Đặc tính phản xạ phổ của thực vật
Thực vật khỏe mạnh chứa nhiều diệp lục tố (Chlorophil), phản xạ rất mạnh ánh sáng có bước sóng từ 0,45 – 0,67µm (tương ứng với dải sóng màu lục – Green) vì vậy ta nhìn thấy chúng có màu xanh lục. Khi diệp lục tố giảm đi, thực vật chuyển sang có khả năng phản xạ ánh sáng màu đỏ trội hơn. Kết
quả là lá cây có màu vàng (do tổ hợp màu green và red) hoặc màu đỏ hẳn (rừng ở khí hậu lạnh, hiện tượng này khá phổ biến khi mùa đông đến), ở vùng hồng ngoại phản xạ (từ 0,7 – 1,3µm) thực vật có khả năng phản xạ rất mạnh, khi sang vùng hồng ngoại nhiệt và vi sóng (microwave) một số điểm cực trị ở vùng sóng dài làm tăng khả năng hấp thụ ánh sáng của hơi nước trong lá, khả năng phản xạ của chúng giảm đi rõ rệt và ngược lại, khả năng hấp thụ ánh sáng lại tăng lên. Đặc biệt, đối với rừng có nhiều tầng lá, khả năng đó càng tăng lên.
Đặc tính phản xạ phổ của nước
Nước khơng chỉ phản xạ mạnh ở vùng sóng của tia xanh lơ (Blue) và yếu dần khi sang vùng tia xanh lục (Green), triệt tiêu ở cuối dải sóng đỏ (Red). Khi nước bị đục, khả năng phản xạ tăng lên do ảnh hưởng sự tán xạ của các vật chất lơ lửng. Sự thay đổi về tính chất của nước (độ đục, độ sâu, hàm lượng Chlorophil...) đều ảnh hưởng đến tiính chất phổ của chúng. Nghĩa là khi tính chất nước thay đổi, hình dạng đường cong và giá trị phổ phản xạ sẽ bị thay đổi.
Ngồi ra nó cịn phụ thuộc vào bề mặt và trạng thái của nước. Trên kênh hồng ngoại và cận hồng ngoại đường bờ nước được phát hiện rất dễ dàng.
Đặc tính phản xạ phổ của đất khơ
Đường cong phản xạ phổ của đất khơ tương đối đơn giản, ít có những cực đại và cực tiểu một cách rõ ràng, lý do chính là các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất phổ của đất khá phức tạp và không rõ ràng như ở thực vật.
Các yếu tố ảnh hưởng đến đường cong phổ phản xạ của đất là: lượng ẩm, cấu trúc của đất (tỉ lệ cát, bột và sét), độ nhám bề mặt, sự có mặt của các loại oxyt kim loại, hàm lượng vật chất hữu cơ,...các yếu tố đó làm cho đường cong phổ phản xạ biến động rất nhiều quanh đường cong có giá trị trung bình. Tuy nhiên quy luật chung là giá trị phổ phản xạ của đất tăng dần về phía sóng
có bước sóng dài. Các cực trị hấp thụ phổ do hơi nước cũng diễn ra ở vùng 1,4 ; 1,9 và 2,7µm.
Bên cạnh các đặc trưng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên cơ bản, Root và Mille nghiên cứu và đưa ra các đặc trưng phản xạ phổ của một số đối tượng chính trong đơ thị như bê tơng, ván lợp, nhựa đường và đất trống (hình 1.3). Các đặc trưng này là thơng tin quan trọng giúp q trình giải đốn các đối tượng đơ thị.
Hình 1.3 Đặc tính phản xạ phổ các đối tượng trong đơ thị
Tóm lại, phổ phản xạ là thông tin quan trọng nhất mà viễn thám thu được về các đối tượng. Dựa vào đặc điểm phổ phản xạ (cường độ, dạng đường cong ở các dải sóng khác nhau) có thể phân tích, so sánh và nhận diện các đối tượng trên bề mặt. Thông tin về phổ là thông tin đầu tiên, là tiền đề cho các phương pháp phân tích ảnh trong viễn thám, đặc biệt là xử lý số.
