Nghiên cứu khả năng ứng dụng kết hợp ảnh vệ tinh và ảnh quang học để chiết tách một số đối tượng lớp phủ mặt đất

Bộ tài nguyên và môi trờng trung tâm viễn thám báo cáo tổng kết đề tài kh&cn cấp bộ nghiên cứu khả năng ứng dụng ảnh vệ tinh radar và quang học để thành lập một số thông tin về lớp phủ mặt đất chủ nhiệm đề tài: ThS. chu hải tùng 7065 14/01/2009 hà nội - 2008 bộ tài nguyên và môi trờng trung tâm viễn thám quốc gia 108 Đờng Chùa Láng - Quận Đống Đa - Hà Nội *** báo cáo tổng kết khoa học v kỹ thuật Tên đề tài: nghiên cứu khả năng ứng dụng kết hợp ảnh vệ tinh v ảnh quang học để chiết táCH MộT Số ĐốI TƯợNG LớP PHủ MặT ĐấT chủ nhiệm đề ti: THS. Chu Hải Tùng H nội, 8 2008 bộ tài nguyên và môi trờng trung tâm viễn thám quốc gia 108 Đờng Chùa Láng - Quận Đống Đa - Hà Nội *** báo cáo tổng kết khoa học v kỹ thuật Tên đề tài: nghiên cứu khả năng ứng dụng kết hợp ảnh vệ tinh v ảnh quang học để chiết táCH MộT Số ĐốI TƯợNG LớP PHủ MặT ĐấT Số đăng ký: Hà Nội, ngày tháng 8 năm 2008 Hà Nội, ngày tháng 8 năm 2008 chủ nhiệm đề ti cơ quan chủ trì đề ti giám đốc trung tâm viễn thám Quốc gia ThS. Chu Hải Tùng TS. Lê Minh Hà Nội, ngày tháng 8 năm 2008 Hà Nội, ngày tháng 8 năm 2008 hội đồng đánh giá chính thức cơ quan quản lý đề ti chủ tịch hội đồng TL. bộ trởng bộ tài nguyên và môi trờng Q.vụ trởng vụ khCN TS. Lê Kim Sơn TS. Lê Kim Sơn DANH SCH NHNG NGI THC HIN TI Họ và tên Học hàm, học vị, chuyên môn Cơ quan công tác Các mục Thực hiện A Chủ nhiệm đề tài: Chu Hải Tùng THS. Viễn thám Trung tâm Thu nhận và Xử lý ảnh Viễn thám -Trung tâm Viễn thám - Bộ Tài nguyên và Môi trờng 1.3; 1.4;1.5; 2.1; 2.2; 2.3;2.4; 2.5; 3.2;3.3; 3.5;3.6 4.1; 4.2; 4.3 B Cán bộ tham gia nghiên cứu 1 Nguyễn Thanh Bình CN. Địa lý Trung tâm GS Tài nguyên và Môi trờng 1.1;1.2; 3.6; 4.1; 4.3; 2 Nghiêm Văn Tuấn THS. Bản đồ Trung tâm Thu nhận và Xử lý ảnh Viễn thám 2.2; 3.1; 3.4; 3.6; 4.2 3 Hà Minh Cờng KS. Trắc Địa Trung tâm Thu nhận và Xử lý ảnh Viễn thám 2.2; 2.3; 2.4; 4.1; 4.3 4 Trần Tuấn Đạt KS. Trắc Địa Trung tâm Thu nhận và Xử lý ảnh Viễn thám 2.2; 2.3;3.6 5 Nguyễn Ngọc Quang KS. Trắc địa Trung tâm Thu nhận và Xử lý ảnh Viễn thám 2.1; 2.3; 3.2; 3.5; 3.6; 4.3; 6 Vũ Phơng Lan KS. Trắc địa Trung tâm Thu nhận và Xử lý ảnh Viễn thám 2.2; 3.6; 4.2; 4.3 7 Vũ Thị Tơng KS. Trắc địa Trung tâm Thu nhận và Xử lý ảnh Viễn thám 4.3 8 Phạm Văn Mạnh CN. Địa lý -nt- 4.3 9 Nguyễn Dơng Anh KS. Trắc địa Trung tâm Thu nhận và Xử lý ảnh Viễn thám 4.3 TÓM TẮT NỘI DUNG Ảnh vệ tinh radar với những ưu thế cơ bản như khả năng chụp ảnh không phụ thuộc vào thời tiết, có thể chụp ảnh cả ban ngày lẫn ban đêm là một công cụ hết sức hữu hiệu để theo dõi, giám sát Tài nguyên và Môi trường, nhất là ở những nước thường xuyên bị ảnh hưởng của mây như Việt nam. Không những thế do được thu nhậ n ở vùng sóng dài hơn rất nhiều so với các