Đánh giá độ chính xác chiết tách đất xây dựng và đât trống khu vực đô thị từ ảnh viễn thám bằng ảnh chỉ số, thực nghiệm tại hà nội
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.58 MB, 109 trang )
BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI
NGUYỄN THỊ HIỀN
ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC CHIẾT TÁCH ĐẤT XÂY DỰNG
VÀ ĐẤT TRỐNG KHU VỰC ĐÔ THỊ TỪ ẢNH VIỄN THÁM
BẰNG ẢNH CHỈ SỐ, THỰC NGHIỆM TẠI HÀ NỘI
Ngành: Kỹ thuật Trắc địa – Bản đồ
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
HÀ NỘI, NĂM 2018
BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI
NGUYỄN THỊ HIỀN
ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC CHIẾT TÁCH ĐẤT XÂY DỰNG VÀ
ĐẤT TRỐNG KHU VỰC ĐÔ THỊ TỪ ẢNH VIỄN THÁM BẰNG
ẢNH CHỈ SỐ, THỰC NGHIỆM TẠI HÀ NỘI
Ngành:
Kỹ thuật Trắc địa – Bản đồ
Mã ngành: 8520503
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
HÀ NỘI, NĂM 2018
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI
Cán bộ hướng dẫn chính: TS. Nguyễn Thị Thúy Hạnh Cán
bộ chấm phản biện 1: PGS. TS Trần Xuân Trường Cán bộ
chấm phản biện 2: TS. Phạm Minh Hải
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại:
HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI Ngày 19
tháng 01 năm 2019
i
LỜI CAM ĐOAN
Luận văn “Đánh giá độ chính xác chiết tách đất xây dựng và đất trống
khu vực đô thị từ ảnh viễn thám bằng ảnh chỉ số, thực nghiệm tại Hà Nội”
một công trình nghiên cứu khoa học độc lập cùng với sự giúp đỡ của giáo
viên hướng dẫn. Những kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn là
hoàn toàn trung thực, không vi phạm bất cứ điều gì trong luật sở hữu trí tuệ
và pháp luật Việt Nam. Nếu sai, tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước pháp
luật.
Hà Nội, ngày 16 tháng 01 năm 2019
TÁC GIẢ LUẬN VĂN
Nguyễn Thị Hiền
ii
LỜI CẢM ƠN
Trước tên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS. Nguyễn Thị Thúy
Hạnh, người đã hướng dẫn tận tình, chu đáo và định hướng cho tôi trong
suốt quá trình thực hiện luận văn thạc sĩ này.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô trong khoa Trắc địa, Bản đồ
và Thông tin địa lý, trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội, những
người đã giúp tôi có đủ kiến thức cũng như kinh nghiệm trong suốt quá trình
học tập, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong thời gian học tập và nghiên cứu.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình, người thân, đồng nghiệp,
bạn bè đã giúp đỡ, động viên khích lệ và chia sẻ cùng tôi trong quá trình thực
hiện luận văn.
Cuối cùng, tôi xin cảm ơn Đề tài “Nghiên cứu ứng dụng Viễn thám và GIS
giám sát hiện tượng đảo nhiệt đô thị”. Mã số TNMT.2018.08.10 đã cung cấp
tư liệu giúp tôi hoàn thành luận văn.
Học viên
Nguyễn Thị Hiền
3
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................
i
LỜI
CẢM
ƠN
.................................................................................................. ii TÓM TẮT
LUẬN VĂN .................................................................................. v DANH
MỤC TỪ VIẾT TẮT......................................................................... vi DANH
MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................... vii DANH
MỤC HÌNH VẼ ...............................................................................viii MỞ
ĐẦU .......................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CHIẾT TÁCH ĐẤT XÂY DỰNG VÀ
ĐẤT TRỐNG KHU VỰC ĐÔ THỊ TỪ ẢNH VIỄN THÁM...................... 4
1.1. Tổng quan về viễn thám.............................................................................
4
1.1.1. Khái niệm, phân loại viễn thám .......................................................... 4
1.1.1.Những nguyên lý cơ bản của viễn thám .............................................. 8
1.2. Tổng quan về chiết tách đất xây dựng và đất trống khu vực đô thị từ ảnh
viễn thám .........................................................................................................
