ảnh số đ−ợc tạo bởi mảng hai chiều của các phần tử ảnh có cùng kích th−ớc đ−ợc gọi là Pixel. Mỗi pixel đ−ợc xác định bởi toạ độ hàng (m), cột (n) và giá trị độ xám (g) của nó là g(m, n) biến đổi theo toạ độ điểm (x, y). Toạ độ hàng và cột của mỗi pixel đều là các số nguyên. Còn giá trị độ xám của pixel nằm trong thang độ xám từ 0ữ255 (thang độ xám 256 bậc theo đơn vị thông tin 8 bit). Toạ độ số hoá chỉ là các giá trị rời rạc m, n và đ−ợc biểu thị:
x = x + m.Δx y = y + n.Δy Trong đó: m = 0, 1, 2 ... M n = 0, 1, 2 ... N Δx, Δy là b−ớc nhảy số hoá.
Khi lấy Δx = Δy và N = M chỉ ra các giá trị rời rạc đ−ợc gán vào các giá trị độ xám g(m, n) t−ơng ứng của các pixel, lúc đó chúng ta nói rằng ảnh đ−ợc lấy mẫu (Sampling) và các giá trị độ xám của nó đ−ợc l−ợng tử hoá.
Các phần tử của ma trận độ xám g(m, n) có dạng: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) g g g N g g g N g M g M g M N 0 0 0 1 0 1 1 0 11 1 1 1 0 11 1 1 , , ... , , , ... , ... ... ... ... , , ... , − − − − − − ⎡ ⎣ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎤ ⎦ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ (4-1)
Đối với ảnh vệ tinh dạng số thì mỗi phần tử ảnh của pixel thể hiện một khu vực bề mặt trên trái đất. Giá trị độ xám của pixel đ−ợc tính bằng trị trung bình của độ phản xạ phổ của toàn bộ khu vực nằm trong phạm vi của pixel. Ta có thể thu đ−ợc ảnh số nhờ các thiết bị số hoá, cụ thể là máy quét ảnh. Quá trình số hoá bao gồm 2 vấn đề quan trọng đó là định mẫu ảnh và l−ợng tử hoá hình ảnh, hay có thể nói rằng:
Quá trình định mẫu ảnh đ−ợc sử dụng để tạo ra sự rời rạc hoá không gian hình học liên tục của ảnh. Thông th−ờng nó đ−ợc thực hiện nhờ hệ thống quang học với kích th−ớc nào đó đã đ−ợc chọn chuyển động dọc theo đ−ờng quét trên tấm ảnh, cũng tại thời điểm đó nó tiến hành đo, ghi (thời gian đã đ−ợc định tr−ớc hoặc độ dài của b−ớc nhảy) phản xạ hoặc bức xạ giá trị độ đen của từng vùng với đối t−ợng t−ơng ứng. Việc định mẫu ảnh cho từng vị trí cửa mở của hệ thống quang học là giá trị thích hợp của toàn giá trị độ đen trong khoảng cửa mở (kích th−ớc). Theo luật định mẫu, b−ớc nhảy định mẫu lý t−ởng T thoả mãn điều kiện:
T fc
≤ 1
2 (4.2)
Trong đó:
fC - Là tần số cao nhất của phép biết đến FURIER của việc định mẫu ảnh, tức là tần số cắt.
Quá trình l−ợng tử hoá đ−ợc sử dụng để tạo ra sự rời rạc không gian độ đen liên tục của ảnh. L−ợng tử hoá có thể thực hiện bằng hai ph−ơng pháp là tuyến tính hoặc không tuyến tính nh− chỉ ra ở hình 4-1 và hình 4-2.
