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

Một hạn chế cơ bản khác của ảnh vệ tinh quang học là chỉ cung cấp các thông tin về đặc tính phản xạ và hấp thụ của các đối tượng trên bề mặt trong vùng sóng nhìn thấy thị tần do đó trên

Bộ tài nguyên và môi trường

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

trung tâm viễn thám quốc gia

108 Đường Chùa Láng - Quận Đống Đa - Hà Nội

-*** -

báo cáo tổng kết khoa học vμ kỹ thuật

Tên đề tài:

nghiên cứu khả năng ứng dụng kết hợp ảnh vệ tinh vμ

ảnh quang học để chiết táCH MộT Số ĐốI TƯợNG LớP PHủ

MặT ĐấT

chủ nhiệm đề tμi: THS Chu Hải Tùng

Hμ nội, 8 – 2008

trung tâm viễn thám quốc gia

108 Đường Chùa Láng - Quận Đống Đa - Hà Nội

-*** -

báo cáo tổng kết khoa học vμ kỹ thuật

Tên đề tài:

nghiên cứu khả năng ứng dụng kết hợp ảnh vệ tinh vμ

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 tμi cơ quan chủ trì đề tμi

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 tμi

Họ và tên

Học hàm, học

vị, chuyên môn

Cơ quan công tác

Các mục Thực hiện

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 trường

1.1;1.2; 3.6; 4.1; 4.3;

2 Nghiêm Văn Tuấn THS Bản đồ Trung tâm Thu nhận và Xử

6 Vũ Phương Lan KS Trắc địa Trung tâm Thu nhận và Xử

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 nhận 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 về 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 chỉnh 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 bề 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

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 tư liệu, khu vực nghiên cứu và sản phẩm của đề tài 23

CHươNG II 25 ảnh radar và đặc tính phản xạ của các đối tượng 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 phương pháp xử lý hình học ảnh radar 37

II.3 Nhiễu và các phương pháp xử lý nhiễu trên ảnh radar 44

II.4 Tương 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

CHươNG 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 phương pháp kết hợp ảnh radar và ảnh quang học 74

III.4 Các phương pháp chiết tách thông tin trên ảnh radar và tổ hợp 82

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

CHươNG 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 phương pháp thử nghiệm 104

Kết luận 126

Kiến nghị : 129

Tài liệu tham khảo 130

Phụ Lục 133

Danh Mục chữ Viết tắt

(Radar độ mở tổng hợp) NDVI Normalized Differencial Vegetation Index

(Chỉ số thực vật) SPOT Systốme Pour l’Observation de la Terre

(Hệ thống vệ tinh quan trắc Trỏi Đất của Phỏp) LANDSAT Vệ tinh tài nguyờn của Mỹ

(Radar độ mở tổng hợp cải tiến)

( ảnh chuẩn) ERS European Remote Sensing Satellite

(Vệ tinh viễn thám châu Âu)

(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

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

Hình 3.2: Một phần của vùng châu thổ Indus Delta, Pakistan .76

Hình 3.3: Trộn ảnh Landsat TM (kênh 7,4,3) và ảnh radar ERS-2 79

Hình 3.4: Ảnh vệ tinh SPOT và ảnh chỉ số biến động của ảnh radar đa thời gian 81

Hình 3.5: Các ví dụ về hình mẫu 88

Hình 3.6: Hình mẫu trên ảnh vệ tinh 88

Hình 3.7: Sự khác nhau về kích thước của các đối tượng 89

Hình 3.8: Cấu trúc gồ ghề của rừng tự nhiên (trái) và mịn của rừng trồng (phải) 90

Hình 3.9: Các dạng cấu trúc 90

Hình 4.1: Các cảnh ảnh vệ tinh ERS và sơ đồ bố trí các điểm khống chế ảnh 104

- Khu vực Quảng Ninh, Hải Phòng và Hải Dương 104

Hình 4.2: Điểm khống chế được chọn vào giao điểm của đường 105

Hình 4 3: Sai số mô hình hóa tại các điểm khống chế ảnh 106

Hình 4.4: Các cảnh ảnh vệ tinh ERS và sơ đồ bố trí các điểm khống chế ảnh 106

Khu vực Đồng Nai - thành phố Hồ Chí Minh – Vũng Tàu- Long An - Tiền Giang 106

Hình 4.5: Sai số mô hình hóa tại các điểm khống chế ảnh khu vực phía Nam 107

Hình 4 6 : Ảnh radar trước khi lọc và sau khi lọc bằng phin lọc Lee 109

Hình 4 7: Tổ hợp ảnh NDVI + trung bình ERS + trung bình SPOT 111

Hình 4 8: Chỉ số tách biệt lớn giữa các lớp hơn 1.9 113

Hình 4.9: So sánh kết quả phân loại khu vực đô thị sử dụng ảnh SPOT

kết hợp với ảnh radar và ảnh sử dụng ảnh SPOT thuần túy 114

Hình 4.11: Ảnh tổ hợp (R: NDVI ; G: TB_SAR ; B: TB_SPOT 3) 117

Hình 4.12: Ảnh tổ hợp-2 (R: PRI_3183_04982;G: PC2 ; B: PC 3) 118

Hình 4.13: Ảnh vệ tinh SPOT-3 tổ hợp màu giả 118

Hình 4.14: So sánh rừng ngập mặn và lúa trên ảnh tổ hợp và ảnh SPOT 120

Hình 4.15: Dân cư nông thôn trên ảnh tổ hợp và ảnh SPOT 120

Hình 4.16: Dân cư nông thôn trên ảnh tổ hợp RGB-HIS, Brovey và ảnh SPOT 121

Hình 4.17: So sánh đất Chuyên lúa –lúa màu với đất Chuyên rau màu – 121

cây ngắn ngày và Dân cư nông thôn .121

Hình 4.18: Đất chuyên lúa và vùng Nuôi trồng thủy sản kết hợp với rừng ngập 122

mặn trên ảnh tổ hợp và ảnh quang học (SPOT) 122

Hình 4.19: Bãi bồi và bãi triều trên ảnh tổ hợp và ảnh quang học (SPOT) 122

Hình 4.20: Bãi bồi trên ảnh tổ hợp RGB-HIS, Brovey và ảnh SPOT 123

Hình 4.21: So sánh vùng trồng lúa trên các tổ hợp ảnh với ảnh gốc SPOT 123

Hình 4.22: Vùng trồng lúa và Rừng ngập mặn kết hợp nuôi trồng thủy sản 124

Danh mục bảng biểu

Bảng 1.1 : Hệ phân loại lớp phủ mặt đất tại khu vực thử nghiệm 15

Bảng 1.2 Cỏc thụng số kỹ thuật của một số loại ảnh vệ tinh quang học cơ bản 18

Bảng 2.1: Cỏc kờnh súng radar cơ bản 26

Bảng 2.2: Cỏc chế độ chụp ảnh Radarsat 36

Bảng 2.3: Một số cỏc thụng số yờu cầu để nắn ảnh trực giao bằng phương phỏp 41

mụ hỡnh vật lý 41

Bảng 2.4: Giỏ trị lý thuyết của cỏc hệ số khỏc biệt 51

Bảng 2.5: Cỏc thụng số cho phin lọc Sigma 51

Bảng 2.6: Cỏc thụng số lọc với cỏc phin lọc khỏc nhau trước khi phõn lớp 52

Bảng 3.1 So sỏnh đặc tớnh phản xạ của một số đối tượng lớp phủ trờn ảnh quang học, hồng ngoại và radar 70

Bảng 3.2: Màu sắc của cỏc đối tượng lớp phủ trờn ảnh tổ hợp ERS2 và Landsat TM 77

Mở Đầu

Thành lập và theo dõi diễn biến lớp phủ bề mặt cũng như hiện trạng sử dụng đất

có ý nghĩa hết sức quan trọng, phục vụ đắc lực cho công tác điều tra, giám sát tài nguyên thiên nhiên và bảo vệ môi trường nhằm mục đích phát triển bền vững

Các loại ảnh vệ tinh quang học như Landsat, SPOT, Aster …do bản chất được thu nhận chủ yếu ở các vùng sóng nhìn thấy và cận hồng ngoại hoàn toàn phù hợp với cảm nhận của con người, cho hình ảnh rõ nét, dễ sử dụng nên đã trở nên quen thuộc và

đang được áp dụng một cách rộng rãi trong nước cũng như quốc tế Công nghệ ứng dụng ảnh vệ tinh quang học để lập bản đồ lớp phủ bề mặt hay hiện trạng sử dụng đất đã trở thành công nghệ cơ bản được đưa vào qui trình qui phạm Tuy nhiên, do đặc điểm của hệ thống chụp ảnh quang học và cận hồng ngoại là hệ thống thụ động phụ thuộc vào nguồn năng lượng mặt trời nên ảnh quang học chịu nhiều ảnh hưởng của thời tiết, trên ảnh thường có nhiều mây, mù làm ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng thông tin trên

ảnh Đây là một trong những hạn chế cơ bản của ảnh quang học, nhất là đối với những nước nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa như Việt Nam

Một hạn chế cơ bản khác của ảnh vệ tinh quang học là chỉ cung cấp các thông tin về đặc tính phản xạ và hấp thụ của các đối tượng trên bề mặt trong vùng sóng nhìn thấy (thị tần) do đó trên ảnh thường thiếu các thông tin về cấu trúc và độ gồ ghề của bề mặt nghiên cứu

