Chương 1. Tổng quan Giới thiệu tổng quan về đề tài nghiên cứu, tính cấp thiết, kết quả đạt được và ứng dụng của đề tài trong khoa học đời sống. Viễn thám và tiền xử lý ảnh vệ tinh Giới thiệu về viễn thám, tiền xử lý ảnh vệ tinh, giới thiệu ảnh vệ tinh VNREDSat-1, thực hiện tiền xử lý ảnh vệ tinh VNREDSat-1 từ dạng thô sang mức 2A để phục vụ cho việc lập trình trích xuất thông tin nước. Các thuật toán tự động trích xuất thông tin nước ở Việt nam và trên thế giới.
Giới thiệu các thuật toán sử dụng để trích xuất thông tin nước tại Việt nam và trên thế giới, trong đó đặc biệt chú trọng đến thuật toán tự động trích xuất thông tin nước khu vực thành phố trên ảnh SPOT5 bằng cây quyết định của tác giả Cao Kai. Thuật toán trích xuất thông tin nước cho ảnh vệ tinh VNREDSat-1 Chương này trình bày chi tiết thuật toán tự động trích xuất thông tin nước cho ảnh vệ tinh VNREDSat-1 khu vực thành phố bằng cây quyết định. Kết quả thực nghiệm và đánh giá Chương này trình bày kết quả trích xuất thông tin nước cho ảnh vệ tinh VNREDSat-1 và đưa ra 3 phương pháp đánh giá độ chính xác của thuật toán. Phương pháp 1: đánh giá bằng cách so sánh đối chứng ảnh kết quả trích xuất thông tin nước và các bản đồ được công bố có cùng vị trí địa lý.
Phương pháp 2: so sánh diện tích một số hồ lớn và ít biến động (ít thay đổi diện tích trong nhiều năm liên tục) từ ảnh kết quả trích xuất thông tin nước và diện tích thực tế được các tài liệu công bố về các hồ này để xác định tỷ lệ chênh lệch. Phương pháp 3: phương pháp đánh giá vị trí điểm hay còn gọi là TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 11 phương pháp Overall Accuracy và chỉ số Kappa, phương pháp này thường được dùng để đánh giá độ chính xác trong phân lớp của viễn thám. Kết luận Trình bày kết luận của luận văn và đưa ra định hướng nghiên cứu mới. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 12 Chương 2.
VIỄN THÁM VÀ TIỀN XỬ LÝ ẢNH VỆ TINH 2.1 Giới thiệu viễn thám Viễn thám (Remote Sensing) là một ngành khoa học có mục đích nghiên cứu thông tin về một vật, một hiện tượng thông qua việc phân tích dữ liệu ảnh hàng không, ảnh vệ tinh, ảnh hồng ngoại nhiệt và ảnh radar. Viễn thám được hiểu là khoa học thu nhận thông tin về một đối tượng, một khu vực hoặc một hiện tượng thông qua việc phân tích tư liệu thu nhận được bằng các phương tiện. Những phương tiện này không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tượng, khu vực hoặc với hiện tượng được nghiên cứu [2]. Thuật ngữ viễn thám - điều tra từ xa, xuất hiện từ năm 1960 do một nhà địa lý người Mỹ là E.
Pruit đặt ra (Thomas, 1999). Ngày nay, viễn thám đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc biệt là trong khoa học về trái đất. Kỹ thuật viễn thám là một kỹ thuật đa ngành, liên kết nhiều lĩnh vực khoa học và kỹ thuật khác nhau trong các công đoạn như: - Thu nhận thông tin - Tiền xử lý thông tin - Phân tích và giải đoán thông tin - Đưa ra các sản phẩm dưới dạng bản đồ chuyên đề và tổng hợp. Vì vậy, viễn thám là khoa học thu nhận từ xa các thông tin về các đối tượng, hiện tượng trên mặt đất.