Hình 4-1 L−ợng tử tuyến tính
Hình 4-2
L−ợng tử không tuyến tính Theo ph−ơng thức tuyến tính, công thức l−ợng tử hoá có thể biểu diễn d−ới dạng sau: ( ) { } ( ) I Integer I I I I I A = − ì − min max min (4.3) Trong đó: IA 0 imin i1 i2 imax i I N-1 bậc M bậc IA N i N-1
N - Là thang c−ờng độ (bậc độ đen) l−ợng tử hoá và th−ờng từ 0ữ255. Imax, Imin- Là giá trị c−ờng độ cực đại và cực tiểu trong định mẫu ảnh. Ngoài ra ảnh số có thể thu nhận trực tiếp nhờ hệ thống Sensor đặt trên các thiết bị bay. Ph−ơng thức thu trực tiếp này đ−ợc sử dụng trong kỹ thuật viễn thám nh− là hệ thống MSS, TM đặt trên vệ tinh Landsat của Mỹ hoặc hệ thống CDD đặt trên vệ tinh Spot của Pháp...
2. Các đặc tr−ng cơ bản của ảnh số trong viễn thám
Trong viễn thám, việc thu nhận ảnh số đ−ợc thực hiện nhờ các hệ thống Sensor đặt trên các vệ tinh hoặc trên con tàu vũ trụ. Các Sensor này quét và định mẫu năng l−ợng phản xạ bề mặt trái đất tại vùng mà vệ tinh bay qua. Trong cùng một thời điểm các năng l−ợng phổ thu nhận đ−ợc phân tích liên tục nhờ hệ thống lăng kính tách tia đặc biệt và đ−ợc ghi lại sau khi đã l−ợng tử hoá thành các băng phổ khác nhau tạo ra ảnh số viễn thám hay gọi là ảnh số đa phổ. Loại ảnh này có đặc tr−ng riêng của chúng là đặc tr−ng phổ, đặc tr−ng không gian và đặc tr−ng thời gian.
a. Đặc tr−ng phổ
Các đối t−ợng khác nhau d−ới mặt đất sẽ phản xạ các b−ớc sóng điện từ khác nhau. Vì thế các đối t−ợng mặt đất thuộc cùng một lớp sẽ có phổ (độ đen) khác nhau trong các băng phổ khác nhau và các đối t−ợng thuộc các lớp khác nhau cũng sẽ có phổ khác nhau trên cùng một băng phổ. Đây chính là đặc tr−ng phổ của ảnh viễn thám, đặc tr−ng này đ−ợc thể hiện ở ba dạng là đ−ờng cong đặc tr−ng phổ, đ−ờng cong phổ t−ơng ứng và không gian phổ đặc tr−ng.
*Đ−ờng cong phổ đặc tr−ng
Trên hình 4-3 thể hiện đ−ờng cong phổ đặc tr−ng của n−ớc, đất và thực vật. Trục hoành biểu thị độ dài b−ớc sóng, trục tung biểu thị độ phản xạ của các đặc tr−ng mặt đất với độ dài b−ớc sóng t−ơng ứng. Các đ−ờng cong đặc tr−ng này có thể đ−ợc vẽ từ các số liệu đo phổ các đối t−ợng nhờ phổ kế hoặc Radio kế trên thực địa. Kegtation ωater Soil S lλ(%) λ(μ) 1.1 B7 B6 B5 B4 0.9 0.7 0 0.5 60 50 40 30 20 10 Hình 4-3 Các đ−ờng cong phổ đặc tr−ng
*Đ−ờng cong phổ đặc tr−ng t−ơng ứng
Hình 4-4 thể hiện các đ−ờng cong phổ đặc tr−ng t−ơng ứng của n−ớc, đất và thực vật đ−ợc vẽ dựa trên việc đo độ đen của chúng trên các băng phổ khác nhau. Trục hoành biểu thị số thứ tự băng ảnh, trục tung biểu thị giá trị phổ (độ đen) đo đ−ợc. Từ hình 4-3 và hình 4-4 ta thấy có sự t−ơng thích giữa các đ−ờng cong phổ t−ơng ứng của cùng một lớp đối t−ợng.
