Nghiên cứu khả năng phân loại rừng bằng ảnh viễn thám ở khu rừng thực nghiệm núi luốt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƢỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP

NGUYỄN THỊ HỒNG

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG PHÂN LOẠI RỪNG BẰNG ẢNH
VIỄN THÁM Ở KHU RỪNG THỰC NGHIỆM NÚI LUỐT

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC LÂM NGHIỆP

HÀ NỘI, 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƢỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP

NGUYỄN THỊ HỒNG

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG PHÂN LOẠI RỪNG BẰNG ẢNH
VIỄN THÁM Ở KHU RỪNG THỰC NGHIỆM NÚI LUỐT

Chuyên ngành: Lâm học
Mã số: 60620201

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC LÂM NGHIỆP

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
GS. TS. VƢƠNG VĂN QUỲNH

HÀ NỘI, 2016

i

LỜI CẢM ƠN

Đƣợc sự nhất trí của Ban Giám hiệu, Khoa Đào tạo Sau Đại học Trƣờng
Đại học Lâm nghiệp, đề tài “Nghiên cứu khả năng phân loại rừng bằng ảnh
viễn thám ở khu rừng thực nghiệm núi Luốt” đƣợc thực hiện và hoàn thành
vào tháng 9/2016.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, tập thể cán bộ khoa Công nghệ
Nông lâm thực phẩm Trƣờng Đại học Thành Tây, nơi tôi đang công tác và học
tập đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi về thời gian, chuyên môn khoa học trong quá
trình thực hiện luận văn.
Nhân dịp này tôi cũng xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu, Khoa Đào tạo
Sau Đại học, Viện sinh thái rừng, Thƣ viện trƣờng Đại học Lâm nghiệp, đặc biệt
xin đƣợc bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến GS.TS. Vƣơng Văn Quỳnh ngƣời trực
tiếp hƣớng dẫn khoa học đã giúp đỡ nhiều mặt để luận văn của tôi hoàn thành.
Cuối cùng xin gửi lời cảm ơn sự động viên, giúp đỡ quý báu của gia đình,
bạn bè giúp tôi tự tin trong quá trình thực hiện luận văn.
Xin trân trọng cảm ơn!
Tác giả


ii

MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................... i
MỤC LỤC .......................................................................................................................ii

DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................................. iv
DANH MỤC CÁC HÌNH ............................................................................................... v
ĐẶT VẤN ĐỀ ................................................................................................................. 1
Chƣơng 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ...................................................... 3
1.1. Cơ sở khoa học của phƣơng pháp viễn thám............................................................ 3
1.1.1. Cơ sở vật lý ............................................................................................................ 3
1.1.2. Tƣơng tác giữa các đối tƣợng và đặc trƣng phản xạ phổ của một số đối tƣợng tự
nhiên ................................................................................................................................ 4
1.1.3. Ảnh số viễn thám ................................................................................................... 9
1.1.4. Một số phần mềm thông dụng đƣợc sử dụng trong viễn thám ............................ 13
1.2. Khai thác ảnh vệ tinh và công nghệ xử lý ảnh ....................................................... 18
1.2.1. Trên thế giới ........................................................................................................ 18
1.2.2. Ở Việt Nam.......................................................................................................... 23
Chƣơng 2 MỤC TIÊU - ĐỐI TƢỢNG - NỘI DUNG .................................................. 30
PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................................................................. 30
2.1. Mục đích nghiên cứu .............................................................................................. 30
2.2. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu .......................................................................... 30
2.3. Nội dung nghiên cứu .............................................................................................. 30
2.4. Phƣơng pháp nghiên cứu ........................................................................................ 31
2.4.1. Phƣơng pháp luận ................................................................................................ 31
2.4.2. Phƣơng pháp thu thập và xử lý thông tin trong nghiên cứu ................................ 32
Chƣơng 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ........................................................................... 39
3.1. Rừng thực nghiệm Trƣờng Đại học Lâm nghiệp ................................................... 39


iii

3.2. Lựa chọn tƣ liệu ảnh hiện có ở khu vực nghiên cứu để phân loại trạng thái rừng
cho khu vực Núi Luốt .................................................................................................... 46
3.2.1. Đặc điểm những tƣ liệu ảnh dễ tiếp cận có thể sử dụng để phân loại rừng ở khu

vực nghiên cứu .............................................................................................................. 46
3.2.2. Bộ tiêu chí đánh giá lựa chọn tƣ liệu ảnh dễ tiếp cận cho phân loại rừng ở địa
điểm nghiên cứu ............................................................................................................ 52
3.2.3 Lựa chọn tƣ liệu ảnh vệ tinh cho phân loại rừng .................................................. 56
3.3. Xây dựng chỉ số phản xạ phổ để phân loại rừng trên ảnh vệ tinh .......................... 58
3.3.1. Đặc điểm phản xạ phổ của các trạng thái rừng và đất ở Núi Luốt trên ảnh
Google Earth .................................................................................................................. 58
3.3.2. Xây dựng chỉ tiêu phản xạ phổ và khóa để phân loại rừng ở khu vực nghiên cứu69
3.4. Đánh giá tính chính xác của phân loại trạng thái rừng từ ảnh vệ tinh .................... 71
3.4.1. Phân bố các điểm kiểm tra................................................................................... 71
3.4.2. Độ chính xác của phân loại rừng từ ảnh .............................................................. 73
KẾT LUẬN ................................................................................................................... 76

TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC


iv

DANH MỤC CÁC BẢNG
Tên bảng

STT

Trang

1.1

Cấp độ phân giải bức xạ ảnh vệ tinh

11

1.2

Đặc điểm và khả năng ứng dụng của mỗi loại ảnh vệ tinh

21

3.1

3.2

3.3

3.4

3.5
3.6
3.7

3.8
3.9

Tọa độ và đặc điểm rừng của các điểm điều tra ở khu thực
nghiệm Trƣờng Đại học Lâm nghiệp
Giá trị trung bình các kênh phổ tại các điểm điều tra trên 3 tƣ
liệu ảnh vệ tinh
Hệ số biến động trung bình các kênh phổ giữa các pixel ở mỗi
điểm điều tra (Kcti)
Giá trị các tiêu chí đánh giá của ba tƣ liệu ảnh vệ tinh dễ tiếp

cận
Xếp hạng ba tƣ liệu ảnh vệ tinh dễ tiếp cận theo các tiêu chí
đánh giá
Chỉ số hiệu quả fij của từng tƣ liệu ảnh theo từng tiêu chí
Đặc điểm phản xạ phổ của các trạng thái rừng tại các điểm
điều tra
Trạng thái rừng xác định bằng khóa ảnh và trạng thái rừng
thực tế ở các điểm kiểm tra
So sánh kết quả phân loại trạng thái rừng từ ảnh và thực tế

