"Mỗi đối tƣợng tự nhiín hay nhđn tạo phản xạ vă phât ra bức xạ điện từ theo một dải sóng điện từ theo tính chất của riíng nó, theo thănh phần hóa học vă đặc tính vật lý của riíng nó" (Avery vă Berlin 1992) [15]. Câc tín hiệu phổ đƣợc định nghĩa nhƣ đặc tính phản xạ vă phât xạ duy nhất của đối tƣợng đối với câc điều kiện khâc nhau.
Hình 2.1. Câc thơng tin có thể thu nhận từ nguồn bức xạ mặt trời
(Nguồn: Theo Ravi Gupta, 1991)
Qua một văi thập kỷ gần đđy, phổ phản xạ của một số lƣợng lớn câc khoâng vật đê đƣợc đo đạc, lăm tăi liệu vă đê đƣợc cơng bố trong lĩnh vực nghiín cứu viễn thâm. Phổ phản xạ của những khoâng vật khâc nhau đê đƣợc nghiín cứu vă xđy dựng lín những đƣờng cong phản xạ phổ trong cơ sở dữ liệu phổ. Tham khảo cơ sở dữ liệu phổ, câc nhă giải đoân bằng mắt thƣờng vă phđn tích ảnh số có thể xâc định những khu vực phổ mă có đặc điểm tâch biệt nhau nhất trín mặt đất của câc dải phổ thích hợp đƣợc lựa chọn vă quan tđm cho viễn thâm trong việc thu thập dữ liệu tại chỗ.
Trong quang phổ ânh sâng phản xạ, câc đặc tính cơ bản lă phản xạ quang phổ: tỷ lệ năng lƣợng phản xạ với năng lƣợng tới nhƣ một chức năng của độ dăi bƣớc sóng. Phản xạ thay đổi theo bƣớc sóng cho hầu hết câc vật liệu vì năng lƣợng ở một số bƣớc sóng bị tân xạ hay hấp thụ ở câc mức độ khâc nhau. Những biến đổi phản xạ đƣợc thể hiện rõ khi so sânh câc đƣờng cong phản xạ quang phổ (biểu đồ phản xạ so với bƣớc sóng) cho câc vật liệu khâc nhau, nhƣ trong hình minh họa dƣới đđy. Sự võng xuống rõ rệt của câc đƣờng cong quang phổ đânh dấu phạm vi bƣớc sóng mă vật liệu chọn lọc hấp thụ năng lƣợng tới. Câc tính năng năy thƣờng đƣợc gọi lă dải hấp thụ. Hình dạng tổng thể của một đƣờng cong quang phổ, vị trí vă độ dăi của dải hấp thụ trong nhiều trƣờng hợp có thể đƣợc sử dụng để xâc định vă phđn biệt vật liệu khâc nhau. Ví dụ, thực vật có phản xạ cao trong vùng hồng ngoại gần vă thấp hơn phản xạ ânh sâng đỏ của đất.
Đƣờng cong phản xạ quang phổ đại diện cho một số vật liệu bề mặt Trâi đất thơng thƣờng trong ânh sâng nhìn thấy để phản ânh phạm vi quang phổ hồng ngoại. Câc dải phổ đƣợc sử dụng trong nhiều bộ cảm biến viễn thâm của vệ tinh đa phổ đƣợc hiển thị ở trín để so sânh. Hệ số phản xạ lă một số lƣợng đơn vị dao động trong khoảng giâ trị 0-1,0 hoặc nó có thể đƣợc thể hiện theo tỷ lệ phần trăm, nhƣ trong biểu đồ trín.
Hình 2.2. Đường cong phổ phản xạ của một số đối tượng
(Nguồn: Shefali Aggarwal [41])
Trong vật liệu vơ cơ nhƣ câc loại khơng vật, thănh phần hóa học vă cấu trúc tinh thể quy định hình dạng của đƣờng cong quang phổ, sự hiển thị vă vị trí của dải hấp thụ cụ thể. Hấp thu bƣớc sóng đặc trƣng có thể đƣợc gđy ra bởi sự có mặt của câc ngun tố hóa học, câc ion, câc điện tích ion của một số ngun tố, hình dạng của liín kết hóa học giữa câc thănh phần, đƣợc điều chỉnh một phần lă do cấu trúc tinh thể. Hình minh họa dƣới đđy cho thấy quang phổ của một số khoâng chất phổ biến, cung cấp ví dụ về câc hiệu ứng của chúng. Trong quang phổ của hematit ( một khoâng chất sắt oxit ), câc hấp thụ mạnh trong khoảng ânh sâng nhìn thấy lă do sắt III ( Fe+3 ). Trong canxit, thănh phần chính của đâ vơi, câc ion cacbonat ( CO3-2 ) lă tâc nhđn cho hăng loạt câc dải hấp thụ khoảng từ 1,8 đến 2,4 micromet ( µm).
