Bài tiểu luận xử lý ảnh vệ tinh khu vực nghiên cứu tại huyện hoằng hóa, tỉnh thanh hóa

.Việc phân loại hiện trạng r`ng bằng kỹ thuật phân loại hướng đối tượng là cho phép chúng ta tách, phân loại nhanh trạng thái t`ng đối tượng dựa trên ngưỡng và các chỉ số thực vật cũng n

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI KHOA TRẮC ĐỊA, BẢN ĐỒ VÀ THÔNG TIN ĐỊA LÝ

BÀI TIỂU LUẬN

XỬ LÝ ẢNH VỆ TINH

KHU VỰC NGHIÊN CỨU TẠI HUYỆN HOẰNG HÓA, TỈNH THANH HÓA

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN VĂN NAM SINH VIÊN THỰC HIÊN: NGUYỄN VĂN HOÀN

Hà Nội - 2023

1.3 Ảnh vệ tinh quang học Landsat 2

II Một số công việc trong xử lý ảnh vệ tinh 3

2.1 Tăng cường chất lượng ảnh 3

2.2 Các phương pháp phân loại ảnh viễn thám 4

2.2.1 Phân loại c" ki$m đ'nh 4

2.2.2 Phân loại không ki$m đ'nh 5

2.3 Xác định nhiệt độ b9 mă :t từ tư liệu ảnh vệ tinh Landsat 6

2.3.1 Tính chuy$n giá tr' số () sang giá tr' bức xạ (Lλ ) 7

III Ứng dụng của Arcgis trong xử lý ảnh vệ tinh 15

3.1 Tính nhiệt độ b9 mặt 15

3.2 Tăng cường chất lượng ảnh 23

3.3 Phân loại đối tượng 26

3.3.1 Phân loại c" ki$m đ'nh 26

3.3.2 Phân loại không ki$m đ'nh 29

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

STT TÊN VIẾT TẮT TÊN TIẾNG ANH TÊN TIẾNG VIỆT 1 GIS Geography Infomation System Hệ thống thông tin đ'a lý

DANH MỤC BẢNG

BPng 1.Các thế hệ vệ tinh trong chương trình LANDSAT 2

BPng 2 Đặc đi$m các kênh phổ Pnh LANDSAT 8 3

BPng 3 Diện tích phân bố nhiệt độ 22

BPng 4 Diện tích các lớp phủ bề mặt 28

BPng 5 phân loại không ki$m đ'nh 30

IV

DANH MỤC HÌNH

Hình 1 Nguyên lý hoạt động của viễn thám quang học 1

Hình 2 Quy trình công nghê _ xác đ'nh nhiê _t đô _ bề mặt t` da liê _u Pnh hbng ngoại nhiê _t Landsat 6

Hình 3 BPn đb huyện Hoằng H"a, tỉnh Thanh H"a 9

Hình 4 Giao diện sau khi đăng nhập 12

Hình 5 Quy trình tPi Pnh LANDSAT 8 13

Hình 6 Quy trình tPi Pnh LANDSAT 8 13

Hình 7 Quy trình tPi Pnh LANDSAT 8 14

Hình 8 Ki$m tra Pnh trước khi tPi 14

Hình 9 TPi Pnh LANDSAT 8 14

Hình 10 Da liệu Pnh LANDSAT 8 15

Hình 11 Kênh 4, kênh 5 và kênh 10 Pnh Landsat 8 15

Hình 12 Hộp thoại Raster Calculator 16

Hình 29 Gộp các kênh Pnh 24

Hình 30 Ảnh màu tự nhiên 25

Hình 31 Kênh 8 25

Hình 32 Tăng cường chất lượng Pnh 25

Hình 33 Ảnh tăng cường huyện Hoằng H"a, tỉnh Thanh H"a 26

Hình 34 Thanh công cụ Image Clasification 26

Hình 35 BPng lấy mẫu 27

Hình 36 Hộp thoại Maximum Likelihood Classification 27

Hình 37 BPn đb phân loại c" ki$m đ'nh lớp phủ bề mặt huyện Hoằng H"a, tỉnh Thanh H"a 28

