Chương 1: Lý thuyết cơ bản về viễn thám và công trình biển 1.1 Lý thuyết cơ bản về viễn thám 1.1 Khái niệm: Xuất phát từ những khó khăn do điều kiện tự nhiên làm cản trở việc tiếp cận trực tiếp trong cự ly gần để nghiên cứu đối tượng, viễn thám sinh ra dựa trên kỹ thuật chụp ảnh bề mặt Trái Đất từ trên cao sử dụng các thiết bị bay như khinh khí cầu, máy bay hay phổ biến nhất hiện nay là sử dụng vệ tinh chụp ảnh. Qua hơn 100 năm ứng dụng từ những loại hình thô sơ nhất là những bức ảnh đen trắng chụp trên khinh khí cầu cho tới những bức ảnh quang học đa phổ, ảnh radar chụp bởi vệ tinh ở trên quỹ đạo như hiện nay, viễn thám đã và đang góp những ứng dụng quan trọng cho nhiều ngành khoa học của nhân loại.1: Sơ đồ thu nhận ảnh viễn thám (A: Măṭ Trời; B: Sóng điêṇ từ; C: Bề măṭ Trái Đất; D: Vâṭ bay chụp ảnh viễn thám, ví dụ: vê ̣ tinh, máy bay… ; E: Tín hiêụ vâṭ bay trả về trạm thu ảnh; F: Ảnh viễn thám thu được; G: Ứng dụng dựa trên ảnh viễn thám). (Nguồn: Trung tâm viễn thám quốc gia Canada) Viễn thám được định nghĩa là ngành khoa học nghiên cứu bề mặt Trái Đất từ xa sử dụng các công cụ chụp ảnh bề mặt Trái Đất từ trên cao như vệ 10 tinh, máy bay, thiết bị bay không người lái. Trong thực tế, xét trên yếu tố mục đích nghiên cứu, viễn thám được định nghĩa là sự thu thập và phân tích thông tin đối tượng mà cần phải tiếp xúc trực tiếp.
Đây là lĩnh vực đã có lịch sử phát triển từ những năm đầu thế kỷ XX, dựa trên những thành tựu khoa học công nghê ̣ tiên tiến nhất như công nghệ quang học, giải mã, công nghệ vũ trụ không gian, công nghệ tin học… Viễn thám không chỉ là môṭ ứng dụng công nghê ̣ thông thường mà còn là một môn khoa học đa ngành kết hợp tri thức của nhiều lĩnh vực, nhiều chủ đề với mục tiêu cung cấp thông tin nhanh chóng, khách quan nhất phục vụ các ứng dụng trong kinh tế, quân sự, khoa học và đời sống xã hôi.2: Vệ tinh viễn thám VNREDSat-1 của Việt Nam trên quỹ đạo.3: Ảnh vệ tinh viễn thám PlanetScope của Mỹ chụp ảnh thành phố San Francisco, bang California, Mỹ.com) Viễn thám có đối tượng nghiên cứu chủ yếu là các sự vật và hiêṇ tượng xảy ra trên bề mặt Trái Đất. Không nghiên cứu trực tiếp các hiêṇ tượng và sự vật, viễn thám nghiên cứu gián tiếp thông qua hình ảnh của chúng. Những hình ảnh đó là các bảng mã về sự phân bố lại năng lượng Mặt Trời được phản xạ lại từ các vật trên bề mặt Trái Đất.2 Nguyên lý cơ bản của viễn thám: Trong tự nhiên, năng lượng điện từ phản xạ hoặc bức xạ từ vật thể là nguồn cung cấp thông tin phong phú về các đặc điểm, tính chất của sự vật hiện tượng. Ảnh viễn thám thu được cung cấp thông tin thông qua năng lượng phản xạ hoặc bức xạ điện từ trên.
