Chương 1: TỔNG QUAN VỀ TƯ LIỆU VIỄN THÁM VÀ GIS
1.1. Khái quát về Viễn thám
1.1.5. Đặc tính cơ bản của ảnh vệ tinh
Ảnh viễn thám (ảnh vệ tinh và máy bay) là những hình ảnh thu chụp được từ một khoảng cách (độ cao) nào đó trên các dải sóng khác nhau bằng các thiết bị khác nhau.
Ảnh số là một dạng ảnh ghi nhận các thông tin viễn thám ở dạng số thường được lưu trên các media điện tử bằng các băng từ, đĩa quay từ,…vv. Hình ảnh thu được sẽ chia thành nhiều phần tử nhỏ, mỗi phần tử gọi là các Pixel , mỗi pixel tương ứng với một đơn vị không gian bao phủ trên bề mặt trái đất. Độ rộng bao phủ mặt đất của một picxel có thể từ vài mét đến hàng Km tuỳ theo loại bộ cảm và được gọi là độ phân giải ảnh. Vị trí của mỗi pixel được xác định theo toạ độ hàng cột trên ảnh tính từ góc trên cùng bên trái.
Ảnh vệ tinh có các đặc trưng cơ bản như sau:[4]
+ Độ phân giải không gian
Trường nhìn không đổi IFOV (instantaneous field of view) được định nghĩa là góc không gian tương ứng với một đơn vị chia mẫu trên mặt đất. Lượng thông tin ghi được trong IFOV tương ứng với giá trị của pixel.
Góc nhìn tối đa mà một bộ cảm có thể thu được sóng điện từ được gọi là trường nhìn FOV (field of view). Khoảng không gian trên mặt đất do FOV tạo nên chính là bề rộng tuyến bay.
Hình 1.12 Đặc trưng của ảnh vệ tinh
20
Diện tích nhỏ nhất trên mặt đất mà bộ cảm có thể phân biệt được gọi là độ phân giải không gian. Độ phân giải không gian cũng được gọi là độ phân giải mặt đất khi hình chiếu của một pixel tương ứng với một đơn vị chia mẫu trên mặt đất.
+ Độ phân giải phổ
Cùng một vùng phủ mặt đất tương ứng, các pixel cho giá trị riêng biệt theo từng vùng phổ ứng với các loại bước sóng khác nhau. Do đó thông tin được cung cấp theo từng loại ảnh vệ tinh khác không chỉ phụ thuộc số bít dùng để ghi nhận mà còn phụ thuộc vào phạm vi bước sóng.
Độ phân giải phổ thể hiện kích thước và số kênh phổ, bề rộng phổ hoặc sự phân chia vùng phổ mà ảnh vệ tinh có thể phân biệt một số lượng lớn các bước sóng có kích thước tương tự, cũng như tách biệt được các bức xạ từ nhiều vùng phổ khác nhau. Độ phân giải bức xạ thể hiện độ nhạy tuyến tính của bộ cảm biến trong khả năng phân biệt sự thay đổi nhỏ nhất của cường độ phản xạ sóng từ các vật thể.
Để lưu trữ, xử lý và hiển thị ảnh vệ tinh trong máy tính kiểu Raster, tùy thuộc số bít dùng ghi nhận thông tin. Số bít dùng ghi nhận thông tin chính là độ phân giải bức xạ của ảnh vệ tinh.
+ Độ phân giải thời gian
Độ phân giải thời gian không liên quan tới thiết bị ghi ảnh mà chỉ liên quan đến khả năng chụp lặp lại của ảnh vệ tinh. Ảnh được chụp vào những ngày khác nhau cho phép so sánh đặc trưng bề mặt theo thời gian, cung cấp thông tin chính xác, nhận biết sự biến động khu vực nghiên cứu.
