chương 1, luận án trình bày tổng quan về viễn thám, giải đoán ảnh đa phổ. Tiếp đó, luận án trình bày về tình hình nghiên cứu trên thế giới. Từ đó, luận án phân tích kết quả đạt được và những vấn đề còn hạn chế. Những phân tích này làm tiền đề để luận án đề xuất những cải tiến mới trong các chương tiếp theo.
Tổng quan về viễn thám 1. Tiến trình viễn thám Theo các định nghĩa trong [22][62] thì viễn thám (Remote Sensing) được hiểu như một khoa học, nghệ thuật thu nhận thông tin về đối tượng, khu vực hay hiện tượng trên bề mặt Trái đất mà không tiếp xúc trực tiếp với chúng. Công việc này được thực hiện bởi cảm nhận (sensing) và lưu trữ các năng lượng phản xạ hay được phát ra từ các đối tượng nghiên cứu. Sau đó là thực hiện phân tích, xử lý và ứng dụng các thông tin này vào nhiều lĩnh vực khác nhau.
Tiến trình viễn thám bao gồm nhiều công đoạn, trong đó có tương tác giữa bức xạ và đối tượng nghiên cứu. Khái niệm đối tượng nghiên cứu trong tài liệu này được hiểu là các đối tượng, khu vực hay hiện tượng nào đó trên bề mặt Trái đất mà con người muốn thu thập thông tin về nó.1 là mô tả vắn tắt bảy thành phần của hệ thống thu ảnh viễn thám [22]. Tiến trình viễn thám. Nguồn năng lượng hay nguồn sáng (A): Yêu cầu đầu tiên của viễn thám là phải có nguồn năng lượng để chiếu sáng hay cung cấp năng lượng điện từ đến đối tượng nghiên cứu.
22 Bức xạ và khí quyển (B): Vì năng lượng đi từ nguồn tới đối tượng đích cho nên nó tiếp xúc và đi qua khí quyển. Việc tương tác này còn xảy ra lần nữa khi năng lượng đi từ đối tượng đích tới cảm biến (sensor). Tương tác với đối tượng đích (C): Sau khi năng lượng được truyền qua khí khuyển nó sẽ tương tác với đối tượng đích. Cách thức tương tác của chúng phụ thuộc vào tính chất của đối tượng đích và bức xạ.
Thu nhận năng lượng bằng đầu cảm biến (D): Sau khi năng lượng bị đối tượng đích truyền đi hay phân tán (scattered), đầu cảm biến sẽ thu nhận (không tiếp xúc) và lưu trữ bức xạ điện từ. Truyền, nhận và xử lý dữ liệu cảm biến (E): Năng lượng được thu nhận bởi cảm biến sẽ được truyền đi, thông thường dưới dạng điện tử, đễn trạm thu và xử lý, nơi mà dữ liệu được xử lý thành ảnh (dưới dạng hard-copy hay dạng số). Diễn giải và phân tích (F): Ảnh được diễn giải bằng trực giác hay hệ thống số để trích chọn các thông tin về đối tượng nghiên cứu. Ứng dụng (G): Phần tử cuối cùng của tiến trình viễn thám là áp dụng các thông tin vừa trích chọn từ ảnh về đối tượng nghiên cứu để hiểu rõ hơn về nó, làm nổi lên các thông tin mới hay hỗ trợ giải quyết một số vấn đề cụ thể.
Đề tài “Nghiên cứu phương pháp nâng cao chất lượng và giải đoán ảnh đa phổ dựa trên tính toán mềm” tập trung nghiên cứu một số vấn đề liên quan đến thành phần F và G được mô tả trong sơ đồ trên đây. Đó là làm thế nào để phân tích, diễn giải dữ liệu viễn thám và ứng dụng chúng trong thực tế. Đặc trưng viễn thám Năng lượng điện từ có thể được nhận biết bằng phim ảnh hay điện tử. Có thể ghi biến thiên năng lượng trên phim nhạy ánh sáng.
Cần phân biệt hai khái niệm ảnh (image) và ảnh chụp (photograph) trong viễn thám. Ảnh được hiểu là hình thức biểu diễn “cảnh” bất kỳ, không quan tâm đến bước sóng hay thiết bị viễn thám nào được sử dụng. Ảnh chụp đề cập đến ảnh được chụp trên phim ảnh. Thông thường, ảnh được chụp tại bước sóng từ 0.
Vậy, mọi ảnh chụp là ảnh, nhưng không phải mọi ảnh là ảnh chụp. Ảnh chụp có thể được biểu diễn và hiển thị dưới dạng ảnh số bằng cách chia ảnh 23 thành các ô vuông nhỏ bằng nhau (theo cột và hàng), gọi là pixel. Biểu diễn độ sáng của mỗi vùng bằng một giá trị số (DN- Digital Number). Ảnh chụp và ảnh số.2 thể hiện qui trình sinh ảnh số từ ảnh chụp.
Ảnh chụp được quét và được chia nhỏ thành các pixel. Mỗi pixel được gán một số biểu diễn độ chói. Máy tính hiển thị mỗi giá trị số với mức độ chói khác nhau. Các đặc trưng viễn thám bao gồm: Kênh ảnh (Channel, Band): Thông thường, một dải hẹp bước sóng được đo và tập dữ liệu được lưu trữ tách biệt, chúng được gọi là băng (Band) hay kênh (Channel) ảnh.
