Phân loại lớp phủ đô thị cho khu vực hà nội việt nam sử dụng ảnh vệ tinh venus

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
---------------------

NGUYỄN THỊ HỒNG LUYÊN

PHÂN LOẠI LỚP PHỦ ĐÔ THỊ
CHO KHU VỰC HÀ NỘI-VIỆT NAM
SỬ DỤNG ẢNH VỆ TINH VENUS

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH HỆ THỐNG THÔNG TIN

Hà Nội - 2019


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
---------------------

NGUYỄN THỊ HỒNG LUYẾN

PHÂN LOẠI LỚP PHỦ ĐÔ THỊ
CHO KHU VỰC HÀ NỘI-VIỆT NAM
SỬ DỤNG ẢNH VỆ TINH VENUS

CHUYÊN NGÀNH: HỆ THỐNG THÔNG TIN
MÃ SỐ: 8480104.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH HỆ THỐNG THÔNG TIN

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. BÙI QUANG HƯNG

Hà Nội - 2019


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan báo cáo luận văn “Phân loại lớp phủ đô thị cho khu vực Hà
Nội-Việt Nam sử dụng ảnh vệ tinh Venus” được viết bởi cá nhân tôi dưới sự định
hướng của thầy giáo, TS. Bùi Quang Hưng và sựu hướng dẫn trực tiếp của NCS.
Phạm Tuấn Dũng. Tất cả các kết quả đạt được trong luận văn là quá trình tìm hiểu,
nghiên cứu, khảo sát, xây dựng kết hợp với kinh nghiệm của riêng tôi và sự chỉ dẫn
của thầy giáo, TS. Bùi Quang Hưng. Nội dung trình bày trong luận văn là của cá
nhân tôi hoặc và được tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu tham khảo khác đều có xuất
xứ rõ ràng và được trích dẫn hợp pháp.
Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy
định cho lời cam đam của mình.
Hà Nội, ngày 10 tháng 08 năm 2019
Người cam đoan
Nguyễn Thị Hồng Luyến


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới thầy giáo, TS. Bùi
Quang Hưng, cô giáo, PGS. Nguyễn Thị Nhật Thanh, người đã trực tiếp hướng dẫn
và giúp đỡ tôi về phương pháp tiếp cận, chỉ bảo tôi những kinh nghiệm, cũng như
những tài liệu tham khảo để giúp tôi hoàn thành đề tài này. Tôi cũng xin gửi lời cảm
ơn chân thành nhất đến NCS.Phạm Tuấn Dũng, NCS.Mẫn Đức Chức, Thạc sỹ Phan
Anh thuộc trung tâm Công nghệ tích hợp liên ngành Giám sát hiện trường (FIMO
center), trường Đại học Công nghệ đã luôn theo sát, chỉ tôi cách tiếp cận vấn đề một
cách thực tiễn nhất trong quá trình nghiên cứu luận văn.
Tôi cũng bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới các thầy, cô giáo đã giảng dậy tôi

trong thời gian tôi học tập tại trường Đại học Công nghệ.
Tôi xin gửi lời cảm ơn đến người thân, bạn bè, đồng nghiệp những người đã
dành thời gian nghe những lời chia sẻ, tâm sự của tôi và đưa ra những lời khuyên,
lời động viên chân thành và quý báu giúp tôi thêm tinh thần phấn đấu, hoàn thành
mục tiêu học tập nâng cao kiến thức.
Hà Nội, ngày 10 tháng 8 năm 2019
Học viên thực hiện luận văn


