2.3.1. Thông tin trên ảnh viễn thám
Viễn thám được định nghĩa theo nhiều cách khác nhau nhưng đều có chung một quan điểm: viễn thám là khoa học thu nhận thông tin phản ánh về vật thể mà không tiếp xúc trực tiếp với vật thể đó (Vũ Anh Tuân, 2004).
“Viễn thám là khoa học và công nghệ mà nhờ nó các tính chất của vật thể quan sát được xác định, đo đạc, hoặc phân tích mà không cần tiếp xúc trực tiếp với chúng”.
Thông tin thu được từ các đối tượng trong quá trình chụp ảnh vệ tinh (ảnh viễn thám và vệ tinh quang học, do đó thuật ngữ “ảnh viễn thám” được hiểu là “ảnh vệ tinh quang học”) là nhờ sự khác biệt của phản ứng với sóng điện từ của các đối tượng khác nhau (các phản ứng: phản xạ, hấp thụ, phân tán sóng điện từ). Năng lượng sóng phản xạ từ đối tượng bao gồm hai phần:
năng lượng phản xạ trực tiếp từ bề mặt đối tượng và năng lượng tán xạ bởi cấu trúc bề mặt đối tượng. Năng lượng phản xạ trực tiếp không phụ thuộc vào bản chất của đối tượng mà chỉ phụ thuộc vào đặc tính của bề mặt đối tượng
(độ gồ ghề, hướng…của đối tượng) và tạo nên độ chói cho đối tượng. Trong khi đó, năng lượng tán xạ là kết quả của một quá trình tương tác giữa bức xạ tới với bề dày của đối tượng mà bức xạ đó có khả năng xuyên tới. Năng lượng này phụ thuộc vào cấu trúc, bản chất và trạng thái của đối tượng. Đây là nguồn năng lượng mang thông tin giúp ta nhận biết được các đối tượng và trạng thái của chúng.
Những đối tượng trên mặt đất có thể tổng quát thành ba đối tượng chủ yếu là: lớp phủ thực vật, đất trống (cát, đá, các công trình xây dựng) và nước.
Mỗi loại đối tượng này có mức độ phản xạ khác nhau với sóng điện từ tại các bước sóng khác nhau (hình 2.4).
Sau đây tóm tắt đặc điểm phổ phản xạ các đối tượng tự nhiên chính trong Viễn thám
Sở dĩ có thể phân biệt được các đối tượng trên là do phổ phản xạ ánh sáng Mặt Trời của chúng khác nhau, nghĩa là tín hiệu phản xạ do vệ tinh thu được khác nhau ở từng đối tượng. Vì vậy, hình dạng của đường cong phổ phản xạ phụ thuộc rất nhiều vào tính chất của các đối tượng. Trong thực tế, các giá trị phổ của các đối tượng hay của một nhóm đối tượng cũng rất khác nhau. Nhưng về cơ bản chúng dao động xung quanh giá trị trung bình như hình 2.4.
