Nghiên cứu tự động trích xuất thông tin nước cho ảnh vệ tinh VNREDSAT 1 khu vực thành phố

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

HỒ VĂN TUẤN

NGHIÊN CỨU TỰ ĐỘNG TRÍCH XUẤT THÔNG TIN NƯỚC
CHO ẢNH VỆ TINH VNREDSAT-1 KHU VỰC THÀNH PHỐ

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

Hà nội, 2015


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

HỒ VĂN TUẤN

NGHIÊN CỨU TỰ ĐỘNG TRÍCH XUẤT THÔNG TIN NƯỚC
CHO ẢNH VỆ TINH VNREDSAT-1 KHU VỰC THÀNH PHỐ

Ngành: Công nghệ thông tin
Chuyên ngành: Kỹ thuật phần mềm
Mã số: 60480103

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TS Nguyễn Thanh Thủy

Hà nội, 2015

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, tôi xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới GS.TS Nguyễn Thanh
Thủy - Khoa Công nghệ thông tin - Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc
gia Hà Nội đã tận tình hướng dẫn tôi thực hiện luận văn tốt nghiệp. Xin chân
thành cảm ơn các thầy, cô giáo, các bạn học viên và thành viên thuộc Trung tâm
Giám sát hiện trường (FIMO) Trường Đại học Công nghệ đã quan tâm giúp đỡ
tôi trong thời gian qua.
Tôi xin chân thành cảm ơn tới các thầy, cô giáo Khoa Công nghệ thông tin
Trường Đại học Công nghệ - ĐHQG Hà Nội đã giảng dạy tôi trong suốt thời
gian theo học tại trường.
Cảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã động viên và tạo điều kiện cho tôi
trong suốt quá trình học tập và làm luận văn tốt nghiệp.
Vì thời gian và trình độ có hạn nên luận văn sẽ còn nhiều thiếu sót và hạn
chế nhất định. Rất mong và trân trọng nhận được sự góp ý của thầy cô cùng các
bạn.
Xin chân thành cảm ơn !

Hà Nội, ngày 15 tháng 11 năm 2015
Học viên

Hồ Văn Tuấn


LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi, được thực hiện dưới sự
hướng dẫn khoa học của GS.TS Nguyễn Thanh Thủy.
Trong luận văn, nội dung được trình bày là của cá nhân tôi hoặc được tổng
hợp từ nhiều nguồn tài liệu và tất cả nguồn tài liệu đó đều được trích dẫn rõ

ràng. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình.

Hà Nội, ngày 15 tháng 11 năm 2015
Học viên

Hồ Văn Tuấn


3

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. 3
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ 4
Danh sách các bảng ..................................................................................................... 5
Danh mục hình vẽ ........................................................................................................ 6
Danh sách các từ viết tắt, kí hiệu, thuật ngữ ................................................................. 7
Chương 1. TỔNG QUAN ............................................................................................ 8
1.1 Giới thiệu đề tài ............................................................................................... 8
1.2 Ý nghĩa khoa học ............................................................................................ 9
1.3 Ý nghĩa thực tiễn ........................................................................................... 10
1.4 Ứng dụng của đề tài....................................................................................... 10
1.5 Bố cục của luận văn....................................................................................... 10
Chương 2. VIỄN THÁM VÀ TIỀN XỬ LÝ ẢNH VỆ TINH .................................... 12
2.1 Viễn thám...................................................................................................... 12
2.1.1 Giới thiệu viễn thám ................................................................................... 12
2.1.2 Ứng dụng của viễn thám trong khoa học và đời sống xã hội ....................... 15
2.1.3 Các độ phân giải ảnh vệ tinh ....................................................................... 15
2.1.4 Ảnh VNREDSat-1 ...................................................................................... 17

2.2. Biểu diễn ảnh ............................................................................................... 20
2.3 Tiền xử lý ảnh vệ tinh .................................................................................... 21
2.3.1 Tổng quan về phương pháp hiệu chỉnh hình học ảnh vệ tinh VNREDSat-1 22
2.3.2 Quy trình thực hiện nắn chỉnh hình học ảnh VNREDSat-1 ......................... 23
Chương 3. CÁC THUẬT TOÁN TỰ ĐỘNG TRÍCH XUẤT THÔNG TIN NƯỚC Ở
VIỆT NAM VÀ TRÊN THẾ GIỚI ............................................................................ 30
3.1 Giới thiệu các thuật toán tự động trích xuất thông tin nước............................ 30
3.1.1 Các thuật toán trích xuất thông tin nước ở Việt nam ................................... 30
3.1.2 Các thuật toán trích xuất thông tin nước ở nước ngoài ................................ 30
3. 2 Phân tích ảnh SPOT5, VNREDSat-1 và hướng nghiên cứu .......................... 34
Chương 4. THUẬT TOÁN TRÍCH XUẤT THÔNG TIN NƯỚC CHO ẢNH VỆ
TINH VNREDSat-1................................................................................................... 37
4.1 Tổng quan quá trình trích xuất thông tin nước ............................................... 37
4.2 Thuật toán trích xuất thông tin nước dựa trên cây quyết định......................... 38


