5 Vật mang quỹ đạo bay 19 Phân loại vật mang 19 Quỹ đạo bay thông số 20 1.6 Một số vệ tinh viễn thám 22 Vệ tinh LANDSAT 22 Vệ tinh SPOT 24 Vệ tinh MOS 25 Vệ tinh IRS 25 Vệ tinh IKONOS 26 Vệ tinh WORLD VIEW – 27 Vệ tinh COSMOS 28 1.7 Tư liệu sử dụng viễn thám 28 Ảnh tương tự 28 Ảnh số 29 Số liệu mặt đất 31 Số liệu định vị mặt đất 32 Bản đồ số liệu địa hình 32 1.8 Truyền thu số liệu vệ tinh 33 Chương LÝ THUYẾT PHẢN XẠ PHỔ CỦA ĐỐI TƯỢNG TỰ NHIÊN 35 2.1 Năng lượng xạ mặt trời 35 2.2 Đặc điểm phổ đối tượng tự nhiên 36 Đặc tính phản xạ phổ thực vật 38 Đặc tính phản xạ phổ thổ nhưỡng 40 Đặc tính phản xạ phổ nước 42 2.3 Một số yếu tố ảnh hưởng đến phản xạ phổ đối tượng tự nhiên 44 Ảnh hưởng yếu tố không gian – thời gian 44 Ảnh hưởng khí 45 Chương GIẢI ĐOÁN ẢNH VIỄN THÁM 49 3.1 Khái niệm 49 3.2 Nhập liệu 50 3.3 Hiệu chỉnh ảnh 51 Hiệu chỉnh xạ 51 Hiệu chỉnh khí 52 Hiệu chỉnh hình học ảnh 53 3.4 Biến đổi ảnh 54 Tăng cường chất lượng chiết tách đặc tính 54 Biến đổi cấp độ xám 54 Thể màu tư liệu ảnh vệ tinh 54 Các phép biến đổi ảnh 55 Phân tích cấu trúc 56 3.5 Giải đoán ảnh viễn thám 57 Giải đoán ảnh mắt 57 Giải đoán ảnh theo phương pháp số 62 3.6 Giai đoạn đưa kết 68 Các sản phẩm đồ họa 69 Các liệu đưa bảng 69 Các file thông tin số 69 Chương VIỄN THÁM TRONG NGHIÊN CỨU TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG 70 4.1 Giới thiệu chung 70 4.2 Viễn thám nghiên cứu địa chất 72 Mở đầu 72 Đoán đọc ảnh nghiên cứu kiến tạo 73 Giải đoán yếu tố cấu tạo cấu trúc địa chất 77 4.3 Viễn thám nghiên cứu sử dụng đất lớp phủ bề mặt 79 Mở đầu 79 Những công việc cần thực 80 Những điều cần lưu ý giải đoán ảnh để thành lập đồ trạng sử dụng đất lớp phủ bề mặt 84 4.4 Sử dụng kỹ thuật viễn thám điều tra thành lập đồ đất 84 Giới thiệu 84 Tích hợp viễn thám với HTTTĐL công tác nghiên cứu thổ nhưỡng 85