Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VIỄN THÁM VÀ LOGIC MỜ Trong chương này các vấn đề cơ bản về viễn thám, ảnh vệ tinh và logic mờ được trình bày làm cơ sở khoa học cho các nghiên cứu trong các chương tiếp theo. Tiến trình viễn thám và các loại ảnh viễn thám 1. Tiến trình viễn thám Theo các định nghĩa trong [1] [5] 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 việc cảm nhận (sensing) và lưu trữ các năng lượng phản xạ hay được phát ra từ các đối tượng nghiên cứu.
Sau đó, các thông tin này được phân tích, xử lý và ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau như bảo vệ tài nguyên, thiên nhiên môi trường, nông nghiệp, lâm nghiệp, giao thông vận tải. Nguyên lý hoạt động của ảnh viễn thám 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 [5]. 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.
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). Tiến trình viễn thám [5] 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 năng lượng (E): Năng lượng được cảm nhận bởi Sensor sẽ được truyền đi, thông thường dưới dạng điện tử, đến trạm thu và xử lý, nơi mà dữ liệu được xử lý thành ảnh (dưới dạng ảnh in 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. Nội dung luận văn sẽ tìm hiểu cs kỹ thuật tăng cường chất lượng ảnh trước khi diễn giải và phân tích.
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. Đặc trưng ảnh viễn thám Năng lượng điện từ có thể được nhận biết bằng phim ảnh hay thiết bị điện tử. Có thể ghi biến thiên năng lượng trên phim nhạy ánh sáng. Cần phân 5 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 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 [5] Hình 1.2 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 (sáng). Máy tính hiển thị mỗi giá trị số với mức độ chói khác nhau. Dưới đây trình bày một số khái niệm của ảnh vệ tinh. Kênh ảnh (Channel, Band) Thông thường, một dải hẹp bước sóng được đo và tập dữ liệu được lưu trữ tách biệt theo bước sóng của chúng.
Chúng được gọi là băng (Band) hay kênh (Channel) ảnh (hình 1. Chung ta có thể tổ hợp và hiển thị các kênh thông tin nhờ ba màu cơ sở (red, green và blue). 6 Kích thước ảnh được tính bởi tổng số hàng, tổng số cột, tổng số băng và tổng số bit/pixel. Ví dụ ảnh đa phổ 4 băng có kích thước như sau: 3000 hàng x 3000 cột x 4 băng x 1 byte = 36 Mb lưu trữ.
Như vậy kích thước ảnh vệ tinh là rất lớn. Độ phân giải ảnh không gian Độ phân giải không gian của ảnh là đề cập đến vùng được đo, kích thước đặc trưng nhỏ nhất trên mặt đất mà đầu đo (sensor) có thể nhận biết được. Nếu sensor có độ phân giải không gian 20m và ảnh có từ sensor được hiển thị với mỗi pixel biểu diễn vùng 20mx20m trên mặt đất thì kích thước pixel bằng độ phân giải. Độ phân giải ảnh phụ thuộc vào lại vệ tinh, ví dụ vệ tinh Quick bird có độ phân giải 0,6m, trong khi vệ tinh thời tiết NOAA có độ phân giải 1 Km.
Vệ tinh VNRedSat 1 của Việt Nam có độ phân giải mặt đất là 2,5m.4 là hai ảnh vệ tinh có độ phân giải khác nhau sẽ cho cảm nhận mặt đất khác nhau. Ảnh độ phân giải cao (trái) và độ phân giải thấp (phải) 7 c. Độ phân giải phổ Độ phân giải phổ của ảnh là đề cập đến bước sóng phổ mà sensor nhạy cảm với đối tượng trên mặt đất. Có thể nói độ phân giải phổ là số lượng kênh của ảnh vệ tinh về một khu vực nào đó.5 thể hiện đáp ứng phổ của các loại đát khác nhau trên mặt đất.
