Chương 2: ỨNG DỤNG TƯ LIỆU VIỄN THÁM VÀ GIS THÀNH LẬP BẢN ĐỒ LỚP PHỦ RỪNG
2.2. Phương pháp thành lập bản đồ lớp phủ rừng
2.2.2. Phương pháp sử dụng ảnh vệ tinh
Thành lập bản đồ lớp phủ rừng từ tư liệu viễn thám thực chất là quá trình xử lý phân tích, kết hợp với các nguồn tài liệu khác có liên quan cũng như khảo sát
60
ngoại nghiệp để xác định các loại đất, loại rừng theo loại hình sử dụng, vị trí phân bố trong không gian và thể hiện kết quả đó dưới dạng mô hình bản đồ.
Ngoài việc phụ thuộc vào các tư liệu ảnh sử dụng, công tác thành lập bản đồ hiện trạng rừng từ ảnh viễn thám phụ thuộc rất nhiều vào kết quả giải quyết hai vấn đề sau:
- Phương pháp giải đoán ảnh viễn thám.
- Quy trình thành lập bản đồ lớp phủ rừng.
Phương pháp giải đoán tư liệu viễn thám là gán các khoảng cấp độ xám nhất định thuộc một nhóm đối tượng nào đó có các tính chất tương đối đồng nhất nhằm phân biệt các nhóm đó với nhau trong khuôn khổ ảnh cho trước. Phân loại để tách các thông tin là một khâu then chốt của việc khai thác tư liệu viễn thám. Quá trình phân loại có thể được thực hiện theo nhiều phương pháp khác nhau (Các phương pháp giải đoán được trình bày rất cụ thể ở mục 1.1.5.3). Mỗi phương pháp phân loại đều sử dụng những thuật toán nhất định, các thuật toán có giới hạn và khả năng ứng dụng trong các trường hợp khác nhau. Để thành lập bản đồ lớp phủ rừng những phương pháp phân loại thường được sử dụng Minimum Distance, Maximum Likehood, phân loại theo chỉ số thực vật, phân loại theo ngưỡng,…
Quy trình thành lập bản đồ được trình bày cụ thể ở mục tiếp theo 2.3.
2.2.3 Phương pháp sử dụng ảnh vệ tinh để hiện chỉnh bản đồ lớp phủ rừng đã có.
Ở nước ta các tài liệu trắc địa, bản đồ và thông tin về đất đai, tài nguyên rừng còn lưu giữ đa dạng. Các bản đồ địa hình tỷ lệ nhỏ và trung bình từ 1:50.000 đến 1: 1.000.000 gần như bao trùm toàn bộ lãnh thổ. Còn có các bản đồ tỷ lệ lớn hơn được thành lập ở các huyện, xã, lâm trường… Các bản đồ lớp phủ rừng trước đây, bản đồ quy hoạch rừng của thời kỳ trước đã thực hiện, tất cả các tài liệu này được đối chiếu với thực địa nhằm xác định khối lượng công việc, lựa chọn công tác đo vẽ, chỉnh lý và bổ sung các yếu tố địa vật theo nội dung chuyên môn của bản đồ lớp phủ rừng.
Việc sử dụng các tài liệu bản đồ đã xây dựng ở thời kỳ trước là phương pháp mang lại hiệu quả cao và nhanh nhất. Nó cho phép kế thừa các tài liệu thành quả đã
61
có, tiết kiệm chi phí vật tư, không đòi hỏi nhiều về trang thiết bị đo đạc, đỡ tốn công sức. Bên cạnh đó, nó cũng có những hạn chế nhất định như: chất lượng bản đồ hiện trạng rừng phụ thuộc vào những tài liệu bản đồ được lựa chọn sử dụng, và phụ thuộc vào phương pháp xử lý tài liệu và tổng hợp tài liệu.
2.3 Các quy trình thành lập bản đồ lớp phủ rừng
2.3.1 Quy trình thành lập bản đồ lớp phủ rừng từ tư liệu viễn thám Quy trình thành lập bản đồ lớp phủ rừng bằng tư liệu ảnh viễn thám được phân thành hai loại chính:
1. Quy trình thành lập bản đồ lớp phủ rừng bằng phương pháp giải đoán bằng mắt.
2. Quy trình thành lập bản đồ lớp phủ rừng bằng phương pháp số.
Các bước tiến hành xây dựng bản đồ lớp phủ rừng như sau
Hình 2.1 Quy trình thành lập bản đồ lớp phủ rừng bằng tư liệu viễn thám 1. Công tác chuẩn bị
- Lập đề cương.
