Nghiên cứu phương pháp xây dựng thư viện phổ ảnh vệ tinh độ phân giải cao về một số đối tượng lớp phủ bề mặt phục vụ cho giám sát tài nguyên và môi trường tại Việt Nam

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG
TRUNG TÂM VIỄN THÁM QUỐC GIA

BÁO CÁO TỔNG HỢP
KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

Kết quả thực hiện đề tài cấp Bộ:


NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG THƯ VIỆN
PHỔ ẢNH VỆ TINH ĐỘ PHÂN GIẢI CAO VỀ MỘT SỐ
ĐỐI TƯỢNG LỚP PHỦ BỀ MẶT
PHỤC VỤ CHO GIÁM SÁT TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG
TẠI VIỆT NAM

9571


Hà nội, 2010

1
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH 3

DANH MỤC CÁC BẢNG 6
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 7
TÓM TẮT NỘI DUNG 8
MỞ ĐẦU 11
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MỘT SỐ VẤN ĐỀ CHÍNH CẦN NGHIÊN CỨU 15
1.1. Lớp phủ bề mặt 15
1.1.1. Khái niệm lớp phủ bề mặt 15
1.1.2. Hệ thống phân loại lớp phủ bề mặt 15
1.1.3. Sự đa dạng của các hệ sinh thái trên lớp phủ bề mặt địa hình Việt Nam 16
1.2. Vị trí quỹ đạo và các kênh phổ được thiết kế của một số đầu thu ảnh vệ tinh 17
1.2.1. Vệ tinh SPOT 17
1.2.2. Vệ tinh IKONOS 18

1.2.3. Vệ tinh QUICKBIRD 19
1.2.4. Vệ tinh LANDSAT 21
1.3. Phổ phản xạ và một số yếu tố ảnh hưởng 22
1.3.1. Khái niệm về phổ phản xạ và đường cong phổ 22
1.3.2. Một số yếu tố ảnh hưởng tới phổ phản xạ của đối tượng 24
1.4. Đặc trưng phản xạ phổ của một số nhóm đối tượng lớp phủ 28
1.4.1.Đặc trưng phản xạ phổ của lớp phủ thực vật 28
1.4.2. Đặc trưng phản xạ phổ của lớp phủ mặt nước 30
1.4.3. Đặc trưng phản xạ phổ của lớp phủ đất, đá 35
1.4.4. Đặc thù và phổ phản xạ của lớp phủ khu dân cư 40
1.5. Thư viện phổ ảnh vệ tinh 41
1.5.1. Khái niệm thư viện phổ ảnh vệ tinh 41
1.5.2. Tình hình nghiên cứu xây dựng thư viện phổ ảnh trong và ngoài nước 41
1.5.3. Thư viện phổ ảnh trong phần mềm ENVI 44
1.6. Giám sát tài nguyên và môi trường 47
1.6.1. Khái niệm giám sát tài nguyên và môi trường 47
1.6.2. Ứng dụng công nghệ viễn thám trong giám sát tài nguyên và môi trường
tại Việt Nam 48

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG THƯ VIỆN PHỔ ẢNH VỆ TINH ĐỘ PHÂN GIẢI
CAO 50


2
2.1. Các phương pháp xây dựng thư viện phổ ảnh vệ tinh 50
2.1.1. Phương pháp lựa chọn ảnh vệ tinh và các đối tượng lớp phủ 50
2.1.2. Phương pháp đo phổ trực tiếp ngoài thực địa 53
2.1.3. Phương pháp xác định các tham số bề mặt Lambert, Albedo và hàm phân
bố phản xạ nhị hướng 61

2.1.4. Phương pháp hàm hồi quy hiệu chỉnh bức xạ ảnh 63
2.1.5. Phương pháp hiệu chỉnh tuyệt đối bức xạ ảnh vệ tinh quang học 71
2.1.6. Phương pháp xử lý tạo ảnh phản xạ tại bề mặt của đối tượng 74
2.2. Quy trình xây dựng thư viện phổ ảnh vệ tinh 78
2.2.1. Quy trình xây dựng thư viện phổ 78
2.2.2. Quy trình ứng dụng thư viện phổ ảnh vệ tinh trong tự động hóa giải đoán ảnh
số 80

2.3. Phương pháp quản lý thư viện phổ ảnh vệ tinh độ phân giải cao 82
CHƯƠNG 3 PHẦN THỰC NGHIỆM 85
3.1. Khu vực thực nghiệm 85
3.1.1. Đặc điểm lớp phủ khu vực đồng bằng sông Hồng và Quảng Ninh 85
3.1.2. Đặc điểm khu vực thực nghiệm 85
3.1.3. Tình hình tư liệu 94
3.2. Xây dựng thư viện phổ ảnh vệ tinh cho một số đối tượng lớp phủ bề mặt tại khu
vực thử nghiệm 98

3.2.1. Lựa chọn các đối tượng xây dựng phổ 98
3.2.2. Xây dựng Module bảng tra các đối tượng trong thư viện phổ ảnh 99
3.2.3. Xây dựng thư viện phổ ảnh vệ tinh 105
3.3. Ứng dụng thư viện phổ ảnh vệ tinh trong giải đoán ảnh tự động 109
3.3.1. Xây dựng Module giải đoán ảnh tự động 109
3.3.2. Ứng dụng thư viện phổ trong giải đoán ảnh vệ tinh thuộc khu vực thử
nghiệm 112

3.4. Một số kết quả nghiên cứu 119
3.4.1. Một số mẫu phổ phản xạ của các đối tượng lớp phủ bề mặt trong thư viện 119
3.4.2. Một số bản đồ ảnh phân vùng đối tượng lớp phủ 123
3.5. Nhận xét chung kết quả thực nghiệm 125

KẾT LUẬN 127
KIẾN NGHỊ 128
TÀI LIỆU THAM KHẢO 129
PHỤ LỤC 131

3
DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1: Sơ đồ tổng quát hệ thống lớp phủ bề mặt 16
Hình 1.2a: SPOT4-1998 17
Hình 1.2b: SPOT5-2002 17