11
1.3. Tình hình nghiên cứu chiết tách đất xây dựng và đất trống bằng
ảnh
chỉ
số..................................................................................................... 19
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC CHIẾT TÁCH THÔNG TIN ĐẤT XÂY DỰNG VÀ
ĐẤT TRỐNG KHU VỰC ĐÔ THỊ ............................... 22
2.1. Kỹ thuật tiền xử lý ảnh .............................................................................
22
2.1.1. Hiệu chỉnh bức xạ ............................................................................ 22
2.1.2. Hiệu chỉnh hình học .......................................................................... 26
2.1.3. Tăng cường chất lượng ảnh............................................................... 30
2.2. Phương pháp chiết tách thông tin viễn thám............................................
39
4
2.2.1. Phương pháp giải đoán ảnh bằng mắt ...............................................
39
2.2.2. Phương pháp phân loại ảnh ...............................................................
45
2.2.3. Phương pháp tạo ảnh chỉ số ..............................................................
46
2.2.4. Phương pháp đánh giá độ chính xác ................................................. 47
5
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU CHIẾT TÁCH ĐẤT TRỐNG VÀ ĐẤT XÂY DỰNG
KHU VỰC HÀ NỘI BẰNG ẢNH CHỈ SỐ TỪ ẢNH VỆ TINH LANDSAT 8
....................................................................................... 52
3.1. Khu vực nghiên cứu. ................................................................................ 52
3.1.1. Vị trí địa lý ........................................................................................ 52
3.1.2. Đặc điểm tự nhiên ............................................................................ 53
3.1.3. Điều kiện kinh tế - xã hội.................................................................. 55
3.2. Tư liệu sử dụng ........................................................................................ 57
3.3. Thực nghiệm chiết tách đất xây dựng và đất trống khu vực Hà Nội bằng
các chỉ số EBBI, UI, IBI, NDBI ..................................................................... 58
3.3.1. Tiền xử lý ảnh vệ tnh Landsat 8....................................................... 58
3.3.2. Tính các chỉ số UI, NDBI, IBI, EBBI............................................... 60
3.3.3. Đánh giá độ chính xác....................................................................... 61
4. Kết quả và thảo luận....................................................................................
63
4.1. Quan sát và phân tích ...............................................................................
63
4.2. Đánh giá độ chính xác.............................................................................. 79
KẾT LUẬN ....................................................................................................
81
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 82
6
TÓM TẮT LUẬN VĂN
Họ tên học viên: Nguyễn Thị Hiền
Lớp: CH2BTĐ
Khóa: 2
Cán bộ hướng dẫn: TS. Nguyễn Thị Thúy Hạnh
Tên đề tài: “Đánh giá độ chính xác chiết tách đất xây dựng và đât trống
khu vực đô thị từ ảnh viễn thám bằng ảnh chỉ số, thực nghiệm tại Hà Nội”
Tóm tắt: Luận văn nghiên cứu đánh giá độ chính xác chiết tách đất xây
dựng và đất trống khu vực đô thị từ ảnh Landsat 8 bằng ảnh chỉ số, thực
nghiệm tại Hà Nội. Luận văn sử dụng phần mềm Envi 4.6 để tnh toán các chỉ
số ảnh EBBI, IBI, NDBI, UI. Các chỉ số này đều phản ánh đất xây dựng ứng với
ngưỡng giá trị cao, tiếp đến là đất trống và thấp nhất là các đối tượng
khác. Kết quả nghiên cứu cho thấy để chiết tách đất xây dựng dùng chỉ số
NDBI là tốt nhất, tiếp đến có thể dùng các chỉ số EBBI, IBI, UI. Chiết tách
đất trống dùng chỉ số IBI và NDBI là tốt nhất. Kết quả nghiên cứu của luận
văn sẽ góp phần tạo điều kiện thuận lợi cho công tác điều tra khảo sát về đất
xây dựng và đất trống khu vực Hà Nội. Kết quả này phù hợp với các nghiên
cứu trước đó.
7
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
STT Từ viết tắt
Tiếng Anh
1
DEM
2
EBBI
3
FCC
False color composite
Ảnh tổng hợp màu giả
4
GCP
Ground Control Points-GCPs
Điểm khống chế
5
IBI
Index – based Built – Up Index
Chỉ số dựa trên chỉ số đất xây dựng
6
MNDWI
7
NDBI
8
SAVI
9
UI
Digital Elevation Model
Ý Nghĩa
Enhanced Built-Up and Bareness
Index
Modified normalized difference
water index
Normalised Difference Built –
Up Index
Soil adjusted vegetation index
Urban Index
Mô hình số độ cao
Chỉ số đất trống và đất xây dựng
Chỉ số khác biệt nước có điều chỉnh
Chỉ số đất xây dựng
Chỉ số thực vật có hiệu chỉnh độ
ẩm của đất
Chỉ số đô thị
vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Đặc điểm của dải phổ điện từ sử dụng trong kỹ thuật viễn thám .......
10
Bảng 2.1. Ma trận sai số.................................................................................. 49
Bảng 3.1. Thông số kỹ thuật ảnh vệ tinh Landsat 8........................................ 57
Bảng 3.2. Phân ngưỡng chỉ số......................................................................... 65
Bảng 3.3. Khả năng chiết tách đất xây dựng và đất trống của các chỉ số thông
qua quan sát và so sánh ảnh chỉ số với ảnh gốc . ............................................
