Nghiên cứu phân tích đối tượng dựa trên xử lý hình ảnh siêu phổ

Nghiên cứu phân tích đối tượng dựa trên xử lý hình ảnh siêu phổ
LỜI NÓI ĐẦU
Với sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghệ vũ trụ trong những năm
gần đây cùng sự đột phá lớn trong ngành viễn thám đã tạo ra những cảm biến siêu
phổ và những phần mềm tích hợp được sử dụng để phân tích những dữ liệu ảnh siêu
phổ.
Mười lăm năm trước chỉ có các chuyên gia mới có quyền truy cập vào các
hình ảnh siêu phổ cũng như các công cụ phần mềm xử lý ảnh. Tuy nhiên vài năm
trở lại đây, việc phân tích hình ảnh siêu phổ đã phát triển thành một trong những
công nghệ mạnh mẽ nhất và phát triển nhanh nhất trong lĩnh vực viễn thám.
Nhằm góp phần giới thiệu nguyên lý cũng như kỹ thuật cơ bản liên quan đến
công nghệ viễn thám nên em đã nhận làm đề tài: “Nghiên cứu phân tích đối tượng
dựa trên xử lý hình ảnh siêu phổ” làm đề tài tốt nghiệp cuối khóa. Nội dung của đồ
án sẽ trình bày một số khái niệm phổ có liên quan, thảo luận về định nghĩa hình ảnh
siêu phổ và so sánh với hình ảnh đa phổ, xem xét một số ứng dụng gần đây của xử
lý ảnh siêu phổ, và tóm tắt các kỹ thuật xử lý hình ảnh thường được áp dụng cho xử
lý hình ảnh siêu phổ.
Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Hữu Trung trong thời gian vừa
qua đã hướng dẫn và tạo điều kiện cho em hoàn thành đồ án này.

Trần Minh Tiến - CB130627

1


Nghiên cứu phân tích đối tượng dựa trên xử lý hình ảnh siêu phổ
ABSTRACT
Imagery acquired by airborne or satellite sensors provides an important
source of information for researching and analysising hyperspectral images.
Interpretation and analysis of hyperspectral imagery requires an understanding of
the processes that determine the relationships between the property the sensor

actually measures and the surface properties we are interested in identifying and
studying. Knowledge of these relationships is a prerequisite for appropriate
processing and interpretation. This project presents a brief overview of
hyperspectral imagery and application in remote sensing.
Project contents include three chapters:
Chapter I: Overview of Hyperspectral Images.
Chapter II: Application of Hyperspectral Images and Curvelet change
Chapter III: Experimental of hyperspectral image processing

Trần Minh Tiến - CB130627

2


Nghiên cứu phân tích đối tượng dựa trên xử lý hình ảnh siêu phổ
TÓM TẮT ĐỒ ÁN
Hình ảnh thu được từ những cảm biến trên vệ tinh cung cấp một nguồn thông
tin quan trọng trong việc nghiên cứu và phân tích hình ảnh siêu phổ. Việc giải thích
và phân tích hình ảnh siêu phổ phải đòi hỏi một kiến thức chuyên sâu về những đặc
tính về phổ ánh sáng. Kiến thức về các mối quan hệ là một điều kiện tiên quyết cho
việc xử lý và sự phù hợp. Đồ án này sẽ trình bày cho chúng ta những khái niệm cơ
bản về ảnh siêu phổ, cách phân tích hình ảnh siêu phổ và ứng dụng quan trọng trong
lĩnh vực viễn thám.
Nội dung đồ án gồm ba chương.
Chương I: Tổng quan về hình ảnh siêu phổ.
Chương II: Ứng dụng ảnh siêu phổ và biến đổi Curvelet
Chương III: Thực nghiệm xử lý ảnh siêu phổ

Trần Minh Tiến - CB130627

3


Nghiên cứu phân tích đối tượng dựa trên xử lý hình ảnh siêu phổ
MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU ...........................................................................................................1
ABSTRACT ...............................................................................................................2
TÓM TẮT ĐỒ ÁN ....................................................................................................3
DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................7
DANH MỤC BẢNG BIỂU .....................................................................................10
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ......................................................................11
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ẢNH SIÊU PHỔ ..............................................12
1.1 Giới thiệu chung ..................................................................................................12
1.2 Khái niệm chung ảnh siêu phổ ............................................................................12
1.3 Bộ cảm và phân loại bộ cảm ...............................................................................13
1.3.1 Khái niệm chung về bộ cảm ....................................................................13
1.3.2 Phân loại bộ cảm .....................................................................................15
1.3.3 Thu ảnh từ quang phổ kế .........................................................................15
1.4 Lý thuyết phản xạ phổ của đối tượng tự nhiên ...................................................16
1.4.1 Quang phổ phản xạ .................................................................................20
1.4.2 Phổ khoáng sản .......................................................................................21
1.4.3 Phổ thực vật.............................................................................................22
1.4.4 Đặc tính phản xạ phổ của nước ..............................................................23
1.4.5 Một số yếu tố ảnh hưởng đến phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên .26
1.4.6 Thư viện quang phổ .................................................................................31
1.4.7 Biểu đồ quang phổ trong không gian phổ ...............................................32
1.4.8 Độ phân giải không gian và hỗn hợp phổ ...............................................33