Khác với ảnh quang học, do được chụp ở vùng sóng micro có bước sóng dài hơn (cỡ cm) ảnh vệ tinh radar cho phép cung cấp các thông tin về độ gồ ghề, kết cấu vật chất và đặc điểm cấu trúc của của các đối tượng trên bề mặt đất Hơn nữa, các sóng radar có khả năng đâm xuyên qua mây nên việc chụp ảnh radar không phụ thuộc vào thời tiết, có thể chụp cả ban ngày lẫn ban đêm nên có tính chủ động và khả năng thành công rất cao trong việc thu chụp ảnh

Mặc dù có những ưu điểm không thể phủ nhận nói trên, nhưng ảnh radar cũng

có những nhược điểm rất cơ bản như nhiều biến dạng về hình học bao gồm co ngắn phía trước, chồng đè, bóng, mức độ nhiễu lớn và hình ảnh các đối tượng trên ảnh radar nhiều khi không hoàn toàn giống với nhận thức thông thường của con người Vì vậy việc xử lý hình học, xử lý nhiễu và khai thác các thông tin trên ảnh radar khó khăn hơn rất nhiều so với ảnh quang học truyền thống dẫn đến hạn chế việc ứng dụng ảnh radar nhất là ở Việt Nam Tuy nhiên có thể nhận thấy rằng việc kết hợp ảnh radar và ảnh

quang học có thể tận dụng được những ưu thế của cả hai loại ảnh này Đã có nhiều công trình nghiên cứu theo hướng này và đã cho những kết quả tương đối khả quan nhưng chủ yếu là do các tác giả nước ngoài thực hiện Một số tác giả trong nước cũng

đã tiến hành nghiên cứu về vấn đề này và thu được những kết quả ban đầu nhưng mới chỉ dừng lại ở mức độ ứng dụng một phương pháp kết hợp hoặc chiết tách thông tin cho một vài đối tượng lớp phủ nhất định

Xuất phát từ thực tế đó, Trung tâm Viễn thám, Bộ Tài nguyên và Môi trường đã

đề xuất và thực hiện đề tài nghiên cứu khoa học có tên là :

“ Nghiên cứu khả năng ứng dụng kết hợp ảnh vệ tinh radar và quang học

để thành lập một số lớp thông tin về lớp phủ mặt đất ”

Thời gian thực hiện: 18 tháng(Từ tháng 06/2006 đến tháng 12/2007 )

Chủ nhiệm đề tài: Chu Hải Tùng

Học hàm, học vị, chuyên môn: Thạc sỹ Viễn thám

Địa chỉ: 108, phố Chùa láng - Đống Đa – Hà Nội

Cơ quan chủ quản : Trung tâm Viễn thám

Mục tiêu của đề tài

- Bước đầu nghiên cứu ứng dụng công nghệ ảnh radar để chiết xuất thông tin

phục vụ mục đích giám sát tài nguyên và môi trường

- Chuẩn bị các ứng dụng ảnh radar để hỗ trợ khai thác dự án “Hệ thống giám sát tài nguyên thiên nhiên và môi trường tại Việt Nam” khi trạm thu ảnh vệ tinh đi vào

hoạt động

Nội dung nghiên cứu

- Tìm hiểu đặc điểm quá trình chụp ảnh của ảnh radar như góc nghiêng, bước sóng, chế độ phân cực v.v

- Khảo sát các loại biến dạng hình học và nghiên cứu phương pháp nắn chỉnh các loại ảnh radar như ENVISAT/ASAR, ERS 1-2, RADARSAT

- Nghiên cứu các phương pháp, thuật toán xử lý nhiễu và tăng cường chất lượng

- Nghiên cứu, đánh giá các phương pháp giải đoán và chiết tách thông tin trên ảnh radar và ảnh tổ hợp bao gồm phân loại bán tự động (có giám sát), điều vẽ ảnh trên máy

tính

- Đề xuất qui trình công nghệ thành lập bản đồ một số lớp thông tin lớp phủ mặt

đất trên cơ sở kết hợp ảnh quang học và ảnh radar

- Thử nghiệm sản xuất trên khu vực và điều kiện tư liệu cụ thể, đánh giá và hoàn thiện qui trình công nghệ đề xuất Công tác thử nghiệm đã được tiến hành ở 2 khu vực

là Hải Phòng - Quảng Ninh - Hải Dương ở phía Bắc và khu vực Thành phố Hồ Chí Minh - Đồng Nai – Vũng Tàu -Long An - Tiền Giang ở phía Nam

Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật được sử dụng

- Đặc điểm chụp ảnh của các loại ảnh vệ tinh radar được nghiên cứu và khảo sát dựa trên những tài liệu và tư liệu thu thập được trong giai đoạn thu thập tài liệu

- Việc nghiên cứu phương pháp nắn chỉnh ảnh vệ tinh radar (ASAR, ERS 1,2 hoặc RADARSAT) và ảnh quang học như SPOT, Landsat hoặc ASTER được tiến hành trên các phần mềm xử lý ảnh hiện có trên thị trường như hệ thống SPACEMAT, phần mềm ENVI, PCI Các điểm khống chế sẽ được chọn trên bản đồ địa hình tỉ lệ lớn hơn

và đo đạc ngoài thực địa bằng công nghệ GPS nếu cần thiết Mô hình số độ cao sẽ có thể được sử dụng trong quá trình nắn ảnh cho cả hai loại ảnh quang học và radar để khử sai số do chênh cao địa hình gây ra Sản phẩm cuối cùng của quá trình này là các bình đồ ảnh vệ tinh

- Công tác xử lý phổ – tăng cường chất lượng ảnh được thực hiện sau khi ảnh

được nắn chỉnh hình học Đối với ảnh radar do đặc trưng chứa nhiều nhiễu nên cần sử dụng các loại phin lọc chuyên dụng như Lee, Sigma để loại bỏ nhiễu

- Việc nghiên cứu đặc điểm phản xạ và khả năng phân biệt của các đối tượng trên

ảnh radar được thực hiện thông qua việc phân tích các vùng mẫu

- Các phương án kết hợp được nghiên cứu nhằm mục đích tạo ra các tổ hợp ảnh hoặc dữ liệu chứa đựng nhiều thông tin nhất và dễ dàng khai thác cho công tác giải

đoán và chiết tách thông tin ở khâu tiếp theo Các tổ hợp dữ liệu có thể trực tiếp từ các

ảnh gốc hoặc là sự kết hợp giữa các sản phẩm trung gian như chỉ số thực vật, ảnh thành phần chính, trộn màu, chia kênh

- Các phương pháp giải đoán và chiết tách thông tin khác nhau đã được khảo sát

và đánh giá hiệu quả cho các khu vực hoặc đối tượng đặc trưng, bao gồm phương pháp phân loại bán tự động (có giám định), giải đoán bằng mắt và điều vẽ trực tiếp trên máy tính kết hợp với điều vẽ ngoại nghiệp Khả năng cung cấp thông tin của các tổ hợp ảnh

cũng được đánh giá trong khâu này qua đó rút ra kết luận về sự phù hợp giữa phương pháp giải đoán ảnh và phương pháp kết hợp ảnh

- Các lớp thông tin chiết tách ra được số hóa và chuyển lên bản đồ nền để biên tập

và chỉnh sửa bằng các công cụ phần mềm như 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

Cấu trúc của đề tài: gồm 4 chương

- Chương 1: Tổng quan về một số vấn đề cần nghiên cứu

- Chương 2: ảnh radar và đặc tính phản xạ của các đối tượng lớp phủ trên ảnh radar

- Chương 3: Nghiên cứu khả năng kết hợp ảnh radar và ảnh quang học để chiết tách các thông tin về lớp phủ mặt đất

- Chương 4: Thử nghiệm kết hợp ảnh radar và ảnh quang học để thành lập một số lớp thông tin lớp phủ

CHƯƠNG I TổNG QUAN Về MộT Số VấN Đề CầN NGHIÊN CứU

I.1 kháI niệm lớp phủ mặt đất

Lớp phủ mặt đất là trạng thỏi vật chất của bề mặt trỏi đất, là sự kết hợp của nhiều thành phần như thực phủ, thổ nhưỡng, đỏ gốc và mặt nước chịu sự tỏc động của cỏc nhõn tố tự nhiờn như nắng, giú, mưa bóo và nhõn tạo như khai thỏc đất để trồng trọt, xõy dựng nhà cửa, cụng trỡnh phục vụ cuộc sống của con người Sự kết hợp này tạo ra lớp phủ mặt đất phong phỳ, đa dạng nhưng nhỡn tổng thể lớp phủ mặt đất chia ra thành hai nhúm chớnh là Mặt nước và Mặt đất Mặt nước gồm cú Nước lục địa như hệ thống sụng, suối, kờnh mương, hồ ao và Nước đại dương-biển phủ trựm phần lớn diện tớch bề mặt trỏi đất Phần diện tớch ớt hơn là Mặt đất nhưng lại là nơi tập trung hầu hết những hoạt động của con người cũng như nhiều loài sinh vật khỏc trờn trỏi đất và là nơi đang biến đổi từng ngày, từng giờ, những hoạt động đú đó tạo nờn sự phong phỳ của loại hỡnh lớp phủ mặt đất như thực phủ gồm cỏ, cõy bụi, rừng, đất canh tỏc đang

cú cõy sinh trưởng….; dõn cư đụ thị, nụng thụn; mạng lưới giao thụng; khu cụng nghiệp, thương mại và cỏc đối tượng đất chuyờn dựng khỏc; cỏc vựng đất trống, đồi nỳi trọc, cồn cỏt, bói cỏt…

