Chương 3 GIẢI ĐOÁN ẢNH VIỄN THÁM Nội dung chính của chương trình bày những vấn đề về xử lý ảnh và giải đoán ảnh. Bao gồm các khái niệm về giải đoán ảnh, các bước xử lý ảnh, phương pháp giải đoán ảnh bằng mắt và phương pháp giải đoán ảnh bằng xử lý số. Mục đích của chương giúp sinh viên nắm được khái niệm về giải đoán ảnh, phương pháp giải đoán ảnh bằng mắt và phương pháp giải đoán ảnh theo phương pháp số để từ đó có thể áp dụng hai phương pháp giải đoán ảnh này trong từng trường hợp cụ thể phục vụ cho các mục đích của ngành. KHÁI NIỆM Giải đoán ảnh viễn thám là quá trình tách thông tin định tính cũng như định lượng từ ảnh dựa trên các tri thức chuyên ngành hoặc kinh nghiệm của người đoán đọc điều vẽ.
Việc tách thông tin trong viễn thám có thể phân thành 5 loại: - Phân loại đa phổ. - Phát hiện biến động. - Chiết tách các thông tin tự nhiên. - Xác định các chỉ số.
- Xác định các đối tượng đặc biệt. Phân loại đa phổ là quá trình tách gộp thông tin dựa trên các tính chất phổ, không gian và thời gian của đối tượng. Phát hiện biến động là phát hiện và phân tích các biến động dựa trên tư liệu ảnh đa thời gian. Chiết tách các thông tin tự nhiên tương ứng với việc đo nhiệt độ trạng thái khí quyển, độ cao của vật thể dựa trên các đặc trưng phổ hoặc thị sai của cặp ảnh lập thể.
Xác định các chỉ số là việc tính toán các chỉ số mới, ví dụ chỉ số thực vật. Xác định các đặc tính hoặc hiện tượng đặc biệt như thiên tai, các cấu trúc tuyến tính, các biểu hiện tìm kiếm khảo cổ. Quá trình tách thông tin từ ảnh có thể được thực hiện bằng mát người hay máy tính. Việc giải đoán bằng mắt có ưu điểm là có thể khai thác được các tri thức chuyên môn và kinh nghiệm của con người, mặt khác việc giải đoán bằng mắt có thể phân tích được các thông tin phân bố không gian.
Tuy nhiên phương pháp này có nhược điểm là tốn kém thời gian và kết quả thu được không đồng nhất. Việc xử lý bằng máy tính có ưu điểm là năng suất cao, thời gian xử lý ngắn, có thể đo được các chỉ số đặc trưng tự nhiên nhưng nó có yếu điểm là khó kết hợp với tri thức và kinh nghiệm của con người, kết quả phân tích các thông tin kém. Để khắc phục nhược điểm này, những năm gần đây người ta đang nghiên cứu các hệ chuyên gia, đó là các hệ chương trình máy tính có khả năng mô phỏng tri thức chuyên môn của con người phục vụ cho việc đoán đọc điều vẽ tự động. 52 Giải đoán ảnh viễn thám bao gồm các giai đoạn sau : - Nhập số liệu.
Có hai nguồn tư liệu chính đó là ảnh tương tự do các máy chụp ảnh cung cấp và ảnh số do các máy quét cung cấp. Trong trường hợp ảnh số thì tư liệu ảnh được chuyển từ các băng từ lưu trữ mật độ cao HDDT và các băng từ CCT. Ở dạng này máy tính nào cũng đọc được số liệu. Các ảnh tương tự cũng được chuyển thành dạng số thông qua các máy quét.
- 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. Giai đoạn này thường được thực hiện trên các máy tính lớn tại các Trung tâm thu số liệu vệ tinh. - Biến đối ảnh.
Các quá trình xử lý như tăng cường chất lượng, biến đổi tuyến tính. 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 đa phổ để tách các thông tin cần thiết phục vụ 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. Sau khi hoàn tất các khâu xử lý cần phải xuất kết quả. NHẬP DỮ LIỆU Đối với ảnh số thì tư liệu ảnh được chuyển từ băng từ lưu trữ mật độ cao HDDT vào băng từ CCT.Ở dạng này máy tính nào cũng đọc được số liệu.Vì vậy hệ nhập ảnh mô tả trong phần này được coi như một hệ chuyển đổi các ảnh tương tự đen trắng hay màu về dạng số. Chức năng cụ thể của từng hệ phục thuộc vào những yếu tố sau: - Kích thước của phim: Kích thước tối đa mà thiết bị có thể chuyển đổi được.
- Độ phân giải: Mật độ điểm/inch (DPI). - Thang cấp độ xám: Bao nhiêu cấp độ sáng có thể chuyển đổi được hay nói cách khác mỗi pixel đầu ra được mã mấy bít. - Tốc độ chuyển đổi. - Điều kiện môi trường:Yêu cầu làm việc trong bóng tối hoàn toàn,trong ánh sáng mờ - Độ chính xác.
Loại ảnh có thể chuyển đổi được: Film hoặc giấy. Các hệ nhập ảnh nhìn chung được thiết kế dựa trên những phương pháp quét ảnh chính sau: 53 a. Quét cơ học Bức ảnh được đặt trên một ống hình trụ và quá trình quét được thực hiện bằng việc quay của ống và một tia sáng chiếu từ bên trong ra. Tốc độ quét theo phương pháp này nói chung không cao nhưng nó được sử dụng rộng rãi vì nó cho phép thực hiện việc chuyển đổi với độ chính xác cao và độ phân giải lớn.