- Thực vật : Thực vật khoẻ mạnh chứa nhiều diệp lục tố (Chlorophyll), phản xạ rất mạnh ỏnh sỏng cú bước súng từ 0,45 - 0,67àm (tương ứng với dải sóng màu lục - Green) vì vậy ta nhìn thấy chúng có màu xanh lục. Khi diệp lục tố giảm đi, thực vật chuyển sang có khả năng phản xạ ánh sáng màu đỏ trội hơn. Dẫn đến lá cây có màu vàng (do tổ hợp màu Green và Red) hoặc màu đỏ hẳn, ở vựng hồng ngoại phản xạ (từ 0,7 -1,3 àm) thực vật cú khả năng phản xạ rất mạnh, khi sang vùng hồng ngoại nhiệt và vi sóng một số điểm cực trị ở vùng sóng dài làm tăng khả năng hấp thụ ánh sáng của hơi nước trong lá,
khả năng phản xạ của chúng giảm đi rõ rệt và ngược lại, khả năng hấp thụ ánh sáng lại tăng lên. Đặc biệt đối với rừng có nhiều tầng lá, khả năng đó càng tăng lên
Hình 2.4. Đặc điểm phổ phản xạ của các đối tượng tự nhiên chính (Nguyễn Ngọc Thạch, 2005. Cơ sở viễn thám)
- Nước : nước trong chỉ phản xạ mạnh ở vùng sóng của tia xanh lơ (Blue) và yếu dần khi sang vùng tia xanh lục (Green), triệt tiêu ở cuối dải sóng đỏ (Red). Khi nước bị đục, khả năng phản xạ tăng lên do ảnh hưởng sự tán xạ của các vật chất lơ lửng. Sự thay đổi về tính chất của nước (độ đục, độ mặn, độ sâu, hàm lượng Clorophyl,...) cũng đều ảnh hưởng đến tính chất phổ của chúng
- Đất khô: đường cong phổ phản xạ của đất khô tương đối đơn giản, ít có những cực đại và cực tiểu một cách rõ ràng, lý do chính là các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất phổ của đất khá phức tạp và không rõ ràng như ở thực vật. Tuy nhiên quy luật chung là giá trị phổ phản xạ của đất tăng dần về phía sóng có bước sóng dài. Các cực trị hấp thụ phổ do hơi nước cũng diễn ra ở vựng 1,4;1,9 và 2,7 àm.
Bên cạnh đó, trong một vài trường hợp nhất định, khả năng phản xạ của các đối tượng khác nhau lại giống nhau, đặc biệt là với các đối tượng thực
vật. Khi đó, chúng ta rất khó hoặc không thể phân biệt được các đối tượng này, nghĩa là bị lẫn. Đây là một trong những hạn chế của ảnh vệ tinh.
2.3.2. Dữ liệu viễn thám và lựa chọn tư liệu ảnh cho khu vực ven biển tỉnh Thái Bình.
a. Dữ liệu viễn thám
Dữ liệu viễn thám bao gồm dữ liệu ảnh hàng không và dữ liệu ảnh vệ tinh. Viễn thám vệ tinh sử dụng các bộ cảm gắn trên vệ tinh nhân tạo hoạt động ở nhiều bước sóng từ 400 nm - 25cm để thu dữ liệu về các đối tượng nghiên cứu trên Trái đất.
Một số bộ cảm hoạt động trong vùng nhìn thấy và cận hồng ngoại của dải phổ cung cấp các thông số liên hệ với màu của đối tượng, thường liên quan đến tính chất hóa học hay khoáng vật của đối tượng. Dữ liệu thu được từ các bộ cảm hồng ngoại nhiệt cho biết giá trị liên quan đến nhiệt độ và các tính chất nhiệt của đối tượng. Với những thông tin về độ nhám bề mặt và độ ẩm có thể chiết xuất từ dữ liệu thu ở các bước vi sóng (radar).
Ảnh vệ tinh ngày nay càng đa dạng, cung cấp nhiều thông tin. Việc ứng dụng viễn thám trong nghiên cứu biến động lớp phủ thực vật nói chung và lớp phủ thực vật ngập mặn nói riêng đòi hỏi phải chú ý lựa chọn dữ liệu sao cho phù hợp.
Các thông số quan trọng nhất đặc trưng cho thông tin của một ảnh vệ tinh cần được lựa chọn cho đối tượng nghiên cứu, đó là độ phân giải không gian, độ phân giải phổ và độ phân giải thời gian.
- Độ phân giải không gian: độ phân giải không gian của ảnh vệ tinh, do đặc tính của đầu thu, phụ thuộc vào trường nhìn tức thì (IFOV) được thiết kế sẵn. Ý nghĩa quan trọng nhất của độ phân giải không gian là nó cho biết đối tượng nhỏ nhất mà có thể phân biệt trên ảnh. Hiện nay có nhiều nghiên cứu
phân loại dưới pixel như phân loại Fuzzy..., tuy nhiên vẫn còn nhiều vấn đề phức tạp cần được nghiên cứu thêm.
- Độ phân giải phổ: vệ tinh thu nhận sóng phản xạ trên một khoảng bước sóng nhất định. Độ rộng hẹp của khoảng bước sóng này là độ phân giải phổ của ảnh. Theo hình 2.1, khoảng bước sóng càng hẹp thì tính chất phản xạ phổ của đối tượng càng đồng nhất.