40

49

54

57

57
58
58

73
74


v

DANH MỤC CÁC HÌNH
STT

Tên hình

Trang

1.1

Bức xạ sóng điện từ

3

1.2

Sự phân bố các dải sóng trong quang phổ điện từ

3

1.3

Đặc điểm phổ phản xạ của nhóm các đối tƣợng tự nhiên chính

6

1.4

Cấu trúc của ảnh số

10

1.5

Các khuôn dạng dữ liệu của ảnh số

13

2.1
2.2
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8

Lớp khoanh vi các trạng thái rừng từ ảnh vệ tinh Google Earth
ở Núi Luốt
Lớp khoanh vi các trạng thái rừng và hệ thống điểm điều tra
trên MAPINFO
Phân bố các điểm điều tra tại khu rừng thực nghiệm Trƣờng
Đại học Lâm nghiệp
Rừng trồng keo tai tƣợng hỗn giao cây bản địa ở khu rừng
thực nghiệm Trƣờng Đại học Lâm nghiệp (điểm điều tra số 8)
Rừng trồng thông hỗn giao cây bản địa ở khu rừng thực
nghiệm Trƣờng Đại học Lâm nghiệp (điểm điều tra số 12)
Rừng trồng bạch đàn ở khu rừng thực nghiệm Trƣờng Đại học
Lâm nghiệp (điểm điều tra số 2)
Rừng trồng keo hỗn giao cây bản địa ở khu rừng thực nghiệm
Trƣờng Đại học Lâm nghiệp (điểm điều tra số 28)

Rừng trồng thông hỗn giao cây bản địa ở khu rừng thực
nghiệm Trƣờng Đại học Lâm nghiệp (điểm 14)
Trữ lƣợng rừng tại các điểm điều tra ở khu thực nghiệm
Trƣờng Đại học Lâm nghiệp
Ảnh Landsat8 khu rừng thực nghiệm Trƣờng Đại học Lâm
nghiệp

37
38
39
43
44
44
45
45
46
47


vi

3.9
3.10
3.11
3.12
3.13
3.14
3.15
3.16
3.17

3.18
3.19
3.20

Ảnh Sentinel2 khu rừng thực nghiệm Trƣờng Đại học Lâm
nghiệp
Ảnh Google Earth khu rừng thực nghiệm Trƣờng Đại học
Lâm nghiệp
Giá trị kênh lục trung bình của các khoanh vi chứa các điểm
điều tra
Giá trị kênh đỏ trung bình của các khoanh vi chứa các điểm
điều tra
Giá trị kênh xanh da trời trung bình của các khoanh vi chứa
các điểm điều tra
Biến động của chỉ số NDVI giữa các điểm điều tra
Hệ số biến độ về độ sáng giữa các pixel trong các khoanh vi
tại các điểm điều tra
Sai tiêu chuẩn của các kênh phổ trong các khoanh vi tại các
điểm điều tra
Hệ số biến động độ sáng của các pixel trong các khoanh vi ở
từng điểm điều tra
Giá trị trung bình các kênh phổ của các pixel trong khoanh vi
tại các điểm điều tra
NDVI trung bình của các pixel trong những khoanh vi tại các
điểm điều tra
Chỉ số khô ẩm (K) trung bình trong những khoanh vi tại các
điểm điều tra rừng keo và thông hỗn giao với cây bản địa

48
49

61
62
62
63
64
65
66
67
68
69

3.21

Khoanh vi các lô rừng theo đặc điểm giá trị các kênh phổ

71

3.22

Phân bố các điểm kiểm tra trạng thái rừng ngoài thực địa

72

3.23

Phân bố số điểm kiểm tra và các khoanh vi trạng thái rừng đƣợc
xác định bằng khóa phân loại rừng

72

vii


1

ĐẶT VẤN ĐỀ
Việt Nam có tổng diện tích đất tự nhiên là 33.121.200 ha (Tổng cục
Thống kê, 2007), trong đó có tới 3/4 diện tích là rừng và đất rừng, hơn nữa nƣớc
ta nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa, hàng năm nhận đƣợc lƣợng nhiệt và
lƣợng mƣa lớn, địa hình bị chia cắt mạnh, đất nƣớc trải dài theo nhiều vĩ độ và
kinh độ, … chính điều đó đã tạo cho nƣớc ta có nguồn tài nguyên thực vật và
động vật rừng vô cùng phong phú và đa dạng.
Tuy nhiên, trong những thập kỷ gần đây, do công tác quản lý rừng chƣa
bền vững mà rừng ở nƣớc ta đang bị suy giảm một cách nghiêm trọng cả về số
lƣợng lẫn chất lƣợng: Năm 1943, Việt Nam có 14.3 triệu ha rừng, độ che phủ là
43% nhƣng đến năm 1990 chỉ còn 9.18 triệu ha, độ che phủ rừng là 27,2%. Theo
công bố tại quyết định số 1970/QĐ/BNN-KL-LN ngày 06 tháng 7 năm 2006,
tính đến 31/12/2005, diện tích rừng toàn quốc là 12,61 triệu ha, độ che phủ rừng
là 37%, trong đó mất rừng là nguyên nhân gây ra một loạt các hiện tƣợng nhƣ:
lũ lụt, hạn hán, mất mùa, … kéo theo đó là các tai biến về môi trƣờng đã làm
ảnh hƣởng rất lớn đến quá trình sản xuất và sinh hoạt của ngƣời dân. Chính vì
vậy, nhiệm vụ đặt ra đối với các cơ quan chức năng, những nhà quản lý lâm
nghiệp là cần phát triển bền vững nguồn tài nguyên này. Để quản lý bền vững
nguồn tài nguyên rừng thì một trong những tài liệu không thể thiếu đó là bản đồ
tài nguyên rừng nhƣ: Bản đồ hiện trạng rừng, bản đồ trữ lƣợng, bản đồ sinh
khối, … bởi từ bản đồ tài nguyên rừng các nhà quản lý lâm nghiệp, các nhà khoa
học mới có cơ sở để đƣa ra các phƣơng án quy hoạch, đề xuất các giải pháp kỹ
thuật, kinh tế - xã hội và định hƣớng cho việc sử dụng và quản lý bền vững tài
nguyên rừng. Hơn nữa, bản đồ tài nguyên rừng còn là cơ sở để thực hiện việc