4

4.2.1 Ý tưởng thuật toán: ..................................................................................... 38
4.2.2 Giới thiệu khu vực nghiên cứu:................................................................... 38
4.2.3 Phân biệt các đội tượng trên ảnh và cách thức lấy mẫu ảnh: ....................... 40
4.2.4 Phân tích và lập biểu đồ phổ từ kết quả phân tích mẫu dữ liệu .................... 41
4.2.5 Phân tích đặc điểm phổ của thông tin nước:................................................ 42
4.2.6 Phân tích đặc điểm không gian của thông tin nước: .................................... 43
4.2.7 Phân biệt Nước lục địa và bóng đổ tòa nhà bằng cách phân biệt đặc điểm
không gian của nước và bóng đổ ......................................................................... 43
4.3 Xây dựng thuật toán tự động trích xuất thông tin nước bằng cây quyết định .. 44
4.3.1 Mô tả thuật toán: ........................................................................................ 44
4.3.2 Xây dựng sơ đồ khối trích xuất thông tin nước từ ảnh vệ tinh VNREDSat-1
............................................................................................................................ 45

4.3.3 Tính diện tích, chu vi các đối tượng cần xét ................................................ 46
Chương 5. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ ......................................... 50
5.1 Kết quả thực nghiệm ..................................................................................... 50
5.1.1 Kết quả trích xuất thông tin nước VNREDSat-1 ......................................... 50
5.1.2 Ứng dụng thuật toán để trích xuất đối tượng nước Sông Hồng, mây, thực vật
............................................................................................................................ 52
5.2 Đánh giá ........................................................................................................ 53
5.2.1 Đánh giá bằng phương pháp kiểm nghiệm và đối sánh với bản đồ .............. 54
5.2.2 Đánh giá bằng phương pháp định lượng ..................................................... 57
KẾT LUẬN ............................................................................................................... 62
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................... 63
PHỤ LỤC .................................................................................................................. 65
Cài đặt Python và các thư viện, công cụ liên quan: .................................................... 65
a. Cài đặt ngôn ngữ lập trình Python 2.7.................................................................... 65
b. Cài đặt các thư viện liên quan: ............................................................................... 65
c. Cài đặt công cụ hỗ trợ:........................................................................................... 67
d. Quá trình lấy mẫu một số đối tượng:...................................................................... 68
e. Thiết lập giá trị trung bình trên các kênh ảnh từng đối tượng nghiên cứu: .............. 69
f. Một số hình ảnh chụp trong quá trình đi kiểm tra thực địa ..................................... 75


5

Danh sách các bảng

Bảng 2.1 Bảng độ phân giải phổ của sóng điện từ ...................................................... 15
Bảng 2.2 Độ phân giải theo kênh ảnh VNREDSat-1 .................................................. 18
Bảng 2.3 Thông tin ảnh đa phổ VNREDSat-1 trước và sau hiệu chỉnh hình học ........ 20
Bảng 2.4 Bảng Control points: ................................................................................... 27
Bảng 2.5 Bảng Check points: ..................................................................................... 28

Bảng 3.1 Giải phổ và độ phân giải không gian của SPOT5 ........................................ 35
Bảng 3.2 Bảng đối chiếu các đặc điểm cơ bản của SPOT5 và VNREDSat-1 .............. 35
Bảng 4.1 Số cảnh thu được bị ảnh hưởng bởi độ che phủ của mây ............................. 40
Bảng 4.2 Bảng tổng hợp giá trị trung bình đối với các kênh ảnh VNREDSat-1 .......... 41
Bảng 4.3 Minh họa duyệt 4 hướng kế cận .................................................................. 48
Bảng 4.4 Minh họa tính diện tích của đối tượng ......................................................... 48
Bảng 4.5 Minh họa tính chu vi của đối tượng............................................................. 49
Bảng 4.6 Bảng minh họa kỹ thuật gộp dữ liệu trích xuất thông tin nước .................... 49
Bảng 5.1 Bảng đối chiếu diện tích các hồ được công bố và diện tích thực tế trích xuất
được .......................................................................................................................... 58
Bảng 5.2 Bảng ma trận sai số trích xuất thông tin ...................................................... 60
Bảng 5.3 Bảng thiết lập giá trị trung bình trên các kênh ảnh của đối tượng Nước lục
địa.............................................................................................................................. 69
Bảng 5.4 Bảng thiết lập giá trị trung bình trên các kênh ảnh đối tượng Sông Hồng .... 70
Bảng 5.5 Bảng thiết lập giá trị trung bình trên các kênh ảnh đối tượng đối tượng Nhà
.................................................................................................................................. 71
Bảng 5.6 Bảng thiết lập giá trị trung bình trên các kênh ảnh đối tượng Đường ........... 72
Bảng 5.7 Bảng thiết lập giá trị trung bình trên các kênh ảnh đối tượng Thực vật ........ 72
Bảng 5.8 Bảng thiết lập giá trị trung bình trên các kênh ảnh đối tượng Đất ................ 73
Bảng 5.9 Bảng thiết lập giá trị trung bình trên các kênh ảnh đối tượng Bóng đổ tòa nhà
.................................................................................................................................. 74
Bảng 5.10 Bảng thiết lập giá trị trung bình trên các kênh ảnh đối tượng Mây ............ 74


6

Danh mục hình vẽ

Hình 2.1 Hình minh họa các bước chụp và thu nhận ảnh từ vệ tinh ............................ 13
Hình 2.2 Minh họa các giai đoạn xử lý ảnh ................................................................ 14

