Bộ giáo dục Đào tạo Trường đại học mỏ - địa chất PHM H THI KHO ST KH NNG ỨNG DỤNG ẢNH VỆ TINH ĐỘ PHÂN GIẢI SIÊU CAO ĐỂ HIỆN CHỈNH BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH TỶ LỆ 1/5000 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2009 -1- Bộ giáo dục Đào tạo Trường đại học mỏ - địa chất PHM H THI KHO ST KH NĂNG ỨNG DỤNG ẢNH VỆ TINH ĐỘ PHÂN GIẢI SIÊU CAO ĐỂ HIỆN CHỈNH BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH TỶ LỆ 1/5000 Chuyên ngành : Kỹ thuật trắc địa Mã số : 60.52.85 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS Nguyễn Xuân Lâm HÀ NỘI - 2009 -2- LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả Phạm Hà Thái -3- Mục lục Trang phụ bìa Lời cam đoan Mục lục Danh mục hình vẽ Danh mục bảng Mở ®Çu .1 Ch¬ng 1- Tỉng quan vỊ công nghệ viễn thám ứng dụng chúng công tác chỉnh đồ địa hình 1.1 Những khái niệm viễn thám 1.1.1 Khái niệm hệ thống ghi nhận thông tin viễn thám4 1.1.2 Bức xạ điện từ ..7 1.1.3 Đặc tính phản xạ phổ đối tượng tự nhiên10 1.1.4 Một số đặc tính kỹ thuật ảnh viễn thám 15 1.2 Giới thiệu ảnh vệ tinh phân giải cao phân giải siêu cao 20 1.3 Tình hình sử dụng ảnh viễn thám để thành lập chỉnh đồ nước ta .26 1.3.1 Quy tr×nh hiƯn chØnh đồ địa hình hành ảnh viễn thám 26 1.3.2 Mét sè kÕt qu¶ sư dơng ¶nh viƠn thám để thành lập chỉnh đồ nước ta đánh giá 30 Chương 2- Khả chỉnh đồ địa hình ảnh vệ tinh phân giải siêu cao 32 2.1 Công tác chỉnh đồ địa hình 32 2.1.1 Lý chỉnh đồ địa hình 32 2.1.2 Những quy định chung chỉnh đồ địa hình 33 2.1.3 Yêu cầu nội dung đồ địa hình .39 2.2 Khảo sát độ xác hình học nắn ảnh vệ tinh độ phân giải siêu cao 45 -4- 2.2.1Độ phân giải ảnh độ xác nắn ảnh phân giải siêu cao 45 2.2.2Phương pháp nắn ảnh vệ tinh độ phân giải siêu cao QUICK BIRD 53 2.2.3 Một số yếu tố ảnh hưởng tới độ xác nắn ảnh 54 2.3 Khả thông tin ảnh vệ tinh phân giải siêu cao cho công tác chỉnh đồ địa .55 2.4 Xử lý phân loại ¶nh vÖ tinh .57 Chương 3- Nghiên cứu quy trình công nghệ chỉnh đồ địa hình tỷ lệ 1:5000 ảnh vệ tinh độ phân giải siêu cao 3.1 Đề xuất quy trình công nghệ chỉnh đồ địa hình tỷ lệ 1:5000 ảnh vệ tinh độ phân giải siêu cao 65 3.1.1 Sơ đồ quy trình công nghệ 65 3.1.2 Mô tả bước quy trình công nghệ 66 3.2 Thực nghiêm chỉnh đồ tỷ lệ 1/5000 ảnh vệ tinh độ phân giải siªu cao 3.2.1 Khái quát đặc điểm khu ®o 66 3.2.2 Hiện trạng thông tin tư liệu 66 3.2.3 Thiết bị, phần mềm tiÕn hµnh thùc nghiƯm 70 3.3 Một số kết đạt được: 70 3.4 Nhận xét, đánh giá kết thực nghiệm 83 kết luận kiến nghị .85 danh mục công trình nghiªn cøu cã liªn quan 87 TÀI liƯu tham kh¶o 88 PHô LôC 90 -5- Danh Môc