đánh giá biến động tài nguyên rừng qua các thời kỳ mà hiện nay ở nƣớc ta thực
hiện theo chu kỳ 5 năm. Bản đồ tài nguyên rừng cũng là cơ sở để các nhà quản
lý thực hiện giao đất giao rừng cho các hộ gia đình, …


2

Ở nƣớc ta, các chƣơng trình theo dõi diễn biến tài nguyên rừng đã đƣợc
tiến hành từ những năm 1976 với chƣơng trình đánh giá diễn biến tài nguyên
rừng toàn quốc giai đoạn 1976 - 1990 - 1995, chƣơng trình điều tra, đánh giá và
theo dõi diễn biến tài nguyên rừng toàn quốc 5 năm các giai đoạn 1996 - 2000
và 2000 - 2005 và hiện nay đang thực hiện chƣơng trình điều tra, đánh giá và
theo dõi diễn biến tài nguyên rừng toàn quốc giai đoạn 2006 - 2010. Những năm
trƣớc đây để điều tra theo dõi diễn biến tài nguyên rừng chủ yếu vẫn dựa trên
việc đo vẽ, thành lập bản đồ hiện trạng rừng bằng phƣơng pháp thủ công vì vậy
công việc này đòi hỏi tốn rất nhiều thời gian, công sức, tiền bạc, độ chính xác
không cao và thông tin thƣờng không đƣợc cập nhật vì tình hình rừng và đất
rừng luôn biến động. Trong những năm gần đây, khi khoa học công nghệ viễn
thám phát triển mạnh thì việc áp dụng công nghệ viễn thám vào lâm nghiệp là
rất cần thiết vì kỹ thuật viễn thám với khả năng quan sát các đối tƣợng ở các độ
phân giải phổ và không gian khác nhau, từ trung bình đến siêu cao và chu kỳ
chụp lặp từ một tháng đến một ngày cho phép ta quan sát và xác định nhanh
chóng hiện trạng lớp phủ rừng, từ đó có thể dễ dàng xác định đƣợc biến động
rừng và đặc biệt là xu hƣớng của biến động, hơn nữa kỹ thuật viễn thám dễ dàng
tích hợp với các phần mềm GIS để quản lý và cập nhật thƣờng xuyên, giúp cho
việc quản lý đƣợc dễ dàng, thuận lợi với độ tin cậy cao. Tuy nhiên, các nghiên cứu
về ứng dụng công nghệ viễn thám trong lâm nghiệp còn rất thiếu đặc biệt là
công nghệ xử lý ảnh số viễn thám tự động và bán tự động, các ảnh vệ tinh đƣợc
sử dụng vẫn là các ảnh độ phân giải thấp dẫn đến các kết quả thành lập bản đồ
tài nguyên rừng và đánh giá biến động rừng cho độ chính xác không cao.

Xuất phát từ ý nghĩa thực tiễn trên tôi tiến hành thực hiện đề tài: “Nghiên
cứu khả năng phân loại rừng bằng ảnh viễn thám ở khu rừng thực nghiệm
núi Luốt”


3

Chƣơng 1
TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Cơ sở khoa học của phƣơng pháp viễn thám
1.1.1. Cơ sở vật lý
Bức xạ điện từ là quá trình truyền năng lƣợng điện từ trên cơ sở các dao
động của điện trƣờng và từ trƣờng trong không gian.

Hình 1.1: Bức xạ sóng điện từ
Các bức xạ điện từ này vừa có tính chất sóng lại vừa có tính chất hạt, tính
chất sóng của bức xạ điện từ này đƣợc thể hiện bằng biểu thức sau:


C
v

(1.1) (C=299,793 km/s trong môi trƣờng chân không).

Trong viễn thám, các sóng điện từ đƣợc sử dụng với các dải bƣớc sóng
của quang phổ điện từ. Quang phổ điện từ là dải liên tục của các tia sáng ứng với
các bƣớc sóng khác nhau, sự phân chia thành các dải phổ có liên quan đến tính
chất bức xạ khác nhau.

Hình 1.2: Sự phân bố các dải sóng trong quang phổ điện từ

4

Quang phổ điện từ có các dải sóng chính nhƣ sau:
- Các tia vũ trụ: là các tia từ vũ trụ có bƣớc sóng vô cùng ngắn với λ<106

µm.
- Các tia gamma (γ) có λ từ 10-6 ÷ 10-4µm.
- Dải các tia x (X) có λ từ 10-4÷10-1 µm.
- Dải tia nhìn thấy có bƣớc sóng λ từ 0.4 ÷ 0.7 µm đây dải phổ của ánh

sáng trắng. Trong dải nhìn thấy còn có thể chia nhỏ ra thành các dải ánh sáng
đơn sắc:
+ Blue (xanh lơ - lam): 0.4 ÷ 0.5 µm.
+ Green (xanh lá cây - lục): 0.5 ÷ 0.6 µm.
+ Red (đỏ) 0.6 ÷ 0.7 µm.
- Sau vùng đỏ là dải hồng ngoại trong đó lại chia thành các vùng:
+ Hồng ngoại phản xạ: 0.7 ÷ 3 µm.
+ Hồng ngoại trung: 3 ÷ 7 µm.
+ Hồng ngoại nhiệt: 7 ÷ 14 µm.
- Vùng sóng radar hay vi sóng (microwave): là các vùng có bƣớc sóng
dài hơn nhiều so với vùng hồng ngoại độ dài bƣớc sóng từ 1mm ÷ 1m.
- Sau vùng radar là sóng radio có bƣớc sóng > 30cm.
Còn tính chất hạt đƣợc mô tả theo tính chất của photon hay quang
lƣợng tử đƣợc thể hiện bằng biểu thức sau:
E  hv

(1.2) Trong đó: (h là hằng số plank)

1.1.2. Tương tác giữa các đối tượng và đặc trưng phản xạ phổ của một số đối
tượng tự nhiên


Sự tương tác năng lượng với các đối tượng ở trên mặt đất.