Hình 2.3. Đường cong phổ của một số khơng vật
Kaolinite vă montmorillonite lă câc khoâng vật sĩt phổ biến trong đất. Câc dải hấp thụ mạnh gần 1,4 µm trong cả hai loại quang phổ, cùng với câc dải yếu 1,9 µm trong kaolinit, lă do câc ion hydroxit (OH-1 ), trong khi câc dải 1,9 µm mạnh trong montmorillonite đƣợc gđy ra bởi câc phđn tử nƣớc liín kết trong đất sĩt ngậm nƣớc.
Trong tình huống ngƣợc lại với câc ví dụ năy, orthocla fenspat, một khơng vật chiếm ƣu thế trong đâ granit, hầu nhƣ khơng có tính năng hấp thụ đâng kể trong hiển thị cho phạm vi quang phổ hồng ngoại trung bình. Từ câc tính chất quang phổ của câc khơng vật, có thể đânh giâ sự có mặt vă mức độ phản xạ của không vật trong mỗi khu vực thạch học. Mỗi loại đất đâ đều chứa một số loại không vật điển hình, vì vậy dựa văo đặc thù phổ của không vật xuất hiện trong đâ, có thể xâc định khâ rõ về khu vực phđn bố câc loại thạch học trong khu vực cần nghiín cứu. Hình 2.4 bín dƣới lă đặc trƣng phổ của một số loại thạch học trín dải sóng VNIR đến SWIR của ảnh ASTER (Theo Yamaguchi vă nnk, 1993; Drury vă Hunt, 1989) [56, tr.18].
Hình 2.4. Đặc trưng phổ của một số loại thạch học trín dải sóng VNIR đến SWIR của ảnh ASTER (Theo Yamaguchi, 1993; Drury vă Hunt, 1989).
Theo Yamaguchi vă nnk (1993) Theo Drury vă Hunt (1989)
(Nguồn: Lithologic Mapping using ASTER Image [55, tr.18])
2.2. Cách tiếp cận
2.2.1. Cơng cụ, đối tƣợng nghiín cứu
- Thiết bị: mây tính.
Global Mapper 19;
- Ảnh vệ tinh quang học: Landsat 8, ASTER
- Đối tƣợng: Câc thông số kỹ thuật trín ảnh vệ tinh để nhận dạng câc đối tƣợng thạch học, nhóm đâ.
2.2.2. Quy trình nghiín cứu
Hình 2.5. Câc bước xử lý ảnh số để thănh lập Sơ đồ địa chất cấu trúc ảnh.
Để thực hiện mục tiíu sử dụng ảnh vệ tinh quang học để nhận dạng câc đối tƣợng thạch học, luận văn dựa văo 3 bƣớc xử lý ảnh: Tiền xử lý ảnh, xử lý ảnh vă bƣớc cuối cùng lă thănh lập sơ đồ nhóm đâ để đƣa ra kết quả trong vùng nghiín cứu. Nội dung vă mục đích câc bƣớc nghiín cứu nhƣ sau:
- Bƣớc tiền xử lý: Bƣớc năy đƣợc thực hiện qua câc công đoạn từ dữ liệu ảnh vệ tinh gốc, xử dụng câc phần mềm chuyín dụng để nđng cao chất lƣợng ảnh, hiệu chỉnh những sai số của ảnh. Kết quả của bƣớc năy lă ảnh vệ tinh đa phổ đê đƣợc xử lý để phục vụ cho bƣớc tiếp theo lă xử lý ảnh.
