thuật viễn thỏm và GIS
Điều tra biến động liờn quan đến việc sử dụng một tập hợp dữ liệu đa thời gian để phõn biệt cỏc vựng cú sự thay đổi lớp phủ rừng giữa cỏc thời điểm thu nhận ảnh. Trong điều kiện lý tƣởng, cỏc điều tra biến động nờn dựng cỏc tƣ liệu ảnh đƣợc thu cựng một bộ cảm, cú cựng độ phõn giải khụng gian, độ cao bay chụp, cỏc băng phổ và cựng thời gian thu nhận trong ngày.
Độ tin cậy của quỏ trỡnh điều tra nghiờn cứu biến động cũng bị ảnh hƣởng nhiều bởi cỏc nhõn tố mụi trƣờng cú thể thay đổi giữa cỏc thời điểm thu nhận ảnh. Cựng với hiệu ứng của khớ quyển, những nhõn tố nhƣ mực nƣớc sụng hồ, súng triều, giú, hay độ ẩm của đất cũng rất quan trọng.
2.1.1 Phương phỏp so sỏnh sau phõn loại (Post – Classification comparison methods)
Đõy là phƣơng phỏp khỏ phổ biến để điều tra biến động với cỏc ảnh thu nhận ở cỏc thời điểm khỏc nhau đƣợc phõn loại độc lập (hỡnh 2.1). Sau đú sử dụng một thuật toỏn để xỏc định cỏc pixel thay đổi trong mỗi lớp. Ngoài ra, cú thể lập cỏc số liệu thống kờ và bản đồ biến động để nhấn mạnh bản chất của sự thay đổi giữa cỏc thời điểm thu nhận ảnh. Độ chớnh xỏc của những thuật toỏn này phụ thuộc vào độ chớnh xỏc của từng phõn loại độc lập sử dụng trong phõn tớch. Cỏc sai số xuất hiện ở mỗi lần phõn loại ảnh sẽ bị lẫn trong quỏ trỡnh điều tra biến động.
PHÂN TÍCH BIẾN ĐỘNG
Ảnh thời kỳ 1 Ảnh thời kỳ 2 Ảnh thời kỳ 3
PHÂN LOẠI LỚP PHỦ RỪNG PHÂN LOẠI LỚP PHỦ RỪNG PHÂN LOẠI LỚP PHỦ RỪNG
Hỡnh 2.1: Sơ đồ so sỏnh sau phõn loại
2.1.2 Phương phỏp nhận biết cỏc mẫu phổ (spectral pattern recognition)
Đõy chớnh là phƣơng phỏp phõn loại ảnh tổ hợp hai kờnh của hai thời gian khỏc nhau.
BèNH ĐỒ ẢNH CÁC THỜI KỲ
PHÂN LOẠI LỚP PHỦ RỪNG
LỚP THAY ĐỔI LỚP KHễNG THAY
ĐỔI ẢNH TỔ HỢP CÁC KấNH CỦA
CÁC THỜI KỲ
Hỡnh 2.2: Phõn loại ảnh tổ hợp của cỏc kờnh thời gian
Trong hỡnh 2.2, một bƣớc phõn loại đó đƣợc thực hiện với ảnh cú cỏc kờnh tƣơng ứng của hai thời điểm thu nhận. Theo cỏch này cú thể tiến hành phõn loại lớp phủ rừng trong ảnh tổ hợp. Độ chớnh xỏc của phƣơng phỏp này phụ thuộc vào sự
khỏc biệt phổ giữa cỏc lớp cú thay đổi và khụng đổi. Phạm vi và độ phức tạp của phõn loại cú thể khỏ lớn và nếu ta tận dụng mọi kờnh phổ trong cỏc ảnh thỡ cú thể đảm bảo thụng tin phõn loại sẽ đầy đủ và chớnh xỏc hơn.
2.1.3 Phương phỏp phõn tớch thành phần chớnh (principal component analysis)
Đõy là phƣơng phỏp phõn loại đƣợc sử dụng để phõn tớch cỏc tổ hợp ảnh đa thời gian với mục đớch phõn tớch biến động. Trong ảnh của cỏc thời kỳ đƣợc tổ hợp trong một ảnh đa kờnh chứa tất cả kờnh ảnh ở cỏc thời điểm thu nhận. Một số thành phần chớnh khụng tƣơng quan đƣợc tớnh ra từ tổ hợp ảnh đa thời gian này cú thể liờn quan tới cỏc vựng biến động. Nhƣợc điểm của phƣơng phỏp này là khú giải đoỏn và khú xỏc định bản chất của sự thay đổi.
