9. BỐ CỤC CỦA LUẬN ÁN
1.2 XỬ Lí ẢNH SỐ TRONG VIỄN THÁM
và bờn phải là biểu đồ cần đạt đƣợc. Cỏc đƣờng cong trờn hỡnh (b) là cỏc biểu đồ phõn bố độ xỏm luỹ kế tƣơng ứng. Trờn đú trục tung biểu diễn tổng số tất cả cỏc điểm ảnh cú giỏ trị nhỏ hơn hoặc bằng giỏ trị đƣợc xỏc định trờn trục hoành. Cỏc đƣờng cong nhƣ vậy đúng vai trũ tƣơng tự nhƣ đƣờng cong tớch phõn của hàm phõn bố xỏc suất và cú thể dễ dàng xỏc định đƣợc từ biểu đồ trờn hỡnh (a) và ngƣợc lại. Do vậy cú thể núi nếu ta tạo ra đƣợc 1 ảnh cú biểu đồ phõn bố độ xỏm luỹ kế trờn hỡnh (b) đồng nghĩa với việc ta đó tạo ra đƣợc 1 ảnh cú phõn bố độ xỏm trờn hỡnh (a).
Giả sử ta ký hiệu y f x là phộp biến đổi nhằm mục đớch nhƣ vậy. Trong đú x là giỏ trị độ xỏm trờn ảnh vào và y là giỏ trị độ xỏm trờn ảnh ra.
Hàm f đƣơng nhiờn phải thoả món điều kiện:
1 22 2 1 x f x f x x y x (b ) x (a ) y
Từ đõy ta cú số cỏc điểm ảnh trờn ảnh vào cú giỏ trị nhỏ hơn hoặc bằng x cũng chớnh bằng số cỏc điểm ảnh trờn ảnh ra cú giỏ trị nhỏ hơn hoặc bằng y. Do vậy y cú thể xỏc định đƣợc từ x nhờ sử dụng cỏc đƣờng cong phõn bố độ xỏm luỹ kế theo cỏch nhƣ đó thể hiện trờn hỡnh vẽ. Nghĩa là, từ x ta kẻ
đƣờng thẳng song song với trục tung đến khi cắt với đƣờng cong phõn bố độ xỏm luỹ kế của ảnh vào thỡ chiếu ngang sang để xỏc định điểm cú cựng giỏ trị ở đƣờng cong bờn cạnh của ảnh ra. Từ đú chiếu thẳng xuống trục y ta sẽ xỏc
định đƣợc giỏ trị phải tỡm của y. Quỏ trỡnh này cú thể dễ dàng thực hiện trờn
mỏy tớnh bằng việc sử dụng 2 ma trận lƣu giữ 2 đƣờng cong phõn bố độ xỏm luỹ kế của hai ảnh nhƣ những bảng tra. Chƣơng trỡnh cung cấp hai lựa chọn khỏc nhau, theo đú ta cú thể tiến hành cõn bằng biểu đồ phõn bố độ xỏm giữa hai ảnh đƣợc tớnh cho toàn ảnh hay chỉ riờng cho khu vực trựng phủ giữa hai ảnh. Lƣu ý rằng về nguyờn tắc phõn bố độ xỏm giữa hai ảnh chỉ thực sự trựng nhau khi chỳng cựng biểu diễn chung một khu vực. Vỡ vậy theo nghiờn cứu sinh, chỉ trong một số ớt trƣờng hợp khi cú những sự biến đổi bất thƣờng trong khu vực trựng phủ giữa hai ảnh chẳng hạn nhƣ cú sự xuất hiện của những đỏm mõy lớn trờn một trong hai ảnh làm thay đổi hẳn đƣờng cong phõn bố độ xỏm của khu vực thỡ ta mới nờn sử dụng đƣờng cong đƣợc tớnh trờn toàn ảnh cũn nhỡn chung nờn lựa chọn sử dụng phõn bố độ xỏm tớnh riờng cho khu vực trựng phủ làm cơ sở để tiến hành cõn bằng giữa hai ảnh.