sóng nhìn thấy thông thường ảnh vệ tinh radar rất nhạy cảm với các đặc tính về cấu trúc, độ ghồ ghề, tính đồng nhất và độ ẩm của bề mặt đất, những thông tin này hầu như không có được trên ảnh quang học truyền thống. Tuy nhiên, ảnh radar cũng có nhiều mặt hạn chế rất đáng kể như biến dạng lớn v ề hình học, nhiều nhiễu và hình ảnh các đối tượng có nhiều khác biệt so với cảm nhận của con người, do đó làm ảnh hưởng rất nhiều đến việc triển khai các ứng dụng của ảnh radar. Như vậy có thể thấy rằng cả hai loại ảnh radar và ảnh quang học truyền thống đều có những thế mạnh và điểm yếu riêng do đó đề tài nghiên cứu khoa học đã đặt ra nhiệm vụ :Nghiên cứu khả năng ứng dụng kết hợp ảnh radar và ảnh quang học để chiết tách một số đối tượng lớp phủ mặt đất. Đề tài đã tập trung nghiên cứu các vấn đề sau: - Nghiên cứu tổng quan về ảnh radar bao gồm: + Nguyên lý cơ bản, các đầu thu và chế độ chụp ảnh + Biến dạng hình học và xử lý, nắn ch ỉnh hình học ảnh radar + Nhiễu và các phương pháp xử lý nhiễu trên ảnh radar - Phân tích đặc điểm tán xạ của các lớp phủ bề mặt trên ảnh radar và khả năng ứng dụng ảnh radar để chiết tách các lớp thông tin về lớp phủ. - Nghiên cứu các phương án kết hợp ảnh radar và ảnh quang học, xây dựng các tập dữ liệu và các tổ hợp ảnh để làm nổi bật các yếu tố b ề mặt, hỗ trợ cho việc giải đoán, phân tích các đối tượng lớp phủ. - Nghiên cứu các phương pháp chiết tách thông tin bao gồm cả phương pháp phân loại tự động và điều vẽ bằng mắt trên các tập dữ liệu kết hợp và các ảnh tổ hợp. - Tiến hành thử nghiệm tại 2 khu vực ở phía Bắc và phía Nam của Việt nam. Các kết quả nghiên cứu của đề tài đã cho thấy rằng việc ứng dụng kết hợp ảnh radar và ảnh quang học có khả năng nâng cao chất lượng chiết tách các lớ p thông tin lớp phủ mặt đất và là một phương pháp có hiệu quả, có tính khả thi cao. 1 Mục lục TRANG Danh mục các hình 4 Danh mục bảng biểu 6 Mở Đầu 7 CHƯƠNG I 11 TổNG QUAN Về MộT Số VấN Đề CầN NGHIÊN CứU 11 I.1. Khái niệm lớp phủ mặt đất 11 I.2. Hệ phân loại lớp phủ mặt đất 13 I.3. ứng dụng ảnh vệ tinh trong công tác thành lập các lớp thông tin lớp phủ mặt đất. 16 I.4. Tình hình nghiên cứu về khả năng kết hợp ảnh radar và quang học để chiết tách . . . các thông tin về lớp phủ mặt đất 20 I.5. Một số vấn đề về t liệu, khu vực nghiên cứu và sản phẩm của đề tài 23 CHơNG II 25 ảnh radar và đặc tính phản xạ của các đối tợng lớp phủ trên ảnh radar 25 II.1. Nguyên lý cơ bản của ảnh radar 25 II.2. Biến dạng hình học ảnh radar và phơng pháp xử lý hình học ảnh radar 37 II.3. Nhiễu và các phơng pháp xử lý nhiễu trên ảnh radar 44 II.4. Tơng tác của sóng radar với bề mặt thực địa 53 II. 5. Đặc tính phản xạ và khả năng giải đoán của một số lớp phủ trên ảnh radar 60 CHơNG III 68 Nghiên cứu khả năng kết hợp ảnh radar và ảnh quang học để chiết tách các thông tin về lớp