- Bƣớc xử lý ảnh: Bƣớc năy đƣợc thực hiện qua câc phƣơng phâp xử lý ảnh số vă đânh giâ, nhận định đối tƣợng trín ảnh đê đƣợc xử lý. Từ ảnh vệ tinh đê đƣợc chuẩn hóa qua bƣớc tiền xử lý, sử dụng câc cơng cụ phần mềm chun dụng để lăm
Ảnh vệ tinh quang học Tiền xử lý Xử lý ảnh Nđng cao chất lƣợng ảnh Hiệu chỉnh bức xạ, phản xạ Hiệu chỉnh khí quyển Xử lý ảnh đa phổ Chuyển đổi hệ tọa độ
Ảnh tổ hợp mău giả Ảnh thănh phần chính Ảnh tỉ số Xử lý ảnh số Ảnh tổ hợp mău tự nhiín
Bản đồ địa chất Sơ đồ phđn loại nhóm đâ Kiểm tra đối sânh số liệu thực địa
Sơ đồ địa chất cấu trúc ảnh
Thănh l ập sơ đồ nhó m đá Tính chỉ số thực vật (NDVI) Phđn loại kiến trúc, hoa văn ảnh
nổi bật câc đối tƣợng trín cơ sở đặc trƣng phổ trín mỗi pixel ảnh trong vùng nghiín cứu. Câc thơng số trín ảnh vệ tinh quang học sẽ đƣợc sử dụng, kiểm tra trong quâ trình thănh lập câc sản phẩm trong bƣớc năy để đƣa ra kết quả tối ƣu nhất. Sản phẩm trong bƣớc năy đƣợc thănh lập riíng, mỗi sản phẩm có thể lăm nổi bật một hoặc một số đối tƣợng thạch học khâc nhau trín ảnh vệ tinh. Tuy nhiín, kết quả của bƣớc năy lă đƣa ra đƣợc sơ đồ phđn loại câc nhóm đâ trín cơ sở tổng hợp kết quả của câc sản phẩm đƣợc đânh giâ, so sânh vă khoanh vùng.
- Bƣớc thănh lập sơ đồ nhóm đâ: Dựa trín sơ đồ phđn loại câc nhóm đâ, tiến hănh so sânh, đối chiếu với câc tăi liệu thu thập nhƣ bản đồ địa chất câc tỷ lệ để xâc định lại kết quả khoanh vẽ trín ảnh. Cơng tâc thực địa của bƣớc năy đƣợc thực hiện để kiểm tra, xâc minh lại câc đối tƣợng thạch học, đứt gêy, câc khu vực còn chƣa rõ răng khi nhận biết trín ảnh vệ tinh. Kết quả của bƣớc năy lă sơ đồ địa chất cấu trúc ảnh đƣợc thănh lập từ ảnh vệ tinh quang học vă đƣa ra câc nhận định về thông số cơ bản trín ảnh vệ tinh quang học để nhận dạng câc nhóm đâ.
2.3. Phƣơng pháp nghiín cứu
2.3.1. Phƣơng pháp thu thập, xử lý vă tổng hợp tăi liệu
Phƣơng phâp năy tiến hănh thu thập câc tăi liệu liín quan về địa chất, địa hình, đặc điểm tự nhiín, ảnh vệ tinh trong khu vực nghiín cứu.
Tiến hănh thu thập, tổng hợp câc tăi liệu phục vụ công tâc nhận dạng câc nhóm đâ, đứt gêy trín ảnh vệ tinh quang học. Câc tăi liệu chính cần thu thập vă tổng hợp gồm:
- Câc tăi liệu địa chất, kiến tạo, địa mạo có trong khu vực nghiín cứu ở câc tỷ lệ khâc nhau (1: 200.000 vă 1: 50.000);
- Tăi liệu viễn thâm, chủ yếu lă câc ảnh vệ tinh đa phổ (Landsat, ASTER, SPOT, Sentinel);
- Câc tăi liệu nghiín cứu địa chất tại thực địa trong khu vực nghiín cứu.
2.3.2. Tiền xử lý ảnh
2.3.2.1. Nđng cao độ phđn giải ảnh
Ảnh sau khi hiệu chỉnh thƣờng bị “trung bình” hóa, có nghĩa lă mọi đối tƣợng ảnh đƣợc thể hiện ở mức ngang bằng nhau, khơng có sự ƣu tiín. Nđng cao chất lƣợng ảnh thực chất lă sử dụng câc phƣơng phâp biến đổi toân học lăm tăng khả năng quan sât câc đối tƣợng cần nghiín cứu. Câc phƣơng phâp thƣờng đƣợc âp dụng lă: biến đổi cấp xâm độ, biến đổi ảnh, hiệu chỉnh độ nĩt, tăng độ phản xạ...
