2.2.6. Phân loại rừng theo trữ lượng
2.4. Các công cụ để giải quyết bài toán
2.4.1. Ảnh Spot 5
So với SPOT-4 thì SPOT-5 cung cấp rất nhiều khả năng nâng cao, cung cấp các giải pháp hình ảnh bổ sung chi phí-hiệu quả. Nhờ những cải tiến SPOT-5 đã có ảnh độ phân giải 5 mét và độ phân giải 2,5 mét và lát cắt hình ảnh rộng, bao gồm 60 x 60 km hay 60 km x 120 km, các vệ tinh SPOT-5 cung cấp một sự cân bằng lý tưởng giữa các độ phân giải cao và rộng vùng phủ sóng. Phạm vi quan sát được cung cấp bởi SPOT-5 là một tài sản quan trọng cho các ứng dụng như bản đồ quy mô vừa (từ 1:25000 đến 1:10000), quy hoạch đô thị và nông thôn, và thăm dò dầu khí, quản lý và thiên tai
Đặc điểm vệ tinh cảm biến SPOT-5
Ngày khởi động: tháng 03 năm 2002
Địa điểm triển khai: Trung tâm vũ trụ Guiana, Kourou, Guyana Pháp
Độ cao quỹ đạo: 822 km
Độ nghiêng quỹ đạo: 98,7 °, so với hướng chiếu của mặt trời
Tốc độ: 7,4 km / giây (26.640 km / giờ)
Quỹ đạo thời gian: 101,4 phút
Thời gian xem lại: 2-3 ngày, tùy thuộc vào vĩ độ
Lắt cắt chiều rộng: 60 km x 60 km đến 80 km
Thước đo chính xác: <50m ngang vị trí chính xác (CE90%)
Độ phân giải: 2,5 m từ 2 x 5m Hình Bands Pan: 480-710 nm Green: 500-590 nm Màu đỏ: 610-680 nm Gần IR: 780-890 nm Sóng ngắn IR: 1,580-1,750 nm
2.4.2. Phần mềm giải đoán ảnh ENVI 4.5
Phần mềm ENVI – Environment for Visualizing Images là một phần mềm xử
lý ảnh viễn thám mạnh, với các đặc điểm chính như sau:
–Hiển thị, phân tích ảnh với nhiều kiểu dữ liệu và kích cỡ ảnh khác nhau.
–Môi trường giao diện thân thiện.
–Cho phép làm việc với từng kênh phổ riêng lẻ hoặc toàn bộ ảnh. Khi một file
ảnh được mở, mỗi kênh phổ của ảnh đó có thể được thao tác với tất cả các chức năng hiện có của hệ thống. Với nhiều file ảnh được mở, ta có thể dễ dàng lựa chọn các kênh từ các file ảnh để xử lý cùng nhau
–ENVI có các công cụ chiết tách phổ, sử dụng thư viện phổ, và các chức năng chuyên cho phân tích ảnh phân giải phổ cao (high spectral resolution images).
–Phần mềm ENVI được viết trên ngôn ngữ IDL – Interactive Data Language.
Đây là ngôn ngữ lập trình cấu trúc, cung cấp khả năng tích hợp giữa xử lý ảnh và khả năng hiển thị với giao diện đồ hoạ dễ sử dụng
* Một số chức năng chính của phần mềm
–Phân loại không chọn mẫu- Unsupervised Classification
–Phân loại có chọn mẫu – Supervised Classification
–Kỹ thuật phân ngưỡng – Segmentation Image
–Tạo lát cắt giá trị - Density Slice
–Tính chỉ số thực vật NDVI
2.4.3. Phần mềm ArcGIS 9.2
Arcgis Desktop là một sản phẩm của Viện Nghiên cứu hệ thống môi trường (ESRI). Có thể nói đây là một phần mềm về GIS hoàn thiện nhất. ArcGIS cho phép người sử dụng thực hiện những chức năng của Gis ở bất cứ nơi nào họ muốn: trên màn hình, máy chủ, trên web, trên các field … Phần mềm Arcgis Desktop bao gồm 3 ứng dụng chính sau:
–ArcMap để xây dựng, hiển thị, xử lý và phân tích các bản đồ.
