Thực tập xây dựng thư viện phổ từ máy Đo phổ cầm tay

Thực tập xây dựng thư viện phổ từ máy Đo phổ cầm tayThực tập xây dựng thư viện phổ từ máy Đo phổ cầm tayThực tập xây dựng thư viện phổ từ máy Đo phổ cầm tay

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

KHOA ĐỊA LÝ

* * *

TIỂU LUẬN: XỬ LÝ ẢNH SỐ THỰC TẬP XÂY DỰNG THƯ VIỆN PHỔ TỪ MÁY ĐO PHỔ

MỤC LỤC

I Mở đầu 3

1 Tính cấp thiết 3

2 Phạm vi nghiên cứu: Tỉnh Thái Bình 3

II Tổng quan nghiên cứu 4

1 Khu vực nghiên cứu 4

a, Vị trí địa lý: 4

b, Điều kiện tự nhiên: 4

c, Điều kiện kinh tế- xã hội: 4

a, Các nguồn năng lượng và nguyên tắc bức xạ 6

b, Tác động của năng lượng đối với đối tượng bề mặt đất 7

c, Các yếu tố ảnh hưởng tới độ phản xạ 8

I Mở đầu 1 Tính cấp thiết

Xử lý ảnh số đã trở thành một lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng hết sức quan trọng trong thời đại công nghệ ngày nay, khi mà sự phát triển của công nghệ cảm biến và khả năng tính toán của máy tính đang ngày càng mạnh mẽ Từ việc chụp ảnh bằng máy ảnh điện tử đến việc thu thập hình ảnh từ các thiết bị viễn thám, xử lý ảnh số đang giữ vai trò quan trọng trong việc phân tích và hiểu biết thế giới xung quanh chúng ta

Trong thời kỳ công nghiệp 4.0, việc sử dụng các công cụ và thiết bị đo lường hiện đại đang trở thành một yếu tố quyết định quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp Trong lĩnh vực hóa học và phân tích, máy đo phổ cầm tay đã trở thành một công cụ không thể thiếu, giúp các nhà nghiên cứu và chuyên gia phân tích mẫu trong thời gian ngắn và với độ chính xác cao

Bài tiểu luận này tập trung vào thực tập xây dựng thư viện phổ từ máy đo phổ cầm tay, sử dụng các nguyên lý và kỹ thuật xử lý ảnh số để tối ưu hóa quá trình này Thông qua việc thu thập dữ liệu từ máy đo phổ cầm tay và áp dụng các phương pháp xử lý ảnh, chúng ta sẽ nghiên cứu cách xây dựng một thư viện phổ đồng nhất, linh hoạt và có độ chính xác cao

Mục tiêu là kết hợp sức mạnh của cả hai lĩnh vực này để tạo ra một quy trình tự động, hiệu quả và chính xác trong việc phân tích dữ liệu phổ từ máy đo phổ cầm tay Đồng thời, bài tiểu luận sẽ đánh giá những ưu điểm và thách thức có thể phát sinh trong quá trình tích hợp hai lĩnh vực này và đề xuất những giải pháp sáng tạo để nâng cao khả năng ứng dụng của chúng

2 Phạm vi nghiên cứu: Tỉnh Thái Bình

II Tổng quan nghiên cứu 1 Khu vực nghiên cứu

a, Vị trí địa lý: + Phía Bắc giáp Hải Dương và Hưng Yên + Phía Đông giáp Nam Định

+ Phía Nam giáp Thanh Hóa + Phía Tây giáp biển Đông Thái Bình có vị trí chiến lược là cửa ngõ giao thông giữa miền Bắc và miền Trung, nằm ở cửa sông Hồng, nơi có nhiều cảng biển quan trọng như Cửa Lục, Cửa Lô

b, Điều kiện tự nhiên: Thái Bình, nằm ở Bắc Bộ Việt Nam, có địa hình chủ yếu là đồng bằng và sông đồng bằng châu thổ, nơi có nhiều hệ thống sông ngòi và rừng ngập mặn Điều này làm cho Thái Bình có một môi trường tự nhiên độc đáo, thích hợp cho nông nghiệp và đánh cá c, Điều kiện kinh tế- xã hội:

+ Thái Bình là một tỉnh có nền kinh tế chủ yếu dựa vào nông nghiệp, đặc biệt là sản xuất lúa và cá tra Ngoài ra, nông nghiệp thủy sản, chăn nuôi và công nghiệp nhẹ cũng đóng góp quan trọng Thái Bình có nhiều làng nghề truyền thống như làng gốm Bát Tràng, làng đúc đồng Đông Hồ, đánh bạc trống Đông Sơn

+ Tính đến thời điểm cập nhật cuối cùng, Thái Bình đang phấn đấu phát triển kinh tế và cải thiện hạ tầng giao thông, giáo dục, y tế Thành phố Thái Bình là trung tâm hành chính và văn hóa của tỉnh, nơi tập trung nhiều cơ sở giáo dục, bệnh viện và cơ sở hạ tầng đô thị

2.Tổng quan về viễn thám

a, Khái niệm: + Theo Schowengerdt, Robert A (2007), Viễn thám ñược ñịnh nghĩa như là phép ño lường các thuộc tính của ñối tượng trên bề mặt trái ñất sử dụng dữ liệu thu ñược từ máy bay và vệ tinh

+Theo Lê Văn Trung (2010), Viễn thám ñược ñịnh nghĩa như là một khoa học nghiên cứu các phương pháp thu nhận, ño lường và phân tích thông tin của ñối tượng (vật thể) mà không có những tiếp xúc trực tiếp với chúng

b, Nguyên lý hoạt động: Trong viễn thám, nguyên tắc hoạt động của nó liên quan giữa sóng điện từ từ nguồn phát và vật thể quan tâm

+ Nguồn phát năng lượng (A) - yêu cầu ñầu tiên cho viễn thám là có nguồn năng lượng phát xạ để cung cấp năng lượng điện từ tới đối tượng quan tâm

+ Sóng điện từ và khí quyển (B) - khi năng lượng truyền từ nguồn phát đến đối tượng, nó sẽ đi vào và tương tác với khí quyển mà nó đi qua Sự tương tác này có thể xảy ra lần thứ 2 khi năng lượng truyền từ đối tượng tới bộ cảm biến

+ Sự tương tác với đối tượng (C) - một khi năng lượng gặp đối tượng sau khi xuyên qua khí quyển, nó tương tác với đối tượng Phụ thuộc vào đặc tính của đối tượng và sóng điện từ mà năng lượng phản xạ hay bức xạ của đối tượng có sự khác nhau

+ Việc ghi năng lượng của bộ cảm biến (D) - sau khi năng lượng bị tán xạ hoặc phát xạ từ đối tượng, một bộ cảm biến để thu nhận và ghi lại sóng điện từ

+ Sự truyền tải, nhận và xử lý (E) - năng lượng được ghi nhận bởi bộ cảm biến phải được truyền tải đến một trạm thu nhận và xử lý Năng lượng được truyền đi thường ở dạng điện Trạm thu nhận sẽ xử lý năng lượng này để tạo ra ảnh dưới dạng hardcopy hoặc là số

+ Sự giải đoán và phân tích (F) - ảnh được xử lý ở trạm thu nhận sẽ được giải đoán trực quan hoặc được phân loại bằng máy để tách thông tin về đối tượng

+ Ứng dụng (G) - đây là thành phần cuối cùng trong qui trình xử lý của công nghệ viễn thám Thông tin sau khi được tách ra từ ảnh có thể được ứng dụng để hiểu tốt hơn về đối tượng, khám phá một vài thông tin mới hoặc hỗ trợ cho việc giải quyết một vấn đề cụ thể (Trần Thống Nhất, Nguyễn Kim Lợi, 2009)