79
Bảng 3.4. Kết quả đánh giá độ chính xác........................................................ 80
viii
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Viễn thám chủ động và viễn thám bị động ....................................... 5
Hình 1.2. Vệ tinh địa tĩnh và vệ tnh quỹ đạo gần cực ..................................... 6
Hình 1.3. Sơ đồ phân loại viễn thám theo bước sóng .......................................
7
Hình 1.4. Nguyên lý thu nhận dữ liệu viễn thám .............................................. 8
Hình 2.1. Histogram của ảnh quá tối, quá sáng, tương phản thấp,
tương
phản cao ................................................................................................
32
Hình 2.2. Ảnh và biểu đồ Histogram trước và sau khi biến đổi tuyến tnh .... 34
Hình 2.3. Ảnh gốc và ảnh sau khi biến đổi Histogram ................................... 37
Hình 3.1. Sơ đồ khu vực nghiên cứu............................................................... 52
Hình 3.2. Hiệu chỉnh bức xạ ảnh..................................................................... 59
Hình 3.3. Hiệu chỉnh ảnh hưởng của khí quyển ............................................. 60
Hình 3.4. Các bước xử lý ảnh lập bản đồ đất trống và đất xây dựng từ ảnh
Landsat 8 bằng ảnh chỉ số. .............................................................................. 62
Hình 3.5. Ảnh chỉ số UI khu vực Hà Nội năm 2018 ...................................... 63
Hình 3.6. Ảnh chỉ số NDBI khu vực Hà Nội năm 2018 ................................. 64
Hình 3.7. Ảnh chỉ số EBBI khu vực Hà Nội năm 2018.................................. 64
Hình 3.8. Ảnh chỉ số IBI khu vực Hà Nội năm 2018. .................................... 65
Hình 3.9. Bản đồ phân bố đất trống và đất xây dựng từ chỉ số UI. ................ 66
Hình 3.10. Bản đồ phân bố đất trống và đất xây dựng từ chỉ số EBBI .......... 67
Hình 3.11. Bản đồ phân bố đất trống và đất xây dựng từ chỉ số NDBI.......... 68
Hình 3.12. Bản đồ phân bố đất trống và đất xây dựng từ chỉ số IBI .............. 69
Hình 3.13. So sánh các ảnh chỉ số với ảnh gốc tại một số vị trí điển hình ..... 78
1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết
Một trong những khó khăn của công tác trắc địa khi thành lập bản
đồ khu vực đô thị là mật độ dân cư cao, nhiều nhà cao tầng hạn chế khả năng
đo vẽ trực tiếp; vì vậy, viễn thám trở thành công cụ đắc lực trợ giúp
nhiệm vụ này. Việc đánh giá chuyển đổi sử dụng đất từ các loại đất khác
sang đất ở cũng rất cần thiết trong nghiên cứu đô thị hóa. Quá trình đô thị
hóa không chỉ làm gia tăng bề mặt không thấm mà còn xuất hiện cả những
mảnh đất trống trong đô thị do bỏ hoang đất canh tác nông nghiệp hoặc các
dự án “treo”. Lập bản đồ đất xây dựng và đất trống là nhiệm vụ quan trọng vì
sự có mặt của các đối tượng này là chỉ báo của mức độ phát triển đô thị
cũng như chất lượng môi trường. Một trong những phương pháp thường
được sử dụng trong lập bản đồ sử dụng đất đô thị là phân loại ảnh, tuy
nhiên phương pháp dung ảnh chỉ số cho kết quả nhanh chóng và hiệu quả
hơn. Chen và cộng sự đã phân loại sử dụng đất đô thị từ ảnh viễn thám
bằng nhiều chỉ số khu vực Đồng bằng sông Châu – Trung Quốc với độ chính
xác cao [1]. Các chỉ số thường dùng để lập bản đồ đất xây dựng và đất
trống trong khu vực đô thị như NDBI (Normalised Difference Built-Up
Index), IBI (Index-based Built-Up Index), UI (Urban Index), NDBaI
(Normalised Difference Bareness Index), và BI (Bare soil index) được sử dụng
trong rất nhiều nghiên cứu. Chỉ số NDBI và UI cho phép lập bản đồ đất xây
dựng và đất trống rất nhanh nhưng không thể phân biệt được đất xây dựng
và đất trống. He và cộng sự đã cho biết lý do không phân biệt được đất trống
và đất xây dựng khi dùng hai chỉ số này là do tnh phức tạp của hành vi phản
xạ phổ của các đối tượng thực vật, đất trống và đất xây dựng, đặc biệt là
những pixel hỗn hợp [2]. Nghiên cứu này sẽ sử dụng một chỉ số mới để nâng
cao khả năng phân biệt đất xây dựng và đất trống trong khu vực đô thị đầy
phức tạp với nhiều đối tượng có kích thước rất nhỏ EBBI
(Enhanced Built-Up and Bareness Index) và thử nghiệm cho khu vực Hà Nội.