+ Dữ liệu ảnh vệ tinh được lưu trữ theo khuôn dạng sau đây:
- Theo kiểu BIL (band interleaved by lines) từng hàng được ghi theo thứ tự của số kênh, mỗi hàng được ghi theo giá trị của các kênh phổ và sau đó lặp lại theo thứ tự của từng hàng, như vậy sẽ tạo ra các file dữ liệu ảnh chung cho các kênh phổ.
- Theo kiểu BSQ (band sequential) là khuôn dạng trong đó các kênh phổ được lưu tuần tự hết kênh này sang kênh khác. Nghĩa là mỗi ảnh ứng với một kênh.
21
- Theo kiểu BIP (band interleaved by pixel) mỗi pixel được lưu tuần tự theo các kênh, nghĩa là các kênh phổ được ghi theo hàng và cột của từng pixel. Sau khi kết thúc tổ hợp phổ của pixel này lại chuyển sang tổ hợp phổ của pixel khác.
Hình 1.13 - Cấu trúc dữ liệu ảnh vệ tinh
1.1.5.2 Khả năng ứng dụng của ảnh vệ tinh trong nghiên cứu lớp phủ rừng
Ở nước ta cũng đã có nhiều nghiên cứu, sản xuất thử nghiệm về việc sử dụng ảnh vệ tinh các loại để thành lập bản đồ lớp phủ rừng ở các tỷ lệ khác nhau qua đó cho phép rút ra một số ưu điểm khi sử dụng tư liệu viễn thám thành lập bản đồ lớp phủ rừng như sau:
+ Tư liệu viễn thám cung cấp thông tin khách quan, đồng nhất trên khu vực trùm phủ lớn (LandSat 180km × 180km, SPOT, ASTER 60km×60km,…). Cho phép tiễn hành theo dõi giám sát trên những khu vực rộng lớn cùng một lúc. Trong cùng một cảnh thì các biến động do thời gian, do điều kiện tự nhiên coi như không đáng kể.
+ Cung cấp thông tin đa dạng trên nhiều kênh phổ khác nhau, cho phép nghiên cứu các đặc điểm của đối tượng từ nhiều góc độ phản xạ khác nhau.
+ Tư liệu viễn thám ghi nhận ở độ cao rất lớn (400km-1000km) cho nên tính khái quát hình học một cách tự nhiên.
+ Do khả năng chụp lặp của tư liệu viễn thám (từ 3 ngày – 30 ngày) cho nên có khả năng cập nhật thông tin bản đồ cần thiết từ chúng.
22
Một số loại ảnh vệ tinh được ứng dụng trong nghiên cứu lớp phủ rừng 1. Vệ tinh Landsat:
Là vệ tinh viễn thám tài nguyên đầu tiên được phóng lên quỹ đạo năm 1972, cho đến nay đã có bảy thế hệ vệ tinh Landsat đã được phóng lên quỹ đạo và dữ liệu đã được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới. Hiện nay, ảnh vệ tinh Landsat được cung cấp từ 15 trạm thu nhằm phục vụ quản lý tài nguyên và giám sát môi trường.
Landsat được NASA thiết kế đầu tiên như là thực nghiệm kiểm tra tính khả thi việc sử dụng bộ cảm biến đa phổ trong thu thập dữ liệu quan sát mặt đất. Sự thành công của Landsat nhờ vào việc kết hợp nhiều kênh phổ để quan sát mặt đất, ảnh có độ phân giải không gian tương đối tốt và phủ một vùng khá rộng với chu kỳ lặp ngắn.
Vệ tinh Landsat được thiết kế có bề rộng tuyến chụp là 185km và có thời điểm bay qua xích đạo là 9 giờ 39 sáng. Dữ liệu do 2 bộ cảm biến TM và MSS thu nhận được chia thành các cảnh phủ một vùng trên mặt đất 185×170 km được đánh số theo hệ quy chiếu toàn cầu gồm số liệu của tuyến và hàng. Các giá trị của pixel được mã hoá 8 bit tức là cấp độ xám ở trong khoảng 0÷255.
a. Quỹ đạo vệ tinh Landsat.