Hình 38 Bi$u đb phần trăm diện tích lớp phủ bề mặt 29

Hình 39 Phân loại không ki$m đ'nh 29

Hình 40 BPn đb phân loại không ki$m đ'nh lớp phủ bề mặt huyện Hoằng H"a, tỉnh Thanh H"a 30

VI

MỞ ĐẦU

Hiện nay viễn thám đã và đang trở nên một phương pháp nghiên cứu rất c" hiệu quP bởi nhang ưu thế vốn c" của n" mà nhang ngubn tư liệu và phương pháp nghiện cứu thông thường không th$ c" được Bên cạnh đ", nhang tiến bộ và sự phát tri$n của khoa học đ'a lý cho phép mở rộng nhang hướng áp dụng mới của viễn thám, đặc biệt trong hướng đ'a lý ứng dụng và càng ngày càng th$ hiện tính hiệu quP khi vận dụng trong thực ti$n của nhiều lĩnh vực khác nhau của đ'a lý như: nghiện cứu, đánh giá các loại tài nguyên, nghiên cứu môi trường và biến động môi trường, nghiên cứu hệ sinh thái, tổ chức lPnh thổ và quPn lý môi trường

.Việc phân loại hiện trạng r`ng bằng kỹ thuật phân loại hướng đối tượng là cho phép chúng ta tách, phân loại nhanh trạng thái t`ng đối tượng dựa trên ngưỡng và các chỉ số thực vật cũng như giá tr' phổ trích xuất t` Pnh nhằm hạn chế thời gian, chi phí, sai số trong công tác điều tra ngoài thực đ'a, đem lại độ chính xác tương đối cao cho ngành Ứng dụng viễn thám trong giám sát tài nguyên môi trường hiện nay đ$ quPn lý một cách nhanh ch"ng và k'p thời T` đ" giúp cho người sử dụng c" th$ đưa ra biện pháp và phương án phù hợp đ$ giPi quyết vấn đề tại huyện Hoằng H"a, tỉnh Thanh H"a trong tương lai.

VII

PHẦN 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT XỬ LÝ ẢNH VỆ TINH I Cơ sở lý thuyết

1.1 Khái niệm ảnh vệ tinh quang học

Viễn thám trong dPi s"ng nhìn thấy và hbng ngoại hay còn gọi là viễn thám quang học là một trong ba loại cơ bPn của kỹ thuật viễn thám, bên cạnh viễn thám hbng ngoại nhiệt và viễn thám radar Trong viễn thám quang học, ngubn năng lượng là bức xạ điện t` t` các ngubn năng lượng tự nhiên như Mặt trời, Trái đất và Khí quy$n.

1.2 Nguyên lý hoạt động

Trong viễn thám quang học, ngubn năng lượng là bức xạ điện t` t` các ngubn năng lượng tự nhiên như Mặt trời, Trái đất và Khí quy$n Mặt trời là ngubn cung cấp năng lượng tự nhiên chính, cũng là ngubn bức xạ tự nhiên chủ yếu Mặt trời được coi là vật đen ở nhiệt độ tuyệt đối 6000 độ K Tổng năng lượng mặt trời cung cấp tại trái đất trên một đơn v' diện tích (hằng số mặt trời) đạt giá tr' khoPng 140 W/m2 Các vệ tinh viễn thám trong dPi s"ng nhìn thấy và hbng ngoại thu nhận tín hiệu phPn hbi t` vật th$ do bức xạ điện t` t` mặt trời chiếu đến

Mặt trời cung cấp một bức xạ c" bước s"ng ưu thế 0,5 µm Tư liệu viễn thám thu được trong dPi s"ng nhìn thấy và hbng ngoại phụ thuộc chủ yếu vào sự phPn xạ t` bề mặt vật th$ và bề mặt trái đất Vì vậy các thông tin về vật th$ c" th$ được xác đ'nh t` các phổ phPn xạ.

