5. Cấu trúc luận văn
1.2.4. Tích hợp viễn thám và GIS
Nói chung, kĩ thuật và mức độ tích hợp giữa viễn thám và GIS đƣợc phân ra các loại sau đây, theo cách đánh giá của Wilkinson (1996):
1.Loại A: Viễn thám đƣợc sử dụng nhƣ một nguồn thông tin cho GIS. 2.Loại B: Dữ liệu GIS đƣợc sử dụng để hỗ trợ xử lý, giải đoán và chiết xuất thông tin của các đối tƣợng từ ảnh viễn thám.
3.Loại C: Viễn thám và GIS cùng đƣợc sử dụng trong mô hình hóa môi trƣờng và phân tích môi trƣờng.
Cách tiếp cận sử dụng dữ liệu ảnh viễn thám đƣợc hỗ trợ bởi dữ liệu vector có sẵn trong GIS nhƣ là một công cụ hay là một lớp tham chiếu trong việc truy vấn thông tin thế giới thực thuộc về loại B hoặc loại C. Những mục dƣới đây trình bày các vai trò chính mà viễn thám có thể tham gia trong việc tích hợp với GIS.
Ảnh viễn thám có thể đóng ba vai trò chính trong một hệ GIS nhƣ thu thập, phục hồi, giải đoán và truy vấn dữ liệu không gian, đó là vai trò bị động, vai trò độc lập và vai trò chủ động [Derensi and Fraser, 1996]
* Vai trò bị động
Trong vai trò bị động, ảnh đƣợc nắn và đƣa về hệ quy chiếu mặt đất với sự hỗ trợ của vài đối tƣợng hay điểm đặc trƣng, đƣợc xác định rõ ràng cả trên mặt đất lẫn trên ảnh. Sau đó việc phân loại và các thuật toán chiết xuất thông tin đƣợc áp dụng trên các ảnh viễn thám, tạo nên các bản đồ chuyên đề. Kết quả có thể đƣợc vector hóa và đƣa vào GIS nhƣ một lớp vector. Đối với những ứng dụng đặc trƣng khác, ảnh nguyên gốc hoặc ảnh đã đƣợc xử lý đƣợc gắn vào hệ thống GIS đa lớp và đƣợc sử dụng nhƣ lớp nền cho những lớp vector hiện có trong GIS cho nhiệm vụ cập nhật những lớp thông tin này hay là truy vấn, phân tích các hiện tƣợng không gian sử dụng các lớp đƣợc chồng lên cho việc giải đoán hình ảnh tốt hơn (việc này có thể coi nhƣ một nhiệm vụ thụ động tiến bộ). Việc chồng các lớp dữ liệu vector lên trên một tấm ảnh ở vùng cần quan tâm giúp ngƣời xem và các chuyên gia điều vẽ hiểu rõ hơn những thực thể địa lý.
* Vai trò độc lập
Ngày nay, có rất nhiều công cụ phần mềm cho phép ngƣời sử dụng tạo trực ảnh số, ví dụ tạo nên một ảnh nắn có khử độ xê dịch điểm ảnh do địa hình, nhƣ PCI [PCI, n.d.] và ERDAS IMAGING [ERDAS, n.d.a.]. Trực ảnh số này tự nó có thể đƣợc coi nhƣ một bản đồ cơ sở. Việc tạo ra và sử dụng trực ảnh đang ngày càng trở nên phổ biến đối với những ngƣời sử dụng và trong các tổ chức. Ví dụ nhƣ các dữ liệu trực ảnh số (Digital Orthophoto Quadrangles) lớn lƣu trữ của USGS [USGS2000], Viện công nghệ Massachusetts (MIT), Orthophoto Server [MIT, 1998], khoa Hệ thống Thông tin và Viễn Thông (Trực ảnh số phục vụ cho hạt Montgomery) [DIST,2000]
* Vai trò chủ động
Ở vai trò này, ảnh viễn thám tham gia trực tiếp vào việc phục hồi thông tin không gian, giải đoán và phân tích, và kết quả là tạo ra một tầm nhìn toàn diện, hiện thời và chính xác hơn về thế giới thực phục vụ tốt hơn cho việc ra quyết định. Hình
3 đƣa ra một cái nhìn tổng quan về sự tích hợp giữa viễn thám và GIS và minh họa vị trí của nghiên cứu này trong một bức tranh toàn cảnh.