hình Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống thu nhận thông tin viễn thám Hình 1.2 Đường đặc trưng phổ vật đen tuyệt đối 11 Hình 1.3 Đặc tính phản xạ phổ số đối tượng tự nhiên 13 Hình 1.4 Đặc tính phản xạ phổ thực vật 14 Hình 1.5 Khả phản xạ phổ đất phụ thuộc vào độ ẩm 15 Hình 1.6 Khả phản xạ hấp thụ nước 16 Hình 1.7 Các đường cong phổ đặc trưng 17 Hình 1.8 Các đường cong phổ tương ứng 17 Hình 1.9 Không gian phổ đặc trưng 18 Hình 1.10 Đặc trưng chiết suất thông tin liên hợp 20 Hình 1.11 Vệ tinh SPOT5 21 Hình 1.12.Vệ tinh Quickbird ảnh vệ tinh Quickbird 23 H×nh 1.13.VƯ tinh IKONOS 26 H×nh 1.14 ¶nh vƯ tinh IKONOS khu Thµnh cỉ Hµ néi 26 Hình 1.15 Sơ đồ công nghệ chỉnh đồ ảnh vệ tinh theo 29 phương pháp truyền thống Hình 1.16 Sơ đồ công nghệ chỉnh đồ ảnh vệ tinh theo 30 phương pháp số Hình 2.1 Sơ đồ công nghệ chỉnh đồ địa hình 38 Hình 2.2 Sai số vị trí ®iĨm khèng chÕ mỈt ®Êt sư dơng 12 ®iĨm 55 Hình 2.3 Sơ đồ bước thực phân loại hướng đối tượng 63 Hình 3.1 : Sơ đồ quy trình công nghệ chỉnh đồ tỷ lƯ lín b»ng 67 ¶nh vƯ tinh -6- Danh Mơc bảng Bảng 1.1 Bảng phân loại sóng điện từ kênh phổ sử dụng viễn thám Bảng 1.2 Danh mục sản phẩm ảnh vệ tinh SPOT5 22 Bảng 1.3 Các đặc tính vệ tinh Quickbird 25 Bảng 1.4 Các đặc tính vệ tinh IKONOS 27 -7- Mở đầu Tính cấp thit ca đề ti Trong nhng nm gn ây, k thut vin thám đ· ứng dụng rộng r·i nhiều lĩnh vực Ph¸t triển từ thành tựu khoa học kỹ thuật c«ng nghệ vũ trụ, c«ng nghệ in t, tin hcvin thám l môn khoa hc liên ngnh, cung cp thông tin nhanh nht, khách quan v trung thc nht phc v ngnh khác nh nông nghiệp, l©m nghiệp, địa chất, khÝ tượng, thủy văn, , bo v môi trng, an ninh quc phòng Trong khoảng năm trở lại đ©y, với xuất c¸c vệ tinh chụp ảnh thương mại SPOT, IKONOS, Orb-View , QuickBird , WoldView … cã thể thu nhận cung cấp c¸c sản phẩm ảnh cã độ phân gii mt t di 1m (nh ton sc) thut ng nh v tinh phân gii siêu cao đ· đời C¸c nhà đo ảnh viƠn th¸m nc tiên tiến th gii à tập trung nghiên cu v ng dng nh v tinh phân gii siêu cao cho mc ích khác c bit l công tác thnh lp v hin chnh bn a hình nc ta, công ngh chỉnh đồ ảnh vệ tinh đ· ứng dng, khai thác ti Trung tâm Viễn thám- B Ti nguyên Môi trng, Cc Bn B Tng Tham mu, Vin a lý, Trung tâm Khoa hc T nhiên v Công ngh Quc gia Ti quan ny ch yu khai thác thông tin t nh v tinh phc v cho công tác hin chỉnh a hình theo công ngh s v nghiên cu thnh lp loại đồ chuyªn đề Tuy nhiªn, hiƯn việc nghiªn cứu khả ứng dụng ảnh vệ tinh phân gii siêu cao hin chnh bn a hình t l ln cha c nh khoa hc quan tâm đến nhiu Do vy vic Kho sát kh nng ng dng nh v tinh độ phân giải siêu