H nh 1 Nguyên lý hoạt động của viễn thám quang học 1

* Ưu điểm

- Hình Pnh rõ nét, phù hợp với cPm nhận của mắt người; - ‡t biến dạng về hình học (co Pnh, méo Pnh, ); - Dễ xử lý, nắn chỉnh, dễ sử dụng;

- Độ phân giPi phổ rộng, c" th$ t` vài kênh phổ đến hàng chục kênh phổ 1.3 Ảnh vệ tinh quang học Landsat

Vào năm 1967, tổ chức hang không và vệ tinh quốc gia (NASA) được sự hỗ trợ của Bộ nội vụ Mỹ đã tiến hành chương trình nghiên cứu thăm dò tài nguyễn trái đất ERTS (Earth Resources Technology Satellite) Vệ tinh nghiên cứu tài nguyên LANDSAT Vệ tinh ERTS-1 được ph"ng lên quỹ đạo vào ngày 23 tháng 6 năm 1972 Sau đ" NASA đổi tên chương trình ERTS thành LANDSAT, ERTS-1 được đổi tên thành LANDSAT1 Vệ tinh LANDSAT1 bay qua xích đạo lúc 9h39 phút sáng Cho đến nay, trong chương trình LANDSAT c" 8 thế hệ vệ tinh, trong đ" c" 7 vệ tinh được đưa thành công lên quỹ đạo.

B ng 1.Các thế hệ vệ tinh trong chương tr nh LANDSAT

Trong đó:

LANDSAT 8-9 là thế hệ vệ tinh mới nhất của chương trình LANDSAT (NASA, Mỹ) Đối với xử lý Pnh vệ tinh quang học khu vực nghiên cứu tại tỉnh Thanh H"a thì ta sử dụng da liệu của vệ tính LANDSAT 8.

LANDSAT 8 sử dụng hai bộ cPm biến: bộ cPm quang học OLI (Operational Land Imager) và bộ cPm hbng ngoại nhiệt TIRS (Thermal InfraRed Sensor) LANDSAT 8 được ph"ng lên quỹ đạo vào 11 tháng 02 năm 2013, cung cấp Pnh ở 11 dPi phổ, trong đ" c" 9 kênh đa phổ với độ phân giPi không gian 30m, 1 kênh toàn sắc (kênh 8) với độ phân giPi 15m và 2 kênh hbng ngoại nhiệt (kênh 10, 11) ở độ phân giPi 100m

So với Pnh LANDSAT ETM+, Pnh LANDSAT 8 c" thêm 3 kênh phổ, trong đ" c" kênh 1 nghiên cứu đường bờ và sol khí, kênh 9 nghiên cứu mây, khí quy$n và thêm 1 kênh hbng ngoại nhiệt (BPng 2) Khác với Pnh LANDSAT TM, ETM+ được lưu tra ở cấu trúc 8 bit với 256 cấp độ độ xám, Pnh LANDSAT 8 được lưu tra ở cấu trúc 16 bit với 65536 cấp độ độ xám, tương ứng với giá tr' độ xám trên

II Một số công việc trong xử lý ảnh vệ tinh.

2.1 Tăng cường chất lượng ảnh.

Phương pháp làm tăng chất lượng Pnh là các phương pháp xử lý Pnh viễn thám đ$ nâng cao lượng thông tin trên Pnh phục vụ viê _c phân loại chuyên đề Mục đích của phương pháp làm tăng chất lượng Pnh là dùng thuâ _t toán áp dụng cho Pnh số nhằm nâng cao khP năng phân loại Pnh bằng mắt thông qua viê _c tạo nên sự tương phPn rõ rê _t giaa các đối tượng không gian trên Pnh Viê _c xử lý số c" th$ được thực hiê _n trên các dạng khác nhau: xử lý đi$m, xử lý cục bô _ Phương pháp xử lý đi$m làm viê _c với giá tr' số của t`ng pixel mô _t cách đô _c lâ _p Phương pháp xử lý cục bô _ dựa trên các giá tr' số của các pixel lân câ _n

Mọi cách xử lý nhằm nâng cao chất lượng Pnh c" th$ thực hiê _n trên mô _t kênh Pnh đơn hoă _c trên tổ hợp màu gbm nhiều kênh Pnh khác nhau Viê _c xử lý Pnh số làm tăng chất lượng Pnh thường được thực hiê _n sau khi đã nắn chỉnh phổ, loại bỏ nhiễu và nắn chỉnh hình học Phương pháp làm tăng chất lượng Pnh theo thuâ _t toán xử lý số c" th$ được chia làm các nh"m: phương pháp tương phPn xPnh, phương pháp thao tác với đối tượng không gian Pnh và phương pháp thao tác với đa kênh Pnh