2) Pha trộn giỏ trị độ xỏm lấy từ hai ảnh ở dải gần biờn ghộp. Biờn ghộp ở đõy cú thể là mộp ảnh hay một đƣờng cắt do ngƣời sử dụng tự vẽ trong khu vực trựng phủ giữa hai ảnh. Với chức năng này ngƣời sử dụng cú thể tự chọn độ rộng của dải pha trộn tớnh từ biờn ghộp, chƣơng trỡnh sẽ căn cứ vào khoảng cỏch này để xỏc định tỷ lệ pha trộn giỏ trị giữa hai ảnh. Lấy vớ dụ nếu ta chọn khoảng cỏch là 20 thỡ khi ghộp 2 ảnh cỏc điểm ảnh cỏch biờn ghộp từ 20 điểm
trở lờn sẽ đƣợc nhận nguyờn 100% giỏ trị của điểm ảnh bờn dƣới, ở khoảng cỏch 19 điểm từ biờn ghộp giỏ trị của điểm ảnh đƣợc tớnh theo tỷ lệ 5% giỏ trị của điểm ảnh bờn trờn + 95% giỏ trị của điểm ảnh phớa dƣới, càng tiến gần hơn tới biờn ghộp giỏ trị của điểm ảnh bờn trờn càng chiếm tỷ lệ lớn hơn và tại biờn ghộp tỷ lệ này sẽ là 100% giỏ trị của điểm ảnh bờn trờn, 0% giỏ trị của điểm ảnh bờn dƣới. Bằng cỏch nhƣ vậy ảnh ghộp sẽ đƣợc chuyển dần từ cấp độ xỏm của ảnh này sang ảnh kia do vậy vết ghộp sẽ khụng bị lộ.
Trong những trƣờng hợp cần thiết chƣơng trỡnh cũng cho phộp sử dụng đồng thời cả hai khả năng trờn để cú thể tạo nờn một ảnh ghộp hoàn hảo. Tuy nhiờn cần lƣu ý rằng nếu những khỏc biệt giữa hai ảnh là do sự thay đổi của bản thõn khu vực giữa hai thời điểm thu ảnh thỡ cả hai giải phỏp trờn đều chỉ cú thể hạn chế phần nào chứ khụng thể xoỏ đi đƣợc sự khỏc biệt này. Do vậy nếu cú điều kiện nờn lựa chọn kỹ cỏc ảnh trƣớc khi ghộp.
Trong nghiờn cứu này, do cả hai cặp ảnh sử dụng để ghộp đều đƣợc thu gần nhƣ đồng thời trong cựng một ngày nờn khụng cần thiết phải ỏp dụng cỏc kỹ thuật kể trờn. Trờn cỏc ảnh ghộp hoàn toàn khụng phỏt hiện thấy vết ghộp, chứng tỏ quỏ trỡnh hiệu chỉnh hỡnh học cũng đó đƣợc thực hiện với độ tin cậy cao. Do vậy, sai số về hỡnh học sẽ khụng phải là nguyờn nhõn ảnh hƣởng tới kết quả phõn tớch biến động sau này.
Tới đõy, ta chỉ cũn cần phải lựa chọn, trớch tỏch riờng khu vực nghiờn cứu để hoàn tất cụng đoạn chuẩn bị tƣ liệu ảnh. Cụng việc này cú thể thực hiện dễ dàng nhờ những chức năng sẵn cú trong mọi phần mềm xử lý ảnh.
Cụng đoạn phõn tớch ảnh đƣợc thực hiện theo quy trỡnh mà nghiờn cứu sinh đó đề xuất và mụ tả kỹ trong chƣơng 3. Ban đầu ảnh đƣợc phõn loại bằng phƣơng phỏp phõn loại khụng giỏm sỏt ISODATA. Sau khi xỏc định cỏc đặc trƣng thống kờ của chỳng, cỏc lớp đƣợc lần lƣợt hiện đố trờn ảnh gốc để nhận
(lựa chọn, nhúm gộp cỏc lớp dựng trong phõn loại cú giỏm sỏt về sau), xỏc định cỏc lớp cần bổ sung và lựa chọn cỏc vựng mẫu cho chỳng. Với hệ thống phõn loại đó xỏc định và cú trong tay đầy đủ cỏc đặc trƣng thống kờ của mỗi lớp trong hệ thống phõn loại, ta tiến hành phõn loại lại ảnh bằng phƣơng phỏp phõn loại hợp lý tối đa. Sau đú, lại lần lƣợt hiện đố từng lớp trong kết quả phõn loại lờn ảnh gốc để kiểm tra, nhúm gộp cỏc lớp thành cỏc lớp thụng tin theo chỳ giải của bản đồ cần xõy dựng, đỏnh dấu cỏc khu vực cần kiểm tra trong chuyến đi thực địa. Sau cụng đoạn này ta cú thể xỏc định lộ trỡnh và tiến hành một chuyến đi thực địa để xỏc minh những khu vực cũn nghi vấn, kiểm tra đỏnh giỏ độ tin cậy của kết quả phõn loại. Sau chuyến đi, tiến hành chỉnh sửa ảnh kết quả phõn loại bằng cỏc kỹ thuật nhƣ đó mụ tả ở đầu chƣơng để hoàn thiện cỏc bản đồ hiện trạng ở mỗi thời điểm nghiờn cứu, cập nhật cơ sở dữ liệu trƣớc khi bắt tay vào phõn tớch đỏnh giỏ biến động. Chƣơng trỡnh phõn tớch biến động trong Envi một mặt cho phộp tạo bảng thống kờ diện tớch biến động qua lại giữa cỏc lớp, mặt khỏc tạo ra cỏc bản đồ biến động từ mỗi lớp sang cỏc lớp cũn lại giỳp xỏc định đƣợc cụ thể vị trớ và loại hỡnh từng khu vực biến động. Tuy nhiờn, để cho bản đồ dễ đọc nờn tiến hành nhúm gộp cỏc lớp thành cỏc nhúm lớn hơn trƣớc khi phõn tớch biến động. Ngoài ra ta cũng cú thể sử dụng cỏc kờnh ảnh mặt nạ để phõn tớch riờng chỉ những khu vực cần quan tõm.