Đối với ảnh Landsat 8 gồm 11 band ảnh trong đó: 8 band có độ phđn giải khơng gian lă 30 m, 1 band có độ phđn giải lă 15 m (kính toăn sắc - band 8) vă 2
band có độ phđn giải không gian lă 100 m. Sau khi ảnh đƣợc tải về, tiến hănh chuẩn hóa vă tổ hợp mầu cho 7 band (band 1 – band 7), ảnh tổ hợp có độ phđn giải khơng gian lă 30 m.
Tiến hănh trộn ảnh đê tổ hợp với kính ảnh Panchromatic (Band 8) để nđng cao độ phđn giải không gian của ảnh tổ hợp. Công tâc năy đƣợc tâc giả tiến hănh thông qua phần mềm xử lý ảnh ENVI 5.3. Sau khi trộn, độ phđn giải không gian của ảnh tổ hợp mầu lă 15 m, lúc năy độ sắc nĩt của câc đối tƣợng trín ảnh sẽ nổi rõ hơn, giúp cho cơng tâc giải đôn, nhận định đối tƣợng bằng mắt đƣợc chi tiết hơn.
2.3.2.2. Hiệu chỉnh bức xạ, phản xạ
Bản chất của quâ trình thu nhận ảnh (viễn thâm thụ động) lă việc ghi lại bức xạ phản xạ từ bề mặt Trâi đất dƣới ânh sâng của Mặt trời. Dữ liệu thu nhận đƣợc thƣờng có một phần nhiễu xạ do câc hiện tƣợng vật lý khâc tâc động. Qua câc thí nghiệm cho thấy: việc thu nhận bức xạ phản xạ có khoảng câch xa thƣờng ảnh hƣởng bởi góc nghiíng vă độ cao Mặt trời; câc điều kiện quang học của khí quyển vă kỹ thuật thu nhận của từng loại sensor.
Thông thƣờng hầu hết câc xử lý sai số của phổ đều đƣợc tiến hănh trực tiếp tại câc trung tđm thu nhận ảnh vệ tinh. Tuy nhiín trong sử dụng, ta vẫn phải kiểm tra vă hiệu chỉnh cho câc dải phổ ảnh cho đúng với yíu cầu của câc bƣớc xử lý tiếp theo.
Câc chƣơng trình chun xử lý ảnh (ENVI, PCI, Ermapper...) thƣờng đƣợc căi đặt sẵn câc modul chƣơng trình để lọc câc nhiễu - chủ yếu do thiết bị chụp gđy ra.
Ngoăi ra, do yếu điểm của loại dữ liệu viễn thâm thụ động mă hiệu ứng che phủ do mđy, sƣơng mù có thể lăm hỏng phần dữ liệu thu nhận đƣợc.
Cũng nhƣ câc loại tín hiệu khâc, ảnh vệ tinh bao gồm những thơng tin có ích (tín hiệu), thơng tin khơng có ích (nhiễu). Q trình hiệu chỉnh câc sai số do câc yếu tố khâc nhau đƣợc xử lý theo quy tắc câc bộ lọc số. Trong quâ trình xử lý ảnh, ngƣời sử dụng phải quan sât tập giâ trị trín câc dải phổ, xâc định giâ trị bất thƣờng, kết hợp với đối tƣợng địa vật để có đƣợc biện phâp hiệu chỉnh thích hợp.
Đối với ảnh Landsat 8, hiệu chỉnh bức xạ, phản xạ lă q trình chuyển đổi giâ trị số ngun thănh giâ trị thực của bức xạ điện từ thu nhận đƣợc bởi bộ cảm. Hiệu chỉnh sai số do ảnh hƣởng của bộ cảm đối với ảnh Landsat 8 theo công thức chuyển đổi giâ trị số (DN) trín ảnh về giâ trị của phản xạ ở tầng trín khí quyển của vật thế (đối tƣợng) [44, tr.60]:
ρλ'
= MρQcal + Aρ
ρλ = ρλ' = ρλ' cos(θSZ) sin(θSE)
Qcal- giâ trị số trín ảnh (DN);
Mp : giâ trị REFLECTANCE_MULT_BAND_x; Ap: giâ trị REFLECT ANCE_ADD_BAND_x;
θSE: góc thiín đỉnh (góc cao) của mặt trời_SUN_ELEVATION (độ).