Hình 1.3: Vệ tinh IKONOS 18
Hình 1.4: Vệ tinh QUICKBIRD 19
Hình 1.5: LANDSAT 7 với góc nhìn từ trên cao 21
Hình 1.6: Các cửa sổ khí quyển và tác động của khí quyển tới ánh sáng mặt trời 23
Hình 1.7: Độ phản xạ của lá cây 30
Hình 1.8: Đồ thị phản xạ phổ của một số loại thực vật 30
Hình 1.9: Phản xạ khác nhau khi ánh áng chiếu vào thể nước 31
Hình 1.10: Phổ phản xạ của Chlorophyll (chất diệp l
ục) 33
Hình 1.11: Trầm tích lơ lửng làm tăng độ phản xạ từ mặt nước (trái) - Đường cong
quan hệ giữa trầm tích lơ lửng và độ/hệ số phản xạ (phải) 34
Hình 1.12: Phổ phản xạ đo được và mô hình của hỗn hợp khoáng vật kép là magnetit
25%, olivin 75% (a) và của olivine -hypesthene (b) (theo Johnson , 1983) 37
Hình 1.13: Phổ phản xạ của các đá trong phòng thí nghiệm a- đá xâm nhập có tính axit giảm
từ cao đến thấp; b- đá trầm tích; c- đá biến chất (độ phản xạ chia cho 10%) 38
Hình 1.14: Phổ hồng ngoại nhiệt của các đá thay đổi từ cao SiO (granit) đến thấp SiO2
(peridotit) (theo Christensen, 1986) 39
Hình 1.15: Đồ thị phản xạ phổ của một số loại đất, đá 39

Hình 1.16: Đồ thị phản xạ phổ của một số loại đối tượng mái nhà trong khu dân cư .40
Hình 1.17: Các tập tin trong thư viện phổ thực vật 45
Hình 2.1: Ảnh minh hoạ bộ máy đo phổ
phản xạ FieldSpec® 3 53
Hình 2.2: Ảnh tổ hợp màu tự nhiên MODIS 500m ( ngày chụp: 3/11/2003) 65
Hình 2.3: Bản đồ phân bố nồng độ muối bề mặt biển đạt được từ mô hình hồi quy bội65
Hình 2.4: Các hàm tuyến tính với tham số 67
Hình 2.5: Minh họa ảnh hưởng góc chiếu mặt trời và địa hình tới bức xạ ảnh 74
Hình 2.6: Biến đổi cấp độ sáng pixel ảnh DN về trị phản xạ tại bề
mặt Trái đất 76
Hình 2.7: Quy trình xây dựng thư viện phổ ảnh vệ tinh độ phân giải cao 78

4
Hình 2.8: Quy trình ứng dụng thư viện phổ ảnh vệ tinh độ phân giải cao trong tự động
giải đoán ảnh số phục vụ giám sát tài nguyên và môi trường 80
Hình 2.9: Minh hoạ 1 giao diện webGIS 84
Hình 3.1.Hỏi đáp trong quá trình cài đặt 100
Hình 3.2. Thiết lập thư mục cài đặt của chương trình 100
Hình 3.3. Đặt tên thư mục nhóm chương trình 101
Hình 3.4. Ví dụ khi cài đặt bị lỗi: Nhấn “Ignore” 101
Hình 3.5. Thông báo hoàn tấ
t công việc cài đặt của chương trình 102
Hình 3.6. Chạy chương trình hiển thị phổ phản xạ 103
Hình 3.7. Các cửa sổ khi chạy chương trình hiển thị phổ 104
Hình 3.8. Các menu trong menu “Hệ thống” của chương trình hiển thị phổ 105
Hình 3.9. Các menu trong menu “Các tiện ích” của chương trình hiển thị phổ 105
Hình 3.10. Các menu trong menu “Các tiện ích” của chương trình hiển thị phổ 105
Hình 3.11. Các menu trong menu “Định dạng” của chương trình hiển thị phổ 105
Hình 3.12: Công cụ chuyển đổi giá trị phổ DN thành giá trị phổ phản xạ 106
Hình 3.13: Công cụ tái chia mẫu phổ 107

Hình 3.14: Chương trình hiển thị phổ phản xạ 107
Hình 3.15: Công cụ hiển thị phổ phản xạ 107
Hình 3.16: Công cụ tạo thư viện phổ phản xạ 108
Hình 3.17: Giao diện Chương trình cài đặt/loại bỏ Module giải đoán ảnh vào hoặc ra
khỏi phần m
ềm ENVI 109
Hình 3.18: Giao diện Menu của chương trình ENVI sau khi cài đặt module giải đoán
ảnh theo phương pháp phân loại góc quang phổ 109
Hình 3.19. Giao diện hộp thoại cho phép người sử dụng lựa chọn file ảnh vệ tinh cần
phân loại đối tượng 110
Hình 3.20. Giao diện hộp thoại “endmember collection: SAM” 111
Hình 3.21. Giao diện hộp thoại “Select input file” 111
Hình 3.22. Các menu cho phép người sử dụng nhập phổ theo nhiều cách khác nhau 112
Hình 3.23: Cảnh ảnh SPOT5 270-308 g
ốc mức xử lý 1A chụp ngày 28/10/2010 113
Hình 3.24: Cảnh ảnh SPOT5 270-308 sau khi nắn về hệ tọa độ VN-2000 113
Hình 3.25a: Ảnh SPOT5 - DN kênh XS1 114
Hình 3.25b: Ảnh SPOT5 – bức xạ trước đầu thu kênh XS1 114