MỤC LỤC

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ........................................................................... 1
1. Tổng quan bài toán nghiên cứu: ................................................................ 1
2. Giới thiệu tổng quan về viễn thám và dữ liệu viễn thám .......................... 1
2.1. Khái niệm về viễn thám ......................................................................... 1
2.2. Nguyên lý thu nhận dữ liệu viễn thám ................................................... 3
2.3. Phân loại viễn thám với các hệ thống cảm biến tự động: ...................... 7
2.4. Các đặc trưng cơ bản của ảnh viễn thám ............................................. 11
3. Ứng dụng ảnh viễn thám để phân loại lớp phủ mặt đất và lớp phủ đô thị .....14
3.1. Ứng dụng ảnh viễn thám để phân loại lớp phủ mặt đất ....................... 14
3.2. Ứng dụng ảnh viễn thám để phân loại lớp phủ đô thị.......................... 16
3.3. Bài toán phân lớp phủ đô thị ở Việt Nam ............................................ 16
4. Dữ liệu vệ tinh Venus ............................................................................. 17
4.1. Giới thiệu tổng quan vệ tinh Venus ..................................................... 17
4.2. Đặc trưng cơ bản và định dạng ảnh vệ tinh Venus: ............................. 18
5. Mục đích và ý nghĩa của bài toán được giải quyết trong luận văn ......... 20
5.1. Ý nghĩa khoa học ................................................................................. 20
5.2. Ý nghĩa thực tiễn .................................................................................. 20
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP PHÂN LOẠI LỚP PHỦ ĐÔ THỊ .......... 21
1. Các phương pháp phân loại lớp phủ mặt đất và lớp phủ đô thị sử dụng

ảnh viễn thám .............................................................................................. 21
1.1. Các phương pháp phân loại lớp phủ mặt đất ....................................... 21
1.2. Các phương pháp phân loại lớp phủ đô thị .......................................... 22
2. Một số phương pháp kết hợp ảnh............................................................ 22
3. Các phương pháp học máy nền tảng trong nghiên cứu phân lớp phủ .... 24
3.1 Support Vector Machine ....................................................................... 24
3.2 Artificial Neural Network ..................................................................... 25


3.3 eXtreme Gradient Boosting .................................................................. 26
4. Các chỉ số đánh giá ................................................................................. 27
CHƯƠNG 3. MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ
THỰC NGHIỆM PHÂN LOẠI LỚP PHỦ CHO THỦ ĐÔ HÀ NỘI –
VIỆT NAM SỬ DỤNG ẢNH VỆ TINH VENUS ....................................... 30
1. Yêu cầu về hệ thống và các công cụ sử dụng trong thực nghiệm........... 30
2. Tiền xử lý dữ liệu .................................................................................... 31
2.1. Trích xuất dữ liệu khu vực Hà Nội ...................................................... 31
2.2. Quá trình kết hợp ảnh ........................................................................... 31
3. Đánh giá phân loại lớp phủ cho thủ đô Hà Nội – Việt Nam sử dụng ảnh
vệ tinh Venus............................................................................................... 33
3.1. Xây dựng bộ dữ liệu học và kiểm tra với ảnh Venus đơn ................... 33
3.2. Sơ đồ thực nghiệm quá trình kết hợp và phân lớp ảnh ........................ 35
3.3. Kết quả ................................................................................................. 35
KẾT LUẬN .................................................................................................... 41
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 42
PHỤ LỤC ......................................................................................................... 1


DANH SÁCH BẢNG SỬ DỤNG
Bảng 1.1 Bảng so sánh một số đặc tính của các ảnh vệ tinh ..................................... 14

Bảng 1.2 Đặc điểm ảnh vệ tinh Venus ...................................................................... 19
Bảng 2. 1 Đặc trưng các phương pháp kết hợp ảnh .................................................. 23
Bảng 3.1 Thống kê tập dữ liệu ảnh Venus ................................................................ 31
Bảng 3.2 Tổng hợp về các chỉ số Year score, DOY score, Opacity score................ 33
Bảng 3.4 Tập điểm mẫu dữ liệu huấn luyện và dữ liệu kiểm tra .............................. 39


