Xử lý Ảnh số và thực tập Đo phổ

Xử lý Ảnh số và thực tập Đo phổXử lý Ảnh số và thực tập Đo phổXử lý Ảnh số và thực tập Đo phổXử lý Ảnh số và thực tập Đo phổXử lý Ảnh số và thực tập Đo phổ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘITRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

KHOA ĐỊA LÝ -

TIỂU LUẬN CUỐI KỲ

Sinh viên thực hiện : Nguyễn Như Quỳnh

I.Đặt vấn đề1.1 Tính cấp thiết

Lớp phủ thực vật giữ vai trò quan trọng trong điều tiết nguồn nước, hạn chế lũlụt, hạn hán, xói mòn đất Trải qua thời gian, lớp phủ thực vật đã không ngừng biếnđổi đặc biệt dưới tác động mạnh mẽ của thiên tai và trực tiếp từ con người Vì vậylớp phủ thực vật ngày càng có nguy cơ bị suy thoái và là nguyên nhân gây lên thiêntai ảnh hưởng trực tiếp đến đời sống con người Do đó vấn đề đánh giá nhanh vàchính xác thực trạng lớp phủ thực vật là hết sức cần thiết

Ở Việt Nam thông tin về diện tích lớp phủ của các lớp phủ thực vật như lớp phủrừng, cây trồng nông nghiệp được thống kê từ hiện trạng sử dụng đất hàng năm củacác hộ gia đình báo cáo lên các cấp quản lý theo phương pháp thủ công truyềnthống Với phương pháp này kết quả là mất nhiều thời gian và độ chính xác chưacao

Ngày nay, kỹ thuật viễn thám đang được sử dụng để theo dõi những biến đổi vềbề mặt quả đất, quản lý các nguồn tài nguyên thiên nhiên và giám sát môi trường.Sử dụng kỹ thuật viễn thám kết hợp với hệ thông tin địa lý và kỹ thuật định vị toàncầu giúp cho việc đánh giá những biến động về lớp phủ một cách nhanh chóng vàchính xác Theo Cihlar thì phân loại lớp phủ thực vật từ ảnh vệ tinh cũng đã đượcứng rộng rãi, các thành quả đạt được ghi nhận ở quy mô toàn cầu (Cihlar, 2000).Tuy nhiên kết quả phân loại lớp phủ chỉ dựa vào phản xạ của một phổ hay một sốphổ tại một thời điểm còn rất hạn chế về độ chính xác do các thực vật khác nhau,có thể có cùng phản xạ của một phổ hoặc thậm chí một số phổ giống nhau ở tại mộtthời điểm nhất định Chính vì vậy việc kết hợp thông tin về phản xạ theo thời gianđể nâng cao độ chính xác của phân loại lớp phủ là rất quan trọng Việc sử dụngthông tin về phản xạ đa phổ và đa thời gian để theo dõi lớp phủ thực vật, quá trìnhsinh trưởng phát triển của cây, tình trạng dinh dưỡng của cây vv đã được nghiêncứu khá rộng rãi trên thế giới, đặc biệt là các nước phát triển

2.1.1 Khu vực nghiên cứu

Tỉnh Nam Định trải dài từ 19°54′B đến 20°40′B và từ 105°55′Đ đến 106°45′Đ

Trung tâm hành chính của tỉnh là thành phố Nam Định, cách trung tâm thủ đô HàNội khoảng 90 km về phía đông nam, cách trung tâm thành phố Hải Phòng khoảng90 km về phía tây nam, có vị trí địa lý:

Phía bắc giáp tỉnh Thái Bình và tỉnh Hà NamPhía tây giáp tỉnh Ninh Bình

Phía đông và phía nam giáp biển Đông (vịnh Bắc Bộ)