Sóng điện từ lan truyền tới bề mặt của vật thể, năng lƣợng sóng điện từ sẽ
tƣơng tác với vật thể đƣới dạng hấp thụ (A), phản xạ (R), truyền qua vật thể (T),
phần trăm năng lƣợng phản xạ phụ thuộc vào chất liệu và điều kiện tƣơng tác
với vật thể đó.


5

EI(λ) = ER(λ) + EA(λ) + ET(λ) (1.3)
Trong đó: EI: là năng lƣợng tới mặt đất.
ER: năng lƣợng phản xạ.
EA: năng lƣợng hấp thụ.
ET: năng lƣợng truyền qua.
Tỷ lệ giữa các hợp phần năng lƣợng phản xạ, hấp thụ, truyền qua là rất
khác nhau, tuỳ thuộc vào các đặc điểm của đối tƣợng trên bề mặt, cụ thể là phần
vật chất và tình trạng của đối tƣợng. Ngoài ra, tỷ lệ giữa các hợp phần đó còn
phụ thuộc vào bƣớc sóng của ánh sáng chiếu tới.
Trong viễn thám, thành phần năng lƣợng phổ phản xạ rất quan trọng và
viễn thám nghiên cứu sự khác nhau đó để phân biệt các đối tƣợng. Vì vậy, năng
lƣợng phản xạ phổ thƣờng đƣợc sử dụng để tính sự cân bằng năng lƣợng.
ER(λ) = EI(λ) – [EA(λ) + ET(λ)] (1.4)
Công thức (1.4) nói nên rằng năng lƣợng phản xạ bằng năng lƣợng rơi
xuống một đối tƣợng sau khi đã bị suy giảm bởi việc truyền qua hoặc hấp thụ
bởi đối tƣợng.

Đặc điểm phản xạ phổ của các đối tƣợng trên bề mặt Trái đất là thông số
quan trọng nhất trong viễn thám. Độ phản xạ phổ đƣợc đo theo công thức:
 

ER( )
 100 (1.5) Trong đó:  là độ phản xạ phổ (tính bằng %).
EI ( )

Nhƣ vậy, phổ phản xạ là tỷ lệ phần trăm của năng lƣợng rơi xuống đối
tƣợng và đƣợc phản xạ trở lại. Với cùng một đối tƣợng độ phản xạ phổ khác
nhau ở các bƣớc sóng khác nhau.


Phổ phản xạ của một số đối tượng tự nhiên chính

Đồ thị phổ phản xạ đƣợc xây dựng với chức năng là một hàm số của giá
trị phổ phản xạ và bƣớc sóng, đƣợc gọi là đƣờng cong phổ phản xạ. Hình dáng
của đƣờng cong phổ phản xạ cho biết một cách tƣơng đối rõ ràng tính chất phổ


6

của một đối tƣợng và hình dạng đƣờng cong phụ thuộc rất nhiều vào việc lựa
chọn các dải sóng mà ở đó thiết bị viễn thám có thể ghi nhận đƣợc các tín hiệu
phổ.

Hình 1.3 : Đặc điểm phổ phản xạ của nhóm các đối tƣợng tự nhiên chính
Phản xạ phổ ứng với từng loại lớp phủ mặt đất cho thấy có sự khác nhau
do sự tƣơng tác giữa bức xạ điện từ và vật thể, điều này cho phép viễn thám có
thể xác định hoặc phân tích đƣợc đặc điểm của lớp phủ thông qua việc đo lƣờng

phản xạ phổ.
Hình dạng của đƣờng cong phổ phản xạ còn phụ thuộc rất nhiều vào tính
chất của các đối tƣợng. Trong thực tế, các giá trị phổ của các đối tƣợng khác
nhau, của một nhóm đối tƣợng cũng rất khác nhau, song về cơ bản chúng dao
động xung quanh giá trị trung bình.
Thông tin viễn thám có liên quan trực tiếp đến năng lƣợng phản xạ của
các đối tƣợng, nên việc nghiên cứu đặc trƣng phản xạ phổ của các đối tƣợng tự
nhiên đóng vai trò quan trọng trong việc khai thác, ứng dụng có hiệu quả các
thông tin thu đƣợc từ các phƣơng tiện bay. Kết quả của việc giải đoán các lớp
thông tin phụ thuộc rất nhiều vào sự hiểu biết về mối tƣơng quan giữa đặc trƣng
phản xạ phổ và bản chất, trạng thái của các đối tƣợng tự nhiên. Những thông tin
về đặc trƣng phản xạ phổ của các đối tƣợng tự nhiên cho phép các nhà khoa học
chọn lọc các kênh ảnh tối ƣu, chứa nhiều thông tin nhất về đối tƣợng nghiên cứu


7

và là cơ sở để nghiên cứu tính chất của đối tƣợng, tiến tới phân loại chúng. Đặc
tính phản xạ phổ của các đối tƣợng tự nhiên phụ thuộc vào các yếu tố nhƣ điều
kiện ánh sáng, môi trƣờng khí quyển và bề mặt đối tƣợng cũng nhƣ bản thân các
đối tƣợng đó (độ ẩm, lớp nền, thực vật, chất mùn, cấu trúc bề mặt, ...).
Đặc trƣng phản xạ phổ của một số đối tƣợng tự nhiên nhƣ sau:
Đặc trƣng phản xạ phổ của lớp phủ thực vật:
Khả năng phản xạ phổ của thực vật phụ thuộc vào chiều dài bƣớc sóng và
giai đoạn sinh trƣởng, phát triển của thực vật. Các trạng thái lớp phủ thực vật
khác nhau sẽ có đặc trƣng phản xạ phổ khác nhau. Đặc điểm chung phản xạ phổ
của các trạng thái thực vật là phản xạ mạnh ở vùng sóng hồng ngoại gần
(>0,72m) và hấp thụ mạnh ở vùng sóng đỏ (0,68m <<0,72m).
Bức xạ mặt trời (EI) khi tới bề mặt lá cây thì một phần sẽ bị phản xạ ngay
(E1). Bức xạ ở vùng sóng lục khi gặp diệp lục trong cây sẽ bị phản xạ lại (E G).