Nhõn tạo (cỏc cụng trỡnh xõy dựng…)

Nước

lục địa

Đất khụng cú thực phủ

Bề mặt trỏi đất Mặt nước Mặt đất

Đại dương Biển

Thường xuyờn

Thay đổi theo mựa

Đất cú thực phủ

Tự nhiờn (đất trống, bói đỏ, cồn- bói cỏt…)

Sụng, suối

Kờnh, mương

Hồ, ao đầm…

Tự nhiờn (Rừng tự nhiờn)

Nhõn tạo (Cõy lõu năm…)

Tự nhiờn (Trảng cỏ…)

Nhõn tạo (Lỳa, màu…)

Hỡnh 1.1: Sơ đồ tổng quỏt về lớp phủ mặt đất (nguồn : Hệ phõn loại lớp phủ CORINE)

Khỏi niệm lớp phủ mặt đất khỏc với sử dụng đất, nhưng cỏc đối tượng của chỳng lại cú sự tương quan mật thiết Sử dụng đất mụ tả cỏch thức con người sử dụng đất và cỏc hoạt động kinh tế-xó hội xảy ra trờn mặt đất, những hoạt động này là sự tỏc động trực tiếp lờn bề mặt đất, chớnh vỡ vậy mà một số loại hỡnh sử dụng đất cũng là đối tượng của lớp phủ mặt đất, vớ dụ như đất đụ thị và đất nụng nghiệp Một số loại hỡnh

sử dụng đất khỏc như cụng viờn, sõn gụn theo gúc độ lớp phủ bao gồm thảm cỏ, rừng cõy hay cỏc cụng trỡnh xõy dựng nhưng trờn thực tế trong hệ phõn loại lớp phủ mặt đất hiện hành đều phải xột đến khớa cạnh sử dụng đất và đưa vào loại hỡnh lớp phủ nhõn tạo cú thực phủ

Trờn thực tế mỗi một khu vực khỏc nhau trờn trỏi đất đều cú loại hỡnh lớp phủ mặt đất đặc trưng và mỗi một đối tượng đều chịu sự tỏc động theo hai hướng của tự nhiờn và con người với mức độ mạnh, yếu khỏc nhau Sự tỏc động này đó làm cho lớp phủ mặt đất luụn biến đổi Sự biến đổi của lớp phủ mặt đất ngược lại cũng cú những ảnh hưởng khụng nhỏ đến cuộc sống của con người, như diện tớch rừng suy giảm đó gõy ra

lũ lụt ở một số nơi; sự gia tăng của cỏc khu cụng nghiệp và cỏc hoạt động nụng nghiệp như tăng vụ lỳa, nuụi trồng thuỷ sản khụng hợp lý là một trong những nguyờn nhõn gõy biến đổi khớ hậu Như vậy cú thể núi lớp phủ mặt đất cú quan hệ mật thiết với cỏc hoạt động kinh tế xó hội, tài nguyờn thiờn nhiờn và mụi trường sống của con người Do đú, để trỏi đất cú thể phỏt triển bền vững là mục tiờu lớn đặt lờn hàng đầu của mỗi quốc gia và mỗi chõu lục Trong những năm qua, trờn thế giới đó xảy ra rất nhiều những hiện tượng làm ảnh hưởng lớn đến tài nguyờn thiờn nhiờn và mụi trường, như:

- Sa mạc húa diễn ra với tốc độ nhanh hơn

- Diện tớch rừng ngày càng bị thu hẹp

- Đất ngập nước đang bị mất dần

- Quỏ trỡnh đụ thị húa diễn ra với tốc độ rất cao

- Thiờn tai như hạn hỏn, lũ lụt, động đất, súng thần thường xuyờn xảy ra tại nhiều khu vực trờn thế giới

Ở nước ta trong những năm vừa qua, nhất là từ khi thực hiện chính sách đổi mới

đã đạt đ−ợc những thành tựu to lớn về phát triển kinh tế xã hội Tuy nhiên, tốc độ phát triển kinh tế quá cao đã dẫn tới việc khai thác tài nguyên thiên nhiên không có quy hoạch, mà hậu quả là sự suy giảm nguồn tài nguyên thiên nhiên và suy thoái môi

trường nghiêm trọng trên diện rộng Rừng tự nhiên bị chặt phá bừa bãi để lấy gỗ, củi, khai thác khoáng sản, những diện tích rừng ngập mặn rất lớn bị chặt phá để nuôi tôm, nguồn nước bị ô nhiễm, thiên tai hạn hán, lũ lụt xảy ra thường xuyên Trước tình hình

đó, nhu cầu bức xúc đặt ra là phải có những thông tin chính xác, kịp thời về diễn biến lớp phủ mặt đất để phục vụ một cách hiệu quả cho công tác điều tra, quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trường

Cỏc thụng tin về lớp phủ mặt đất được thu thập bằng hai phương phỏp cơ bản là khảo sỏt thực địa và phõn tớch tư liệu viễn thỏm Khảo sát thực địa là phương pháp thu thập thông tin truyền thống thường rất tốn kém và mất nhiều thời gian Phân tích tư liệu viễn thám là phương pháp hiện đại, cho phép chiết tách các thông tin lớp phủ mặt đất một cách nhanh chóng, hiệu quả và ít tốn kém Phương pháp sử dụng tư liệu viễn thám

đã được lựa chọn để thực hiện đề tài và sẽ được phân tích kỹ hơn ở phần sau

I.2 Hệ phân loại lớp phủ mặt đất

Để thuận lợi cho việc khai thác và sử dụng các thông tin lớp phủ mặt đất và đảm bảo tính thống nhất về nội dung thông tin, người ta đã xây dựng các hệ phân loại lớp phủ mặt đất Nhỡn chung cỏc hệ phõn loại lớp phủ mặt đất đó cú đều dựa trờn nguyờn tắc sau:

- Hệ phõn loại dễ hiểu, dễ hỡnh dung phõn chia đối tượng bề mặt thành cỏc nhúm chớnh theo trạng thỏi vật chất của cỏc đối tượng như mặt nước, mặt đất, lớp phủ thực vật, đất nụng nghiệp, bề mặt nhõn tạo

- Phự hợp với khả năng cung cấp thụng tin của tư liệu viễn thỏm bao gồm cỏc loại ảnh vệ tinh như Spot, Landsat, ảnh hàng khụng…

- Cỏc đối tượng trong hệ phõn loại đỏp ứng được yờu cầu phõn tỏch được đối tượng trờn cỏc tư liệu thu thập ở cỏc thời gian khỏc nhau

- Hệ thống phõn loại ỏp dụng được cho nhiều vựng rộng lớn

- Hệ thống phõn loại phõn chia cỏc đối tượng theo cỏc cấp bậc nờn phự hợp với việc phõn tớch đối tượng trờn cỏc tư liệu cú độ phõn giải khỏc nhau, đỏp ứng yờu cầu thành lập bản đồ ở cỏc tỷ lệ khỏc nhau

Tuy nhiờn trờn mỗi hệ phõn loại đều cú những đặc điểm riờng phự hợp với điều kiện tự nhiờn, mức độ khai thỏc lớp phủ bề mặt của từng khu vực

Hệ phân loại FAOLCC vừa tổng hợp để phù hợp với mọi điều kiện trên trái đất nhưng vừa chi tiết đến tính chất của từng đối tượng mà chỉ có thể bổ sung thông tin nhờ khảo sát ngoại nghiệp

Hệ phân loại U.S.G.S, CORINE dựa vào phần nào nguyên tắc của FAOLCC

và điều chỉnh phù hợp với đặc điểm của Mỹ và Châu Âu

Cô thÓ lµ:

1 Hệ phân loại lớp phủ mặt đất FAOLCC chia ra theo 3 cấp chính:

Cấp 1 (Level1): Phân ra thành 2 loại theo đặc điểm có hay không có lớp phủ

thực vật của bề mặt đất

Cấp 2 (Level 2): Phân ra thành 4 loại theo nguyên tắc chia các loại của cấp 1

theo đặc điểm ngập nước hay không ngập nước của bề mặt đất

Cấp 3 (Level 3): Phân ra thành 8 loại theo nguyên tắc chia các loại của cấp 2

theo tính chất tự nhiên hay nhân tạo của bề mặt đất Từ cấp 3 trở đi các đối tượng được phân chia chi tiết hơn tuỳ theo đặc điểm của đối tượng cũng như khu vực nghiên cứu

và mức độ chi tiết của bản đồ cần thành lập

2.Hệ phân loại lớp phủ mặt đất CORINE chia ra theo 3 cấp:

Cấp1 (Level 1): Phân ra thành 5 loại theo trạng thái bề mặt tổng thể của trái đất

là lớp phủ nhân tạo, đất nông nghiệp, rừng và các vùng bán tự nhiên, đất ẩm ướt, mặt nước phù hợp với bản đồ tỷ lệ nhỏ phủ trùm toàn cầu

