Bài giảng đồ án môn học ứng dụng viễn thám trong thủy văn và giảm nhẹ thiên tai

Trang 1 2/20/20221HƯỚNG DẪNĐồ án môn họcỨng dụng viễn thám trong thủy văn và giảm nhẹ thiên taiXÁC ĐỊNH VÙNG NGẬP TỪ ẢNH VỆ TINH SENTINEL 1 VÀ TÍNH TỐNDIỆN TÍCH NGẬP, SỐ NHÀ BỊ NGẬP, LOẠ

1

HƯỚNG DẪN

Đồ án môn học Ứng dụng viễn thám trong thủy văn và

giảm nhẹ thiên tai

XÁC ĐỊNH VÙNG NGẬP TỪ ẢNH VỆ TINH SENTINEL 1 VÀ TÍNH TOÁN

DIỆN TÍCH NGẬP, SỐ NHÀ BỊ NGẬP, LOẠI SỬ DỤNG ĐẤT, ĐƯỜNG

•Vận dụng các kiến thức cơ bản đã học trong học phần Ứng dụng viễn

thám trong thủy văn và giảm nhẹ thiên tai để thực hiện một bài toán ứng

dụng trong thủy văn, môi trường, phòng chống thiên tai

•Yêu cầu

 Tính toán diện tích ngập từ ảnh vệ tinh

 tính toán số nhà bị ngập

 tính toán số km đường giao thông bị ngập

 tính toán diện tích và loại sử dụng đất bị

ngập

Ứng dụng viễn thám trong thủy văn và giảm nhẹ thiên tai

• Bước 2: Tiền xử lý ảnh – Tối ưu ảnh

• Bước 3: Tiền xử lý ảnh – lọc ảnh viễn thám

• Step 3: Binarization

• Step 4: Tiền xử lý ảnh – nắn ảnh về tọa độ địa lý

• Step 5: Visualization in Google Earth

Bước 1 Chuẩn bị dữ liệu

• Để đọc dữ liệu ảnh từ menu của phần mềm SNAP chọn

menu > Open Product

• Chọn file ảnh Sentinel-1 nằm trong file *.zip hoặc thư mục

có chứa file ảnh

• Đối với mỗi bức ảnh SAR có bao gồm 2 ban ảnh là

Amplitude and Intensity Khi ta kích chuột vào ảnh nào thì

ảnh đó sẽ hiện ra bên khung cửa sổ World View

Bước 1 Tiền xử lý ảnh – Tối ưu ảnh

• 1.1 Calibration: Chọn menu Radar > Radiometric >

Calibrate

2 Tiền xử lý ảnh – lọc ảnh Speckle filtering

• Để lọc ảnh viễn thám chọn menu Select Radar > Speckle

Filtering > Single Product Speckle Filter

2.4 So sánh ảnh đã được lọc và ảnh chưa được lọc

• Cửa sổ Speckle filtering hiện ra Chọn tab: Processing Parameters

Sau đó chọn Sigma0_VV và chọn phương pháp Lee filter với cửa sổ

window size 7 by 7 Sau đó kích chuột vào nút Run.

7

4 Xử lý ảnh – Hiệu chỉnh tọa độ ảnh

• 4 Xử lý ảnh – Hiệu chỉnh tọa độ ảnh

• Bức ảnh vệ tinh đã thu thập chỉ theo tọa độ vị trí của các điểm ảnh

Ta cần đưa các tọa độ điểm ảnh về tọa độ địa lý Chọn menu Radar

> Geometric -> Terrain Correction -> Range-Doppler Terrain

Correction.

• Cửa sổ Range-Doppler Terrain Correction hiện ra Chọn tab

Processing Parameters Trong cửa sổ Source Bands chọn file ảnh cần

chuyển tọa độ

• Chọn file mô hình số độ cao Digital Elevation Model – SRTM1Sec

(Auto Download), file này sẽ được tự động download vào máy tính

• Phương pháp thay đổi độ phân giải của DEM

-BILINEAR_INTERPOLATION;

• Phương pháp thay đổi độ phân giải của ảnh vệ

tinh-NEAREST_NEIGHBOUR; Độ phân giải ảnh - 10 m (phụ thuộc vào loại

ảnh vệ tinh);

• Hệ tọa độ - WGS84(DD), thông thường sử dụng hệ tọa độ

UTM/WGS84, chương trình SNAP sẽ tự chọn vùng phù hợp

• Chọn nút OK để tính toán.

