Nghiên cứu và phát triển phương pháp phân lớp lúa ở đồng bằng sông hồng sử dụng ảnh vệ tinh landsat 8 (tt)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN HOÀNG ANH

NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN PHƯƠNG PHÁP
PHÂN LỚP LÚA Ở ĐỒNG BẰNG SÔNG HỒNG SỬ
DỤNG ẢNH VỆ TINH LANDSAT 8

NGÀNH: CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
CHUYÊN NGÀNH: HỆ THỐNG THÔNG TIN
MÃ SỐ:

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. BÙI QUANG HƯNG
MỤC LỤC


MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đề tài
Lúa nước là một trong những cây trồng quan
trọng nhất trên toàn cầu, chiếm hơn 11% diện
tích đất trồng trọt toàn cầu (Maclean, Instutute et
al.2002), và cung cấp 481 triệu tấn gạo mỗi năm
trên toàn thế giới(FAOSTAST 2010). Đối với sự
phân bố không gian của ruộng lúa là cần thiết để


ước lượng gạo hàng năm sản xuất, sử dụng nước
thủy lợi, tài nguyên nước và quản lý sử dụng đất.

Việc điều tra nông sản chủ yếu dựa vào số
liệu thống kê trên cơ sở lấy mẫu hạn chế thực
hiện tại các cấp cơ sở cho phép ngoại suy để
cung cấp(diện tích, năng suất, sản xuất) dữ liệu
trên huyện , tỉnh và quy mô quốc gia(Sun, huang
et al.2009). Mặc dù điều tra có thể cung cấp các
ước tính thông kê, nhưng dữ liệu không thể cung
cấp thông tin kịp thời. Trong trường hợp của Việt
Nam, số liệu lúa được cung cấp bởi hai nguồn:
là số liệu điều tra hàng năm từ các cơ quan thống
kê(Tổng cục Thống kê- GSo) hoặc chi cục thống
kê – DSO; dữ liệu thống kê kiểm kê đất toàn
quốc với chu kỳ năm năm 1 lần( MPI 2004). Rất
khó để có được theo dõi lúa trên liên tục kịp thời,
điều này rất quan trọng trong việc hiện nay, vì lý
gạo là ảnh hưởng đển quan trọng nhất an ninh,


lương thực, tài nguyên nước, nhưng có thể thay
đổi thường xuyên theo mùa và không gian.
Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu này tập trung vào nghiên cứu và
phát triển các thuật toán phân lớp lúa cho hình
ảnh vệ tinh Landsat 8 tại Đồng bằng châu thổ
Sông Hồng của Việt Nam. Mục đích chính của
việc này là để xây dựng được sự phân bố không
gian các vùng trồng lúa đồng bằng sông Hồng
như thể nào trong khoảng thời gian năm 20132016 và sử dụng phương pháp để kết hợp nguồn
dữ liệu viễn thám khác nhau nhằm nâng cao độ
chính xác việc chiết xuất lúa từ dữ liệu Landsat

8.

PHẦN I, TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
1.1 Giới thiệu về viễn thám


viễn thám là môn khoa học nghiên cứu
việc đo đạc, thu thập thông tin về một đối tượng,
sự vật bằng cách sử dụng thiết bị đo qua tác động
một cách gián tiếp (ví dụ như qua các bước
sóng ánh sáng) với đối tượng nghiên cứu[7].
Viễn thám không chỉ tìm hiểu bề mặt
của Trái Đất hay các hành tinh mà nó còn có thể
thăm dò được cả trong các lớp sâu bên trong các
hành tinh. Trên Trái Đất, người ta có thể sử
dụng máy bay dân dụng, chuyên dụng hay các vệ
tinh nhân tạo để thu phát các ảnh viễn thám[7].
Có hai loại viễn thám chính là viễn thám
thụ động và viễn thám chủ động. Các cảm
biến thụ động thu nhận các bức xạ tự nhiên được
phát ra hoặc được phản xạ từ vật thể hoặc khu
vực xung quanh. Phản xạ ánh sáng mặt trời là
một nguồn phổ biến nhất mà các cảm biến thụ
động thu nhận. Ví dụ, các cảm biến viễn thám
thụ động như phim trong nhiếp ảnh. hồng ngoại,


thiết bị tích hợp sạt và máy đo sóng radio. Thu
nhận dữ liệu chủ động là ghi nhận các bước sóng
điện từ do những nguồn chủ động phát ra, chúng

đi đến đối tượng rồi phản xạ lại sau đó cảm
biến thu nhận tín hiệu. RADAR và LiDAR là
những ví dụ về cảm biến chủ động trong khi đó
có thời gian trễ giữa lúc phát ra và thu nhận sóng
điện từ trong quá trình đo đạc để xác định vị trí,
vận tốc và phương hướng di chuyển của một đối
tượng[7].
•

Cảm biến viễn thám: Cảm biến là các thiết
bị tạo ra ảnh về sự phân bố năng lượng phản
xạ hay phát xạ của các vật thể từ mặt đất theo
những phần nhất định của quang phổ điện
từ[7].
Việc phân loại các cảm biến dựa theo dãi

sóng thu nhận, chức năng hoạt động, cũng có thể
phân loại theo kết cấu.


•

Cảm

biến chia

ra

là cảm

biến

chủ

động và cảm biến bị động
Cảm biến bị động thu nhận bức xạ do vật
thể phản xạ hoặc phát xạ từ nguồn phát tự nhiên
là Mặt Trời. Cảm biến chủ động lại thu năng
lượng do vật thể phản xạ từ một nguồn cung cấp
nhân tạo[1].
1.2 Phân loại ảnh trong viễn thám
•

Ảnh quang học: là loại ảnh được tạo ra bởi
việc thu nhận các bước sóng ánh sáng nhìn
thấy (bước sóng 0.4-0.76 micromet).

•

Ảnh hồng ngoại: là loại ảnh được tạo ra
bởi việc thu nhận các bước sóng hồng
ngoại phát ra từ vật thể (bước sóng 8-14
micromet).

•

Ảnh radar: là loại ảnh được tạo ra bởi việc
thu nhận các bước sóng trong dãi sóng siêu
cao tần (bước sóng lớn hơn 2 cm).

•

Ảnh thu được bằng sóng địa chấn cũng là
một loại ảnh viễn thám.
Ảnh viễn thám có thể được lưu theo

các kênh ảnh đơn (trắng đen) ở dạng số trong
máy tính hoặc các kênh ảnh được tổ hợp (ảnh
màu) hoặc có thể in ra giấy, tùy theo mục đích
người sử dụng.[7]
1.3 Đặt vấn đề và xác định bài toán

Đồng bằng sông Hồng trải rộng từ vĩ độ
21°34´B (huyện Lập Thạch) tới vùng bãi bồi
khoảng 19°5´B (huyện Kim Sơn), từ 105°17´Đ
(huyện Ba Vì) đến 107°7´Đ (trên đảo Cát Bà).
Toàn vùng có diện tích: 15.000 km², chiếm 4,6%
diện tích của cả nước. Phía bắc và đông bắc
là Vùng Đông Bắc (Việt Nam), phía tây và tây
nam là vùng Tây Bắc, phía đông là vịnh Bắc
Bộ và phía nam vùng Bắc Trung Bộ. Đồng bằng
thấp dần từ Tây Bắc xuống Đông Nam, từ các
thềm phù sa cổ 10 - 15m xuống đến các bãi bồi 2


- 4m ở trung tâm rồi các bãi triều hàng ngày còn
ngập
phục vụ một mục đích cụ thể hoặc chỉ là
một lớp thông tin của lớp phủ mặt đất như lớp

PHẦN III: NGHIÊN CỨU VÀ THỰC
NGHIỆM PHÂN LỚP LÚA CHO ĐỒNG
BẰNG SÔNG HỒNG
3.1 Khu vực nghiên cứu và dữ liệu ảnh vệ tinh
3.1.1: Đặc điểm tự nhiên của đồng bằng sông
Hồng
Hình 3.1 Bản đồ vùng đồng bằng sông Hồng
3.1.2 Dữ liệu ảnh vệ tinh
3.2. Dữ liệu phụ trợ
3.2.1. Dữ liệu thống kê tình hình sản xuất lúa.
a,Vụ lúa đông xuân
b, Vụ lúa mùa
3.2.2. Dữ liệu thống kê diện tích sản xuất lúa.


Diện tích sản xuất lúa ở đồng bằng sông
Hồng được thu thập từ nguồn
3.3 Thu thập dữ liệu và tiền xử lý dữ liệu ảnh
Landsat 8
3.3.1 Thu thập ảnh Landsat 8
Hình 3.5. Dữ liệu giải nén của cảnh ảnh 2014045-076 Landsat 8

Hình 3.6 Footprint của một ảnh trên
earthexplorer cung cấp
Thống kê số lượng ảnh từ năm 2013-2016
STT
1
2
3
4

Năm
2013
2014
2015
2016

Số lượng ảnh
61
91
93
92


Hình 3.7

3.3.2.Cắt ảnh
Cắt ảnh landsat 8 theo địa giới của đồng
bằng sông Hồng
Hình 3.8 Ảnh LC81260452014172SC20170227074935
3.3.3 xử lý ảnh mặt nạ mây (CloudMask)

Kết quả đánh giá:
Hình ảnh 3.12: Ảnh LC81260452013105SC20170307115107

3.3.4 Ghép ảnh hoàn thiện tiền xử lý
Hình 3.13 : Hình footprint của landsat 8 trên ĐBSH

b, tiến hành ghép ảnh
3.4 Phương thức phân loại lớp Lúa

Kết quả :
a ,Phân tích đặc tính sinh trưởng của lúa
Một đặc điểm vật lý dùng để phân biệt
giữa lúa và các vùng che phủ khác


Hình 1. Sự thay đổi của các chỉ số thực vật
theo thời gian

Trong đó ρnir, ρred, ρblue, ρswir là chỉ số
của kênh cận hồng ngoại, kênh đỏ, kênh xanh
dương và kênh trung hồng ngoại.


b. Mô tả thuật toán(Thuật toán ngưỡng)
Thuật toán được miêu tả vắn tắt qua sơ đồ khối
sau:

Hình 2. Mô tả thuật toán sử dụng ngưỡng
sau:


Phần IV:Tổng kết



Tham khảo :
[1]An assessment of the effectiveness of
decision

tree

methods

for

land

cover

classification - Mahesh Pal, Paul M. Mather
[2]Mapping rice paddy extent and intensification
in the Vietnamese Mekong River Delta with
dense time stacks of landsat data –Caitlin
Kontgis,Annemarie,Mutlu Ozdogan
[3]Evolution of regional to global paddy rice
mapping methods: A review – Jinwei Dong,
xiangming Xiao
[4]Nghiên cứu các phương pháp sử dụng ảnh
MODIS để phân lớp khu vực trồng lúa tại Đồng


bằng sông Hồng Nguyễn Xuân Đức, Lê Hồng
Quang, Trần Lê Minh Nhật K58CA - Đại học
Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội.
[5] Huete, A., et al, Overview of the radio metricand
biophysical performance of the MODIS vegetation
indices. Remote Sensing of Environment (2002), 83,
Elsevier-USA, pp 195– 213.

[6] />[7] nghiên cứu giải đoán ảnh vệ tinh để lấy
thông tin phù sa ở vùng đbscl- PGS.TS Lê Mạnh
Hùng, TS. Nguyễn Nghĩa Hùng
[8] Kết quả nghiên cứu ứng dụng công nghệ gis
và công nghệ viễn
xuất

thám

vào quản

lúa vùng đồng bằng sông cửu

lý sản
long-

TSKH. Nguyễn Đăng Vỹ
[9] Ứng dụng dữ liệu ảnh modis đa thời gian
trong lập bản đồ diện tích trồng lúa ở tỉnh ninh
bình - Lê Văn Dũng , Lê Phương Thảo -Khoa
Công nghệ Thông tin, Học viện Nông nghiệp Việt
Nam


[10]Ứng dụng dữ liệu viễn thám hồng ngoại
nhiệt Landsat nghiên cứu độ ẩm đất trên cơ sở
chỉ số khô hạn nhiệt đột thực vật
[11] />[12] />[13]

LANDSAT

8

(L8)

DATA

USERS

HANDBOOK- Department of the Interior U.S.
Geological Survey
[14] />