Trần Minh Tiến - CB130627

4


Nghiên cứu phân tích đối tượng dựa trên xử lý hình ảnh siêu phổ
CHƢƠNG 2 ỨNG DỤNG CỦA ẢNH SIÊU PHỎ VÀ BIẾN ĐỔI CURVELET
...................................................................................................................................35
2.1 Khái niệm cơ bản của viễn thám. ........................................................................35
2.1.1 Định nghĩa ...............................................................................................35
2.1.2 Nguyên lý cơ bản của viễn thám .............................................................36
2.2 Phân loại viễn thám .............................................................................................39
2.3 Viễn thám trong nghiên cứu địa chất ..................................................................41
2.3.1 Mở đầu.....................................................................................................41
2.3.1 Đoán đọc ảnh nghiên cứu kiến tạo..........................................................44
2.3.2 Giải đoán các yếu tố cấu tạo và cấu trúc địa chất ..................................48
2.4 Viễn thám trong nghiên cứu sử dụng đất và lớp phủ bề mặt ..............................51
2.4.1 Mở đầu.....................................................................................................51
2.4.2 Những công việc cần thực hiện ...............................................................52
2.4.3 Những điều cần chú ý về giải đoán ảnh để thành lập bản đồ sử dụng đất
và lớp phủ mặt ...........................................................................................................58
2.5 Lý thuyết CURVELET .......................................................................................59
2.5.1 Giới thiệu .................................................................................................59
2.5.2 Các wavelet cổ điển và các curvelet .......................................................62
2.5.3 Mối quan hệ của các Curvelet với các Wavelet có hướng khác. ............64
2.5.4 Biến đổi Curvelet liên tục ( CCT ) trong R2 ............................................66
2.5.5 Biến đổi Curvelet nhanh ..........................................................................74
2.5.6 Ứng dụng biến đổi Curvelet trong xử lý hình ảnh ..................................78
CHƢƠNG 3: THỰC NGHIỆM XỬ LÝ ẢNH SIÊU PHỔ .................................81
3.1 Giới thiệu chung ..................................................................................................81
3.2 Thực nghiệm xử lý ảnh 2D sử dụng Curvelet .....................................................82

Trần Minh Tiến - CB130627

5


Nghiên cứu phân tích đối tượng dựa trên xử lý hình ảnh siêu phổ
3.2.1 Khử nhiễu và khôi phục ảnh 2D sử dụng Curvelet .................................82
3.2.2 Tách biên ảnh 2D sử dụng Curvelet........................................................83
3.3 Thực nghiệm xử lý ảnh siêu phổ .........................................................................85
3.3.1 Giới thiệu .................................................................................................85
3.3.2 Xử lý ảnh siêu phổ sử dụng lọc Wiener ...................................................86
3.3.3 Xử lý ảnh siêu phổ sử dụng biến đổi Wavelet .........................................87
3.3.4 Xử lý ảnh siêu phổ sử dụng biến đổi Curvelet ........................................88
3.3.5 Đánh giá kết quả thực nghiệm khôi phục ảnh siêu phổ ..........................89
3.3.6 Tách biên ảnh siêu phổ sử dụng Curvelet ...............................................90
3.4 Trích xuất và biểu diễn dữ liệu ảnh siêu phổ ......................................................91
3.5 Kết luận và hướng nghiên cứu ...........................................................................95
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................96

Trần Minh Tiến - CB130627

6


Nghiên cứu phân tích đối tượng dựa trên xử lý hình ảnh siêu phổ
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Hình ảnh siêu phổ.......................................................................................13
Hình 1.2 Thành phần cơ bản của quang phổ kế ........................................................16
Hình 1.3 Một số phản xạ ...........................................................................................18
Hình 1.4 Đặc tính phản xạ phổ của một số đối tượng tự nhiên ................................19

Hình 1.5 Biểu đồ mối quan hệ giá trị phản xạ và bước sóng ....................................20
Hình 1.6 Biểu đồ đường cong quang phổ của khoáng chất ......................................22
Hình 1.7 Biểu đồ đường cong quang phổ thực vật ...................................................23
Hình 1.8 Khả năng phản xạ và hấp thụ của nước. ....................................................24
Hình 1.9 Khả năng phản xạ phổ của một số loại nước. ............................................25
Hình 1.10 Cửa sổ khí quyển ......................................................................................29
Hình 1.11 Biểu đồ đường cong quang phổ các loại đá .............................................31
Hình 1.12 Biểu đồ phổ phản xạ N chiều với giả thuyết N=2 ....................................33
Hình 1.13 Phổ C là hỗn hợp tuyến tính của phổ A và B ...........................................34
Hình 1.14 Biểu đồ hỗn hợp của 3 phổ endmember trên 2 kênh phổ ........................34
Hình 2.1 Hình Nguyên lý thu nhận ảnh siêu phổ ......................................................37
Hình 2.2 Viễn thám chủ động và viễn thám bị động ................................................39
Hình 2.3 Vệ tinh địa tĩnh (trái) và vệ tinh quỹ đạo gần cực (phải) ...........................40
Hình 2.4: Các phần tử của các wavelet( bên trái) và các curvelet với các tỷ lệ khác
nhau, các hướng và các chuyển dời trong miền không gian ( bên phải ). .................62
Hình 2.5 Đồ thị của các cửa sổ V(t) (Trái) và W(r) (Phải) .......................................68
Hình 2.6 Cửa sổ U1(  ) (bên trái) và hình chiếu đứng (bên phải) ............................69
Hình 2.7 Các hỗ trợ của các cửa sổ U1/2 ( ) (xám) U1/8 ( ) (xám nhẹ) .......................71
Hình 2.8 Lưới với