3 Tổng quan về nắn ảnh

a, Khái niệm Nắn ảnh là công việc xử lý để loại trừ các sai số do ảnh nghiêng gây ra và hạn chế sai số do địa hình lồi lõm gây ra Như vậy nắn ảnh là quá trình biến đổi hình ảnh của miền thực địa được chụp trên ảnh nghiêng thành hình ảnh tương ứng trên ảnh nằm ngang có tỷ lệ phù hợp với tỷ lệ bản đồ cần thành lập

b, Phương pháp + Phương pháp nắn ảnh đồ giải: Trong phương pháp nắn ảnh đồ giải hình ảnh được nắn theo phương thức đồ giải trên cơ sở lưới chiếu phối cảnh tương ứng được xác lập trên ảnh và trên mặt nắn

+ Phương pháp nắn ảnh quang cơ: Trong phương pháp nắn ảnh quang cơ quá trình nắn ảnh được thực hiện nhờ các thiết bị nắn ảnh chuyên dụng được gọi là máy nắn ảnh quang cơ Tuỳ thuộc vào đặc trưng địa hình khi đo, điều kiện thiết bị phương pháp nắn ảnh quang cơ được thực hiện theo 3 phương thức sau: nắn ảnh mặt phẳng, nắn ảnh phân vùng, nắn ảnh vi phân

+ Phương pháp nắn ảnh giải tích: Phương pháp nắn ảnh giải tích là phương pháp tính toán, biến đổi từng điểm ảnh trên mặt ảnh nghiêng thành điểm ảnh tương ứng trên mặt ảnh nằm ngang thông qua mối quan hệ toán học chặt chẽ

+ Phương pháp nắn ảnh số: Phương pháp nắn ảnh số là phương pháp nắn ảnh trong phương pháp đo ảnh số để tạo nên ảnh trực chiếu, trong đó hình ảnh trên ảnh nghiêng sẽ được biến đổi từng phần tử ảnh (gọi là pixel) trên ảnh nghiêng thành pixel ảnh tương ứng trên ảnh nắn theo toạ độ được tính toán dựa trên quan hệ phối cảnh và độ xám của nó

4 Tổng quan về các vệ tinh viễn thám

Vệ tinh có mang bộ cảm viễn thám gọi là vệ tinh viễn thám hay vệ tinh quan sát mặt đất: các loại vệ tinh viễn thám bao gồm: vệ tinh khí tượng, vệ tinh viễn thám biển, vệ tinh địa tĩnh, vệ tinh tài nguyên, các tầu vũ trụ có người điều khiển và các trạm vũ trụ, có rất nhiều hệ thống vệ tinh viễn thám đang hoạt động: Landsat, Spot, Sojuz, IRS, Radasat, GMS

Thời gian hoạt động của vệ tinh trên quỹ đạo rất khác nhau tuỳ thuộc vào mục đích thiết kế Ví dụ như các tầu Sojuz hoặc Cosmos của Nga có thời gian hoạt động một vài tuần đến một vài tháng theo mùa chụp ảnh, sau đó phim ảnh được chụp gửi về mặt đất để xử lý ảnh Các vệ tinh tài nguyên như: Landsat, Spot hoạt động hàng năm trên quỹ đạo Tuy nhiên, do bay trong hàng khí quyển cách mặt đất từ 600 - 1000 km tầu vệ tinh cũng bị sức cản của không khí tác động nên khoảng 2 năm sẽ bị thay đổi quỹ đạo thiết kế ban đầu cho vệ tinh tài nguyên cần phải phục hồi đẩy lại quỹ đạo thiết kế hoặc phóng vệ tinh khác thay thế: Các vệ tinh địa tĩnh như GMS bay ở độ cao lớn 36.000km nên ít bị ảnh hưởng của khí quyển nên có thể phục vụ lâu dài

Các vệ tinh trên có quỹ đạo khác nhau, để đảm bảo các tư liệu viễn thám thu nhận được các thông số kỹ thuật phù hợp với nhiệm vụ của vệ tinh và mang lại hiệu quả kinh tế cao nhất

Một số vệ tinh viễn thám: + Vệ tinh Landsat

+ Vệ tinh Spot + Vệ tinh Cosmos

5 Tổng quan về phản xạ phổ

a, Các nguồn năng lượng và nguyên tắc bức xạ Năng lượng sóng điện từ được đề cập bởi hai lý thuyết: lý thuyết sóng và lý thuyết hạt Ánh sáng nhìn thấy được chỉ là một trong nhiều dạng của năng lượng điện từ Sóng rađio, nhiệt năng tia cực tím và tia X cũng là những dạng năng lượng của năng lượng điện từ