- Thu thập, phân tích tài liệu.
- Lập chỉ dẫn biên tập.
Một số vấn đề quan trọng trong khâu này là thu thập đầy đủ các tài liệu có liên quan đến thành lập bản đồ lớp phủ rừng. Ở bước này cần xác định loại ảnh viễn
Công tác chuẩn bị
Xử lý ảnh và lập bản đồ nền
Phân tích, và giải đoán
Khảo sát ngoại nghiệp
Biên vẽ bản đồ lớp phủ rừng
62
thám sẽ sử dụng và các tài liệu bổ trợ cung cấp thêm thông tin về các loại đất khó hoặc không xác định được trên ảnh. Các tài liệu này thường là:
- Ảnh vệ tinh (ảnh sử dụng SPOT 5)
- Bản đồ địa hình, bản đồ địa chính, bản đồ quy hoạch sử dụng đất, …
- Bản đồ chuyên đề có liên quan tới sử dụng đất, đặc biệt là bản đồ lớp phủ rừng đã có.
- Các báo số liệu thống kê sử dụng đất của vùng cần thành lập bản đồ.
Những tài liệu này đã in ở dạng trên giấy hoặc ở dạng số đều cần thu thập và phân tích. Trên thực tế cho thấy những tài liệu này có thể đem lại những thông tin giúp ích rất nhiều cho khâu giải đoán ảnh.
2. Xử lý và lập bản đồ nền
- Xử lý ảnh, lập bình đồ ảnh hoặc bình đồ trực ảnh.
- Lập bản đồ nền.
Xử lý ảnh: Có mục đích tạo ra nền ảnh dùng để giải đoán các loại đất rừng.
Quy trình các bước thực hiện xử lý ảnh được trình bày rất kĩ ở mục tiếp theo 2.4.
Tuy nhiên lập bình đồ ảnh bằng phương pháp số đảm bảo được độ chính xác cao hơn và thực hiện nhanh chóng hơn. Ngoài việc nắn chỉnh hình học để tạo ra bình đồ ảnh chính xác cần thiết cho bản đồ, xử lý còn nhằm tạo ra nền ảnh có chất lượng cao về mặt hình ảnh có khả năng thông tin cao, nhờ đó dễ dàng xác định được các loại đất nhằm đảm bảo độ tin cậy của các khoanh vi trên bản đồ.
Bản đồ ảnh: có thể được thành lập bằng phương pháp truyền thống cũng như phương pháp số nhưng tốt nhất là thành lập từ bản đồ địa hình cùng tỷ lệ. Các yếu tố nội dung, mức độ khái quát hoá của từng yếu tố tuân theo các quy định thông thường đối với bản đồ nền.
3. Phân tích và giải đoán
- Khảo sát tổng quan lập khoá giải đoán ảnh: Hệ thống mẫu phân loại sẽ được sử dụng để xác định khoảng giá trị cho từng đối tượng rừng và đất lâm nghiệp theo các tiêu chí tham gia quá trình phân loại.
63
- Số lượng mẫu phải được lựa chọn đảm bảo trạng thái phân loại phải có dung lượng đủ lớn để xác định một cách chính xác ngưỡng cho từng tiêu chí của các trạng thái cần phân tách trong các cảnh ảnh.
- Phân tích, giải đoán ảnh
Phương pháp phân tích giải đoán ảnh có thể tiến hành theo phương pháp giải đoán bằng mắt hoặc phương pháp số. Cả hai trường hợp đều cần khảo sát tổng quan và lập khoá giải đoán ảnh (ảnh mẫu). Khảo sát tổng quan có mục đích tạo cơ hội cho người giải đoán tiếp cận với các đối tượng ngoài thực địa để biết được bản chất, đặc điểm của các loại đất chính, khả năng thể hiện trên ảnh và các chuẩn giải đoán ảnh, các mẫu dùng để phân tích, xác định các loại đất trên ảnh bằng phương pháp tương tự cũng như phương pháp số.
Phân tích giải đoán ảnh nhằm phát hiện, nhận dạng các loại đất rừng theo hệ phân loại quy định. Đây là khâu phức tạp nhất, và có nghĩa quyết định nhất trong quá trình thành lập bản đồ lớp phủ rừng bằng ảnh viễn thám. Đến nay đã có rất nhiều phần mềm như: ENVI, eCognition, PCI, ….có khả năng trợ giúp con người trong quá trình phân tích, giải đoán ảnh.