Hình 1.2: Sơ đồ tích hợp GIS và viễn thám
Nhƣ chúng ta thấy trong hình 1.2, có ba cách chính để tận dụng viễn thám và dữ liệu vector trong GIS. Trong loại thứ nhất (A), ảnh viễn thám đƣợc sử dụng nhƣ một nguồn dữ liệu cho GIS, sau đó dữ liệu GIS đƣợc sử dụng độc lập nhƣ là một công cụ cho việc phân tích không gian. Trong trƣờng hợp này, hình ảnh viễn thám đóng vai trò thụ động. Ví dụ: Hodgson (1988) sử dụng ảnh Landsat đa phổ để tạo ra các bản đồ đất “ƣớt” và “khô” hàng năm phục vụ cho việc chăn nuôi gia súc.
Sau đó các bản đồ này đƣợc sử dụng trong dữ liệu raster cơ sở GIS ERDAS, để phục vụ cho việc phân tích giám sát. Welch và Madden [1988] tạo ra bản đồ tỉ lệ 1:10.000 và bản đồ tỉ lệ 1:24.000 của thực vật ở dƣới nƣớc từ ảnh hồng ngoại màu ở
các ngày khác nhau. Bản đồ sau đó đƣợc chuyển thành một cơ sở dữ liệu raster đƣợc dùng trong hệ thống GIS raster để ƣớc lƣợng các yếu tố ảnh hƣởng đến sự tăng trƣởng của thực vật trong vùng nghiên cứu. Chuvieco và Congalton [1989] sử dụng dữ liệu ảnh Landsat TM (Thematic Mapper) đã đƣợc xử lý số nhƣ là một lớp thông tin trong GIS của họ để lập bản đồ vùng nguy cơ cháy rừng dọc theo bờ biển Địa Trung Hải của Tây Ban Nha. Jakubauskas [1990] sử dụng ảnh Landsat MSS ở hai thời điểm khác nhau để tạo bản đồ thực vật, sau đó một hệ thống GIS đƣợc sử dụng để nghiên cứu ảnh hƣởng của cháy rừng đối với sự thay đổi của rừng thông ở Michigan. Jazouli [1994] sử dụng bộ lọc tách đƣờng gờ để lấy ra lớp đƣờng và lớp bao địa giới từ ảnh SPOT và ảnh Landsat sau đó cập nhật vào các lớp thông tin GIS hiện có. Mickelson [1998] sử dụng cách xử lý tập hợp mờ Gopal-Woodcock để tách các lớp thông tin rừng từ ảnh Landsat TM. Các nỗ lực đáng ghi nhận đã đi đến kết quả là tách đƣợc các thông tin 2D và 3D từ ảnh viễn thám và cập nhật vào cơ sở dữ liệu GIS (ví dụ Kim và Muller [1998]). Sharma và Sarkar [1998] sử dụng một kĩ thuật phân loại bối cảnh để lấy các lớp từ ảnh Landsat TM trong đó nội dung không gian của một pixel tham gia vào quá trình phân loại. Kĩ thuật phân loại theo bối cảnh đã thể hiện sự hiệu quả trong việc tách chiết thông tin, thuộc tính dựa trên việc phân loại các pixel đơn lẻ, độc lập. Tổng quan về cách sử dụng của dữ liệu viễn thám nhƣ là một nguồn thông tin cho GIS có thể đƣợc tìm thấy trong Trotter [1991].
Trong cách phân loại (B) (hình 1.2), dữ liệu GIS đƣợc sử dụng nhƣ là một sự hỗ trợ cho việc chiết tách các thông tin chính xác từ ảnh, ví dụ nhƣ chiết tách thông tin vùng rừng thông qua ảnh phân loại sử dụng dữ liệu bổ trợ trong GIS. Thông tin này sau đó đƣợc vector hóa và đƣợc đƣa vào dữ liệu vector GIS cho việc xử lý tiếp theo. Trong trƣờng hợp này, ảnh viễn thám cũng vẫn đóng một vai trò bị động.
Có rất nhiều ví dụ về việc sử dụng dữ liệu GIS nhƣ là dữ liệu cơ sở cho việc phân loại ảnh. Nhƣ trƣờng hợp của Molenaar và Janssen [1992] sử dụng dữ liệu GIS nhƣ một hệ thống thông tin cơ bản để tăng cƣờng quá trình phân loại ảnh cho vùng Polder ở Hà Lan. Cleynenbreugel [1990] sử dụng dữ liệu GIS để chiết tách thông tin đƣờng tự động từ ảnh viễn thám. Kontoes [1993] đã phát triển một phƣơng pháp và một “kế hoạch hợp lý” để hậu xử lý các ảnh đã đƣợc
phân loại sử dụng dữ liệu GIS. Janssen [1990] kết hợp dữ liệu GIS địa hình để xác định các đa giác trong ảnh và để phân loại các pixel thuộc mỗi đa giác trong phép phân loại ảnh theo từng đa giác.
