9. BỐ CỤC CỦA LUẬN ÁN
4.2 TƢ LIỆU SỬ DỤNG
Tƣ liệu viễn thỏm sử dụng trong nghiờn cứu là cỏc ảnh vệ tinh Landsat 5 TM chụp ngày 27/12/1993 và Landsat 7 ETM+ chụp ngày 4/11/2000. Cỏc vệ tinh Landsat 5 và 7 là hai trong số cỏc vệ tinh Landsat của Cơ quan Hàng khụng Vũ trụ Mỹ, đƣợc phúng kế tiếp nhau nhằm đảm bảo cung cấp ảnh ổn định lõu dài cho cỏc nghiờn cứu về bề mặt trỏi đất (bảng 4.1).
Cỏc vệ tinh Landsat đều bay trờn quỹ đạo cận cực, gần trũn, đồng hành với mặt trời (cắt qua mọi điểm trờn đƣờng đỏy của quỹ đạo vào cựng giờ địa
phƣơng). Trong khi cỏc vệ tinh Landsat từ 1 đến 3 bay ở độ cao xấp xỉ 917km thỡ cỏc vệ tinh từ Landsat 4 trở đi đều bay trờn độ cao 705km. Chu kỳ lặp ảnh (tức thời gian giữa hai lần kế tiếp cú thể thu đƣợc ảnh lặp lại cựng một vựng) cũng đƣợc rỳt ngắn từ 18 xuống cũn 16 ngày. Cũng kể từ đú hệ thống thu ảnh RBV (Return Beam Vidicon) đƣợc thay thế bằng hệ thống TM (Thematic Mapper) rồi ETM (Enhanced Thematic Mapper) và ETM+.
Bảng 4.1: Thụng số kỹ thuật về cỏc vệ tinh Landsat
Vệ tinh (ngừng hoạt động) Ngày phúng Mỏy thu Độ phõn giải (m) Độ cao (km) Chu kỳ lặp ảnh (ngày) Landsat 1 23/7/1972 (1/6/1978) RBV MSS 80 80 917 18 Landsat 2 22/1/1975 (25/2/1982) RBV MSS 80 80 917 18 Landsat 3 (31/3/1983) 5/3/1978 RBV MSS 40 80 917 18 Landsat 4 * 16/7/1982 MSS TM 75 30 120 (k. nhiệt) 705 16 Landsat 5 ** 1/3/1984 MSS TM 75 30 120 (k. nhiệt) 705 16 Landsat 6 (5/10/1993) 5/10/1993 ETM 15 (toàn sắc) 30 (đa phổ) 120 (k. nhiệt) 705 16 Landsat 7 23/4/1999 ETM+ 15 (toàn sắc) 30 (đa phổ) 60 (k. nhiệt) 705 16
* Mỏy thu TM ngừng hoạt động thỏng 8/1993
** Hệ thống ghi ảnh bị hỏng chỉ cũn hoạt động ở chế độ truyền ảnh trực tiếp
TM, trờn thực tế, là một mỏy quột đa phổ cho phộp thu ảnh trờn 7 kờnh: 3 kờnh trong dải nhỡn thấy, 4 kờnh hồng ngoại, trong đú cú 1 kờnh trong dải hồng ngoại nhiệt (bảng 4.2). Ngoại trừ kờnh 6, tức kờnh hồng ngoại nhiệt, cú
So với TM, hệ thống ETM+ của vệ tinh Landsat 7 chỉ cú hai thay đổi đỏng kể, đú là:
Cú thờm kờnh ảnh toàn sắc (kờnh 8: 0,5-0,9μm) với độ phõn giải khụng gian 15m.
Độ phõn giải của kờnh hồng ngoại nhiệt (kờnh 6) tăng gấp đụi từ 120m lờn 60m.
Cỏc kờnh ảnh cũn lại đều đƣợc giữ khụng thay đổi. Đõy chớnh là một thuận lợi rất cơ bản đối với cỏc nghiờn cứu về biến động khu vực.