4. Khảo sát ngoại nghiệp - Khảo sát ngoại nghiệp
- Chỉnh sửa và hoàn thiện kết quả giải đoán.
Khảo sát ngoại nghiệp nhằm mục đích kiểm tra kết quả phân tích, giải đoán ảnh ở nội nghiệp và thu thập những thông tin trên ảnh nhằm xác định chính xác các loại đất.
5. Biên vẽ bản đồ hiện trạng lớp phủ rừng - Biên vẽ hoặc số hoá bản đồ.
- Trình bày bản đồ, in bản đồ.
Kết quả khảo sát ngoại nghiệp và chỉnh sửa sau khảo sát sẽ thu được bản đồ gốc bản đồ hiện trạng lớp phủ rừng. Công việc tiếp theo là biên tập trình bày bản đồ bằng công nghệ số, trình bày và in bản đồ bằng phương pháp số.
64
2.3.2 Quy trình thành lập bản đồ lớp phủ rừng theo phương pháp sử dụng ảnh vệ tinh để hiện chỉnh bản đồ lớp phủ rừng đã có.
Hình 2.2 Quy trình thành lập bản đồ lớp phủ rừng theo phương pháp sử dụng ảnh vệ tinh để hiện chỉnh bản đồ lớp phủ rừng đã có.
Quy trình thành lập bản đồ lớp phủ rừng theo phương pháp sử dụng ảnh vệ tinh để hiện chỉnh bản đồ lớp phủ rừng chu kì trước các bước thực hiện tương tự
Bước 1: Chuẩn bị
Chuẩn bị bản đồ lớp phủ rừng giai đoạn trước.
Bước 2:
Số hoá, nắn chuyển toạ độ của bản lớp phủ rừng trạng rừng.
Bước 5:
Giải đoán vùng biến động Bước 3:
Nắn chuyển ảnh viễn thám tỷ lệ thích hợp với bản đồ rừng và chuyển về hệ toạ độ quốc gia
Bước 4:
Chồng xếp ảnh và bản đồ đánh dấu vùng biến động
Bước 6
Hiện chỉnh bản đồ và biên tập bản đồ mới
65
như khi thành lập bản đồ mới sử dụng tư liệu viễn thám nhưng chúng ta cần lưu ý một số vấn đề trong từng các bước như sau:
Bước1(chuẩn bị:) Ngoài việc thu thập các tài liệu liên quan tới công tác hiện chỉnh bản đồ chúng ta cần phải đặc biệt chú trọng tới loại viễn thám sẽ sử dụng và các tài liệu bổ trợ cung cấp thêm thông tin về loại rừng khó hoặc không xác định được trên ảnh, các tài liệu này thường là: Ảnh hàng không, bản đồ hiện trạng chu kì trước, bản đồ địa hình, bản đồ địa chính, bản đồ địa giới hành chính, bản đồ quy hoạch, …các báo thống kê theo dõi biến động rừng qua các năm của vùng cần hiện chỉnh, những tài liệu ở dạng in trên giấy hoặc dạng số đều cần thu thập và phân tích.
Bước 2: số hoá và nắn chuyển hệ toạ độ
Nếu bản đồ hiên trạng rừng giai đoạn trước là bản đồ giấy thì ta phải quét bản đồ bằng máy quét và số hoá trên các phần mềm chuyên dụng. Chú ý chuyển về hệ toạ độ quốc gia
Bước 3: Nắn chỉnh ảnh vệ tinh
Sử dụng EnVi để nắn chỉnh và chuyển ảnh về hệ toạ độ quốc gia.
Bước 4: Nắn chuyển ảnh về tỷ lệ bản đồ hiện trạng rừng và chồng xếp ảnh với bản đồ, xác định vùng biến động.
Bước 5: Giải đoán vùng biến động
Tiến hành khảo sát tổng quan, lập khoá giải đoán ảnh, phân tích và giải đoán ảnh. Khảo sát tổng quan giúp ta tiếp cận với đối tượng ngoài thực địa giúp ta biết được đặc điểm, bản chất của các loại rừng, khả năng thể hiện trên ảnh và các chuẩn giải đoán, từ đó xác định được các ảnh mẫu, các khoá giải đoán ảnh.