Máy quay vô tuyến Máy quay vô tuyến đôi khi cũng được sử dụng vì giá thành của nó rất rẻ. Tuy vậy nhược điểm của nó là độ phân giải thấp, độ chính xác vị trí không cao và độ phân giải về mầu cũng không cao. Buồng chụp CCD Các buồng chụp CCD có ưu thế hơn các máy quay vô tuyến vì chúng có độ phân giải cao hơn, chính xác hơn và kích thước cũng bé hơn. Đương nhiên giá thành của chúng là đắt hơn nhiều lần.
Buồng chụp CCD mảng tuyến tính Buồng chụp CCD mảng tuyến tính làm việc trên nguyên lý chia đối tượng nghiên cứu thành nhiều hàng nhỏ và việc chuyển đổi được thực hiện tuần tự theo từng hàng một. Các máy quét làm theo nguyên lý này hiện nay rất phổ cập vì giá thành rẻ, chất lượng lại cao. HIỆU CHỈNH ẢNH 3. Hiệu chỉnh bức xạ Tất cả các tư liệu số hầu như bao giờ cũng chịu một mức độ nhiễu xạ nhất định.
Để loại trừ các nhiễu này cần phải thực hiện một số phép tiền xử lý. Khi thu các bức xạ từ mặt đất trên các vật mang vũ trụ, người ta thấy chúng có một số khác biệt so với trường hợp quan sát cùng đối tượng đó ở khoảng cách gần. Điều này chứng tỏ ở khoảng cách xa như vậy tổn tại một lượng nhiễu nhất định do góc nghiêng và độ cao mặt trời, một số điều kiện quang học khí quyển như sự hấp thụ, tán xạ, độ mù gây ra. Chính vì vậy để bảo đảm được sự tương đồng nhất định về mặt bức xạ cần phải hiệu chỉnh ảnh.
Các nguồn nhiễu bức xạ gồm 3 nhóm chính sau : 1. Các nguồn nhiễu do biến đổi độ nhậy của bộ cảm Trong trường hợp các bộ cảm thuần tuý quang học bao giờ cũng xảy ra trường hợp cường độ bức xạ tại tâm ảnh lớn hơn tại các góc. Hiện tượng này gọi là hiện tượng làm mờ ảnh. Đây là một sai lệch không thể tránh khỏi cho các hệ quang học.
Khi sử dụng các bộ cảm quang điện tử thì sự chênh lệch giữa cường độ bức xạ trước ống kính và cường độ mà thiết bị thực sự ghi nhận cũng là một đại lượng cần đưa vào quá trình hiệu chỉnh. Các nguồn nhiễu do góc chiếu của mặt trời và do địa hình - Bóng chói mặt trời Bản thân mặt trời tạo bóng chói của mình trên mặt đất dưới dạng một vùng sáng hơn những vùng khác. Bóng chói mặt trời có thể được loại trừ cùng với hiện tượng làm mờ ảnh trên nguyên lý ứng dụng chuỗi Furie. - Bóng che Bóng che là hiện tượng che khuất nguồn bức xạ do bản thân địa hình.
Để có thể loại trừ nó cần có số liệu mô hình số địa hình và toạ độ vật mang tại thời điểm thu tín hiệu. Các nguồn nhiễu do trạng thái khí quyển Rất nhiều các hiệu ứng khí quyển khác nhau như hấp thụ, phản xạ, tán xạ. ảnh hưởng tới chất lượng ảnh thu được. Người ta thường sử dụng các mô hình khí quyển để mô phỏng trạng thái khí quyển và áp dụng các qui luật quang hình học và quang khí quyển để giải quyết vấn đề này.
Hiệu chỉnh khí quyển Bức xạ mặt trời trên đường truyền xuống trái đất bị hấp thụ, tán xạ một lượng nhất định trước khi tới mặt đất và bức xạ, tán xạ từ vật thể cũng bị hấp thụ hay tán xạ trước khi tới được bộ cảm. Do vậy bức xạ mà bộ cảm thu được không chỉ chứa riêng năng lượng hữu ích mà còn chứa nhiều thành phần nhiễu khác nữa. Hiệu chỉnh khí quyển là một công đoạn tiền xử lý nhằm loại trừ những thành phần bức xạ không mang thông tin hữu ích. Có 3 nhóm phương pháp chính sử dụng trong hiệu chỉnh khí quyển là: phương pháp sử dụng hàm truyền khí quyển, phương pháp sử dụng số liệu quan trắc thực địa và các phương pháp khác.
Phương pháp sử dụng hàm truyền khí quyển Phương pháp sử dụng hàm truyền khí quyển là giải pháp gần đúng hay được sử dụng. Mọi thông số dựa trên trạng thái trung bình của khí quyển kể cả hàm lượng các hạt bụi lơ lửng và hơi nước. Phương pháp sử dụng các số liệu quan trắc thực địa Trong phương pháp này người ta tiến hành đo đạc bức xạ các đối tượng cần nghiên cứu ngay tại thời điểm bay chụp. Sau đó dựa trên sự khác biệt cường độ bức xạ thu được trên vệ tinh và giá trị đo được người ta tiến hành hiệu chỉnh bức xạ.
Phương pháp này cho kết quả rất tốt nhưng không phải lúc nào và ở đâu cũng thực hiện được. Các phương pháp khác. Một số vệ tinh được trang bị các bộ cảm đặc biệt chuyên thu nhận các tham số trạng thái khí quyển đồng thời với các bộ cảm thu nhận ảnh và việc hiệu chỉnh khí quyển được tiến hành ngay trong quá trình bay. Hiệu chỉnh hình học ảnh Méo hình hình học là sai lệch vị trí giữa tọa độ ảnh thực tế đo được và tọa độ ảnh lý tưởng thu được từ bộ cảm có thiết kế hình học lý tưởng và trong các điều kiện thu nhận lý tưởng.
Méo hình hình học gồm méo hình nội sai và méo hình ngoại sai.