4.4 Bản đồ hiện trạng lớp phủ cỏc năm 1993 và 2000
Bản đồ hiện trạng lớp phủ cỏc năm 1993 và 2000, đƣợc xõy dựng theo quy trỡnh vừa mụ tả ở trờn. Tuy nhiờn, để hạn chế số lƣợng cỏc lớp phổ trong mỗi lần phõn loại, nhằm nõng cao tốc độ xử lý, đồng thời mụ phỏng cỏch thức tớch hợp cỏc thụng tin bổ trợ trong quỏ trỡnh phõn tớch ảnh, ở đõy nghiờn cứu sinh đó lựa chọn giải phỏp sử dụng cỏc ảnh mặt nạ, đƣợc xõy dựng trờn cơ sở
phõn ngƣỡng ảnh chỉ số thực vật, để tiến hành phõn tớch riờng rẽ cỏc vựng ảnh, tƣơng ứng với những giới hạn khỏc nhau của chỉ số này. Chỉ số thực vật đƣợc sử dụng ở dạng hiệu chuẩn hoỏ (normalized difference vegetation index) và đƣợc tớnh theo cụng thức: 3 4 3 4 Band Band Band Band R IR R IR NDVI (4.3)
Trong đú IR và R là cỏc giỏ trị của cựng điểm ảnh trờn cỏc kờnh hồng
ngoại và kờnh ỏnh sỏng đỏ mà trong trƣờng hợp của ảnh Landsat TM và ETM là cỏc kờnh 4 và 3.
Chỉ số này nhƣ ta đó biết đƣợc xõy dựng dựa trờn đặc điểm của đƣờng cong phản xạ phổ của thực vật (nhỏ ở vựng xanh lam, tăng nhẹ để tạo nờn một cực đại ở vựng xanh lỏ cõy, giảm xuống cực tiểu ở vựng súng đỏ rồi tăng đột ngột ở vựng cận hồng ngoại) và thƣờng đƣợc dựng trong cỏc phõn tớch đỏnh giỏ về thảm thực vật. Từ cụng thức (4.3) cú thể thấy chỉ số thực vật NDVI cú giỏ trị dao động trong khoảng từ -1 (khi IR = 0) tới 1 (khi R = 0). Do nƣớc cú khả năng hấp thụ mạnh bức xạ ở dải hồng ngoại, nờn mặt nƣớc thƣờng cú giỏ trị chỉ số thực vật rất thấp. Ngƣợc lại, thực vật do cú hệ số phản xạ phổ cú một cực tiểu trong vựng súng đỏ và tăng mạnh ở vựng hồng ngoại nờn thƣờng cú giỏ trị chỉ số thực vật tƣơng đối lớn. Trong nghiờn cứu của mỡnh, sau khi đo đạc xỏc định giỏ trị NDVI trờn một số vựng mẫu tiờu biểu, nghiờn cứu sinh đó lựa chọn sử dụng 3 ảnh mặt nạ tƣơng ứng với giỏ trị NDVI trong cỏc khoảng: 0.15; 0.150.2 và 0.2 để chia ảnh thành 3 khu vực (hỡnh 4.7). Thực tế kết quả phõn loại sau này cho thấy: khu vực 1 gồm chủ yếu là cỏc lớp nƣớc, mõy và một số ớt khu vực lỳa nƣớc (chƣa hoặc mới reo cấy), khu vực 2 gồm chủ yếu là cỏc loại đất nụng nghiệp, đỏt trống, đất đụ thị và cuối cựng khu vực 3 gồm chủ yếu cỏc loại đất lõm nghiệp, thổ cƣ và cõy trồng lõu năm.