+ Độ cao bay: 705km, góc nghiêng mặt phẳng quĩ đạo: 98o + Quĩ đạo đồng bộ mặt trời và bán lặp.
+ Thời điểm bay qua xích đạo: 9h39' sáng.
+ Chu kỳ lặp: 17 ngày.
+ Bề rộng tuyến chụp: 185km.
b. Bộ cảm:
MSS (Multispectral scanner) và TM (Thematic mapper)
Hệ thống Landsat MSS hoạt động ở dải phổ nhìn thấy và gần hồng ngoại (xem bảng 1.3)
23
Bảng 1.3 Các thông số kỹ thuật của bộ cảm TM
Kênh phổ Bước sóng Phổ điện từ Lực phân giải
Kênh 1 0.45 – 0.52 m Xanh chàm 30 m
Kênh 2 0.52 – 0.60 m Xanh lục 30 m
Kênh 3 0.63 – 0.69 m Đỏ 30 m
Kênh 4 0.76 – 0.90 m Cận hồng ngoại 30 m
Kênh 5 1.55 – 1.75m Hồng ngoại 30 m
Kênh 6 10.4 – 12.5m Hồng ngoại nhiệt 120 m
Kênh 7 2.08 – 2.35 m Hồng ngoại trung 30 m
Đặc điểm của MSS là:
+ Sử dụng 4 kênh phổ.
+ Mỗi kênh phổ có trang bị 6 bộ thu, có sử dụng sợi quang học.
+ Độ phân giải mặt đất 80m.
+ Góc quét từ Đông sang Tây là 11,60 + Thời gian lộ quang 33 mili giây.
+ Độ rộng mỗi đường quét 185 km
Ảnh vệ tinh Landsat thu được từ hai bộ cảm biến MSS và TM được sử dụng khá hiệu quả cho nhiều lĩnh vực khác nhau như quản lý và sử dụng tài nguyên thiên nhiên và giám sát môi trường, thành lập bản đồ và phân tích biến động (sử dụng đất, lớp phủ rừng,…)
2. Vệ tinh SPOT
Systeme Pour L’observation de La Terre (SPOT) do trung tâm nghiên cứu không gian của Pháp (CNES - French Center National d’etudies Spatiales) thực hiện với sự tham gia của Bỉ và Thụy điển. Đến nay, đã có 5 thế hệ vệ tinh SPOT được đưa lên quỹ đạo là SPOT-1 (2/1986); SPOT-2 (1/1990); SPOT-3 (9/1993);
SPOT-4 (3/1998); SPOT-5 (5/2000). Vệ tinh bay ở độ cao 822km, thời gian chụp
24
lặp là 26 ngày, độ chùm phủ 60 x 60 km. Độ phân giải không gian cao (SPOT-5 có độ phân giải 2.5m) vì vậy ảnh SPOT được sử dụng phổ biến để giám sát tài nguyên và môi trường ở nhiều quốc gia, trong đó có Việt Nam. Hiện nay, ở nước ta Trung tâm Viễn thám Quốc gia đã thu nhận và xử lý được ảnh SPOT với các mức khác nhau. Các thông số kỹ thuật của ảnh SPOT được tổng hợp ở bảng 1.4
Bảng1.4 Một số thông số kỹ thuật của ảnh SPOT
Bộ cảm (Sensor) Kênh Bước sóng
( ) Loại Độ phân
giải
Dung lượng (Bit) HRV-XS:
(SPOT-1.2.3)
Kênh 1 0.50-0.59 Lục đến Vàng 20 m 8
Kênh 2 0.61-0.68 Đỏ 20 m 8
Kênh3 0.79-0.89 Hồng ngoại gần 20 m 8 HRV-P:
(SPOT-1.2.3)
Kênh
P 0.51-0.73 Lục đến Đỏ 10 m 8
HRVIR-X:
(SPOT-4)
Kênh 1 0.50-0.59 Lục đến Vàng 20 m 8
Kênh 2 0.61-0.68 Đỏ 20 m 8
