Chương 2. MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.4. Phương pháp nghiên cứu
2.4.2. Phương pháp sử dụng công nghệ xử lý ảnh số và GIS
Ứng dụng công cụ GIS để chuyển đổi dữ liệu dạng grid sang dạng dữ liệu raster, trích xuất thông tin từ raster, phân lớp ảnh số, trình bầy bản đồ.
Ứng dụng công cụ xử lý ảnh số để tính toán raster, chuyển đổi độ phân giải, chuyển đổi hệ toạ độ.
2.4.2.1. Ứng dụng kỹ thuật chuyển dữ liệu dạng lưới vuông grid sang dữ liệu raster.
Nhiệt độ, độ ẩm không khí và lượng mưa có thể coi là giá trị của biểu thị một bề mặt trong không gian 2 chiều. Để mô hình hoá bề mặt này, các phương pháp phổ biến là:
- Biểu thị dạng đường contour
- Biểu thị mạng lưới tam giác không đều (Triangulated Irregular Networks).
- Biểu thị mạng lưới ô vuông đều (Regular Grid Networks).
Phần lớn các dữ liệu khí tượng đều được lưu trữ dưới dạng mô hình lưới đều GRID (Regular Rectangular Grid). Do máy tính có khả năng xử lý ma trận dễ dàng nên dữ liệu loại mô hình GRID này rất phổ biến. Trong mô hình raster GRID này vùng địa hình được chia thành các ô (cell) trên cơ sở hàng và cột. Mỗi một nút chứa giá trị nhiệt độ, độ phân giải của mạng lưới là khoảng cách giữa 2 nút lân cận.
Hình 2.1. Mạng lưới ô vuông đều
Khi chuyển đổi sang dạng raster có cùng độ phân giải với độ phân giải của mạng lưới thì các mắt lưới là tâm của pixel và giá trị mắt lưới là giá trị của pixel ảnh. Phần lớn các phần mềm có thể đọc trực tiếp dạng grid và biểu thị dạng raster nhưng để tính toán vì việc chuyển đổi sang dạng raster là rất cần thiết.
Ví dụ như dữ liệu lượng mưa được lưu trữ dạng Grid như hình dưới đây:
Hình 2.2. Dữ liệu dạng Grid được lưu trữ trong tệp
Các bước thực hiện chuyển đổi từ dạng Grid sang dạng Raster trong phần mềm ArcGIS như sau:
- Đọc dữ liệu dạng grid lưu trữ trong tệp dạng txt.
- Chuyển đổi từ mắt lưới của Grid sang dạng điểm lưu dạng *.shp: sử dụng công cụ Display XY data để chuyển đổi và lưu dạng *.shp.
Hình 2.3: Chuyển đổi từ dạng txt sang dạng shp trong ArcGIS
Hình 2.4: Grid đã được chuyển từ dạng txt sang dạng vector
- Chuyển đổi điểm lưu dạng *.shp sang dạng raster: sử dụng công cụ Point to Raster trong To Raster trong Conversion Tools của bộ ArcTool box:
Hình 2.5: Sử dụng công cụ chuyển đổi dạng điểm sang dạng raster
Hình 2.6: Kết quả chuyển đổi dạng điểm sang dạng raster 2.4.2.2. Ứng dụng kỹ thuật chồng lớp dữ liệu raster.
Để tính toán giữa các ảnh thì các ảnh phải được chồng lớp với nhau và có cùng độ phân giải. Ví dụ mô hình số SRTM có độ phân giải 90 mét, trong khi đó độ phân giải của dữ liệu nhiệt độ bề mặt đất từ MODIS là 1km. Để tính toán giữa hai dữ liệu thì phải chuyển đổi độ phân giải về cùng nhau. Thông thường sẽ chuyển đổi từ độ phân giải cao về độ phân giải thấp hơn.
Quá trình chuyển đổi độ phân giải gồm 2 bước:
- Bước 1: Tạo một ảnh với các mắt lưới có kích thước bằng bằng độ phân giải ảnh cần chuyển đổi, có kích thước ảnh xấp xỉ bằng ảnh gốc với hệ toạ độ cho trước.
- Bước 2: Tính giá trị của các mắt lưới bằng phương pháp nội suy.
Phương pháp nội suy có thể là phương pháp người láng giềng gần nhất, phương pháp song tuyến tính, phương pháp nội suy xoắn bậc ba. Trong quá trình thực hiện, đề tài sử dụng phương pháp song tuyến tính bởi các điểm trong không gian với các loại dữ liệu có độ phân giải thấp thường trên 100 mét. Các yếu tố địa hình khí tượng không có sự liên kết tới mức 16 pixel xung quanh như phương pháp nội suy xoắn bậc ba và nếu sử dụng phương người láng giềng gần nhất thì điểm pixel sẽ chỉ lấy giá trị gần nhất thì không đặc trưng cho khu vực mà pixel đại diện. Phương pháp song tuyến tính là giải pháp trung dung cho 2 phương án trên.
Sau khi đưa các ảnh về cùng độ phân giải, có thể chồng chập các ảnh lên với nhau. Dữ liệu mới lúc này là một ảnh gồm các kênh trong đó các kênh chính là dữ liệu dạng raster của các số liệu.
Trong phần mềm ENVI, sử dụng công cụ Layer Stacking trong thanh công cụ Basic Tool. Cửa sổ đặt tham số trong thanh công cụ Layer Stacking như hình dưới:
Hình 2.7: Giao diện thiết lập thông số chồng lớp dữ liệu raster
- Công cụ Import File sẽ cho phép nhập dữ liệu Raster, Recorder Files sắp xếp thứ tự của từng dữ liệu raster.
- Hệ toạ độ có thể lựa chọn trong các tham số phần Out Map Project - Độ phân giải đầu ra được lựa chọn ở pixel size
- Phương pháp tái chia mẫu đặt ở Resampling.
2.4.2.3. Kỹ thuật trích xuất giá trị pixel từ tại trạm quan trắc.
Các vị trí của trạm quan trắc được là điểm với toạ độ cùng trong hệ toạ độ với dữ liệu raster và lưu trữ dưới dạng shape file.
Sử dụng công cụ extract multi values to point của extraction trong Spatial Analyst Tools trong Arctool box của bộ phần mềm ArcGIS để trích xuất các giá trị của raster vào trường thuộc tính của từng điểm.
2.4.2.4. Ứng dụng kỹ thuật xử lý ảnh số tính toán ảnh.
Tính toán ảnh là kỹ thuật rất quan trọng để xử lý ảnh số. Ví dụ cụ thể là tính toán ảnh nhiệt độ không khí gần mặt đất từ nhiệt độ bề mặt đất theo công thức T_air = a + b.T_suf. Khi đó tính toán ảnh sẽ thực hiện thao tác nhân các giá trị của ảnh T_suf với tham số b sau đó lại cộng giá trị mới đó với tham số a. Bản chất là quá trình tính ma trận 2 chiều của ảnh. Tuy nhiên, trên ảnh sẽ có những giá trị trên biển, bị mây che khuất không có giá trị. Những giá trị này cần phải loại trừ trong tính toán. Do đó sử dụng công cụ band math tính toán ảnh của ENVI sẽ thực hiện việc này hết sức dễ dàng. Công cụ band math cũng nằm trong thanh công cụ Basic Tool.