Bảng 4.2: Thụng số kỹ thuật về cỏc bộ thu trờn vệ tinh Landsat
Vệ tinh Bộ thu Kênh phổ Độ phân giải Vệ tinh Bộ thu Kênh phổ Độ phân giải
LANDSAT 1-2 RBV (1) 0,48-0,57 80 (2) 0,58-0,68 80 (3) 0,70-0,83 80 MSS (4) 0,5-0,6 79 (5) 0,6-0,7 79 (6) 0,7-0,8 79 (7) 0,8-1,1 79 LANDSAT 3 RBV (1) 0,50-0,75 40 MSS (4) 0,5-0,6 79 (5) 0,6-0,7 79 (6) 0,7-0,8 79 (7) 0,8-1,1 79 (8) 10,4-12,6 240 LANDSAT 4-5 MSS (4) 0,5-0,6 82 (5) 0,6-0,7 82 (6) 0,7-0,8 82 (7) 0,8-1,1 82 TM (1) 0,45-0,52 30 (2) 0,52-0,60 30 (3) 0,63-0,69 30 (4) 0,76-0,90 30 (5) 1,55-1,75 30 (6) 10,4-12,5 120 (7) 2,08-2,35 30 LANDSAT 7 ETM+(1) 0,45-0,52 30 (2) 0,52-0,60 30 (3) 0,63-0,69 30 (4) 0,76-0,90 30 (5) 1,55-1,75 30 (6) 10,4-12,5 60 (7) 2,08-2,35 30 PAN 0,50-0,90 15
Do cỏc ảnh Landsat đều đƣợc thu trờn những khu vực ổn định, đƣợc lặp lại theo những chu kỳ nhất định (18 ngày với cỏc vệ tinh Landsat từ 1 đến 3 và 16 ngày với cỏc vệ tinh từ 4 đến 7) nờn mỗi vựng ảnh đƣợc ký hiệu thống nhất theo số hiệu của dải (path) và dũng (row) trờn một lƣới phủ toàn cầu. Khu vực nghiờn cứu, mặc dự cú diện tớch khụng lớn, nhƣng lại nằm giữa hai
ảnh trờn dải 127 và cỏc dũng 45, 46. Do vậy, đối với mỗi thời điểm nghiờn cứu, ta cần 2 ảnh cú ký hiệu kể trờn.
Ngoài cỏc ảnh viễn thỏm, trong nghiờn cứu của mỡnh, nghiờn cứu sinh cũn sử dụng cỏc tƣ liệu sau cho mục đớch tham khảo và đối chứng:
Bản đồ địa hỡnh khu vực nghiờn cứu tỷ lệ 1:100.000;
Bản đồ hiện trạng sử dụng đất năm 2000 cỏc tỉnh trong khu vực;
Atlas quốc gia;
Cỏc bỏo cỏo của chƣơng trỡnh điều tra tổng hợp vựng Tõy Bắc và đỏnh giỏ tỏc động mụi trƣờng cụng trỡnh thuỷ điện Hoà Bỡnh, Sơn La và quy hoạch tổng thể phỏt triển kinh tế xó hội Tõy Bắc đến năm 2010.
4.3 Phƣơng phỏp và quy trỡnh thực hiện
Với hai ảnh chụp cựng khu vực vào hai thời điểm khỏc nhau, về nguyờn tắc việc xỏc định những biến động trong khu vực cú thể đƣợc tiếp cận theo hai cỏch:
Phõn tớch đồng thời hai ảnh, cựng lỳc xỏc định và phõn loại cả cỏc khu vực biến động cũng nhƣ khụng biến động;
Phõn loại riờng rẽ từng ảnh sau đú chồng xếp kết quả để đỏnh giỏ biến động.
Với cỏch tiếp cận thứ nhất, mặc dự về mặt hỡnh thức, ta cú số chiều của khụng gian phổ đƣợc nõng lờn gấp đụi, nhƣng nếu suy xột kỹ hơn ta sẽ thấy rằng ảnh chụp vào mỗi thời kỳ sẽ chỉ mang thụng tin về đối tƣợng ở thời điểm đú mà khụng giỳp gỡ cho việc xỏc định đối tƣợng ở thời điểm kia. Trong khi nhiệm vụ của ta trong trƣờng hợp này là phải xỏc định đƣợc trạng thỏi của đối tƣợng ở cả hai thời điểm. Mặt khỏc, nếu giả thiết rằng trong khu vực tồn tại N
lờn tới N2 lớp, nghĩa là tăng theo hàm mũ bậc 2. Kết quả phõn loại, do vậy sẽ khụng đảm bảo độ tin cậy khi N tƣơng đối lớn.