5
Hình 3.25c: Ảnh SPOT5 – ρ
sur
kênh XS1 114
Hình 3.26a: Ảnh phản xạ bề mặt tổ hợp màu giả - khu vực Hà Nội 117
Hình 3.26b: Ảnh giải đoán phổ tự động – khu vực Hà Nội 117
Hình 3.27a: Ảnh phản xạ bề mặt tổ hợp màu giả - khu vực Nam Định 118
Hình 3.27b: Ảnh giải đoán phổ tự động – khu vực Nam Định 118
Hình 3.28a: Ảnh phản xạ bề mặt tổ hợp màu giả - khu vự
c Quảng Ninh 118
Hình 3.28b: Ảnh giải đoán phổ tự động –khu vực Quảng Ninh 118

6
DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Các băng phổ của hệ vệ tinh SPOT 18

Bảng 1.2: Các kênh phổ vệ tinh IKONOS 19
Bảng 1.3: Thông tin về vệ tinh QUICKBIRD 20
Bảng 1.4: Băng phổ của các thế hệ vệ tinh LANDSAT 22
Bảng 2.1: Hệ số tương quan của mô hình 65
tuyến tính đơn 65
Bảng 2.2: So sánh hệ số tương quan giữa mô hình hồi quy bội và phân tích PCA (kết
hợp 7 băng phổ) 65

Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật của các cảnh ảnh SPOT5 thực nghiệm 95
Bảng 3.2: Hệ thống các đối tượng mẫu lựa chọn xây dựng trong thư viện phổ 98
Bảng 3.3: Đánh giá chất lượng ảnh giữa các vị trí thông qua các tham số thống kê 115
Bảng 3.4: Đánh giá độ chính xác giữa trị đo thực địa và trị đo trên ảnh 116
Bảng 3.5: Đánh giá độ chính xác kết quả giải đoán ảnh 119

7
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CSDL Cơ sở dữ liệu
GIS Geographic Infomation System
Hệ thống thông tin địa lý
SPOT Système Pour l’Observation de la Terre
Hệ thống vệ tinh quan trắc Trái Đất của Pháp
HRG High Resolution Geometric
Thu ảnh độ phân giải cao
WebGIS Hệ thống thông tin địa lý tích hợp trên Web
ENVI the ENvironment for Visualizing Images
Chương trình xử lý ảnh
ASD Analytical Spectral Devices
Các thiết bị phân tích phổ
JHU Johns Hopkins University
Đại học Johns Hopkins

ENVISAT ENVIronmental SATellite
Vệ tinh môi trường của châu Âu
MODIS MODerate resolution Imaging Spectroradiometer
Phổ kế bức xạ ảnh độ phân giải trung bình
VNIR Visible and Near-InfRrared
Dải phổ c
ận hồng ngoại nhìn thấy
SWIR Short Wave InfRrared
Dải phổ hồng ngoại sóng ngắn
ρ
TOA
Phản xạ bề mặt tại đỉnh khí quyển
ρ
SURF
Phản xạ của đối tượng tại bề mặt Trái đất

8
TÓM TẮT NỘI DUNG

Công nghệ viễn thám là một trong số những công nghệ cao tuy mới phát triển
nhưng đã nhanh chóng được áp dụng trong nhiều lĩnh vực và được phổ biến rộng ở
nhiều nước trên Thế giới. Công nghệ viễn thám dần trở thành phương tiện chủ đạo cho
việc giám sát tài nguyên thiên nhiên và môi trường ở các cấp độ khác nhau, từng địa
phương, từng nước và từng khu vực cũ
ng như phạm vi toàn cầu.Viễn thám nghiên cứu
tài nguyên thiên nhiên và môi trường dựa trên nguyên lý cơ bản là sự hấp thụ, tán xạ,
phản xạ trong các dải phổ với cường độ nhất định của các đối tượng tự nhiên. Thông
tin viễn thám thu nhận được nhờ các công cụ thiết bị khác nhau từ một khoảng cách
nhất định đối với đối tượng nghiên cứu thông qua năng lượng điện t
ừ phản xạ từ bề

mặt trái đất nên việc nghiên cứu đặc trưng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên
đóng một vai trò hết sức quan trọng.
Từ những thập niên 60 của kỷ nguyên trước, nhiều nước phát triển đã sử dụng
các thiết bị đo phổ trong công tác nghiên cứu. Việc xây dựng thư viện phổ chuẩn của
các đối tượ
ng lớp phủ bề mặt ở các nước phát triển, nhất là ở Mỹ đã được tiến hành
trong suốt các thập niên 70, 80, nhất là sau khi vệ tinh thương mại đầu tiên trên thế
giới Landsat-1 đi vào hoạt động năm 1972. Các thư viện phổ thành lập thường được
phân thành nhóm có cùng đặc điểm giống nhau phụ thuộc vào tư liệu viễn thám được
sử dụng và thiết bị đo đạc th
ực địa. Ở Việt Nam, phương pháp xử lý ảnh số viễn thám
mới được phát triển vào đầu những năm 90. Nhìn chung hiện nay, Việt nam đã có rất
nhiều công trình nghiên cứu sử dụng phổ của ảnh vệ tinh độ phân giải cao vào mục
đích phân loại các đối tượng trên ảnh phục vụ một số lĩnh vực chuyên đề. Tuy nhiên,
các công trình nghiên cứu đa số đều chưa đề cập
đến việc hồi quy, hiệu chỉnh các kết
quả bức xạ thu được và sử dụng các mẫu phổ của các đối tượng riêng lẻ, không có sự
thống nhất. Các kết quả mẫu phổ đo được cũng chưa được đưa trực tiếp làm đối tượng
tham chiếu trong khâu giải đoán ảnh tự động. Do vậy, việc đưa ra cơ sở khoa học,
phương pháp xây dự
ng thư viện phổ thống nhất cho từng mục đích sử dụng và ứng
dụng thư viện phổ ảnh vệ tinh trong tự động giải đoán ảnh số là việc rất cần thiết.
Xuất phát từ thực tế nêu trên, Trung tâm Viễn thám quốc gia, Bộ Tài nguyên và
Môi trường đã đề xuất và thực hiện đề tài nghiên cứu khoa học:

9
“Nghiên cứu phương pháp xây dựng thư viện phổ ảnh vệ tinh độ phân giải
cao về một số đối tượng lớp phủ bề mặt phục vụ cho giám sát tài nguyên và môi
trường tại Việt Nam”
Đề tài đã tập trung nghiên cứu, thử nghiệm theo các nội dung chính như sau:

- Nghiên cứu tổng quan về phổ của lớp phủ bề mặt và thư viện phổ;
- Nghiên cứu các phương pháp xây d
ựng thư viện phổ ảnh vệ tinh độ phân giải
cao gồm:
• Phương pháp đo phổ ngoài thực địa;
• Phương pháp hồi quy, hiệu chỉnh bức xạ ảnh vệ tinh quang học;
• Phương pháp xây dựng modul hỗ trợ tích hợp thư viện phổ vào phần
mềm ENVI trong giải đoán ảnh tự động;
• Phương pháp quản lý thư viện phổ.
-
Xây dựng các quy trình thực hiện;
- Tiến hành thử nghiệm xây dựngvà ứng dụng bộ mẫu thư viện phổ ảnh vệ tinh
độ phân giải cao trong giải đoán ảnh tự động tại 3 khu vực: Hà Nội, Nam
Định, Quảng Ninh.
Các kết quả nghiên cứu của đề tài đã đưa ra cơ sở khoa học và phương pháp xây
dựng thư viện phổ ảnh vệ tinh độ phân giải cao v
ề một số đối tượng lớp phủ bề mặt ở
Việt Nam. Kết quả thực nghiệm đã kiểm chứng khả năng ứng dụng công nghệ viễn
thám trong lĩnh vực giải đoán tự động ảnh vệ tinh độ phân giải cao dựa trên thư viện
phổ thiết lập.








10
SUMMARY OF CONTENTS

Remote sensing technology is one of the new technologies yet but was quickly
developed to be applied in many fields widespread in many countries all over the
world. Nowaday, remote sensing technology is becoming one of the mainstream tools
for monitoring natural resources and environment at different levels, from locally,
nationally, as well as globally, based on the fundamental principle that the absorption,
scattering, reflectance spectrum of objects. Remotely sensed data can be acquired by
some different tools from a certain distance to the object through electromagnetic
energy reflected from the object's surface, so the study of spectral reflectance
characteristics of natural objects plays an important role.
Starting from the above fact, the National Remote Sensing Center, Ministry of
Natural Resources and Environment has proposed and implemented scientific
research:
“Research of methodology of spectral library construction from high
resolution satellite images of some landcoat objects for monitoring natural
resources and environment in Vietnam”.
Topics focused on research and testing under the following main contents:
- Overview researchs on spectrum of landcoat objects and spectral library;
- Researchs of spectral library construction from high resolution satellite
images:
• Spectrometric method in the field;
• The regression and radiation correction method of the optical satellite
images;
• Construction of modules for supporting the spectral library - ENVI
integration in automatic image interpretation;
• Management method of spectral library.
- Building the implementation processes;
- Tests of spectral library contruction from high resolution satellite
images and its applications in automated image interpretation for three areas: Hanoi,
Namdinh and Quangninh.
Our research was given a scientific basis and methodology of spectral library

construction from high resolution satellite images of some landcoat objects in
Vietnam. Experimental results have verified the applicability of remote sensing
technology in the field of automatic satellite image interpretation, based on the
established spectral library.

11

MỞ ĐẦU
Viễn thám là một công nghệ nhằm xác định và nhận biết đối tượng thông qua
các đặc trưng riêng về phản xạ hoặc bức xạ điện từ. Các đặc trưng này thường được
gọi là đặc trưng phản xạ phổ và nó là nguồn tư liệu chủ yếu của viễn thám để nhận
biết, phân loại các đối tượng khác nhau trên bề mặt Trái đấ
t. Vì vậy, việc xây dựng
một thư viện phổ ảnh vệ tinh phù hợp với điều kiện và mục đích sử dụng cho từng khu
vực có ý nghĩa hết sức quan trọng.
Nhằm góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng hệ thống trạm thu ảnh vệ tinh mặt
đất (2005-2007) thuộc dự án “Xây dựng hệ thống giám sát tài nguyên thiên nhiên và
môi trường Việt Nam”, đồng thời đưa ra c
ơ sở khoa học và ứng dụng thực tiễn cho
việc nghiên cứu phổ của ảnh vệ tinh đa thời gian độ phân giải cao trong theo dõi, giám
sát và quản lý tài nguyên, môi trường, Trung tâm Viễn thám quốc gia xây dựng đề tài
khoa học:
“Nghiên cứu phương pháp xây dựng thư viện phổ ảnh vệ tinh độ phân giải
cao về một số đối tượng lớp phủ bề mặt phục vụ cho giám sát tài nguyên và môi
trường tại Việ
t Nam”.
Thời gian thực hiện: 18 tháng (Từ 01/01/2010 đến 30/06/2011)
Chủ nhiệm đề tài: Hồ Thị Vân Trang
Học vị: Thạc sỹ Khoa học môi trường
Địa chỉ: 108 phố Chùa Láng – Đống Đa – Hà Nội

Cơ quan chủ quản: Trung tâm Viễn thám quốc gia
Mục tiêu của đề tài
- Đưa ra cơ sở khoa học và phương pháp xây dựng thư viện phổ ảnh vệ tinh độ
phân giải cao về một số
đối tượng lớp phủ bề mặt ở Việt Nam;
- Bước đầu ứng dụng thư viện phổ của Việt Nam trong khâu tự động hóa giải
đoán ảnh số.
Các nội dung ứng dụng và triển khai thực nghiệm của đề tài