1.6.1.4. Khả năng khai thác thông tin từ ảnh viễn thám trong nghiên cứu biến động sử dụng đất
Trong những năm gần đây, kỹ thuật viễn thám ngày càng phát triển và phạm vi ứng dụng của nó ngày càng rộng lớn. Ngày nay, tư liệu viễn thám hồn tồn có khả năng là tư liệu độc lập để thành lập bản đồ vì những thơng tin mà chúng ta khai thác được từ tư liệu viễn thám là những thơng tin có giá
trị đối với nội dung bản đồ. Trong đó, thành lập bản đồ lớp phủ mặt đất là một trong những ứng dụng tiêu biểu và quan trọng của tư liệu viễn thám. Với bản chất việc thu nhận ảnh là đo giá trị phần trăm phản xạ của năng lượng sóng điện từ từ các đối tượng trên mặt đất, viễn thám có ưu thế cơ bản trong theo dõi lớp phủ mặt đất, như lớp phủ rừng, đất ở dân cư đô thị, đất ở dân cư nông thôn, đất trống, đất nông nghiệp, đất mặt nước,.... Do vậy, viễn thám ngày càng có vai trị to lớn và ngày càng có mặt nhiều hơn trong nghiên cứu liên quan tới tài nguyên thiên nhiên.
Nhu cầu về thông tin lớp phủ mặt đất đang ngày càng tăng trong các bài toán nghiên cứu, quản lý biến đổi không gian đất đô thị, trong các bài tốn mơ hình dự báo thay đổi khơng gian đất đơ thị,… trong thành lập các bản đồ hiện trạng và biến động lớp phủ mặt đất (hiện trạng lớp phủ mặt đất - hiện trạng các thông tin miêu tả trạng thái lớp phủ mặt đất của thửa đất; hiện trạng sử dụng đất - các thơng tin về mục đích sử dụng của thửa đất), trong quy hoạch, hoạch định chính sách, lập kế hoạch sử dụng tài nguyên và mơi trường,….có khả năng đem lại các thơng tin cần thiết ở những vùng mà khó có thể sử dụng phương pháp mặt đất. Ngoài khả năng cung cấp thơng tin, phương pháp viễn thám cịn đem lại ưu thế về giá thành của việc thành lập bản đồ.
Với đòi hỏi ngày càng cao của các nhu cầu nghiên cứu khoa học, nhất là địi hỏi phải có thơng tin chi tiết và tương đối thường xuyên về các vùng khó tiếp cận của các nhà quản lý, nghiên cứu tài nguyên mặt đất, viễn thám đã dần phát triển và trở thành một công cụ không thể thiếu. Tuy nhiên, nhiều thơng tin chi tiết cần có sự nghiên cứu trực tiếp ngồi thực địa. Do vậy, việc kết hợp giữa thông tin từ ảnh viễn thám với thông tin từ thực địa sẽ đem lại hiệu quả và độ tin cậy cao hơn.
Nghiên cứu khả năng khai thác thông tin chuyên đề từ tư liệu viễn thám thực chất là nghiên cứu khả năng giải đốn các thơng tin là nội dung chuyên đề của bản đồ từ tư liệu viễn thám.
Từ tư liệu viễn thám có thể giải đốn được các yếu tố nội dung sau: - Hệ thống thuỷ văn. - Địa hình. - Lớp phủ thực vật. - Thổ nhưỡng. - Dân cư. - Hệ thống giao thông.
Như vậy, với khả năng khai thác được những thông tin trên từ tư liệu viễn thám cho phép xây dựng được bản đồ hiện trạng lớp phủ mặt đất từ các tư liệu này.
Khi sử dụng ảnh viễn thám trong nghiên cứu thành lập bản đồ lớp phủ mặt đất cũng gặp một số khó khăn như: Bóng địa hình ảnh hưởng lên đặc tính phản xạ phổ. Để loại bỏ ảnh hưởng này cần phải có các mơ hình chính xác về sự chiếu sáng của mặt trời lên địa hình trong quá trình thu ảnh; Ảnh hưởng của mây và sương mù đối với việc thu nhận ảnh viễn thám quang học, chúng làm cản trở phản xạ của các đối tượng bề mặt mặt đất tới vệ tinh, làm sai lệch hoặc không thu nhận được phản xạ phổ của đối tượng. Để loại bỏ hạn chế này, cần kết hợp ảnh đa thời gian (các ảnh chụp có thời gian rất gần nhau) hoặc dùng kỹ thuật mặt nạ để che các vùng mây.
1.6.1.5. Một số tư liệu viễn thám đang được sử dụng phục vụ nghiên cứu biến động lớp phủ mặt đất tại Việt Nam
Tư liệu viễn thám vệ tinh trên thế giới rất đa dạng và phong phú, và được sử dụng vào nhiều mục đích khác nhau. Khi nói tới tư liệu viễn thám, người ta quan tâm đến một trong những đặc tính quan trọng của chúng là độ phân giải. Trong nhiều trường hợp để ứng dụng cho mục đích nghiên cứu cụ
thể, độ phân giải là tiêu chuẩn để lựa chọn tư liệu viễn thám. Có 3 loại độ phân giải: độ phân giải khơng gian (cịn gọi là độ phân giải mặt đất), độ phân giải phổ và độ phân giải thời gian.