Kênh 3 0.79-0.89 Hồng ngoại gần 20 m 8 Kênh 4 1.58-1.75 Hồng ngoại trung 20 m 8 HRVIR-M:
(SPOT-4)
Kênh
P 0.61-0.68 Đỏ 10 m 8
VEGETATION 1:
(SPOT-4)
Kênh 1 0.45-0.52 Xanh Lơ 1 km 10
Kênh 2 0.61-0.68 Đỏ 1 km 10
Kênh 3 0.79-0.89 Hồng ngoại gần 1 km 10 Kênh 4 1.58-1.75 Hồng ngoại TB 1 km 10
HRG: (SPOT-5)
Kênh 1 0.50-0.59 Lục 10 m 8
Kênh 2 0.61-0.68 Đỏ 10 m 8
Kênh 3 0.79-0.89 Hồng ngoại gần 10 m 8 Kênh 4 1.58-1.75 Hồng ngoại trung 20 m 8 2 PAN 0.48-0.71 Toàn sắc 5 m - 2.5 m 8 HRS: (SPOT-5) PAN 0.49-0.69 Toàn sắc 5 m 8
VEGETATION 2:
(SPOT-5)
Kênh 1 0.45-0.52 Xanh Lơ 1 km 10
Kênh 2 0.61-0.68 Đỏ 1 km 10
Kênh 3 0.79-0.89 Hồng ngoại gần 1 km 10 Kênh 4 1.58-1.75 Hồng ngoại TB 1 km 10
25
1.1.5.3 Các phương pháp giải đoán ảnh vệ tinh a. Khái niệm về công tác phân loại ảnh viễn thám
Phân loại trong xử lý 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 phương pháp giải đoán bằng mắt hoặc nhờ sự trợ giúp của máy tính.
Giải đoán bằng mắt là sử dụng mắt người cùng trí tuệ để tách chiết các thông tin từ tư liệu viễn thám dạng hình ảnh. Do đó kết quả giải đoán phụ thuộc rất nhiều vào khả năng của người phân tích. Trong việc xử lý thông tin viễn thám thì giải đoán bằng mắt (visual interpretation) là công việc đầu tiên, phổ biến nhất và có thể áp dụng trong mọi điều kiện có trang thiết bị từ đơn giản tới phức tạp. Việc phân tích ảnh bằng mắt có thể được trợ giúp bằng một số thiết bị quang học từ đơn giản tới phức tạp như: Kính lúp, kính lập thể, kính phóng đại, kính tổ hợp màu…nhằm nâng cao khả năng phân tích của mắt người. Phân tích bằng mắt là công việc có thể áp dụng một cách dễ dàng trong mọi điều kiện và có thể phục vụ cho nhiều nội dung nghiên cứu khác nhau: nghiên cứu lớp phủ mặt đất, nghiên cứu rừng, thổ nhưỡng, địa chất, địa mạo thủy văn, sinh thái, môi trường…Hạn chế của giải đoán bằng mắt là không nhận biết được các đặc tính phổ của đối tượng nguyên nhân do khả năng phân biệt sự khác nhau về phổ của mắt người hạn chế tối đa là 12-14 mức, hiệu quả kinh tế thấp và tốn kém nhiều về các chi phí điều tra ngoại nghiệp.
Còn kĩ thuật phân loại nhờ sự trợ giúp của máy tính là phương pháp cơ bản trong viễn thám hiện đại. Việc xử lý bằng máy tính cho năng suất cao, thời gian xử lý ngắn, ngày càng được áp dụng trong thực tế với hai phương pháp cơ bản là phân loại có kiểm định và phân loại không kiểm định.