Hình 2.1 Khu vực nghiên cứu

2.1.1.1 Điều kiện tự nhiên

Nam Định mang đầy đủ đặc điểm khí hậu của khu vực nhiệt đới gió mùa nóngẩm mưa nhiều Nhiệt độ trung bình: 23o–24oC Độ ẩm trung bình: 80–85% Tổngsố ngày nắng: 250 ngày Tổng số giờ nắng: 1650–1700 giờ Lượng mưa trung bình:1750–1800 mm Mùa mưa từ tháng 5 đến tháng 10, mùa ít mưa từ tháng 11 đếntháng 2 năm sau Tốc độ gió trung bình: 2–2,3 m/s Mặt khác, do nằm trong vùng

vịnh Bắc Bộ nên hàng năm Nam Định thường chịu ảnh hưởng của bão hoặc ápthấp nhiệt đới, bình quân 4–6 cơn bão/ năm (khoảng từ tháng 7 đến tháng 10).

2.1.1.2 Điều kiện kinh tế - xã hội

Nam Định nằm trong vùng trọng điểm sản xuất lương thực, thực phẩm củađồng bằng Bắc Bộ Đồng thời, có nền sản xuất công nghiệp phát triển tương đốisớm với nhiều ngành nghề truyền thống, là một trong những trung tâm dệt mayhàng đầu của cả nước Tổng sảnphẩm trong tỉnh ước đạt 9458 tỷ đồng, tăng 7,1%so với năm 2008 (kếhoạch tăng 7%) GDP bình quân đầu người đạt 12,2 triệu đồng(kếhoạch 10,5 triệu đồng) Năm 2008 Cơ cấu kinh tế là: Nông lâm thuỷsản: 30,5 %;Công nghiệp, xây dựng: 35,1%; Dịch vụ: 34,4% Năm 2009 Cơ cấu kinh tế kếhoạch là: Nông lâm thuỷ sản: 29,8% (Ước thực hiện: 30,1%); Công nghiệp, xâydựng: 35,8% (Ước TH: 35,6%); Dịch vụ: 34,4% (Ước TH: 34,3%).Tổng giá trịhàng xuất khẩu trên địa bàn đạt210 triệu USD (kế hoạch 200 triệu USD) Tổngnguồn vốn đầu tư xã hộitrên địa bàn tỉnh ước thực hiện 8800 tăng 19,4% (kế hoạchtăng 10%)

Hình 2.2 Bản đồ hành chính tỉnh Nam Định

2.1.2 Tổng quan về viễn thám2.1.2.1 Khái niệm

Theo Schowengerdt, Robert A (2007), Viễn thám được định nghĩa như là phépđo lường các thuộc tính của đối tượng trên bề mặt trái đất sử dụng dữ liệu thu đượctừ máy bay và vệ tinh

Theo Lê Văn Trung (2010), Viễn thám được định nghĩa như là một khoa họcnghiên cứu các phương pháp thu nhận, đo lường và phân tích thông tin của đốitượng (vật thể) mà không có những tiếp xúc trực tiếp với chúng.

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

Hình 2.3 Nguyên lý hoạt động của viễn thámTrong đó: - A: Nguồn năng lượng hoặc ánh sáng - B: Truyền năng lượng qua khíquyển - C: Các vật thể được tương tác - D: Vệ tinh - E: Hệ thống thu nhận - F: Hệ

thống phân tích hình ảnh - G: Hệ thống ứng dụng

2.1.2.3 Ảnh viễn thám

# Khái niệm: Ảnh viễn thám (còn gọi là ảnh vệ tinh): Ảnh viễn thám là ảnh số thể

hiện các vật thể trên bề mặt trái đất được thu nhận bởi các bộ cảm biến đặt trên vệ tinh.Tùy thuộc vào vùng bước sóng được sử dụng để thu nhận, ảnh viễn thám có thể đượcphân thành ba loại cơ bản:

- Ảnh quang học: Nguồn năng lượng chính là bức xạ mặt trời thông tin trên ảnh

viễn thám quang học là phản xạ phổ của các đối tượng trên mặt đất, bao gồmlớp phủ thực vật, nước và đất trống được ghi nhận thành từng pixel ảnh có độphân giải không gian xác định, trên nhiều kênh phổ xác định và vào một thờigian xác định

- Ảnh nhiệt: Nguồn năng lượng chính là bức xạ nhiệt của các vật thể.- Ảnh rada: Nguồn năng lượng chính là sóng rada phản xạ từ các vật thể do vệ

tinh tự phát xuống theo những bước sóng đã được xác định

#Ứng dụng của ảnh viễn thám: Dữ liệu ảnh viễn thám được khai thác và sử dụng

phục vụ các hoạt động sau:- Quan trắc, giám sát về ô nhiễm môi trường: đất, nước do chất thải sinh hoạt và chấtthải công nghiệp; không khí do khí phát thải công nghiệp và sinh hoạt; ô nhiễm môitrường do thiên tai, các khoáng chất tự nhiên độc hại phát tán vào môi trường, khaithác khoáng sản; kiểm kê khí nhà kính

- Công tác thu thập thông tin, dữ liệu, phân tích, điều tra, đánh giá, theo dõi diễn biếntài nguyên, môi trường định kỳ và đột xuất nhằm đưa ra các báo cáo phục vụ phát triểnkinh tế - xã hội; phòng, chống thiên tai; giám sát hạn hán, cảnh báo cháy rừng, diễnbiến lũ lụt, cứu hộ cứu nạn và ứng phó với biến đổi khí hậu; hiện trạng sản xuất nôngnghiệp

- Xây dựng, cập nhật bản đồ chuyên đề và cơ sở dữ liệu chuyên đề về hiện trạng tàinguyên thiên nhiên và môi trường, thực trạng biến đổi khí hậu; lập bản đồ địa chất cáctỷ lệ

- Cập nhật cơ sở dữ liệu nền địa lý quốc gia, hệ thống bản đồ địa hình quốc gia.- Phục vụ công tác quốc phòng, an ninh

- Ví dụ: Ứng dụng ảnh viễn thám trong ngành Khí tượng: Dùng để dự báo thời tiết, dự

báo thiên tai liên quan đến biến đổi khí hậu bề mặt đất, mây…Bản đồ: là công cụ đắc lực phục vụ cho ngành bản đồ, thành lập các loại bản đồđịa hình và bản đồ chuyên đề ở nhiều tỉ lệ khác nhau

 Ứng dụng ảnh viễn thám trong ngành Nông-Lâm nghiệp: Theo dõi mức độ biếnđổi thảm phủ thực vật, độ che phủ rừng…

 Ứng dụng ảnh viễn thám trong ngành Địa chất: Theo dõi tốc độ sa mạc hoá, tốcđộ xâm thực bờ biển, phân tích những cấu trúc địa chất trên mặt cũng như bêntrong lòng đất (vỏ trái đất)…

 Ứng dụng ảnh viễn thám trong quản lý Môi trường: Giám sát biến động ônhiễm, rò rỉ dầu trên mặt (thông qua chỉ thị thực vật), nghiên cứu quản lý biếnđộng đô thị hóa, nghiên cứu hiện tượng đảo nhiệt đô thị (urban heat island)

# Phân loại ảnh trong viễn thám- Ảnh quang học: là loại ảnh được tạo ra bởi việc thu nhận các bước sóng ánh

sáng nhìn thấy (bước sóng 0.4-0.76 micromet)

- Ảnh hồng ngoại: là loại ảnh được tạo ra bởi việc thu nhận các bước sóng hồng

ngoại phát ra từ vật thể (bước sóng 8-14 micromet)

- Ảnh radar: là loại ảnh được tạo ra bởi việc thu nhận các bước sóng trong dãi

sóng siêu cao tần (bước sóng lớn hơn 2 cm)

- Ảnh thu được bằng sóng địa chấn cũng là một loại ảnh viễn thám.