Căn cứ vào độ phân giải không gian có thể chia tư liệu viễn thám thành 3 nhóm chính:
- Độ phân giải cao và siêu cao. - Độ phân giải trung bình. - Độ phân giải thấp.
Đại diện cho nhóm ảnh viễn thám có độ phân giải cao và siêu cao là nhóm ảnh vệ tinh QUICKBIRD, IKONOS có độ phân giải từ vài chục cen-ti- met đến vài mét. Do giá thành cao, ở Việt Nam các loại ảnh nhóm này ít phổ biến. Thường được sử dụng để thành lập bản đồ tỉ lệ lớn.
Các ảnh vệ tinh LANDSAT, SPOT, ASTER có độ phân giải từ 15 mét đến 30 mét là đại diện cho nhóm tư liệu có độ phân giải trung bình.
Đại diện cho nhóm có độ phân giải thấp là các ảnh vệ tinh MODIS, NOAA có độ phân giải khơng gian từ 250 đến 1000 m. Những ưu điểm nổi bật của tư liệu ảnh nhóm này là tính bao trùm lãnh thổ lớn, chu kỳ thu nhận ảnh ngắn (2 ngày) và thông tin được ghi ở nhiều dải phổ khác nhau.
Hiện nay ở Việt Nam đang sử dụng nhiều loại tư liệu ảnh viễn thám khác nhau cho các mục đích nghiên cứu và quản lý tài nguyên thiên nhiên, thành lập các loại bản đồ phục vụ công tác quản lý kinh tế - xã hội.
1.6.1.6. Chiết xuất thông tin trên ảnh viễn thám
Thông tin trên ảnh được chiết xuất theo nhiều phương pháp khác nhau, có thể chia làm hai nhóm chính: Giải đốn bằng mắt thường và xử lý số.
a. Giải đoán bằng mắt thƣờng là phương pháp khoanh định các vật
thể cũng như xác định trạng thái của chúng nhờ phân biệt các đặc tính yếu tố ảnh (Độ sáng, kiến trúc, kiểu mẫu, hình dạng, kích thước, bóng, vị trí, màu) và các yếu tố địa kỹ thuật. Cơ sở để giải đoán bằng mắt là các chuẩn giải đốn
và khóa giải đốn. Phương pháp này có thể khai thác các tri thức chuyên gia và kinh nghiệm của người giải đốn, đồng thời phân tích được các thơng tin phân bố khơng gian một cách dễ dàng. Kết quả giải đoán phụ thuộc rất nhiều vào khả năng của người phân tích. Tất nhiên, hạn chế của giải đốn bằng mắt là khơng nhận biết được hết các đặc tính phổ của đối tượng, nguyên nhân là do khả năng phân biệt sự khác biệt về phổ của mắt người hạn chế (12-14 mức). Tuy nhiên, với các đất đơ thị và khu dân cư thì việc giải đốn bằng mắt thường là khơng khả thi do kích thước các đối tượng này nhỏ hơn kích thước của pixel rất nhiều và mắt con người hồn tồn khơng có khả năng phân biệt.
Như vậy trong giải đoán bằng mắt phải nắm bắt và phân biệt được các dấu hiệu giải đốn, cơng việc đó địi hỏi người giải đốn phải có kiến thức chun mơn vững để có thể kết hợp tốt các kiến thức trong q trình giải đốn ảnh và chỉ có vậy mới có thể đưa ra kết quả chính xác. Với mục tiêu chiết xuất thông tin và nghiên cứu biến động sử dụng đất luận văn sử dụng phương pháp giải đoán bằng mắt.
b. Phƣơng pháp xử lý ảnh số là phương pháp phân tích tư liệu viễn
thám dạng hình ảnh số. Ưu thế của phương pháp xử lý số là có thể phân tích được tín hiệu phổ rất chi tiết (256 mức hoặc hơn). Với sự trợ giúp của máy tính và các phần mềm chuyên dụng, có thể tách chiết rất nhiều thơng tin phổ của đối tượng, từ đó có thể nhận biết các đối tượng một cách tự động. Tất nhiên q trình xử lý số cần có sự kết hợp nhuần nhuyễn với kiến thức chuyên mơn của người phân tích, hoặc người lập trình các chương trình tính tốn có ưu điểm nổi bật là thời gian xử lý ngắn, việc phân loại đối tượng được tiến hành nhanh chóng trên phạm vi rộng mà không cần nhiều công đi thực địa, cơng việc thực hiện hồn tồn dựa vào cấp độ xám của pixel nên kết quả thu được khách quan không phụ thuộc chủ quan của người giải đoán. Nhược điểm cơ bản của phương pháp xử lý số là khó kết hợp tri thức và kinh nghiệm của
con người. Đồng thời do xử lý số chỉ thuần túy dựa vào đặc trưng phản xạ phổ của các đối tượng nên cịn có sự nhầm lẫn cho việc phân tích thơng tin của một số đối tượng. Để khắc phục được nhược điểm này, trong những năm gần đây người ta đang nghiên cứu và ngày càng hồn thiện các chương trình ứng dụng xử lý ảnh số có khả năng mơ phỏng tri thức chuyên môn của con người phục vụ cho việc phân loại tự động (Phạm Văn Cự, 2005)
Trong luận văn, các ảnh viễn thám độ phân giải cao (SPOT 3 và SPOT 5) được áp dụng để đánh giá biến động sử dụng đất khu vực nghiên cứu.
