2.1. Các quan điểm và phƣơng pháp nghiên cứu biến động đất mặt nƣớc
2.1.3. Các phương pháp nghiên cứu biến động đất mặt nước sông, hồ
đồ hiện trạng đất mặt nước sơng, hồ huyện Ba Vì, thành phố Hà Nội.
Kỹ thuật bản đồ và công nghệ GIS để thành lập bản đồ biến động và phân tích, đánh giá biến động đất mặt nước sông, hồ huyện Ba Vì, thành phố Hà Nội.
Kỹ thuật khai thác thông tin trên mạng Internet để lấy các dữ liệu, tài liệu trong và ngồi nước có liên quan đến đề tài nghiên cứu.
2.1.3. Các phương pháp nghiên cứu biến động đất mặt nước sông, hồ sử dụng kỹ thuật viễn thám viễn thám
Dưới tác động khơng ngừng của q trình trao đổi vật chất và năng lượng do các hoạt động tự nhiên và nhân sinh, các thành phần Tài nguyên - Môi trường luôn luôn biến động. Phát hiện biến động là quá trình nhận dạng sự khác biệt về trạng thái của một đối tượng hoặc hiện tượng bằng cách quan sát chúng tại những thời điểm khác nhau. Xác định được quy luật, đặc tính và quy mơ của sự biến động sẽ là nhân tố quan trọng cho việc kiểm sốt các thành phần Tài ngun - Mơi trường, hỗ trợ tích cực cho quản lý đất đai và môi trường.
Điều tra biến động liên quan đến việc sử dụng một tập hợp dữ liệu đa thời gian để phân biệt các vùng có sự thay đổi lớp diện tích bề đất mặt nước giữa các thời điểm thu nhận ảnh. Lý tưởng mà nói, các điều tra biến động nên dùng các tư liệu ảnh được thu cùng một bộ cảm, có cùng độ phân giải không gian, độ cao bay chụp, các băng phổ và cùng thời gian thu nhận trong ngày. Nếu các tư liệu ảnh không thỏa mãn các điều kiện trên thì phải tiến hành thêm các bước xử lý ảnh như hiệu chỉnh phổ, hiệu chỉnh khí quyển và nắn chỉnh hình học. Đối với nghiên cứu biến động, ta cần phải nắn chỉnh các ảnh với độ chính xác nhỏ hơn 1/2 pixel (nắn chỉnh hình học trên 1 pixel sẽ gây ra nhiều sai lầm khi so sánh các ảnh với nhau).
Độ tin cậy của quá trình điều tra nghiên cứu biến động cũng bị ảnh hưởng nhiều bởi các nhân tố mơi trường có thể thay đổi giữa các thời điểm thu nhận ảnh. Cùng với hiệu ứng của khí quyển, những nhân tố như mực nước sơng hồ, sóng triều, gió, hay độ ẩm của đất cũng rất quan trọng.
a) Phương pháp so sánh sau phân loại (Post – Classification comparison methods)
Đây là phương pháp khá phổ biến để điều tra biến động với các ảnh thu nhận ở các thời điểm khác nhau được phân loại độc lập (hình 2.1). Sau đó sử dụng một thuật toán để
xác định các pixel thay đổi trong mỗi lớp. Ngồi ra, có thể lập các số liệu thống kê và bản đồ biến động để nhấn mạnh bản chất của sự thay đổi giữa các thời điểm thu nhận ảnh. Độ chính xác của những thuật tốn này phụ thuộc vào độ chính xác của từng phân loại độc lập sử dụng trong phân tích. Các sai số xuất hiện ở mỗi lần phân loại ảnh sẽ bị lẫn trong quá trình điều tra biến động.
Có hai phương pháp phân loại là phương pháp phân loại có kiểm định và phương pháp phân loại khơng có kiểm định. Trong phương pháp phân loại khơng có kiểm định, ta chia mức độ xám của ảnh ra các cấp khác nhau rồi tiến hành phân loại ảnh theo các mức độ xám đó. Với phương pháp phân loại có kiểm định, đầu tiên ta phải định nghĩa rõ ràng các lớp phân loại và lựa chọn có tính đến đặc thù của tư liệu ảnh. Sau đó ta chọn đặc tính phổ hoặc cấu trúc cho phép phân biệt các lớp cần được tập hợp. Tiếp đến, ta chọn vùng mẫu dựa vào kết quả của hai bước trên. Cuối cùng ta lựa chọn cách phân loại. Có thể áp dụng nhiều cách phân loại khác nhau trong phạm vi của tệp mẫu và so sánh kết quả đạt được để lựa chọn cách phân loại tối ưu nhất. Thông thường, người ta chọn cách phân loại theo xác suất cực đại (Maximum likehood) để nhóm các pixel vào lớp mà xác suất của
chúng thuộc vào lớp đó là lớn nhất.