Kết quả nghiên cứu sẽ được kiểm chứng và so sánh với nhiều chỉ số khác.
Luận văn chọn khu vực nghiên cứu Thành phố Hà Nội là nơi có mật độ
dân cư đông, và có tốc độ phát triển, xây dựng khá là nhanh dẫn đến việc
khó khăn trong công tác quản lý cũng như đo đạc. Kết quả nghiên cứu của
luận văn sẽ góp phần tạo điều kiện thuận lợi cho công tác điều tra khảo sát
về đất xây dựng và đất trống khu vực Hà Nội.
2. Mục têu của đề tài
Đánh giá độ chính xác chiết tách đất xây dựng và đất trống khu vực đô
thị từ ảnh viễn thám bằng ảnh chỉ số.
3. Phương pháp nghiên cứu
3.1. Phương pháp tổng hợp kế thừa
Nghiên cứu tài liệu của các tác giả khác đã công bố liên quan đến đề
tài: tài liệu về cơ sở khoa học viễn thám, tài liệu về nghiên cứu đô thị, GIS, tài
liệu về điều kiện tự nhiên và kinh tế xã hội khu vực thực nghiệm,…Đề tài kế
thừa các thành tựu của khoa học viễn thám, tiếp thu một số kỹ thuật xử ảnh
vệ tinh, từ đó phát triển và xây dựng cơ sở lý luận cho đề tài.
3.2. Kỹ thuật phân tch, xử lý ảnh viễn thám: Ảnh viễn thám ghi nhận
thông tn trung thực, khách quan về bề mặt Trái Đất, tuy nhiên để có được
kết quả tin cậy cần phải vận dụng kết hợp nhiều kỹ thuật xử lý ảnh một cách
linh hoạt và sáng tạo. Đề tài sẽ sử dụng một số kỹ thuật như hiệu chỉnh hình
học, hiệu chỉnh bức xạ (tính giá trị phản xạ phổ từ giá trị số) cho ảnh vệ tnh
Landsat 8, kỹ thuật tạo ảnh chỉ số,…
3.3. Phương pháp nghiên cứu thực địa: Phương pháp này áp dụng để
thu thập thông tin về lớp phủ phục vụ quá kiểm chứng kết quả nghiên
cứu. Kết quả xử lý ảnh trong phòng được đem ra thực địa để đối chiếu và bổ
sung các thông tn cần thiết mà tư liệu viễn thám không phản ánh hết hoặc
có sự thay đổi (đặc biệt là sự biến đổi theo mùa của thực vật).
3.4. Phương pháp bản đồ
Bản đồ giúp tìm hiểu những thông tin ban đầu về lãnh thổ nghiên
cứu như vị trí địa lý, điều kiện tự nhiên (khí hậu, thủy văn, lớp phủ,…), kinh
tế xã hội (dân số, cơ sở hạ tầng,…). Ngược lại, bản đồ là phương tiện để thể
hiện sự phân bố không gian của đối tượng nghiên cứu: phân bố không gian
các loại lớp phủ, đặc biệt là đất trống và đất xây dựng. Kết quả nghiên cứu
được thể hiện dưới dạng bản đồ sẽ giúp người đọc dễ hiểu hơn so với việc
đọc các số liệu trong bảng biểu.
4. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng quan về viễn thám, chiết tách đất xây dựng và
đất trống khu vực đô thị từ ảnh viễn thám.
- Nghiên cứu cơ sở khoa học chiết tách thông tn đất xây dựng và đất
trống khu vực đô thị, bao gồm kỹ thuật tiền xử lý ảnh, các phương pháp
chiết tách thông tin viễn thám và phương pháp đánh giá độ chính xác.
- Thực nghiệm đánh giá độ chính xác ứng dụng chỉ số EBBI, UI, IBI, NDBI
chiết tách đất xây dựng và đất trống khu vực Hà Nội từ ảnh viễn thám.
5. Cấu trúc của luận văn
Luận văn được cấu trúc thành 3 chương:
Chương 1. Tổng quan về chiết tách đất xây dựng và đất trống khu vực đô
thị từ ảnh viễn thám.
Chương 2. Cơ sở khoa học chiết tách thông tin đất xây dựng và đất
trống khu vực đô thị.
Chương 3. Thực nghiệm đánh giá độ chính xác ứng dụng chỉ số EBBI, UI,
IBI, NDBI chiết tách đất xây dựng và đất trống khu vực Hà Nội từ ảnh viễn
thám.