Bằng các công cụ kỹ thuật, viễn thám có thể thu nhận các thông tin, dữ kiện các vật thể, các hiện tượng tự nhiên hoặc một vùng lãnh thổ nào đó ở một khoảng cách nhất định. Ảnh vệ tinh là ảnh bề mặt trái đất hoặc một vùng trên bề mặt trái đất được vệ tinh chụp lại phục vụ mục đích nào đó. Ảnh vệ tinh sau khi được chụp có hình ảnh chưa rõ nét do các tác động khí quyển, góc chụp, độ cao thấp của vệ tinh, các loại vệ tinh khác nhau,… nên cần phải thực hiện công việc tiền xử lý mới sử dụng được. Quá trình chụp ảnh từ vệ tinh được mô phỏng trong sơ đồ Hình 2.
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.1 Hình minh họa các bước chụp và thu nhận ảnh từ vệ tinh Trình tự các bước thu nhận ảnh từ vệ tinh theo mô tả ở Hình 2.1 gồm các bước như sau: Năng lượng được phát ra từ mặt trời (A) hoặc vệ tinh tự phát năng lượng (D). Năng lượng này được truyền xuống vật thể trên bề mặt trái đất tại vị trí C theo hướng truyền B. Tại vị trí C, có thể một phần năng lượng bị hấp thụ và một phần năng lượng phản xạ ngược lại vệ tinh. Thông qua năng lượng phản xạ này vệ tinh sẽ thu nhận được dữ liệu và truyền dữ liệu tới trạm thu nhận tín hiệu theo hướng E.
Trạm thu nhận tín hiệu mặt đất sẽ thu nhận được dữ liệu là ảnh vệ tinh dạng thô, dữ liệu này sẽ được xử lý ở các mức khác nhau để lưu trữ hoặc chuyển cho đơn vị có nhu cầu sử dụng (F, G). Một số khái niệm chính về viễn thám như sau: - Nguồn năng lượng Nguồn năng lượng dùng để chiếu sáng hay cung cấp năng lượng điện từ tới đối tượng quan tâm. Một số loại viễn thám sử dụng năng lượng mặt trời, một số loại tự cung cấp năng lượng tới đối tượng. - Tia phát xạ và khí quyển Năng lượng được phát đi từ nguồn phát tới đối tượng trên mặt đất nên sẽ phải tương tác với vùng khí quyển nơi năng lượng được truyền qua.
Sự tương tác này có thể lặp lại ở một vị trí không gian nào đó vì năng lượng còn phải đi theo chiều ngược lại, từ đối tượng đến bộ cảm biến. - Sự tương tác với đối tượng TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 14 Sự tương tác này có thể là truyền qua đối tượng, bị đối tượng hấp thu hay bị phản xạ trở lại vào khí quyển. Năng lượng phản xạ được phân thành năng lượng phản xạ một phần, hoặc toàn phần hoặc bị tán xạ hoàn toàn. - Thu nhận năng lượng bằng bộ cảm biến Sau khi năng lượng được phát ra hay bị phản xạ từ đối tượng, bộ cảm từ vệ tinh sẽ thu nhận được tín hiệu qua sóng điện từ.
Năng lượng điện từ truyền về bộ cảm mang thông tin về đối tượng. - Sự truyền tải, thu nhận và xử lý Năng lượng được thu nhận bởi bộ cảm sẽ được truyền tải dưới dạng điện từ đến trạm tiếp nhận. Trạm tiếp nhận sẽ xử lý dữ liệu này sang dạng ảnh, đây là dữ liệu dạng ảnh thô. - Giải đoán và phân tích ảnh Ảnh thô cần được xử lý để có thể sử dụng được.
Việc trích xuất được thông tin về đối tượng người ta phải nhận biết được mỗi hình ảnh trên ảnh tương ứng với đối tượng nào. Công đoạn này để có thể gọi là giải đoán ảnh. Ứng dụng: Đây là giai đoạn cuối cùng của quá trình viễn thám, được thực hiện khi đã trích xuất được thông tin từ ảnh, để hiểu rõ về đối tượng mà chúng ta quan tâm, để khám phá những thông tin mới, kiểm nghiệm những thông tin đã có nhằm giải quyết những vấn đề khoa học cụ thể. Hậu xử lý Thu nhận ảnh Tiền xử lý Trích chọn Đối chứng, rút Scaner, camera, Hậu xử lý ảnh đặc điểm ra kết luận sensor Lưu trữ Hình 2.2 Minh họa các giai đoạn xử lý ảnh Trong luận văn này, tác giả đã thực hiện các giai đoạn được in đậm trong Hình 2.