Ảnh sau khi được nắn chỉnh về tọa độ địa lý

• Sau khi chuyển tọa độ xong có thể xuất file đã được nắn chỉnh sang

định dạng Geo Tiff để dùng phần mềm ArcGIS để tính toán xử lý

tiếp Chọn menu File > Export > GeoTiff

9

Xử lý ảnh

• Mở file ảnh bằng ArcGIS

• Các điểm ảnh dưới nước thường có giá trị < 1

• Xóa các điểm ảnh có giá trị <=0 và >=1

• Tăng các giá trị điểm ảnh lên 1000 lần

Phân loại ảnh

11

• Chuyển hệ tọa độ sang UTM múi 48

• Chuyển từ UTM múi 48 sang VN 2000 múi 48

tọa độ kinh tuyến trục là 105

Xuất lớp xã sang file text

• Xuất lớp xã sang file text

• Xác định các xã cần tính toán

Chồng xếp bản đồ

• Chồng xếp các bản đồ ngập lụt, nhà, xã

CHƯƠNG III: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN

• 3.1 Kết quả tính toán vùng ngập cho từng xã

13

CHƯƠNG III: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN

• 3.2 Kết quả tính toán diện tích ngập cho từng

Thạch Trung P Đại Nài P Tân Giang P Bắc Hà

CHƯƠNG III: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN

• 3.3 Kết quả tính toán số nhà bị ngập

• Xuất bảng dữ liệu sang text file

• Sau đó dùng hàm COUNTIF để đếm số nhà bị ngập

• =COUNTIF($AC$2:$AC$14,CONCATENATE("=",AM2))

CHƯƠNG III: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN

• 3.3 Kết quả tính toán diện tích và loại sử dụng

Đất trồng lúa nước còn lại

Đất thương mại, dịch vụ

Đất bằng trồng cây hàng năm khác Đất an ninh

Đất sông, ngòi, kênh, rạch, suối

Đất quốc phòng

Đất xây dựng cơ

sở giáo dục và đào tạo

Đất khu vui chơi, giải trí công cộng

Đất bằng chưa sử dụng TỔNG

15

CHƯƠNG III: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN

• 3.3 Kết quả tính toán số km đường giao thông

bị ngập

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

• Nghiên cứu này đã sử dụng phần mềm SNAP và ArcGIS

để xử lý ảnh vệ tinh và tính toán ảnh hưởng của ngập lụt

Nghiên cứu đã tính toán diện tích ngập, số nhà bị ngập,

diện tích sử dụng đất, số đường giao thông bị ngập

• Kết quả tính toán ngập của từng xã cho thấy những vùng

nào bị ngập nhiều nhất?

• Kết quả tính toán ngập của từng xã cho thấy xã nào có nhà

bị ngập nhiều nhất?

• Kết quả tính toán ngập của từng xã cho thấy những vùng

nào có đường giao thông bị ngập nhiều nhất?

• Kết quả tính toán ngập của từng xã cho thấy loại cây trồng

nào bị ngập nhiều nhất?

Kiến nghị

• Phương pháp tính toán trong đồ án môn học

này có thể được sử dụng để tính toán những

vùng ngập, vị trí khác hay không?

• Có cần thêm các số liệu đo đạc để kiểm chứng

kết quả tính toán hay không?

• …

• …

• …

HƯỚ NG DẪ N XẪ C ĐI NH VU NG NGẪ P TƯ Ẫ NH VE TINH SENTINEL 1 VẪ TI NH TOẪ N DIE N TI CH NGẪ P, SO NHẪ BI NGẪ P,

Strip map mode (SM): Là chế độ chụp theo dải với độ phân giải hình học là 5×5 m, độ rộng của ban là 80km Mỗi một dải bay sẽ chụp với phạm vi là 375km và chiều dài ăng ten là cố định

Hình 1- 1 Ảnh vệ tinh Sentinel - 1A (nguồn sentinel.esa.int)

Hình 1- 2 Các chế độ chụp ảnh SENTINEL-1 (nguồn sentinel.esa.int)