phủ mặt đất 68 III.1. So sánh đặc điểm của ảnh radar và ảnh quang học 68 III.2. Vì sao nên kết hợp ảnh radar và ảnh quang học 70 III.3. Nghiên cứu các phơng pháp kết hợp ảnh radar và ảnh quang học 74 III.4. Các phơng pháp chiết tách thông tin trên ảnh radar và tổ hợp 82 2 III.5. Qui trình công nghệ kết hợp ảnh quang học và ảnh radar để thành lập bản đồ lớp phủ 93 III.6. Hiệu quả kinh tế của việc kết hợp ảnh radar và ảnh quang học để thành lập các lớp thông tin lớp phủ mặt đất 97 CHơNG IV 99 Thử nghiệm kết hợp ảnh Radar và ảnh quang học để thành lập một số lớp thông tin lớp phủ 99 IV.1. Tổng quan về đặc điểm địa lý tự nhiên- kinh tế - văn hóa- xã hội tại các khu vực thử nghiệm. 99 IV.2. Tài liệu sử dụng 102 IV.3. Nội dung và phơng pháp thử nghiệm 104 Kết luận 126 Kiến nghị : 129 Tài liệu tham khảo 130 Phụ Lục 133 3 Danh Mục chữ Viết tắt SAR Synthetic Aperture Radar (Radar độ mở tổng hợp) NDVI Normalized Differencial Vegetation Index (Chỉ số thực vật) SPOT Systốme Pour lObservation de la Terre (H thng v tinh quan trc Trỏi t ca Phỏp) LANDSAT V tinh ti nguyờn ca M IHS Intensity-Hue-Saturation (Cờng độ màu sắc - Độ bão hòa) PC 1, 2,3 Principle Component 1, 2, 3 (Thành phần chính thứ nhất, thứ hai, thứ ba) ASAR Advanced Synthetic Aperture Radar (Radar độ mở tổng hợp cải tiến) PRI Precision Image ( ảnh chuẩn) ERS European Remote Sensing Satellite (Vệ tinh viễn thám châu Âu) ESA European Space Agency (Cơ quan hàng không Vũ trụ châu Âu) ALOS Advanced Land Observing Satellite ( Vệ tinh quan sát đất đai cải tiến) PALSAR Phased Array L-band Synthetic Aperture Radar 4 Danh môc c¸c h×nh Hình 1.1: Sơ đồ tổng quát về lớp phủ mặt đất 11 (nguồn : Hệ phân loại lớp phủ CORINE) 11 Hình 1.2: Đặc tính phản xạ của đất, nước và thực vật trên ảnh vệ tinh 16 Hình 2.1: Vị trí các kênh sóng radar trong dải phổ điện từ 26 Hình 2.2: Nguyên lý hoạt động của radar 27 Hình 2.3: RADAR độ mở tổng hợp (SAR) 28 Hình 2.4: Độ phân giải ngang 29 Hình 2.5: Các kiểu phân cực 29 C¸c lo¹i ph©n cùc chÝnh sö dông trong viÔn th¸m Radar bao gåm: 30 Hình 2.6: Độ rộng dải chụp anh ASAR và một số đầu thu khác 32 của vệ tinh ENVISAT 32 Hình 2. 7 : Ảnh ASAR chế độ chuẩn (Image Mode); VV hoặc HH 33 Hình 2.8: Ảnh ASAR chế độ chụp ảnh rộng (Wide Swath); VV hay HH 33 Hình 2.9: Chế độ phân cực luân phiên của ASAR 34 Hình 2.10: Các chế độ chụp ảnh của vệ tinh RADARSAT 1 36 Hình 2.11 : Khác biệt về kích thước giữa cạnh gần và cạnh xa trên ảnh radar 37 Hình 2. 