Cấp 2 (Level 2): Phân ra thành 15 loại theo đặc điểm che phủ của thực vật, phù

hợp với bản đồ tỷ lệ 1: 500 000 và 1: 1 000 000

Cấp 3 (Level 3): Phân ra thành 44 loại chi tiết hơn tuỳ theo đặc điểm của đối

tượng cũng như khu vực nghiên cứu, phù hợp với bản đồ tỷ lệ 1: 1 000 000

Nội dung chi tiết của các hệ phân loại này được trình bày trong phần phụ lục

Ở nước ta trong những năm gần đây đã quan tâm đến việc thành lập bản đồ lớp phủ mặt đất, nhưng chưa có một công trình nào chuyên nghiên cứu về hệ phân loại của bản

đồ để đưa ra một hệ phân loại chung áp dụng cho cả nước như hệ phân loại của bản đồ hiện trạng sử dụng đất Các bản đồ lớp phủ mặt đất đã thành lập đều phục vụ một mục

đích cụ thể hoặc chỉ là một lớp thông tin của lớp phủ mặt đất như lớp phủ rừng

Thông qua việc nghiên cứu, tham khảo các hệ phân loại “Lớp phủ mặt đất ” như hệ phân loại của FAOLCC (Food and Agriculture Organization Land Cover Classification), U.S.G.S.(U.S Geological Survey), CORINE (Coordination of information on the

environment), cũng như một số hệ phõn loại lớp phủ bề mặt đất của Việt Nam đó được sử dụng trong cỏc dự ỏn “Đo vẽ bản đồ phục vụ điều tra Tài nguyờn thiờn nhiờn“ (Trung tõm Viễn thỏm – Tổng Cục Địa chớnh và Viện Địa lý quốc gia Phỏp năm 2001-2002), dự ỏn

“Nghiờn cứu xõy dựng bản đồ cỏc vựng nhạy cảm mụi trường“ ( Trung tõm Viễn thỏm -

Bộ Tài nguyờn và Mụi trường năm 2004), hệ phõn loại của bản đồ hiện trạng sử dụng đất

do Bộ tài nguyờn và Mụi trường ban hành năm 2007, đồng thời phõn tớch đặc điểm của cỏc đối tượng trong vựng thử nghiệm kết hợp với khả năng thụng tin của cỏc tư liệu sử dụng, nhúm nghiờn cứu đó mạnh dạn xõy dựng hệ phõn loại một số đối tượng lớp phủ mặt đất phục vụ nhiệm vụ nghiờn cứu của đề tài được trỡnh bày trong bảng dưới đõy :

HỆ PHÂN LOẠI MỘT SỐ ĐỐI TƯỢNG LỚP PHỦ MẶT ĐẤT Phõn tớch trờn tư liệu ảnh vệ tinh radar kết hợp với ảnh quang học

5 Rừng ngập mặn kết hợp với nuụi trồng thuỷ sản

6 Vựng chuyờn canh lỳa, lỳa màu

7 Vựng chuyờn canh rau màu, cõy ngắn ngày khỏc

8 Đất trồng cõy lõu năm

9 Vựng nuụi trồng thuỷ sản Lớp phủ đất nụng nghiệp

10 Ruộng muối

11 Khu dõn cư đụ thị Lớp phủ dõn cư

12 Khu dõn cư nụng thụn

13 Đất chuyờn dựng (Cỏc loại đất đó được sử dụng ngoài

mục đớch nụng nghiệp và đất ở)

14 Vựng đất ẩm ướt thường xuyờn (Đất tự nhiờn)

15 Bói cỏt, bói đỏ (Đất tự nhiờn)

16 Trảng cỏ, cõy bụi (Đất tự nhiờn)

17 Nỳi đỏ vụi (Đất tự nhiờn)

Lớp phủ mặt đất khỏc

18 Đất trống, đồi nỳi trọc (Đất tự nhiờn)

Bảng 1.1 : Hệ phân loại lớp phủ mặt đất tại khu vực thử nghiệm

I.3 ứng dụng ảnh vệ tinh trong công tác thμnh lập các lớp thông tin lớp phủ mặt đất

Phương phỏp Viễn thỏm cho phộp thu thập thụng tin về đối tượng trờn mặt đất thụng qua hỡnh ảnh của đối tượng mà khụng cần phải tiếp xỳc trực tiếp ngoài thực địa Cỏc loại tư liệu ảnh viễn thỏm cú thể được chụp từ mỏy bay (ảnh hàng khụng) nhưng thụng dụng nhất là được chụp từ ảnh vệ tinh

Tư liệu viễn thỏm cú hai loại chớnh là ảnh quang học và ảnh radar Ảnh quang học chụp bề mặt trỏi đất nhờ năng lượng mặt trời và cỏc thiết bị chụp ảnh sử dụng thấu kớnh quang học, hệ thống chụp ảnh này được gọi là hệ thống thụ động Loại thứ hai là ảnh radar được chụp nhờ cỏc thiết bị thu, phỏt súng radar đặt trờn vệ tinh Hệ thống này được gọi là hệ thống chụp ảnh chủ động hay tớch cực

Ngày nay với sự tiến bộ nhanh chúng của khoa học cụng nghệ, tư liệu vệ tinh

đó và đang được ứng dụng rộng rói trong cụng tỏc theo dừi, giỏm sỏt tài nguyờn thiờn nhiờn và bảo vệ mụi trường đặc biệt là trong việc theo dừi diễn biến lớp phủ và hiện trạng sử dụng đất

Nguyờn tắc cơ bản để phõn biệt cỏc đối tượng lớp phủ mặt đất trờn ảnh vệ tinh

là dựa vào sự khỏc biệt về đặc tớnh phản xạ của chỳng trờn cỏc kờnh phổ Hỡnh 1.2 dưới đõy thể hiện đặc tớnh phản xạ của cỏc thành phần đất, nước và thực vật trờn ảnh

Hỡnh 1.2: Đặc tớnh phản xạ của đất, nước và thực vật trờn ảnh vệ tinh

Những ưu thế cơ bản của ảnh vệ tinh cú thể kể ra là:

- Cung cấp thụng tin khỏch quan, đồng nhất trờn khu vực trựm phủ lớn (Landsat 180km x180km, SPOT, ASTER 60km x 60 km) cho phộp tiến hành theo dừi giỏm sỏt trờn những khu vực rộng lớn cựng một lỳc

- Cung cấp thông tin đa dạng trên nhiều kênh phổ khác nhau cho phép nghiên cứu các đặc điểm của đối tượng từ nhiều góc độ phản xạ phổ khác nhau

- Cung cấp các loại ảnh có độ phân giải khác nhau đo đó cho phép nghiên cứu

bề mặt ở những mức độ chi tiết hoặc khái quát khác nhau Ví dụ như các loại ảnh độ phân giải siêu cao như SPOT 5, IKONOS, QuickBird để nghiên cứu chi tiết, hoặc các loại ảnh có độ phân giải thấp nhưng tần suất chụp lặp cao, diện tích phủ trùm lớn như MODIS, MERIS cho phép cung cấp các thông tin khái quát ở mức vùng hay khu vực

- Khả năng chụp lặp lại hay còn gọi là độ phân giải thời gian Do đặc điểm quĩ đạo của vệ tinh nên cứ sau một khoảng thời gian nhất định lại có thể chụp lặp lại được

vị trí trên mặt đất Sử dụng các ảnh vệ tinh chụp tại các thời điểm khác nhau sẽ cho phép theo dõi diễn biến của các sự vật hiện tượng diễn ra trên mặt đất, ví dụ như quá trình sinh trưởng của cây trồng, lúa, màu

- Các dữ liệu được thu nhận ở dạng số nên tận dụng được sức mạnh xử lý của máy tính và có thể dễ dàng tích hợp với các hệ thống thông tin như hệ thống thông tin địa lý (GIS)

Do những đặc tính hết sức ưu việt kể trên ảnh vệ tinh đã trở thành một công cụ không thể thiếu được trong công tác theo dõi giám sát tài nguyên thiên nhiên và môi trường nói chung và việc chiết tách các thông tin lớp phủ nói riêng, nhất là ở những vùng khó tiếp cận như các vùng núi cao, biên giới, hải đảo

Phương pháp Viễn thám cho phép thu thập phần lớn các thông tin ở trong phòng nhưng kết quả giải đoán cần được kiểm chứng ở ngoài thực địa do đó công tác thực địa là một phần không thể thiếu trong công nghệ Viễn thám

Trên thế giới việc ứng dụng công nghệ viễn thám, tại những nước phát triển, đã được thực hiện ngay từ khi có những tấm ảnh đầu tiên của vệ tinh quan sát trái đất Cho đến nay ảnh vệ tinh đã được ứng dụng ở hầu khắp các nước, kể cả những nước đang phát triển Ở Việt nam, mặc dù việc ứng dụng công nghệ Viễn thám có chậm hơn những nước tiên tiến trong khu vực nhưng ảnh vệ tinh cũng đã được sử dụng ở rất nhiều các cơ quan, ngành và địa phương khác nhau như nông nghiệp, lâm nghiệp, đo đạc và bản đồ, qui hoạch đất đai, địa chất – khoáng sản… Những ứng dụng tiêu biểu của ảnh vệ tinh liên quan đến việc chiết tách các thông tin về lớp phủ mặt đất là:

- Điều tra thành lập bản đồ hiện trạng và theo dõi biến động rừng

- Thành lập bản đồ lớp phủ và hiện trạng sử dụng đất

- Theo dõi giám sát mùa màng

- Thành lập bản đồ và theo dõi biến động các vùng đất ngập nước

- Thành lập bản đồ và theo dõi biến động rừng ngập mặn

- Kiểm kê tài nguyên nước mặt

- Qui hoạch đô thị và theo dõi quá trình đô thị hóa

Ảnh vệ tinh quang học với nhiều ưu điểm như hình ảnh quen thuộc với con người, dễ giải đoán, kỹ thuật tương đối dễ phát triển trên nền các công nghệ chụp ảnh hiện hành nên đã nhanh chóng được chấp nhận và ứng dụng rộng rãi Các loại ảnh quang học như Landsat, SPOT, Aster, IKONOS, QuickBird đã trở nên quen thuộc và phổ biến trên toàn thế giới Trong công tác thành lập các loại bản đồ lớp phủ bằng công nghệ Viễn thám sử dụng ảnh quang học đã được đưa vào các qui trình qui phạm tương đối hoàn chỉnh Bảng 1.2 dưới đây liệt kê các thông số kỹ thuật của một số loại ảnh vệ tinh quang học chính

¶nh vÖ tinh C¸c kªnh phæ §é ph©n gi¶i TÇn suÊt chôp

lÆp (ngµy)

DiÖn tÝch phñ trïm (km)

SPOT 2 XS (®a phæ)

PAN (toµn s¾c)

20 m

10 m 26 60 x 60 SPOT 4 XS (§a phæ)

10 m

5 m 2,5m

26 60 x 60 LANDSAT TM Kªnh 1,2,3,4,5,6,7 30 m 16 180 x 180 LANDSAT

ETM+

Kªnh 1,2,3,4,5,6,7 Kªnh 8

30 m

15 m 16 180 x 180 ASTER

Kªnh 1,2,3N,3B Kªnh 4,5,6,7,8,9 Kªnh 10,11,12,13,14

14 11 x 11

QUICKBIRD Kªnh ®a phæ

Kªnh toµn s¾c

2,44 m 0,61 m 1 - 3,5 16,5 x 16,5

B¶ng 1.2 Các thông số kỹ thuật của một số loại ảnh vệ tinh quang học c¬ b¶n

Nhược điểm chính của ảnh quang học là chỉ có thể chụp vào ban ngày khi được mặt trời chiếu sáng và phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện thời tiết Trong trường hợp thời tiết xấu như mưa bão, mây, mù, sẽ rất khó chụp được ảnh Trên ảnh quang học cũng thường có nhiều mây, nhất là ở khu vực nhiệt đới trong đó có Việt nam Những

những nhược điểm này đã làm hạn chế rất nhiều khả năng ứng dụng của ảnh quang học Đặc biệt là đối với những ứng dụng cần sử dụng ảnh chụp ở nhiều thời điểm

Những nhược điểm của ảnh quang học cũng chính là ưu điểm của ảnh radar Do

sử dụng nguồn năng lượng riêng của mình để chụp ảnh nên ảnh radar có thể được chụp vào cả ban ngày lẫn ban đêm Các bước sóng ở vùng sóng micro của hệ thống chụp ảnh radar có khả năng đâm xuyên qua mây nên không bị ảnh hưởng của thời tiết do đó rất phù hợp với những khu vực thường xuyên có nhiều mây phủ như Việt nam Một ưu điểm quan trọng khác của ảnh radar là cung cấp các thông tin mà ảnh quang học không thể có được như độ ghồ ghề, độ ẩm, cấu trúc của các đối tượng trên bề mặt Chính vì những ưu thế trên ảnh radar là loại tư liệu rất có tiềm năng ứng dụng ở nước ta

Tuy nhiên ảnh radar cũng có những nhược điểm rất cơ bản Do được chụp ở vùng sóng micro khác xa với vùng sóng nhìn thấy nên hình ảnh không giống với cảm nhận thông thường của mắt người Mặt khác, do bản chất chụp nghiêng nên hình ảnh

bị biến dạng nhiều nên khó nhận dạng các đối tượng và khó xử lý Không những thế ảnh radar còn có nhiều nhiễu gây khó khăn cho người sử dụng Do những đặc điểm nói trên ảnh radar còn ít được sử dụng hơn so với ảnh quang học

Mặc dù vậy, trên thế giới công nghệ Viễn thám radar đã và đang phát triển rất mạnh mẽ, và được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực bao gồm theo dõi giám sát thiên tai như lũ lụt, trượt lở đất, cháy rừng, giám sát ô nhiễm (tràn dầu), nghiên cứu, thăm dò địa chất khoáng sản, đo đạc bản đồ, theo dõi diễn biến lớp phủ và hiện trạng sử dụng đất, kiểm kê đất rừng, theo dõi mùa màng Ở Việt nam, ứng dụng của ảnh radar còn chưa nhiều, chủ yếu được sử dụng cho mục đích nghiên cứu Các cơ quan đã có những tiếp cận ban đầu với công nghệ ảnh radar là Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam, Trung tâm Viễn thám- Bộ Tài nguyên và Môi trường, Viện Quy hoạch rừng- Bộ Nông nghiệp và phát triển nông thôn Như vậy, có thể thấy cần phải đẩy mạnh hơn nữa những ứng dụng của ảnh radar nhất là ở Việt nam

Thấy rõ vai trò quan trọng của công nghệ Viễn thám và nhu cầu sử dụng tư liệu ảnh vệ tinh của các cơ quan, ngành trong cả nước, chính phủ đã cho phép Bộ Tài nguyên và Môi trường triển khai đề án” Hệ thống Giám sát Tài nguyên thiên nhiên và môi trường tại Việt Nam” sử dụng vốn ODA của chính phủ Pháp Thành phần quan trọng nhất của hệ thống này là Trạm thu ảnh vệ tinh có khả năng thu nhận, xử lý và cung cấp các loại ảnh vệ tinh bao gồm cả ảnh quang học (MERIS, SPOT 2, 4, 5) và

radar (ASAR) cho người sử dụng trong nước Hệ thống giỏm sỏt Tài nguyờn và Mụi trường tại Việt nam sẽ thỳc đẩy cỏc nghiờn cứu ứng dụng của ảnh vệ tinh ở nước ta Khi hệ thống đi vào hoạt động, người sử dụng cú khả năng tiếp xỳc với nhiều loại tư liệu ảnh trờn cựng một khu vực nghiờn cứu, do đú cần đặc biệt quan tõm đến phương phỏp ứng dụng kết hợp nhiều loại ảnh vệ tinh, nhất là ảnh quang học và ảnh radar

I.4 Tình hình nghiên cứu về khả năng kết hợp ảnh radar vμ quang học để chiết tách các thông tin về lớp phủ mặt đất I.4.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Như đã phân tích ở mục I.3, mỗi loại ảnh quang học và radar đều có những ưu

điểm và hạn chế riêng, do đó việc kết hợp ảnh radar và ảnh quang học đã được đặt ra nhằm tận dụng được thế mạnh của cả hai loại ảnh này

Việc nghiên cứu kết hợp hai loại ảnh nói trên nhằm mục đích chiết tách thông tin về lớp phủ mặt đất đã được thực hiện tại nhiều nước trên thế giới bao gồm cả những nước có công nghệ tiên tiến như Mỹ, Canada, Anh, Pháp, Australia và cả những nước trong khu vực như Trung quốc, Malaysia, Thái lan, Indonesia, Singapore Mỗi nghiên cứu đều có những cách tiếp cận khác nhau liên quan đến nguồn tư liệu được sử dụng,

đối tượng lớp phủ mặt đất được quan tâm khai thác và phương pháp kết hợp các loại

ảnh Ví dụ như 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 sát tài nguyên rừng Một số tác giả chỉ sử dụng ảnh radar như một nguồn tư liệu bổ sung để giải đoán các yếu tố trên ảnh, trong khi có tác giả lại trộn lẫn các nguồn tư liệu để tiến hành phân tích và xử lý Có thể nêu ra một số nghiên cứu tiêu biểu như 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 như SPOT và Landsat TM để nghiên cứu vùng đô thị Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng ảnh radar đã cung cấp thêm rất nhiều các thông tin về hướng, mức độ phức tạp, chất liệu tạo thành của các đối tượng trong vùng đô thị mà trên ảnh quang học thường ít khi thể hiện

Năm 1997, Z A Hasan và các đồng nghiệp tại Trung tâm Viễn thám Malaysia (MACRES) trong chương trình hợp tác nghiên cứu giữa châu Âu và ASEAN

để nghiên cứu ứng dụng ảnh vệ tinh ERS 1 đã nghiên cứu sự bổ sung lẫn nhau giữa ảnh radar ERS 1 và Landsat TM để thành lập bản đồ hiện trạng lớp phủ/ sử dụng đất ở bang

Johore, Malaysia Hasan đã nhận thấy rằng nếu chỉ dùng ảnh ERS 1 sẽ rất khó chiết

tách các thông tin về lớp phủ bề mặt do sự khác biệt không lớn về đặc tính tán xạ ngược của các đối tượng, tuy nhiên khi kết hợp với ảnh quang học, đặc biệt là tổ hợp

ảnh IHS thì sẽ cho phép phân biệt tốt nhất các loại lớp phủ trong khu vực nghiên cứu

Louis Demargne và các đồng nghiệp (2001) tại SPOT Image đã nghiên cứu ứng dụng kết hợp ảnh SPOT và radar để kiểm kê rừng tại Malaysia Trong đó ảnh radar