2.1.4 Phương phỏp tạo ảnh sai biệt đa thời gian
Đõy là phƣơng phỏp khỏ phổ biến trong điều tra biến động. Trong phƣơng phỏp này, chỉ đơn giản trừ cỏc giỏ trị độ xỏm (digital number - DN) trong ảnh ở thời điểm này cho DN ở thời điểm khỏc. Sai biệt trong vựng khụng thay đổi sẽ là rất nhỏ (≈ 0) và sai biệt trong vựng thay đổi sẽ là cỏc giỏ trị khỏc 0 một số khỏ lớn (theo chiều dƣơng hoặc õm). Nếu sử dụng ảnh 8 bit, thỡ khoảng giỏ trị cú thể của ảnh sai biệt sẽ là -255 đến +255, nờn khi tiến hành trừ cỏc cỏc giỏ trị độ xỏm ngƣời ta thƣờng cộng thờm một hằng số (thƣờng là 255) để cho kết quả trỡnh bày đƣợc đẹp hơn.
2.1.5 Phương phỏp tạo ảnh tỷ số
Phƣơng phỏp này liờn quan đến việc tớnh toỏn tỷ số từ cỏc giỏ trị độ xỏm trong cỏc ảnh ở cỏc thời điểm chụp. Tỷ số của vựng khụng thay thổi thƣờng xấp xỉ 1 trong khi vựng thay đổi cú tỷ số cao hơn hoặc thấp hơn. Dữ liệu ảnh tỷ số thƣờng đƣợc chuyển đổi từ 8 bit sang 32 bit để hiển thị. Một trong những yờu cầu của phƣơng phỏp này là phải chuẩn húa cỏc yếu tố ngoại cảnh nhƣ gúc tới của tia sỏng từ mặt trời hay búng.
Khi thực hiện phộp tớnh tỷ số ảnh hay sai biệt ảnh, ngƣời phõn tớch phải tỡm ra ngƣỡng giữa biến động và khụng biến động trong tƣ liệu ảnh. Điều này cú thể đƣợc thực hiện khi ta lập một biểu đồ phõn khối độ xỏm cho tƣ liệu ảnh tỷ số hay ảnh sai biệt và quan tõm đến cỏc vựng thay đổi sẽ nằm ở phần cuối của sự phõn bố. Cần tớnh phƣơng sai và kiểm tra thử nghiệm xem liệu cỏi ngƣỡng đú cú hợp lý hay chƣa. Nếu cú sự lựa chọn ngƣỡng hợp lý, cú thể thấy ngay đƣợc cỏc kết quả.
Thay cho việc sử dụng cỏc giỏ trị độ xỏm thụ để làm cỏc ảnh sai biệt hay ảnh tỷ số, ngƣời ta thƣờng phải hiệu chỉnh cỏc ảnh hƣởng của khớ quyển và điều kiện chiếu sỏng để chuyển cỏc giỏ trị độ xỏm của ảnh sang cỏc đại lƣợng vật lý nhƣ bức xạ hay phản xạ. Cỏc ảnh cú thể đƣợc chuẩn bị qua việc thực hiện cỏc phộp lọc khụng gian và cỏc chuyển đổi nhƣ phõn tớch thành phần chớnh hoặc thành phần thực vật. Cũng nhƣ vậy, cú thể sử dụng cỏc bƣớc hồi quy tuyến tớnh để so sỏnh ảnh chụp ở hai thời điểm khỏc nhau. Trong cỏch tiếp cận này, một mụ hỡnh hồi quy tuyến tớnh đƣợc sử dụng để dự đoỏn cỏc giỏ trị ở thời điểm 2 dựa trờn cỏc giỏ trị ở thời điểm 1. Và ngƣời phõn tớch cũng phải tỡm ra ngƣỡng cho dự đoỏn cỏc giỏ trị biến động cú ớch.
2.1.6 Phương phỏp phõn tớch vector thay đổi
Đõy là một phƣơng phỏp điều tra biến động đƣợc mở rộng từ khỏi niệm ảnh sai biệt. Hỡnh 2.3 dƣới đõy thể hiện cơ sở của cỏch tiếp tận này theo hai chiều.