Ảnh viễn thám có thể được lưu theo các kênh ảnh đơn (trắng đen) ở dạng sốtrong máy tính hoặc các kênh ảnh được tổ hợp (ảnh màu) hoặc có thể in ra giấy,tùy theo mục đích người sử dụng

2.1.3 Vệ tinh SPT5

Vệ tinh SPOT - 5 phóng lên quỹ đạo ngày 03 tháng 5 năm 2002, được trang bịmột cặp Sensors HRG (High Resolution Geometric) là loại Sensor ưu việt hơn cácloại trước đó Mỗi một Sensor HRG có thể thu được ảnh với độ phân giải 5m đen -trắng và 10m với ảnh mầu Với kỹ thuật xử lý ảnh đặc biệt, có thể đạt được ảnh độphân giải 2,5m, trong khi đó dải chụp phủ mặt đất của ảnh vẫn đạt 60km đến 80km.Đây chính là ưu điểm của ảnh SPOT, điều mà các loại ảnh vệ tinh cùng thời khác ởđộ phân giải này đều không đạt

Kỹ thuật thu ảnh HRG cho phép định vị ảnh với độ chính xác nhỏ hơn 50mnhờ hệ thống định vị vệ tinh DOGIS và Star Tracker lắp đặt trên vệ tinh Trên vệtinh SPOT-5 còn lắp thêm hai máy chụp ảnh nữa Máy thứ nhất HSR (HighResolution Stereoscopic) - Máy chụp ảnh lập thể lực phân giải cao Máy này chụpảnh lập thể dọc theo đường bay với độ phủ 120 x 600km Nhờ ảnh lập thể độ phủrộng này tạo lập mô hình số độ cao (DEM) với độ chính xác 10m mà không cần tớiđiểm khống chế mặt đất Máy chụp ảnh thứ hai mang tên VEGETATION, giốngnhư VEGETATION lắp trên vệ tinh SPOT- 4 hàng ngày chụp ảnh mặt đất trên mộtdải rộng 22.5km với kích thước pixel 1 x 1km trong 4 kênh phổ Ảnh

VEGETATION được sử dụng rất hữu hiệu cho mục đích theo dõi biến động địacầu và đo vẽ bản đồ hiện trạng sử dụng đất

Hai vệ tinh SPOT-4 và SPOT-5 có thêm kênh phổ chụp SWIR nằm phía trênba kênh phổ của các vệ tinh SPOT trước đó, nhờ vậy rất thuận lợi cho nghiên cứuvề độ ẩm và lớp phủ thực vật Sự cải tiến này đã tạo ra rất nhiều ứng dụng trong

nông nghiệp, nghiên cứu hiện trạng đất và quản lý tài nguyên thiên nhiên Bảng 2.1và Bảng 2.2giới thiệu tổng hợp về các thông số của thế hệ ảnh Spot.

Bảng 2.1 Các đặc trưng chính của ảnh vệ tinh SPOT

SPOT Tên bộ cảm Số kênh

Độphângiải (m)

Các kênhđa phổXS

(Multispectral) SPOT1, 2, 3

HRV (HighResolution

Lục, đỏ,cận hồngngoạiP hoặc PAN

(Panchromatic) SPOT1, 2, 3

HRV (HighResolution

P + XS(Panchromaticand

Multispectralmerging)

SPOT1, 2, 3

HRV (HighResolution

Lục, đỏ,cận hồngngoại

XI(Multispectral) SPOT4

HRVIR(HighResolutionVisible)

Lục, đỏ,cận hồngngoại,HồngngoạitrungbìnhM

(Monospectral) SPOT4

HRVIR(HighResolutionVisible)

M + XI hoặc P+ XI

(Panchromaticand

Multispectralmerging)

SPOT4

HRVIR(HighResolutionVisible andInfraRed)