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CHIẾT TÁCH ĐẤT XÂY DỰNG
VÀ ĐẤT TRỐNG KHU VỰC ĐÔ THỊ TỪ ẢNH VIỄN THÁM
1.1. Tổng quan về viễn thám
1.1.1. Khái niệm, phân loại viễn thám
a. Khái niệm
Viễn thám được hiểu là một khoa học và nghệ thuật để thu nhận
thông tin về một đối tượng, một khu vực hoặc một hiện tượng thông qua
việc phân tch tài liệu thu nhận được bằng các phương tiện. Những phương
tiện này không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tượng, khu vực hoặc với hiện
tượng được nghiên cứu.
Thực hiện được những công việc đó chính là thực hiện viễn thám - hay
hiểu đơn giản: Viễn thám là thăm dò từ xa về một đối tượng hoặc một hiện
tượng mà không có sự tếp xúc trực tiếp với đối tượng hoặc hiện tượng đó.
Mặc dù có rất nhiều định nghĩa khác nhau về viễn thám, nhưng mọi
định nghĩa đều có nét chung, nhấn mạnh "viễn thám là khoa học thu nhận từ
xa các thông tin về các đối tượng, hiện tượng trên Trái Đất" [3].
b. Phân loại viễn thám
Sự phân biệt các loại viễn thám căn cứ vào các yếu tố sau:
- Hình dạng quỹ đạo của vệ tinh.
- Độ cao bay của vệ tinh, thời gian còn lại của một quỹ đạo.
- Dải phổ của các thiết bị thu.
- Loại nguồn phát và tín hiệu thu nhận.
Có hai phương thức phân loại viễn thám chính là:
Phân loại theo nguồn tn hiệu
Căn cứ vào nguồn của ta tới mà viễn thám được chia làm hai loại (hình
1.1):
- Viễn thám chủ động: nguồn tia tới là ta sáng phát ra từ các thiết bị
nhân tạo, thường là các máy phát đặt trên các thiết bị bay.
Hình 1.1. Viễn thám chủ động và viễn thám bị động
- Viễn thám bị động: nguồn phát bức xạ là Mặt Trời hoặc từ các vật chất
tự nhiên. Hiện nay, việc ứng dụng phối hợp giữa viễn thám và các công nghệ
vũ trụ đã trở nên phổ biến trên phạm vi toàn cầu. Các nước có nền công
nghệ vũ trụ phát triển đã phóng nhiều vệ tinh lên quỹ đạo, trên đó có mang
nhiều thiết bị viễn thám khác nhau. Các trạm thu mặt đất phân bố đều trên
toàn cầu có khả năng thu nhận nhiều loại tư liệu viễn thám do vệ tnh truyền
xuống.
* Phân loại theo đặc điểm quỹ đạo
Có hai nhóm chính là viễn thám vệ tinh địa tĩnh và viễn thám vệ tinh quỹ
đạo cực (hay gần cực) (hình 1.2) [3].
Căn cứ vào đặc điểm quỹ đạo vệ tnh, có thể chia ra hai nhóm vệ tinh là:
- Vệ tinh địa tĩnh là vệ tinh có tốc độ góc quay bằng tốc độ góc quay của
Trái Đất, nghĩa là vị trí tương đối của vệ tnh so với Trái Đất là đứng yên.
- Vệ tinh quỹ đạo cực (hay gần cực) là vệ tnh có mặt phẳng quỹ đạo
vuông góc hoặc gần vuông góc so với mặt phẳng xích đạo của Trái Đất. Tốc
độ quay của vệ tinh khác với tốc độ quay của Trái Đất và được thiết kế riêng
sao cho thời gian thu ảnh trên mỗi vùng lãnh thổ trên mặt đất là cùng giờ địa
phương và thời gian thu lặp lại là cố định đối với 1 vệ tinh (ví dụ LANDSAT là
18 ngày, SPOT là 26 ngày,…).
Trên hai nhóm vệ tinh nói trên đều có thể áp dụng nhiều phương
pháp
thu nhận thông tin khác nhau tùy theo sự thiết kế của nơi chế
tạo.
Hình 1.2. Vệ tinh địa tĩnh (trái) và vệ tinh quỹ đạo gần cực (phải)
* Phân loại theo dải sóng thu nhận
Theo bước sóng sử dụng, viễn thám có thể được phân ra thành 3
loại
cơ bản:
- Viễn thám trong dải sóng nhìn thấy và hồng ngoại.
- Viễn thám hồng ngoại nhiệt.
- Viễn thám siêu cao tần.
Mặt Trời là nguồn năng lượng chủ yếu đối với nhóm viễn thám trong dải
sóng nhìn thấy và hồng ngoại. Mặt Trời cung cấp một bức xạ có bước sóng ưu
thế ở 0,5 μm. Tư liệu viễn thám thu được trong dải sóng nhìn thấy phụ thuộc
chủ yếu vào sự phản xạ từ bề mặt vật thể và bề mặt Trái Đất. Các thông tin
về vật thể được xác định từ các phổ phản xạ.