- Độ phân giải thời gian: vệ tinh viễn thám chuyển động trên quỹ đạo và chụp ảnh Trái Đất. Sau một khoảng thời gian nhất định, nó quay lại và chụp lại vùng đã chụp. Khoảng thời gian này gọi là độ phân giải thời gian của vệ tinh. Với khoảng thời gian lặp lại càng nhỏ thì thông tin thu thập càng nhiều.
Ngoài ra, số lượng kênh ảnh cũng là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến thông tin thu nhận trên ảnh viễn thám. Ảnh được thu càng nhiều kênh thì càng có nhiều thông tin về đối tượng thu được. Các ảnh đa phổ thông thường thu được từ 3 – 10 kênh.
Khả năng nhận biết đối tượng trên ảnh vệ tinh phụ thuộc vào độ phân giải. Căn cứ vào độ phân giải không gian của ảnh, ta có thể chia ra thành 4 mức dữ liệu ảnh viễn thám: một là, dữ liệu có độ phân giải thấp như ảnh NOAA, hai là, dữ liệu có độ phân giải trung bình như ảnh Landsat MSS (80m)… ba là, dữ liệu có độ phân giải cao như Landsat TM(30m, 15m), Spot (20m, 10m…) Aster (15m) và bốn là, ảnh có độ phân giải siêu cao như IKONOS (1 – 5m), ảnh Quikbirb (1m). Đối với việc thành lập bản đồ lớp phủ mặt đất nói chung và lớp phủ thực vật ngập mặn nói riêng cho khu vực ven biển tỉnh Thái Bình thì dữ liệu ảnh vệ tinh được sử dụng rộng rãi hơn tất cả vì giá thành rẻ hơn (so với ảnh Spot. Aster..), so với ảnh Landsat MSS thì ảnh Landsat TM có độ phân giải không gian cao hơn, độ phân giải phổ cũng cao hơn(ảnh Landsat TM có 7 kênh phổ , còn ảnh Landsat MSS có 4 kênh phổ).
Bảng 2.1 sau đây sẽ cho biết các ứng dụng chính của các kênh phổ của Landsat TM.
Bảng 2.1. Bảng ứng dụng chính của các kênh phổ của Landsat TM Kênh Bước sóng
(àm)
Vị trí kênh phổ
Các ứng dụng chính
1 0.45 – 0.52 Lam Có ích đối với lập bản đồ đường bờ vì kênh này có khả năng cho ánh sáng phản xạ khác nhau rất rõ đối tượng nước với đất,
Có khả năng phân biệt rõ đất - thực vật, nên thuận tiện thành lập bản đồ kiểu rừng và các đối tượng văn hóa
2 0.52 – 0.6 Lục Dải sóng này thiết kế nhằm đo giá trị phản xạ cao nhất của ánh sáng màu lục, do đó rất có ích cho việc phân biệt và đánh giá sức khỏe của thực vật
3 0.63 – 0.69 Đỏ Nhận biết vùng hấp thụ ánh sáng của diệp lục, nhằm phân biệt các loài cây
4 0.76 – 0.9 Cận
hồng ngoại
Là vùng thực có phản xạ cao nhất, có tác dụng xác định sức khỏe, các kiểu và sinh
khối của cây
5 1.55 – 1.75 Hồng
ngoại giữa
Cho biết chỉ thị độ ẩm của thực vật, độ ẩm của đất, và có thể dựa vào đó phân biệt vùng tuyết và mây.
6 10.4 – 12.5 Hồng
ngoại nhiệt
Phân biệt độ ẩm của đất, thành lập bản đồ nhiệt
7 2.8 – 2.35 Hồng
ngoại giữa
Có khả năng phân biệt các loại khoáng vật, đá, nhậy cảm với độ ẩm thực vật
Dựa vào ứng dụng chính của các kênh phổ nêu trong bảng trên, đối với việc nghiên cứu lớp phủ thực vật ngập mặn sẽ chú ý sử dụng 4 kênh 1, 2, 3, 4.