Báo cáo kết quả cho thấy độ chính xác phân loại tăng tới 10-12% so với cách phân loại từng pixel thông thƣờng.
Trong cách phân loại thứ ba (C) (hình 1.2), GIS và ảnh viễn thám có thể đƣợc sử dụng cùng nhau trong việc phân tích không gian. Đối với cách làm này có thể sử dụng ảnh nguyên gốc hoặc ảnh đã qua xử lý nhƣ là phần nền cho dữ liệu vector để hiển thị, phân tích hay cập nhật bản đồ tốt hơn. Ví dụ, Derenyi và Turkey [1996] đã phát triển một kĩ thuật tích hợp mà với nó họ có thể tích hợp dữ liệu vector trong GIS và ảnh vệ tinh để tiến hành một phép xử lý và phân loại ảnh dựa trên các đa giác. Sau đó kĩ thuật này đƣợc sử dụng để cập nhật các lớp thông tin đa giác về sử dụng đất bằng cách xử lý ảnh và dùng các gói phần mềm GIS, rồi chuyển đổi dữ liệu qua lại giữa chúng. Để đánh giá nguyên nhân chính về cái chết của các cây sồi ở vùng nông thôn và đô thị của Texas, Ware và Maggio [1990] sử dụng ảnh hàng không đã đƣợc giải đoán với các thông tin về thành phố nhƣ đƣờng phố, đƣờng dẫn nƣớc, và nhà để giám sát ảnh hƣởng của thông tin đó đối với dịch bệnh của các cây sồi. Chuvieco và Congalton [1989] sử dụng dữ liệu TM đã đƣợc phân loại và tích nó với các lớp dữ liệu GIS để tạo ra một bản đồ độ nguy cấp cháy rừng. Amboria [1998] sử dụng dữ liệu GIS bổ trợ chồng lớp với ảnh raster hàng không và đƣợc trợ giúp bởi các phƣơng tiện liên kết để xác định các nguồn tài nguyên phục vụ chống lửa trong một quá trình xử lý tựa thời gian thực để phát hiện sớm ngọn lửa và để giảm thiểu thiệt hại. Gamba và Casciati [1998] sử dụng GIS và ảnh viễn thám trong dự án RADATT (công cụ đánh giá thiệt hại địa chấn nhanh), đƣợc tài trợ bởi Ủy ban châu Âu, cho việc đánh giá sớm và tựa thời gian thực thiệt hại của động đất trong vùng Umbria (trung tâm nƣớc Ý). Koch và El-baz [1998] sử dụng ảnh Landsat TM để thành lập một bản đồ biến đổi bề mặt và một bản đồ phân loại. Sau đó, các bản đồ này đƣợc tích hợp hoặc chồng lớp với ảnh SPOT toàn sắc, bản đồ địa hình, bản đồ địa mạo và bản đồ trâmg tích bề mặt của Kuwait trong dữ liệu GIS để đánh giá ảnh hƣởng của chiến tranh vùng Vịnh đối với các yếu tố địa mạo của Kuwait. Ảnh viễn thám
trong trƣờng hợp này đóng vai trò thụ động hay thụ động tiến bộ hoặc là đóng vai trò “nửa chủ động”.
Nhƣ đã trình bày trong các ví dụ trƣớc đây, trong cả ba cách phân loại, nhiệm vụ chính của ảnh hoặc là một nguồn dữ liệu hay là làm nền cho dữ liệu vector, ví dụ, ảnh đóng vai trò “bị động” hay là “nửa chủ động”.
Nhƣ đã biết từ các tài liệu trƣớc, hiện đã có một lƣợng lớn dữ liệu ảnh viễn thám và dữ liệu vector GIS nhƣng lại có rất ít các công cụ tích hợp. Cả hai loại dữ liệu trên đã đƣợc sử dụng cho rất nhiều ứng dụng nhƣng các kỹ thuật tích hợp vẫn dựa trên việc chồng lớp hay chuyển đổi dữ liệu. Các kĩ thuật tích hợp trên đã đƣợc báo cáo là có nhiều chức năng khác nhau cũng nhƣ các vấn đề cần giải quyết khác nhau. Hơn nữa, nếu nhƣ kỉ nguyên mới đang tới với các ảnh vệ tinh độ phân giải siêu cao đƣợc sử dụng với các vai trò chủ động hơn, và khả năng phân tích các hiện tƣợng không gian sẽ trực tiếp dựa trên các nguồn dữ liệu ban đầu thông suốt, cho một cái nhìn tổng thể và hiện thời từ các ảnh này, khi đó các công cụ tích hợp mới sẽ cần phải đƣợc phát triển [18]