Đo lường và phân tích năng lượng điện từ thu được từ ảnh viễn thám làm “hiện lên" những thông tin hữu ích về từng lớp phủ mặt đất, mặt nước khác nhau do sự tương tác phong phú giữa bức xạ điện từ và vật thể. Thiết bị dùng để cảm nhận sóng điện từ phản xạ hay bức xạ từ vật thể được gọi là bộ cảm biến. Bộ cảm biến có thể là những chiếc máy ảnh hoặc máy quét tần số điện từ mắt thường không nhìn thấy, được lắp đặt trên vật mang dạng máy bay, khinh khí cầu, tàu con thoi hoặc vệ tinh.4: Nguyên lý chụp ảnh viễn thám của vệ tinh: Ánh sáng từ Mặt Trời (Sun) chiếu đến vật thể (Object) thì phản xạ lại qua bộ lọc trên vệ tinh (Filter) trước khi đi vào ống kính (Camera) để tạo ra ảnh viễn thám.com) Sau khi bộ cảm biến thu nhận năng lượng của sóng điện từ do các vật thể phản xạ hay bức xạ, thông tin về năng lượng phản xạ của vật thể lưu lại trên ảnh viễn thám và tiếp theo được xử lý tự động trên máy tính hoặc giải đoán trực tiếp dựa trên kinh nghiệm của các chuyên gia nhận dạng sự vật hiện tượng. Bước cuối cùng, các dữ liệu hoặc thông tin liên quan đến các vật thể và hiện tượng khác nhau trên mặt đất, mặt nước sẽ được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như nông lâm nghiệp, địa chất, khí tượng, môi trường, quân sự… Toàn bộ quá trình thu nhập và xử lý ảnh viễn thám phụ thuộc vào 05 thành tố cơ bản sau: 1.
Nguồn năng lượng bức xạ điện từ. Sự tương tác của năng lượng bức xạ điện từ với khí quyển. Sự tương tác của năng lượng bức xạ điện từ với các vật thể trên bề mặt đất, mặt nước. Sự chuyển đổi năng lượng phản xạ từ vật thể thành dữ liệu trên ảnh.
Xử lý, chuyển đổi, hiển thị dữ liệu thành ảnh số phục vụ giải đoán, khai thác ứng dụng.5: Quy trình thu nhận, xử lý, lưu trữ và phân phối dữ liệu viễn thám thu bởi vệ tinh (TDRS và TRMM) tại các trung tâm quan sát Trái Đất (Earth Observation Center). (Nguồn: NASDA) Trong viễn thám, viễn thám quang học sử dụng nguồn năng lượng cung cấp chủ yếu là do Mặt Trời. Khoảng 75% năng lượng mặt trời khi tiếp xúc đến lớp ngoài của khí quyển được truyền xuống mặt đất và trong quá trình lan truyền sóng điện từ luôn bị khí quyển hấp thụ, tán xạ và khúc xạ trước khi đến bộ cảm biến. Các loại khí như oxy, nitơ và các phân tử lơ lửng trong khí quyển là tác nhân ảnh hưởng đến sự suy giảm năng lượng sóng điện từ lan truyền.6: Tác động cản trở ánh sáng Mặt Trời (Solar) của mây (Cloud và Broken Cloud Layer) lên ảnh của vật thể (Target) thu được trên vệ tinh (Satellite Sensor).3 Phương pháp xử lý dữ liệu viễn thám: Có 2 phương pháp xử lý dữ liệu viễn thám phổ biến hiện nay đó là: ● Giải đoán bằng mắt thường: Giải đoán ảnh bằng mắt là phương pháp có thể áp dụng trong mọi điều kiện có trang thiết bị từ đơn giản nhất đến phức tạp nhất cũng như áp dụng trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu khác nhau như địa lý, địa chất, nông, lâm nghiệp, thủy sản, môi trường.
Bên cạnh đó, phương pháp giải đoán ảnh bằng mắt đòi hỏi có sự hỗ trợ của các dụng cụ quang học như: kính lúp, kính lập thể, kính phóng đại, kính tổng hợp màu… Cơ sở nền tảng để giải đoán ảnh bằng mắt là đưa các dấu hiệu giải đoán trực tiếp hoặc gián tiếp vào khóa giải đoán.7: Quy trình giải đoán ảnh viễn thám bằng mắt (Interpretation and Analysis) để tìm kiếm thông tin, lập bản đồ hoặc sản xuất các ứng dụng thống kê (Information, maps and statistics for Applications). (Nguồn: Đại học Minnesota, Mỹ) Khi giải đoán một đối tượng cụ thể, người giải đoán cần nắm vững bản chất phản xạ phổ và các kiến thức về đặc điểm tự nhiên xã hội khác của đối tượng. Những đặc trưng cơ bản của các đối tượng bao gồm: + Cấp độ màu sắc: Là mức độ phản xạ năng lượng của đối tượng trên từng kênh phổ riêng biệt hoặc trên các tổ hợp màu giả khác nhau. + Cấu trúc màu sắc: Là một kiểu phân bố độ xám hoặc màu sắc trong ảnh.