Mỗi vật thể ở nhiệt độ bình thường đều tự phát ra một bức xạ có đỉnh
tại
bước sóng 10 μm.
Nguồn năng lượng sử dụng đối với viễn thám hồng ngoại nhiệt do chính
vật thể sản sinh ra.
Viễn thám siêu cao tần sử dụng bức xạ siêu cao tần có bước sóng từ
một đến vài chục centimet. Nguồn năng lượng sử dụng đối với viễn thám
siêu cao tần chủ động được chủ động phát ra từ máy phát. Kỹ thuật ra đa
thuộc viễn thám siêu cao tần chủ động. Ra đa chủ động phát ra nguồn năng
lượng tới các vật thể, sau đó thu lại được những bức xạ, tán xạ hoặc phản xạ
từ vật thể.
Nguồn năng lượng sử dụng đối với viễn thám siêu cao tần bị động do
chính vật thể phát ra. Bức xạ kế siêu cao tần là bộ cảm thu nhận và phân tích
bức xạ siêu cao tần của vật thể [2].
Hình 1.3. Sơ đồ phân loại viễn thám theo bước sóng
1.1.1. Những nguyên lý cơ bản của viễn thám
Sóng điện từ được phản xạ hoặc bức xạ từ vật thể là nguồn cung cấp
thông tin chủ yếu về đặc tính của đối tượng. Ảnh viễn thám cung cấp
thông tin về các vật thể tương ứng với năng lượng bức xạ ứng với từng
bước sóng đã xác định. Đo lường và phân tích năng lượng phản xạ phổ ghi
nhận bởi ảnh viễn thám, cho phép tách thông tn hữu ích về từng lớp phủ
mặt đất khác nhau do sự tương tác giữa bức xạ điện từ và vật thể.
Thiết bị dùng để cảm nhận sóng điện từ phản xạ hay bức xạ từ vật thể
được gọi là bộ cảm biến. Bộ cảm biến có thể là các máy chụp ảnh hoặc máy
quét. Phương tiện mang các bộ cảm biến được gọi là vật mang (máy
bay, khinh khí cầu, tàu con thoi hoặc vệ tnh,…). Hình 1.4 thể hiện sơ đồ
nguyên lý thu nhận ảnh viễn thám.
Nguồn năng lượng chính thường sử dụng trong viễn thám là bức xạ Mặt
Trời, năng lượng của sóng điện từ do các vật thể phản xạ hay bức xạ được bộ
cảm biến đặt trên vật mang thu nhận.
Thông tin về năng lượng phản xạ của các vật thể được ảnh viễn thám
thu nhận và xử lí tự động trên máy hoặc giải đoán trực tếp từ ảnh dựa trên
kinh nghiệm của chuyên gia. Cuối cùng, các dữ liệu hoặc thông tin liên quan
đến các vật thể và hiện thượng khác nhau trên mặt đất sẽ được ứng
dụng vào trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: nông lâm nghiệp, địa chất,
khí tượng, môi trường,…
Hình 1.4. Nguyên lý thu nhận dữ liệu viễn thám
Toàn bộ quá trình thu nhận và xử lí ảnh viễn thám có thể chia thành 5
phần cơ bản như sau:
- Nguồn cung cấp năng lượng;
- Sự tương tác của năng lượng với khí quyển;
- Sự tương tác với các vật thể trên bề mặt đất;
- Chuyển đổi năng lượng phản xạ từ vật thể thành dữ liệu ảnh;
- Hiển thị ảnh số cho việc giải đoán và xử lí.
Năng lượng của sóng điện từ khi lan truyền qua môi trường khí quyển
sẽ bị các phân tử khí hấp thụ dưới các hình thức khác nhau tuỳ thuộc vào
từng bước sóng cụ thể. Trong viễn thám, người ta thường quan tâm đến khả
năng truyền sóng điện từ trong khí quyển, vì các hiện tượng và cơ chế
tương tác giữa sóng điện từ với khí quyển sẽ có tác động mạnh đến
thông tin do bộ cảm biến thu nhận được. Khí quyển có đặc điểm quan trọng
đó là tương tác khác nhau đối với bức xạ điện từ có bước sóng khác nhau.