+ Tạo các bản đồ từ các rất nhiều các loại dữ liệu khác nhau
+ Truy vấn dữ liệu không gian để tìm kiếm và hiểu mối liên hệ giữa các đối
tượng không gian
+ Tạo các biểu đồ
–ArcCatalog: dùng để lưu trữ, quản lý hoặc tạo mới các dữ liệu địa lý
+ Tạo mới một cơ sở dữ liệu
+ Explore và tìm kiếm dữ liệu
+ Xác định hệ thống toạ độ cho cơ sở dữ liệu
–ArcToolbox: cung cấp các công cụ để xử lý, xuất – nhập các dữ liệu từ các định
dạng khác như MapInfo, MicroStation, AutoCad…(Trần Quốc Bình, 2004)[2].
2.4.4. Ngôn ngữ lập trình Javascript
JavaScript là ngôn ngữ kịch bản dùng để tạo các client-side scripts và server-side scripts. JavaScript làm cho việc tạo các trang Web động và tương tác dễ dàng hơn. Đây là một ngôn ngữ kịch bản được hãng Sun Microsystems và Netscape phát triển.
JavaScript là một ngôn ngữ lập trình dựa trên nguyên mẫu với cú pháp phát triển từ C. Giống như C, JavaScript có khái niệm từ khóa, do đó, JavaScript gần như không thể được mở rộng.
JavaScript có thể tăng cường tính động và tính tương tác của các trang web: Cung cấp sự tương tác người dùng, thay đổi nội dung động, xác nhận tính hợplệ của dữ liệu
Trên trình duyệt, rất nhiều trang web sử dụng JavaScript để thiết kế trang web động và một số hiệu ứng hình ảnh thông qua DOM. JavaScript được dùng để thực hiện một số tác vụ không thể thực hiện được với chỉ HTML như kiểm tra thông tin nhập vào, tự động thay đổi hình ảnh,…
Bên ngoài trình duyệt, JavaScript có thể được sử dụng trong tập tin PDF của Adobe Acrobat và Adobe Reader. Công nghệ kịch bản linh động (active scripting) của Microsoft có hỗ trợ ngôn ngữ JScript làm một ngôn ngữ kịch bản dùng cho hệ điều hành. JScript .NET là một ngôn ngữ tương thích với CLI gần giống JScript nhưng có thêm nhiều tính năng lập trình hướng đối tượng.
JavaScript được thiết kế độc lập với hệ điều hành. Nó có thể chạy trên bất kỳ hệ điều hành nào có trình duyệt hỗ trợ JavaScript. Dễ dàng tương tác, điều khiển và tránh bớt việc xử lý từ phía server
CHƢƠNG 3: ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GIS VÀ VIỄN THÁM ĐỂ THÀNH LẬP BẢN ĐỒ TRẠNG THÁI RỪNG 3.1. Phƣơng pháp xây dựng bản đồ trạng thái rừng
Việc xây dựng bản đồ trạng thái rừng tuân theo sơ đồ sau:
Hình 3.1.Quy trình nghiên cứu
3.1.1. Phƣơng pháp nội nghiệp
Phương pháp nghiên cứu được triển khai theo quy trình được minh hoạ theo hình 3.1. Ảnh viễn thám sau khi được thu thập sẽ được xử lý sơ bộ (pre-processing and enhancement) như định vị ảnh, tăng cường ảnh, giới hạn vùng xử lý…
Đồng thời, một bảng phân lớp về trạng thái cũng được xây dựng trên cơ sở các thông tin hiện có về hiện trạng vùng nghiên cứu. Dựa vào đặc điểm thể hiện của ảnh, các điểm mẫu phục vụ cho giải đoán, phân lớp ảnh được xác định. Sau đó, các điểm mẫu này sẽ được xác định loại che phủ thông qua điều tra dã ngoại.