12
- Nghiên cứu ứng dụng phổ của ảnh vệ tinh độ phân giải cao trong lĩnh vực
chuyên đề;
- Nghiên cứu quá trình truyền năng lượng của các tia sáng mặt trời trong không
gian, khảo sát các tham số bề mặt Lambert, Albedo và phản xạ nhị hướng;
- Nghiên cứu mô hình lý thuyết khí quyển trong viễn thám;
- Khảo nghiệm ảnh hưởng điều kiện khí quyển tới tính đa dạng của hệ
sinh thái
lớp phủ địa hình;
- Khảo sát lớp mù bề mặt đất, nghiên cứu khả năng loại bỏ lớp mù;
- Nghiên cứu vị trí vệ tinh trên quỹ đạo;
- Nghiên cứu, khảo sát biến thiên góc phản xạ từ đối tượng về đầu thu;
- Nghiên cứu, khảo sát ảnh hưởng sự biến thiên góc cao mặt trời, góc nghiêng
địa hình tới phản xạ phổ của đố
i tượng;
- Nghiên cứu hình dạng lá cây và phổ phản xạ, mô hình chỉ số tán lá và ứng dụng;
- Khảo sát đặc thù phản xạ phổ của một số loại đất, đá;
- Nghiên cứu đặc thù đối tượng khu dân cư, khảo sát phổ phản xạ của đối
tượng khu dân cư;
- Nghiên cứu đặc thù phản xạ phổ của đối tượng nước;

-
Nghiên cứu, khảo nghiệm, hiệu chỉnh và hồi quy bức xạ ảnh vệ tinh quang học;
- Nghiên cứu cơ sở khoa học việc thiết kế các kênh phổ của đầu thu SPOT, đầu
thu Landsat;
- Nghiên cứu, khảo sát phương pháp xác định phổ của đối tượng ngoài thực địa;
- Khảo sát, nghiên cứu đặc điểm phân bố địa lý và các đặc trưng hình thái của
một số
đối tượng lớp phủ khu vực đồng bằng sông Hồng và Quảng Ninh;
- Nghiên cứu, khảo sát, lựa chọn phổ của một số đối tượng lớp phủ bề mặt
nhằm xây dựng thư viện phổ;
- Thử nghiệm lập hàm hồi qui kết quả các mẫu phổ thu được;

13
- Xây dựng quy trình thành lập thư viện phổ cho một số đối tượng lớp phủ bề
mặt ở Việt Nam;
- Thiết lập bảng tra (module) cho một số loại đối tượng lớp phủ trong thư viện phổ;
- Bước đầu nghiên cứu, khảo nghiệm việc tích hợp thư viện phổ trong khâu tự
động giải đoán ảnh số;
- Kh
ảo nghiệm, xây dựng mô hình quản lý thư viện phổ;
- Thiết kế, xây dựng, biểu diễn một số mẫu phổ đặc trưng trong thư viện;
- Thành lập 3 bản đồ chuyên đề tỉ lệ 1:50 000 ứng dụng mẫu phổ chuẩn trong thư
viện phổ của Việt Nam khu vực đồng bằng sông Hồng và Quảng Ninh.
Các phương pháp nghiên cứu chính
- Phương pháp viễn thám;

- Phương pháp bản đồ;
- Phương pháp hệ thông tin địa lý (GIS);
- Phương pháp điều tra thực địa;
- Phương pháp đo phổ của các đối tượng lớp phủ ngoài thực địa;

- Phương pháp phân tích thống kê;
- Phương pháp các nhóm chuyên gia;
- Phương pháp tổng hợp và kế thừa;
Các kỹ thuật sử dụng
- Các kỹ
thuật xử lý ảnh vệ tinh;
- Các kỹ thuật chiết xuất thông tin ảnh viễn thám;
- Các kỹ thuật đo phổ ngoài thực địa;

14
Kết quả dự kiến và yêu cầu khoahọc
STT
Tên sản phẩm
Yêu cầu khoa học dự kiến đạt
được
Ghi
chú

1
Quy trình xây dựng thư
viện phổ
Có cơ sở khoa học, có khả năng ứng
dụng trong thực tế
01
2
Một số mẫu phổ trong thư
viện phổ của Việt Nam
Đảm bảo độ chính xác, có cơ sở khoa
học, có khả năng ứng dụng trong
thực tế

30
3
Module:Bảng tra đối tượng

Dễ sử dụng, tương thích với phần
mềm xử lý ảnh ENVI
01
4
Module: Tích hợp thư viện
phổ của Việt Nam trong
khâu tự động hóa giải đoán
ảnh số
Dễ sử dụng, tương thích với phần
mềm xử lý ảnh ENVI
01
5
Bản đồ chuyên đề ứng
dụng thư viện phổ trong tự
động giải đoán ảnh số
Đảm bảo độ chính xác, có cơ sở khoa
học, có khả năng ứng dụng trong
thực tế
03
6
Báo cáo chuyên đề Có cơ sở khoa học, có độ tin cậy 32
7
Báo cáo tổng kết đề tài Có cơ sở khoa học 01

Dự kiến kết quả công bố tạo ra
STT

Tên sản phẩm
Tạp chí,
Nhà xuất bản
Ghi chú

1
Bài báo
Đặc san Viễn thám
và Địa tin học,
Trung tâm Viễn
thám quốc gia

01

1
Bài báo
Tạp chí Tài nguyên
và Môi trường,
Bộ Tài nguyên và
Môi trường

01
Cấu trúc của đề tài: gồm 3 chương
- Chương 1: Tổng quan về một số vấn đề chính cần nghiên cứu
- Chương 2: Xây dựng thư viện phổ ảnh vệ tinh độ phân giải cao
- Chương 3: Phần thực nghiệm

15
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ MỘT SỐ VẤN ĐỀ CHÍNH CẦN NGHIÊN CỨU