cao để hin chnh đồ địa hình tỷ lệ 1/5000” cấp thiÕt vµ cã ý nghĩa thực tiễn cao -8- Mục đÝch nghiªn cøu đề tài - Khảo s¸t khả sử dụng nh v tinh phân gii siêu cao chỉnh đồ địa h×nh tỷ lệ 1/5000 - Đề xut quy trình công ngh hin chnh bn a h×nh tỷ lệ 1/5000 với tư liệu ảnh vệ tinh phân gii siêu cao Đối tượng phm vi nghiên cu ca ti - Nghiên cu së khoa häc cđa viƯc øng dơng tư liệu viễn thám phân gii siêu cao cho mục đích hin chnh bn a hình tỷ lệ lớn - Nghiên cu đề xuất quy trình hin chnh bn a hình t l 1/5000 bng t liu vin thám phân gii siêu cao Ni dung ca nghiên cứu đề tài - Nhng khái nim c bn v vin thám - Nghiên cứu khả thông tin ảnh v tinh phân giải siêu cao - Nghiên cứu sở khoa học việc ứng dụng ảnh phân giải siêu cao cho mục đích chỉnh đồ a hình tỷ lệ lớn - Nghiên cu ứng dụng mt s phn mềm chuyên dng phc v công t¸c chỉnh đồ ảnh vệ tinh - Nghiên cu đề xuất quy trình hin chnh bn 1/5000 bng nh v tinh phân gii siêu cao - Tin hnh thc nghim theo quy trình đề xuất đánh giá kết Phương pháp nghiên cứu Để giải quyÕt mục đÝch đề tài, tiến hành thu thp ti liu, thông tin nghiên cu c sở lý thuyết, đặc tÝnh th«ng tin ảnh vệ tinh phân gii siêu cao Từ đưa c¬ së khoa häc cđa viƯc øng dơng t liƯu ảnh viễn thám độ phân giải siêu cao cho mục đích hin chnh đồ a hình tỷ lệ lớn Nghiên cứu số phần mềm xử lý ảnh phân giải siêu cao, sở đề xuất quy tr×nh chỉnh đồ địa h×nh 1/5000 ảnh v tinh phân -9- gii siêu cao Tin hnh thực nghiệm chỉnh đồ địa h×nh tỷ lệ 1/5000 bng nh v tinh phân gii siêu cao Từ đưa kiến nghị tiếp tục nghiªn cứu ứng dụng chóng phạm vi rộng hơn, khai thác triệt hn thông tin ca nh ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Khng định sở khoa học ca vic ng dng nh v tinh phân gii siêu cao hin chỉnh đồ địa h×nh tỷ lệ 1/5000 Kết cu ca luận văn Ngoi phn m u, kt lun, danh mục tài liệu tham khảo, danh mục hình, danh mục bảng, luận văn gồm có chương, trình bày 92 trang, với 33 hình, 10 bảng Phần Mở đầu Chương 1- Tổng quan công nghệ viễn thám ứng dụng chúng công tác chỉnh đồ địa hình Chương 2- Khả sử dụng ảnh vệ tinh độ phân giải siêu cao để chỉnh đồ địa hình Chương 3- Nghiên cứu quy trình công nghệ chỉnh đồ địa hình tỷ lệ 1:5.000 ảnh vệ tinh độ phân giải siêu cao Phần kết luận kiến nghị Tài liệu tham khảo Có kết xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Nguyễn Xuân Lâm tư tưởng khoa học bảo tận tình, đồng thời tạo điều kiện thuận lợi việc thực nghiệm bố trí thời gian trình tiến hành viết luận văn - 86 - Hình Kt qu phân loi s dng lp - Kt qu phân loi da 10 lp phân loi Hình Kt qu phân loi s dng 10 lp - 87 - 3.5 Tính toán thng kê sau