Bước 6: Hiện chỉnh bản đồ lớp phủ rừng và biên tập bản đồ mới.
Sau khi giải đoán vùng biến động ta chuyển dữ liệu sang dạng vector và tiến hành hiện chỉnh bản đồ hiện trạng lớp phủ rừng giai đoạn trước thành bản đồ mới, đồng thới cập nhật thông tin thuộc tính mới.
Ngoài ra để đảm bảo độ chính xác của bản đồ lớp phủ rừng mới cần tham khảo thêm các thông tin trên các bản đồ có ở khu vực như: Bản đồ hiện trạng đất sử dụng đất, bản đồ quy hoạch rừng, bản đồ địa chính,…
66
2.4 Tiến hành quy trình
Sử phương pháp phân loại ảnh tự động để thành lập bản đồ lớp phủ rừng không phải lúc nào độ chính xác cũng 100%. Điều đó có nghĩa là sự phân biệt các trạng thái rừng có nhầm lẫn, dẫn tới sự sai lệch so với thực tế của một số diện tích trên bản đồ phân loại tự động. Vì vậy, để hạn chế tối đa sai số, đảm bảo bản đồ lớp phủ rừng có độ chính cần thiết, phải tiến hành quá trình giải đoán ảnh bằng mắt và có kết hợp với việc điều tra ngoại nghiệp.
Hình 2.3 Quy trình Xây dựng bản đồ lớp phủ rừng theo phương pháp kết hợp Trong đề tài này tác giả sử phương pháp thành lập bản đồ từ tư liệu viễn thám và có kết hợp với điều tra ngoại nghiệp và giải đoán bằng mắt.
Bản đồ lớp phủ rừng
67 2.4.1 Tiền xử lý ảnh
Hình 2.4 Sơ đồ nắn chỉnh hình học ảnh vệ tinh 2.4.2 Tăng cường chất lượng ảnh
Tăng cường chất lượng ảnh có thể được định nghĩa là một thao tác làm nổi bật hình ảnh sao cho người giải đoán ảnh dễ đọc, dễ nhận biết nội dung trên ảnh hơn so với ảnh gốc. Phương pháp thường được sử dụng là biến đổi cấp độ xám, biến đổi histogram, biến đổi độ tương phản, lọc ảnh, tổ hợp màu, chuyển đổi giữa 2 hệ RGB và HSV.
Để tiến hành tăng độ tương phản của ảnh trong phần mềm ENVI ta sử dụng lệnh “Enhance” trên trên thanh công công cụ của của sổ ảnh Image và lựa chọn các phương pháp tăng cường: - Linear , Linear 0-255, Linear 2%, Gaussian.
2.4.3 Tổ hợp màu tự nhiên
Nếu như ta chúng ta tiến hành phân loại ảnh theo chỉ số thực vật thì ta mới tiến hành tổ hợp màu giả và tổ hợp màu giả thông dụng nhất trong viễn thám sử dụng là gán màu đỏ cho kênh hồng ngoại, màu lục cho kênh đỏ và màu chàm cho kênh lục để phân biệt mức độ dày đặc của thực vật.
Ảnh chưa nắm Nguồn tọa độ chuẩn
Lấy điểm khống chế GPCs
Đánh giá độ chính xác
Chọn phương pháp và nắn chỉnh ảnh
Ảnh đã nắn
Ảnh đã nắn
File vector
Bản đồ địa hình
68
2.4.4 Xây dựng mẫu giải đoán ảnh
Giải đoán ảnh là việc xác định các đối tượng trên ảnh thông qua những dấu hiệu trực tiếp có trên ảnh hoặc các dấu hiệu gián tiếp (dấu hiệu chỉ định) để suy diễn.
Các dấu hiệu trực tiếp bao gồm dấu hiệu về màu sắc, cấu trúc, diện mạo và mật độ ảnh. Dấu hiệu gián tiếp là các quy luật, đặc điểm phân bố, điều kiện sinh thái và các mối quan hệ giữa các đối tượng.
Tuỳ vào phương pháp phân loại và phần mềm sử dụng mà ta có những tiêu chí xây dựng khoá giải đoán ảnh khác nhau. Căn cứ vào các loại đất, loại rừng ta xây dựng khoá giải đoán cho chính xác và phù hợp.