Hình 2.3 Phổ đáp ứng của bộ lọc quang học của VNREDSat-1[23] ........................... 17
Hình 2.4 Một số hình ảnh vệ tinh VNREDSat-1 chụp được (a, b, c, d, e, f)[23] ......... 19
Hình 2.5 Quy trình thành lập bình đồ ảnh vệ tinh ....................................................... 23
Hình 2.6 Thiết lập project Hanoi_2014 ...................................................................... 24
Hình 2.7 Khai báo hệ tọa độ VN2000 cho khu vực nghiên cứu .................................. 24
Hình 2.8 Sơ đồ bố trí đủ GCP khu vực Hà Nội .......................................................... 27
Hình 3.1 Biểu đồ đường giá trị qua các kênh ảnh SPOT5.......................................... 31
Hình 3.2 Biểu đồ trích xuất thông tin nước trên SPOT5 ............................................. 33
Hình 3.3 Kết quả trích xuất thông tin nước sông Trường Giang trên ảnh SPOT5 ....... 34
Hình 4.1 Sơ đồ tổng quan quá trình thực hiện bài toán trích xuất thông tin nước........ 37
Hình 4.2 Hình ảnh khu vực nghiên cứu ...................................................................... 39
Hình 4.3 Biểu đồ giá trị điểm ảnh tại 4 kênh ảnh của ảnh VNREDSat-1 .................... 41
Hình 4.4 Giá trị phản xạ của đất, nước, thực vật trên ảnh Lansat TM ......................... 42
Hình 4.5 Sơ đồ khối trích xuất thông tin nước từ ảnh vệ tinh VNREDSat-1 ............... 46
Hình 5.1 Ảnh VNREDSat-1 ban đầu cần trích xuất thông tin ..................................... 50
Hình 5.2 Ảnh VNREDSat-1 tại Kênh 4 (a) và ảnh trích xuất thông tin nước (b) ........ 51
Hình 5.3 Ảnh kết quả thông tin nước lưu dưới dạng file VNREDSat-1 đơn sắc ......... 51
Hình 5.4 Ứng dụng thuật toán để trích xuất thông tin nước Sông Hồng ..................... 52
Hình 5.5 Ứng dụng thuật toán để trích xuất thông tin đối tượng mây ......................... 53
Hình 5.6 Ứng dụng thuật toán trích xuất thông tin đối tượng thảm thực vật ............... 53
Hình 5.7 Ảnh chụp từ Google Earth khu vực Vinhomes Riverside để kiểm chứng
thông tin nước ............................................................................................................ 55
Hình 5.8 Ảnh chụp từ Google Earth cùng tọa độ địa lý dùng để kiểm chứng thông tin
nước được trích xuất .................................................................................................. 56
Hình 5.9 Hình ảnh đánh dấu các vị trí kiểm tra thực địa theo tọa độ........................... 61
Hình 5.10 Thiết lập biến môi trường cho Python........................................................ 65
Hình 5.11 Cài đặt thư viện Numpy ............................................................................ 66
Hình 5.12 Cài đặt thư viện Mathplotlib ...................................................................... 67
Hình 5.13 Qúa trình lấy mẫu Nước lục địa ................................................................. 68
Hình 5.14 Quá trình lấy mẫu Đường .......................................................................... 68

Hình 5.15 Quá trình lấy mẫu nước Sông Hồng........................................................... 69
Hình 5.16 Hình ảnh kiểm tra thực địa Hồ Tây............................................................ 75
Hình 5.17 Hình ảnh kiểm tra thực địa Hồ Gươm ........................................................ 76
Hình 5.18 Hình ảnh kiểm tra thực địa Hồ Bảy mẫu .................................................... 76


7

Danh sách các từ viết tắt, kí hiệu, thuật ngữ

Viết tắt
GIS
Band 1,2…

Ý nghĩa, mô tả
Geographic Information System - Hệ thống thông tin địa lý
Kênh ảnh 1, kênh ảnh 2, …