Đáp ứng phổ của các loại đá khác nhau [5] d. Độ phân giải bức xạ Độ phân giải bức xạ của ảnh vệ tinh là đề cập đến mức độ năng lượng được mà sensor đo được. Nói cách khác, nó là sự khác biệt nhỏ nhất trong mức năng lượng mà sensor có thể nhận biết. Độ phân giải thời gian Độ phân giải thời gian của ảnh vệ tinh là đề cập đến thời gian thu thập dữ liệu.
Nó liên quan đến khả năng chụp lặp cùng một vùng của vệ tinh cụ thể. Ví dụ LANSAT có độ phân giải thời gian 18 ngày còn SPOT là 24 ngày. Các vệ tinh khí tượng có độ phân giải thời gian cao nhất, ví dụ GMS là 30 phút và NOAA là 6 giờ, để theo dõi sự chuyển động của mây, bão… 1. Khuân mẫu dữ liệu 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 8 tệp: tệp lưu trữ siêu dữ liệu hay dữ liệu của dữ liệu (metadata). Ví dụ với ảnh của vệ tinh Landsat ETM+ thì các dữ liệu của chúng được lưu trữ như sau: - Tệp metadata: Chứa tập các mô tả bằng chữ hay số của dữ liệu lưu trữ trong tệp dữ liệu ảnh. Chúng bao gồm tổng số dòng quét, số pixel/dòng, phép chiếu ảnh được sử dụng và tọa độ địa lý của tâm ảnh. - Tệp dữ liệu ảnh: Tệp dữ liệu ảnh chứa các giá trị điểm ảnh của các kênh từ 1 đến 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,. Nói chung, khuôn mẫu ảnh viễn thám là đa dạng, tùy loại vệ tinh thu ảnh. Các loại ảnh viễn thám Phân loại ảnh vệ tinh theo nguồn năng lượng [5] và chiều dài bước sóng của chúng.
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 sang 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 µm). Nguồn năng lượng chính là bức xạ nhiệt của các vật thể. - Ảnh Radar là loại ảnh được ra bởi việc thu nhận các bước sóng trong dải sóng cao tần (bước sóng từ 1mm - 1m).
Nguồn năng lượng chính là sóng radar phản xạ từ các vật thể do vệ tinh tự phát cuống 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… 9 - 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. - Việt Nam có vệ tinh nhỏ VNRedSat1 đã đưa vào sử dụng từ 4 năm nay (phóng lên quĩ đạo năm 2013).
Các trung tâm thu thập ảnh viễn thám theo qui trình được mô tả trên hình 1.1 sẽ cung cấp ảnh cho người sử dụng theo các cấp độ khác nhau. Ở Việt Nam, ảnh vệ tinh có các mức độ như sau: + Mức 1A: ảnh vệ tinh thô - chưa định vị và xử lý phổ. + Mức 1B: hiệu chỉnh các sai số như sự quay của Trái đất, ảnh hưởng của độ cong Trái đất, góc chụp nghiêng. + Mức 2A: ảnh được định vị về hệ tọa độ bản đồ UTM, Gauss.
chỉ sử dụng các thông tin quỹ đạo của vệ tinh, không sử dụng các điểm khống chế mặt đất. + Mức 2B: ảnh vệ tinh được nắn chỉnh về hệ tọa độ bản đồ sử dụng các điểm khống chế ảnh được đo đạc ngoài thực địa hoặc lấy từ bản đồ tỷ lệ lớn hơn (áp dụng cho khu vực đồng bằng). Ứng dụng của viễn thám Trong các hệ thống viễn thám, mỗi loại cảm biến được thiết kế cho một mục đích riêng, ví dụ cảm biến quang học được thiết kế dành cho việc thu thập các băng phổ. Mỗi ứng dụng bản thân nó có những yêu cầu riêng, như độ phân dải phổ, phân dải không gian, phân dải thời gian.
Thông thường phải sử dụng nhiều cảm biến mới đáp ứng mọi yêu cầu của một ứng dụng. 10 Ảnh viễn thám được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như nông nghiệp, lâm nghiệp, địa chất, thủy văn, lớp phủ đất và sử dụng đất, lập bản đồ, theo dõi đại dương và khu vực bờ biển,.