Bảng 2.1 Hệ thống các loại đất, loại rừng của khu vực xã Thanh Mai
TT Các loại đất , loại rừng Kí hiệu
1 Rừng trung bình RTB
2 Rừng nghèo RNg
3 Rừng hỗn giao (tre nứa) RHg
4 Rừng trồng RTr
5 Đất trống DT
6 Đất khác( núi đá) DK
7 Đất Giao thông GT
8 Đất mặt nước MN
9 Đất dân cư đô thị DC
Căn cứ vào tài liệu thu thập của khu vực cũng như một số bài báo, công trình nghiên cứu khoa học đã thành công về ứng dụng của chỉ số NDVI như đề tài
“nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS xây dựng bản đồ hiện trạng tài nguyên thiên nhiên phục vụ công tác quy hoạch bảo vệ môi trường cấp tỉnh” thuộc trung tâm viễn thám quốc gia, tạp chí khoa học và phát triển 201, tập 9 số 5, trường đại học Nông nghiệp Hà Nội, …về ứng dụng NDVI. Tham khảo một số các mức phản xạ của các đối tượng tự nhiên.
69
Bảng 2.3 Chỉ số thực vật của các đối tượng tự ở khu vực nghiên cứu
Ảnh SPOT-5 Ảnh thực địa Kí
hiệu
Khoảng Giá trị NDVI
MN (-0.177)-( -0.009)
RTr 0.11 – 0.13
RHG 0.14 – 0.16
RTB 0.17- 0.19
DK 0.02 – 0.09
RNg 0.19 – 0.2
70
2.4.5 Phân loại ảnh trên phần mềm ENVI
2.4.5.1 Nhóm phương pháp phân loại không kiểm định(Unsupervised): 2 phương pháp
+ IsoData.
+ K – Means.
Hình 2.5 Sơ đồ quá trình phân loại theo phương pháp không kiểm định 2.4.5.2 Nhóm phương pháp phân loại có kiểm định (Supervised): 4 phương pháp.
+ Maximum Likelihood.
+ Minimum Distance.
+ Mahalanobis Distance.
+ Parallepiped.
Hình 2.6 Sơ đồ quá trình phân loại theo nhóm phương pháp phân loại có kiểm định Xác định đối tượng phân loại
Lựa chọn vùng mẫu (Roi)
Phân Loại
Xử lý sau phân loại
Kiểm định kết quả (hay đánh giá ĐCX sau phân loại)
Lọc nhiễu Gộp lớp Đổi màu
Thuật toán theo hình hộp Thuật toán theo sác xuất cực đại Thuật toán theo khoảng cách ngắn nhất Thuật toán theo khoảng cách Mahalanobis
Xây dựng khóa giải đoán Phân loại
Xử lý sau phân loại
Kiểm định kết quả (hay đánh giá ĐCX sau phân loại)
K - Means
Iso Data
Tương tự như nhóm phương pháp phân loại có kiểm định
71
2.4.5.3 Nhóm phương pháp phân loại khác
+ Phân loại theo ngưỡng độ xám: Kĩ thuật phân loại theo phương pháp phân nghưỡng được sử dụng để phân loại ảnh thành những vùng có giá trị độ xám Pixel liên tiếp nhau trong một khoảng giá trị nhất định
+ Phương pháp phân loại theo cây quyết định dựa vào chỉ số NDVI.
Phương pháp phân loại cây quyết định + Khái niệm cây quyết định
Cây quyết định là một cấu trúc biểu diễn dưới dạng cây trong đó mỗi node trong biểu diễn một thuộc tính, mỗi nhánh biểu diễn giá trị có thể có của thuộc tính, mỗi lá biểu diễn các lớp quyết định và đỉnh trên cùng của cây gọi là gốc.
Cây quyết định là một cây phân cấp có cấu trúc được dùng để phân lớp các đối tượng dựa vào dãy các luật. Các thuộc tính của đối tượng (ngoại trừ thuộc tính phân lớp) có thể thuộc các kiểu dữ liệu khác nhau. Tóm lại cho dữ liệu về các đối tượng gồm các thuộc tính cùng với lớp của nó cây quyết định sẽ sinh ra các luật để dự đoán lớp của các đối tượng chưa biết.
+ Cấu trúc cây quyết định
Hình 2.7 Sơ đồ cấu trúc cây quyết định
Node trong 2
(Internal node)
Gốc (root)
Lá1 (leaf node) Node trong
(Internal node)
Lá 2
(leaf node)
Lá 3 (leaf node) Lá 4
(leaf node)
Branch 1
Branch 2