1.1. Lớp phủ bề mặt
1.1.1. Khái niệm lớp phủ bề mặt
Lớp phủ bề mặt là trạng thái vật chất của bề mặt trái đất, là sự kết hợp của nhiều
thành phần như: thực phủ, thổ nhưỡng, đá gốc, mặt nước và các công trình nhân tạo.
Nói một cách khác, lớp ph
ủ bề mặt thể hiện sự tổng hợp của những yếu tố khác nhau
trên bề mặt trái đất được phủ bằng vật thể tự nhiên hay công trình nhân tạo.
Khái niệm lớp phủ bề mặt khác với khái niệm của sử dụng đất nhưng các đối
tượng của chúng lại có sự tương quan mật thiết với nhau. Sử dụng đất hầu hết là hành
động tr
ực tiếp, phản ánh cách thức sử dụng đất của con người và các hoạt động kinh tế
xã hội xảy ra trên mặt đất dẫn đến sự thay đổi lớp phủ bề mặt.[6]
Thực tế cho thấy, mỗi một khu vực khác nhau trên trái đất đều có loại hình lớp
phủ đặc trưng. Lớp phủ bề mặt chịu sự tác động của yếu tố tự nhiên và nhân tạo nên
luôn biến đổi theo thời gian.
1.1.2. Hệ thống phân loại lớp phủ bề mặt
Lớp phủ bề mặt được chia thành hai nhóm chính là mặt đất và mặt nước. Lớp
phủ mặt nước gồm nước lục địa ( hệ thống sông, suối, kênh mương, hồ ao) và nước đại
dương chiếm phần lớn diện tích bề mặt trái đất. Lớp phủ mặt đất là nơi tập trung hầu
hết hoạt động của con người cũng như nhiều loài sinh vật khác trên trái đất. Chính
những hoạt động này đã tạo nên sự phong phú của loại hình lớp phủ mặt đất. Để thuận
lợi cho việc khai thác sử dụng, đảm bảo tính thống nhất nội dung thông tin, lớp phủ
mặt đất được chia thành hai nhóm: đất có thực phủ, đất không có thực phủ . Loại đất
có thự
c phủ gồm đất có thực phủ thường xuyên (rừng tự nhiên, cây trồng lâu năm )
và đất có thực phủ thay đổi theo mùa ( trảng cỏ, đất canh tác ). Loại đất không có
thực phủ gồm đất tự nhiên ( bãi cát, bãi đá, núi trọc ) và đất nhân tạo (khu dân cư,
khu công nghiệp hay một số các đối tượng đất chuyên dùng khác). Hình 1.1 cho thấy
sự đa dạng của hệ thống phân loại lớp phủ bề mặt.

16









Hình 1.1: Sơ đồ tổng quát hệ thống lớp phủ bề mặt
1.1.3. Sự đa dạng của các hệ sinh thái trên lớp phủ bề mặt địa hình Việt Nam
Việt Nam là một quốc gia nằm trên bán đảo Đông Dương, ven biển Thái Bình
Dương. Việt Nam có diện tích 327.500 km
2
với đường biên giới trên đất liền dài 4.550
km, phía Bắc tiếp giáp với Trung Quốc, phía Tây tiếp giáp với Lào và Campuchia;
phía Đông giáp biển Đông. Trên bản đồ, dải đất liền Việt Nam mang hình chữ S, kéo
dài từ vĩ độ 23
0
23’ Bắc đến 8
0
27’ Bắc, dài 1.650 km theo hướng Bắc - Nam, phần rộng
nhất trên đất liền chừng 500 km; nơi hẹp nhất gần 50 km. Việt Nam nằm trong vành
đai nội chí tuyến, quanh năm có nhiệt độ cao và độ ẩm lớn. Phía Bắc chịu ảnh hưởng
của lục địa Trung Hoa nên ít nhiều mang tính khí hậu lục địa. Biển Đông ảnh hưởng
sâu sắc đến tính chất nhiệt đới gió mùa ẩm của đất liền. Khí h
ậu nhiệt đới gió mùa ẩm

không thuần nhất trên toàn lãnh thổ Việt Nam, hình thành nên các miền và vùng khí
hậu khác nhau rõ rệt. Khí hậu Việt Nam thay đổi theo mùa và theo vùng từ thấp lên
cao, từ Bắc vào Nam và từ Đông sang Tây.
Thiên nhiên Việt Nam có sự phân hóa rất đa dạng, thể hiện như sau:
- Theo hướng Bắc - Nam với đặc trưng chủ yếu là sự thay đổi của khí hậu dẫn tới
phân hoá giữa miền Bắc và miền Nam ( ranh giới là dãy núi Bạch Mã);
- Theo h
ướng Đông – Tây phân hóa thành 3 vùng rõ rệt bao gồm: vùng biển và
thềm lục địa, vùng đồng bằng ven biển, vùng đồi núi;
Lớp phủ bề mặt
Lớp phủ mặt
nư
ớc
Lớp phủ mặt đất
Nước đại dương Nước lục địa Đất có thực phủ
Đất không
th
ựcphủ
Sông, suối
Kênh,
mương
Hồ,
ao,
đầm
Tự nhiên
(đất trống
bãi cát…)
Nhân tạo
(Các
công

trình xây
dựng…)
Thay đổi
theo mùa
Thường
xuyên

17
- Theo độ cao, phân thành 3 đai bao gồm: nhiệt đới gió mùa chân núi (độ cao
trung bình thấp hơn 600m), cận nhiệt đới gió mùa trên núi (độ cao từ 600m đến
2.600m) và ôn đới gió mùa trên núi (độ cao lớn hơn 2.600m, chỉ có ở miền Bắc).
Sự phân hóa đa dạng, phức tạp của thiên nhiên Việt Nam cũng được biểu hiện
trực quan sinh động qua hệ sinh thái trên lớp phủ bề mặt với 15 kiểu hệ sinh thái thực
vật và một số hệ
sinh thái đặc trưng các điều kiện khí hậu, thổ nhưỡng đặc biệt
khác.[8]
1.2. Vị trí quỹ đạo và các kênh phổ được thiết kế của một số đầu thu ảnh vệ tinh
1.2.1. Vệ tinh SPOT
Từ năm 1986, các thế hệ vệ tinh SPOT đã được đưa lên quỹ đạo thu nhận ảnh
bề mặt Trái đất. Trừ vệ tinh SPOT3 đã ngừng hoạt động thu nhận từ tháng 9/1996, các
v
ệ tinh SPOT1,2 và 4 hình thành nên một kiểu chùm sao và được tăng cường với việc
phóng vệ tinh SPOT5 vào đầu năm 2002.
Như được minh họa ở hình 1.2, ba thế hệ đầu của vệ tinh SPOT thuộc về thế hệ
vệ tinh đầu tiên. Vệ tinh thứ 4 (SPOT4) thuộc thế hệ thứ 2 đã được cải tiến về khả
năng định vị chính xác và giảm trọng tải.
Thế hệ tiếp theo (SPOT5) thuộc v
ề thế hệ cuối cùng của các nhiệm vụ vệ tinh
SPOT với các cải tiến đáng kể về thiết bị, hệ thống định vị và kiểm soát độ cao tự
động cho phép độ chính xác định vị cao.