Hỡnh 2.3: Phõn tớch vector thay đổi
Pixel tƣơng ứng trong hai kờnh ảnh ở cỏc thời gian khỏc nhau đƣợc chấm điểm nhƣ là năm 1 và năm 2…. Vector nối cỏc điểm này thể hiện cả cƣờng độ và chiều hƣớng biến đổi phổ giữa cỏc thời kỳ. Một ngƣỡng về cƣờng độ cú thể đƣợc thiết lập trờn cơ sở cỏc vựng đƣợc xỏc định là biến đổi, và chiều hƣớng của vector chớnh là thể hiện loại hỡnh biến đổi.
2.1.7 Phương phỏp tớnh sai biệt chỉ số thực vật
Trong hai vựng súng đỏ và cận hồng ngoại, thực vật màu xanh hấp thụ và phản xạ rất khỏc nhau. Thực vật hấp thụ mạnh tia sỏng màu đỏ và phản xạ lại cỏc tia hồng ngoại. Trờn thế giới đó cú rất nhiều cụng thức tớnh chỉ số thực vật khỏc nhau đƣợc phỏt triển dựa trờn sự khỏc biệt này. Trong nghiờn cứu biến động, chỉ số thực vật của hai thời điểm đƣợc trừ cho nhau để tạo ra một kờnh ảnh cú chỉ số thực vật sai biệt. Sau khi tớnh toỏn ảnh sai biệt, tiếp tục xỏc định vựng biến động bằng cỏch phõn ngƣỡng biến động. Việc phõn ngƣỡng dựa theo giỏ trị trung bỡnh và độ lệch chuẩn của pixel trong ảnh sai biệt. Ảnh sau khi phõn ngƣỡng là ảnh nhị phõn,
A
Vectơ biến đổi phổ Kờnh phổ X Kờ nh phổ Y Thời điểm 1 Thời điểm 2 Gúc thay đổi Khoảng cỏch thay đổi B Thay đổi ớt C Thay đổi (vd: phỏ rừng hay chia nhỏ thửa đất) D Thay đổi (vd: Trồng rừng) Ngƣỡng quyết định Ngƣỡng quyết định Ngƣỡng quyết định Năm 1 Năm 1 Năm 1 Năm 2 Năm 2 Năm 2 Y Y Y X X X
tức là chỉ cú giỏ trị 0 và 1. Gỏn giỏ trị 0 cho cỏc vựng khụng biến động và giỏ trị 1 cho vựng biến động.
Hỡnh 2.4: Đường cong thể hiện giỏ trị trung bỡnh và ngưỡng xỏc định biến động bằng 1 lần độ lệch chuẩn
2.2. Quy trỡnh cụng nghệ thành lập bản đồ hiện trạng, bản đồ biến động lớp phủ rừng bằng cụng nghệ viễn thỏm và GIS lớp phủ rừng bằng cụng nghệ viễn thỏm và GIS
2.2.1 Mục tiờu thực hiện
Để đạt đƣợc mục tiờu đề ra đề tài tập trung vào một số nội dung sau:
- Xõy dựng bản đồ hiện trạng lớp phủ rừng trờn cơ sở giải đoỏn ảnh vệ tinh. - Sử dụng cụng nghệ GIS và cụng nghệ viễn thỏm để xử lý bản đồ, kiểm tra, chỉnh lý bản đồ lớp phủ rừng, bản đồ biến động rừng.
- Ứng dụng cụng nghệ GIS thành lập cơ sở dữ liệu theo dừi biến động diện tớch lớp phủ rừng và đất rừng.
- Đỏnh giỏ diễn biến diện tớch rừng thụng qua việc chồng xếp bản đồ hiện trạng lớp phủ rừng.
- Phõn tớch, đỏnh giỏ những biến động diện tớch lớp phủ rừng.
- Xõy dựng đƣợc hệ thống cơ sở dữ liệu đƣợc tổ chức trong hệ thống, theo khụng gian và thời gian, đõy là hệ thống mở cú khả năng thƣờng xuyờn cập nhật đỏp ứng đƣợc những nhu cầu cần thiết cho cụng tỏc quản lý tài nguyờn rừng.
- Kết quả theo dừi diễn biến rừng gồm:
Bản đồ hiện trạng lớp phủ rừng, bản đồ biến động rừng;
Bảng tổng hợp diện tớch cỏc loại đất, loại rừng; Giỏ trị trung bỡnh 1 1 Khụng biến động Khụng biến động Biến động Biến động N D
Cơ sở dữ liệu diễn biến rừng đƣợc lƣu trữ trờn hệ thống mỏy tớnh.