Bức xạ ở vùng sóng hồng ngoại cũng bị phản xạ mạnh khi gặp diệp lục trong lá
cây (EIR). Nhƣ vậy, năng lƣợng phản xạ từ thực vật là:
ER = E1 + EG + EIR

(1.6)

Trong đó thành phần năng lƣợng (EG + EIR) chứa đựng các thông tin quan
trọng về bản chất và trạng thái của thực vật.
Sắc tố Chlorophyll - là một tổng thể các thành phần hữu cơ có chứa sắt, là
một chất xúc tác đối với quá trình quang hợp ánh sáng của thực vật. Chức năng
của Chlorophyll là hấp thụ bức xạ mặt trời và cung cấp nó cho quá trình quang
hợp. Năng lƣợng bị hấp thụ trong khoảng từ 0,45 - 0,67m tức là phần xanh lơ
và đỏ của phổ nhìn thấy, trong vùng ánh sáng này, vùng sóng ánh sáng có phản
xạ mạnh nhất là vùng sóng ánh sáng lục (0,55m), chính vì vậy mà lá cây tƣơi
có màu xanh lục [25]. Ở vùng hồng ngoại gần (từ 0,7 - 1,3 m) thực vật có khả
năng phản xạ rất mạnh, khi sang vùng hồng ngoại nhiệt và vi sóng (Microwave)
một số điểm cực trị ở vùng sóng dài làm tăng khả năng hấp thụ ánh sáng của hơi


8

nƣớc trong lá, khả năng phản xạ của chúng giảm đi rõ rệt và ngƣợc lại, khả năng
hấp thụ ánh sáng lại tăng lên. Đặc biệt đối với rừng có nhiều tầng lá, khả năng
đó càng tăng lên (ví dụ rừng rậm nhiệt đới).
Đặc trƣng phản xạ phổ của thực vật đƣợc xác định bởi các yếu tố bên
trong và bên ngoài của lá cây, thời kỳ sinh trƣởng và tác động của ngoại cảnh
nhƣ: hàm lƣợng sắc tố diệp lục, thành phần và cấu tạo mô bì, biểu bì, hình thái
lá, …tuổi cây, giai đoạn sinh trƣởng phát triển, …, điều kiện sinh trƣởng, vị trí
địa lý, điều kiện chiếu sáng,…Vì vậy, khả năng phản xạ phổ của mỗi loài thực
vật, mỗi trạng thái của lớp phủ thực vật là khác nhau. Tuy nhiên, chúng vẫn có

những điểm chung nhƣ sau:
- Khả năng phản xạ phổ của thực vật có sự rõ rệt ở vùng sóng nhìn thấy,
cận hồng ngoại và hồng ngoại. Trong vùng ánh sáng nhìn thấy, phần lớn năng
lƣợng đƣợc diệp lục trong lá cây hấp thụ phục vụ cho quá trình quang hợp, một
phần nhỏ truyền qua và phần còn lại bị phản xạ lại. Vùng hồng ngoại gần, khả
năng phản xạ phổ của thực vật là mạnh nhất.
Đặc trƣng phản xạ phổ của nƣớc:
Khả năng phản xạ phổ của nƣớc phụ thuộc vào bƣớc sóng của bức xạ
chiếu tới, bề mặt nƣớc, trạng thái nƣớc, thành phần vật chất có trong nƣớc. Nƣớc
có độ dẫn truyền cao trong khoảng sóng nhìn thấy và tính truyền dẫn tăng dần
khi bƣớc sóng giảm. Kết quả là đối với nƣớc sâu, chỉ có ánh sáng xanh lơ có thể
lan truyền đến những độ sâu nhất định, các bƣớc sóng dài bị hấp thụ ngay ở mực
nƣớc nông. Đối với nƣớc trong, có thể đáng giá độ sâu bằng cƣờng độ của bức
xạ nhìn thấy, đặc biệt là ánh sáng xanh lơ phản xạ từ đáy. Tuy nhiên, đối với độ
sâu lớn hơn 40m, tất cả bức xạ của khoảng nhìn thấy bị hấp thụ và đƣợc thể hiện
trên ảnh hoàn toàn đen. Những vật liệu lơ lửng, phù du và màu tự nhiên làm tăng
phản xạ của nƣớc trong khoảng nhìn thấy. Trong khoảng hồng ngoại gần, nƣớc
giống nhƣ vật đen tuyệt đối và hấp thụ thực sự toàn bộ năng lƣợng tới. Chỉ có


9

những vật thể tự nhiên với tính chất này mới phân biệt đƣợc chúng dễ dàng bằng
các đặc điểm bề mặt trong khoảng này của phổ điện tử, ngay cả nếu chúng
không sâu hay có chứa nhiều thể phù du... Do gần giống nhƣ vật đen, nƣớc gần
nhƣ vật phát xạ trong khoảng hồng ngoại, cũng nhƣ vật thể hấp thụ [21].
Đặc trƣng phản xạ phổ của thổ nhƣỡng:
Thổ nhƣỡng là nền của lớp phủ thực vật, cùng với lớp phủ thực vật tạo
thành một thể thống nhất trong cảnh quan tự nhiên. Một phần bức xạ mặt trời
chiếu tới sẽ phản xạ ngay trên bề mặt đối tƣợng, phần còn lại đi vào bề dày của