Hình 1.2a: SPOT4-1998 Hình 1.2b: SPOT5-2002
Quỹ đạo vệ tinh SPOT là quỹ đạo cận cực, nghiêng so với mặt phẳng quỹ đạo
98.8
0
cho phép chụp ảnh bất kỳ vị trí nào trên Trái đất. Do quỹ đạo đồng bộ Mặt trời

18
nên thời gian vệ tinh bay qua theo giờ địa phương là gần như nhau (qua xích đạo lúc
10h30 cho phép chụp ảnh mọi nơi với độ chói của Mặt trời gần như nhau). Chu kỳ lặp
lại là 26 ngày sau khi đã bay vòng quanh Trái đất được 369 lần.
Bảng 1.1: Các băng phổ của hệ vệ tinh SPOT


1.2.2. Vệ tinh IKONOS
Vệ tinh tạo ảnh vũ trụ phân giải siêu cao IKONOS được phóng lên quĩ đạo cận cực
vào ngày 24 tháng 9 năm 1999 tại độ cao 682 km, cắt xích đạo vào 10:30 phút sáng.
Thời gian quỹ đạo lặp lại:11 ngày. Góc quét 45˚ theo đường quét dọc và ngang.
Tạo ảnh lập thể bằng cách quét liên tục theo chiều ngang và quét lặp lại trước sau theo
chiều dọc.




Hình 1.3: Vệ tinh IKONOS

19
Vệ tinh IKONOS có 4 kênh đa phổ có độ phân giải 4m và 1 kênh toàn sắc có độ
phân giải 1m.

Bảng 1.2: Các kênh phổ vệ tinh IKONOS

1.2.3. Vệ tinh QUICKBIRD
Hiện nay, vệ tinh QUICKBIRD của hãng Digital Globe là vệ tinh cung cấp ảnh
thương mại có độ phân giải 61cm. Được phóng lên ngày 18-10-2001, QUICKBIRD có
khả năng chụp cả ảnh toàn sắc và ảnh đa phổ, cũng như các sản phẩm ảnh trộn với tổ
hợp màu tự nhiên hoặc màu hồng ngoại. Với độ rộng vùng phủ của ảnh có thể đạt tới
250km, QUICKBIRD là vệ tinh có khả năng chụp ả
nh với độ phủ lớn, dung lượng lưu
trữ cao nhất, và độ phân giải tốt nhất trong số các vệ tinh thương mại hiện đang hoạt
động trên quỹ đạo. Ngoài ra, các đầu thu của QUICKBIRD còn được thiết kế để có thể
chụp ảnh các khu vực rộng lớn một cách hiệu quả với độ chính xác định vị hình học cao.
Vệ tinh QUICKBIRD có khả năng cung cấp các sản phẩm ả
nh đa dạng với nhiều
định dạng từ 8-bit (ảnh đa phổ) tới 16-bit (ảnh toàn sắc) ở 3 cấp độ xử lý: cơ bản
(basic), chuẩn (standard), và trực ảnh (orthorectified).

Hình 1.4: Vệ tinh QUICKBIRD

20

Bảng 1.3: Thông tin về vệ tinh QUICKBIRD

21
1.2.4. Vệ tinh LANDSAT
Vệ tinh LANDSAT của Mỹ là hệ thống vệ tinh quỹ đạo cận cực (với góc mặt
phẳng quỹ đạo so với mặt phẳng xích đạo là 98,2
0
), lúc đầu có tên là ERTS (Earth
Resources Technology Satellite). Sau 2 năm kể từ ngày phóng ERTS, đến năm 1976

được đổi tên là LANDSAT (Land Satellite), với các thế hệ đầu thu là TM (Thematic
Mapper) và ETM
+
(Enhanced Thematic Mapper). Chương trình được thực hiện giữa
Bộ Nội vụ và Trung tâm Nghiên cứu Vũ trụ quốc gia NASA của Mỹ.


Hình 1.5: LANDSAT 7 với góc nhìn từ trên cao
Ảnh LANDSAT có kích thước 185x185km, vị trí mỗi cảnh ảnh được xác định theo sơ đồ
- Số thứ tự hàng (row)
- Số thứ tự tuyến bay (path)
Trong kế hoạch, NASA sẽ phóng vệ tinh LANDSAT mới với bộ cảm ALI có
10 băng phổ và giá thành rẻ hơn nằm trong Chương trình Thiên niên kỷ mới-NMP
(New Millenium Program).
Hệ ALI được thiết kế với trọng lượng chỉ bằng 25% của ETM+, chỉ đòi h
ỏi một
năng lượng điện bằng 20% và giá thành chỉ còn bằng 40% so với ETM+. Hệ ALI quét
ảnh kiểu chổi quét và cho ảnh đa phổ có độ phân giải 30x30m. Ngoài ra, ALI còn cho
ra kênh ảnh toàn sắc có độ phân giải 10x10m.
Bảng 1.4 thống kê các thế hệ vệ tinh LANDSAT theo đầu thu và độ phân giải
không gian.