Đối với viễn thám quang học, nguồn năng lượng cung cấp chủ yếu là do Mặt
Trời và sự có mặt cũng như thay đổi các các phân tử nước và khí (theo không
gian và thời gian) có trong lớp khí quyển là nguyên nhân gây chủ yếu gây nên
sự biến đổi năng lượng phản xạ từ mặt đất đến bộ cảm biến. Khoảng 75%
năng lượng Mặt Trời khi chạm đến lớp ngoài của khí quyển được truyền
xuống mặt đất và trong quá trình lan truyền sóng điện từ luôn bị khí quyển
hấp thụ, tán xạ và khúc xạ trước khi đến bộ cảm biến. Các loại khí như oxy,
nitơ, cacbonic, ôzôn, hơi nước,… và các phân tử lơ lửng trong khí quyển là
tác nhân chính ảnh hưỏng đến sự suy giảm năng lượng sóng điện từ trong
quá trình lan truyền.
Để hiểu rõ cơ chế tương tác giữa sóng điện từ và khí quyển và việc
chọn phổ điện từ để sử dụng cho việc thu nhận ảnh viễn thám, bảng
1.1 thể hiện đặc điểm cuả dải phổ điện từ thường được sử dụng trong kỹ
thuật viễn thám [2].
Bảng 1.1. Đặc điểm của dải phổ điện từ sử dụng trong kỹ thuật viễn thám
Dải phổ điện từ
Bước sóng
Đặc điểm
Hấp thụ mạnh bởi lớp khí quyển ở tầng cao
(tầng ôzôn), không thể thu nhận năng lượng do
Tia cực tím
0,3 ÷ 0,4 μm
dải sóng này cung cấp nhưng hiện tượng này
lại bảo vệ con người tránh tác động của ta cực
tm.
Rất ít bị hấp thụ bởi oxy, hơi nước và năng
lượng phản xạ cực đại ứng với bước sóng 0,5
Tia nhìn thấy
0,4 ÷ 0,76 μm μm trong khí quyển. Năng lượng do dải sóng
này cung cấp giữ vai trò trong viễn thám.
Năng lượng phản xạ mạnh ứng với các bước
Cận hồng ngoại
0,77÷1,34 μm sóng cận hồng ngoại từ 0,77 ÷ 0,9 μm. Sử
Hồng ngoại trung 1,55 ÷ 2,4 μm dụng trong chụp ảnh hồng ngoại theo dõi
sự biến đổi thực vật từ 1,55 ÷ 2,4 μm
Một số vùng bị hơi nước hấp thụ mạnh,
dải
Hồng ngoại
nhiệt
3 ÷ 22 μm
sóng này giữ vai trò trong phát hiện cháy rừng
và hoạt động núi lửa. Bức xạ nhiệt của Trái
Đất của năng lượng cao nhất tại bước sóng 10
μm
Khí quyển không hấp thụ mạnh năng lượng
Vô tuyến (rada)
1 mm ÷ 30 cm
các bước sóng lớn hơn 2 cm, cho phép thu
nhận năng lượng cả ngày lẫn đêm, không bị
ảnh hưởng của mây, sương mù hay mưa.
1.2. Tổng quan về chiết tách đất xây dựng và đất trống khu vực đô thị từ
ảnh viễn thám
Thuật ngữ đất xây dựng và đất trống trong luận văn được hiểu như sau:
- Đất xây dựng bao gồm tất cả bề mặt không thấm của các công trình
như là nhà cửa, đường xá, các công trình xây dựng, các nhà máy,...
- Đất trống bao gồm bề mặt không có thực vật che phủ ví dụ như đất
nông nghiệp bỏ hoang, các dự án treo chưa triển khai,...
Với bản chất việc “chụp” ảnh là đo giá trị phần trăm phản xạ của năng
lượng sóng điện từ từ các đối tượng trên mặt đất, viễn thám có ưu thế cơ
bản trong theo dõi biến động lớp phủ. Bề mặt lớp phủ lại phản ánh tác động
của con người thông qua loại hình sử dụng đất. Với ưu thế đặc biệt của viễn
thám là không gian đối tượng nghiên cứu, tư liệu viễn thám đa thời gian đáp
ứng được yêu cầu về khả năng cập nhật và tính chu kì trong theo dõi biến
động.
Kết quả khảo sát khả năng sử dụng một số loại ảnh vệ tinh trong
công tác quản lý đất đai cho thấy rằng:
Ảnh LansatTM và ETM+ có độ phân giải không gian là 30 m đối với kênh
đa phổ, kênh toàn sắc là 15 m. Loại này sử dụng để theo dõi và chỉnh lý
những biến động lớn trong quá trình sử dụng đất ở quy mô cấp tỉnh. Ảnh
toàn sắc có thể sử dụng để thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất ở tỷ lệ
1:50 000 hoặc nhỏ hơn.
Ảnh SPOT, độ phân giải không gian là 20 m đối với các kênh ảnh đa phổ
và 10 m đối với các kênh toàn sắc. Ảnh này có thể dùng nghiên cứu biến động
sử dụng đất ở tỷ lệ 1:50 000 và nhỏ hơn. Có thể theo dõi biến động sử
dụng đất ở cấp huyện và cấp tỉnh.