DANH SÁCH HÌNH VẼ SỬ DỤNG
Hình 1.1 Quá trình thu nhận dữ liệu trong viễn thám ................................................. 4
Hình 1.2 Nguyên lý thu nhận của ảnh viễn thám ........................................................ 5
Hình 1.3 Giới thiệu về cấu tạo hệ thống viễn thám điển hình .................................... 6
Hình 1.4 Hệ thống cảm biến bị động (ảnh phía trên) và cảm biến chủ động (ảnh. bên dưới)7
Hình 1.5 Vệ tinh địa tĩnh và Vệ tinh quỹ đạo cực .................................................... 10
Hình 1.6 Các bước sóng thường được sử dụng trong viễn thám .............................. 11
Hình 1.7 Độ phân giải về không gian của ảnh vệ tinh .............................................. 11
Hình 1.8 Độ phân giải phổ của ảnh vệ tinh ............................................................... 12
Hình 1.9 Bản đồ sự thay đổi phân lớp phủ đất cho đồng bằng sông Hồng tính
đến năm 2010 ........................................................................................................... 15
Hình 1.10 Ảnh vệ tinh Venus .................................................................................... 18
Hình 2.1 Ví dụ về mô hình tri giác đa lớp multilayer perceptron (MLP) ................. 25
Hình 2.2 Ví dụ về Confusion Marix ......................................................................... 28
Hình 3.1 Sơ đồ tổng quan cho quá trình thực nghiệm .............................................. 35
Hình 3.2 Ảnh đại diện cho DOY 15 với tổ hợp màu giả đô thị (Kênh 5-4-7) .......... 36
Hình 3.3 Ảnh đại diện cho DOY 75 với tổ hợp màu giả đô thị (Kênh 4-5-7) .......... 37
Hình 3.4 Ảnh đại diện cho DOY 135 với tổ hợp màu giả đô thị (Kênh 5-4-7 ......... 37
Hình 3.5 Ảnh đại diện cho DOY 195 với tổ hợp màu giả đô thị (Kênh 4-5-7) ........ 38
Hình 3.6 Ảnh đại diện cho DOY 255 với tổ hợp màu giả đô thị (Kênh 4-5-7) ........ 38
Hình 3.7 Ảnh đại diện cho DOY 315 với tổ hợp màu giả đô thị (Kênh 5-4-7) ........ 39

DANH SÁCH THUẬT NGỮ TIẾNG ANH VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT
Ý nghĩa

Thuật ngữ

Viết tắt

Hệ thống thông tin địa lý

GIS

Land cover

Lớp phủ đất

LC

Land use and land cover

Sử dụng đất và phân lớp che phủ đất

LULCC

Geographic Information
System

classification
Instantaneous

field

of Trường quan sát hiện thời

IFOV

view
Thermal Infrared Sensor

Cảm biến hồng ngoại nhiệt

TIRS

Centre National d’Etudes Trung tâm nghiên cứu không gian quốc CNES
Spatiales

gia (Pháp)

Israeli Space Agency

Cơ quan không gian Israel

ISA

Top of the Atmosphere

Đỉnh của tầng khí quyển

TOA

Thermal Infrared

Hồng ngoại nhiệt

Digital Elevation Model

Mô hình số độ cao (bề mặt đất, tầng

DEM

đất,..)
Pixel

Điểm ảnh

Band

Kênh ảnh

United States Geological

Cục Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ

USGS

Survey
National Aeronautics and Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Hoa Kỳ NASA
Space Administration
Operational Land Imager Bộ thu nhận ảnh mặt

OLI

Thermal Infrared Sensor

TIRS

Bộ cảm biến hồng ngoại nhiệt

Google Earth Engine
Best-Available-Pixel

GEE
Phương pháp lựa chọn điểm ảnh tốt
nhất

BAP


1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1. Tổng quan bài toán nghiên cứu:
1.1. Khu vực nghiên cứu:
Hà Nội có mức độ tăng trưởng đô thị nhanh, do đó cần có kế hoạch phát triển
đô thị toàn diện cùng với các biện pháp quy hoạch thích hợp cần được nhà nước có
chính sách đưa ra và thực hiện kịp thời.
Lý do chọn Hà Nội: do đây là khu vực phi nông nghiệp chủ yếu được che
phủ bởi các bề mặt không thấm nước và thảm thiên nhiên.
Thành phố Hà Nội chủ yếu được chia thành khu vực nông nghiệp (56,6%) và
khu vực phi nông nghiệp (40,6%) trong năm 2010 [1]. Các khu vực phi nông nghiệp
chủ yếu được che phủ bởi các bề mặt không thấm nước và cảnh quan thiên nhiên.
Qua quá trình điều tra hai lớp LC cho Hà Nội, bao gồm khu vực không thấm nước