ph©n loại: - Kết diện tÝch - ánh giá xác kt qu phân loi (Phụ lơc 1) Trong hệ số Kappa tính theo công thức: r κ= r N ∑ xii − ∑ ( xi + x+i ) i =1 i =1 r N − ∑ ( xi + x+i ) i =1 Với: N - tổng số pixel mẫu kiểm chứng r - số hàng ma trận sai số xii - phần tử đường chéo xi+ - tổng phần tử hàng i x+i - tổng phần tử cột i (3.4) - 88 - - Ma trận sai lẫn kết ph©n loi + Độ xác tổng thể : 95,6% + Hệ số Kappa : 0,91 Sau có kết phân loại theo hướng đối tượng phần mềm eCognition ta tiến hành vectơ hoá kết phân loại MicroStation Mapinfo biên tập lại ta thu đồ cần chỉnh 89 3.3 Một số kết đạt được: Độ xác đồ chỉnh phụ thuộc chủ yếu vào kết phân loại hướng đối tượng phần mềm Ecognition Bảng kết đánh giá độ xác kết phân loại thể ma trận sai lẫn ë phơ lơc víi h»ng sè K= 0,91 lµ đạt yêu cầu kỹ thuật Sai số tồn tại ®iĨm khèng chÕ ®Ịu n»m h¹n sai cho phÐp có xu hướng có độ xác tương đối cao Trong khối tam giác ảnh hàng không ghép nối nhiều ảnh hàng không riêng biệt khối ảnh vệ tinh thực nghiệm mô hình mang tính đồng cao Mặt khác, điểm khống chế ảnh đo GPS chọn vào địa vật rõ nét ảnh vệ tinh phân giải cao Điều hạn chế nghiên cứu luận văn chưa đo nhiều điểm kiểm tra để kiểm chứng toàn diện kết ảnh siêu cao QUICK BIRD, IKONOS có khả suy giải thông tin địa vật cao Tuy nhiên, đối chiếu với nội dung thể đồ địa hình nhiều yếu tố chưa thể giải đoán nội nghiệp Do vậy, để khai thác thông tin từ ảnh vệ tinh phân giải cao siêu cao cho mục đích chỉnh đồ cần áp dụng số giải pháp kỹ thuật sau: - Xây dựng mẫu khoá ảnh số đối tượng mặt đất; Việc xây dưng mẫu khó ảnh giúp cho việc giải đoán đối tượng dễ dàng hơn, giảm khối lượng cần điều vẽ ngoại nghiệp - Nâng cao chất lượng xử lý ảnh, giải đoán ảnh vệ tinh với trợ giúp máy tính Do ảnh vệ tinh phân giải cao thể nhiều yếu tố địa vật Các yếu tố chủ yếu thích hợp giải đoán mắt Đối với ảnh siêu cao IKONOS, QUICK BIRD muốn giải đoán có hỗ trợ máy tính cần sử dụng phần mềm phân loại theo hướng đối tượng (Phần mềm eConigition) không áp dụng phân loại có giám định Để nâng cao xuất xử lý ảnh vệ tinh phân giải cao siêu cao áp dụng biện pháp 90 để nâng cao chất lượng hình ảnh phục vụ việc giải đoán dễ dàng hơn, xử lý hỗ trợ máy tính đối tượng 91 Kết luận kiến nghị Hiện chỉnh đồ địa hình ảnh vệ tinh mục tiêu đà Trung tâm Viễn thám theo đuổi từ lâu Tổng cục Địa trước Bộ Tài nguyên Môi trường quan tâm, tập trung đầu tư Kết thực đề tài bước thử nghiệm quan trọng trình đưa công nghệ đo vẽ địa hình b»ng t liƯu ¶nh vƯ tinh lËp thĨ nãi chung tư liệu SPOT 5, QUICKBIRD, IKONOS độ phân giải cao siêu cao vào thực tế Việt nam Qua trình nghiên