Hình 2.1. Sơ đồ so sánh sau phân loại b) Phương pháp nhận biết các mẫu phổ (spectral pattern recognition) b) Phương pháp nhận biết các mẫu phổ (spectral pattern recognition)
Phương pháp này sử dụng các kỹ thuật khác nhau để từ hai ảnh ban đầu đã được nắn chỉnh hình học, tạo nên một kênh hay nhiều kênh ảnh mới thể hiện sự thay đổi phổ. Sự khác biệt hoặc tương tự phổ giữa các pixel có thể được tính theo từng pixel hoặc tính trên toàn cảnh. Phương pháp này đỏi hỏi nắn chỉnh hình học phải chính xác (sai số <1 pixel). Kết quả của việc so sánh là tạo ra một ảnh chỉ rõ những khu vực có thay đổi và khơng thay đổi cũng như mức độ thay đổi (gọi là ảnh thay đổi). Khi ảnh này được tạo ra để phân định rõ các pixel thay đổi và mức độ thay đổi thì cần phải có một vài bước xử lý tiếp theo, trong đó quan trọng nhất là kỹ thuật phân ngưỡng. Phân ngưỡng thực chất là việc định nghĩa mức độ mà tại đó ta coi là có sự thay đổi. Phương pháp xác định ngưỡng được sử dụng nhiều nhất là phân tích hàm phân bố của ảnh thay đổi.
ẢNH 1995 ẢNH 2003 Phân loại lớp hiện trạng Phân loại lớp hiện trạng Phân tích biến động
Hình 2.2. Phân loại ảnh tổ hợp của các kênh thời gian
Mỗi một bước phân loại đã được thực hiện với ảnh có các kênh tương ứng của hai thời điểm thu nhận. Theo cách này có thể tiến hành phân loại đất mặt nước trong ảnh tổ hợp. Độ chính xác của phương pháp này phụ thuộc vào sự khác biệt phổ giữa các lớp có thay đổi và khơng đổi. Phạm vi và độ phức tạp của phân loại có thể khá lớn và nếu ta tận dụng mọi kênh phổ trong các ảnh thì có thể đảm bảo thơng tin phân loại sẽ đầy đủ và chính xác hơn.
c) Phương pháp phân tích thành phần chính (principal component analysis)
Đây là phương pháp phân loại được sử dụng để phân tích các tổ hợp ảnh đa thời gian với mục đích phân tích biến động. Trong ảnh của các thời kỳ được tổ hợp trong một ảnh đa kênh chứa tất cả kênh ảnh ở các thời điểm thu nhận. Một số thành phần chính khơng tương quan được tính ra từ tổ hợp ảnh đa thời gian này có thể liên quan tới các vùng biến động. Nhược điểm của phương pháp này là khó giải đốn và khó xác định bản chất của sự thay đổi.
Hình 2.3. Phân loại phân tích thành phần chính d) Phương pháp tạo ảnh sai biệt đa thời gian d) Phương pháp tạo ảnh sai biệt đa thời gian
Ứng dụng công nghệ viễn thám trong nghiên cứu biến động mặt nước thực chất là việc điều tra biến động liên quan đến việc sử dụng một tập hợp dữ liệu đa thời gian để phân biệt các vùng mặt nước có sự thay đổi giữa các thời điểm thu nhận ảnh. Hay nói một cách khác, việc nghiên cứu biến động mặt nước sử dụng kỹ thuật viễn thám là quá trình tạo ảnh biến động mặt nước giữa 2 thời kỳ. Lý tưởng mà nói, điều tra biến động nên dùng các tư liệu ảnh được thu cùng một bộ cảm, có cùng độ phân giải không gian, độ cao bay chụp, các băng phổ và cùng thời gian thu nhận trong ngày. Nếu các tư liệu ảnh khơng thỏa mãn các điều kiện trên thì phải tiến hành thêm các bước xử lý ảnh như hiệu chỉnh phổ, hiệu chỉnh khí quyển và nắn chỉnh hình học. Đối với nghiên cứu biến động, ta cần phải nắn chỉnh các ảnh với độ chính xác nhỏ hơn 1/2 pixel (nắn chỉnh hình học trên 1 pixel sẽ gây ra nhiều sai số khi so sánh các ảnh với nhau).