Tất cả các năng lượng này về bản chất giống nhau và bức xạ theo một quy luật hình Sin với tốc độ của ánh sáng và tuân theo phương trình sau : C = f λ

Trong đó:

c - tốc độ ánh sáng và là một hằng số ( 3 × 108 m/s ) f - tần số

λ - bước sóng Trong viễn thám một đặc trưng quan trọng trong sóng điện từ là phổ điện từ (Electromagnetic spectrum) Trị số này thường đo bằng bước sóng của phổ với đơn vị là micromet (μm)

Hệ thống Viễn thám thông thường chỉ thực hiện ở một vài vùng như vùng nhìn thấy, phản xạ hồng ngoại, hồng ngoại nhiệt hoặc một phần của sóng rađio, ở đây cần chú ý phân biệt sự khác nhau giữa vùng phản xạ hồng ngoại và hồng ngoại nhiệt

b, Tác động của năng lượng đối với đối tượng bề mặt đất Khi một bức xạ sóng điện từ lan truyền tới bề mặt trái đất, nó có thể bị phản xạ, hấp thụ và truyền qua Theo định luật bảo toàn năng lượng sự tương quan giữa các phần có thể được mô tả theo công thức sau : Ei ( λ ) = E R ( λ ) + E A ( λ ) + E T ( λ )

Trong đó: E i ( λ ) - năng lượng của chùm tia bức xạ tới; E R ( λ ) - năng lượng của chùm tia bị phản xạ; E A ( λ ) - năng lượng của chùm tia bị hấp thụ; E T ( λ ) - năng lượng của chùm tia truyền qua

Sự tương quan giữa các phần năng lượng E R, E A, E T phụ thuộc vào hai yếu tố sau: + Thứ nhất tỷ lệ năng lượng phản xạ, hấp thụ và truyền tải sẽ khác nhau đối với các đối tượng khác nhau phụ thuộc vào thành phần và cấu trúc bề mặt của nó

+ Thứ hai tỷ lệ năng lượng phản xạ, hấp thụ và truyền tải trên cùng một đối tượng cũng rất khác nhau ở những bước sóng khác nhau Vì vậy hai đối tượng có thể phân biệt được trong cùng một giải bước sóng nhưng nó lại rất khác nhau ở bước sóng khác nhau Từ đường cong phổ phản xạ cho ta biết được đặc tính phổ của vật thể và có ảnh hưởng lớn trong việc chọn vùng độ dài bước sóng mà dữ liệu viễn thám thu nhận được cho mục đích ứng dụng thực tế

c, Các yếu tố ảnh hưởng tới độ phản xạ + Thành phần vật chất

Thực vật: Thực vật có màu sắc khác nhau do hấp thụ các giải sóng màu xanh (0.45 - 0.65 μm) khác nhau Nguyên nhân gây nên bởi hàm lượng nước ở trong lá và bề dày của lá vì trong vùng sóng này nước hấp thụ mạnh các sóng hồng ngoại vì vậy dễ dàng phân biệt được thực vật với các đối tượng khác bằng hai vùng phản xạ sóng xanh lá cây (green) và hồng ngoại gần (near infrared)

Nước : giải sóng 0.4 - 0.5 μm (blue) màu sắc của nước sẽ khác nhau tuỳ thuộc vào độ khoáng hoá, thành phần lơ lửng, chiết xuất của nước

Đất : thành phần vật chất trong đất (oxit kim loại, chất mùn, các chất khoáng, độ ẩm ) Đá : các loại đá khác nhau về thành phần vật chất sẽ có độ phản xạ khác nhau Ví dụ : cát, đá bazan, đá granit, đá phiến (do chứa các khoáng vật khác nhau)

+ Cấu tạo vật chất Đất : Đường kính hạt đất tăng thì độ phản xạ giảm nguyên nhân là khi độ hạt tăng có nhiều lỗ hổng và nhiều nước sẽ hấp thụ ánh sáng do đó độ phản xạ giảm