lớp phủ thổ nhƣỡng, một phần trong đó đƣợc hấp thụ để làm tăng nhiệt độ đất,
một phần sau khi tán xạ gặp các hạt nhỏ và bị phản xạ trở lại. Đƣờng cong phổ
phản xạ của đất khô tƣơng đối đơn giản tăng dần từ vùng tử ngoại đến vùng
hồng ngoại, ít có những cực đại và cực tiểu một cách rõ ràng, lý do chính là các
yếu tố ảnh hƣởng đến tính chất phổ của đất khá phức tạp và không rõ ràng nhƣ ở
thực vật. Các yếu tố ảnh hƣởng đến đƣờng cong phổ phản xạ của đất là: lƣợng
ẩm, cấu trúc của đất (tỉ lệ cát, bột và sét), độ nhám bề mặt, sự có mặt của các
loại oxit kim loại, hàm lƣợng vật chất hữu cơ, ... các yếu tố đó làm cho đƣờng
cong phổ phản xạ biến động rất nhiều quanh đƣờng cong có giá trị trung bình.
Tuy nhiên, quy luật chung là giá trị phổ phản xạ của đất tăng dần về phía sóng
có bƣớc sóng dài.
Trong thực tế, thực vật sống ở các nền đất khác nhau sẽ có đặc trƣng phản
xạ phổ khác nhau. Tuy nhiên, trong nền đất cũng nhƣ thực vật đều có chứa một
lƣợng nƣớc nhất định, vì vậy khi xác định các đối tƣợng dựa vào các đặc trƣng
phản xạ phổ phải dựa trên kiến thức tổng hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và kinh
nghiệm thực tiễn thì mới có kết luận chính xác về đối tƣợng.
1.1.3. Ảnh số viễn thám
Ảnh số là một dạng dữ liệu ảnh không lƣu trên giấy ảnh hoặc phim mà
đƣợc lƣu dƣới dạng số trên máy tính, ảnh số đƣợc chia thành nhiều phần tử nhỏ


10

đƣợc gọi là pixel (phần tử ảnh), ảnh số là một ma trận không gian của tập hợp
các pixel, mỗi một pixel tƣơng ứng với một đơn vị không gian và có giá trị
nguyên hữu hạn ứng với từng cấp độ sáng, các pixel thƣờng có dạng hình
vuông, vị trí của mỗi pixel đƣợc xác định theo toạ độ hàng và cột trên ảnh tính
từ góc trên cùng bên trái.

Hình 1.4: Cấu trúc của ảnh số

Ảnh vệ tinh hay còn gọi là ảnh viễn thám thƣờng đƣợc lƣu dƣới dạng ảnh
số, trong đó năng lƣợng phản xạ (theo vùng phổ đã đƣợc định trƣớc) từ các vị trí
tƣơng ứng trên mặt đất, đƣợc bộ cảm biến thu nhận và chuyển thành tín hiệu số
xác định giá trị độ sáng của pixel. Ứng với các giá trị này, mỗi pixel sẽ có giá trị
độ sáng khác nhau thay đổi từ đen đến trắng cung cấp thông tin về vật thể. Tuỳ
thuộc vào số kênh phổ đƣợc sử dụng, ảnh vệ tinh đƣợc ghi lại theo những dải
phổ khác nhau nên ngƣời ta gọi là dữ liệu đa phổ. Hình ảnh của đối tƣợng không
gian có thể đƣợc ghi nhận trên nhiều kênh phổ khác nhau, mỗi kênh cho giá trị
phổ dƣới dạng số riêng về cùng một đối tƣợng đƣợc ghi.
Ảnh vệ tinh đƣợc đặc trƣng bởi một số thông số cơ bản nhƣ sau:
- Tính chất hình học của ảnh vệ tinh.
Trƣờng nhìn không đổi IFOV (instantaneous field of view) đƣợc định
nghĩa là góc không gian tƣơng ứng với một đơn vị chia mẫu trên mặt đất. Lƣợng
thông tin ghi đƣợc trong IFOV tƣơng ứng với giá trị của pixel.


11

Góc nhìn tối đa mà một bộ cảm có thể thu đƣợc sóng điện từ đƣợc gọi là
trƣờng nhìn FOV (field of view). Khoảng không gian trên mặt đất do FOV tạo
nên chính là bề rộng tuyến bay.
Diện tích nhỏ nhất trên mặt đất mà bộ cảm có thể phân biệt đƣợc gọi là độ
phân giải không gian. Ảnh có độ phân giải không gian càng cao khi có kích
thƣớc pixel càng nhỏ. Độ phân giải không gian cũng đƣợc gọi là độ phân giải
mặt đất khi hình chiếu của 1 pixel tƣơng ứng với một đơn vị chia mẫu trên mặt
đất. Khi nói rằng ảnh SPOT có kích thƣớc pixel là 20 х 20m có nghĩa là một
pixel trên ảnh có kích thƣớc là 20 х 20m trên mặt đất.
- Tính chất phổ của ảnh vệ tinh.
Cùng một vùng phủ mặt đất tƣơng ứng, các pixel sẽ cho giá trị riêng biệt
theo từng vùng phổ ứng với các loại bƣớc sóng khác nhau. Do đó, thông tin

đƣợc cung cấp theo từng loại ảnh vệ tinh khác nhau không chỉ phụ thuộc vào số
bit dùng để ghi nhận, mà còn phụ thuộc vào phạm vi bƣớc sóng.
Độ phân giải phổ thể hiện bởi kích thƣớc và số kênh phổ, bề rộng phổ
hoặc sự phân chia vùng phổ mà ảnh vệ tinh có thể phân biệt một số lƣợng lớn
các bƣớc sóng có kích thƣớc tƣơng tự, cũng nhƣ tách biệt đƣợc các bức xạ từ
nhiều vùng phổ khác nhau.
Độ phân giải bức xạ thể hiện độ nhạy tuyến tính của bộ cảm biến trong khả
năng phân biệt sự thay đổi nhỏ nhất của cƣờng độ phản xạ sóng từ các vật thể.
Để lƣu trữ, xử lý và hiển thị ảnh vệ tinh trong máy tính kiểu raster, tuỳ
thuộc vào số bit dùng để ghi nhận thông tin, mỗi pixel sẽ có giá trị hữu hạn ứng
với từng cấp độ xám (giá trị độ sáng của pixel; BV - Brightness Value).
Bảng 1.1: Cấp độ phân giải bức xạ ảnh vệ tinh
Số bít