12: Sự nén các đối tượng ở cạnh gần so với cạnh xa của ảnh radar 37 Hình 2.13: Hiện tượng co ngắn phía trước 38 Hình 2.14 : Hiện tượng chồng đè trên ảnh radar 39 Hình 2.15: Hiện tượng bóng trên ảnh radar 39 Hình 2.16: Ảnh hưởng của chênh cao địa hình tới vị trí điểm trên thực địa 43 Hình 2.17: Sự tạo thành nhiễu trên ảnh radar 44 Hình 2.18: Mối tương quan giữa độ lệch chuẩn và giá trị trung bình cục bộ [24] 45 Hình 2.19: So sánh hiệu quả các loại phin lọc 47 Hình 2.20: Phin lọc theo vùng 47 Hình 2.21 : Phản xạ gương (trái) và tán xạ toàn phần (phải) 54 Hình 2.22: Phản xạ góc 55 Hình 2.23: Quan hệ giữa góc tới và hệ số tán xạ ngược trên các bề mặt khác nhau 56 Hình 2.24: Quan hệ giữa độ ẩm và đặc tính phản xạ của các bề mặt 57 Hình 2.25 : Tán xạ bề mặt và tán xạ khối 57 Hình 2.26: Khả năng đâm xuyên của tia radar ở các bước sóng khác nhau 58 Hình 2.27 : Đặc tính phản xạ của cây trồng nông nghiệp 61 Hình 2.28 : Sự biến đổi về đặc tính phản xạ của lúa theo chu kỳ sinh trưởng 62 Hình 2.29 : Tổ hợp ảnh vệ tinh ERS2 đa thời gian khu vực Hải Phòng 63 Hình 2.30: Tán xạ ngược của lớp phủ trong rừng 64 Hình 2.31: So sánh cấu trúc của đất nông nghiệp (trái) và rừng (phải) 65 Hình 2.32: Vùng đô thị có tông màu rất sáng trên ảnh radar 66 Hình 3.1: Trộn ảnh Landsat kênh 7,4,3 và ảnh Radarsat cho thấy yếu tố thay đổi 73 [...]... đồ lớp phủ mặt đất - Các phơng án kết hợp hai loại ảnh để thành lập bản đồ lớp phủ mặt đất - Một số bình đồ ảnh radar, quang học và bình đồ ảnh tổ hợp - Bản đồ một số lớp thông tin về lớp phủ mặt đất đợc thành lập từ ảnh radar kết hợp với ảnh vệ tinh Cấu trúc của đề tài: gồm 4 chơng - Chơng 1: Tổng quan về một số vấn đề cần nghiên cứu - Chơng 2: ảnh radar và đặc tính phản xạ của các đối tợng lớp phủ. .. và đặc tính phản xạ của các đối tợng lớp phủ trên ảnh radar - Chơng 3: Nghiên cứu khả năng kết hợp ảnh radar và ảnh quang học để chiết tách các thông tin về lớp phủ mặt đất - Chơng 4: Thử nghiệm kết hợp ảnh radar và ảnh quang học để thành lập một số lớp thông tin lớp phủ 11 CHƯƠNG I TổNG QUAN Về MộT Số VấN Đề CầN NGHIÊN CứU I.1 kháI niệm lớp phủ mặt đất Lp ph mt t l trng thỏi vt cht ca b mt trỏi t,... tin chiết tách ra đợc số hóa và chuyển lên bản đồ nền để biên tập và chỉnh sửa bằng các công cụ phần mềm nh Microstation, Arcview để thành lập bản đồ các lớp thông tin lớp phủ mặt đất - Trên cơ sở các nghiên cứu, đề xuất qui trình thành lập bản đồ một số lớp thông tin về phủ mặt đất Kết quả của đề tài: - Báo cáo kết quả nghiên cứu công tác xử lý ảnh radar và kết hợp ảnh radar với ảnh quang học để thành... Singapore Mỗi nghiên cứu đều có những cách tiếp cận khác nhau liên quan đến nguồn t liệu đợc sử dụng, đối tợng lớp phủ mặt đất đợc quan tâm khai thác và phơng pháp kết hợp các loại ảnh Ví dụ nh một số công trình nghiên cứu sử dụng kết hợp ảnh ERS với ảnh Landsat TM để tiến hành phân loại lớp phủ thực vật, trong khi đó có công trình nghiên cứu lại sử dụng ảnh SPOT kết hợp với ảnh RADARSAT để kiểm kê giám... hiện Một số tác giả trong nớc cũng đã tiến hành nghiên cứu về vấn đề này và thu đợc những kết quả ban đầu nhng mới chỉ dừng lại ở mức độ ứng dụng một phơng pháp kết hợp hoặc chiết tách thông tin cho