Pixel

Điểm ảnh

VAST

Viện hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt nam

DEM

Digital Elevation Model - Mô hình số hóa độ cao

GCP

Ground Control Point - Điểm kiểm soát mặt đất


8

Chương 1. TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu đề tài
Cùng với sự phát triển công nghệ thông tin và khoa học vũ trụ, viễn thám ngày
càng được quan tâm sâu rộng. Hình ảnh trái đất được vệ tinh chụp lại, xử lý phục vụ
cho mục đích khoa học và đời sống. Trong đó phải kể đến các lĩnh vực an ninh quốc
phòng, cảnh báo cháy rừng, động đất, sóng thần, cứu hộ cứu nạn, tìm kiếm hằng hải,
quản lý không phận,… Để thực hiện được các nhiệm vụ đó thì công việc xử lý ảnh vệ
tinh được đặt lên hàng đầu và là vấn đề then chốt giúp giải quyết các bài toán liên
quan.
Hiện nay, trên thế giới có rất nhiều loại vệ tinh, mỗi loại vệ tinh lại có cảm biến
khác nhau vì thế khi chụp sẽ cho ra các ảnh vệ tinh khác nhau về số lượng kênh ảnh,
dải phổ, độ phân giải, kích thước ảnh. Chẳng hạn ảnh SPOT, LandSat, Aster,
QuickBird, MODIS,...
Tính cấp thiết của đề tài:
Hiện nay, trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu trích xuất thông tin nước trên
nhiều loại ảnh vệ tinh và đã được thực hiện cách đây khoảng 20 năm. Các loại ảnh vệ
tinh chủ yếu được nghiên cứu trích xuất thông tin nước gồm SPOT, LandSat, MODIS,
IKONOS,... Các phương pháp trích xuất hay còn gọi là phương pháp giải đoán hình
ảnh gồm hai loại: trích xuất bằng mắt và trích xuất bằng số. Phương pháp trích xuất
bằng mắt là sử dụng mắt của mình cùng với các dụng cụ quang học như kính lúp, máy
lập thể, máy tổng hợp màu để xác định đối tượng. Phương pháp trích xuất bằng số
được phân làm hai loại: loại sử dụng công cụ phần mềm chuyên dụng và loại tự lập

trình để xây dựng phần mềm trích xuất. Hiện nay, phương pháp sử dụng phần mềm
chuyên dụng đã rất phổ biến, tuy nhiên nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố, chẳng hạn phần
mềm xử lý ảnh vệ tinh hầu hết là của nước ngoài, không áp dụng được cho tất cả các
loại ảnh vệ tinh trong đó ảnh VNREDSat-1 là một ví dụ. Phương pháp trích xuất bằng
mắt gặp nhiều khó khăn do khả năng mắt người bị giới hạn, phương pháp này lại phụ
thuộc nhiều vào kinh nghiệm của người giải đoán nên kết quả thu được sẽ khác nhau ở
từng người và không thể giải đoán nhiều bức ảnh trong một thời gian ngắn được.
Ngược lại, phương pháp trích xuất bằng số ưu việt hơn phương pháp trích xuất bằng
mắt ở tốc độ trích xuất thông tin, khối lượng trích xuất, tính hiệu quả và độ tin cậy cao
hơn. Hiện nay, trong nước cũng đã có nghiên cứu trích xuất thông tin nước trên ảnh
POST5, ảnh Landsat7. Tuy nhiên, đối với ảnh VNREDSat-1 thì chưa có nghiên cứu
nào được công bố về phương pháp tự động trích xuất thông tin nước. Trong khi đó,
VNREDSat-1 là vệ tinh đầu tiên của Việt nam, chụp hình ảnh trái đất vào tháng 5 năm


9

2013, đánh dấu mốc lịch sử khởi đầu cho công cuộc chinh phục khoa học công nghệ
viễn thám. Điều đó có nghĩa rằng, chúng ta đã có công nghệ viễm thám hoàn toàn mới
mẻ và việc cấp thiết cần phải làm chủ khoa học công nghệ này. Chính vì lẽ đó, tôi đã
mạnh dạn chọn đề tài “Nghiên cứu tự động trích xuất thông tin nước cho ảnh vệ
tinh VNREDSat-1 khu vực thành phố” nhằm đưa ra giải pháp tự động trích xuất
thông tin nước cho ảnh vệ tinh đa phổ VNREDSat-1, đáp ứng việc theo dõi, giám sát
tài nguyên nước tốt hơn, chủ động hơn, kịp thời hơn, phục vụ thiết thực cho khoa học
công nghệ, đời sống nói riêng và công cuộc chinh phục khoa học công nghệ viễn thám
nước nhà nói chung.
Phạm vi và nhiệm vụ của luận văn:
Tìm hiểu về viễn thám, ảnh vệ tinh.
Nghiên cứu tiền xử lý ảnh vệ tinh.
Nghiên cứu một số phương pháp trích xuất thông tin nước trên ảnh vệ tinh đã

được thực hiện tại Việt nam và trên thế giới.
Xây dựng thuật toán dựa trên cây quyết định để trích xuất thông tin nước trên ảnh
vệ tinhVNREDSat-1, lưu ảnh vệ tinh chứa kết quả thông tin nước đã trích xuất vào
máy tính.
Kết quả đạt được:
Làm sáng tỏ về viễn thám, một số loại ảnh vệ tinh.
Giới thiệu về tiền xử lý ảnh, hiệu chỉnh hình học ảnh vệ tinh.
Xây dựng thuật toán phù hợp và đã trích xuất được thông tin nước trên ảnh vệ
tinh VNREDSat-1 khu vực thành phố đạt độ tin cậy cao, ứng dụng được vào thực tế.
Thực hiện việc chuyển đổi ảnh kết quả thu được từ dạng Raster sang Vector, gán hệ
tọa độ VN-2000 phục vụ đo đạc diện tích, chu vi cho bất kỳ thông tin nước trên ảnh
kết quả, đối chứng ảnh kết quả với thực địa.
Ngoài ra, việc áp dụng thuật toán này đã trích xuất được thông tin nước Sông
Hồng từ thông tin nước chung, thực vật và mây riêng biệt.
1.2 Ý nghĩa khoa học
Trên thế giới đã có rất nhiều phương pháp để trích xuất thông tin nước trên ảnh
vệ tinh, mỗi phương pháp đều có ưu nhược điểm và hiệu quả cũng khác nhau. Việc
trích xuất thông tin nước trên ảnh vệ tinh VNREDSat-1 của Việt nam bằng phương
pháp tự động là hoàn toàn mới và là cấp thiết, cần tìm kiếm giải pháp trích xuất đạt
hiệu quả cao nhất nhằm sớm làm chủ khoa học công nghệ viễn thám nước nhà.