Ngoài hai cỏch tiếp cận kể trờn, một số nhà nghiờn cứu cả trong và ngồi nƣớc cũng đó cú những thử nghiệm nhằm vận dụng cỏc kỹ thuật phỏt hiện biến động (change detection) khỏc nhau cho mục đớch này. Tuy nhiờn cần lƣu ý rằng về bản chất cỏc kỹ thuật này chỉ cho phộp phỏt hiện cú hay khụng cú biến động chứ khụng giỳp gỡ trong việc xỏc định cụ thể sự biến đổi qua lại giữa cỏc lớp. Chỳng cú thể đƣợc ỏp dụng một cỏch hiệu quả chẳng hạn trong cỏc hệ thống bỏo động nhằm phỏt hiện sự xõm nhập của kẻ gian hay trong cỏc hệ thống kiểm tra lỗi sản phẩm cụng nghiệp v.v. Trong viễn thỏm, ứng dụng quan trọng nhất của cỏc kỹ thuật này chớnh là để phỏt hiện cỏc thay đổi trong khu vực xảy ra sau cỏc sự cố hay thảm hoạ thiờn tai. Cục Lõm nghiệp Bang California (Hoa Kỳ) cũng đó thành cụng trong việc vận dụng kỹ thuật này để phỏt hiện những biến động xảy ra trong cỏc khu vực rừng thuộc Bang. Điểm chung trong cỏc ứng dụng này là biến động phải khụng quỏ phức tạp, tƣơng đối dễ nhận biết, xảy ra trờn một khung cảnh tĩnh. Vỡ thực ra cỏc phƣơng phỏp phỏt hiện biến động, mặc dự cũng rất đa dạng, nhƣng thƣờng dựa trờn những dấu hiệu tƣơng đối đơn giản. Vớ dụ nhƣ tớnh hiệu hay tỷ số giữa cỏc điểm ảnh tƣơng ứng trờn hai ảnh rồi so sỏnh với một giỏ trị ngƣỡng chọn trƣớc, để quyết định xem cú hay khụng cú sự thay đổi của đối tƣợng biểu diễn bởi điểm ảnh, giữa hai thời điểm thu ảnh (Thay vỡ sử dụng cỏc ảnh gốc, ngƣời ta cũng cú thể sử dụng cỏc ảnh biến đổi từ chỳng nhƣ ảnh chỉ số thực vật, ảnh phõn tớch thành phần chớnh hay phõn tớch Kauth-Thomas v.v.).
Trong cỏc nghiờn cứu về biến động lớp phủ, cũng cú tỏc giả đề nghị sử dụng một phƣơng phỏp phỏt hiện biến động để tỏch khu vực nghiờn cứu thành hai phần: cú biến động và khụng biến động. Đối với khu vực cú biến động,
tiến hành phõn loại riờng hai ảnh rồi chồng xếp kết quả để xỏc định cụ thể từng loại biến động. Đối với khu vực khụng biến động thỡ dựng nguyờn kết quả phõn loại của một trong hai ảnh. Lý do mà tỏc giả đƣa ra là đơn giản để trỏnh những sai sút trong kết quả phõn loại cú thể tạo thờm những biến động giả. Tuy nhiờn nếu suy xột kỹ hơn ta sẽ thấy rằng những sai lầm trong kết quả phõn loại chỉ xảy ra khi giữa hai lớp quỏ gần nhau về đặc điểm phổ và nếu nhƣ cỏc phƣơng phỏp phõn loại, hoạt động trờn những nguyờn tắc chặt chẽ hơn nhiều, đó khụng thể xỏc định đƣợc đỳng điểm ảnh thuộc về lớp nào thỡ cỏc phƣơng phỏp phỏt hiện biến động càng khụng thể xỏc định đƣợc cú hay khụng cú sự chuyển đổi giữa hai lớp kể trờn. Điều này cú nghĩa là ranh giới giữa khu vực cú và khụng cú biến động đƣợc xỏc định bằng cỏc phƣơng phỏp phỏt hiện biến động khụng thể tin cậy hơn ranh giới này xỏc định dựa trờn hai kết quả phõn loại. Hơn nữa, cỏc phƣơng phỏp phỏt hiện biến động cũn đũi hỏi hai ảnh phải cựng loại (đƣợc thu bởi cựng một loại mỏy thu hay ớt nhất cũng cú chung cỏc kờnh phổ và độ phõn giải khụng gian), đƣợc thu vào cựng thời gian trong năm (để trỏnh những ảnh hƣởng do sự khỏc biệt trong chu kỳ sinh trƣởng của thực vật), và ảnh phải đƣợc định chuẩn (calibrate) một cỏch nghiờm ngặt.