Có thể tổ hợp và hiển thị các kênh thông tin nhờ ba màu cơ sở (red, green và blue). Độ phân giải ảnh không gian: Đề cập đến vùng được đo, kích thước đặc trưng nhỏ nhất trên mặt đất mà sensor có thể nhận biết. Độ phân giải phổ: Đề cập đến bước sóng phổ mà sensor nhạy cảm với. Có thể nói độ phân giải phổ là số lượng kênh của ảnh số về một khu vực nào đó.
Độ phân giải bức xạ: Đề cập đến mức độ năng lượng được đo bởi sensor. Nói cách khác là những sự khác biệt nhỏ nhất trong mức năng lượng mà sensor có thể nhận biết. Độ phân giải thời gian: Đề cập đến thời gian thu thập dữ liệu. Nó liên quan đến khả năng chụp lặp cùng một vùng của vệ tinh.
Khuôn mẫu ảnh viễn thám Khuôn mẫu dữ liệu ảnh viễn thám mô tả cách thức dữ liệu được ghi lên thiết bị lưu trữ, ví dụ DVD. Một ảnh viễn thám thường được lưu trữ trong hai tệp, ví dụ với Landsat ETM+ như sau: Tệp metadata: Chứa tập các mô tả bằng chữ hay số của dữ liệu lưu trữ trong tệp dữ liệu ảnh (tệp thứ 2). Chúng bao gồm tổng số dòng quét, số pixel/dòng, phép chiếu sử dụng và tọa độ địa lý của tâm ảnh. Tệp dữ liệu ảnh: Chứa các giá trị điểm ảnh của các kênh 1-7, sắp xếp theo từng kênh.
Với mỗi kênh, các giá trị pixel của dòng quét thứ 1 được lưu trữ từ trái sang phải thành một bản ghi. Tiếp theo là lưu trữ dữ liệu của dòng quét thứ 2,. Các loại ảnh viễn thám Phân loại ảnh viễn thám theo nguồn năng lượng [129] và chiều dài bước sóng, ta có thể chia ảnh vệ tinh thành 3 loại cơ bản: Ảnh quang học là loại ảnh được tạo ra bởi việc thu nhận các bước sóng ánh sáng nhìn thấy (bước sóng 0. Nguồn năng lượng chính là bức xạ mặt trời Ảnh hồng ngoại (ảnh nhiệt) là loại ảnh được tạo ra bởi việc thu nhận các bước sóng hồng ngoại phát ra từ vật thể (bước sóng 8 – 14 micromet).
Nguồn năng lượng chính là bức xạ nhiệt của các vật thể. Ảnh radar là loại ảnh được tạo ra bởi việc thu nhận các bước sóng trong dải sóng cao tần (bước sóng từ 1mm – 1m). Nguồn năng lượng chính là sóng rada phản xạ từ các vật thể do vệ tinh tự phát xuống theo những bước sóng đã được xác định. Một số hệ thống vệ tinh và loại ảnh viễn thám Vệ tinh /Cảm biến thời tiết: TIROS-1, GOES, NOAA AVHRR… Các cảm biến/ vệ tinh quan trắc mặt đất: Landsat, SPOT, IRS, ASTER, MODIS Các cảm biến/vệ tinh quan trắc hải dương: Nimbus-7, MOS, SeaWiFS 25 … 1.
Tổng quan về giải đoán, phân tích ảnh viễn thám đa phổ 1. Khái quát về giải đoán, phân tích ảnh viễn thám đa phổ Để có thể sử dụng được dữ liệu viễn thám ta phải có khả năng tách thông tin có ý nghĩa từ ảnh. Nói cách khác là phải diễn giải và phân tích ảnh viễn thám. Phân tích ảnh viễn thám là thực hiện nhận biết hoặc/và đo các đối tượng khác nhau trong ảnh để tách các thông tin hữu ích về chúng.
Các đặc trưng của đối tượng trên ảnh có các đặc trưng sau: Đối tượng có thể là các đặc trưng điểm, đường và vùng. Nó có thể có hình dạng bất kỳ. Đối tượng cần được phân biệt với nhau, phải tương phản với các đặc trưng khác ở xung quanh chúng. Phần lớn công việc diễn giải và giải đoán ảnh viễn thám được thực hiện bằng thủ công hay mắt thường trên các ảnh chụp (ảnh tương tự).
Đối với các ảnh số, có thể giải đoán bằng thủ công hay bằng máy tính. Xử lý số có thể được sử dụng cho các ảnh số để tăng cường chất lượng ảnh để giải đoán tốt hơn. Xử lý và phân tích ảnh số có thể tự động giải đoán các đối tượng trên ảnh mà không cần can thiệp của con người. Tuy nhiên, thực tế thì rất ít khi xử lý và phân tích ảnh thay thế hoàn toàn thủ công.
Nó thường là hỗ trợ người phân tích trong việc giải đoán ảnh viễn thám. Giải đoán ảnh viễn thám bằng máy tính hay thủ công đều có ưu nhược điểm riêng. Vậy, cả hai kỹ thuật giải đoán này thường được sử dụng. Xử lý ảnh số là thực hiện một loạt thủ tục bao gồm lập khuôn mẫu, hiệu chỉnh dữ liệu, nâng cao chất lượng để dễ dàng giải đoán hay phân lớp tự động các đối tượng bằng máy tính.
Để có thể xử lý số ảnh viễn thám, dữ liệu phải được thu thập dưới dạng số phù hợp và lưu trữ trong máy tính. Đồng thời phải có phần cứng, phần mềm phù hợp, nói cách khác phải có hệ thống phân tích ảnh phù hợp. Khái niệm và tiến trình giải đoán ảnh đa phổ 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 [6]. Việc tách thông tin trong viễn thám có thể phân thành 5 loại: 26 Phân lớp 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 lớp 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.