(b)
Hỡnh 4.7: Cỏc ảnh mặt nạ (a) và kết quả phõn loại ảnh năm 1993 bằng
phương phỏp ISODATA được gỏn màu theo cỏc lớp thụng tin (b)
Bờn cạnh việc sử dụng để tạo cỏc ảnh mặt nạ, nhƣ một giải phỏp để mở rộng khụng gian phổ, ảnh NDVI cũn đƣợc sử dụng nhƣ một kờnh ảnh bổ sung trong quỏ trỡnh phõn tớch ảnh tiếp sau. Muốn vậy, cần đƣa nú về dạng số nguyờn một byte bằng cụng thức: byteNDVI*127128, trƣớc khi nhúm gộp với ảnh gốc thành một ảnh.
Quỏ trỡnh phõn tớch ảnh sau đú đƣợc tiến hành riờng trờn từng khu vực theo quy trỡnh đó mụ tả. Ban đầu, mỗi khu vực ảnh đƣợc phõn loại bằng phƣơng phỏp ISODATA thành từ 10 đến 15 lớp phổ. Sau khi biểu diễn lần lƣợt từng lớp lờn trờn ảnh gốc, cú thể thấy: do đó sử dụng giỏ trị ngƣỡng, cỏc điểm ảnh chỉ đƣợc phõn loại khi cú khoảng cỏch tới tõm lớp dƣới 1,5 lần độ lệch chuẩn của mỗi lớp, nờn ngoại trừ 1-2 lớp bị lẫn cần loại bỏ, cỏc lớp cũn
lại đều tƣơng ứng khỏ nhất quỏn với cỏc loại lớp phủ nờn đƣợc giữ lại để đƣa vào hệ thống phõn loại dựng trong quỏ trỡnh phõn loại cú giỏm sỏt ở bƣớc sau.
Hỡnh 4.8: Kết quả phõn loại ảnh năm 1993 bằng phương phỏp ISODATA
Hỡnh 4.9: Kết quả phõn loại ảnh năm 2000 bằng phương phỏp ISODATA
(sau khi đó nhúm gộp, gỏn màu theo cỏc lớp thụng tin)
Bờn cạnh đú, với việc phõn chia ảnh bằng cỏc ảnh mặt nạ, tƣơng ứng với những khoảng giỏ trị khỏc nhau của chỉ số thực vật, mỗi khu vực ảnh, trờn thực tế, tƣơng ứng với một tập hợp cỏc lớp phổ riờng. Do vậy, số lƣợng tổng cộng cỏc lớp phổ đƣợc phõn loại trờn toàn ảnh là tƣơng đối lớn, đủ phản ỏnh khỏch quan tớnh phức tạp của khu vực. Tập trung quan sỏt cỏc vựng ảnh chƣa đƣợc phõn loại cú thể thấy chỉ một số ớt cỏc đối tƣợng nhƣ bói bồi, đất đụ thị (và mõy trờn ảnh năm 2000) là bị bỏ sút cần bổ sung vào hệ thống phõn loại và lựa chọn cho chỳng những vựng mẫu đại diện (xem hỡnh 4.8 và 4.9).
Sau khi xỏc định đƣợc cỏc đặc trƣng thống kờ của mỗi lớp, phƣơng phỏp hợp lý tối đa đƣợc sử dụng để phõn loại lại ảnh. Cỏc lớp sau đú đƣợc nhúm gộp lại thành từng lớp thụng tin tƣơng ứng với cỏc loại lớp phủ, trƣớc khi ghộp nối lại ảnh. Lƣu ý rằng, mặc dự cỏc ảnh viễn thỏm sử dụng cho luận
ỏn đó đƣợc lựa chọn cẩn thận và cú chất lƣợng tƣơng đối tốt, nhƣng trờn ảnh vẫn cũn một vài khu vực nhỏ bị mõy che phủ nờn trong kết quả phõn loại vẫn tồn tại lớp mõy. Để loại bỏ, ta chấp nhận một giả định là trong những khu vực bị mõy che phủ khụng cú sự biến động về lớp phủ và thay thế cỏc điểm ảnh thuộc lớp mõy bằng kết quả phõn loại chỳng trờn ảnh khụng bị mõy.