Lục, đỏ,cận hồngngoại,HồngngoạitrungbìnhHI

(MultispectralInfraRed High

SPOT5

HRG (HighResolution

Lục, đỏ,cận hồngngoại,

Resolution) Hồng

ngoạitrungbìnhHX

(MultispectralHigh

Resolution)

SPOT5

HRG (HighResolution

Lục, đỏ,cận hồngngoạiHMA hoặc

HMB(PanchromaticHigh

Resolution)

SPOT5

HRG (HighResolution

HMX (HMand HXmerging)

SPOT5

HRG (HighResolution

Lục, đỏ,cận hồngngoạiTHR (Very

HighResolution)

SPOT5

HRG (HighResolutionGeometric) 1

2,5 x2,5** Toàn sắcTHX (Very

HighResolutionMultispectral,THR and HXmerging,

SPOT5

HRG (HighResolutionGeometric) 3

2,5 x2,5**

Lục, đỏ,cận hồngngoạiTHN (Very

HighResolutionMultispectral,THR and HXmerging, inpseudo -natural colors)

SPOT5

HRG (HighResolutionGeometric) 3

2,5 x2,5** Chàm,lục, đỏ

HRS (HighResolutionStereoscopic)

SPOT5

HRG (HighResolutionStereoscopic)

2(FW/BW) 5 x 10 Toàn sắc* Chỉ riêng kênh B2 (=M) có độ phân giải 10m Các kênh còn lại được lấy mẫu lạitừ 20 đến 10m

* Điểm mặt đất - kích thước của THR được lấy mẫu lại Độ phân giải nhỏ hơn 3m.Ảnh SPOT được sử dụng chủ yếu trong các lĩnh vực đo vẽ mới và hiện chỉnh bảnđồ địa hình; thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất; và theo dõi biến động môitrường như mất rừng, xói mòn, phát triển đô thị Ảnh SPOT - 5 có độ phân giảicao, đặc biệt ảnh độ phân giải 2,5m mở ra triển vọng của nhiều ứng dụng mà trướcđây chỉ có thể thực hiện với ảnh hàng không như thành lập bản đồ tỷ lệ lớn, quyhoạch đô thị, quản lý hiểm hoạ và thiên tai…

Bảng 2.2 Độ phân giải phổ của ảnh nguồn các vệ tinh SPOT từ 1 đến 5

Vệ tinh

giảiSPOT 1, 2, 3 Kênh 1 0,50 -

SPOT 1, 2, 3 Kênh toàn

ảnh toàn sắc (PAN) và kích thước ảnh tương đương SPOT 2 và 4 là 60x60km Dữ liệuảnh SPOT 5 bắt đầu được thu nhận từ năm 2003 và kết thúc vào năm 2013 (khi vệ tinhSPOT5 ngừng hoạt động) Trong khoảng thời gian này, tại Cục Viễn thám quốc gia đãthu nhận, xử lý và lưu trữ gần 40.000 cảnh ảnh, trong đó có khoảng gần 5.000 cảnhảnh sạch (độ phủ mây dưới 25%), chiếm tỷ lệ khoảng 13% Tổng số ảnh đang đượclưu trữ hiện nay phủ trùm toàn bộ lãnh thổ Việt Nam và vùng lân cận trong vòng bánkính 2.500km tính từ Trạm thu ảnh viễn thám của Cục Viễn thám quốc gia Với sốlượng ảnh trên, trung bình mỗi năm Việt Nam có 01 bộ ảnh SPOT5 phủ trùm toànquốc Dữ liệu ảnh SPOT 5 có thể được sử dụng để thành lập bản đồ và xây dựng cơ sởdữ liệu đến tỉ lệ 1/25.000.