2.2 Các phương pháp phân loại ảnh viễn thám 1 2.2.1 Phân loại c5 kiểm đ6nh

Khác với phân loại không giám sát xác đ'nh các loại đối tượng c" sự đbng nhất về phổ cho bởi Pnh vê _ tinh nhưng không kết hợp được với tư duy của người phân loại, phương pháp phân loại c" ki$m đ'nh (supervised classification) là hình thức phân loại kết hợp giaa phân loại tự đô _ng nhờ sự trợ giúp của máy tính, kết quP điều tra thực đ'a và trình đô _ của người phân loại Thực chất của phân

4

loại c" ki$m đ'nh là gán nhãn cho pixel vào t`ng loại thông tin cụ th$ dựa trên thông tin về giá tr' phổ của chúng kết hợp với các da liê _u khác Do c" 17 nhiều ưu đi$m và đô _ chính xác cao, đây là phương pháp phân loại tự đô _ng được sử dụng phổ biến nhất trên thế giới hiê _n nay Viê _c kết hợp giaa tự đô _ng h"a phân loại và tư duy con người c" ý nghĩa đă _c biê _t quan trọng trong tính chính xác của kết quP phân loại Phương pháp phân loại c" giám sát cho phép người phân loại c" th$ thiết lâ _p các loại thông tin cần thiết phù hợp với mục đích bài toán và vùng nghiên cứu cụ th$ Bên cạnh đ", người phân loại c" th$ kết hợp sử dụng các tư liê _u khác về vùng nghiên cứu đ$ c" th$ c" được thông tin chính xác nhất về các đối tượng cần phân loại

Ưu đi$m nổi bâ _t nhất của phương pháp phân loại c" ki$m đ'nh là đô _ chính xác cao, mẫu phân loại c" th$ dùng trong thời gian dài, tốc đô _ tính toán nhanh Bên cạnh đ", phương pháp này cũng c" nhược đi$m là đô _ chính xác của kết quP phân loại phụ thuô _c vào đô _ chính xác của mẫu phân loại cũng như trình đô _ của người phân loại

Trong phân loại tự đô_ng c" ki$m đ'nh thường sử dụng 3 phương pháp cơ bPn: - Phương pháp hình hô _p (parallelepiped),

- Phương pháp khoPng cách ngắn nhất (minimum distance) - Phương pháp xác suất cực đại (maximum likelihood).

2 2.2.2 Phân loại không kiểm đ6nh

Phương pháp phân loại không giám sát (unsupervised classification) là phương pháp chỉ sử dụng thuần túy thông tin Pnh, quá trình xử lý hoàn toàn tự đô _ng Đây là quá trình 19 nh"m các đối tượng không gian trên Pnh viễn thám theo khoPng giá tr' phổ của các kênh Pnh bằng áp dụng thuâ _t toán xử lý Pnh đ$ xem xét các pixel chưa biết

Ưu đi$m chính của phương pháp này là hiê _u quP kinh tế cao, không phụ thuô _c vào trình đô _ người phân loại Tuy nhiên nhược đi$m cơ bPn khi phân loại không giám sát là đô _ chính xác của kết quP phân loại rất thấp Do kết quP phân loại c" đô _ chính xác không cao, phương pháp phân loại không giám sát rất ít được sử dụng trong xử lý Pnh viễn thám N" chỉ được sử dụng trong trường hợp

5

thông tin về lớp phủ không đầy đủ, hoă _c thâ _m chí không c".Trong phân loại không giám sát thường dùng hai thuâ _t toán cơ bPn: K – trung bình (K – mean) và ISODATA.