Luỹ thừa của 2

Giá trị số

Phạm vi

6

26

64

0 ÷ 63

8

28

256

0 ÷ 255

10

210

1024

0 ÷ 1023

16

216

65536

0 ÷ 65535


12

Số bit dùng để ghi nhận thông tin (thang cấp độ xám) đƣợc gọi là độ phân
giải bức xạ của ảnh vệ tinh.
- Độ phân giải thời gian của ảnh vệ tinh.
Độ phân giải thời gian không liên quan đến thiết bị ghi ảnh mà chỉ liên
quan đến khả năng chụp lặp lại của ảnh vệ tinh. Ảnh đƣợc chụp vào những ngày

khác nhau cho phép so sánh đặc trƣng bề mặt theo thời gian.
Ƣu thế của độ phân giải không gian là cho phép cung cấp thông tin chính
xác hơn và nhận biết sự biến động của khu vực cần nghiên cứu.
Hầu hết các vệ tinh đều bay qua cùng một điểm vào khoảng thời gian cố
định (mất từ vài ngày đến vài tuần) phụ thuộc vào quỹ đạo và độ phân giải
không gian.
Dữ liệu ảnh số đƣợc lƣu trữ trên băng từ tƣơng thích cho máy tính hoặc
trên CD - ROM dƣới khuôn dạng của các tệp ảnh số mà máy tính có thể đọc
đƣợc. Thông thƣờng, ảnh số đƣợc lƣu trữ theo các khuôn dạng sau đây:
- Theo BIL (band interleaved by lines)
Từng hàng đƣợc ghi theo thứ tự của số kênh, mỗi hàng đƣợc ghi tuần tự
theo giá trị của các kênh phổ và sau đó lặp lại theo thứ tự của từng hàng, nhƣ
vậy sẽ tạo ra các file dữ liệu ảnh chung cho các kênh phổ.
- Theo kiểu BSQ (band sequential)
Là khuôn dạng trong đó các kênh phổ đƣợc lƣu tuần tự hết kênh này sang
kênh khác. Nghĩa là mỗi ảnh ứng với một kênh.
- Theo kiểu BIP (band inteleaved by pixel)
Mỗi pixel đƣợc lƣu tuần tự theo các kênh, nghĩa là các kênh phổ đƣợc ghi
theo hàng và cột của từng pixel. Sau khi kết thúc tổ hợp phổ của pixel này lại
chuyển sang tổ hợp phổ của pixel khác.


13

Hình 1.5: Các khuôn dạng dữ liệu của ảnh số
1.1.4. Một số phần mềm thông dụng được sử dụng trong viễn thám
Ứng dụng công nghệ không gian địa trong phát hiện cháy rừng và giám
sát tài nguyên rừng là hƣớng đi đúng đắn của ngành lâm nghiệp. Để xây dựng
một bản đồ hiện trạng rừng từ ảnh Viễn thám có rất nhiều các công đoạn, kỹ
thuật xử lý kèm theo đó là các phần mềm chuyên dụng đối với từng bƣớc công

việc.
Ứng dụng viễn thám vào từng lĩnh vực khác nhau cần phải chọn loại ảnh
thích hợp nhất, nghĩa là loại ảnh vệ tinh có độ phân giải không gian, phân giải
phổ và độ phân giải thời gian thích hợp với yêu cầu cụ thể. Ngoài ra, việc giải
đoán hay xử lý ảnh vệ tinh cho một lĩnh vực đều đòi hỏi sử dụng các phần mềm
xử lý ảnh nhằm:
Nhập/ xuất dữ liệu (đọc và ghi CD-Rom, CCT…)
Hiện ảnh và các thao tác liên quan (thay đổi màu, tăng cƣờng chất
lƣợng…)
Hiệu chỉnh và khôi phục ảnh (hiệu chỉnh hình học, bức xạ..)\
Phân tích ảnh (chuyển đổi ảnh, phân loại..)
Xuất dữ liệu ảnh (hard, copy, file..)
Hiện nay, các phần mềm thƣơng mại không ngừng hoàn thiện các chức
năng để hỗ trợ cho ngƣời sử dụng. Những phần mềm giá thành thấp đƣợc sử
dụng phổ biến nhƣ: ILWIS, IDRISI đến các phần mềm chuyên dụng nhƣ: Envi,


14

Ecognition, ERMapper, Photomod…hoặc tính hợp mạnh với công nghệ GIS và
GPS nhƣ PCI Geomatica…Ngoài ra, một số phần mềm GIS nhƣng có một số
chức năng cơ bản trong xử lý ảnh số nhƣ Mapinfo, Arcview, Geomedia…cũng
thƣờng đƣợc các chuyên gia sử dụng trong việc hỗ trợ nhanh công tác giải đoán
bằng mắt để thành lập bản đồ chuyên đề.
Nhìn chung, các phần mềm viễn thám thƣờng có các đặc điểm khác nhau
nhằm đáp ứng tính đa dạng của nhiều lĩnh vực ứng dụng, nhƣng tất cả đều bao
gồm các chức năng xử lý ảnh vệ tinh cơ bản.
Giới thiệu một số phần mềm chuyên dụng sau:
 ILWIS: tên viết tắt của Integrated Land and Water Information System,
là phần mềm phục vụ cho việc tích hợp dữ liệu GIS – Geographic Information