Nhìn chung, dữ liệu ảnh viễn thám thuận tiện cho việc thành lập bản đồ lớp phủ mặt đất, tạo các bản đồ chỉ số như chỉ số thực vật. Dựa vào độ phân giải thời gian của ảnh ta có thể phát hiện ra biến động lớp phủ đất. Sản phẩm của dữ liệu viễn thám, kết hợp với dữ liệu GIS nhằm tạo ra thông tin hữu ích nhằm đánh giá, trợ giúp quyết định liên quan đến tài nguyên thiên nhiên nói chung và lớp phủ thực vật nói riêng.
b. Lựa chọn tư liệu ảnh trong nghiên cứu biến động lớp phủ thực vật ngập mặn khu vực ven biển tỉnh Thái Bình
Trong nghiên cứu, việc lựa chọn tư liệu ảnh phụ thuộc vào đối tượng nghiên cứu và nguồn tư liệu ảnh sẵn có. Theo đánh giá trong nhiều công bố khoa học ứng dụng công nghệ viễn thám mỗi loại ảnh thường chỉ có giá trị sử dụng cho từng đối tượng cụ thể (nguồn: Phạm Quang Sơn, 2004). Trong nghiên cứu đường bờ, đối tượng cần phân biệt là vùng đất và nước. Do đó, tư liệu ảnh sử dụng là các ảnh như ảnh máy bay (ảnh màu, ảnh đen trắng…), các
ảnh viễn thám có độ phân giải cao (ảnh SPOT, ASTER, Landsat TM, và ETM) hoặc ảnh Radar như ảnh vệ tinh Radarsat,…Đối với nghiên cứu về trường nhiệt độ bề mặt nước biển, nghiên cứu cháy rừng thì kênh ảnh được sử dụng là kênh hồng ngoại nhiệt (Thermal IR) ở các vệ tinh như NOAA, MODIS, Landsat TM, Landsat ETM. Nếu như nghiên cứu về lớp phủ thực vật cần lưu ý chọn các kênh phổ cận hồng ngoại (Near IR) có ở ảnh SPOT, Landsat TM, Landsat ETM, Landsat MSS, và ảnh NOAA.
Các tư liệu ảnh có thể bổ sung thông tin hoặc thay thế cho nhau. Với ba đặc điểm chính của dữ liệu viễn thám (độ phân giải không gian, phổ và độ phân giải thời gian), chủ yếu người sử dụng chỉ quan tâm đến độ phân giải không gian trong việc giải đoán các đối tượng mà không mấy chú ý đến độ phân giải phổ (phản xạ phổ của đối tượng) và độ phân giải thời gian. Ưu thế mạnh của tư liệu viễn thám là khả năng phân biệt các đối tượng khác nhau dựa vào mức phản xạ của chúng, và cách tối ưu nhất là kết hợp cả hai yếu tố phổ phản xạ và độ phân giải không gian. Để phân biệt tốt các đối tượng, phương án đa số người sử dụng trong kỹ thuật xử lý ảnh số là kết hợp nhiều ảnh có độ phân giải khác nhau. Bên cạnh đó, thế mạnh của tính đa thời gian trong dữ liệu ảnh vệ tinh với việc bổ sung thông tin cho công tác thành lập các bản đồ chuyên đề như là bản đồ lớp phủ với một số các đối tượng thay đổi theo mùa là không thể thiếu. Đặc biệt trong nghiên cứu biến động, ảnh vệ tinh cung cấp thông tin khách quan nhất. Thông tin viễn thám được sử dụng kết hợp với thông tin địa lý khác và tích hợp trên hệ thống GIS, hai công nghệ này bổ sung cho nhau để chiết suất thông tin theo nhiều chiều và theo một không gian địa lý phục vụ cho vấn đề nghiên cứu. Bảng 2.2 dưới đây sẽ cung cấp một số thông tin liên quan đến việc sử dụng tư liệu ảnh vệ tinh trong nghiên cứu các đối tượng ở khu vực ven biển tỉnh Thái Bình nói riêng và đồng bằng, ven biển hiện nay.