10

1.3 Ý nghĩa thực tiễn
Việc trích xuất được thông tin nước trên ảnh vệ tinh VNREDSat-1 sẽ xác định
được chính xác các thông tin nước trên ảnh vệ tinh, trên bản đồ không gian địa lý, tạo
điều kiện thuận lợi cho việc theo dõi, giám sát, đo đạc diện tích, thống kê, tìm kiếm,
quy hoạch tài nguyên nước phục vụ cho khoa học và đời sống trong nhiều lĩnh vực
khác nhau.

1.4 Ứng dụng của đề tài
Đề tài được ứng dụng ở nhiều lĩnh vực khác nhau trong khoa học và đời sống
như ngành địa chất, đo đạc, thủy lợi và nông nghiệp.
1.5 Bố cục của luận văn
Luận văn gồm 5 chương với các nội dung như sau:
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.
Chương 2. 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.
Chương 3. 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.
Chương 4. 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.
Chương 5. 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

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.


12

Chương 2. VIỄN THÁM VÀ TIỀN XỬ LÝ ẢNH VỆ TINH

2.1 Viễn thám
2.1.1 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 2.1 [4].


13

Hình 2.1 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


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.

Thu nhận ảnh
Scaner, camera,
sensor

Hậu xử lý
Tiền xử lý
ảnh

Trích chọn
đặc điểm

Đối chứng, rút
ra kết luận

Hậu xử lý
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
2.2. 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.


15

2.1.2 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.
2.1.3 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 sau đây.
Bảng 2.1 Bảng độ phân giải phổ của sóng điện từ
Dải phổ

Bước sóng

Tia gamma

< 0,03nm

Vùng tia X

0,03-30nm

Vùng tia cực
tím

0,03-0,4µm

Vùng tia cực
tím chụp ảnh

0,3-0,4µm

Vùng nhìn
thấy
Vùng hồng

0,4-0,7µm
0,7-3µm

Ðặc điểm
Bức xạ tới thường hấp thụ toàn bộ bởi tầng khí quyển
phía trên và không có khả năng dùng trong viễn thám.
Hoàn toàn bị hấp thụ bởi khí quyển phía trên và không
được sử dụng trong viễn thám.
Các bước sóng tới nhỏ hơn 0,3µm thì hoàn toàn bị hấp
thụ bởi tầng ôzôn trong tầng khí quyển bên trên.
Truyền qua khí quyển, ghi nhận được vào phim và các
photodetector (con mắt điện tử), nhưng bị tán xạ mạnh
trong khí quyển.
Tạo ảnh với phim và photodetector, có cực đại của năng
lượng phản xạ ở 0,5µm.
Phản xạ lại bức xạ mặt trời, không có thông tin về tính


16

Dải phổ

Bước sóng

ngoại

Vùng hồng
ngoại nhiệt

3-5µm
8-14µm

Vùng cực
ngắn

0,1-30 cm

Vùng Radar

0,1-30 cm

Vùng radio

>30 cm

Ðặc điểm
chất của đối tượng. Band từ 0,7-0,9µm, được nghiên
cứu với phim và được gọi là band ảnh hồng ngoại.
Các cửa sổ chính ở vùng nhiệt ghi thành ảnh ở các bước
sóng này yêu cầu phải có máy quét cơ quang học và hệ
thống máy thu đặc biệt, gọi là hệ Vidicon, không phải là
bằng phim.
Các bước sóng dài hơn có thể xuyên qua mây, sương
mù và mưa. Các hình ảnh có thể ghi lại trong dạng chủ
động hay thụ động.
Dạng chủ động của viễn thám sóng cực ngắn. Hình ảnh

radar được ghi lại ở các band sóng khác nhau.
Ðạt bước sóng dài nhất của quang phổ điện từ. Một vài
sóng radar được phân ra với bước sóng rất dài được sử
dụng trong vùng sóng này.