1.6.1.7. Các phương pháp đánh giá biến động đối tượng mặt đất trên cơ sở sử dụng dữ liệu viễn thám đa thời gian
Việc nghiên cứu đánh giá biến động đối tượng mặt đất trên cơ sở sử dụng dữ liệu viễn thám đa thời gian, yêu cầu đối với dữ liệu viễn thám gồm có:
- Tư liệu ảnh được chụp cùng bộ cảm hoặc tương tự.
- Tư liệu ảnh phải có cùng độ phân giải khơng gian, cùng tầm nhìn (độ cao bay chụp, các băng phổ, độ phân giải phổ), cùng mùa.
- Tư liệu ảnh đa thời gian.
Trên đây là điều kiện lý tưởng khi nghiên cứu biến động đối tượng mặt đất trên cơ sở sử dụng dữ liệu viễn thám. Nhưng nếu các tư liệu ảnh thu thập không thoả mãn những điều kiện trên thì phải tiến hành thêm các bước xử lý khác nhau như hiệu chỉnh phổ, hiệu chỉnh khí quyển và nắn chỉnh hình học. Độ tin cậy của quá trình nghiên cứu biến động đối tượng mặt đất cũng bị ảnh hưởng nhiều bởi các nhân tố mơi trường có thể thay đổi giữa các thời điểm chụp ảnh. Cùng với hiệu ứng của khí quyển, những nhân tố như mực nước hồ, sóng triều, gió, hay độ ẩm của đất cũng rất quan trọng. Thậm trí với các ảnh chụp cùng thời điểm nhưng khác năm thì những ảnh hưởng như sự thay đổi của lịch gieo trồng, mùa vụ cũng phải được tính đến.
* Phương pháp 1: Phân tích sau phân loại
Đây là phương pháp đơn giản, dễ thực hiện. Tiến hành phân loại độc lập hai ảnh chụp ở hai thời kỳ khác nhau. Thường sử dụng ma trận chéo để tính tốn tương quan biến động giữa các đối tượng, lập được các báo cáo số liệu thống kê và bản đồ biến động. Độ chính xác của phương pháp này phụ thuộc chặt chẽ vào độ chính xác của từng phép phân loại độc lập, các sai số xuất hiện ở mỗi lần phân loại ảnh sẽ bị lẫn trong q trình điều tra biến động.
Việc phân loại có thể sử dụng phương pháp phân loại không kiểm định, ta chia mức độ xám của ảnh ra các cấp khác nhau rồi phân loại ảnh theo các mức xám đó. Với phân loại có kiểm định, ta phải định nghĩa rõ ràng các lớp phân loại và lựa chọn có tính đến đặc thù của tư liệu ảnh, sau đó chọn đặc tính phổ hoặc cấu trúc cho phép phân biệt các lớp cần được tập hợp, chọn vùng mẫu và chọn lựa phương pháp phân loại.
Sơ đồ 1.1. Phương pháp phân tích sau phân loại
Luận văn áp dụng phương pháp này trong đánh giá biến động đất đô thị
* Phương pháp 2: Phân loại trực tiếp từ ảnh đa thời gian
Phương pháp này thực chất là phương pháp ghép hai ảnh vào nhau thành ảnh đa thời gian trước khi phân loại. Hai ảnh có N kênh được chồng phủ lên tạo ra một ảnh có 2N kênh. Với phương pháp này chỉ phải phân loại một lần cho ảnh đa thời gian và có thể phân loại có kiểm định hoặc khơng kiểm định. Độ chính xác của phương pháp này phụ thuộc vào sự khác biệt phổ giữa các lớp có thay đổi và khơng thay đổi (nếu lấy mẫu thì phải lấy tất cả các mẫu không biến động cũng như các mẫu biến động).
Ảnh 1 Ảnh 2 Phân loại Phân loại