Để loại mõy theo cỏch thức nhƣ vậy, cũng nhƣ để ghộp nối lại cỏc vựng ảnh sau khi phõn loại, nghiờn cứu sinh đó sử dụng chức năng Band Math của Envi, một cụng cụ cho phộp tạo ra một ảnh mới nhƣ kết quả thực hiện một biểu thức toỏn học trờn cỏc kờnh ảnh, do ngƣời sử dụng tự viết trong ngụn ngữ IDL. Khi vận dụng chức năng này cho cỏc ảnh phõn loại cần lƣu ý những điểm sau:
Trờn ảnh phõn loại, giỏ trị của cỏc điểm ảnh thƣờng đƣợc lƣu giữ dƣới dạng một số nguyờn 8 bit nhƣ một mó số để ký hiệu cho một lớp. Tờn lớp đƣợc ghi trong tệp mụ tả (đi kốm theo ảnh) dƣới dạng cỏc phần tử của một ma trận kiểu chuỗi ký tự mà thứ tự của cỏc phần tử trong ma trận này đƣợc sắp xếp theo đỳng thứ tự từ nhỏ đến lớn của mó lớp. Chƣơng trỡnh Band Math, khi tiến hành thao tỏc trờn cỏc ảnh phõn loại sẽ coi giỏ trị của cỏc điểm ảnh nhƣ cỏc số nguyờn thụng thƣờng và ảnh ra cũng khụng cũn đƣợc xem nhƣ một ảnh phõn loại nữa.
Mó của cỏc lớp trờn hai ảnh phõn loại khỏc nhau thƣờng khụng cú sự nhất quỏn . Vớ dụ cựng là lớp đất lỳa nhƣng cú thể đƣợc biểu diễn bằng hai mó khỏc nhau, ngƣợc lại, cựng một số nguyờn nhƣng lại cú thể đại diện cho hai lớp hoàn toàn khỏc nhau trờn hai ảnh. Do vậy, nếu đơn thuần lấy giỏ trị của điểm ảnh trờn ảnh này gỏn cho điểm ảnh tƣơng ứng trờn ảnh kia ta cú thể vụ tỡnh đó tạo ra một điểm ảnh thuộc một lớp hoàn toàn khụng nhƣ mong muốn. Núi cỏch khỏc, để chuyển một điểm ảnh từ một ảnh phõn loại này sang
với bảng mó sử dụng trờn ảnh ra. Trong trƣờng hợp loại bỏ mõy, gọi ảnh 1 là ảnh chứa lớp mõy cần loại bỏ, ảnh 2 là ảnh đƣợc dựng để thay thế lớp mõy trờn ảnh 1, ta cú thể lần lƣợt tiến hành cỏc bƣớc nhƣ sau: 1) xỏc định mó số của mỗi lớp trờn từng ảnh; 2) tạo ra từ ảnh 2 một ảnh trung gian bằng cỏch thay thế giỏ trị mỗi điểm ảnh của ảnh này bằng cỏc mó số tƣơng ứng trờn ảnh 1 của lớp mà nú biểu diễn và 3) sử dụng giỏ trị cỏc điểm ảnh tƣơng ứng trờn ảnh trung gian này để thay thế cho cỏc điểm mõy trờn ảnh 1. Trong trƣờng hợp để ghộp nối cỏc vựng ảnh đƣợc phõn loại độc lập ta sẽ phải tự mó hoỏ lại cỏc lớp cú mặt trờn ảnh cho nhất quỏn trƣớc khi tiến hành ghộp nối.
Ảnh kết quả đƣợc tớnh bằng chức năng Band Math, nhƣ đó núi, khụng cũn đƣợc coi nhƣ một ảnh phõn loại (nờn sẽ khụng thể ỏp dụng đƣợc cỏc chức năng sẵn cú của chƣơng trỡnh đƣợc cài đặt riờng cho cỏc ảnh phõn loại nhƣ: biểu diễn với cỏc màu định trƣớc cho mỗi lớp, chồng ghộp lờn trờn ảnh gốc, xử lý sau phõn loại v.v.). Để chuyển ngƣợc về thành ảnh phõn loại cần sửa đổi lại nội dung của tệp mụ tả ảnh bằng một trong những chƣơng trỡnh soạn thảo văn bản sẵn cú.
Cỏc ảnh phõn loại năm 1993 và 2000, sau khi nhúm gộp lớp, đó lần