Theo số liệu thống kê ở bảng trên (Bảng 2.1), không phải toàn bộ giải sóng điện
từ được sử dụng trong việc thu nhận ảnh viễn thám. Thông thường, tuỳ thuộc vào mục
đích thu thập thông tin, mỗi loại đầu thu được thiết kế để có thể thu nhận sóng điện từ
trong một số khoảng bước sóng nhất định. Các khoảng bước sóng này được gọi là các
kênh ảnh.
Ta cũng thấy ở trên, bức xạ phổ (bao gồm cả phản xạ, tán xạ và bức xạ riêng) của
một đối tượng thay đổi theo bước sóng điện từ. Như vậy, ảnh chụp đối tượng trên các
kênh khác nhau sẽ khác nhau. Điều này có nghĩa là ảnh được thu trên càng nhiều kênh
thì càng có nhiều thông tin về đối tượng được thu thập. Số lượng kênh ảnh được gọi là
độ phân giải phổ. Độ phân giải phổ càng cao (càng nhiều kênh ảnh) thì thông tin thu
thập từ đối tượng càng nhiều và đương nhiên giá thành càng lớn. Vì vậy tùy theo mục
đích sử dụng nên kết hợp nhiều loại ảnh ở các độ phân giải khác nhau để nghiên cứu
một khu vực. Thông thường, các vệ tinh đa phổ thường có số kênh ảnh từ khoảng 3
đến 10 kênh. Hiện nay, trong viễn thám đa phổ, các loại vệ tinh viễn thám có khả
năng thu được rất nhiều kênh ảnh (trên 30 kênh) gọi là các vệ tinh siêu phổ
(hyperspectral satellite) đang được phát triển.
Từ đó, ta có cách xác định các loại ảnh dựa trên phổ như sau:
Ảnh đơn phổ là ảnh chỉ có một kênh ảnh.
Ảnh màu (3 phổ R,G,B) là ảnh màu có ba kênh ảnh.
Ảnh đa phổ (từ 4 đến 30 phổ) là ảnh thường có từ 4 đến 30 kênh ảnh
Ảnh siêu phổ (> 30 phổ: 0.4μm – 2.4 μm) là ảnh có từ 30 kênh ảnh trở lên.


17

Độ phân giải không gian
Độ phân giải không gian là kích thước của pixel trên mặt đất, hay kích thước của
đối tượng nhỏ nhất trên mặt đất mà có thể phân biệt được trên ảnh.
Ví dụ: một điểm ảnh trên ảnh vệ tinh tương ứng với vùng trên mặt đất có diện
tích 30m × 30m thì ta gọi độ phân giải không gian của ảnh là 30 m.
Độ phân giải thời gian
Độ phân giải thời gian được xác định dựa trên khoảng thời gian mà vệ tinh bay
xung quanh trái đất một vòng và quay lại chụp đúng vị trí mà nó đã chụp trước đó.
Ví dụ: Landsat 7 có chu kỳ thu nhận ảnh lặp lại 16 ngày một lần, MODIS –
TERRA là 1 ngày.
2.1.4 Ảnh VNREDSat-1
VNREDSat-1 hay VNREDSat-1A (Vietnam Natural Resources, Environment
and Disaster-monitoring Satellite-1A) là vệ tinh quang học quan sát trái đất, có khả
năng chụp hình ảnh trái đất và là hệ thống vệ tinh quan sát trái đất đầu tiên của Việt
Nam. Vệ tinh này do Công ty EADS Astrium của Pháp thiết kế, chế tạo và được phóng
lên quỹ đạo vào ngày 7/5/2013 tại bãi phóng ở Kourou, Guyana thuộc Pháp.
VNREDSat-1 là vệ tinh nhỏ, kích thước 60cm × 60cm × 120 cm, nặng 120kg. Độ
phân giải phổ của ảnh VNREDSat-1 như Hình 2.3 dưới đây.

Hình 2.3 Phổ đáp ứng của bộ lọc quang học của VNREDSat-1[23]


18

Các thông số của vệ tinh VNREDSat-1:
Vệ tinh có kích thước 600 mm x 570 mm x 500 mm, có trọng lượng khoảng
120kg. Tuổi thọ của vệ tinh theo thiết kế là 5 năm.





Vệ tinh có quỹ đạo đồng bộ Mặt trời (SSO)



Độ cao quỹ đạo trên xích đạo: 680km



Góc nghiêng mặt phẳng quỹ đạo: 98,13o



Độ tròn quỹ đạo: 0,001193



Chu kỳ quỹ đạo: 5909,6 giây (98,5 phút)

Hệ thống quang học được đặt trên vệ tinh VNREDSat-1 là NAOMI (New
AstroSat Optical Modular Instrument)





Thời gian chụp lặp lại (vệ tinh nghiêng ±35o): 3 ngày



Thời gian chụp lặp lại (vệ tinh nghiêng ±15o): 7 ngày

Độ phân giải phổ và không gian được mô tả tại Bảng 2.2 như sau.
Bảng 2.2 Độ phân giải theo kênh ảnh VNREDSat-1
Bước sóng

Độ phân giải

(micrometers)

(meters)

Panchromatic

0,45 – 0,75

2,5

Band 1 (BLUE)

0,45 – 0,52

10

Band 2 (GREEN)

0,53 – 0,60

10

Band 3 (RED)

0,62 – 0,69

10

Band 4 (NIR)

0,76 – 0,89

10

Kênh ảnh

Một số hình ảnh của vệ tinh VNREDSat-1 chụp ở các vị trí địa lý khác nhau
được mô tả trong Hình 2.4 như sau:


19

(a) Khu vực cầu Thanh Trì, Hà Nội

(c) Khu vực bờ đông và bờ tây của
đảo Phú Quốc

(b) Thủy điện Sông Bung 2, tỉnh
Quảng Nam

(d) Thành phố Đà Nẵng

(e) Thành phố Melbourne, Australia
(f) Thành phố Rome, Italy
Hình 2.4 Một số hình ảnh vệ tinh VNREDSat-1 chụp được (a, b, c, d, e, f)[23]