 4,0  0

và

Trần Minh Tiến - CB130627

 4,1   / 8

. ................................................................76

7


Nghiên cứu phân tích đối tượng dựa trên xử lý hình ảnh siêu phổ


Hình 2.9 Vùng hỗ trợ tối đa của


 3,k ,6

 2,k ,0



và



và

 3,k ,13

 2,k ,5



(vùng xám tối màu); của



(vùng xám nhạt); và của

 4,k ,0

 3,k ,3

,



và

 4,k ,11

(vùng xám).........................77

Hình 2.10 Lát curvelet rời rạc với khung giả cực trong vùng tần số. .....................77
Hình 2.11 Ảnh khử nhiễu.(a) Ảnh nhiễu, (b) Khử nhiễu wavelet, (c) Khử nhiễu TVKhuyếch tán, (d) Khử nhiễu contourlet, (e)Khử nhiễu curvelet, (f)Khử nhiễu TVkết hợp curvelet. ........................................................................................................79
Hình 3.1 Ảnh siêu phổ lập phương ...........................................................................81
Hình 3.2 Kết quả khôi phục ảnh 2D sử dụng Curvelet .............................................83
Hình 3.3 Tính toán RMSE và PSNR trên ảnh 2D khôi phục ....................................83
Hình 3.4 Kết quả tách biên ảnh lý tưởng sử dụng Curvelet ......................................84
Hình 3.5 Kết quả tách biên ảnh khôi phục sử dụng Curvelet ...................................84
Hình 3.6 Ảnh màu RGB được biến đổi từ ảnh siêu phổ ...........................................86
Hình 3.7 Biểu diễn phổ năng lượng của ảnh .............................................................86
Hình 3.8 Ảnh được khôi phục sử dụng lọc Wiener ..................................................87
Hình 3.9 Đánh giá hiệu năng xử lý của lọc Wiener ..................................................87
Hình 3.10 Ảnh được khôi phục sử dụng Wavelet .....................................................88
Hình 3.11 Đánh giá hiệu năng xử lý của Wavelet ....................................................88

Hình 3.12 Ảnh được khôi phục sử dụng Curvelet ....................................................89
Hình 3.13 Đánh giá hiệu năng xử lý của Curvelet ....................................................89
Hình 3.14 Tách biên ảnh không nhiễu với Curvelet .................................................90
Hình 3.15 Tách biên ảnh nhiễu được khôi phục với Curvelet ..................................91
Hình 3.16 Biểu diễn đặc trưng phổ của vật liệu........................................................92
Hình 3.17 Biểu diễn một lát ảnh siêu phổ ở bước sóng trung...................................93
Hình 3.18 Ảnh được điều chỉnh sáng hơn ................................................................93
Trần Minh Tiến - CB130627

8


Nghiên cứu phân tích đối tượng dựa trên xử lý hình ảnh siêu phổ
Hình 3.19 Biểu diễn phản xạ quang phổ của điểm ảnh.............................................94
Hình 3.20 Biểu diễn phổ chói phản xạ tại pixel (141, 75) ........................................95

Trần Minh Tiến - CB130627

9


Nghiên cứu phân tích đối tượng dựa trên xử lý hình ảnh siêu phổ
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1. 1 Cửa sổ bức xạ mặt trời ..............................................................................30
Bảng 1.2 Đặc điểm của dải phổ điện tử sử dụng trong kỹ thuật viễn thám ..............38

Trần Minh Tiến - CB130627

10

Nghiên cứu phân tích đối tượng dựa trên xử lý hình ảnh siêu phổ
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

DT

Decision tree

Cây quyết định

MLC

Maximum likelihood classifier

Phân loại gần đúng nhất

LNN

Layered Neural Networks

Phân loại lớp mạng Neural

HTTĐL

Hệ thông tin địa lý

FCC

False color composite

Sai màu tổng hợp

PCA

Principal component analysis

Phân tích thành phần chính

ASTER

Advance Spaceborne Thermal
Emission and Reflection Radiometer

USGS

US Geological Survey

Cục khảo sát địa chất Mỹ

AVIRIS

Airborne Visible / Infrared Imaging

Tầm nhìn trên không / hình

Spectrometer

ảnh quang phổ hồng ngoại

Linear unmixing

Tách rời tuyến tính

Matched filtering

Lọc thích nghi

Constrained energy minimization

Hạn chế tối đa năng lượng

LU
MF

CEM

bị nén
Supervised classification

Phân loại giám sát

Training areas

Vùng kiểm tra

Minimum distance classification

Phân loại theo khoảng cách

SC

TA
MDC

nhỏ nhất
Parallelpiped classification

Phân loại hình hộp

Fuzzy classification

Phân loại mờ

Unsupervised classification

Phân loại không giám sát

PC
FC
UC

Trần Minh Tiến - CB130627

11


Nghiên cứu phân tích đối tượng dựa trên xử lý hình ảnh siêu phổ
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ẢNH SIÊU PHỔ
1.1 Giới thiệu chung
Đối với nhiều thập kỷ qua, chụp ảnh siêu phổ dùng để nghiên cứu và phát
triển hoạt động của các vùng, các khu vực trên thế giới, và hình ảnh siêu phổ chỉ