* Không gian phổ đặc tr−ng
Không gian phổ đặc tr−ng đ−ợc xác định theo hệ thống toạ độ trực giao đa chiều, trong đó từng trục tọa độ sẽ ứng với một băng ảnh và chỉ ra giá trị phổ của băng ảnh đó.
Hình 4-5 chỉ ra không gian phổ đặc tr−ng hai chiều t−ơng ứng với băng 5 và băng 7 của t− liệu ảnh Landsat với ba lớp đối t−ợng là n−ớc, đất và thực vật với ba điểm phổ là W, S và V. Các vetor OW, OS và OV đ−ợc gọi là các vector phổ đặc tr−ng. Trong không gian phổ đặc tr−ng, nếu hai vector phổ bất kỳ trùng khít với nhau, tức là chúng cùng h−ớng và bằng nhau về độ dài thì chúng sẽ cùng một lớp và ng−ợc lại.
Cuối cùng, đối với băng ảnh đơn nh− ảnh hàng không trắng đen, ảnh Radar hoặc ảnh hồng ngoại, đặc tr−ng phổ của chúng sẽ suy giảm thành đặc tr−ng độ đen (hay độ t−ơng phản).
Đặc tr−ng phổ và độ t−ơng phản đều là cơ sở chính của công tác giải đoán ảnh trực tiếp hoặc bằng máy tính và nâng cao chất l−ợng ảnh.
b. Đặc tr−ng không gian
Đặc tr−ng không gian tức là đặc tr−ng hình học của ảnh viễn thám và ω B7 B6 B5 B4 S V B lβ Hình 4-4 Các đ−ờng cong phổ t−ơng ứng Hình 4-5 Không gian phổ đặc tr−ng (V) (ω) (S) 0 B7 B5
Độ phân giải
Độ phân giải của t− liệu ảnh viễn thám thể hiện ở ba vấn đề: Độ phân giải không gian, độ phân giải Rediometric và độ phân giải phổ.
Độ phân giải không gian
Độ phân giải không gian của ảnh là khoảng cách tối thiểu giữa hai đối t−ợng mà chúng đ−ợc phân chia và tách biệt với nhau trên ảnh.
Trên lý thuyết độ phân giải không gian của ảnh đ−ợc xác định bởi góc nhìn tức thời của bộ thu (IFOV). Giá trị này là kích th−ớc đo đ−ợc trên mặt đất đ−ợc nhìn bởi một phần tử của bộ ghi tại một thời điểm.
Độ phân giải không gian th−ờng đ−ợc thể hiện bằng kích th−ớc của pixel, ví dụ nh− ảnh Landsat TM là (30ì30) m hay ảnh SPOT-XS là (20ì20)m và SPOT-PAN là (10ì10)m ... Độ phân giải không gian th−ờng bị suy giảm do các yếu tố làm mờ hình ảnh nh− tán xạ khí quyển, chuyển động của các đối t−ợng... Độ phân giải không gian là một yếu tố rất quan trọng ảnh h−ởng đến độ chính xác của công tác đo vẽ bản đồ và của công tác phân loại.
Độ phân giải Radiometric
Độ phân giải Radiometric của ảnh đ−ợc định nghĩa là sự thay đổi nhỏ nhất về độ xám có thể phát hiện đ−ợc bởi bộ thu. Theo lý thuyết độ phân giải Radiometric của hệ thống viễn thám phụ thuộc vào tỷ số giữa tín hiệu và nhiễu. Tuy nhiên, trên thực tế độ phân giải Radiometric của ảnh số đ−ợc xác định bởi số bậc đ−ợc sử dụng để biểu diễn giá trị độ xám của mỗi pixel. Hiện nay, ng−ời ta sử dụng 8bit (256 bậc) để biểu thị giá trị độ xám của mỗi pixel.