2.2.2 Qui trỡnh cụng nghệ thành lập bản đồ hiện trạng lớp phủ rừng bằng ảnh viễn thỏm ảnh viễn thỏm
Qui trỡnh đƣợc thực hiện gồm 4 bƣớc nhƣ sau:
Bước 1: Cụng tỏc chuẩn bị, thu thập tài liệu gồm:
- Tài liệu ảnh vệ tinh: là dữ liệu chớnh đƣợc sử dụng để giải đoỏn cỏc nội dung chuyờn mụn của bản đồ hiện trạng lớp phủ rừng;
- Tài liệu bản đồ: bản đồ địa hỡnh, bản đồ hiện trạng sử dụng đất, bản đồ hiện trạng rừng. Cỏc tƣ liệu bản đồ này đƣợc sử dụng để thành lập bản đồ nền và lấy thụng tin bổ trợ cho quỏ trỡnh chiết tỏch thụng tin từ ảnh sau này;
- Xõy dựng hệ thống chỳ giải phủ hợp với mục tiờu và tỷ lệ bản đồ;
- Số liệu thực địa: mẫu ảnh vệ tinh phục vụ cụng tỏc xử lý ảnh, cỏc số liệu đo GPS phục vụ cụng tỏc nắn ảnh.
Bƣớc 2: Chiết tỏch thụng tin từ ảnh viễn thỏm
- Xõy dựng ảnh tổ hợp màu và tăng cƣờng chất lƣợng ảnh. Mục đớch của cụng việc này là nhằm tạo ra ảnh tổ hợp màu cú chất lƣợng tốt nhất để phục vụ cho việc chọn mẫu và giải đoỏn ảnh đƣợc chớnh xỏc.
- Chiết tỏch cỏc thụng tin lớp phủ rừng từ ảnh viễn thỏm đƣợc thực hiện bằng phƣơng phỏp xử lý số, bao gồm cỏc bƣớc nhƣ: Xõy dựng bảng chỳ giải; Chọn mẫu giỏm định và tớnh toỏn cỏc chỉ số thống kờ vựng mẫu; Phõn loại cú giỏm định cỏc đối tƣợng; Kiểm tra kết quả phõn loại.
Bƣớc 3: Biờn tập lớp thụng tin hiện trạng lớp phủ rừng
Kết quả sau khi phõn loại ảnh viễn thỏm vẫn ở dạng raster, do đú cần phải biờn tập và chuyển đổi sang dạng vector theo cỏc quy định của bản đồ. Sau khi biờn tập, dữ liệu bản đồ cú thể đƣợc chuyển thành cơ sở dữ liệu để tiện cho cụng tỏc quản lý và phõn tớch dữ liệu sau này.
Bƣớc 4: Trỡnh bày kết quả
Kết quả cuối cựng bao gồm cơ sở dữ liệu lớp phủ rừng, bản đồ hiện trạng lớp phủ rừng
BĐĐH Thành lập BĐ nền Khảo sỏt thực địa Bỡnh đồ ảnh vệ tinh Lập mẫu khúa ảnh Chọn vựng mẫu
Kiểm tra thực địa Phõn loại tự động
Chuyển dạng Vector
Biờn tập thành lập bản đồ hiện trạng lớp phủ rừng
Lưu trữ và in kết quả Xõy dựng đề cương, lập thiết kế
kỹ thuật
Hỡnh 2.5: Sơ đồ quy trỡnh cụng nghệ thành lập bản đồ hiện trạng lớp phủ rừng bằng tư liệu viễn thỏm
2.2.3 Qui trỡnh cụng nghệ thành lập bản đồ biến động lớp phủ rừng
Trong nghiờn cứu biến động, việc lựa chọn phƣơng phỏp là rất quan trọng. Trƣớc tiờn, chỳng ta phải xỏc định đƣợc phƣơng phỏp phõn loại ảnh mà ta sử dụng. Sau đú cần xỏc định rừ yờu cầu nghiờn cứu cú cần biết chớnh xỏc thụng tin về nguồn gốc của sự biến động hay khụng. Từ đú cú sự lựa chọn phƣơng phỏp thớch hợp. Tuy nhiờn tất cả cỏc nghiờn cứu đều cho thấy rằng, cỏc kết quả về biến động
đều phải đƣợc thể hiện trờn bản đồ biến động và bảng tổng hợp. Cỏc phƣơng phỏp nghiờn cứu biến động khỏc nhau sẽ cho những bản đồ biến động khỏc nhau. Cú nhiều phƣơng phỏp nghiờn cứu biến động thƣờng đƣợc sử dụng. Dƣới đõy là một số phƣơng phỏp đƣợc sử dụng rộng rói để nghiờn cứu biến động và thành lập bản đồ biến động.