2.3 Xác định nhiệt độ b9 mă :t từ tư liệu ảnh vệ tinh Landsat

Đ$ nghiên cứu nhiê _t đô _ bề mă _t t` Pnh Landsat ta dựa vào phép tính chuy$n đổi nhiê _t đô _ t` giá tr' đô _ xám của kênh 10 Đây là mô _t quá trình liên tiếp, được bắt đầu t` viê _c chuy$n giá tr' số (DN – Digital Number) sang giá tr' bức xạ phổ (�� ) Viêc chuy$n giá tr' số (DN – Digital Number) sang giá tr' bức_ xạ phổ (�� ) còn giúp làm giPm thi$u sự khác biêt về giá tr' đô _ xám khi tiến hành_ ghép các kênh Pnh khác nhau Kết quP thu được s• được chuy$n tiếp sang giá tr' nhiê _t đô _ bức xạ, nhiê _t đô _ bức xạ s• được hiê _u chỉnh dựa vào mối liên quan giaa nhiê _t đô _ và các loại hình sử dụng đất hoă _c lớp phủ thực vâ _t.

6

H nh 2 Quy tr nh công nghê 9 xác đ6nh nhiê 9t đô 9 b< mặt t= d? liê 9u nh h@ng ngoại nhiê 9t Landsat

3 2.3.1 Tính chuyển giá trị số () sang giá trị bức xạ (L )λ Với Pnh LANDSAT 8, giá tr' bức xạ được xác đ'nh như sau:

Lλ = ML.Qcal + AL (2.3.1) Trong đ"

Lλ : là giá tr' bức xạ phổ

M AL, L: là hệ số đối với t`ng kênh Pnh cụ th$ Qcal : giá tr' số của kênh Pnh.

4 2.3.2 Tính nhiệt độ độ sáng (0C) (2.3.2)

7

PHẦN 2 MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA ARCGIS TRONG XỬ LÝ ẢNH VỆ TINH

I Tổng quan về tỉnh Thanh Hóa 1.1 Vị trí địa lý:

Hiện nay, theo số liệu đo đạc hiện đại của cục bPn đb thì Thanh H"a nằm ở vĩ tuyến 19°18' Bắc đến 20°40' Bắc, kinh tuyến 104°22' Đông đến 106°05' Đông.

Phía bắc và tây bắc giáp ba tỉnh: Hòa Bình Ninh Bình, , Sơn La; phía nam và tây nam giáp tỉnh Nghệ An; phía tây giáp tỉnh Hủa Phăn nước Lào với đường biên giới 192 km; phía đông Thanh H"a mở ra phần giaa của V'nh Bắc Bộ thuộc Bi$n Đông với bờ bi$n dài hơn 102 km.

Hình 3 Bản đồ huyện Hoằng Hóa, tỉnh Thanh Hóa.

75,44% diện tích toàn tỉnh, độ cao trung bình vùng núi t` 600 -700m, độ dốc trên 25o; vùng trung du c" độ cao trung bình 150 - 200m, độ dốc t` 15 -20o.

- Vùng đbng bằng c" diện tích đất tự nhiên là 162.341 ha, chiếm 14,61% diện tích toàn tỉnh, được bbi tụ bởi các hệ thống Sông Mã, Sông Bạng, Sông Yên và Sông Hoạt Độ cao trung bình t` 5- 15m, xen k• c" các đbi thấp và núi đá vôi độc lập Đbng bằng Sông Mã c" diện tích lớn thứ ba sau đbng bằng Sông Cửu Long và đbng bằng Sông Hbng.

- Vùng ven bi$n c" diện tích 110.655 ha, chiếm 9,95% diện tích toàn tỉnh, với bờ bi$n dài 102 km, đ'a hình tương đối bằng phẳng Chạy dọc theo bờ bi$n là các cửa sông Vùng đất cát ven bi$n c" độ cao trung bình 3-6 m, c" bãi tắm Sầm Sơn nổi tiếng và các khu nghỉ mát khác như HPi Tiến (Hoằng Hoá) và HPi Hoà (Tĩnh Gia) ; c" nhang vùng đất đai rộng lớn thuận lợi cho việc nuôi trbng thuỷ sPn và phát tri$n các khu công nghiệp, d'ch vụ kinh tế bi$n.