22
Bảng 1.4: Băng phổ của các thế hệ vệ tinh LANDSAT

1.3. Phổ phản xạ và một số yếu tố ảnh hưởng
1.3.1. Khái niệm về phổ phản xạ và đường cong phổ
Viễn thám là một công nghệ nhằm xác định và nhận biết đối tượng hoặc các điều
kiện môi trường thông qua các đặc trưng riêng về phản xạ hoặc bức xạ điện từ. Trong
đó bức xạ điện từ truyền n

ăng lượng điện từ trên cơ sở các dao động của trường điện
từ trong không gian hoặc trong lòng các vật chất. Sóng điện từ có bốn tính chất cơ bản
đó là tần số hay bước sóng, hướng lan truyền, biên độ và mặt phân cực. Bốn thuộc tính
cơ bản này liên quan tới các nội dung thông tin khác nhau của đối tượng. Ví dụ tần số
hay bước sóng liên quan tới màu sắc còn hình dạng của v
ật thể khác nhau sẽ có sự
phân cực khác nhau vv. Vì vậy các thông tin cơ bản của đối tượng có thể nhận biết
thông qua bốn đặc tính này. Tất cả các vật thể đều phản xạ, hấp thụ, phân tách và bức
xạ sóng điện từ bằng các cách thức khác nhau. Các đặc trưng này thường được gọi là
đặc trưng phổ và nó là nguồn tư liệu chủ yếu trong kỹ thuật viễn thám để nh
ận biết,
phân loại các đối tượng.

23

Hình 1.6: Các cửa sổ khí quyển và tác động của khí quyển tới ánh sáng mặt trời
Bức xạ điện từ đến Trái đất trước tiên phải tương tác năng lượng với khí quyển.
Tại đó xảy ra các quá trình hấp thụ, tán xạ, truyền qua và phản xạ với các thành phần
khí quyển. Các dải sóng khi đi qua khí quyển có thể truyền qua toàn bộ hoặc từng
phần tùy theo bước sóng và đó chính là khái niệm cửa s
ổ khí quyển (hình 1.6). Năng
lượng điện từ sau đó sẽ tới mặt đất và tương tác năng lượng với các đối tượng ở mặt
đất và tạo ra các đặc trưng phổ nói trên.
Xét một cách kĩ hơn, khi năng lượng điện từ EI
(λ)
tới mặt đất sẽ xảy ra 3 quá trình
(cũng có thể chỉ xảy ra 1 hoặc 2 trong 3 qúa trình đó) ứng với từng bước sóng, đó là:
phản xạ ER
(λ)
, hấp thụ EA

(λ)
và truyền qua ET
(λ)
:
EI
(λ)
= ER
(λ)
+ EA
(λ)
+ ET
(λ)
(1.1)
Tỉ lệ giữa các hợp phần năng lượng phản xạ, hấp thụ và truyền qua rất khác nhau
tùy thuộc vào đặc điểm của đối tượng, trên bề mặt, cụ thể là thành phần vật chất và
tình trạng của đối tượng. Ngoài ra tỉ lệ giữa các hợp phần đó còn phụ thuộc vào các
bước sóng khác nhau. Như vậy, sẽ có nhiều trường hợp là hai đối tượng có cùng m
ột

24
đặc điểm trong các dải phổ khác. Chính vì vậy, trong vùng nhìn thấy màu sắc của một
đối tượng chính là thể hiện sự phản xạ trội hơn cả trong một dải sóng nào đó. Chẳng
hạn như lá cây có màu xanh chàm là do chúng phản xạ mạnh ở dải phổ Green (0.5 –
0.6µm). Như vậy, mắt người sử dụng sự khác nhau về cường độ năng lượng phản xạ
phổ để
phân biệt các đối tượng. Trong viễn thám, thành phần năng lượng phổ phản xạ
là quan trọng nhất.
Độ phản xạ phổ được đo theo công thức:
ρ
(λ)

= (ER
(λ)
/ EI
(λ)
)*100 (1.2)
ρ
(λ)
là độ phản xạ phổ tính bằng %
Như vậy độ phản xạ phổ là tỉ lệ phần trăm của năng lượng rơi xuống đối tượng và
được phản xạ trở lại. Với cùng một đối tượng, độ phản xạ phổ ở các bước sóng khác
nhau là khác nhau.
Từ công thức (1.2) ta có thể thấy độ phản xạ phổ ρ
(λ)
là một hàm số nên đường
cong phổ phản xạ có thể xây dựng được từ hàm số này. Hình dáng của đường cong
phổ phản xạ cho biết một cách tương đối rõ ràng tính chất phổ của một đối tượng và
hình dạng đường cong phụ thuộc rất nhiều vào việc lựa chọn các dải sóng mà ở đó
thiết bị viễn thám có thể ghi nhận được các tín hiệu phổ. Hình dạng của
đường cong
phổ phản xạ còn phụ thuộc rất nhiều vào tính chất của các đối tượng.
1.3.2. Một số yếu tố ảnh hưởng tới phổ phản xạ của đối tượng
1.3.2.1. Quá trình truyền năng lượng tia sáng mặt trời trong không gian
Trước khi các tia bức xạ sử dụng trong công nghệ viễn thám tới được bề mặt
Trái Đất để tương tác với các đối tượng cần quan sát, chúng ph
ải truyền qua khí
quyển. Quãng đường mà bức xạ điện từ đi trong khí quyển được gọi là khoảng cách
đường truyền (path length). Khoảng cách này có thể rất khác nhau, ví dụ đối với
trường hợp ảnh vệ tinh và ảnh máy bay. Ảnh hưởng của khí quyển cũng rất khác nhau
đối với các khoảng cách đường truyền khác nhau, và phụ thuộc vào các thông số của
bức xạ điện từ như b

ước sóng, cường độ. Đương nhiên đặc điểm của khí quyển tại thời
điểm thu nhận tín hiệu đóng vai trò rất quan trọng đến tín hiệu nhận được tại đầu thu.
Trong quá trình truyền lan đó, sóng điện từ phải tương tác với các thành phần
có trong khí quyển như các hạt bụi lơ lửng, hoặc các thành phần khí khác nhau. Những