So sánh hai phương pháp giải đoán ảnh viễn thám.
26
Bảng 1.5 So sánh hai phương pháp giải đoán ảnh viễn thám
Phương pháp Ưu điểm Nhược điểm
Giải đoán bằng mắt
+ Sử dụng kinh nghiệm của người giải đoán
+ Có sự hiểu biết về ảnh phức hợp tốt hơn
+ Có thể phân tích được các thông tin phân bố không gian
+ Tốn thời gian
+ Đòi hỏi người có hiểu biết, kinh nghiệm để giải đoán
+ Kết quả thu được không đồng nhất
Giải đoán bằng xử lý ảnh số
+Thời gian xử lý ngắn
+ Kết quả xử lý được chuẩn hóa
+ Chiết xuất được các đặc tính vật lý
+ Năng suất cao, có thể đo được các chỉ số đặc trưng tự nhiên
+ Rất khó ứng dụng được kinh nghiệm của người giải đoán
+ Chiết xuất thông tin ít về bối cảnh
+ Kết quả phân tích các thông tin kém
b. Phân loại theo phương pháp giải đoán bằng mắt
Khi thực hiện quá trình phân loại theo phương pháp giải đoán bằng mắt người ta thường thành lập các khóa giải đoán. Khóa giải đoán là chuẩn giải đoán các đối tượng nhất định bao gồm tập hợp các yếu tố và dấu hiệu do nhà giải đoán thiết lập nhằm trợ giúp cho công tác giải đoán nhanh và kết quả chính xác thống nhất cho các đối tượng từ nhiều người khác nhau.
Kết quả giải đoán phụ thuộc vào khóa giải đoán, thông thường khóa giải đoán được thành lập dựa trên vùng nghiên cứu thử nghiệm đã được điều tra kĩ lưỡng. Bằng cách sử dụng khóa giải đoán người giải đoán có thể phát triển mở rộng và phân tích cho nhiều vùng khác trên cơ sở cùng một loại tư liệu cũng như cùng mùa và thời gian chụp ảnh giúp cho công tác giải đoán nhanh hơn và đảm bảo tính thống nhất trong quá trình giải đoán. Cơ sở toán học để đoán đọc bằng mắt là các chuẩn đoán đọc và các mẫu đoán đọc, có thể chia các chuẩn giải đoán thành 8 nhóm
27
chính sau:
1. Chuẩn kích thước: Kích thước của đối tượng tùy thuộc vào tỷ lệ ảnh, cần phải chọn tỷ lệ ảnh phù hợp để đoán đọc, kích thước của đối tượng có thể xác định nếu lấy kích thước đo được trên ảnh nhân với mẫu số tỷ lệ ảnh.
2. Chuẩn hình dạng: Hình dạng có ý nghĩa quan trọng trong đoán đọc. Hình dạng đặc trưng cho đối tượng khi nhìn từ trên cao xuống và được coi là chuẩn đoán đọc quan trọng.
3. Chuẩn bóng: Bóng của vật thể dễ dàng nhận thấy khi nguồn sáng không nằm chính xác ở đỉnh đầu hoặc trường hợp chụp ảnh xiên. Dựa vào bóng của vật thể có thể xác định chiều cao của nó.
4. Chuẩn độ đen: Độ đen trên ảnh đen trắng biến thiên từ trắng đến đen. Mỗi vật thể được thể hiện bằng cấp độ sáng nhất định tỷ lệ với cường độ phản xạ ánh sáng của nó. Ví dụ cát khô phản xạ rất mạnh ánh sáng nên bao giờ cũng có màu trắng.
5. Chuẩn màu sắc: Là một yếu tố rất tốt trong việc xác định các đối tượng.
Ví dụ các kiểu loài thực vật có thể phát hiện được rõ ràng ngay cả cho những người không có nhiều kinh nghiệm trong đoán đọc ảnh khi sử dụng ảnh hồng ngoại màu.