Đặc điểm kênh phổ ảnh SPOT 5

Hình 2.4 Sơ đồ bảng chắp cảnh ảnh SPOT 5 lãnh thổ Việt Nam

2.1.4 Lớp phủ mặt đất# Lớp phủ mặt ñất (Lớp thực phủ - Land cover):

Lớp phủ mặt đất là lớp phủ vật chất quan sát được khi nhìn từ mặt đất hoặc thôngqua vệ tinh viễn thám, bao gồm thực vật (mọc tự nhiên hoặc tự trồng cấy) và cáccơ sở xây dựng của con người (nhà cửa, đường sá,…) bao phủ bề mặt đất Nước,băng, đá lộ hay các dải cát cũng được coi là lớp phủ mặt đất (The FAO

AFRICOVER Progamme, 1998)

# Phân loại lớp phủ mặt đất:

Sokal (1974) đã định nghĩa phân loại là việc sắp xếp các đối tượng theo các nhómhoặc các tập hợp khác nhau dựa trên mối quan hệ giữa chúng Một hệ thống phânloại miêu tả tên của các lớp và tiêu chuẩn phân biệt chúng Các hệ thống phân loạicó hai định dạng cơ bản, đó là phân cấp và không phân cấp Một hệ thống phân cấpthường linh hoạt hơn và có khả năng kết hợp nhiều lớp thông tin, bắt đầu từ các lớpở quy mô lớn rồi phân chia thành các phụ lớp cấp thấp hơn nhưng thông tin chi tiếthơn (The FAO AFRICOVER Progamme, 1998) Trong phạm vi nghiên cứu của đềtài đã sử dụng hệ thống phân loại phân cấp, có tham khảo theo hệ thống phân loạicủa Mỹ (Anderson và nnk., 1976), được tổng hợp có chọn lọc phù hợp với điềukiệu thực tiễn ở Việt Nam của Nguyễn Ngọc Thạch (2005)

2.1.5 Phương pháp nghiên cứu- Dữ liệu:

Trong phạm vi đề tài, dữ liệu được sử dụng là ảnh vệ tinh SPOT 5

cuối cùng của phương pháp phân loại dựa trên đối tượng phụ thuộc nhiều vào chấtlượng quá trình phân đoạn hình ảnh Phân đoạn hình ảnh đã được sử dụng trong xửlý ảnh viễn thám kể từ khi ra đời vệ tinh Landsat-1 Tuy nhiên, sự ra đời của cácảnh vệ tinh độ phân giải cao, việc phân loại ảnh chuyển từ dựa trên từng pixel đơnlẻ sang dựa trên đối tượng Do đó, mục đích của việc phân đoạn hình ảnh đã đượcthay đổi từ việc giúp gắn nhãn từng điểm ảnh sang nhận dạng đối tượng Sau khihình ảnh đã được phân đoạn, việc phân định đối tượng được thực hiện dựa trên kếtquả của quá trình phân nhóm và phân đoạn hình ảnh, nhằm mục đích nhóm cácpixel tương tự thành các cụm hình ảnh có ý nghĩa Phân đoạn hình ảnh có thể chiara làm 2 loại: tìm kiếm đường biên của đối tượng, hoặc đơn giản hóa các cảnh ảnhthành những vùng nhỏ hơn của các điểm ảnh có cùng tính chất Khi tìm kiếmđường biên của đối tượng, môt trong các thuật toán thường được sử dụng là thuậttoán phát hiện cạnh Canny, đối với phương pháp đơn giản hóa cảnh ảnh, thuật toánphân cụm không lặp lại đơn giản (SNIC) thường được chọn do tính đơn giản, sửdụng ít tài nguyên máy tính, tốc độ xử lý nhanh và cho ra kết quả tương đối tốt.Phương pháp phân đoạn hình ảnh thường được cho là cho ra kết quả chính xác hơnso với phương pháp phân loại dựa trên điểm ảnh.

#Kết quả phân loại nhóm đối tượng

Hình 2.5 Kết quả phân loại nhóm đối tượng