một vài đối tợng lớp phủ nhất định Xuất phát từ thực tế đó, Trung tâm Viễn thám, Bộ Tài nguyên và Môi trờng đã đề xuất và thực hiện đề tài nghiên cứu khoa học có tên là : Nghiên cứu khả năng ứng dụng kết hợp. .. Nghiên cứu các phơng pháp, thuật toán xử lý nhiễu và tăng cờng chất lợng ảnh radar - Nghiên cứu đặc điểm phản xạ của một số đối tợng lớp phủ bề mặt (thực phủ, nớc mặt, dân c ) trên ảnh radar - Xây dựng các phơng án kết hợp ảnh radar và ảnh quang học bao gồm việc kết hợp trực tiếp hoặc thông qua các sản phẩm trung gian 9 - Nghiên cứu, đánh giá các phơng pháp giải đoán và chiết tách thông tin trên ảnh. .. quang học và radar để nghiên cứu các đối tợng lớp phủ mặt đất đã và đang đợc thực hiện trên thế giới Tuy có những khác biệt về phơng pháp nghiên cứu, t liệu sử dụng và các khu vực thử nghiệm nh đã nêu ở trên, nhng tất cả các nghiên cứu đều cho thấy rằng việc kết hợp ảnh radar và quang học làm tăng khả năng nhận biết các đối tợng trên bề mặt và là một phơng pháp có nhiều triển vọng I.4.2 Tình hình nghiên. .. Long và Bùi Doãn Trọng (2001), Viện Vật lý, Viện Khoa học Công nghệ Việt nam thực hiện - Đề tài nghiên cứu khoa học độc lập cấp nhà nớc: Xây dựng bản đồ hiện trạng sử dụng đất từ ảnh vệ tinh Radar phục vụ nghiên cứu đánh giá biến động về hiện trạng sử dụng đất ở đồng bằng sông Cửu Long do các cán bộ của Trung tâm ứng dụng Công 23 Việc kết hợp ảnh vệ tinh quang học và ảnh radar để giám sát lớp phủ mặt đất. .. dụng ảnh quang học Trung tâm Viễn thám, Bộ Tài nguyên và Môi trờng trong những năm 20002001 thông qua đề án với hãng hàng không vũ trụ châu ÂU (ESA) và Liên Hiệp Quốc cũng đã có một số thử nghiệm sơ bộ về kết hợp ảnh radar và ảnh quang học để phân tích các đối tợng trên bề mặt và đã thu đợc một số kết quả đáng khích lệ Tuy nhiên, các nghiên cứu nêu trên mới chỉ đề cập tới một vài phơng án kết hợp ảnh. .. Một số tác giả chỉ sử dụng ảnh radar nh một nguồn t liệu bổ sung để giải đoán các yếu tố trên ảnh, trong khi có tác giả lại trộn lẫn các nguồn t liệu để tiến hành phân tích và xử lý Có thể nêu ra một số nghiên cứu tiêu biểu nh sau: Tại Na uy, năm 1995, D.J Weydahl và các đồng nghiệp đã kết hợp ảnh vệ tinh radar ERS -1 cùng với các loại ảnh quang học nh SPOT và Landsat TM để nghiên cứu vùng đô thị Kết . :Nghiên cứu khả năng ứng dụng kết hợp ảnh radar và ảnh quang học để chiết tách một số đối tượng lớp phủ mặt đất. Đề tài đã tập trung nghiên cứu các vấn đề sau: - Nghiên cứu tổng quan về ảnh. báo cáo tổng kết khoa học v kỹ thuật Tên đề tài: nghiên cứu khả năng ứng dụng kết hợp ảnh vệ tinh v ảnh quang học để chiết táCH MộT Số ĐốI TƯợNG LớP PHủ MặT ĐấT chủ nhiệm. và kết hợp ảnh radar với ảnh quang học để thành lập bản đồ lớp phủ mặt đất. - Các phơng án kết hợp hai loại ảnh để thành lập bản đồ lớp phủ mặt đất. - Một số bình đồ ảnh radar, quang học và