1.3 Khí hậu:

Thanh Hoá nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gi" mùa với 4 mùa rõ rệt - Lượng mưa trung bình hàng năm khoPng 1600-2300mm, mỗi năm c" khoPng 90-130 ngày mưa Độ ẩm tương đối t` 85% đến 87%, số giờ nắng bình quân khoPng 1600-1800 giờ Nhiệt độ trung bình 230C - 240C, nhiệt độ giPm dần khi lên vùng núi cao

- Hướng gi" phổ biến mùa Đông là Tây bắc và Đông bắc, mùa hè là Đông và Đông nam

Đặc đi$m khí hậu thời tiết với lượng mưa lớn, nhiệt độ cao, ánh sáng dbi dào là điều kiện thuận lợi cho phát tri$n sPn xuất nông, lâm, ngư nghiệp 1.4 Tài nguyên thiên nhiên:

a Tài nguyên đất:

Thanh Hoá c" diện tích tự nhiên 1.112.033 ha, trong đ" đất sPn xuất nông nghiệp 245.367 ha; đất sPn xuất lâm nghiệp 553.999 ha; đất nuôi trbng thuỷ sPn 10.157 ha; đất chưa sử dụng 153.520 ha với các nh"m đất thích hợp cho phát tri$n cây lương thực, cây lâm nghiệp, cây công nghiệp và cây ăn quP.

b.Tài nguyên rừng:

10

Thanh Hoá là một trong nhang tỉnh c" tài nguyên r`ng lớn với diện tích đất c" r`ng là 484.246 ha, tra lượng khoPng 16,64 triệu m gỗ, hàng năm c" th$3

khai thác 50.000 - 60.000 m R`ng Thanh Hoá chủ yếu là r`ng cây lá rộng, c"3

hệ thực vật phong phú đa dạng về họ, loài; c" các loại gỗ quý hiếm như: lát, pơ mu, sa mu, lim xanh, táu, sến, vàng tâm, dổi, de, chò chỉ Các loại thuộc họ tre nứa gbm c": lubng, nứa, vầu, giang, tre Ngoài ra còn c": mây, song, dược liệu, quế, cánh kiến đỏ … Các loại r`ng trbng c" lubng, thông nhựa, mỡ, bạch đàn, phi lao, quế, cao su Thanh Hoá là tỉnh c" diện tích lubng lớn nhất trong cP nước với diện tích trên 50.000 ha

R`ng Thanh Hoá cũng là nơi quần tụ và sinh sống của nhiều loài động vật như: hươu, nai, hoẵng, vượn, khỉ, lợn r`ng, các loài bò sát và các loài chim … Đặc biệt ở vùng Tây nam của tỉnh c" r`ng quốc gia Bến En, vùng Tây Bắc c" các khu bPo tbn thiên nhiên Pù Hu, Pù Luông, Xuân Liên, là nhang khu r`ng đặc dụng, nơi tbn tra và bPo vệ các ngubn gien động, thực vật quí hiếm, đbng thời là các đi$m du l'ch hấp dẫn đối với du khách.

c Tài nguyên biển:

Thanh Hoá c" 102 km bờ bi$n và vùng lãnh hPi rộng 17.000 km2, với nhang bãi cá, bãi tôm c" tra lượng lớn Dọc bờ bi$n c" 5 cửa lạch lớn, thuận lợi cho tàu thuyền đánh cá ra vào Đây cũng là nhang trung tâm nghề cá của tỉnh Ở vùng cửa lạch là nhang bãi bbi bùn cát rộng hàng ngàn ha, thuận lợi cho nuôi trbng hPi sPn, trbng c"i, trbng cây chắn s"ng và sPn xuất muối Diện tích nước mặn ở vùng bi$n đPo Mê, Biện Sơn c" th$ nuôi cá song, trai ngọc, tôm hùm và hàng chục ngàn ha nước mặn ven bờ thuận lợi cho nuôi nhuyễn th$ vỏ cứng như ngao, sò …

Vùng bi$n Thanh Hoá c" tra lượng khoPng 100.000 - 120.000 tấn hPi sPn, với nhiều loại hPi sPn c" giá tr' kinh tế cao.

d Tài nguyên khoáng sản:

Thanh Hoá là một trong số ít các tỉnh ở Việt Nam c" ngubn tài nguyên khoáng sPn phong phú và đa dạng; c" 296 mỏ và đi$m khoáng sPn với 42 loại khác nhau, nhiều loại c" tra lượng lớn so với cP nước như: đá granit và marble

11