Chế độ chụp SM chỉ được chụp khi có tình huống bất thường

Interferometric wide-swath mode (IW): Là chế độ chụp giao thoa dải rộng với phạm vi chụp là 250km và độ phân giải không gian 5×20 m (ảnh SLC) Đối với một dải bay của chế độ chụp IW sẽ có ba dải quét tương ứng là IW1, IW2, IW3, các dải quét này có độ chồng phủ là 2km, mỗi dải quét chứa một ảnh và mỗi một ảnh là một phân cực Như vậy trong một ảnh SLC với chế độ chụp IW có 3 ảnh (phân cực đơn) và 6 ảnh (phân cực đôi)

Extra wide-swath mode (EW) là chế độ chụp dải rộng tương tự như chế độ IW nhưng phạm vi rộng hơn, khoảng 400km, độ phân giải trung bình là 20m × 40 m trên

Wave-mode images (WV) là chế độ chụp dạng sóng, với cảnh ảnh rộng là 20km × 20

km, độ phân giải không gian là 5m × 5m và cứ 100km thì chụp một ảnh Chế độ chụp

WV chụp xen kẽ với các góc chụp khác nhau (tử 230 đến 36.50) các cảnh ảnh có cùng góc chụp cách nhau 200km

Hình 1- 3 Chế độ chụp ảnh WV (nguồn sentinel.esa.int)

Chế độ chụp ảnh SM, IW và EW có thể hoạt động với chu kz lặp là 25 phút trên mỗi quĩ đạo Chế độ WV hoạt động với chu kz lặp là 75 phút trên mỗi quĩ đạo Các chế độ SM, IW và EW thì tín hiệu được phát và thu theo kiểu phân cực đơn (HH hoặc VV) và phân cực kép (Phân cực đôi) (HH + HV, VV + VH) Chế độ chụp WV chỉ chụp được theo phân cực đơn (HH hoặc VV)

thường được phản xạ từ đỉnh của tán cây

Bảng 1 1 Các thông số của ảnh vệ tinh Sentinel-2

Các thông số của ảnh vệ tinh Sentinel-2

Sentinel-2 bands Sentinel-2A Sentinel-2B

Central wavelength (nm)

Bandwidth (nm)

Central wavelength (nm)

Bandwidth (nm)

Spatial resolution (m) Band 1 – Coastal aerosol 442.7 21 442.2 21 60

Band 2 – Blue 492.4 66 492.1 66 10

Band 3 – Green 559.8 36 559.0 36 10

Band 4 – Red 664.6 31 664.9 31 10

Band 5 – Vegetation red

Band 8A – Narrow NIR 864.7 21 864.0 22 20

Band 9 – Water vapour 945.1 20 943.2 21 60

Band 10 – SWIR – Cirrus 1373.5 31 1376.9 30 60

Band 11 – SWIR 1613.7 91 1610.4 94 20

Band 12 – SWIR 2202.4 175 2185.7 185 20

Hiện nay, ở Việt Nam các cơ quan ứng dụng viễn thám sử dụng nhiều loại tư liệu ảnh vệ tinh, trong số đó các tư liệu vừa nêu trên là phổ biến Các tư liệu này mới được ứng dụng cho việc điều tra nghiên cứu các đối tượng trên đất liền như để hiện chỉnh bản đồ tại Trung tâm Viễn thám, lập bản đồ địa chất tại Cục Địa chất Việt Nam

và Viện nghiên cứu Địa chất và Khoáng sản, sử dụng trong quản lý tổng hợp vùng bờ

ở Cục Bảo vệ Môi trường Tại các cơ quan ngoài Bộ, các tư liệu viễn thám được sử dụng tại các Viện nghiên cứu và một số Trường Đại học Tuy nhiên, việc ứng dụng các

tư liệu này chủ yếu cho việc quan sát sử dụng đất, môi trường, đô thị Cũng có một

số thí nghiệm ảnh viễn thám nghiên cứu về biển nhưng lẻ tẻ, chủ yếu tập trung ở một số địa điểm ven bờ như Hải Phòng, Quảng Ninh, Nha Trang, Vũng Tàu Có một số

đề tài nghiên cứu ứng dụng ảnh MODIS nghiên cứu các thông số trường nhiệt độ, sóng thì mới chỉ làm ví dụ chưa được kiểm chứng nghiêm túc

Bảng 1 2 Một số đặc tính của các ảnh vệ tinh phổ biến

động

Phổ (Bands)

giải không gian (m)

Kích thước mảnh (km)