Căn cứ các vùng mẫu đã được xác định, quá trình giải đoán, phân lớp sau đó được tiến hành trên toàn vùng nghiên cứu sử dụng phương pháp phân lớp khoảng cách nhỏ nhất tới số trung bình (minimum distance to mean).
Phân loại theo phương pháp minimum distance sử dụng vector trung bình của mỗi ROI và tính khoảng cách Euclidean từ mỗi pixel chưa xác định đến vector trung bình của mỗi lớp. Tất cả các pixel đều được phân loại tới lớp ROI gần nhất trừ khi người sử dụng định rõ độ chênh lệch chuẩn hoặc ngưỡng khoảng cách chuẩn. Trong trường hợp đó một số pixel có thể không được phân loại nếu chúng không thỏa mãn tiêu chí đã chọn
Về mặt lí thuyết thì với việc sử dụng phương pháp này, mọi pixel đều được phân loại nhưng người phân tích cũng có thể đưa ra một ngưỡng giới hạn nhất định về khoảng cách để các pixel có thể được phân loại hoặc không được phân loại.
Độ chính xác của quá trình này được đánh giá thông qua độ chính xác của mẫu và độ chính xác của toàn bộ quá trình phân lớp ảnh sử dụng công cụ đánh giá của phần mềm (confusion matrix) từ đó lập bảng ma trận đánh giá độ chính xác.
Bên cạnh đó, độ chính xác được xác định thông qua việc đối chiếu 100 điểm khác nhau giữa ảnh và thực địa. Việc phân lớp ảnh được lặp lại nhiều lần cho tới khi đạt được độ chính xác theo yêu cầu.
3.1.2. Phƣơng pháp ngoại nghiệp
Để phục vụ cho quá trình nắn ảnh, một số điểm địa vật quan trọng phải được xác định tọa độ trước nhờ thiết bị GPS. Ngoài ra, các loại trạng thái chính cũng được xác định để làm cơ sở cho việc lấy mẫu giải đoán trên ảnh.
Sau khi phân loại ảnh xong, việc dã ngoại được tiếp tục để đánh giá độ chính xác thông qua so sánh kết quả phân lớp ảnh và thực địa.
3.1.3. Thiết bị, công nghệ và tƣ liệu sử dụng trong nghiên cứu
- Hệ thống các Modul xử lý ảnh số (ảnh vệ tinh).
- Phần mềm ENVI 4.5. Đây là phần mềm phục vụ cho phân tích, xử lý ảnh viễn thám, được tích hợp các chức năng phân tích ảnh mới nhất nhằm tạo ra nguồn thông tin chính xác, chi tiết nhất tới người sử dụng. ENVI là phần mềm dễ sử dụng, khả năng tương thích cao với các định dạng ảnh và GIS, được phát triển bởi ITT cooperation - Mỹ
- Phần mềm ArcGis 9.2 có chức năng biên tập và thống kê bản đồ.
- Mapinfo 10.0. chức năng Universal Translator của phần mềm này sẽ giúp chuyển đổi định dạng dữ liệu từ bản đồ có sẵn sang các định dạng khác phù hợp để sử dụng các lớp cần thiết từ bản đồ lâm nghiệp cũ.
- Tư liệu ảnh viễn thám Spot-5 khu vực huyện Ba Bể - tỉnh Bắc Kạn ở dạng số với độ phân giải 2.5 m.
- Các số liệu thuộc tính thu thập từ thực tế. - Thiết bị đo đạc, khảo sát thực địa như GPS.
- Các văn bản liên quan của nhà nước và của địa phương.
- Các quy phạm và quy định chỉ tiêu kỹ thuật về phân lớp thông tin cho cơ sở dữ liệu bản đồ do Bộ tài nguyên môi trường ban hành và chỉ tiêu phân cấp độ rừng theo trạng thái rừng do Bộ nông nghiệp & phát triển nông thôn ban hành.