cứu rút số nhận xét sau: Khng định sở khoa học việc ứng dụng ảnh vệ tinh độ ph©n giải siêu cao hin chnh bn a hình t l 1/5000 ảnh vệ tinh phân giải cao đáp ứng yêu cầu độ xác hình học khả thông tin để chỉnh đồ tỷ lệ đến :5000 Đà đạt mục tiêu đề đăng ký đề cương luận văn đề xuất thử nghiệm quy trình chỉnh đồ địa hình 1/5000 tư liệu ảnh vệ tinh độ phân giải siêu cao Quy trình công nghệ đà đề xuất áp dụng thực tế phương pháp để chỉnh đồ 1:5 000 Kết thực nghiệm cho thấy ảnh vệ tinh độ phân giải siêu cao có khả nắn chỉnh hình học đạt yêu cầu độ xác hình học đồ địa hình tỷ lệ 1:5000 ; khả thông tin, ảnh vệ tinh độ phân giải siêu cao đáp ứng yêu cầu giải đóan nhiều đối tượng đồ địa hình Để nâng cao tính tự động hóa công tác giải đoán ảnh vệ tinh phân giải siêu cao cần sử dụng quy trình công nghệ có sử dụng phương pháp phân loại ảnh hướng đối tượng thay cho phương pháp phân loại có giám định, phải lấy mẫu thực địa tốn vất vả Kết phương pháp phân loại ảnh hướng đối tượng phần mềm Ecognition cho thấy độ xác phân loại đối tượng đạt yêu cầu 92 So với phương pháp phân loại có giám định đạt hiệu kinh tế cao thực địa lấy mẫu Kiến nghị Cần nghiên cứu để hoàn thiện công nghệ, làm rõ kiểm chứng kết đà để đánh giá độ xác toàn diện Để khai thác thông tin từ ảnh vệ tinh phân giải cao siêu cao QUICK BIRD, IKONOS cho mục đích chỉnh đồ địa hình tỷ lệ lớn nên kiến nghị áp dụng số giải pháp kỹ thuật sau: - Xây dựng mẫu khoá ảnh số đối tượng mặt đất giúp cho việc giải đoán đối tượng dễ dàng - Nâng cao chất lượng xử lý ảnh, giải đoán ảnh vệ tinh với trợ giúp phần mềm phân loại theo hướng đối tượng (phần mềm eConigition) không áp dụng phân loại có giám định 93 DANH MC CễNG TRèNH NGHIấN CU Cể LIấN QUAN Phạm Hà Thái (2009), Khả ứng dụng công nghệ tích hợp tư liệu viễn thám độ phân giải cao hệ thông tin địa lý để chỉnh đồ địa h×nh”,, Tạp chí Tài Ngun Mơi Trường, (74) 12, tr Phạm Việt Hoà, Phạm Việt Hồng, Phạm Hà Thái, Nguyễn Chu Đồng, Hoàng Văn Đạo (2009), Sử dụng ¶nh vƯ tinh ®a thêi gian theo dâi biÕn ®éng rừng ngập mặn phục vụ bảo vệ môi trường, Tp chí Tài Ngun Mơi Trường, (76) 14, tr Lê Văn Tình, Phạm Xuân Hưng, Phạm Hà Thái, Trần Quốc Khánh (2009), ứng dụng tư liệu viễn thám độ phân giải cao để chỉnh đồ trạng sư dơng ®Êt”, Tạp chí Tài Ngun Mơi Trường, (77) 15, tr 94 Tài liệu tham khảo 1.TS Nguyễn Trường Xuân, TS Phạm Vọng Thành (2003), Giáo trình công nghệ viễn thám, Hà nội 2.TS Nguyễn Xuân Lâm (2001), Đề tài nghiên cứu cấp Bộ: Nghiên cứu qui trình đo vẽ địa hình để hoàn thiện vùng trống, vẽ nháp đồ phủ trùm tư liệu viễn thám 3.TS Nguyễn Xuân Lâm, Nguyễn