Landsat 7 ETM+ 1999-nay 8 30 170 x 185 Miễn phí

độ phân giải cao và ảnh có độ phân giải rất cao nếu kích thước pixel nhỏ hơn 1 m Tuy nhiên, sự phân loại theo kích thước pixel như sau đây đã được sử dụng rộng rãi trên thế giới

- Độ phân giải thấp ≥ 30 m và < 300 m

- Độ phân giải trung bình ≥ 5 m và < 30 m

- Độ phân giải cao ≥ 1.0 m và < 5 m

- Độ phân giải rất cao < 1.0 m

Những ảnh vệ tinh có độ phân giải trung bình được và thấp thường được sử dụng trong các lĩnh vực đánh giá môi trường, lập bản đồ, quản lý rừng, đánh giá thảm họa và giám sát đô thị Trong khi đó, ảnh vệ tinh đô phân giải cao có thể cung cấp thông tin rất chi tiết về các đối tượng trên mặt đất, thậm chí là nhỏ như các tòa nhà, đường, sông hay cây, v.v Chính vì vậy chúng được sử dụng để trong các lĩnh vực chuyên môn như lập bản đồ hệ thống giao thông, quản lý thảm họa, quy hoạch đô thị hay nông nghiệp và đánh giá xói lở, diễn biến hình thái bờ sông, bờ biển

Các ứng dụng công nghệ viễn thám trên đất liền hiện nay đã khẳng định khả năng của công nghệ viễn thám Các nghiên cứu ban đầu ứng dụng công nghệ viễn thám nghiên cứu biển trong thời gian qua ở Việt Nam cùng với kinh nghiệm sử dụng công nghệ này ở nước ngoài là cơ sở để lựa chọn công nghệ viễn thám như một trong những giải pháp ưu tiên quan trọng trong việc xây dựng Hệ thống trạm quan trắc tài nguyên môi trường và khí tượng thuỷ văn biển Việt Nam

1.1.2 Thu thập ảnh vệ tinh

Dữ liệu từ trang https://scihub.copernicus.eu/dhus/#/home cung cấp cho ta

dữ liệu ảnh vệ tinh Sentinel-1, Sentinel-2, Sentinel-3

Truy cập trang web dữ liệu

Hình 1 Trang web để download dữ liệu DEM

Chọn vùng cần tìm dữ liệu bấm chuột phải để vẽ vùng hoặc vẽ ô dữ liệu cần

Hình 5 Chọn nút download product để download ảnh vệ tinh

Hình 6 Chọn nút OK để lưu ảnh vệ tinh vào máy tính

1.2 Phương pháp xác định ứng dụng viễn thám xác định diện tích mặt nước bằng ảnh vệ tinh Sentinel 1

Đối với ảnh vệ tinh Sentinel 1 là ảnh Sentinel-1A là vệ tinh đầu tiên trong loạt các vệ tinh thuộc chương trình Copernicus, đã được lên quĩ đạo ngày 3/4/2014 Thiết

bị thu nhận ảnh Radar khẩu độ tổng hợp, kênh C với bước sóng là 5.66cm

Việc xử lý ảnh vệ tinh Sentinel 1 xác định diện tích mặt nước hồ được sử dụng phần mềm SNAP được cung cấp bởi cơ quan hàng không vũ trụ châu Âu

Hình 7 Quy trình tính toán xử lý ảnh vệ tinh Sentinel 1

Bước 2: Tiền xử lý ảnh – Tối ưu ảnh

Bước 3: Tiền xử lý ảnh – lọc ảnh viễn thám

Step 3: Binarization

Step 4: Tiền xử lý ảnh – nắn ảnh về tọa độ địa lý

Step 5: Visualization in Google Earth

1.4 Bước 1 Chuẩn bị dữ liệu

Để đọc dữ liệu ảnh từ menu của phần mềm SNAP chọn menu > Open

Product

Chọn file ảnh Sentinel-1 nằm trong file *.zip hoặc thư mục có chứa file ảnh

Cửa sổ Product Explorer bên trái màn hình hiển thị các thông tin về ảnh Các

thông tin này bao gồm: Metadata (bao gồm các thông số ảnh SAR về ảnh vệ tinh và

quỹ đạo vệ tinh); Lưới các điểm khống chế dùng trong việc nắn chỉnh ảnh(kinh độ, vĩ