Đá : hạt mịn phản xạ mịn hơn hạt thô Thực vật : cấu tạo lá khác nhau sẽ phản xạ

III Phương pháp thành lập bản đồ lớp phủ 1 Phân loại

Sử dụng phương pháp phân loại dựa trên đối tượng (Object Based) Phân tích ảnh vệ tinh dựa trên đối tượng là kỹ thuật được sử dụng để phân tích ảnh số, được phát triển tương đối gần đây so với phân tích ảnh dựa trên điểm ảnh

Trong khi phân tích ảnh dựa trên điểm ảnh dựa trên thông tin từng điểm ảnh, thì phân tích ảnh dựa trên đối tượng lại dựa trên thông tin một tập hợp các điểm ảnh gọi là đối tượng (object) hoặc đối tượng ảnh (image object) Cụ thể, các đối tượng ảnh là một nhóm các điểm ảnh tương tự nhau về đặc tính phổ, màu sắc, kích thước, hình dạng, kết cấu, cũng như bối cảnh với các điểm ảnh xung quanh

Để thành lập bản đồ lớp phủ từ ảnh vệ tinh, sử dụng phương pháp phân loại dựa trên đối tượng, một trong những bước quan trọng của phương pháp này là quá trình phân đoạn ảnh (segmentation), để có được thông tin hữu ích từ ảnh, quá trình phân đoạn chia nhỏ ảnh ra thành các “đối tượng gốc ban đầu” chưa phân loại để làm cơ sở cho các đối tượng ảnh và phần còn lại của phân tích ảnh Quá trình phân đoạn ảnh và các đặc tính của đối tượng gốc ban đầu cũng như đối tượng cuối cùng đều dựa trên hình dạng, kích thước, màu sắc và cấu trúc liên kết (topology) của điểm ảnh được kiểm soát thông qua các tham số được cài đặt bởi người dùng Giá trị của thông số xác định mức độ ảnh hưởng của đặc điểm quang phổ và không gian của các lớp ảnh sẽ có trong việc xác định hình dạng và kích thước của đối tượng Các thông số tốt nhất thiết lập cho phân đoạn ảnh luôn thay đổi và thường được xác định thông qua sự so sánh của quá trình thử nghiệm, sai số và dựa trên kinh nghiệm Các thiết lập chỉ phù hợp cho từng ảnh chứ không cho tất cả các ảnh, loại ảnh, kể cả các ảnh tương tự nhau

Có 2 thuật toán phân loại: + Support vector machine + Random trees

Đánh giá độ chính xác phân loại: + Accuracy > 80%

+ Kappa Statistic >= 0.75 Kết quả phân loại:

Độ chính xác sau phân loại: + Accuracy : 94.790% + Kappa Statistic: 0.926

Tiến hành thêm file phân loại lớp phủ vào trong ArcGIS

Layer các lớp màu lên bản đồ Kết quả thành lập bản đồ:

3 Dữ liệu đo phổ

Dữ liệu phổ thu được từ máy đo phổ cầm tay:

IV Kết luận

Kết quả phân loại và thành lập bản đồ lớp phủ đất tại Thái Bình :

Từ bản đồ lớp phủ cho thấy, diện tích đất nông nghiệp tại Thái Bình có diện tích lớn nhất Phân bố đất xây dựng không đồng đều Tình trạng nuôi trồng thủy sản tại Thái Bình phát triển tốt Diện tích rừng chủ yếu là rừng ngập mặn tập trung ở vùng ven biển

Từ kết quả phân loại và thành lập bản đồ cho thấy phương pháp phân loại theo đối tượng đạt độ chính xác rất cao với hệ số Kappa là 0.926 và độ chính xác giải đoán là 94.790%

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Giáo trình kỹ thuật viễn thám, T.S Võ Quang Minh, 2010 2 Giáo trình trắc địa ảnh viễn thám, T.S Đàm Xuân Hoàn, Hà Nội 2008 3 file:///E:/Ky_thuat_vien_tham.pdf

4 Xử lý ảnh, Trần Quang Đức