được cung cấp cho các nhà nghiên cứu. Gần đây với sự xuất hiện của hệ thống chụp
ảnh siêu phổ trong không gian, ảnh siêu phổ là một phần chính xuất hiện trong lĩnh
vực viễn thám. Những hình ảnh siêu phổ sẽ cho phép ta tìm được nhiều ứng dụng
trong việc quản lý các nguồn tài nguyên, nông nghiệp, thăm dò khoáng sản, và giám
sát môi trường. Nhưng để sử dụng hiệu quả hình ảnh siêu phổ đòi hỏi một sự hiểu
biết về bản chất và hạn chế của dữ liệu và các chiến lược khác nhau để xử lý và giải
thích nó.
Dữ liệu mẫu (Sample Data): Trong đề tài này chúng em sử dụng hình ảnh
của một mỏ khoáng, Neveda để phân tích.
1.2 Khái niệm chung ảnh siêu phổ
Cảm biến đa phổ từ xa như Landsat Mapper và SPOT XS đã tạo ra những
hình ảnh với một vài dải bước sóng tương đối rộng. Mặt khác, cảm biến siêu phổ từ
xa lại thu thập các dữ liệu hình ảnh trong hàng chục hoặc hàng trăm dải phổ hẹp, lân
cận nhau, với mỗi tế bào hình ảnh các phép đo sẽ giúp ta có thể thu được phổ tần
liên tục, thể hiện trong hình minh họa dưới đây. Sau khi điều chỉnh cho cảm biến,
các tác động từ bầu khí quyển và địa hình, các phổ ảnh có thể được so sánh với phổ
phản xạ trong phòng nghiên cứu để nhận biết bề mặt vật liệu trên bản đồ cụ thể như
các loại thảm thực vật hoặc dự đoán các khoáng chất liên quan đến các mỏ.
Hình ảnh siêu phổ luôn chứa vô số dữ liệu, nhưng giải thích chúng cần đòi
hỏi một sự hiểu biết chính xác những thuộc tính của vật liệu trên bề mặt Trái Đất,
chúng ta vẫn đang cố gắng để đo lường, và làm thế nào để chúng có liên quan đến
các phép đo thực sự được tạo ra bởi các cảm biến siêu phổ.

Trần Minh Tiến - CB130627

12


Nghiên cứu phân tích đối tượng dựa trên xử lý hình ảnh siêu phổ

Hình 1.1 Hình ảnh siêu phổ
1.3 Bộ cảm và phân loại bộ cảm
1.3.1 Khái niệm chung về bộ cảm
Bộ cảm giữ nhiệm vụ thu nhận các năng lượng bức xạ do vật thể phản xạ từ
nguồn cung cấp tự nhiên (mặt trời) hoặc nhân tạo (do chính vệ tinh phát). Năng
lượng này được chuyển thành tín hiệu số (biến đổi quang năng thành điện năng và
chuyển đổi tín hiệu điện thành một số nguyên hữu hạn gọi là giá trị của pixel) tương
ứng với năng lượng bức xạ ứng với từng bước song do bộ cảm nhận được trong dải
phổ đã được xác định. Để hiểu rõ nguyên tắc hoạt động của bộ cảm, cách đơn giản
nhất là xét khả năng phản xạ phổ của thực vật đối với sóng điện từ có bước sóng
nằm trong vùng nhìn thấy. Nhìn thấy hay cảm nhận được đối với bức xạ điện tử là
khả năng đặc biệt quan trọng không chỉ đối với các bộ cảm mà còn đối với mắt của
con người, nhờ đó hình ảnh của vật thể và màu sắc có thể được tạo ra từ việc thu
năng lượn do vật thể phản xạ từ 1 nguồn cung cấp nào đó.
Trong năm giác quan của con người, mắt là giác quan có cảm nhận tốt nhất
đối với sóng điện từ; mắt của con người giữ chức năng giống như bộ cảm trong hệ
Trần Minh Tiến - CB130627

13


Nghiên cứu phân tích đối tượng dựa trên xử lý hình ảnh siêu phổ
thống viễn thám. Ánh sang đi vào mắt qua giác mạc và hội tụ ở võng mạc (con
người giữ vai trò là thấu kính), các tế bào thần kinh (hình que và hình nón) ở võng
mạc biến đổi năng lượng của ánh sáng mạnh hay yếu ứng với từng bước sóng khác
nhau thành các xung điện truyền về não bộ (bộ xử lý tín hiệu). Não của người sẽ
phân tích các giá trị khác nhau của xung điện để cảm nhận được màu sắc hoặc hình
ảnh.
Đối với bộ cảm, kính lọc phổ đượ sử dụng để tách năng lượng bức xạ ứng
với từng bước sóng khác nhau, và năng lượng này được dẫn đến các tế bào quang

điện để biến đổi quang năng thành điện năng. Tùy thuộc vào số bit dùng để ghi
nhận thông tin, việc chuyển đổi tín hiệu thành một số nguyên hữu hạn thể hiện sự
thay đổi của cường độ phản xạ sóng từ các vật thể được bộ cảm xác định. Trong
viễn thám, năng lượng này ứng với một đơn vị nhỏ nhất trên mặt đất tương ứng với
một pixel trên ảnh và bằng kỹ thuật phối hợp vận hành giữa vệ tinh và bộ cảm để
tạo ảnh 2 chiểu của bề mặt đất.
Tế bào quang điện là thiết bị sử dụng hiệu ứng quang điện để biến đổi quang
năng thành điện năng. Độ lớn của dòng điện tạo ra tỷ lệ tuận với cường độ của sóng
phản xạ từ vật thể, do đó sự thay đổi của dòng điện có thể được sử dụng để đo
lường sự thay đổi năng lượng của ánh sáng mạnh hay yếu ứng với từng bước sóng
khác nhau. Năng lượng sóng điện từ sau khi tới tế bào quang điện, được chuyển
thành tín hiệu có giá trị thay đổi liên tục theo thời gian (số thực) và để ghi nhận
thông tin, việc chuyển đổi tín hiệu điện liên tục thành một số nguyên hữu hạn được
gọi là số hóa. Giá trị độ sáng ghi nhận được phụ thuộc vào số bit dùng trong quá
trình số hóa và toàn bộ năng lượng của sóng điện từ thu được (tín hiệu nhập)
chuyển sang tín hiệu số (tín hiệu xuất) chỉ sử dụng phần biến đổi tuyến tính của bộ
cảm.
Bộ cảm chỉ thu nhận năng lượng sóng điện từ phản xạ hay bức xạ từ vật thể
theo từng bước sóng xác định. Năng lượng sóng điện từ sau khi tới được bộ cảm
được chuyển thành tín hiệu số (chuyển đổi tín hiệu điện thành một số nguyên hữu
hạn gọi là giá trị của pixel) tương ứng với năng lượng bức xạ ứng với từng bước
sóng do bộ cảm nhận được trong dải phổ đã xác định.
Trần Minh Tiến - CB130627

14


Nghiên cứu phân tích đối tượng dựa trên xử lý hình ảnh siêu phổ
1.3.2 Phân loại bộ cảm
Việc phân loại bộ cảm có nhiều cách khác nhau, có thể theo dải sóng thu

nhận, cũng có thể theo kết cấu. Các bộ cảm chủ động thu nhận năng lượng do vật
thể phản xạ từ nguồn năng lượng nhân tạo. Các bộ cảm bị động thu nhận các bức xạ
do vật thể phản xạ hoặc phát xạ.
Mỗi loại bộ cảm thuộc nhóm chủ động hoặc bị động được chi thành hệ thống
quét và hệ thống không quét. Sau đó chúng lại tiếp tục được chi thành loại tạo ảnh
và không tạo ảnh.
Các loại máy chụp ảnh, máy quét quang cơ, máy quét điện tử là những bộ
cảm được sử dụng rộng rãi hiện nay.
Các bộ cảm quang học được đặc trưng bởi tính chất phổ, đặc trưng hình học,
dặc trưng bức xạ.
Tính chất phổ được thể hiện qua số lượng kênh phổ và bề rộng kệnh. Các
thiết bị dùng phim được đặc trưng bởi độ nhạy của phim, khả năng lọc của các kính
lọc phổ, các tính chất quang học của hệ thống thấu kính.
Người ta sử dụng lăng kính để tách phổ, ngoài ra còn dùng kính lọc phổ. Có
ba loại kính lọc phổ là kính lọc sóng dài, kính lọc sóng ngắn, kính lọc đơn phổ.
1.3.3 Thu ảnh từ quang phổ kế
Các ảnh siêu phổ được tạo ra bởi các công cụ, chúng được gọi là quang phổ
kế. Sự phát triển của các cảm biến phức tạp bao hàm sự hội tụ của hai công nghệ có
liên quan nhưng lại khác biệt nhau: “spectroscopy” và “remote imaging”.
Spectroscopy là công nghệ nghiên cứu sự thay đổi năng lượng ánh sáng phát
ra hay phản xạ bởi chất liệu với bước sóng xác định, cũng như ứng dụng trong viễn
thám. Dụng cụ được gọi là quang phổ kế được sử dụng để đo lường sự phản xạ của
ánh sáng từ bề mặt của vật liệu cần kiểm tra trong phòng thí nghiệm hay trên bề mặt
Trái Đất. Một bộ phận trong quang phổ kế gọi là lăng kính (hay cách tử) có tác
dụng phân tách ánh sáng qua nó thành những dải ánh sáng có bước sóng hẹp, liền
kề nhau và năng lượng của mỗi dải sẽ được đo bằng các máy dò riêng biệt. Bằng
việc sử dụng hàng trăm, hàng nghìn đầu dò, quang phổ kế có thể thực hiện các phép
Trần Minh Tiến - CB130627

15

Nghiên cứu phân tích đối tượng dựa trên xử lý hình ảnh siêu phổ
đo quang phổ đối với các băng hẹp (0.01 micromet) trên một phạm vi bước sóng
rộng, thường ít nhất là 0.4-2.4 micromet.
Remote imagers (máy chụp từ xa) được thiết kế để tập trung và đo ánh sáng
phản xạ từ nhiều khu vực lân cận trên bề mặt Trái Đất. Trong nhiều máy chụp kỹ
thuật số, các phép đo liên của các khu vực nhỏ được thực hiện trong một mô hình
học phù hợp với các cảm biến di động và quá trình xử lý tiếp theo là rất cần thiết để
ghép chúng thành một hình ảnh. Cho đến gần đây, việc chụp bị giới hạn ở một hay
một vài dải bước sóng tương đối rộng bởi sự hạn chế của thiết kế và yêu cầu lưu trữ,
truyền tải và xử lý dữ liệu. Tuy nhiên sự tiến bộ trong thiết kế máy chụp gần đây đã
cho phép phạm vi quang phổ và độ phân giải tương đương với quang phổ kế.

Hình 1.2 Thành phần cơ bản của quang phổ kế
1.4 Lý thuyết phản xạ phổ của đối tƣợng tự nhiên
Đặc tính phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên là hàm của nhiều yếu tố.
Các đặc tính này phụ thuộc vào điều kiện chiếu sáng, môi trường khí quyển và bề
mặt đối tượng cũng như bản thân các đối tượng.
Sóng điện từ chiếu tới mặt đất, năng lượng của nó sẽ tác động lên bề mặt trái
đất và sẽ xảy ra các hiện tượng sau:
- Phản xạ năng lượng.
- Hấp thụ năng lượng.
Trần Minh Tiến - CB130627

16


Nghiên cứu phân tích đối tượng dựa trên xử lý hình ảnh siêu phổ
- Thấu quang năng lượng.

Năng lượng bức xạ sẽ chuyển đổi thành ba dạng khác nhau như trên. Giả sử
coi năng lượng ban đầu bức xạ là
thành năng lượng phản xạ

thì khi chiếu xuống các đối tượng nó sẽ chuyển

, hấp thụ

và thấu quang

. Có thể mô tả quá trình

trên theo công thức:
(a)
Trong quá trình này ta phải lưu ý hai điểm:
Thứ nhất là: khi bề mặt đối tượng tiếp nhận năng lượng chiếu tới, tùy thuộc
vào cấu trúc các thành phần, cấu tạo vật chất hoặc điều kiện chiếu sáng mà các
thành phần

,

,

sẽ có những giá trị khác nhau đối với các đối tượng khác

nhau. Do vậy ta sẽ nhận được các tấm ảnh của các đối tượng khác nhau do thu nhận
năng lượng phản xạ phổ có thể phản xạ toàn phần, phản xạ một phần, không phản
xạ về một hướng hay phản xạ một phần có định hướng.

Trần Minh Tiến - CB130627

17


Nghiên cứu phân tích đối tượng dựa trên xử lý hình ảnh siêu phổ

Hình 1.3 Một số phản xạ
Các dạng phản xạ từ các bề mặt như trên cần được lưu ý khi đoán đọc điều
vẽ các ảnh vũ trụ và các ảnh máy bay nhất là khi xử lý hình ảnh thiếu các thông tin
về các khu vực đang khảo sát. Điều đó có nghĩa là phải biết rõ các thông số kỹ thuật
của thiết bị được sử dụng, các phản chụp, điều kiện chụp ảnh, vì những yếu tố này
có vai trò nhất định trong việc đoán đọc điều vẽ ảnh.
Thứ hai là:năng lượng chiếu tới đối tượng được phản xạ không những phụ
thuộc vào cấu trúc bề mặt đối tượng mà còn phụ thuộc vào bước sóng của năng
lượng chiếu tói. Do vậy mà trên ảnh ta thấy hình ảnh đối tượng do ghi nhận được
khả năng phản xạ phổ của các bước sóng khác nhau sẽ khác nhau.
Các hệ thống viễn thám chủ yếu ghi nhận năng lượng phản xạ phổ nên công
thức (a) có thể viết lại là:
Trần Minh Tiến - CB130627

18


Nghiên cứu phân tích đối tượng dựa trên xử lý hình ảnh siêu phổ
(b)
Năng lượng phản xạ bằng tổng năng lượng bức xạ trừ năng lượng hấp thụ và
năng lượng thấu quang.
Để nghiên cứu sự phụ thuộc của năng lượng phản xạ phổ vào bước sóng điện
từ ta đưa ra khái niệm khả năng phản xạ phổ. Khả năng phản xạ phổ r của bước
sóng được định nghĩa bằng công thức:

.(100%)

(c)

Để thấy rõ đặc tính phản xạ phổ phụ thuộc vào bước sóng ta xét đồ thị sau

Hình 1.4 Đặc tính phản xạ phổ của một số đối tượng tự nhiên
1- Đường đặc trưng phản xạ phổ của thực vật.
2- Đường đặc trưng phản xạ phổ của đất khô.
3- Đường đặc trưng phản xạ phổ của nước.

Trần Minh Tiến - CB130627

19


Nghiên cứu phân tích đối tượng dựa trên xử lý hình ảnh siêu phổ
1.4.1 Quang phổ phản xạ
Tỉ số giữa năng lượng phản xạ và năng lượng tới là một hàm của bước sóng.
Giá trị phản xạ sẽ thay đổi theo giá trị bước sóng đối với hầu hết các vật liệu bởi vì
năng lượng ở mỗi bước sóng nhất định sẽ tán xạ hoặc hấp thụ ở các mức độ khác
nhau, chúng thể hiện rõ khi chúng ta so sánh các đường cong quang phổ phản xạ
(biểu đồ phản xạ so với bước sóng) cho các vật liệu khác nhau. Đường võng xuống
của các đường cong quang phổ đánh dấu dải bước sóng dao động mà vật liệu chọn
lục hấp thụ năng lượng tới. Các đặc điểm này thường được gọi là dải hấp thụ. Hình
dạng tổng thể, vị trí, khả năng hấp thụ của đường cong quang phổ trong nhiều
trường hợp có thể được sử dụng để xác định và phân biệt các vật liệu khác nhau. Ví
dụ: thực vật có giá trị phản xạ cao hơn trong phạm vi dải hồng ngoại gần và thấp
hơn trong vùng ánh sáng đỏ so với đất.

Hình 1.5 Biểu đồ mối quan hệ giá trị phản xạ và bước sóng
Ở biểu đồ trên những đường cong phản xạ đại diện cho một số vật liệu phổ
biến trên bề mặt Trái Đất trên phạm vi ánh sáng nhìn thấy và quang phổ hồng ngoại.
Một số băng được sử dụng trong vệ tinh cảm biến từ xa đa phổ được hiển thị trên
đầu vs mục đích so sánh. Giá trị phản xạ có thể dao động từ 0-1.0, hoặc nó có thể
được hiển thị dưới dạng tỉ lệ phần trăm, như trong biểu đồ trên. Khi đo quang phổ
Trần Minh Tiến - CB130627

20


Nghiên cứu phân tích đối tượng dựa trên xử lý hình ảnh siêu phổ
của vật liệu mẫu sẽ được thực hiện trong phòng thí nghiệm, các giá trị năng lượng
cũng dùng để tính toán hệ số phản xạ của vật liệu, những giá trị này hoặc đo trực
tiếp hoặc xuất phát từ các phép đo ánh sáng phản xạ (dưới các điểu kiện chiếu sáng
tương tự như vật liệu kiểm tra) từ tài liệu tham khảo vật liệu có phản xạ quang phổ
được biết đến.
1.4.2 Phổ khoáng sản
Trong các vật liệu vô cơ như khoáng sản, thì thành phần hóa học và cấu trúc
tinh thể sẽ ảnh hưởng tới hình dạng của đường cong quang phổ và dải hấp thụ trên
biểu đồ. Sự hấp thụ có thể được gây ra bởi vài yếu tố đặc biệt như các liên kết ion,
hình dạng liên kết hóa học giữa các thành phần và cấu trúc tinh thể của vật liệu.
Hình minh họa dưới đây cho ta thấy quang phổ của một số khoáng chất phổ
biến. Trong quang phổ của hematit (một khoáng chất sắt oxit), khả năng hấp thụ ánh
sáng mạnh ở dải ánh sáng nhìn thấy là do ion
của đá vôi, ion cacbonat (

. Trong canxit, thành phần chính

) là nguyên nhân chủ yếu đối với sự hấp thụ trong

dải bước sóng từ 1.8-2.4 micromet. Cao lanh và Montmorillonite là các khoáng vật
sét, chúng là thành phần phổ biến trong đất, dải hấp thụ mạnh đối với cả hai chất
này ở bước sóng gần 1.4 micromet, ở bước sóng 1.9 micromet sự hấp thụ của
Caolanh có phần yếu hơn, sự hấp thụ này là do ion hidroxit (

), trong khi với

chất Montmorillonite ở bước sóng 1.9 micromet lại hấp thụ rất mạnh mẽ, đó là do
các phân tử ngậm nước trong đất sét. Trái ngược với các đường cong quang phổ với
các chất trên, orthoclase feldspar một khoáng chất chủ đạo trong đá granit, nhìn vào
đường cong quang phổ ta nhận thấy hầu như không thấy sự lõm xuống của đồ thị,
điều đó thể hiện gần như không có sự hấp thụ trên dải bước sóng từ vùng ánh sáng
nhìn thấy đến vùng trung hồng ngoại.

Trần Minh Tiến - CB130627

21


Nghiên cứu phân tích đối tượng dựa trên xử lý hình ảnh siêu phổ

Hình 1.6 Biểu đồ đường cong quang phổ của khoáng chất
1.4.3 Phổ thực vật
Các đường cong quang phổ phản xạ của các thảm thực vật khỏe mạnh cũng
có những đặc điểm hình dạng phụ thuộc vào những đặc tính khác nhau của thực vật.
Trong phần ánh sáng nhìn thấy, hình dạng đường cong bị thay đổi bởi sự hấp thụ
ánh sáng từ chất diệp lục và các sắc tố lá khác có trong thực vật. Chất diệp lục hấp
thụ ánh sáng trong vùng nhìn thấy rất hiệu quả nhưng nó hấp thụ các bước sóng
màu xanh lam và màu đỏ mạnh mẽ hơn màu xanh lá cây, tạo ra một đỉnh nhỏ đặc

trưng trên đường cong phản xạ trong phạm vi bước sóng của màu xanh lục (0.450.67 micromet), vì vậy ta nhìn chúng có màu xanh lục. Khi chất diệp lục giảm đi,
thực vật có khả năng phản xạ màu đỏ mạnh hơn, kết quả lá cây có màu vàng (do tổ
hợp màu xanh và đỏ) hoặc màu đỏ hẳn (rừng ở khí hậu lạnh). Sự tăng phản xạ xảy
ra ở ranh giới giữa các bước sóng hồng ngoại và đỏ với các giá trị từ 40 đến 50%
cho hầu hết các loại thực vật. Sự phản xạ ở vùng cận hồng ngoại này chủ yếu là do
sự tương tác với các cấu trúc tế bào bên trong của lá. Khi sang vùng trung hồng
ngoại một số điểm cực trị (1.4 và 1.9 micromet) của vùng bước sóng dài làm tăng
khả năng hấp thụ ánh sáng của hơi nước trong lá, khả năng phản xạ của chúng giảm
đi rõ rệt và ngược lại, khả năng hấp thụ ánh sáng lại tăng lên. Đặc biệt đối với rừng
có nhiều tầng lá, khả năng đó lại càng tăng lên (ví dụ rừng rậm nhiệt đới).