Các đối tượng khác nhau cho các tông màu khác nhau đặc biệt khi sử dụng ảnh đa phổ tổng hợp màu.
6. Chuẩn cấu trúc: Cấu trúc là một tập hợp của nhiều hình mẫu nhỏ. Ví dụ một bãi cỏ không bị lẫn các loài cây khác cho một cấu trúc mịn trên ảnh, ngược lại rừng hỗn giao cho cấu trúc sần sùi. Đương nhiên điều này còn phụ thuộc vào tỷ lệ ảnh sử dụng.
7. Chuẩn phân bố: Chuẩn phân bố là một tập hợp của nhiều hình dạng nhỏ phân bố theo một quy luật nhất định trên toàn ảnh và trong mối quan hệ với đối tượng cần nghiên cứu. Ví dụ hình ảnh của các dãy nhà, hình ảnh của ruộng lúa nước, các đồi trồng chè…tạo ra hình mẫu đặc trưng riêng cho các đối tượng đó.
8. Mối quan hệ tương hỗ: Một tổng thể các chuẩn đoán đọc, môi trường xung quanh hoặc mối liên quan của đối tượng nghiên cứu với các đối tượng khác cung cấp một thông tin đoán đọc quan trọng.
28
Tư liệu ảnh vệ tinh dùng để đoán đọc bằng mắt tốt nhất là các ảnh tổng hợp màu.
c. Các phương pháp phân loại nhờ sự trợ giúp của máy tính 1. Các giai đoạn trong đoán đọc ảnh bằng xử lý số
Các tư liệu thu được trong viễn thám phần lớn là ở dưới dạng số cho nên vấn đề đoán đọc bằng xử lý số trong viễn thám giữ một vai trò quan trọng và có lẽ cũng là phương pháp cơ bản trong viễn thám hiện đại.
Các giai đoạn trong đoán đọc ảnh bằng xử lý số:
+ Nhập số liệu: Ảnh tương tự do máy chụp ảnh cung cấp và ảnh số do máy quét cung cấp.
+ Khôi phục và hiệu chỉnh ảnh: Đây là giai đoạn mà các tín hiệu số được hiệu chỉnh hệ thống nhằm tạo ra một tư liệu ảnh có thể sử dụng được. Tất cả các tư liệu số bao giờ cũng chịu một mức độ nhiễu xạ nhất định, để loại trừ các nhiễu này phải thực hiện một số phép tiền xử lý: hiệu chỉnh ảnh, hiệu chỉnh hình học, hiệu chỉnh khí quyển. Giai đoạn này thường được thực hiện trên các máy tính lớn tại các trung tâm thu số liệu vệ tinh.
+ Biến đổi ảnh: Các quá trình xử lý như tăng cường chất lượng ảnh; chiết tách các đặc tính: đặc tính phổ, đặc tính hình học, đặc tính cấu trúc; biến đổi cấp độ xám; thể hiện màu trên tư liệu ảnh người ta phải tổ hợp màu và hiện màu giả; các phép biến đổi giữa các ảnh: biến đổi số học, biến đổi logic, phân tích cấu trúc…là giai đoạn tiếp theo. Giai đoạn này có thể thực hiện trên các máy tính nhỏ như máy vi tính trong khuôn khổ của một phòng thí nghiệm.
+ Phân loại: Phân loại đa phổ để tách các thông tin cần thiết phục vụ cho việc theo dõi các đối tượng hay lập bản đồ chuyên đề là khâu then chốt của việc khai thác tư liệu viễn thám.
+ Xuất kết quả: khi hoàn tất các khâu xử lý cần xuất kết quả.
Cơ sở để thực hiện bài toán phân loại ảnh viễn thám là đặc trưng phổ và đặc trưng cấu trúc của ảnh. Và thực tế người ta thường thực hiện bài toán phân loại dựa trên đặc trưng phổ của ảnh đa phổ.