System (Hệ thống thông tin địa lý) đi kèm với khả năng xử lý ảnh đặc biệt là ảnh
vệ tinh. Đây là phần mềm đƣợc phát hiện bởi Internation Institute for Aerospace
Surey and Earth Science (ITC) ở Hà Lan, phục vụ cho công tác nghiên cứu, xây
dựng và phát triển hệ thống tích hợp các dữ liệu không gian. ILWIS cho phép
chúng ta thu nhận, quản lý, phân tích và hiển thị các dữ liệu địa lý để từ đó có
thể rút ra các thông tin hữu ích phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau nhƣ:
quản lý tài nguyên thiên nhiên, theo dõi biến động về không gian…
 ERDAS bao gồm các thiết bị phần cứng, phần mềm trong lĩnh vực ảnh
địa không gian nhƣ đo đạc, xử lý, xây dựng và hiển thị mô hình 3 chiều, lƣu trữ
và chia sẻ dữ liệu…Hiện ERDAS bổ sung thêm rất nhiều sản phẩm với nhiều
tính năng mới tăng cƣờng khả năng xử lý, lƣu trữ, hiển thị và phân tích dữ liệu
địa không gian.
ERDAS Imagine: bộ phần mềm chuyên dụng cho xử lý ảnh địa không
gian, cho phép bạn khai thác và chiết tách thông tin dễ dàng từ tƣ liệu ảnh nhƣ
một chuyên gia thực thụ, không đòi hỏi bạn phải có kinh nghiệm hay trình độ
chuyên môn sâu. Với những công cụ xử lý ảnh mạnh và dễ sử dụng, ERDAS
IMAGINE sẽ giúp đơn giản hoá công việc vừa đạt đƣợc hiệu quả sử dụng cao.


15

 ENVI là một trong những phần mềm hàng đầu trong việc xử lý, thu nhận
thông tin từ dữ liệu ảnh một cách nhanh chóng, dễ dàng và chính xác. Cùng với
sự gia tăng về độ chính xác của dữ liệu ảnh thì vai trò của quá trình thu nhận và
xử lý ảnh cũng tăng lên. Các phần mềm xử lý ảnh sẽ giúp việc thu nhận, chiết
xuất ra các thông tin cần thiết một cách dễ dàng, nhanh chóng và chính xác.
Phần mềm ENVI cung cấp các công cụ hữu dụng và cao cấp để đọc, khám phá,
thao tác, phân tích và chia sẻ các thông tin thu nhận từ dữ liệu ảnh. ENVI đƣợc
phát triển bới các chuyên hàng đầu về hiển thị và xứ lý ảnh. Đồng thời, ENVI
cũng đƣợc xây dựng trên nền tảng mở nên cho phép ngƣời dùng dễ dàng mở

rộng và tùy biến các ứng dụng. Ngoài ra, ngƣời dùng có thể sử dụng ENVI trên
các môi trƣờng khác nhau nhƣ Windows, Macintosh, Linux hay Unix [1; 2; 33].
 Ecognition là phần mềm đƣợc cung cấp và phát triển bởi công ty
Definiens AG - CHLB Đức. Ecognition phát triển dựa trên một phƣơng pháp
hoàn toàn mới là phân tích ảnh hƣởng đối tƣợng dùng luận lý mờ. Nó cho phép
phân tích và làm việc trên dữ liệu VHR (dữ liệu có độ phân giải rất cao) hoặc dữ
liệu rada với chức năng phát triển và cơ sở thông tin cho việc phân loại tỷ mỷ
trong phạm vi cục bộ và trên từng pixel là Ecognition không phân loại các pixel
đơn lẻ, mà các đối tƣợng ảnh gốc đƣợc chiết tách từ một bƣớc phân đoạn từ
trƣớc.Vì mục đích này, Ecognition đƣa ra đặc trƣng phân đoạn đa phân giải, một
quy trình mới xử lý tinh vi cho việc chiết tách đối tƣợng ảnh. Ecognition đƣợc
sử dụng để phân tích ảnh ở nhiều tỷ lệ khác nhau từ tỷ lệ rất nhỏ nhƣ cấu trúc tế
bào đến tỷ lệ lớn nhƣ các ảnh vệ tinh.
Ví dụ, sử dụng Ecognition để chiết tách các đối tƣợng từ ảnh vệ tinh phục
vụ cho việc quan sát, quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trƣờng, phân loại
rừng…Trong ecognition ảnh phân tích theo hai con đƣờng: tự động và bán tự
động.


16

 MapInfo: là một giải pháp phần mềm GIS thân thiện với ngƣời sử dụng.
Với các chức năng phân tích không gian hữu ích cho các hoạt động kinh doanh,
quản lý nhƣng không cồng kềnh và không phức tạp hóa bởi những chức năng
không cần thiết, giao diện đơn giản và dễ hiểu. Phiên bản gần đây là MapInfo
Professional 11 cũng vẫn duy trì truyền thống này - có thể chạy trên các hệ điều
hành thông thƣờng nhƣ Windows XP, Windows 2000, Windows NT+SP6,
Windows 98 SE, Windows 2003 Server với Terminal Services và Citrix. Phiên
bản hiện hành là MapInfo Professional 10.0.
Mapinfo là phần mềm Gis đang đƣợc sử dụng rộng rãi nhất thị trƣờng

Việt nam. Mapinfo thiên về quản lý, tổng hợp thông tin, xây dựng các loại bản
đồ chuyên đề số, nên chức năng số hóa bản đồ của Mapinfo tƣơng đối yếu. Một
điểm mạnh của Mapinfo là khả năng hiển thị, dàn trang in rất tiện lợi và đây là
một trong ƣu thế của Mapinfo so với các phần mềm GIS khác [27].
Những đặc điểm chính của phần mềm Mapinfo:
Đơn giản, rất dễ sử dụng và chạy trên các hệ điều hành: UNIX, Windows.
Hỗ trợ các thiết bị: Bàn số, máy quét ảnh, các máy vẽ…
Các chức năng chính: Tạo vùng đệm, phân tích bản đồ, phân tích mạng.
Hệ quản trị cơ sở dữ liệu: dBase, cơ sở dữ liệu bên trong
Cấu trúc dữ liệu: Non-topological Vertor, dữ liệu thuộc tính, dữ liệu bảng biểu.
Phù hợp với mô hình quy mô vừa và nhỏ.
Khả năng tạo lập bản đồ chuyên đề mạnh và phong phú. Khả năng dàn
trang in và in rất thuận tiện.
Khả năng giao tiếp với các phần mềm GIS khác tốt.
Hỗ trợ tốt cho các khả năng ứng dụng, tạo mô hình ba chiều.
Cấu trúc format file mở hỗ trợ cho việc phát triển các ứng dụng chuyên sâu.
Khả năng xây dựng dữ liệu bản đồ số.