Ảnh ASTER có độ phân giải không gian là 15 m, 15 kênh phổ. Dùng để
theo dõi biến động sử dụng đất, hoặc thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng
đất cấp tỉnh, huyện với tỷ lệ 1:25 000.
Phương pháp viễn thám được ứng dụng rất có hiệu quả cho việc
nghiên
cứu sử dụng đất và lớp phủ mặt đất vì những lý do sau:
- Các ảnh của một vùng rộng lớn có thể thu nhận sự thay đổi một
cách rất nhanh chóng.
- Các ảnh có độ phân giải thích hợp với việc phân loại các đối tượng
trong việc quan sát.
- Ảnh viễn thám có thể giải quyết các công việc mà thông thường
quan sát trên mặt đất rất khó.
- Phân tích ảnh nhanh hơn và rẻ hơn rất nhiều so với quan sát thực địa.
- Ảnh cung cấp các thông tn mà trong khi quan sát thực địa có thể bỏ
sót.
- Các ảnh có thể cung cấp một tập hợp các thông tn để đối chiếu so
sánh các hiện tượng có sự thay đổi lớn như: sử dụng đất, lớp phủ mặt
đất như rừng, nông nghiệp, thuỷ văn và sự phát triển đô thị.
Tuy nhiên, phân tích ảnh viễn thám có một số thiếu sót là:
- Một số loài hình sử dụng đất khác nhau có thể không được phân
biệt trên ảnh.
- Nhiều thông tin theo chiều nằm ngang bị mất đi hoặc không rõ nét
trên ảnh viễn thám, những thông tn này thường rất có giá trị để phân loại
những đối tượng sử dụng đất.
- Đối với một vùng nhỏ thì chi phí cho sự nghiên cứu viễn thám trở nên
đắt hơn các phương pháp truyền thống, vì vậy sẽ không kinh tế.
Sự phân tích viễn thám cần phải được kiểm tra bằng các thông tin
mặt
đất tại các điểm điển hình, như vậy kết quả sẽ trở nên rất chính xác.
- Những công việc cần thực hiện:
a. Xác định hệ thống phân loại
Hệ thống phân loại cần được xác định, xây dựng để có thể phân biệt cả
các đối tượng sử dụng đất. Trong viễn thám, hệ thống phân loại phải phù
hợp với khả năng cung cấp thông tin của các tư liệu viễn thám.
Yêu cầu của bảng phân loại trong viễn thám là:
- Độ chính xác tối thiểu cho phân biệt các đối tượng sử dụng đất và lớp
phủ mặt đất phải đạt ít nhất 85%.
- Độ chính xác của việc phân tch trong bảng phân loại cần phải giống
nhau cho mọi đối tượng và thích hợp với khả năng cung cấp thông tin của tư
liệu.
- Kết quả phân tch khi dùng hệ thống phân loại đó cần phải được giống
nhau đối với những người giải đoán khác nhau.
- Hệ thống phân loại có thể được áp dụng cho nhiều vùng rộng lớn.
- Hệ thống phân loại có thể được sử dụng khi phân tch các tư liệu thu
được trong các thời gian khác nhau.
- Hệ thống phân loại cho phép dùng các bậc phân loại phụ sử dụng cho
việc quan sát mặt đất, hoặc phân tích từ các tư liệu viễn thám tỷ lệ lớn hơn.
- Sự tổng hợp của hệ thống phân loại phải được thực hiện một cách chi
tết
- Có thể so sánh với tài liệu sử dụng đất trong tương lai.
- Những đặc điểm sử dụng đất khác nhau có thể nhận biết được.
Theo nguyên tắc đó, việc xác định hệ thống phân loại là công việc đầu
tên rất quan trọng khi sử dụng tư liệu viễn thám để xây dựng bản đồ sử
dụng đất và lớp phủ mặt đất.
Trong quá trình nghiên cứu thành lập hệ thống chú giải cần lưu ý đến
tỷ lệ bản đồ cần thành lập và loại tư liệu viễn thám sử dụng. Ảnh màu giả
FCC là rất hữu hiệu cho việc phân tích các đối tượng sử dụng đất. Còn đối với
bản đồ tỷ lệ lớn 1/5.000 - 1/10.000 sử dụng ảnh vệ tinh độ phân giải cao
là tốt nhất. Ở Việt Nam, căn cứ vào hệ thống phân loại của bộ Tài nguyên và
Môi trường xây dựng ta có thể lựa chọn hệ thống chú giải thích hợp. Ví dụ,
để thành lập bản đồ sử dụng đất tỷ lệ 1/250.000 bằng phương pháp viễn
thám, có thể tham khảo bảng phân loại sau:
