Một số kỹ thuật ứng dụng trong xây dựng cơ sở dữ liệu ảnh viễn thám (LV thạc sĩ)
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.31 MB, 95 trang )
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG
NGUYỄN BÁ QUÂN
MỘT SỐ KỸ THUẬT ỨNG DỤNG TRONG XÂY DỰNG
CƠ SỞ DỮ LIỆU ẢNH VIỄN THÁM
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH
Thái Nguyên, năm 2016
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www. lrc.tnu.edu.vn
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG
NGUYỄN BÁ QUÂN
MỘT SỐ KỸ THUẬT ỨNG DỤNG TRONG XÂY DỰNG
CƠ SỞ DỮ LIỆU ẢNH VIỄN THÁM
Chuyên ngành
: Khoa học máy tính
Mã số chuyên ngành: 60 48 01
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS. TS ĐẶNG VĂN ĐỨC
Thái Nguyên, tháng 6 năm 2016
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www. lrc.tnu.edu.vn
i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan tất cả các nội dung của luận văn này hoàn toàn được hình
thành và phát triển từ quan điểm của chính cá nhân tôi, dưới sự hướng dẫn chỉ
bảo của PGS.TS Đặng Văn Đức. Các số liệu kết quả có được trong luận văn tốt
nghiệp là hoàn toàn trung thực.
Học viên
Nguyễn Bá Quân
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www. lrc.tnu.edu.vn
ii
LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành chương trình cao học và viết luận văn này, tôi đã nhận được
sự hướng dẫn, giúp đỡ và chỉ bảo nhiệt tình của quý thầy cô trường Đại học
Công nghệ thông tin và Truyền thông. Đặc biệt là những thầy cô ở Viện công
nghệ thông tin Hà Nội đã tận tình dạy bảo cho tôi trong suốt thời gian học tập
tại trường.
Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Đặng Văn Đức đã dành nhiều
thời gian và tâm huyết hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn này.
Mặc dù tôi đã cố gắng hoàn thiện luận văn bằng tất cả năng lực của mình,
song không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được sự đóng góp quý
báu của quý thầy cô và các bạn.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www. lrc.tnu.edu.vn
iii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................... ii
MỤC LỤC ........................................................................................................ iii
DANH MỤC HÌNH ẢNH .................................................................................. v
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
CHƯƠNG I: KHÁI QUÁT VỀ ẢNH VIỄN THÁM .......................................... 2
VÀ CSDL ẢNH VIỄN THÁM .......................................................................... 2
1.1. Khát quát về ảnh viễn thám ..................................................................... 2
1.1.1. Khái niệm về ảnh viễn thám ............................................................. 2
1.1.2 Nguyên lý hoạt động của ảnh viễn thám ............................................ 2
1.1.3. Ứng dụng của ảnh viễn thám trong việc quản lý tài nguyên, thiên
nhiên và môi trường. ................................................................................ 11
1.2. Hệ thống thông tin địa lý ....................................................................... 21
1.2.1. Tổng quan về hệ thông tin địa lý ..................................................... 21
1.2.2. Khái niệm về Hệ thông tin địa lý .................................................... 22
1.2.3 Các thành phần của Hệ thông tin địa lý ........................................... 23
1.2.4 Các chức năng của Hệ thống thông tin địa lý ................................... 25
1.2.5 Hệ thông tin địa lý được biểu diễn như thế nào ................................ 27
1.2.6. Hệ quản trị CSDL không gian ......................................................... 30
1.3. Kết chương ............................................................................................ 31
CHƯƠNG 2: MỘT SỐ THUẬT TOÁN ỨNG DỤNG TRONG CSDL ẢNH
VIỄN THÁM ................................................................................................... 32
2.1. Nâng cao chất lượng ảnh viễn thám ....................................................... 32
2.1.1. Biến đổi độ tương phản ................................................................... 33
2.1.2. Tăng cường độ tương phản theo tuyến ............................................ 34
2.1.3 Làm biến đối màu sắc, mật độ và cường độ màu trên ảnh ............... 36
2.1.4. Kỹ thuật tăng cường đường gờ. ...................................................... 37
2.1.5. Kỹ thuật ghép nối ảnh số. ............................................................... 40
2.1.6. Thiết lập hình ảnh tổng hợp nổi. ..................................................... 42
2.1.7. Kỹ thuật chiết tách thông tin. .......................................................... 42
2.2. Nắn chỉnh và tham chiếu địa lý ảnh viễn thám. ...................................... 49
2.2.1.Thu thập và tiền xử lý dữ liệu bản đồ véctơ ..................................... 49
2.2.2. Nắn chỉnh dữ liệu bản đồ ................................................................ 56
2.2.3. Đơn giản hóa dữ liệu không gian .................................................... 63
2.2.4. Chồng ghép bản đồ ......................................................................... 64
2.2.5.Một số thuật toán minh họa.............................................................. 69
2.3. Kết chương ............................................................................................ 73
CHƯƠNG 3: THỬ NGHIỆM ......................................................................... 74
3.1. Lựa chọn bài toán xây dựng chương trình thử nghiệm: .......................... 74
3.2. Thu thập dữ liệu thử nghiệm .................................................................. 74
3.3. Phát triển chương trình thử nghiệm........................................................ 77
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www. lrc.tnu.edu.vn
iv
3.4. Đánh giá kết quả thu được ..................................................................... 84
3.5. Kết chương.............................................................................................. 85
KẾT LUẬN ...................................................................................................... 86
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 87
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www. lrc.tnu.edu.vn
v
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Tiến trình viễn thám............................................................................ 3
Hình 1.2. Các vector điện (E) và từ (M) của sóng điện từ ................................... 4
Hình 1.3. Phổ điện từ.......................................................................................... 5
Hình 1.4. Cửa sổ khí quyển ................................................................................ 8
Hình 1.5. Bức xạ tương tác với mặt Trái đất ....................................................... 9
Hình 1.6. Phản xạ toàn phần và phản xạ khuyếch tán ......................................... 9
Hình 1.7. Đáp ứng phổ của lá cây đối với bước sóng nhìn thấy và hồng ngoại . 10
Hình 1.8. Đáp ứng phổ của nước đối với bước sóng nhìn thấy và hồng ngoại .. 10
Hình 1.9. Đường cong đáp ứng phổ của thực vật, đất và nước.......................... 10
Hình 1.10. Ảnh Landsat và bản đồ sử dụng đất tỉnh Hòa Bình (11/2000) ......... 18
Hình 1.11: Cấu trúc vector và raster ................................................................. 27
Hình 2.1. Ảnh nguyên thuỷ và ảnh tăng cường độ tương phản. ........................ 35
Hình 2.2. Sơ đồ thể hiện kỹ thuật làm tăng độ tương phản không theo tuyến, chú
ý các đoạn dốc là khoảng được tăng cường. ..................................................... 35
Hình 2.3. Liên hệ giữa hai hệ thống RGB và HIS ............................................. 37
Hình 2.4. Lọc đường biên không theo hướng sử dụng filter laplacian............... 38
Hình 2.5. Ảnh lọc không theo hướng và lọc theo hướng từ ảnh ........................ 40
Landsat và bản đồ phân tích lineament. ............................................................ 40
Hình 2.6. Cửa lọc kenel và kết quả lọc. ........................................................... 41
Hình 2.7. Các dạng mạng lưới thuỷ văn căn bản .............................................. 43
Hình 2.8. Phương pháp biến đổi thành phần chính dùng để tạo ảnh thành phần
chính (PC) cho 6 band của LANDSAT. ........................................................... 44
Hình 2.9. Nguyên tắc phân loại ảnh đa phổ. ..................................................... 47
Hình 2.10. Sơ đồ mô tả sự phân loại đa phổ ..................................................... 47
Hình 2.11. Chuyển đổ tam giác trên bản đồ sang tam giác trên thực địa ........... 60
Hình 2.12 Điểm tam giác được chuyển trực tiếp từ bản đồ sang thực địa. ........ 61
Hình 2.13. Các điểm bên trong trong bản đồ được chiếu từ một đỉnh đến cạnh
đối diện, và sau đó hai hình chiếu được tính toán cho tam giác trong khảo sát
bằng cách áp dụng một tỷ lệ đơn giản............................................................... 62
Hình 2.14 Các điểm trên bản đồ được chuyển đến trung tâm của hình tam giác
trong thực tế. .................................................................................................... 62
Hình 2.15. Minh họa thuật toán Douglas-Peucke.............................................. 64
Hình 2.16. Chồng ghép dữ liệu ......................................................................... 65
Hình 2.17. Chồng ghép đa giác ........................................................................ 66
Hình 2.18. Tiến trình phủ đa giác ..................................................................... 68
Hình 2.19. Đường và đa giác lệch nhau ............................................................ 69
Hình 2.20. Giao của các đoạn thẳng ................................................................. 71
Hình 2.21. Điểm trong đa giác.......................................................................... 72
Hình 2.22. Phương pháp kiểm tra góc .............................................................. 72
Hình 2.23. Diện tích đa giác ............................................................................. 73
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www. lrc.tnu.edu.vn
vi
Hình 3.1. Giao diện chương trình và giao diện chức năng nắn chỉnh bản đồ..... 81
Hình 3.2. Bản đồ địa giới hành chính Tỉnh Thái Nguyên trước (màu đỏ) và sau
khi nắn chỉnh (màu xanh). ................................................................................ 82
Hình 3.3. Bản đồ địa giới Thành phố Thái Nguyên trước khi nắn chỉnh ........... 82
Hình 3.4. Bản đồ địa giới Thành phố Thái Nguyên sau khi nắn chỉnh .............. 83
Hình 3.5. Ảnh được cắt theo địa giới hành chính của Phường Tân Lập ............ 83
Hình 3.6. Ảnh được cắt theo địa giới hành chính của Phường Hoàng Văn Thụ 84
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www. lrc.tnu.edu.vn
1
MỞ ĐẦU
Ngày nay, cùng với sự phát triển các ứng dụng của công nghệ, thuật ngữ
“Viễn Thám” (Remote Sensing) đang được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh
vực khác nhau, đặc biệt là trong các ngành khoa học về trái đất.
Trên thế giới công nghệ viễn thám đã được ứng dụng rộng rãi vào sự phát
triển kinh tế xã hội nói chung. Trong lĩnh vực khoa học công nghệ nói riêng,
công nghệ viễn thám và đã chứng tỏ được tính hiệu quả cả về mặt công nghệ
cũng như kinh tế, đồng thời cũng chứng tỏ được khả năng cung cấp thông tin
độc đáo mà chưa có công nghệ nào có thể thay thế như khả năng cung cấp thông
tin lặp đa thời gian có tính trung thực cao, khả năng cung cấp thông tin trên diện
rộng, có tính bao quát cao, khả năng cung cấp thông tin không bị hạn chế trong
ranh giới lãnh thổ, khả năng cung cấp thông tin phục vụ đa ngành, đa lĩnh vực.
Viễn thám đã có những bước phát triển vượt bậc với những dạng tư liệu mới và
những công nghệ xử lý hết sức đa dạng.
Ở Việt Nam công nghệ viễn thám đã cung cấp rất nhiều số liệu cho các
lĩnh vực như: thiên văn, khí tượng, địa chất, địa lý, hải dương, nông nghiệp, lâm
nghiệp, thủy sản, quân sự, thông tin, hàng không, vũ trụ... trong đó các thuật
toán như: nâng cao chất lượng ảnh viễn thám, nắn chỉnh ảnh, xếp chồng bản đồ
được sử dụng trong cơ sở dữ liệu (CSDL) ảnh viễn thám. Xuất phát từ vấn đề
thực tiễn trên, tôi lựa chọn đề tài: “Một số kỹ thuật ứng dụng trong xây dựng
Cơ sở dữ liệu viễn thám”.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng: Thuật toán trong CSDL ảnh viễn thám.
Phạm vi: Một số thuật toán ứng dựng trong CSDL ảnh viễn thám.
Những nội dung nghiên cứu chính:
Chương 1: Khái quát về ảnh viễn thám và cơ sở dữ liệu ảnh viễn thám
Chương 2: Một số thuật toán ứng dụng trong cơ sở dữ liệu ảnh viễn thám
Chương 3: Thử nghiệm
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www. lrc.tnu.edu.vn
2
CHƯƠNG I: KHÁI QUÁT VỀ ẢNH VIỄN THÁM
VÀ CSDL ẢNH VIỄN THÁM
1.1. Khát quát về ảnh viễn thám
1.1.1. Khái niệm về ảnh viễn thám
Viễn thám được định nghĩa là khoa học nghiên cứu các phương pháp thu
thập, đo lường và phân tích thông tin của vật thể quan sát mà không cần tiếp
xúc trực tiếp với chúng.
Thuật ngữ viễn thám được sử dụng đầu tiên ở Mỹ vào năm 1960, bao gồm
tất cả các lĩnh vực như không ảnh, giải đoán ảnh, địa chất ảnh…
Về bản chất, do các tính chất của vật thể có thể được xác định thông qua
năng lượng bức xạ hay phản xạ từ vật thể nên viễn thám là một công nghệ nhằm
xác định và nhận biết đối tượng hoặc các điều kiện môi trường thông qua những
đặc trưng riêng về sự phản xạ và bức xạ.
Theo các định nghĩa trong [CAN][KER] thì viễn thám (Remote Sensing)
được hiểu như một khoa học, nghệ thuật thu nhận thông tin về đối tượng, khu
vực hay hiện tượng trên bề mặt Trái đất mà không tiếp xúc trực tiếp với chúng.
Công việc này được thực hiện bởi cảm nhận (sensing) và lưu trữ các năng lượng
phản xạ hay được phát ra từ các đối tượng nghiên cứu. Sau đó, các thông tin này
được phân tích, xử lý và ứng dụng các thông tin này vào nhiều lĩnh vực khác nhau.
1.1.2 Nguyên lý hoạt động của ảnh viễn thám
Tiến trình viễn thám bao gồm nhiều công đoạn, trong đó có tương tác giữa
bức xạ và đối tượng nghiên cứu. Khái niệm đối tượng nghiên cứu trong tài liệu
này được hiểu là các đối tượng, khu vực hay hiện tượng nào đó trên bề mặt Trái
đất mà con người muốn thu thập thông tin về nó. Trên hình 1.1 là mô tả vắn tắt
bảy thành phần của hệ thống thu ảnh viễn thám [CAN].
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www. lrc.tnu.edu.vn
3
CCRS
©
Hình 1.1. Tiến trình viễn thám
Nguồn năng lượng hay nguồn sáng (A): Yêu cầu đầu tiên của viễn thám
là phải có nguồn năng lượng để chiếu sáng hay cung cấp năng lượng điện từ đến
đối tượng nghiên cứu.
Bức xạ và khí quyển (B): Vì năng lượng đi từ nguồn tới đối tượng đích
cho nên nó tiếp xúc và đi qua khí quyển. Việc tương tác này còn xảy ra lần nữa
khi năng lượng đi từ đối tượng đích tới cảm biến (sensor).
Tương tác với đối tượng đích (C): Sau khi năng lượng được truyền qua
khí khuyển nó sẽ tương tác với đối tượng đích. Cách thức tương tác của chúng
phụ thuộc vào tính chất của đối tượng đích và bức xạ.
Thu nhận năng lượng bằng đầu cảm biến (D): Sau khi năng lượng bị
đối tượng đích truyền đi hay phân tán (scattered), đầu cảm biến sẽ thu nhận
(không tiếp xúc) và lưu trữ bức xạ điện từ.
Truyền, nhận và xử lý năng lượng (E): Năng lượng được cảm nhận bởi
Sensor sẽ được truyền đi, thông thường dưới dạng điện tử, đến trạm thu và xử
lý, nơi mà dữ liệu được xử lý thành ảnh (dưới dạng hard-copy hay dạng số).
Diễn giải và phân tích (F): Ảnh được diễn giải bằng trực giác hay hệ
thống số để trích chọn các thông tin về đối tượng nghiên cứu.
Ứng dụng (G): Phần tử cuối cùng của tiến trình viễn thám là áp dụng các
thông tin vừa trích chọn từ ảnh về đối tượng nghiên cứu để hiểu rõ hơn về nó,
làm nổi lên các thông tin mới hay hỗ trợ giải quyết một số vấn đề cụ thể.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www. lrc.tnu.edu.vn
4
Năng lượng điện từ
Viễn thám phụ thuộc vào việc đo đạc nguồn năng lượng dưới dạng bức xạ
điện từ (Electromagnetic – EM). Nguồn năng lượng EM quan trọng nhất là Mặt
trời, nó cung cấp ánh sáng nhìn thấy, tia cực tím hay nhiệt độ. Thực tế có nhiều
sensor của vệ tinh đo ánh sáng phản xạ của Mặt trời. Ngoài ra, có một số sensor
với khả năng đo được năng lượng truyền bởi chính Trái đất hay năng lượng của
chính nó.
Bức xạ EM bao gồm trường điện (E) và trường từ (M). Chúng vuông góc
với nhau (hình 1.2). Hai trường này dao động vuông góc với hướng truyền đi
của sóng (bức xạ). Cả hai lan truyền trong không gian với tốc độ ánh sáng (C)
xấp xỉ 299.799.000 m/s.
Hình 1.2. Các vector điện (E) và từ (M) của sóng điện từ
Hai đặc tính quan trọng của sóng điện từ để hiểu được viễn thám là bước
sóng () và tần số (v). Bước sóng và tần số có quan hệ như sau:
c=v
trong đó, - bước sóng (m), v- tần số (Hz) và c- tốc độ ánh sáng
Phổ điện từ
Phổ của sóng điện từ là dải bức xạ điện từ liên tục từ tia gama (bước sóng
ngắn nhất) đến sóng radio (bước sóng dài nhất) như trên hình 2.3.
Có nhiều vùng của phổ điện từ được sử dụng trong viễn thám, ví dụ vùng
tia cực tím (Ultraviolet - UV). Đá, khoáng... trên mặt Trái đất phát ánh sáng nhìn
thấy khi chúng được chiếu bức xạ UV.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www. lrc.tnu.edu.vn
5
Hình 1.3. Phổ điện từ
Mắt người chỉ có thể nhận biết được phần phổ nhìn thấy, có bước sóng từ
0.4m đến 0.7m. Còn nhiều sóng điện từ xung quanh chúng ta mà nó không
được phân biệt bởi mắt người nhưng nó có thể được nhận biết bằng các thiết bị
viễn thám. Bước sóng nhìn thấy dài nhất là đỏ và ngắn nhất là tím. Bước sóng
của một số màu cơ bản như sau:
Violet: 0.4-0.446 m
Blue: 0.4446-0.500 m
Green: 0.500-0.578 m
Yellow: 0.578-0.592 m
Orange: 0.592-0.620 m
Red: 0.620-0.700 m
Các màu Red, Green và Blue là các màu cơ bản của phổ nhìn thấy. Bất kỳ
một màu nào khác đều có thể được tạo bởi tổ hợp của ba màu cơ bản này và bất
kỳ màu nào trong ba mầu cơ bản này đều không thể tạo bởi hai màu kia. Chú ý
rằng chỉ một phần rất nhỏ của dải phổ điện từ là kết hợp với khái niệm màu.
Phần phổ điện từ quan tâm khác là vùng tia hồng ngoại (Infrared-IR), có
bước sóng từ 0.7m đến 100m. Vùng này chia làm hai nhóm, nhóm thứ nhất
gọi là tia hồng ngoại phản xạ (Reflected IR), có bước sóng từ 0.7m đến 3.0m
và vùng tia hồng ngoại nhiệt (Thermal IR), có bước sóng từ 3.0m đến 100m.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www. lrc.tnu.edu.vn
6
Bức xạ trong vùng tia hồng ngoại phản xạ được sử dụng trong viễn thám theo
cách tương tự bức xạ trong vùng nhìn thấy. Bức xạ trong vùng tia hồng ngoại
nhiệt được sử dụng khác hẳn hai vùng nói trên, trong đó, năng lượng được phát
đi từ bề mặt Trái đất dưới dạng nhiệt.
Phần phổ mới được quan tâm trong viễn thám là vùng vi sóng
(microwave), có bước sóng từ 1mm đến 1m. Đây là bước sóng dài nhất được sử
dụng trong viễn thám. Khoảng sóng ngắn hơn của vùng này được sử dụng tương
tự vùng hồng ngoại nhiệt, trong khi khoảng sóng dài hơn được sử dụng để phát
sóng radio.
Tương tác giữa bức xạ và khí quyển
Trước khi bức xạ đến bề mặt Trái đất thì nó phải đi qua khí quyến Trái
đất. Các hạt và khí (gas) trong khí quyển ảnh hưởng đến ánh sáng và bức xạ đi
qua nó. Ngoài hơi nước, gas trong khí quyển bao gồm các thành phần chính sau:
Nitrogen (N2) 78.084%
Oxygen (O2) 20.946%
Argon (Ar) 0.934%
Carbon dioxide (CO2) 0.0383 %
Neon (Ne) 0.001818 %
Helium (He) 0.000524 %
Methane (CH4) 0.0001745 %
Krypton (Kr) 0.000114%
Hydrogen (H2) 0.000055 %
Ảnh hưởng này được gây ra bởi cơ chế tán xạ (scattering) hay hấp thụ
(absorption).
Tán xạ xảy ra khi các thành phần của khí quyển tác động lên bức xạ điện
từ làm cho nó đổi hướng chuyển động so với hướng ban đầu. Tán xạ phụ thuộc
vào nhiều yếu tố, bao gồm, bước sóng bức xạ, mức độ đậm đặc của hạt và gas và
khoảng cách mà bức xạ đi qua khí quyển. Có ba loại tán xạ sau đây:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www. lrc.tnu.edu.vn
7
Tán xạ Rayleigh: Tán xạ này xảy ra khi hạt trong khí quyển nhỏ hơn nhiều
so với bước sóng bức xạ. Với tán xạ Rayleigh, năng lượng có sóng ngắn sẽ tán
xạ nhiều hơn năng lượng có sóng dài. Ban ngày bầu trời có màu Blue vì hiện
tượng này. Ánh sáng Mặt trời đi qua khí quyển, các bước sóng ngắn (màu Blue)
của phổ nhìn thấy sẽ tán xạ nhiều hơn so với các bước sóng nhìn thấy khác. Vào
thời điểm Mặt trời mọc và Mặt trời lặn, các tia sáng phải truyền trong khoảng xa
hơn trong khí quyển so với giữa trưa. Tán xạ của các bước sóng ngắn kết thúc,
một phần nhỏ của tia sáng với bước sóng dài hơn (Red và Magenta) được tán xạ.
Hiện tượng tán xạ này là nguyên nhân gây ra sương mù, làm giảm độ nét trên
ảnh viễn thám. Với ảnh màu, sẽ xuất hiện màu xanh lơ trên toàn ảnh. Do vậy,
trước ống kính chụp, người ta thường đặt tấm lọc để ngăn chặn các tia sáng có
bước sóng ngắn vào ảnh. Tấm lọc đó được gọi là lọc sương mù.
Tán xạ Mie: Xảy ra khi các hạt trong khí quyển có cùng kích thước với
bước sóng của bức xạ. Bụi, phấn, hơi nước và khói có đường kính từ 5-100m
là nguyên nhân của tán xạ Mie. Tán xạ này xảy khi bức xạ đi qua khí quyển và
có bước sóng dài hơn so với tán xạ Rayleigh. Tán xạ này là nguyên nhân thấy
màu trắng khi trong khí quyển có mây.
Tán xạ không lựa chọn (nonselective): Xảy ra khi các hạt trong khí quyển
có đường kính lớn hơn bước sóng bức xạ. Giọt nước nhỏ và hạt bụi lớn là
nguyên nhân của loại tán xạ này. Tất cả các bước sóng của bức xạ đều tán xạ
như nhau, do vậy có tên là tán xạ không lựa chọn. Tán xạ này là nguyên nhân
nhìn thấy sương mù và mây có màu trắng vì các màu cơ bản Red, Green và Blue
đều tán xạ gần như nhau.
Hấp thụ: Ngược lại với tán xạ, hiện tượng hấp thụ là nguyên nhân các
phân tử trong không khí hấp thụ năng lượng với các bước sóng khác nhau.
Ozone (O3), carbon dioxide (CO2) và hơi nước (H2O) là nguyên nhân gây ra hấp
thụ bức xạ. Ozone hấp thụ bức xạ cực tím từ Mặt trời. Nó bảo vệ da người khỏi
bị cháy dưới ánh nắng Mặt trời. Carbon dioxide (còn gọi là khí nhà kính) hấp
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www. lrc.tnu.edu.vn
8
thụ bức xạ mạnh hơn trong phần cao của tia cực tím trong dải phổ. Nó ngăn
chặn Trái đất nóng lên. Hơi nước trong không khí hấp thụ phần sóng ngắn của
tia cực tím và phần sóng dài của vi sóng (22m – 1m).
Các vùng sóng trong dải phổ điện từ mà ở đó bức xạ bị hấp thụ ít nhất và
được truyền đi nhiều nhất thì gọi là cửa sổ khí quyển (atmospheric windows).
Chỉ những vùng có bước sóng ngoài băng tần hấp thụ của các thành phần khí
quyển thì mới sử dụng trong viễn thám. Cửa sổ khí quyển bao gồm (hình 1.4):
Hình 1.4. Cửa sổ khí quyển
Một cửa sổ trong vùng nhìn thấy hoặc tia cực tím phản xạ với bước
sóng 0.4-2m là nơi sensor quang học hoạt động.
Ba cửa sổ trong vùng tia hồng ngoại nhiệt: Hai cửa sổ hẹp, khoảng từ
3-5m và cửa sổ thứ ba tương đối rộng, từ 8-14m.
Một cửa sổ lớn ở vùng vi sóng, ngoài 1mm.
Tương tác giữa bức xạ và đích
Bức xạ không bị hấp thụ hay tán xạ trong không khí sẽ tương tác với bề
mặt Trái đất. Toàn bộ năng lượng sẽ tương tác với bề mặt theo một trong ba
cách thức như sau: Hấp thụ (A-Absorption), Truyền qua (T-Transmission) và
Phản xạ (R-Reflection) như trên hình 1.5.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www. lrc.tnu.edu.vn
9
Hình 1.5. Bức xạ tương tác với mặt Trái đất
Trong viễn thám, việc đo bức xạ phản xạ từ các đối tượng đích là được
quan tâm nhất. Sau đây là ví dụ hai loại phản xạ: Phản xạ toàn phần (Specular
reflection) và phản xạ khuếch tán (Diffuse reflection) như trên hình 1.6.
Hình 1.6. Phản xạ toàn phần và phản xạ khuyếch tán
Khi bề mặt trơn tru, ta có phản xạ toàn phần. Nói cách khác, toàn bộ năng
lượng sẽ phản xạ ra khỏi bề mặt theo cùng một hướng. Phản xạ khuếch tán xảy
ra khi bề mặt thô và năng lượng phản xạ theo nhiều hướng.Phần lớn bề mặt Trái
đất là ở giữa biên phản xạ toàn phần và phản xạ khuếch tán hoàn toàn. Loại phản
xạ phụ thuộc vào độ thô của đặc trưng so với bước sóng của bức xạ. Nếu bước
sóng nhỏ hơn sự biến đổi bề mặt hay kích thước hạt tạo nên bề mặt thì phản xạ
khuếch tán chiếm ưu thế. Ví dụ, với cát mịn được xem như trơn tru so với bước
sóng microwave nhưng lại khá thô so với bước sóng nhìn thấy.
Ví dụ ta có bức xạ với bước sóng nhìn thấy và hồng ngoại đi đến lá và
nước trên bề mặt Trái đất.
Lá cây: Chất diệp lục (chlorophyll) trong lá cây hấp thụ bức xạ với bước
sóng Red và Blue và phản xạ bước sóng Green. Lá cây có khả năng phản xạ rất
mạnh bức xạ ở vùng hồng ngoại phản xạ. Ở vùng hồng ngoại nhiệt và vi sóng,
khả năng phản xạ của lá cây giảm đi rõ rệt (hình 1.7).
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www. lrc.tnu.edu.vn
10
Hình 1.7. Đáp ứng phổ của lá cây đối với bước sóng nhìn thấy và hồng ngoại
Nước: Bức xạ có bước sóng nhìn thấy dài hơn và cận hồng ngoại bị nước
hấp thụ nhiều hơn so với bước sóng nhìn thấy ngắn hơn. Vậy, nước nhìn thấy
màu blue hay blue-green vì nó phản xạ mạnh tại sóng ngắn hơn và tối hơn khi
quan sát tại bước sóng red hay cận hồng ngoại. Nếu tính chất của nước (độ đục,
trong, mặn, sâu...) thay đổi làm phổ của chúng cũng thay đổi. Hình 1.8 mô tả
đáp ứng phổ của nước và trầm tích (sediment) đối với bước sóng nhìn thấy và
bước sóng hồng ngoại.
Hình 1.8. Đáp ứng phổ của nước đối với bước sóng nhìn thấy và hồng ngoại
Hình 1.9 là đồ thị đường cong phổ của thực vật, đất và nước. Hình dạng
đường cong phổ phụ thuộc vào dải sóng năng lượng mà ở đó được thiết bị viễn
thám ghi lại và phụ thuộc vào tính chất của đối tượng đích trên mặt Trái đất.
Hình 1.9. Đường cong đáp ứng phổ của thực vật, đất và nước
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www. lrc.tnu.edu.vn
11
Đáp ứng phổ là thông tin quan trọng trong viễn thám. Ta có thể phân tích,
nhận dạng đối tượng trên bề mặt Trái đất thông qua đáp ứng phổ của chúng.
Như trình bày trên đây, Mặt trời được xem như nguồn năng lượng hay
bức xạ của viễn thám. Năng lượng mặt trời hoặc là phản xạ (ví dụ bước sóng
nhìn thấy) hay bị hấp thụ và truyền trả lại (ví dụ bước sóng hồng ngoại nhiệt).
Bộ cảm nhận trong hệ thống viễn thám này gọi là bộ cảm nhận thụ động
(Passive Sensors). Mặt khác, hệ thống viễn thám có thể có bộ cảm nhận tích cực
(Active Sensors), chính nó cung cấp nguồn năng lượng hay chiếu sáng. Bộ cảm
nhận tích cực được ứng dụng vào bất kỳ thời điểm nào trong ngày, mùa. Nó có
thể được sử dụng với bước sóng dài (ví dụ vi sóng) mà năng lượng mặt trời
không đáp ứng.
1.1.3. Ứng dụng của ảnh viễn thám trong việc quản lý tài nguyên, thiên nhiên
và môi trường.
Trong các hệ thống viễn thám, mỗi loại cảm biến được thiết kế cho một
mục đích riêng, ví dụ cảm biến quang học được thiết kế dành cho việc thu thập
các băng phổ. Mỗi ứng dụng bản thân nó có những yêu cầu riêng, như độ phân
dải phổ, phân dải không gian, phân dải thời gian. Thông thường phải sử dụng
nhiều cảm biến mới đáp ứng mọi yêu cầu của một ứng dụng.
Sau đây là ứng dụng ảnh viễn thám trong một vài lĩnh vực khác nhau.
Nông nghiệp
Nông nghiệp đóng vai trò chủ đạo trong nền kinh tế của cả các nước phát
triển và đang phát triển. Những công cụ này sẽ giúp người nông dân hiểu được
tình trạng mùa màng của mình, mức độ phá hoại hoặc thiệt hại nghiêm trọng,
hoặc năng suất tiềm năng và điều kiện đất đai.
Ảnh vệ tinh được sử dụng làm công cụ lập bản đồ phân loại cây trồng,
kiểm tra sức khỏe và khả năng tồn tại của chúng, và giám sát hoạt động nông
nghiệp. Các ứng dụng về nông nghiệp của viễn thám bao gồm:
Phân lớp các loại cây trồng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www. lrc.tnu.edu.vn
12
Đánh giá các điều kiện cây trồng
Ước tính năng suất mùa vụ
Lập bản đồ các đặc tính của đất trồng
Lập bản đồ quản lý đất đai
Giám sát (các hoạt động nông nghiệp)
Lập bản đồ các loại cây trồng
Việc xác định và lập bản đồ cây trồng là quan trọng. Nó phục vụ mục đích
dự báo nguồn cung cấp lương thực (sản lượng dự báo), thu thập thống kê sản
lượng mùa màng, tạo điều kiện lưu lại luân canh mùa vụ, lập bản đồ năng suất
đất, xác định các yếu tố ảnh hưởng đến cây trồng, đánh giá thiệt hại cây trồng do
bão và hạn hán, và giám sát hoạt động nông nghiệp.
Giám sát cây trồng và đánh giá thiệt hại
Đánh giá về tình trạng của cây trồng, cũng như phát hiện sớm hư hại cây
trồng, đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo tốt năng suất nông nghiệp.
Những yếu tố gây hại liên quan, ví dụ, thiếu độ ẩm, côn trùng, nấm và cỏ dại
phá hoại, phải được phát hiện sớm để cung cấp cơ hội cho nông dân giảm thiểu
thiệt hại.
Lâm nghiệp
Các ứng dụng lâm nghiệp của viễn thám có thể được sử dụng bao gồm
phát triển bền vững, đa dạng sinh học, gán nhãn và sở hữu đất đai (địa chính),
theo dõi nạn phá rừng, theo dõi và quản lý tái trồng rừng, hoạt động khai thác gỗ
thương mại, bảo vệ rừng bờ biển và rừng đầu nguồn, theo dõi lý sinh (đánh giá
môi trường sống của động vật hoang dã), và các vấn đề khác liên quan đến
môi trường.
Thông tin về độ bao phủ của rừng rất có giá trị cho các nước đang phát
triển có hiểu biết trước đây hạn chế về tài nguyên lâm nghiệp của họ. Nó bao
gồm việc lập bản đồ và theo dõi, nhất là rừng ven biển và rừng đầu nguồn để
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www. lrc.tnu.edu.vn
13
bảo vệ, giám sát các hoạt động chặt phá và trồng rừng, và lập bản đồ về cháy
rừng, đốt rừng. Các ứng dụng viễn thám trong lâm nghiệp bao gồm:
Lập bản đồ khảo sát: Mục tiêu để đáp ứng yêu cầu của các tổ chức
lâm nghiệp/môi trường quốc gia bao gồm cập nhật độ che phủ của rừng, theo dõi
sự suy giảm, và đo những đặc tính lý sinh của rừng, lập bản đồ phân biệt các
kiểu che phủ rừng và lập bản đồ nông lâm.
Lâm nghiệp thương mại: kiểm kê, lập bản đồ bao gồm: Lập bản đồ
chặt phá rừng / đánh giá tái sinh rừng; Mô tả các đám cháy rừng; Lập bản đồ hạ
tầng rừng / các thao tác hỗ trợ; Kiểm kê rừng; Ước lượng sinh khối; Thống kê
các loài
Giám sát môi trường: Các hoạt động bảo tồn có liên quan với giám
sát số lượng, tình trạng và sự đa dạng của rừng trên Trái đất. Bao gồm, Phá rừng
(rừng nhiệt đới, rừng ngập mặn); Thống kê loài; Bảo vệ rừng đầu nguồn; Bảo vệ
rừng bờ biển (rừng ngập mặn); Tình trạng rừng.
Lập bản đồ chặt phá rừng
Viễn thám tập hợp rất nhiều công cụ để phân tích tốt hơn phạm vi và quy
mô của vấn nạn phá rừng. Dữ liệu đa thời gian cung cấp cho các phân tích phát
hiện sự thay đổi. Hình ảnh của những năm trước đó được so sánh với những
hình ảnh gần đây, để đo sự khác biệt hữu hình quy mô và mức độ của việc phá
rừng hoặc mất rừng. Dữ liệu từ nhiều nguồn khác nhau được sử dụng để cung
cấp thông tin bổ sung.
Nhận dạng loài và xác định kiểu che phủ
Viễn thám cung cấp một phương tiện nhanh chóng xác định và khoanh
định các loại rừng khác nhau, một nhiệm vụ sẽ khó khăn và mất thời gian nếu sử
dụng sự khảo sát trên mặt đất theo truyền thống. Dữ liệu có sẵn tại nhiều mức độ
khác nhau và độ phân giải để đáp ứng yêu cầu mang tính địa phương hoặc khu
vực. Xác định loài trên quy mô lớn có thể được thực hiện với dữ liệu đa phổ,
siêu phổ hoặc không ảnh, trong khi việc mô tả kiểu che phủ trên quy mô nhỏ có
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www. lrc.tnu.edu.vn
14
thể được thực hiện bởi radar hoặc dữ liệu đa phổ. Cả hình ảnh và các thông tin
trích rút có thể được kết hợp vào GIS để phân tích sâu thêm hay trình bày với dữ
liệu phụ trợ, chẳng hạn như sườn, ranh giới quyền sở hữu, hay đường bộ.
Hình ảnh siêu phổ có thể cung cấp độ phân giải rất cao trong khi thu dữ
liệu có độ phân giải bức xạ rất tốt. Kiểu thông tin phổ chi tiết này có thể được sử
dụng để tạo ký hiệu phổ của các loài thực vật và những điểm nhấn nhất định (ví
dụ như nhiễm) trên cây. Dữ liệu siêu phổ cung cấp cái nhìn duy nhất về độ che
phủ của rừng, chỉ có được thông qua công nghệ viễn thám.
Yêu cầu dữ liệu phụ thuộc vào quy mô của nghiên cứu được tiến hành.
Đối với việc lập bản đồ khảo sát ở mức khu vực, vùng che phủ vừa phải, với
một cảm biến nhạy cảm với sự khác biệt về độ che phủ rừng (cấu tạo tán, mật độ
lá, phản xạ phổ) là cần thiết. Các tập dữ liệu đa phổ cũng đóng góp thông tin về
thực vật khí hậu mà có thể giúp đọc thông tin bằng cách kết hợp những thay đổi
theo mùa của các loài khác nhau.
Để nhận dạng các loài chi tiết liên quan đến phân tích các khu vực rừng,
bắt buộc có dữ liệu đa phổ có độ phân giải rất cao. Khả năng có thể xem những
hình ảnh trong máy stereo giúp việc phân định và đánh giá mật độ, chiều cao
cây và loài. Nói chung, theo dõi đặc tính lý sinh của rừng yêu cầu thông tin đa
phổ và dữ liệu được tinh chỉnh.
Lập bản đồ cháy rừng
Viễn thám có thể được sử dụng để phát hiện và theo dõi cháy rừng và tái
sinh rừng sau đám cháy. Như một công cụ giám sát, cảm biến thường xuyên tạo
điều kiện cho quan sát các khu vực xa xôi và không thể tiếp cận, cảnh báo các
cơ quan giám sát sự xuất hiện và mức độ hỏa hoạn. Dữ liệu nhiệt NOAA
AVHRR và dữ liệu khí tượng GOES có thể được sử dụng để phân định các đám
cháy đang hoạt động và các “điểm nóng” còn lại khi các bộ cảm biến quang học
bị cản trở bởi khói, mù, và / hoặc bóng tối. Việc so sánh các khu vực đã bị cháy
với các khu vực đám cháy đang hoạt động cung cấp thông tin như tốc độ và
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www. lrc.tnu.edu.vn
15
hướng chuyển động của lửa. Dữ liệu viễn thám cũng có thể tạo thuận lợi cho
việc định tuyến cho cả việc truy cập vào và thoát ra khỏi một đám cháy, và hỗ
trợ lập kế hoạch hậu cần cho chữa cháy và xác định các khu vực phục hồi không
thành công sau đám cháy.
Trong khi dữ liệu nhiệt là tốt nhất cho việc phát hiện và lập bản đồ các
đám cháy đang diễn ra, dữ liệu đa phổ (quang học và cận hồng ngoại) được ưa
thích cho việc quan sát các giai đoạn phát triển và thực vật khí hậu học trong
khu vực bị cháy trước đây. Độ tuổi và diện tích tương đối từ các khu vực bị cháy
có thể được xác định và khoanh định, và tình trạng của thực vật tiếp theo được
đánh giá và theo dõi. Việc lập bản đồ cháy yêu cầu sự che phủ không gian trung
bình, độ phân giải cao đến trung bình và thời gian xoay vòng thấp. Mặt khác,
phát hiện cháy và giám sát yêu cầu sự che phủ không gian lớn, độ phân giải
trung bình và thời gian xoay vòng rất nhanh để tạo điều kiện cho sự đáp ứng.
Địa chất học
Địa chất học gồm những vấn đề nghiên cứu về địa mạo, cấu trúc và dưới
bề mặt, để hiểu được các quá trình vật lý tạo ra thay đổi ở vỏ trái đất. Nó thường
được hiểu như thăm dò và khai thác tài nguyên khoáng sản. Dầu thô cung cấp
khí đốt và dầu khí cho phương tiện giao thông, tổng hợp và khai thác đá vôi (cát,
sỏi) cung cấp nguyên liệu làm bê tông để lát và xây dựng, khai thác kali để cho
phân bón, khai thác than để sản xuất năng lượng, kim loại quý và đá quý cho đồ
trang sức, kim cương cho các mũi khoan, đồng, kẽm và các loại khoáng chất cho
các mục đích sử dụng khác. Địa chất cũng bao gồm việc nghiên cứu sự nguy
hiểm tiềm tàng như núi lửa, lở đất, và động đất, và đó là một yếu tố quan trọng
cho các nghiên cứu địa kỹ thuật liên quan đến xây dựng và kỹ thuật. Các nghiên
cứu địa chất không chỉ giới hạn đối với trái đất – viễn thám đã được sử dụng để
kiểm tra thành phần và cấu trúc các hành tinh khác và mặt trăng.
Viễn thám được sử dụng như một công cụ để trích xuất thông tin về cấu
trúc, thành phần bề mặt đất hoặc lớp dưới bề mặt, nhưng thường được kết hợp
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www. lrc.tnu.edu.vn
16
với nguồn dữ liệu khác cung cấp các phép đo bổ sung. Dữ liệu đa phổ có thể
cung cấp thông tin về thạch học hoặc thành phần đá dựa trên phản xạ phổ. Radar
cung cấp thể hiện của bề mặt địa hình và độ gồ ghề, và do đó là cực kỳ có giá trị,
đặc biệt là khi tích hợp với một nguồn dữ liệu khác để cung cấp bổ trợ chi tiết.
Ứng dụng viễn thám trong địa chất bao gồm:
Lập bản đồ khoáng sản bề mặt / nền đá
Lập bản đồ về đá
Lập bản đồ cấu trúc
Thăm dò / khai thác cát, sỏi
Thăm dò khoáng sản
Thăm dò dầu khí
Địa chất môi trường
Thực địa chất học
Cơ sở hạ tầng
Lập bản đồ và theo dõi trầm tích
Lập bản đồ và theo dõi sự kiện
Lập bản đồ mối nguy hiểm địa lý
Lập bản đồ hành tinh
Thủy văn
Thủy văn học là ngành nghiên cứu về nước trên bề mặt trái đất, từ quá
trình chảy trên mặt đất, đóng lại thành băng hay tuyết, hoặc giữ lại trong đất.
Thủy văn vốn liên quan đến nhiều ứng dụng khác của viễn thám, đặc biệt là lâm
nghiệp, nông nghiệp và độ che phủ đất, vì nước là một thành phần quan trọng
trong mỗi ngành đó. Hầu hết các quá trình thủy văn đều là động, không chỉ giữa
năm này với năm khác, mà còn giữa các mùa, do đó đòi hỏi sự quan sát thường
xuyên. Viễn thám cung cấp một cái nhìn khái quát về sự phân bố không gian và
tính động của các hiện tượng thuỷ văn, thường không thể đạt được bằng cách
khảo sát mặt đất truyền thống. Radar mang lại một hướng mới cho hoạt động
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www. lrc.tnu.edu.vn
17
nghiên cứu thuỷ văn với khả năng cảm biến chủ động của mình, cho phép cửa sổ
thời gian của việc thu hình ảnh bao gồm các điều kiện thời tiết xấu hoặc bóng tối
theo mùa hoặc hàng ngày. Ví dụ về các ứng dụng thuỷ văn bao gồm:
Lập bản đồ và giám sát vùng ẩm ướt
Ước tính độ ẩm đất trồng
Theo dõi đóng tuyết / phân định phạm vi
Đo độ dày của tuyết
Xác định sự cân bằng giữa tuyết và nước
Theo dõi sự đóng băng ở sông và hồ
Lập bản đồ và theo dõi lũ lụt
Theo dõi sự hoạt động của sông băng (dâng lên, cắt bỏ)
Phát hiện sự thay đổi của sông / đồng bằng
Lập bản đồ lưu vực thoát nước và mô hình hóa đầu nguồn
Phát hiện rò rỉ ở kênh thủy lợi
Lập lịch thủy lợi
Lớp phủ đất và sử dụng đất
Mặc dù những thuật ngữ lớp phủ đất và sử dụng đất thường được sử dụng
thay thế cho nhau, thực tế chúng có ý nghĩa khá khác biệt. Lớp phủ đất chỉ đến
lớp phủ bề mặt trên mặt đất, cho dù là thực vật, cơ sở hạ tầng đô thị, nước, đất
trống hoặc các loại khác. Xác định, khoanh định và lập bản đồ lớp phủ đất quan
trọng trong việc nghiên cứu theo dõi toàn cầu, quản lý tài nguyên, và các hoạt
động quy hoạch. Xác định lớp phủ đất thiết lập đường cơ sở mà từ đó các hoạt
động giám sát (phát hiện sự thay đổi) có thể được thực hiện, và cung cấp các
thông tin lớp phủ mặt đất cho bản đồ chuyên đề cơ sở.
Sử dụng đất (hình 1.10) đề cập đến mục đích sử dụng đất, ví dụ, giải trí,
môi trường sống của động vật hoang dã, hoặc nông nghiệp. Các ứng dụng sử
dụng đất bao gồm cả lập bản đồ cơ sở và theo dõi tiếp sau, bởi vì thông tin kịp
thời là cần thiết để biết số lượng đất hiện tại trong những cách sử dụng và xác
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www. lrc.tnu.edu.vn