Trong đó, giai đoạn “Tiền xử lý ảnh” được in đậm và nghiêng để biểu thị ảnh VNREDSat-1 được hiệu chỉnh hình học bằng công cụ hỗ trợ và không can thiệp bằng lập trình, còn các phần in đậm được xử lý bằng lập trình ở mức phục vụ cho đề tài nghiên cứu. Phần “Đối chứng, rút ra kết luận” là đối chứng kết quả trích xuất thông tin nước so với các bản đồ đã công bố và kiểm tra thực địa để kiểm nghiệm tính đúng đắn của kết quả. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.2 Ứng dụng của viễn thám trong khoa học và đời sống xã hội Nhu cầu ứng dụng công nghệ viễn thám để giám sát và quản lý tài nguyên thiên nhiên, giám sát môi trường, trong đó phải kể đến tài nguyên đất, tài nguyên nước, tài nguyên khoáng sản, tài nguyên rừng, cảnh báo cháy rừng. Mặt khác, việc ứng dụng công nghệ viễn thám để giám sát tài nguyên và môi trường ở nước ta trong thời gian qua tuy đã thu được một số kết quả nhất định song còn ít, tản mạn và trên thực tế chưa đáp ứng được nhu cầu của đất nước và cạnh tranh với quốc tế.
Các ứng dụng công nghệ viễn thám chủ yếu mới tập trung vào lĩnh vực hiệu chỉnh bản đồ địa hình, thành lập một số bản đồ chuyên đề, bước đầu đề cập đến ứng dụng công nghệ viễn thám phục vụ quản lý đất đai và một số khía cạnh của môi trường. Nhiều dự án quan trọng đã được triển khai, dự án Xây dựng Hệ thống giám sát tài nguyên thiên nhiên và Môi trường ở Việt Nam do Bộ Tài nguyên và Môi trường tổ chức thực hiện. Hệ thống giám sát tài nguyên thiên nhiên và môi trường cho phép trạm thu mặt đất thu trực tiếp từ vệ tinh ảnh Spot 2, 4 và 5 (các ảnh có độ phân giải từ 2,5m, 5m, 10m và 20m), ảnh Envisat ASAR (radar) độ phân giải 30m và ảnh MERIS độ phân giải thấp 300m phục vụ cho nghiên cứu nhiệt độ và độ mặn nước biển. Trung tâm Dữ liệu Quốc gia có khả năng xử lý, phân tích, lưu trữ và phân phối các dữ liệu thu nhận được.
Hệ thống ứng dụng dữ liệu (gồm 15 đơn vị) cho phép sử dụng các dữ liệu đã được xử lý ở Trung tâm dữ liệu vào các mục đích riêng của từng cơ quan, tổ chức có nhu cầu.3 Các độ phân giải ảnh vệ tinh Độ phân giải phổ Các giải phổ của sóng điện từ được thiết lập như trong Bảng 2.1 Bảng độ phân giải phổ của sóng điện từ Dải phổ Bước sóng Ðặc điểm Bức xạ tới thường hấp thụ toàn bộ bởi tầng khí quyển Tia gamma < 0,03nm phía trên và không có khả năng dùng trong viễn thám. Hoàn toàn bị hấp thụ bởi khí quyển phía trên và không Vùng tia X 0,03-30nm được sử dụng trong viễn thám. Vùng tia cực Các bước sóng tới nhỏ hơn 0,3µm thì hoàn toàn bị hấp 0,03-0,4µm tím thụ bởi tầng ôzôn trong tầng khí quyển bên trên. Truyền qua khí quyển, ghi nhận được vào phim và các Vùng tia cực 0,3-0,4µm photodetector (con mắt điện tử), nhưng bị tán xạ mạnh tím chụp ảnh trong khí quyển.