2.2.3.1 So sỏnh biến động sau phõn loại
- Lựa chọn tƣ liệu ảnh ở cỏc thời điểm đƣợc thu nhận đƣợc xử lý, nắn chỉnh hỡnh học về cựng một hệ tọa độ.
- Tiến hành phõn loại theo cựng hệ thống đó thiết kế để xõy dựng bản đồ hiện trạng lớp phủ rừng của từng thời kỳ. - Thành lập bản đồ biến động. Bỡnh đồ ảnh vệ tinh thời kỳ 1 Bỡnh đồ ảnh vệ tinh thời kỳ 2 Chiết tỏch cỏc thụng tin từ ảnh Chiết tỏch cỏc thụng tin từ ảnh Xõy dựng CSDL BĐ hiện trạng lớp phủ rừng thời kỳ 2 Đỏnh giỏ biến động Bỡnh đồ ảnh vệ tinh thời kỳ 3 Chiết tỏch cỏc thụng tin từ ảnh BĐ hiện trạng lớp phủ rừng thời kỳ 3 BĐ hiện trạng lớp phủ rừng thời kỳ 1 Số liệu biến động BĐ biến động
Hỡnh 2.6: Sơ đồ quy trỡnh cụng nghệ thành lập bản đồ biến động lớp phủ rừng bằng tư liệu viễn thỏm sau phõn loại
Trong phƣơng phỏp này cú thể sử dụng cỏc loại ảnh khỏc nhau với cỏc phƣơng phỏp xử lý khỏc nhau. Ở đõy, ngƣời ta cú thể thành lập bản đồ hiện trạng lớp phủ rừng cho từng thời kỳ, sau đú sẽ tiến hành chồng lớp bản đồ của cỏc thời kỳ để phõn tớch biến động. Núi chung, đõy là phƣơng phỏp đƣợc sử dụng khỏ phổ biến trong thực tế.
2.2.3.2 Nghiờn cứu biến động lớp phủ rừng sử dụng cỏc chỉ số thực vật
Nguyờn lý của phƣơng phỏp này là phõn tớch biến động lớp phủ rừng qua cỏc giai đoạn khỏc nhau dựa vào cỏc giỏ trị phổ của hai kờnh phổ đặc trƣng cho thực vật là kờnh đỏ và kờnh hồng ngoại. Bờn dƣới đõy là một số loại chỉ số thực vật phổ biến thƣờng đƣợc sử dụng trong phõn tớch biến động lớp phủ rừng:
Bảng 2.1: Một số chỉ số thực vật thường dựng trong phõn tớch biến động rừng
Chỉ số Cụng thức Tỏc giả
Chỉ số thực vật NDVI
(Normal Different Vegetable Index) IR R
R IR NDVI Rouse et al. (1973) Chỉ số tỷ số thực vật RVI
(Ratio Vegetable Index) R
IR
RVI Jordan (1969)
Chỉ số điều chỉnh của đất SAVI (Soil Adjusted Vegetable Index)
L L R IR R IR SAVI 1 Huete (1988) Trong đú:
- IR là giỏ trị bức xạ của bƣớc súng cận hồng ngoại (near infrared)
- R là giỏ trị bức xạ của bƣớc súng nhỡn thấy (visible)
Ảnh vệ tinh cỏc thời kỳ Xử lý phổ Tạo ảnh chỉ số thực vật cỏc thời kỳ Tạo ảnh biến động Đỏnh giỏ kết quả
Hỡnh2.7: Sơ đồ quy trỡnh cụng nghệ thành lập bản đồ biến động lớp phủ rừng bằng phương phỏp nghiờn cứu biến động của cỏc chỉ số thực vật
Ƣu điểm của phƣơng phỏp này là cho phộp ta cú đƣợc kết quả bỏo cỏo nhanh về diễn biến rừng qua cỏc giai đoạn khỏc nhau. Tuy nhiờn để cho kết quả phõn tớch biến động mang tớnh khỏch quan thỡ tƣ liệu ảnh vệ tinh của cỏc thời kỳ phải cựng của một loại vệ tinh và đƣợc thu nhận trong cựng một điều kiện khớ hậu nhƣ nhau