θSZ = 90° - θSE
ρλ' : phản xạ ở tầng trín của khí quyển (Planetary TOA reflectancre) chƣa hiệu chỉnh góc nghiíng của mặt trời (thứ ngun, khơng có đơn vị);
ρλ : phản xạ ở tầng trín của khí quyển (Planetary TOA reflectancre) đê thực hiện hiệu chỉnh góc nghiíng của mặt trời (thứ ngun, khơng có đơn vị);
Bảng 2.1: Bảng giâ trị MP, AP câc band ảnh Landsat 8 OLI của cảnh ảnh LC81260452014364LGN01 chụp ngăy 30 thâng 12 năm 2014
Vệ tinh Kính phổ MP AP
LDCM -Landsat 8 (Bộ cảm OLI vă TIRS)
Band 1 - Visible 2.0000E-05 -0.100000
Band 2 - Visible 2.0000E-05 -0.100000
Band 3 - Visible 2.0000E-05 -0.100000
Band 4 - Red 2.0000E-05 -0.100000
Band 5 - Near-
Infrared 2.0000E-05 -0.100000
Band 6 - SWIR 1 2.0000E-05 -0.100000
Band 7 - SWIR 2 2.0000E-05 -0.100000
Band 8 - Panchromatic
(PAN) 2.0000E-05 -0.100000
Band 9 - Cirrus 2.0000E-05 -0.100000
Band 10 - Thermal Infrared (TIRS) 1 Band 11 - Thermal Infrared (TIRS) 2
(Nguồn: ảnh Landsat 8 OLI, cảnh ảnh LC81260452014364LGN01) 2.3.2.3. Chuyển ảnh vệ tinh từ hệ tọa độ UTM sang VN2000
Hiện nay, đối với câc bản đồ sản phẩm, Việt Nam đê thống nhất sử dụng hệ tọa độ VN2000 trín toăn quốc nhƣng dữ liệu ảnh vệ tinh sau khi tải về vă xử lý qua câc bƣớc trín vẫn ở hệ tọa độ UTM. Do đó, để phù hợp với hệ thống bản đồ đang có thì cần chuyển ảnh từ hệ tọa độ UTM sang hệ tọa độ VN2000. Công tâc chuyển đổi hệ tọa độ sang VN2000 sử dụng câc thông số sau để lăm công thức chuyển đổi từ WGS84 sang VN2000 (Theo hướng dẫn 1123) [5].
Tham số dịch chuyển gốc tọa độ:
X = 191.90441429, Y = 39.30318279, Z = 111.45032835, Góc xoay trục tọa độ:
Hệ số tỷ lệ chiều dăi k = -0.252906278.
Ảnh sau khi chuyến đổi sang hệ tọa độ VN2000 sẽ đƣợc sử dụng cho việc giải đoân câc đối tƣợng thạch học.
2.3.3. Xử lý ảnh
2.3.3.1. Phđn tích đặc điểm thảm phủ thực vật (NDVI)
Mục đích của cơng tâc năy lă xâc định mức độ che phủ thực vật của khu vực nghiín cứu. Từ đó đânh giâ đặc điểm, khả năng giải đoân trực tiếp câc đối tƣợng thạch học không chịu ảnh hƣởng của lớp phủ thực vật vă đƣa ra phƣơng phâp xử lý riíng cho mỗi khu vực. Để phđn tích đặc điểm thảm phủ thực vật từ ảnh vệ tinh quang học, phƣơng phâp sử dụng lă phđn tích chỉ số thực vật (NDVI_normalised difference vegetation index). Mơ hình âp dụng để tính tơn trong luận văn lă mơ hình phđn giải pixel hỗn hợp tuyến tính, LSMM, tổng quât do Van đề xuất đƣợc thể hiện bởi cơng thức:
Trong đó, Rk lă giâ trị phản xạ phổ của kính k; n lă số lƣợng câc đối tƣợng
thuần trong một pixel hỗn hợp; fi lă tỷ lệ của đối tƣợng thuần i trong một pixel hỗn hợp; ri,k lă giâ trị phản xạ phổ của đối tƣợng thuần i tại kính k trong pixel hỗn hợp; ek lă phần dƣ khớp mơ hình tại kính k. Câc đối tƣợng thuần trong pixel hỗn hợp
thỏa mên điều kiện:
Tỷ lệ của câc đối tƣợng thuần trong pixel hỗn hợp có thể đƣợc xâc định bằng phƣơng phâp số bình phƣơng nhỏ nhất có thể tính đƣợc, trong đó tỷ lệ của thực vật trong pixel hỗn hợp chính lă độ che phủ thực vật. Theo Lu vă Weng, độ chính xâc xâc định tỷ lệ câc thănh phần trong pixel hỗn hợp phụ thuộc chủ yếu văo việc lựa