ẢNH 1995
ẢNH 2003
Phân loại lớp hiện trạng Đánh giá biến động ẢNH 1995 ẢNH 2003 Tính tốn tách biệt
Phân loại lớp hiện trạng
Trong sơ đồ quy trình tạo ảnh biến động mặt nước ở hình 2.4 bên dưới, để tạo ra ảnh biến động mặt nước, ta chỉ đơn giản dùng phép trừ các giá trị độ xám (trên kênh hồng ngoại) của ảnh năm 1995 cho ảnh năm 2003. Sai biệt trong vùng không thay đổi sẽ là rất nhỏ (≈ 0) và sai biệt trong vùng thay đổi sẽ là các giá trị khác 0 một số khá lớn (theo chiều dương hoặc âm). Nếu ta sử dụng ảnh 8 bit, thì khoảng giá trị có thể của ảnh sai biệt sẽ là -255 đến +255, nên khi tiến hành trừ các các giá trị độ xám người ta thường cộng thêm một hằng số (thường là 255) để cho kết quả trình bày được đẹp hơn. Do đó, phương pháp này còn được gọi là phương pháp tạo ảnh sai biệt đa thời gian (temporal image differencing).
Hình 2.4. Phương pháp tạo ảnh sai biệt đa thời gian e) Phương pháp tạo ảnh tỷ số e) Phương pháp tạo ảnh tỷ số
Phương pháp này liên quan đến việc tính tốn tỷ số từ các giá trị độ xám trong các ảnh ở các thời điểm chụp. Tỷ số của vùng không thay thổi thường xấp xỉ 1 trong khi vùng thay đổi có tỷ số cao hơn hoặc thấp hơn. Dữ liệu ảnh tỷ số thường được chuyển đổi từ 8 bit sang 32 bit để hiển thị. Một trong những yêu cầu của phương pháp này là phải chuẩn hóa các yếu tố ngoại cảnh như góc tới của tia sáng từ mặt trời hay bóng.
Khi thực hiện phép tính tỷ số ảnh hay sai biệt ảnh, người phân tích phải tìm ra ngưỡng giữa biến động và khơng biến động trong tư liệu ảnh. Điều này có thể được thực hiện khi ta lập một biểu đồ phân khối độ xám cho tư liệu ảnh tỷ số hay ảnh sai biệt và quan tâm đến các vùng thay đổi sẽ nằm ở phần cuối của sự phân bố. Cần tính phương sai
và kiểm tra thử nghiệm xem liệu cái ngưỡng đó có hợp lý hay chưa. Nếu có sự lựa chọn ngưỡng hợp lý, có thể thấy ngay được các kết quả.
Thay cho việc sử dụng các giá trị độ xám thô để làm các ảnh sai biệt hay ảnh tỷ số, người ta thường phải hiệu chỉnh các ảnh hưởng của khí quyển và điều kiện chiếu sáng để chuyển các giá trị độ xám của ảnh sang các đại lượng vật lý như bức xạ hay phản xạ. Các ảnh có thể được chuẩn bị qua việc thực hiện các phép lọc không gian và các chuyển đổi như phân tích thành phần chính hoặc thành phần thực vật. Cũng như vậy, có thể sử dụng các bước hồi quy tuyến tính để so sánh ảnh chụp ở hai thời điểm khác nhau. Trong cách tiếp cận này, một mơ hình hồi quy tuyến tính được sử dụng để dự đoán các giá trị ở thời điểm 2 dựa trên các giá trị ở thời điểm 1. Và người phân tích cũng phải tìm ra ngưỡng cho dự đốn các giá trị biến động có ích.
Hình 2.5. Phương pháp tạo ảnh tỷ số g) Phương pháp phân tích vector thay đổi g) Phương pháp phân tích vector thay đổi
Đây là một phương pháp điều tra biến động được mở rộng từ khái niệm ảnh sai biệt. Hình 2.6 dưới đây thể hiện cơ sở của cách tiếp cận này theo hai chiều
ẢNH 1995 ẢNH 2003
Nắn chỉnh, tổ hợp ảnh đa kênh
Tỷ số = DN(1995)/DN(2003)
Hình 2.6. Phương pháp phân tích vector thay đổi
Pixel tương ứng trong hai kênh ảnh ở các thời gian khác nhau được chấm điểm như là năm 1 và năm 2…. Vector nối các điểm này thể hiện cả cường độ và chiều hướng biến đổi phổ giữa các thời kỳ. Một ngưỡng về cường độ có thể được thiết lập trên cơ sở các vùng được xác định là biến đổi, và chiều hướng của vector chính là thể hiện loại hình biến đổi.
m) Phương pháp kết hợp
Phương pháp này sử dụng sự nhận biết thay đổi phổ để chỉ ra các vùng có thay đổi và sau đó chỉ áp dụng phương pháp phân loại cho những vùng thay đổi để định danh sự thay đổi đó.
Hình 2.7. Phương pháp kết hợp