ảnh có độ phân giải Radiometric càng cao thì sử dụng càng nhiều bậc để biểu diễn giá trị độ xám của pixel và cho phép phân biệt đ−ợc những thay đổi nhỏ hơn về độ xám của các đối t−ợng.
Độ phân giải phổ
Tín hiệu phản xạ từ các đối t−ợng trên mặt đất có thể thu nhận theo các dải b−ớc sóng khác nhau. Mỗi giải sóng đó đ−ợc gọi là một băng (band) hay một kênh (Chanel).
Ví dụ ảnh Spot thu nhận tín hiệu trên ba kênh: Xanh lá cây, đỏ và gần hồng ngoại.
*Cấu trúc của ảnh
Cấu trúc của ảnh cho ta các đ−ờng viền, h−ớng, vị trí kích th−ớc và sự phân bố các mẫu của đặc tr−ng này. Nó là cơ sở chính để nội suy địa hình,
thừa nhận cấu trúc hoặc màu tổng hợp không gian từ là dò tìm đ−ờng bao hoặc rút ra các đặc tr−ng tuyến tính.
*Méo ảnh
Méo ảnh là sự không t−ơng tự giữa ảnh và l−ới chiếu bản đồ t−ơng ứng với các đặc tr−ng của mặt đất. Để dùng ảnh viễn thám vào mục đích vẽ bản đồ thì méo hình của ảnh bắt buộc phải hiệu chỉnh. Đây là mục đích chính của công tác nắn chỉnh ảnh viễn thám.
c. Đặc tr−ng thời gian
Đặc tr−ng này có đ−ợc là do theo chu kỳ hoạt động của vệ tinh, cứ sau một khoảng thời gian nhất định thu đ−ợc ảnh ở vị trí ban đầu.
Đặc tr−ng thời gian của ảnh viễn thám đ−ợc thể hiện về sự khác nhau giữa phổ và cấu trúc giữa các ảnh đa thời gian, nó là cơ sở chính để dự báo về những biến đổi của bề mặt trái đất hay nói cách khác là sự thay đổi của môi tr−ờng.
d.Đặc tr−ng chiết suất thông tin liên hợp
Ngoài ba đặc tr−ng trên, ng−ời ta có thể sử dụng thông tin trên từng băng của ảnh để chồng xếp với nhau, tức là ng−ời ta có thể tổng hợp các thông tin trên các băng với nhau để tạo ra một băng mới, tạo ra cho ta khoảng khai thác t− duy đ−ợc nhiều hơn (hình 4-6) Hay nói cách khác vì ảnh ở dạng số nên ng−ời ta có thể cộng, trừ, nhân, chia... các băng ảnh với nhau.
Hình 4-6
Đ.4.2. Kỹ thuật nâng cao độ t−ơng phản
Tăng c−ờng chất l−ợng ảnh và chiết tách đặc tính nh− một thao tác chuyển đổi nhằm tăng tính dễ đọc, dễ hiểu cho ng−ời làm công tác giải đoán ảnh, một thao tác nhằm phân loại, sắp xếp các thông tin có sẵn trong ảnh theo các yêu cầu hoặc chỉ tiêu đ−a ra d−ới dạng hàm số. Cho đến nay, ng−ời ta vẫn ch−a đ−a ra một tiêu chuẩn cụ thể nào về nâng cao chất l−ợng của ảnh số. Vì vậy việc nâng cao chất l−ợng ảnh th−ờng theo yêu cầu và mục đích của ng−ời
P’ 2 3 NB B(Băng) NL x t(thời gian) Nt 2 1 y NS P’
độ xám của ảnh. Sự sắp xếp độ xám sau quá trình này nằm trong khoảng từ 0ữ255 bậc. Một số ph−ơng pháp nâng cao độ t−ơng phản đ−ợc sử dụng trong các thiết bị xử lý ảnh đ−ợc kể tới nh− nâng cao tuyến tính, nâng cao phi tuyến tính và nâng cao theo phép biến đổi Histogram.