Trần Minh Tiến - CB130627

22


Nghiên cứu phân tích đối tượng dựa trên xử lý hình ảnh siêu phổ

Hình 1.7 Biểu đồ đường cong quang phổ thực vật
Biểu đồ trên minh họa cho phổ phản xạ của các thảm thực vật xanh so với
đường cong quang phổ của thực vật lão hóa (khô, màu vàng). Sự khác nhau của các
đường cong quang phổ là do cấu trúc thành phần trong mỗi loại thực vật là khác
nhau đã được đề cập đến ở trên.
1.4.4 Đặc tính phản xạ phổ của nƣớc
Cũng như trên, khả năng phản xạ phổ của nước thay đổi theo bước sóng của
bức xạ chiếu tới và thành phần vật chất có trong nước. Khả năng phản xạ phổ ở đây
còn phụ thuộc vào bề mặt nước và trạng thái của nước. Trên kênh hồng ngoại và
cận hồng ngoại đường bờ nước được phát hiện rất dễ dàng, còn một số đặc tính của
nước cần phải sử dụng dải sóng nhìn thấy để nhận biết.

Trần Minh Tiến - CB130627

23


Nghiên cứu phân tích đối tượng dựa trên xử lý hình ảnh siêu phổ

Hình 1.8 Khả năng phản xạ và hấp thụ của nước.
Trong điều kiện tự nhiên, mặt nước hoặc một lớp mỏng nước sẽ hấp thụ rất
mạnh năng lượng ở dải cận hồng ngoại và hồng ngoại, do vậy, năng lượng phản xạ
rất ít. Vì khả năng phản xạ phổ của nước ở dải sóng dài là khá nhỏ nên việc sử dụng
các kênh sóng dài để chụp cho ta khả năng đoán đọc điều vẽ thủy văn, ao hồ… Ở
dải sóng nhìn thấy khả năng phản xạ phổ của nước tương đối phức tạp. Viết phương
trình cân bằng năng lượng và nghiên cứu khả năng phản xạ phổ của nước ở dải sóng
nhìn thấy:

E( ) =
Như hình… nước cất bị hấp thụ ít năng lượng ở dải sóng nhỏ hơn 0.6µm và
thấu quang nhiều năng lượng ở dải sóng ngắn. Nước biển, nước ngọt và nước cất có
chung đặc tính thấu quang, tuy nhiên độ thấu quang của nước đục giảm rõ rệt và
bước sóng càng dài có độ thấu quang càng lớn.

Trần Minh Tiến - CB130627

24


Nghiên cứu phân tích đối tượng dựa trên xử lý hình ảnh siêu phổ

Hình 1.9 Khả năng phản xạ phổ của một số loại nước.

Khả năng thấu quang cao và hấp thụ ít ở dải sóng nhìn thấy chứng tỏ rằng
đối với lớp nước mỏng (ao, hồ nông) và trong thì hình ảnh viễn thám ghi nhận được
ở dải sóng nhìn thấy là nhờ năng lượng phản xạ của chất đáy: cát, đá…
Tuy nhiên trong điều kiện tự nhiên không phải lúc nào cũng lý tưởng như
nước cất. Thông thường trong nước chứa nhiều tạp chất hữu cơ và vô cơ vì vậy khả
năng phản xạ phổ của nước phụ thuộc vào thành phần và trạng thái của nước. Các
nghiên cứu cho thấy nước đục có khả năng phản xạ phổ cao hơn nước trong, nhất là
những dải sóng dài. Người ta xác định rằng với độ sau tối thiểu là 30m, nồng độ tạp
chất gây đục là 10mg/lít, thì khả năng phản xạ phổ lúc đó là hàm số của thành phần
của nước chứ không còn là ảnh hưởng của chất đáy.
Người ta đã chứng minh rằng khả năng phản xạ phổ của nước phụ thuộc rất
nhiều vào độ đục của nước, ở dải sóng 0.6 ÷ 0.7µm người ta phát hiện rằng giữa độ
đục của nước và khả năng phản xạ phổ có một mối liên hệ tuyến tính.
Hàm lượng clorophin trong nước cũng là một yếu tố ảnh hưởng tới khả năng
phản xạ phổ của nước. Nó làm giảm khả năng phản xạ phổ của nước ở bước sóng
ngắn và tang khả năng phản xạ phổ của nước ở bước sóng có mầu xanh lá cây.
Ngoài ra còn một số yếu tố khác có ảnh hưởng lớn tới khả năng phản xạ phổ
của nước, nhưng cũng có nhiều đặc tính quan trọng khác của nước không thể được
rõ qua sự khác biệt của phổ như độ mặn của nước biển, hàm lượng khí metan, oxi,
nito, cacbonic… trong nước.
Trần Minh Tiến - CB130627

25