20

Ảnh VNREDSat-1 là ảnh được biểu diễn theo mô hình Raster, biểu diễn dưới
dạng các ô lưới quy chuẩn, dễ chồng xếp và tạo mô hình, thuận lợi cho hiễn thị không
gian. Tuy nhiên, ảnh dạng vector có dung lượng lớn, tốn bộ nhớ lưu trữ và xử lý chậm.
Ảnh đa phổ VNREDSat-1 phục vụ nghiên cứu trong luận văn được biểu thị trong
bảng sau (xem Bảng 2.3).
Bảng 2.3 Thông tin ảnh đa phổ VNREDSat-1 trước và sau hiệu chỉnh hình học
Ảnh đa phổ
VNREDSat-1

Dung lượng
(Mb)

Độ phân giải
không gian
(pixelsize)

Kích thước

Ngày chụp/
hiệu chỉnh

Kiểu dữ

liệu

23.3

9.57299 m

1750 x 1750
(pixels)

3:01:52 PM
22/5/2013

UInt16

36.1

10 m

2174 x 2145
(pixels)

Ảnh
(trước khi hiệu
chỉnh hình học)
Ảnh
( sau khi hiệu
chỉnh hình học)

3:05:38 PM
15/9/2015

UInt16

2.2. Biểu diễn ảnh
Ảnh ban đầu được thu nhận thường có dạng tín hiệu tương tự hoặc đã số hóa tùy
từng thiết bị thu nhận. Sau bước số hóa, ảnh sẽ được lưu trữ hay chuyển sang giai đoạn
phân tích. Tuy nhiên, việc biểu diễn ảnh sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến lưu trữ dữ liệu.
Chẳng hạn, nếu lưu trữ ảnh dạng thô theo kiểu bản đồ thì dung lượng sẽ khá lớn dẫn
đến thiếu hiệu quả khi ứng dụng [1], [7].
Một ảnh có thể được biểu diễn bởi hàm hai đối số f(x, y), x và y là tọa độ và độ
lớn của hàm f ở mọi cặp (x, y) được gọi là cường độ hay mức xám của ảnh ở điểm đó.
Giới hạn mức xám thường liên quan đến cường độ ảnh đơn sắc. Ảnh màu là định dạng
của sự tích hợp ảnh hai chiều. Ví dụ, trong hệ thống màu RGB, một màu bao gồm 3
giá trị R, G, B cơ bản. Vì thế, rất nhiều kỹ thuật phát triển màu đơn sắc có thể cải tiến
cho ảnh màu bằng cách xử lý các thành phần màu cơ bản.
Một ảnh có thể được biểu diễn liên tục các giá trị x, y cùng với độ lớn của nó.
Việc chuyển đổi ảnh sang dạng ảnh số được yêu cầu về hệ tọa độ.
Hàm biểu diễn ảnh số theo gốc tọa độ ( , ) = (0, 0)

( , )=

(0, 0)
(1, 1)
…
( − 1,0)

(

(0, 1)
(1, 1)

…
− 1, 1) …

…
…
…
…

(0,
(1,
(

…
− 1,

− 1)
− 1)

(2.1)

− 1)

Phía bên phải công thức (2.1), mỗi thành phần trong ma trận được gọi là điểm
ảnh (pixel).


21

Các ký hiệu ( , ) biểu diễn điểm ảnh ở dòng p và cột q. Ví dụ f(3, 5) là điểm
ảnh ở dòng thứ 3 và cột thứ 5 trong ma trận f. M và N là biểu diễn số dòng và số cột

của ma trận f. Ma trận A 1 x N được gọi là vector dòng (row vector), và M x 1 được
gọi là vector cột (column vector). Ma trận A 1 x 1 được gọi là ma trận vô hướng (a
scalar).
Thông thường, biểu diễn ảnh tập trung đặc tả các đặc trưng của ảnh như biên ảnh
hay vùng ảnh. Có nhiều phương pháp biểu diễn ảnh gồm:
-

Biểu diễn mã loạt dài (Run - Length Code)
Biểu diễn mã xích (Chaine Code)
Biểu diễn mã tứ phân (Quad Tree Code)
Ngoài ra còn có mô hình thống kê

Trong luận văn này, việc biểu diễn vùng ảnh được áp dụng theo phương pháp mã
loạt dài. Phương pháp này dùng để biểu diễn vùng ảnh hay ảnh nhị phân. Một vùng
ảnh R có thể biểu diễn đơn giản dưới dạng ma trận nhị phân:
( , )=

1 ế ( , ) ∈
0 ế ượ ạ

(2.2)

Theo cách biểu diễn này, một vùng ảnh hay ảnh nhị phân được xem như một
chuỗi 0 hoặc 1 đan xen nhau. Trong đó a(m, n) là hàm mô tả mức xám tại tọa độ
(m, n). Các chuỗi này được gọi là mạch (run), mỗi mạch được biểu diễn bởi địa chỉ bắt
đầu của mạch và chiều dài của mạch theo dạng {<hàng, cột>, chiều dài}.
2.3 Tiền xử lý ảnh vệ tinh
Ảnh thô tồn tại rất nhiều biến dạng về hình học, các biến dạng gây ra trong quá
trình chụp ảnh và điều kiện địa hình của khu vực chụp ảnh. Các nguyên nhân như độ
cao bay chụp, góc chụp, độ cong bề mặt trái đất, chuyển động của trái đất xung quanh