Từ những gỡ đó trỡnh bày ở trờn, ta thấy rằng phƣơng phỏp phõn tớch riờng rẽ từng ảnh để xõy dựng cỏc bản đồ hiện trạng ở hai thời điểm rồi chồng xếp phõn tớch biến động, cú thể núi vẫn là phƣơng phỏp đỏng tin cậy hơn cả. Hơn nữa, lại khụng đũi hỏi quỏ khắt khe về tớnh đồng bộ đối với tƣ liệu ảnh, cũng khụng yờu cầu phải định chuẩn ảnh, một cụng việc đũi hỏi khỏ cụng phu và đặc biệt cần cú mụ hỡnh độ cao chi tiết của khu vực. Ngoài ra với hai bản đồ hiện trạng ở hai thời điểm ta cú thể dễ dàng tạo ra nhiều loại bản đồ biến động khỏc nhau tuỳ theo yờu cầu cụ thể của ngƣời sử dụng. Do vậy, đõy chớnh
là phƣơng phỏp mà nghiờn cứu sinh đó lựa chọn sử dụng. Tồn bộ quy trỡnh trong trƣờng hợp này cú thể đƣợc khỏi quỏt hoỏ nhƣ trong sơ đồ trờn hỡnh 4.4. Cụng đoạn đầu tiờn, nhƣ thƣờng lệ, là khõu chuẩn bị. Ở bƣớc này ta cần thu thập cỏc tài liệu, bản đồ hiện cú về khu vực nghiờn cứu, lựa chọn, đặt mua cỏc ảnh theo yờu cầu. Làm quen với khu vực qua cỏc tài liệu, bản đồ và ảnh, tỡm hiểu về điều kiện tự nhiờn, xó hội, tập quỏn canh tỏc, nụng lịch v.v. trong khu vực. Nếu cần cú thể tổ chức một chuyến đi thực địa để làm quen và thu thập bổ sung cỏc tài liệu ở địa phƣơng. Đặc biệt, trong trƣờng hợp khụng cú bản đồ địa hỡnh thỡ một chuyến đi nhƣ vậy là cú tớnh bắt buộc, bởi ta sẽ cần phải tiến hành đo đạc để xỏc định toạ độ của cỏc điểm khống chế, dựng trong quỏ trỡnh hiệu chỉnh hỡnh học ảnh ở bƣớc sau. Trong trƣờng hợp này, cần căn cứ vào ảnh để lựa chọn trƣớc cỏc điểm khống chế và vạch sẵn lộ trỡnh cho chuyến đi.
Hỡnh 4.4: Quy trỡnh đỏnh giỏ biến động lớp phủ khu vực nghiờn cứu
Xử lý, phõn tớch ảnh, xõy dựng bản thảo cỏc bản đồ hiện trạng
Chỉnh sửa, hoàn thiện cỏc bản đồ hiện trạng Chuẩn bị ảnh và
cỏc tƣ liệu bổ trợ
Điều tra thực địa Xõy dựng cơ sở dữ liệu
về khu vực nghiờn cứu
Phõn tớch biến động Cập nhật cở sở dữ liệu
Cỏc bản đồ thu thập đƣợc, sau đú tốt nhất là nờn số hoỏ để xõy dựng một cơ sở dữ liệu số về khu vực, vừa để hỗ trợ cho quỏ trỡnh xử lý, phõn tớch ảnh, vừa để phục vụ cho việc đỏnh giỏ biến động ở cụng đoạn cuối, cũng nhƣ sử dụng lõu dài về sau.
Do khụng cần phải định chuẩn ảnh, nờn cụng đoạn xử lý, phõn tớch ảnh trong trƣờng hợp này đƣợc bắt đầu bằng việc hiệu chỉnh hỡnh học ảnh. Về nguyờn tắc việc hiệu chỉnh hỡnh học ảnh cú thể đƣợc tiến hành trƣớc hoặc sau khi phõn loại ảnh. Nhƣng do khu vực nghiờn cứu, nhƣ trờn đó núi, nằm ở vựng giỏp ranh giữa hai ảnh, để cú thể tiến hành phõn tớch ảnh đồng thời cho cả khu vực, ta sẽ phải thực hiện việc ghộp và cắt ảnh. Vỡ vậy, trong trƣờng hợp này, nờn tiến hành hiệu chỉnh hỡnh học ảnh ngay từ đầu.
Trong cỏc phần mềm xử lý ảnh, việc hiệu chỉnh hỡnh học thƣờng đƣợc thực hiện dƣới hai hỡnh thức:
Nắn chỉnh ảnh theo bản đồ;
Nắn chỉnh ảnh theo một ảnh khỏc.