3.2. Thử nghiệm và kết quả 3.2.1. Xử lí ảnh viễn thám 3.2.1. Xử lí ảnh viễn thám
3.2.1.1. Thu thập ảnh viễn thám
Ảnh viễn thám SPOT – 5 với độ phân giải cao 2.5 m, được chụp đầu năm 2009 và được cung ứng bởi công ty viễn thám Spatial Decisions
Hình 3.2: Sơ đồ vị trí ảnh Spot
–Phiên hiệu của ảnh: F-48-44-A, mảnh này bao trọn vườn Quốc gia Ba Bể và vùng đệm của vườn.
–Kích thước của ảnh: Dung lượng lưu trữ 371 MB và độ phân giải 2.5 m
–Thời gian chụp: Tháng 4/2009 trong điều kiện thời tiết tốt ánh sáng phù hợp
Hình 3.3: Một số thông tin của ảnh
3.2.1.2. Kết quả đăng ký ảnh và nắn chỉnh không gian
Dữ liệu ảnh viễn thám thu được thường chứa đựng những sai số về hình học nhất định do những nguyên nhân trong quá trình thu ảnh như tốc độ bay chụp, độ cao, góc nhìn của thiết bị, tốc độ gương quay… Những lỗi này có thể được khác phục bằng
cách sử dụng một hệ thống các điểm khống chế mặt đất (Ground Control Points) để
nắn ảnh. Đây là những điểm trên bề mặt trái đất đã biết toạ độ và để dễ dàng nhận ra trên ảnh vệ tinh độ phân giải cao
Các bước nắn ảnh theo bản đồ:
— Mở ảnh cần nắn
— Lựa chọn phương pháp nắn ảnh theo bản đồ: chọn Map\Registration\Select GSPs:
Image to Map để chọn các điểm khống chế mặt đất.
- Các band ảnh - Phép chiếu
- Độ phân giải của ảnh
- Hệ quy chiếu (xác định mặt elipxoid) - Toạ độ của ảnh
` Hình 3.4: Lựa chọn phương pháp nắn ảnh theo bản đồ
Hình 3.5: Chọn các tham số địa lý và hình học phù hợp
Trong luận văn này ta chọn các tham số là:
— Datum – Hệ quy chiếu WGS 84.
— Units – Đơn vị: Meter.
— Zone – Múi chiếu: 48 N (North – Bắc bán cầu).
— Pixel size – Kích thước pixel: 2.5
Cơ sở cho việc nắn chỉnh không gian cho ảnh là lớp thuỷ văn kế thừa từ bản đồ
hiện trạng thời kỳ trước
Chọn từng cặp điểm khống chế tương ứng trên ảnh và trên file bản đồ vectơ, nhập
tọa độ của điểm khống chế quan sát được ở góc phía dưới bên trái của cửa sổ vectơ, nhấn Add trên hộp thoại Ground Control Points để chấp nhận.
Để thuận lợi cho nhập tọa độ điểm khống chế, sau khi chọn được cặp điểm tương
ứng trên ảnh và file vectơ, ta nhấn chuột phải trên cửa sổ vectơ và chọn Export
Map Location, tọa độ của điểm đó sẽ tự động được cập nhật vào ô tọa độ của
điểm khống chế trong hộp thoại Ground Control Points Selection.
Hình 3.6: Chọn điểm khống chế trên ảnh.