Những kiểu phân bố giống nhau phản ánh những đối tượng giống nhau. + Độ tương phản: Thể hiện sự tương quan trong màu sắc của các đối tượng kề nhau. + Dấu hiệu mẫu: Mỗi đối tượng thường được trình diễn bởi các kiểu mẫu nhất định. 16 + Hình dáng và kích thước: Hình dáng và kích thước là những dấu hiệu nhận biến quan trọng trong giải đoán ảnh.
Căn cứ vào hình dạng, kích thước có thể suy ra những thông tin quan trọng khác như [2]. ● Giải đoán ảnh theo phương pháp số: Với mục đích tự động hoá và hạn chế sử dụng sức người so với phương pháp giải đoán ảnh bằng mắt, các chuyên gia sử dụng phương pháp xử lý ảnh số như một giải pháp xử lý nhanh chóng, hiệu quả, nhất là với tập dữ liệu viễn thám ngày càng khổng lồ.8: Quy trình giải đoán ảnh viễn thám bằng công cụ số (Bounding Box Selection, Graph Construction) để tìm kiếm thông tin, đo đạc thống kê (Measuring spatiotemporal evolutions).com) Phương pháp giải đoán số phần lớn là để hỗ trợ quá trình giải đoán bằng mắt cuối cùng thông qua các chức năng: + Hiệu chỉnh ảnh: Hiệu chỉnh ảnh bao gồm bốn loại hiệu chỉnh cơ bản đó là hiệu chỉnh bức xạ, hiệu chỉnh khí quyển, hiệu chỉnh hình học và hiệu chỉnh phép chiếu bản đồ. + Tăng cường chất lượng ảnh và chiết tách các đặc tính: Tăng cường chất lượng ảnh là thao tác chuyển đổi nhằm tăng tính dễ đọc, dễ hiểu của ảnh cho người giải đoán. Trong khi đó, chiết tách đặc tính là thao tác nhằm phân loại, sắp xếp các thông tin có sẵn trong ảnh theo yêu cầu của ứng dụng.
17 Những phép tăng cường chất lượng ảnh thường được sử dụng là chuyển đổi cấp độ xám, chuyển đổi biểu đồ, tổ hợp màu, chuyển đổi màu giữa hai hệ màu đỏ lục lam và hệ ảnh siêu phổ (HSI)… Sau khi tăng cường chất lượng ảnh, tổ hợp màu tùy ý gồm 03 màu cơ bản là đỏ, lục, lam được lựa chọn cho 03 kênh phổ nào đó để thu được ảnh có tổ hợp màu cho quá trình phân loại như [2]. + Phân loại ảnh: Phân loại ảnh là quá trình máy tính xử lý ảnh theo yêu cầu của người sử dụng đã được đưa vào máy thông qua giai đoạn chọn tệp mẫu. Máy tính tự động phân loại và cho ra kết quả dưới dạng ảnh đã được phân loại. + Xuất kết quả: Sau khi hoàn thành tất cả các quá trình xử lý cần phải xuất kết quả.
Có thể lựa chọn không hạn chế các sản phẩm đầu ra, đó là sản phẩm bản đồ đồ họa, các số liệu thống kê hay các tệp dữ liệu số.2 Lý thuyết cơ bản về công trình biển Công trình biển là công trình nhân tạo được xây dựng ở vùng ven biển, vùng nội thủy hoặc ở ngoài khơi xa. Trong thực tế, công trình biển có thể là một cảng tàu, một đê chắn sóng, một giàn khai thác dầu khí, thậm chí là một đảo nhân tạo được hình thành qua quá trình bồi đắp nhân tạo. Trong phạm vi vấn đề nghiên cứu của đề tài này, tác giả chỉ tập trung phân tích một số loại công trình biển thường gặp và tương đồng với dạng công trình biển tại khu vực nghiên cứu trong phần thực nghiệm sau này.