Trƣờng hợp đầu thƣờng đƣợc vận dụng với mục đớch nắn chỉnh ảnh về một hệ tọa độ bản đồ nhất định, trong khi trƣờng hợp thứ hai đƣợc dựng để nắn ảnh trựng khớt lờn một ảnh khỏc. Trong trƣờng hợp đầu, ảnh sau khi nắn, trong tệp mụ tả ảnh sẽ chứa đầy đủ cỏc thụng tin về hệ toạ độ bản đồ, và phạm vi của ảnh nờn sau đú cú thể dễ dàng chuyển đổi sang bất kỳ một hệ toạ độ nào khỏc. Trong trƣờng hợp thứ hai, nếu ảnh dựng làm nền để nắn, trƣớc đú đó đƣợc nắn chỉnh về một hệ toạ độ bản đồ nào đú, thỡ ảnh đƣợc nắn sau đú cũng sẽ mang đầy đủ cỏc thụng tin nhƣ vậy.
Về mặt thuật toỏn, thực ra hai trƣờng hợp trờn khụng cú gỡ khỏc biệt. Ta ký hiệu xin,yin là toạ độ dũng, cột của điểm ảnh trờn ảnh cần nắn (ảnh vào),
out out y
x , đƣợc thể hiện bằng cỏc toạ độ trong hệ toạ độ bản đồ đó chọn, trong trƣờng hợp thứ hai đƣợc biểu diễn bằng toạ độ dũng cột của ảnh ra. Giữa cỏc toạ độ này sẽ tồn tại một mối tƣơng quan hàm số nào đú mà ta ký hiệu nhƣ sau: out out in f x y x 1 , (4.1) out out in f x y y 2 ,
Coi cỏc hàm này thoả món cỏc điều kiện để cú thể phõn tớch thành chuỗi Taylor, khi đú chỳng cú thể đƣợc lấy xấp xỉ bằng một đa thức với bậc tuỳ chọn: xin a0a1xouta2yout ... (4.2)
... 2 1 0 out out in b b x b y y
Để xỏc định đƣợc cỏc hệ số của hai đa thức này, ta cần cú một tập hợp cỏc điểm khống chế, tức cỏc điểm mà ta cú thể biết đƣợc cả toạ độ xin,yin và
out out y
x , của chỳng. Muốn vậy, cần chọn cỏc điểm cú thể dễ dàng nhận biết cả trờn ảnh và trờn bản đồ (nếu xout,yout đƣợc đo trờn bản đồ) hay trờn thực địa (khi xout,yout phải đo trực tiếp ngoài thực địa). Đú cú thể là cỏc ngó ba sụng, cỏc điểm giao cắt giữa cỏc kờnh, rạch, đƣờng xỏ v.v. trong khu vực. Với một tập hợp đủ lớn cỏc điểm khống chế ta sẽ cú một hệ phƣơng trỡnh tuyến tớnh gồm cỏc phƣơng trỡnh dạng (4.2) với cỏc ẩn là cỏc hệ số a1,a2,a3...b1,b2,b3.... Bằng cỏch giải hệ phƣơng trỡnh này ta sẽ xỏc định đƣợc cỏc hệ số này, nghĩa là xỏc định đƣợc hàm số liờn hệ giữa cỏc toạ độ vào, ra của điểm ảnh. Dễ chứng minh đƣợc rằng mỗi đa thức dạng (4.2) bậc n cú số lƣợng cỏc hệ số
bằng: 2 1 2 1 ... 2 1 n n n n .
Đõy cũng chớnh là số lƣợng tối thiểu cỏc điểm khống chế cần phải cú khi ta chọn sử dụng đa thức bậc n làm hàm biểu diễn mối liờn hệ giữa toạ độ
cỏc điểm ảnh trờn ảnh vào và ra. Tuy nhiờn, để hạn chế ảnh hƣởng của cỏc sai số đo đạc trong toạ độ của cỏc điểm khống chế lờn kết quả tớnh toỏn, cỏc điểm khống chế cần chọn nhiều hơn so với số lƣợng tối thiểu này. Hệ phƣơng trỡnh, để xỏc định cỏc hệ số của đa thức (4.2), trong trƣờng hợp này sẽ đƣợc giải theo phƣơng phỏp bỡnh phƣơng tối thiểu. Ngoài ra khi chọn cỏc điểm khống chế cũng cần lƣu ý là do đa thức (4.2) chỉ là hàm biểu diễn xấp xỉ mối liờn hệ giữa toạ độ của điểm ảnh trờn ảnh vào và ra, để sai số của phộp xấp xỉ này dàn trải đều trờn toàn ảnh, cỏc điểm khống chế cũng cần phải phõn bố trải đều trờn ảnh. Về lý thuyết, ta biết rằng, đa thức bậc càng lớn càng cú khả năng thể hiện chớnh xỏc hơn cỏc hàm phức tạp nhƣng ngƣợc lại cũng cú khả năng làm gia