được sử dụng với hai mục đích vừa để thay thế cho ảnh SPOT tại những vùng có nhiều mây vừa để cung cấp thêm nguồn thông tin chuyên đề bổ sung cho ảnh SPOT để phân biệt các lớp phủ rừng Kết quả nghiên cứu cho thấy đây là một phương pháp có hiệu quả để theo dõi giám sát và bảo vệ rừng

ở Braxin, năm 2003, P.W.M Souza Fillho tại trường đại học Para và Paradela tại Viện nghiên cứu quốc gia về không gian đã tiến hành nghiên cứu kết hợp ảnh Radarsat à ảnh Landsat 5 TM để lập bản đồ khu vực rừng ngập mặn ven biển thuộc lưu vực sông Amazon Các tác giả đã nhận thấy rằng: kết hợp hai loại ảnh sẽ tăng cường khả năng phân biệt giữa thực phủ có độ cao khác nhau và những vùng có độ ẩm cao

Trong nghiên cứu của Sun - Hwa Kim và Kyu - Sung Lee tại khoa Địa Tin Học trường đại học Inha, Incheon, Hàn Quốc, ảnh Radarsat và Landsat +ETM đã được ứngdụng để thành lập bản đồ lớp phủ ở khu vực bờ biển phía Tây bán đảo Triều Tiên Các tác giả đã đưa ra được 11 đối tượng lớp phủ khác nhau từ các tập dữ liệu kết hợp và

từ từng loại dữ liệu riêng lẻ Theo các tác giả, việc kết hợp hai loại ảnh đã cải thiện rõ rệt khả năng chiết tách thông tin dù bằng phương pháp giải đoán bằng mắt hay phân loại trên máy tính Kết quả phân loại cho thấy độ chính xác tăng lên đến 74,6% khi kết hợp hai loại ảnh, so với 69,3% nếu chỉ sử dụng ảnh Landsat +ETM

Tại Mỹ và Canada, việc kết hợp ảnh radar và quang học để nghiên cứu các đối tượng lớp phủ trên bề mặt cũng đã được thực hiện từ lâu với rất nhiều các công trình nghiên cứu được công bố, như :

- B N Haack (1984) tại trường đại học George Mason bang Virginia đã kết hợp ảnh radar băng L và băng X với ảnh quang học Landsat MSS để nghiên cứu vùng đô thị thuộc thành phố LOS ANGELES

- Floyd M Henderson và nnk (1999), tại trường đại học Albany, bang NewYork, đã sử dụng các loại ảnh radar Radarsat và ERS cùng với ảnh quang học Landsat TM để đánh giá vai trò của ảnh radar trong việc hỗ trợ làm giảm thiểu sự nhầm lẫn giữa các thành phần lớp phủ tại vùng đô thị

- L B Chavez (2004), được sự tài trợ của tổ chức General Dynamics và ủy ban Các

hồ lớn (Great Lake Commission) đã tiến hành nghiên cứu ứng dụng đa vệ tinh, bao gồm Landsat +ETM, Radarsat và JERS để giám sát khu vực đất ngập nước tại vùng ven các hồ lớn giữa Mỹ và Canada

Ngoài ra còn rất nhiều các công trình nghiên cứu khác trên thế giới liên quan

đến vấn đề kết hợp ảnh quang học và radar để nghiên cứu các đối tượng lớp phủ mặt

đất đã và đang được thực hiện trên thế giới

Tuy có những khác biệt về phương pháp nghiên cứu, tư liệu sử dụng và các khu vực thử nghiệm như đã nêu ở trên, nhưng 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 tượng trên bề mặt

và là một phương pháp có nhiều triển vọng

I.4.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

ảnh vệ tinh quang học được biết đến và được sử dụng ở Việt nam từ những năm 1980 trong các công tác theo dõi giám sát tài nguyên thiên nhiên với các tư liệu

đầu tiên là ảnh chụp từ tàu vũ trụ của Liên Xô Cho đến nay, các loại ảnh vệ tinh như cơ bản như SPOT, Landsat, QuickBird … đã được ứng dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực trong đó có việc thành lập và theo dõi diễn biến các loại lớp phủ mặt đất

ảnh radar xuất hiện muộn hơn, mặt khác do bản chất của ảnh radar chịu ảnh hưởng của nhiều loại biến dạng hình học, nhiễu và hình ảnh khác biệt so với cảm nhận thông thường nên mặc dù có những ưu thế không thể phủ nhận như khả năng chụp ảnh không phụ thuộc thời tiết nhưng vẫn rất ít được sử dụng trong thực tế

Hiện nay ảnh radar mới được sử dụng chủ yếu trong một số công trình nghiên cứu để thành lập bản đồ sử dụng đất, theo dõi sự phát triển của lúa, theo dõi ngập lụt hoặc tình trạng chặt phá rừng Công tác nghiên cứu chủ yếu được tiến hành tại các cơ quan nghiên cứu thuộc Viện khoa học Công nghệ Việt nam như Viện vật lý, viện Địa

lý cũng như tại một số Trung tâm Viễn thám của các Bộ Tài nguyên và Môi trường, Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn Ví dụ như các công trình sau:

- Sử dụng ảnh radar ERS để theo dõi lũ lụt tại khu vực đồng bằng sông Cửu Long

do các tác giả Nguyễn Thành 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 nước: 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

Việc kết hợp ảnh vệ tinh quang học và ảnh radar để giám sát lớp phủ mặt đất cũng đã được một số cơ quan tiến hành nghiên cứu, ví dụ như tác giả Nguyễn Đình Dương (2001)- Viện Địa lý, Viện Khoa học và Công nghệ Việt nam đã kết hợp ảnh radar JERS-1 (Nhật bản) với ảnh Landsat TM để nghiên cứu thành phố Hà nội và vùng phụ cận Nghiên cứu của tác giả đã chỉ ra rằng kết hợp ảnh radar và quang học cho phép phân biệt các vùng dân cư nông thôn, một số loại cây trồng nông nghiệp cũng như các vùng đô thị với mật độ xây dựng khác nhau, là những thông tin không thể có

được nếu chỉ sử dụng ảnh quang học

Trung tâm Viễn thám, Bộ Tài nguyên và Môi trường trong những năm

2000-2001 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 tượng trên bề mặt và đã thu được một số kết quả đáng khích lệ

Tuy nhiên, các nghiên cứu nêu trên mới chỉ đề cập tới một vài phương án kết hợp ảnh và chiết tách thông tin nhất định mà chưa có những nghiên cứu, đánh giá một cách đầy đủ và phương pháp này

I.5 Một số vấn đề về tư liệu, khu vực nghiên cứu vμ sản phẩm của đề tμi

Các tư liệu ảnh vệ tinh radar và quang học được lựa chọn trên cơ sở tận dụng tối

đa các tư liệu hiện có tại Trung tâm Viễn thám – Bộ Tài nguyên và Môi trường Mặt khác nhằm khai thác có hiệu quả “Hệ thống giám sát Tài nguyên và Môi trường” tư liệu ảnh được lựa chọn cũng sẽ là loại ảnh mà trạm thu ảnh vệ tinh có thể thu được khi

đi vào hoạt động Các tư liệu được sử dụng trong đề tài được chụp tại hai thời điểm

Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài hai khu vực nghiên cứu được lựa chọn đặc trưng cho các đối tượng lớp phủ ở phía Bắc và phía Nam của đất nước Khu vực thử nghiệm ở phía bắc là vùng ven biển thuộc địa phận các tỉnh Hải Phòng, Quảng Ninh và Hải Dương Đây là khu vực tập trung nhiều loại hình lớp phủ mặt đất tiêu biểu như các vùng đô thị và dân cư nông thôn, các loại đất nông nghiệp, rừng tự nhiên và rừng ngập mặn, đất trống, bãi bồi

Khu vực thử nghiệm phía Nam thuộc địa phận thành phố Hồ Chí Minh, Đồng Nai, Vũng Tàu, Long An và Tiền Giang Đây cũng là khu vực có những đối tượng lớp phủ đa dạng rất đặc trưng cho khu vực phía Nam, bao gồm dân cư đô thị, dân cư nông thôn, khu công nghiệp, vùng trồng lúa, vườn cây, rừng, rừng ngập mặn (tiêu biểu là Cần Giờ)

Một nguyên nhân khác để lựa chọn những vùng nghiên cứu này là ở đây đều đã

có ảnh vệ tinh radar ERS 1,2 chụp tại nhiều thời điểm của năm 1996, cho phép tiến hành nghiên cứu kết hợp với ảnh radar đa thời gian

Một trong những sản phẩm chính của đề tài sẽ là các lớp thông tin về lớp phủ

được chiết tách từ ảnh quang học kết hợp với ảnh radar và được thể hiện ở dạng bản đồ

Do ảnh vệ tinh radar ERS 1,2 và ảnh ENVISAT/ASAR có độ phân giải 25-30m, phù hợp với việc thành lập bản đồ tỉ lệ 1/100 000 nên các sản phẩm bản đồ của đề tài cũng

sẽ được thể hiện ở tỉ lệ 1/100 000 Cụ thể là:

- Bản đồ lớp phủ mặt đất khu vực thành phố Hải Phòng năm 1996

- Bản đồ lớp phủ mặt đất khu vực thành phố Hải Phòng năm 2004

- Bản đồ lớp phủ mặt đất khu vực thành phố Hồ Chí Minh năm 1996

- Bản đồ lớp phủ mặt đất khu vực thành phố Hồ Chí Minh năm 2004

Chương II

ảnh radar vμ đặc tính phản xạ của các

đối tượng lớp phủ trên ảnh radar

II.1 Nguyên lý cơ bản của ảnh radar

II.1.1 Nguyên lý hoạt động của RADAR quét nghiêng

Khác với các hệ thống chụp ảnh quang học và hồng ngoại sử dụng nguồn năng lượng từ mặt trời, hệ thống radar sử dụng nguồn năng lượng của chính nó để tiến hành chụp ảnh và do đó được gọi là hệ thống chụp ảnh chủ động Do sử dụng nguồn năng lượng của chính mình nên hệ thống radar cho phép chụp ảnh cả ban ngày lẫn ban đêm

Nguyên lý cơ bản của hệ thống chụp ảnh RADAR là sử dụng ăng ten đặt trên máy bay hoặc vệ tinh phát ra các sóng điện từ có bước sóng từ 1 mm tới 1 m (hay có tần số từ 300 GHz tới 300 MHz) tới bề mặt trái đất sau đó nhận lại năng lượng phản xạ của các sóng này sau khi đã tương tác với bề mặt của trái đất bằng ăng ten thu Thông thường ăng ten của máy thu cũng là ăng ten máy phát Máy thu sử dụng cường độ của năng lượng phản xạ thu được, sự phân cực của sóng điện từ cũng như thời gian truyền sóng để tạo ra ảnh RADAR (hình 2.2) Cường độ và tính chất của năng lượng điện từ tán xạ ngược tới máy thu của hệ thống radar sẽ cho biết các thông tin về kích thước, hình dạng, cấu trúc và đặc tính điện từ của bề mặt hoặc các đối tượng trên bề mặt Có thể nói radar là hệ thống chụp ảnh dựa vào khoảng cách được đo bằng thời gian truyền tín hiệu đi và nhận lại tín hiệu phản hồi từ mục tiêu, đối tượng càng gần với ăng ten sẽ

được ghi nhận trên ảnh trước, đối tượng ở xa ăng ten sẽ được ghi nhận sau Cũng chính vì nguyên nhân này nên hệ thống radar luôn chụp nghiêng và về một phía của vật mang(máy bay hoặc vệ tinh) vì nếu như ăng ten được đặt ở chính giữa và các búp sóng radar được phát ra về cả hai phía thì sẽ không thể phân biệt được những đối tượng có khoảng cách đến ăng ten bằng nhau nhưng nằm về hai phía của ăng ten

Các bước sóng được ứng dụng nhiều trong viễn thám là băng X(2,4 - 3,75cm), băng C (3,75 - 7,5cm) và băng L (15 - 30 cm)

Bảng 2.1: Cỏc kờnh súng radar cơ bản

Hình 2.1 dưới đây cho thấy vị trí của các kênh sóng radar (vi sóng) trong dải phổ điện từ

Hỡnh 2.1: Vị trớ cỏc kờnh súng radar trong dải phổ điện từ

Hệ thống chụp ảnh radar được chia làm hai loại : radar quét nghiêng (Side looking radar - SLR) hay còn gọi là radar độ mở thực (Real Aperture Radar - RAR); loại thứ hai là radar độ mở tổng hợp (Synthetic Aperture Radar - SAR)

Hệ thống Radar quét nghiêng trên máy bay sử dụng ăng ten hình chữ nhật có chiều dài đặt theo hướng chuyển động của máy bay với các chùm sóng được phát ra về một bên để ghi nhận hình ảnh trên thực địa Các búp sóng Radar có dạng hình quạt Mối quan hệ giữa độ rộng của búp sóng (βh , βv ), kích thước vật lý của ăng ten và độ dài bước sóng phát ra được thể hiện bởi công thức sau:

t là thời gian sóng RADAR truyền từ ăng ten tới điểm địa vật và phản xạ trở lại

Hỡnh 2.2: Nguyờn lý hoạt động của radar

II.1.2 Độ phân giải của ảnh radar

Độ phân giải dọc (theo hướng bay)

Theo nguyên lý cơ bản, hai đối tượng được phân biệt trên ảnh nếu chúng không nằm trong cùng một tia RADAR trong cùng một thời điểm Do đó độ phân giải dọc của ảnh được tính như sau (Franceschetti and Lanari, 1999):

l r r

Ra = ì βh = ì λ

(2.3) Trong đó:

r là khoảng cách nghiêng từ ăng ten đến điểm địa vật;

λ chiều dài bước sóng;

l là chiều dài của ăng ten Công thức 2.3 cho thấy, độ phân giải của ảnh RADAR phụ thuộc vào khoảng cách nghiêng từ ăng ten tới địa vật, độ rộng của ăng ten và bước sóng sử dụng Để cải

thiện độ phân giải của ảnh RADAR, thì phải tăng chiều dài của ăng ten Ví dụ, với khoảng cách nghiêng từ ăng ten đến điểm địa vật là 400 km, bước sóng là 3 cm, thì để

có độ phân giải theo hướng bay là 10m ăng ten phải có chiều dài là 1200m Điều này trong thực tế là không thể thực hiện được nhất là đối với hệ thống radar trên vệ tinh với khả năng vận tải tương đối hạn chế

Giải pháp cho độ phân giải của ảnh RADAR là dùng RADAR độ mở tổng hợp (Synthetic Aperture RADAR (SAR)) Có thể giải thích sự hoạt động của SAR một cách

đơn giản như sau: SAR tích hợp tất cả năng lượng phản xạ từ điểm địa vật tới ăng ten khi ăng ten di chuyển trên quỹ đạo để tạo ra một ăng ten giả có độ dài tương đương với khoảng cách từ điểm đầu ăng ten thu được tín hiệu đến điểm kết thúc của việc thu tín hiệu (Lillesand and Kiefer, 2000) (hình 2.3) Do vậy với SAR độ phân giải theo hướng bay của ảnh RADAR có thể được tính bằng công thức:

2

l

Ra = (2.4)

Trong đó:

Ra là độ phân giải theo hướng bay;

l là chiều dài của ăng ten

Như vậy đối với SAR thì độ phân giải theo hướng bay chỉ phụ thuộc vào chiều dài thực của ăng ten

Hỡnh 2.3: RADAR độ mở tổng hợp (SAR)

Hướng bay

Độ phân giải ngang (vuông góc với hướng bay)

Độ phân giải ngang theo hướng vuông góc với hướng bay được tính bằng công thức (Franceschetti và Lanari, 1999):

Rr là độ phân giải ngang của ảnh trên mặt xiên;

c là tốc độ ánh sáng (3ì 108 m/s);

τ là thời gian phát đi chùm tia

Như vậy độ phân giải ngang trên mặt đất được tính như sau:

Trong đó:

Rg là độ phân giải ngang trên mặt đất

τ là thời gian phát chùm tia RADAR;

θ là góc nhìn

Hỡnh 2.4: Độ phõn giải ngang

II.1.3 Sóng radar phân cực

Sử dụng sóng radar phân cực để thu ảnh là một trong những tính chất cơ bản của

hệ thống chụp ảnh radar Sóng điện từ truyền đi trong không gian theo mặt phẳng thẳng đứng (Vertical -V) hoặc nằm ngang (Horizontal - H), do đó hệ thống chụp ảnh radar cũng có khả năng phát ra và thu nhận năng lượng sóng radar theo phương thẳng

đứng (V) hoặc nằm ngang (H)

Hỡnh 2.5: Cỏc kiểu phõn cực

Các loại phân cực chính sử dụng trong viễn thám Radar bao gồm:

+ Phân cực giống nhau (like polarization):

Ăng ten phát ra sóng radar phân cực theo phương nào thì sẽ nhận lại năng lượng phản hồi theo phân cực đó Cụ thể là:

VV - phát phân cực thẳng đứng, thu phân cực thẳng đứng

HH - phát phân cực ngang, thu phân cực ngang

+ Phân cực chéo (cross polarization):

Ăng ten phát ra sóng radar phân cực theo một phương và nhận lại năng lượng phản hồi phân cực theo phương khác Cụ thể là:

HV - phát phân cực ngang, thu phân cực đứng

VH - phát phân cực đứng, thu phân cực ngang

Sử dụng radar phân cực rất có ích trong việc theo dõi các lớp phủ bề mặt, vì mỗi loại đối tượng có thể nhạy cảm với một loại sóng có phân cực nhất định

I.1.4 Một số loại ảnh vệ tinh SAR cơ bản

Hiện nay trên thế giới đã có một số hệ thống vệ tinh chuyên chụp ảnh radar, cho phép theo dõi các yếu tố trên bề mặt một cách liên tục trên phạm vi toàn cầu Những hệ thống đầu thu ảnh radar phổ biến nhất bao gồm:

- ERS 1,2

- RadarSat

- ENVISAT/ASAR

- Alos/PalSAR

1) ảnh vệ tinh radar ERS1,2

Các đầu thu ảnh vệ tinh radar ERS-1 và ERS-2 được đặt trên các vệ tinh viễn thám Châu Âu 1 và 2 của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu Đây là các vệ tinh bay ở độ cao trung bình 785km, trên quỹ đạo cận cực cắt mặt phẳng xích đạo của trái đất với góc nghiêng 98,5 độ, chu kỳ lặp lại là 15 ngày Hệ thống thu ảnh radar của vệ tinh ERS là

hệ thống radar độ mở tổng hợp (Synthetic Aperture Radar) có các đặc tính sau:

- Bước sóng hoạt động 5,67 cm;

- Phân cực thẳng đứng VV;

- Góc nghiêng chụp ảnh tại trung tâm của dải chụp là 23o

- Độ dài xung phát 37,1μs; Tần xuất lặp của xung phát 1680Hz;

- Kích thước ăng ten 10m x1m

Số liệu ảnh radar của vệ tinh ERS được cung cấp dưới nhiều mức xử lý khác nhau tuỳ thuộc yêu cầu của người sử dụng như sau:

1) Số liệu thô với các tham số mô tả (Annotated Raw Data - RAW) Đây thực chất

là những số liệu thu trực tiếp từ vệ tinh, được cung cấp kèm theo các tham số cần thiết cho công đoạn tiền xử lý

2) ảnh phát chuyển nhanh (Fast Delivery Image - FDC) ảnh ở dạng này đã được

xử lý nhiễu bằng kỹ thuật multi - look (độ dài tổng hợp của ăng ten được phân thành nhiều đoạn, xử lý riêng biệt tín hiệu thu được trên từng đoạn rồi lấy trung bình) và hiệu chỉnh từ khoảng cách xiên sang khoảng cách ngang Sai số bức xạ gây nên do sự phân bố năng lượng không đồng đều trong búp sóng và sự suy giảm năng lượng theo khoảng cách chưa được tính đến

3) ảnh đơn look dạng phức (Single look Complex Image - SLC) Số liệu dạng này, mặc dù đã qua công đoạn tiền xử lý nhưng vẫn ở dưới dạng số phức (phần thực biểu diễn biên độ, phần phức biểu diễn pha) và vẫn là ảnh đơn look, quy chiếu trên khoảng cách xiên

4) ảnh chuẩn (Precision Image - PRI) Đây là ảnh multi-look, quy chiếu trên khoảng cách ngang, đã hiệu chỉnh các sai số hệ thống gây nên do sự phân bố không đều năng lượng trong búp sóng, sự suy giảm năng lượng theo khoảng cách Nhưng chưa xử lý ảnh hưởng của địa hình và cũng chưa nắn chỉnh về mặt elip tham chiếu ảnh chuẩn (PRI) có các thông số kỹ thuật như sau:

- Kích thước pixel: 12,5m x 12,5m;

- Kích thước ảnh: 100km chiều ngang và tối thiểu 102 km chiều dọc;

- Số dòng, cột: tối thiểu 8200 dòng x 8000 cột;

- Số bits/pixel: 16; Số looks: 3

5) ảnh nắn chỉnh lên mặt elip tham chiếu (Ellipsoid Geocoded Image - GEC) Đây

là ảnh multi-look Về mặt hình học đã được quy chiếu lên mặt elip, nhưng chưa nắn chỉnh méo hình do địa hình Trong khi về mặt bức xạ đã hiện chỉnh các sai

số hệ thống do sự phân bố năng lượng không đều trong búp sóng và sự suy giảm năng lượng theo khoảng cách

6) ảnh nắn chỉnh theo địa hình (Geocoded Terrain Corrected Image - GTCOI)

Đây là sản phẩm được xử lý ở mức cao nhất và là ảnh multi-look; được nắn chỉnh theo lưới chiếu bản đồ và loại bỏ các sai số do địa hình dựa trên mô hình

độ cao (DEM); đã hiện chỉnh các sai số bức xạ hệ thống

2 ) ảnh vệ tinh ENVISAT/ASAR

Tháng 3 năm 2002, Trung tâm Vũ trụ Châu Âu đã phóng vệ tinh ENVISAT vào quỹ đạo, ENVISAT là một vệ tinh quan trắc trái đất hiện đại, cung cấp các dữ liệu để nghiên cứu khí quyển, đại dương, tài nguyên đất, băng ENVISAT là vệ tinh rất lớn cho phép mang 10 đầu thu ảnh khác nhau trong đó có đầu thu ảnh radar là ASAR (Advanced Synthetic Aperture Radar) Hình dưới đây mô tả phạm vi quan sát của ASAR cùng với các đầu thu khác như AATSR và MERIS

Hỡnh 2.6: Độ rộng dải chụp anh ASAR và một số đầu thu khỏc

của vệ tinh ENVISAT

Đầu thu ảnh Radar độ mở tổng hợp tiên tiến ASAR, hoạt động ở băng C(5.7 cm), được thiết kế để tiếp nối các đầu thu ERS-1/2 Ngoài ra đầu thu ASAR được thiết

kế để tăng cường thêm khả năng trùm phủ, khoảng giá trị của góc tới, các kiểu phân cực và các chế độ hoạt động Độ rộng dải chụp của ảnh ENVISAT/ASAR có thể thay

đổi tùy theo các kiểu chụp nên tần xuất chụp lặp lớn hơn vệ tinh ERS Độ rộng dải chụp có thể thay đổi từ IS1 tới IS7 Quỹ đạo của vệ tinh ENVISAT cho phép chụp lặp trong vòng 35 ngày, cũng như vệ tinh ERS-2 Hệ thống chụp ảnh ENVISAT/ASAR cho phép chụp ảnh liên tục theo các kiểu phân cực khác nhau Đầu thu ASAR có thể hoạt

động như một đầu thu chụp radar thông thường (ASAR Stripmap Mode) hoặc ở chế độ quét ScanSAR (ASAR ScanSAR Mode)

Chế độ chụp thông thường (ASAR Stripmap Mode)

Khi hoạt động ở chế độ này, ăng ten cho phép lựa chọn chế độ chụp ảnh mà độ rộng dải chụp có thể thay đổi nhờ góc tới của chùm tia và độ rộng chùm sóng theo mặt chiếu Đối với kiểu ảnh IM (Image Mode), ASAR cho phép chụp ảnh với một trong 7

độ rộng dải chụp (swath) theo phân cực giống nhau thẳng đứng VV hay nằm ngang

HH Độ rộng dải chụp khoảng 56 km (swath 7) đến 100 km (swath 1) Độ phân giải không gian xấp xỉ 30 m cho sản phẩm ảnh IM

Hỡnh 2 7 : Ảnh ASAR chế độ chuẩn (Image Mode VV hoặc HH

Chế

quét và tổng hợp theo góc tới của chùm tia

nSAR, sử dụng 5 chùm tia của

Đầu thu ASAR hoạt động theo nguyên tắc Sca

ăng ten có độ phủ trong dải xác định để tạo nên trường nhìn rộng

ở kiểu trường nhìn rộng (WM), độ rộng dải chụp là 400 x 4

không gian được xác định là 150 x 150 km Phân cực HH hoặc VV

Hỡnh 2.8: Ảnh ASAR chế độ chụp ảnh rộng (Wide Swath); VV hay HH

Ch

u nhận 2 ảnh đồng thời, bất kỳ trong 7 dải lựa chọn Các cặp phân cực có thể là HH/VV, HH/HV hoặc VV/HH Độ

ế độ phân cực luân phiên (Alternative Mode)

Chế độ phân cực luân phiên (AM) trong một lần th

rộng dải chụp (swath) từ 56 km (swath 7) tới 100 km (swath 1), độ phân giải không gian là 30 m cho sản phẩm ảnh chuẩn

Hỡnh 2.9: Chế độ phõn cực luõn phiờn của ASAR

Các sản phẩm ảnh ENVISAT/ASAR thường được xử lý ở các mức cơ bản sau:

Mức 0 (dữ liệu thô)

Là dữ liệu từ kiểu hình ảnh được chia theo frame (cảnh chuẩn) bao gồm dữ liệu

u nhận và dữ liệu đầu vào cần thiết cho xử lý ảnh

ảnh đơ

nguồn của thiết bị th

n look dạng phức (Single look Complex Image - SLC)

Để đánh giá chất lượng hình ảnh của SAR, hiệu chỉnh hoặc giao thoa radar hoặc

ẩm mức cao Các thông

số hiệu

cho các nghiên cứu ứng dụng về gió/sóng, để xử lý các sản ph

chỉnh tuyệt đối cũng được cung cấp

ảnh chuẩn (Precision Image - PRI)

Là ảnh nhiều looks (thường là 3), đã được chiếu lên mặt phẳng, đã xử lý hiệu

cho hầu hết các ứng dụng Elipso

chỉnh các sai số hệ thống, thích hợp

ide Geocoded Image (EGI)

Tương tự như ảnh chuẩn PRI, được nắn chỉnh về lưới chiếu bản đồ Người sử

bản đồ, ví dụ như lưới chiếu UTM hoặc lưới chiếu Polar S

dụng có thể lựa chọn lưới chiếu

tereographic

ảnh độ phân giải trung bình (MRI)

Là ảnh chuyên dùng cho nghiên cứu băng, các ứng dụng hải dương học

nh trường nhìn rộng chỉ có ở mức thô và mức PRI

3 ảnh

2005 của cơ quan thám hiểm không gian Nhật Bản

Riêng đối với các sản phẩm ả

vệ tinh ALOS-PALSAR

The Advanced Land Observing Satellite (ALOS) là vệ tinh quan sát trái đất lớn nhất được phóng lên quỹ đạo năm