độ các điểm khống chế, các thông số nắn chỉnh ảnh); các Bands ảnh (các band ảnh có

trong bức ảnh đã download) Khi kích phải chuột vào Product và chọn Properties có

thể xem các thông tin về vệ tinh, ngày giờ chụp ảnh, đường bay và nhiều thông số

khác của ảnh

Đối với mỗi bức ảnh SAR có bao gồm 2 ban ảnh là Amplitude and Intensity Khi

ta kích chuột vào ảnh nào thì ảnh đó sẽ hiện ra bên khung cửa sổ World View

Để cắt ảnh ra thành một bức ảnh nhỏ hơn thì chọn menu Raster  Subset

Điền các thông số cần cắt ảnh vào các tọa độ điểm đầu, điểm cuối X, Y và chọn

OK

Bước 1 Tiền xử lý ảnh – Tối ưu ảnh

1.1 Calibration: Chọn menu Radar > Radiometric > Calibrate

1.2 Cửa sổ Calibration sẽ hiện ra Chọn tab: Processing Parameters

2 Tiền xử lý ảnh – lọc ảnh Speckle filtering

Để lọc ảnh viễn thám chọn menu Select Radar > Speckle Filtering > Single

Product Speckle Filter

Cửa sổ Speckle filtering hiện ra Chọn tab: Processing Parameters Sau đó

chọn Sigma0_VV và chọn phương pháp Lee filter với cửa sổ window size 7 by 7 Sau

đó kích chuột vào nút Run

2.4 So sánh ảnh đã được lọc và ảnh chưa được lọc

4 Xử lý ảnh – Hiệu chỉnh tọa độ ảnh

Bức ảnh vệ tinh đã thu thập chỉ theo tọa độ vị trí của các điểm ảnh Ta cần

đưa các tọa độ điểm ảnh về tọa độ địa lý Chọn menu Radar > Geometric > Terrain

Correction > Range-Doppler Terrain Correction

Cửa sổ Range-Doppler Terrain Correction hiện ra Chọn tab Processing

Parameters Trong cửa sổ Source Bands chọn file ảnh cần chuyển tọa độ

Chọn file mô hình số độ cao Digital Elevation Model – SRTM1Sec (Auto

Download), file này sẽ được tự động download vào máy tính

Phương pháp thay đổi độ phân giải của DEM - BILINEAR_INTERPOLATION;

Phương pháp thay đổi độ phân giải của ảnh vệ tinh- NEAREST_NEIGHBOUR;

Độ phân giải ảnh - 10 m (phụ thuộc vào loại ảnh vệ tinh);

Hệ tọa độ - WGS84(DD), thông thường sử dụng hệ tọa độ UTM/WGS84,

chương trình SNAP sẽ tự chọn vùng phù hợp

Chọn nút OK để tính toán

Sau khi chuyển tọa độ xong có thể xuất file đã được nắn chỉnh sang định dạng

Geo Tiff để dùng phần mềm ArcGIS để tính toán xử lý tiếp Chọn menu File > Export

> GeoTiff

SetNull(("anh1810.tif" <= 0) | ("anh1810.tif" >= 1),"anh1810.tif" * 1000)

Phân tách đất và nước

Chỉnh sửa vùng ngập

Sau khi đã chỉnh sửa lớp ngập lụt phù hợp với ngập lụt thực tế

Chuyển hệ tọa độ sang UTM múi 48

Chuyển từ UTM múi 48 sang VN 2000 múi 48 tọa độ kinh tuyến trục là 105

Xuất lớp xã sang file text

Sau khi tính toán lại diện tích vùng ngập và xuất kết quả tính toán sang excel,

dùng hàm SUMIFS để tính toán tổng diện tích ngập của từng xã

=SUMIFS($X$2:$X$213,$Q$2:$Q$213,CONCATENATE("=",AB2))/10000

Xuất bảng dữ liệu sang text file

Sau đó dùng hàm COUNTIF để đếm số nhà bị ngập

=COUNTIF($AC$2:$AC$14,CONCATENATE("=",AM2))

Dùng hàm SUMIFS để tính toán tổng diện tích sử dụng đất của từng xã

=SUMIFS($BQ$2:$BQ$660,$D$2:$D$660,CONCATENATE("=",$BT3),$AZ$2:$AZ

$660,CONCATENATE("=",BW$1))/10000

Tính toán các loại đường và số km đường bị ngập