trục của nó, độ chênh cao về địa hình của khu vực chụp,... Nói chung, các biến dạng
hình học của ảnh gây ra các sai số như sai số xác định vị trí của các điểm ảnh, hình ảnh
của đối tượng bị biến dạng và chúng ta không thể sử dụng trực tiếp ảnh để đo đạc diện
tích hay xác định vị trí điểm như sử dụng với bản đồ.
Quá trình xử lý hình học của ảnh sẽ khử các biến dạng trên ảnh, đưa ảnh về
phương trực giao và ta có thể xác định chính xác chiều dài hoặc diện tích của các đối
tượng trên bề mặt mặt đất bằng cách đo đạc trên ảnh. Trong xử lý hình học ảnh vệ tinh
thì quá trình xây dựng mô hình biến dạng của ảnh rất quan trọng. Việc xác định các
nguyên nhân gây ra biến dạng hình học ảnh và phương pháp khử các biến dạng là
nhiệm vụ của xử lý hình học ảnh vệ tinh.
Có nhiều phương pháp xử lý hình học ảnh vệ tinh. Tuy nhiên, phương pháp mô
hình hóa biến dạng ảnh sử dụng mô hình vật lý ảnh (sử dụng các thông số quỹ đạo của
vệ tinh, thông số đầu thu chụp) đạt độ chính xác cao.


22

2.3.1 Tổng quan về phương pháp hiệu chỉnh hình học ảnh vệ tinh VNREDSat-1
Việc nắn chỉnh hình học ảnh vệ tinh phải dựa trên mối quan hệ giữa tọa độ của
điểm ảnh (pixel) và tọa độ điểm trong hệ tọa độ tham chiếu được thể hiện theo công
thức dưới đây:
  f  (l , p, h)
( ,  , h)  f (l , p, h)  
  f  (l , p, h)

(2.3)

Trong đó:
l: là số đường trên ảnh VNREDSat-1 mức 1A (đường đầu tiên là 1)
p: là số pixel của đường trên ảnh VNREDSat-1 mức 1A (pixel đầu tiên là 1)

h: là độ cao của điểm trên ellisoid
λ : là kinh độ của điểm tương ứng trong hệ tham chiếu trái đất
φ: là kinh độ của điểm tương ứng trong hệ tham chiếu trái đất
Một phác thảo mô hình định vị nghịch đảo fh-1 cho độ cao h được tính toán từ
một lưới tương tự của các điểm (pi, qi, λi, φi), trong đó (λi, φi) là kết quả của mô hình
thuận áp dụng cho các điểm (pi, qi, h).
Trên thực tế, có nhiều phương pháp mô hình hóa ảnh vệ tinh phục vụ cho công
tác nắn chỉnh hình học. Một trong những phương pháp để loại trừ các sai số trong quá
trình thu chụp ảnh là xây dựng mô hình toán học khôi phục lại mô hình chụp ảnh thực
tế từ các thông số của đầu thu và vệ tinh khi đang hoạt động trên quỹ đạo. Phương
pháp này được gọi là phương pháp vật lý hay mô hình vật lý. Do mô tả được tương đối
chính xác các đặc điểm của quá trình chụp ảnh, phương pháp nắn ảnh sử dụng mô hình
vật lý thường cho phép đạt độ chính xác cao nhất so với các phương pháp khác, ví dụ
như phương pháp dùng hàm đa thức. Một ưu điểm nữa của phương pháp nắn ảnh theo
mô hình vật lý là cho phép sử dụng DEM để hiệu chỉnh sự sai lệch vị trí của các điểm
ảnh do chênh cao địa hình gây ra.
Trong khuôn khổ của luận văn này, việc nắn ảnh vệ tinh VNREDSat-1 sử dụng
modul Imogen là mô hình vật lý chuyên dụng được thiết kế riêng cho vệ tinh
VNREDSat-1 chạy trên phần mềm ERDAS Imagine. Hiện nay ở Việt Nam chỉ có Cục
Viễn thám quốc gia, Bộ Tài nguyên và Môi trường được trang bị modul Imogen để xử
lý các ảnh VNREDSat-1 được thu nhận tại Đài Viễn thám trung ương thuộc cục. Trên
khu vực nghiên cứu, chúng ta tiến hành nắn chỉnh hình học theo khối ảnh với số lượng
GCP trong lãnh thổ lần lượt là 13 điểm/cảnh (có những điểm GCP nằm trên cả hai
cảnh ảnh). Vị trí các điểm GCP được bố trí theo các phương án chuẩn. Các điểm kiểm
tra được bố trí rải đều trên khắp tờ ảnh để có thể đánh giá độ chính xác nắn ảnh một
cách khách quan.


23

2.3.2 Quy trình thực hiện nắn chỉnh hình học ảnh VNREDSat-1
Hình 2.5 mô tả quy trình thực hiện thành lập bình đồ ảnh vệ tinh

Tạo Project
(VN2000)

Ảnh gốc

Nhập ảnh

Bản đồ
GCP

Mô hình hóa và đo
điểm khống chế

Thiết lập khối

Liên kết mô hình và
đo liên kết mô hình
Không đạt
Tính toán bình sai
Đạt
DEM

Nắn ảnh
Cắt, ghép ảnh
Tăng cường chất lượng ảnh

Xuất dữ liệu ở dạng số

Hình 2.5 Quy trình thành lập bình đồ ảnh vệ tinh