Thanh Bình (2004), Nắn ảnh vệ tinh SPOT trường hợp không đủ điểm khống chế ảnh tối thiểu, Tạp chí Khoa học kỹ thuật Mỏ- Địa chất, số 8, 10/2004, tr 68 - 71 4.TS Nguyễn Xuân Lâm (2006), Trạm thu ảnh Viễn thám Việt nam, Đặc san Viễn thám địa tin học, số 1- 2006, tr 11- 19 5.TS Nguyễn Xuân Lâm (2006), Đề tài nghiên cứu cấp Bộ: Nghiên cứu số giải pháp kỹ thuật xử lý ảnh viễn thám độ phân giải cao cho mục đích thành lập đồ chuyên đề tỷ lệ :10 000 lớn 6.TS Lê Minh, TS Nguyễn Xuân Lâm, ThS Chu Hải Tùng, CN Lê Minh Sơn (2006), ứng dụng công nghệ Viễn thám để giám sát tài nguyên thiên nhiên môi trường Việt nam, Đặc san Viễn thám địa tin học, số 12006, tr - 10 7.Tổng cục Địa (2002), Quy trình chỉnh đồ địa hình ảnh vệ tinh, Hà nội 8.Trung tâm Viễn thám, Bộ Tài nguyên Môi trường (2003), ứng dụng công nghệ viễn thám lĩnh vực : Địa chính, đo đạc đồ tài nguyên môi trường 9.Phm Vn Cự (2005), Cơ sở khoa học phương pháp viễn thám với kỹ thuật xử lý số, Tài liệu giảng dạy, Trung tâm viễn thám Geomatric VTGEO 95 10 Kychko Aerophotographya Hedra Matxcova 1974 11 IKONOS satellite imagery, Copyright 2006 12 Quick bird Imagery Products, Product Guide 96 PHụ LụC Phụ lục 1: Bình đồ ảnh khu vực Mễ Trì- Từ Liêm- Hà Nội Phụ lục 2: Kết phân loại lớp phủ bề mặt đất khu vực Mễ Trì- Từ Liêm- Hà Nội Phụ lục 3: Bảng ma trận sai lẫn kết phân loại 97 Phụ lục 1: Bình đồ ảnh khu vực Mễ Trì- Từ Liêm- Hà Nội 98 Phụ lục 2: Kết phân loại lớp phủ bề mặt đất khu vực Mễ Trì- Từ Liêm- Hà Nội Phụ lục 3: Bảng kết ma trân sai lẫn sau phân loại Confusion Matrix Ho Hoa Kenh Co va cay Dat - User Class \ Sample Giaothong Lua ao mau muong Khu TT bui rai rac Cay xanh Dan cu dat dang XD Sum Giaothong 131 0 0 0 151 Lua 213 0 0 218 Ho, ao 0 220 0 0 0 220 Hoa mau 0 211 0 0 216 Kenh, muong 0 187 0 0 191 Khu TT 0 0 147 0 154 Co va cay bui rai rac 0 0 119 0 129 Cay xanh 0 0 0 260 0 260 Dan cu 0 0 0 0 132 141 Dat - dat dang XD 0 0 0 11 214 238 Sum 142 213 224 218 187 159 126 266 152 231 Overall Accuracy = 95.6 % Kappa = 0,91 ... chung chỉnh đồ địa hình 33 2 .1. 3 Yêu cầu nội dung đồ địa hình .39 2.2 Khảo sát độ xác hình học nắn ảnh vệ tinh độ phân giải siêu cao 45 -4- 2.2 .1? ?ộ phân giải ảnh độ xác nắn ảnh phân giải siêu cao. .. lập chỉnh đồ nước ta đánh giá 30 Chương 2- Khả chỉnh đồ địa hình ảnh vệ tinh phân giải siêu cao 32 2 .1 Công tác chỉnh đồ địa hình 32 2 .1. 1 Lý chỉnh đồ địa hình 32 2 .1. 2... đồ địa hình tỷ lệ 1: 5000 ảnh vệ tinh độ phân giải siêu cao 65 3 .1. 1 Sơ đồ quy trình công nghệ 65 3 .1. 2 Mô tả bước quy trình công nghệ 66 3.2 Thực nghiêm chỉnh đồ tỷ lệ 1/ 5000 ảnh vệ tinh