Bảng 3.1. Thống kê các điểm khống chế ảnh STT Toạ độ X STT Toạ độ X (mét) Toạ độ Y (mét) Mô tả điểm khống chế 1 563405.50 2482432.00 Mép hồ 2 563607.00 2481945.50 Mép hồ 3 562532.50 2482050.00 Mép hồ 4 562607.50 2481747.50 Mép hồ 5 562860.00 2479142.50 Mép hồ 6 561532.50 2477857.50 Mép hồ 7 564867.50 2476632.50 Mép hồ 8 570357.50 2471695.00 Mép Sông 9 568980.00 2472772.50 Mép sông 10 559647.50 2468745.00 Mép sông 11 556002.50 2484277.50 Mép hồ 12 557422.50 2482192.50 Mép hồ 13 566180.00 2484482.50 Mép sông 14 565817.50 2485085.00 Mép sông 15 574325.00 2483282.50 Mép sông
Chú ý nên chọn sao cho các điểm khống chế phân bố đều trên toàn ảnh, sai số -
RMS ở cuối hộp thoại Ground Control Points Selection cố gắng đạt mức nhỏ hơn 1
pixel và chọn tối thiểu 4 điểm cho phương pháp nắn đơn giản nhất. Sau khi chọn đủ số
điểm, ta chọn Options\Warp File trong hộp thoại Ground Control Points Selection,
Hình 3.7: Nhập toạ độ các điểm khống chế cho ảnh
Kết quả cuối cùng của bước này là đưa ảnh về đúng với toạ độ đúng với toạ độ thực của nó, với 15 điểm khống chế trải đều trên toàn ảnh, độ lệch chuẩn đều nhỏ hơn 1 pixel.
Hình 3.8: Kết quả ảnh sau nắn chỉnh không gian Ảnh Spot 5 Ảnh Spot 5 độ phân giải 2.5 m Lớp sông hồ của bản đồ HT cũ Điểm khống chế
Hình 3.9: Ảnh vệ tinh sau hiệu chỉnh
3.2.1.3. Kết quả việc tăng cường khả năng hiển thị của ảnh
Phần mềm ENVI 4.5 cho phép ta dẽ dàng tăng cường khả năng hiển thị của ảnh,
bằng các công cụ tiện ích: Enhance – tăng cường và Filter – lọc ảnh cho ta kết quả
z
Ảnh trước xử lý Ảnh sau xử lý
Hình 3.10: So sánh độ tương phản của ảnh trước và sau xử lý
Tính chỉ số thực vật của ảnh
Kiểm tra chất chỉ số thực vật của ảnh chính là việc thống kê một cách nhanh nhất mức độ che phủ bề mặt của lớp thực phủ mặt đất mà ảnh đã ghi lại được tại một thời điểm nhất định.
Nguyên lý của việc thống kê này là: chuyển dữ liệu đa phổ thành một ảnh đơn kênh thể hiện sự phân bố của thực vật. Ảnh chỉ số thực vật có giải giá trị nằm từ -1 đến +1 (ảnh
đen trắng), với giá trị pixel độ xám tập trung càng cao thể hiện thực vật càng dầy và
Hình 3.11: Hình ảnh hiển thị chỉ số thực vật trên một band ảnh
Trong biểu đồ chỉ số thực vật ở trên thể hiện cho thấy các giá trị xếp sít nhau và nằm tập trung phía trái biểu đồ, điều đó thể hiện ảnh có chất lượng tốt, chỉ số thực vật cao.
Từ kết quả phân tích trên ta có bảng phân tích mô tả giá trị thực phủ của ảnh đối với từng trạng thái như sau:
Bảng 3.2: Bảng mô tả giá trị chỉ số thực phủ của ảnh STT Trạng thái Chỉ số thực phủ STT Trạng thái Chỉ số thực phủ 1 Rừng rất già - 0.95 ÷ - 0.77 2 Rừng già - 0.76 ÷ - 0.67 3 Rừng trung bình - 0.67 ÷ - 0.53 4 Rừng nghèo - 0.54 ÷ - 0.49 5 Rừng chưa có trữ lượng - 0.49 ÷ - 0.37
6 Đất trống có cây gỗ tái sinh - 0.12 ÷ - 0.21
7 Đất trống không có cây gỗ tái sinh - 0.09 ÷ - 0.15