Bảng 2.2. So sánh khả năng sử dụng thông tin một số ảnh vệ tinh trong nghiên cứu đồng bằng và ven biển
Tên vệ tinh
Landsat Landsat Seasat Spot Nimbus NOAA Các ứng
dụng
Thiết bị thu
MSS TTM SAR HRV CZCS AVHR
a. Nghiên cứu địa mạo
- Tách đường bờ - Cảnh quan ven bờ - Đo độ sâu và địa hình đáy biển
- Địa hình đới ven biển
- Cửa sông và châu thổ sông
- Đầm lầy ven biển b. Động lực vùng ven bờ
- Biến đổi vùng bờ - Độ đục và bùn cát lơ lửng
- Nhiệt độ mặt nước và dòng chảy
3 3 3
2
3
3
2 2
0
3 3 3
2
3
3
2 2
0
1 1 2
1
1
2
1 2
1
2 3 3
#
#
0
0 0
0
2 1 2
1
1
2
1 1
0
2 0 0
0
0
0
0 1
1
Mức độ sử dụng:
1. Khả năng sử dụng tốt nhất 2. Khả năng sử dụng khá
4. Có thể sử dụng nhưng hạn chế 0. Không thể sử dụng
- Thay đổi đường bờ
- Dòng sa bồi ven biển
- Sóng biển và vùng sóng vỡ
c. Sinh vật biển - Hàm lượng tảo và sinh vật phù du - Thực vật ngập nước và nổi
- Thực vật trong nước
- Điều tra nguồn lợi cá
d. Họat động nhân sinh
- Quy hoạch vùng ven biển
- Nguồn gây ô nhiễm nước biển - Sự cố tràn dầu
4
3
0
3
3
3
3
3
2
4
4
3
0
3
3
3
3
3
2
4
2
1
#
3
3
3
3
2
1
3
#
#
2
#
#
#
3
0
#
1
2
1
3
#
1
2
3
2
1
3
0
2
0
2
0
0
3
0
3
#
3. Khả năng sử dụng trung bình #. Chưa có thông tin chính xác (Phạm Quang Sơn, 2004)
Ở Việt Nam, việc ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS trong các ngành khoa học Trái đất trong những năm gần đây là một bước tiến mới đáng kể. Nhưng một khó khăn lớn là vấn đề cung cấp tư liệu ảnh vệ tinh độ phân giải cao. Với phạm vi của luận văn cao học, chi phí cho việc mua ảnh càng khó khăn. Trong khả năng tài liệu có được của luận văn, Tôi đã lựa chọn ảnh LANDSAT để làm tài liệu.
2.3.3. Chiết xuất thông tin trên ảnh viễn thám
Để chiết xuất thông tin trên ảnh viễn thám, có nhiều phương pháp khác nhau nhưng có thể chia thành 2 nhóm chính là: giải đoán mắt thường và xử lý số.
Giải đoán bằng mắt thường là phương pháp khoanh định các vật thể cũng như xác định trạng thái của chúng nhờ phân biệt các đặc tính thể hiện trên ảnh (màu sắc, kiến trúc, quan hệ với các đối tượng xung quanh…). Xử lý ảnh số để chiết xuất thông tin trên ảnh. Cả hai phương pháp này đều có những ưu, nhược điểm và được ứng dụng tùy vào từng yêu cầu sử dụng. Với mục tiêu chiết xuất thông tin và nghiên cứu biến động lớp phủ thực vật ngập mặn vùng ven biển Thái Bình với diện tích không nhỏ, luận văn lựa chọn phương pháp xử lý ảnh số nhờ ưu điểm lớn nhất của phương pháp là xử lý nhanh và đa thời gian.
Trong phạm vi của luận văn, xử lý ảnh số được sử dụng để chiết xuất thông tin về lớp phủ thực vật ngập mặn khu vực ven biển tỉnh Thái Bình với quy mô pixel. Ở quy mô pixel, ảnh được phân loại và tính toán chỉ số thực vật, hoặc phân loại có kết hợp với chỉ số thực vật (chỉ số thực vật đóng vai trò là một trong các kênh được phân loại).
2.3.4. Các phương pháp đánh giá biến động