gán với lớp phủ đô thị và các lớp khác còn lại để xác định mật độ phủ đô thị.
Nhiều mô hình tăng trưởng đô thị có khái niệm hóa động lực tăng trưởng theo
từng giai đoạn hoặc chu kỳ, thay vì tuyến tính trong không gian hoặc thời gian. Kết quả
là rất khó để mô hình hóa sự phức tạp của khu vực đô thị trong một mô hình duy nhất.
1.2. Mục tiêu nghiên cứu:
- Nghiên cứu về cách áp dụng phương pháp phân lớp ảnh vệ tinh Venus, sử
dụng các thuật toán phân lớp để phân lớp phủ đô thị cho thủ đô Hà Nội năm 2018
và tính toán độ chính xác cho kết quả đạt được. Phát triển thêm hướng nghiên cứu
kết hợp ảnh vệ tinh Venus (composite) để phân lớp. Thu thập và phân loại tập dữ
liệu để phân loại lớp phủ đô thị cho ảnh ảnh Venus kết hợp, đưa ra bản đồ phân lớp
phủ đô thị và đánh giá độ chính xác so với phân lớp ảnh đơn.
- Định lượng tốc độ tăng trưởng đô thị tại Hà Nội bằng cách sử dụng các số
liệu không gian;
2. Giới thiệu tổng quan về viễn thám và dữ liệu viễn thám
2.1. Khái niệm về viễn thám
Khái niệm 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 sự tác


2
động một cách gián tiếp (ví dụ như qua các bước sóng ánh sáng) với đối tượng
nghiên cứu cụ thể [3].
Công nghệ viễn thám là một trong những thành tựu khoa học vũ trụ nổi bật,
hiện nay đã phát triển đến trình độ cao và ngày càng trở thành một kỹ thuật phổ
biến được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực kinh tế, xã hội ở nhiều nước trên
toàn thế giới. Dữ liệu viễn thám có thể được sử dụng trong các lĩnh vực: nông
nghiệp, lâm nghiệp, địa chất, thủy văn, giám sát về độ phủ của đất, biển,…
Dữ liệu viễn thám cung cấp nhiều thông tin quan trọng trong nhiều ứng dụng
giám sát như xử lý ảnh, phát hiện biến đổi và phân loại lớp phủ. Kỹ thuật viễn thám
là một trong những kỹ thuật quan trọng được áp dụng để thu thập thông tin liên

quan đến tài nguyên môi trường trên Trái đất. Các dữ liệu ảnh vệ tinh phổ biến, dễ
dàng tiếp cận và truy cập qua các ứng dụng bản đồ nổi tiếng như Google Earth,
Bing Maps, … Những ứng dụng của viễn thám đã giúp xây dựng các kế hoạch để
theo dõi thiên tai và biến đổi của thời tiết khí hậu đồng thời đưa ra các chỉ dẫn
phòng vệ.
Các ảnh vệ tinh và dữ liệu viễn thám thu thập được bao gồm các dải quang
phổ, thông tin không gian và thời gian. Trong các số liệu liên quan đến các thành
phần của ảnh viễn thám, yếu tố chính ảnh hưởng đến tính chính xác của đối tượng
dưới mặt đất là độ phân giải không gian, trong khi đó độ phân giải thời gian sẽ hỗ
trợ việc xây dựng các bản đồ che phủ mặt đất được biến đổi theo thời gian, từ đó
giúp phát hiện sự thay đổi sử dụng đất và quy hoạch giao thông [3].
Bên cạnh đó, dữ liệu viễn thám còn có thể được sử dụng trong việc xây dựng
bản đồ về phá rừng, xác định sự tăng trưởng hay suy giảm loài vật, lập bản đồ về
cháy rừng. Tại các khu vực hẻo lánh nơi con người khó tiếp cận, hình ảnh vệ tinh là
một nguồn thông tin quan trọng cho mục đích quản lý và giám sát. Trong địa chất,
hình ảnh vệ tinh có thể được sử dụng để lập bản đồ cấu trúc và phân tích địa hình.
Ngày nay, công nghệ viễn thám kết hợp với hệ thông tin địa lý (GIS) được
áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau như:
Quản lý tài nguyên và môi trường:


3
- Quản lý tài nguyên đất: lập bản đồ và theo dõi biến động sử dụng đất, lập
bản đồ thổ nhưỡng, nghiên cứu xói mòn, thoái hóa đất, sa mạc hóa,…
- Quản lý và giám sát tài nguyên nước: lập bản đồ phân bố mạng lưới thủy văn,
bản đồ phân bố nước ngầm, theo dõi biến động lòng sông, giám sát chất lượng nước,…
- Giám sát tài nguyên và môi trường biển: lập bản đồ các hệ sinh thái nhạy
cảm như rừng ngập mặn, đất ngập nước, rạn san hô; theo dõi biến động đường bờ;
theo dõi tràn dầu,…
Lâm nghiệp: phân loại, kiểm kê rừng, đánh giá trữ lượng, sinh khối, theo dõi

diễn biến diện tích rừng, theo dõi cháy rừng,…
Nông nghiệp: phân loại và theo dõi biến động sử dụng đất nông nghiệp, theo
dõi mùa màng (sinh trưởng, năng suất, lịch gieo trồng, sâu bệnh)…
Nghiên cứu địa chất: thành lập bản đồ địa chất, bản đồ phân bố khoáng sản,
bản đồ phân bố nước ngầm,…
Quản lý biến đổi về thiên tai: theo dõi, dự báo thiên tai như sạt lở, ngập lụt,
biến đổi địa chất, cháy rừng…
Quản lý đô thị: quản lý cơ sở hạ tầng đô thị, theo dõi biến động đô thị, quy
hoạch đô thị, nghiên cứu hiện tượng đảo nhiệt đô thị,…
Y tế và chăm sóc sức khỏe cộng đồng: theo dõi diến biến khí hậu, thời tiết
(nhiệt độ, độ ẩm, lượng mưa,…), sự thay đổi chất lượng môi trường (không khí,
nước,…), qua đó đánh giá, dự báo các tác động đến sức khỏe cộng đồng.
2.2. Nguyên lý thu nhận dữ liệu viễn thám
Hiện nay có rất nhiều bộ cảm biến dữ liệu viễn thám được chế tạo để phục
vụ cho nhiều mục đích sử dụng khác nhau. Đặc trưng chủ yếu của các bộ cảm biến
là số kênh phổ được sử dụng, độ phân giải không gian và bề rộng tuyến chụp.
Người ta có thể sử dụng các vệ tinh nhân tạo để thu phát các ảnh viễn thám. Tùy
thuộc vệ tinh, bộ cảm biến sẽ được đặt ở độ cao và chuyển động theo một quỹ đạo
nhất định.
Các thiết bị này không tiếp xúc trực tiếp với các đối tượng, khu vực hoặc
hiện tượng nghiên cứu [3].


4

Hình 1.1 Quá trình thu nhận dữ liệu trong viễn thám
Nguồn ảnh: Nelson Mandela University
Một bức ảnh viễn thám cung cấp thông tin về các đối tượng dưới dạng năng
lượng bức xạ trong các bước sóng được ghi lại. Việc đo đạc và phân tích quang phổ
cho phép trích xuất các thông tin hữu ích về từng lớp phủ mặt đất khác nhau do sự

tương tác giữa bức xạ điện và vật thể.
Thiết bị dùng để cảm nhận sóng điện từ, phản xạ hoặc bức xạ từ vật thể được
gọi là bộ viễn cảm, thường gọi tắt là bộ cảm. Máy chụp ảnh hoặc máy quét là những
bộ viễn cảm. Các cảm biến có thể là các máy ảnh hoặc máy quét được gắn trên các
vật mang khác nhau. Bộ cảm giữ nhiệm vụ thu nhận các năng lượng bức xạ do vật
thể phản xạ từ nguồn cung cấp tự nhiên (mặt trời) hoặc nhân tạo do (do chính vệ
tinh phát). Năng lượng này được chuyển thành tín hiệu số (giá trị của pixel) tương
ứng với năng lượng bức xạ ứng với từng bước sóng do bộ cảm nhận được. Phương


5
tiện dùng để mang các bộ cảm gọi là vật mang, các vật mang này có thể là máy bay,
khinh khí cầu, tàu con thoi hoặc vệ tinh... (Hình 1.2 thể hiện một sơ đồ điển hình
cho việc thu nhận ảnh viễn thám). Bức xạ mặt trời là nguồn năng lượng chính được
sử dụng trong viễn thám. Các bước sóng điện từ được chuyển đến cảm biến nằm
trên các thiết bị mang.
Nguyên lý cơ bản của viễn thám đó là đặc trưng phản xạ hay bức xạ của các
đối tượng tự nhiên tương ứng với từng giải phổ khác nhau. Kết quả của việc giải
đoán các lớp thông tin phụ thuộc rất nhiều vào sự hiểu biết về mối tương quan giữa
đặc trưng phản xạ phổ với bản chất, trạng thái của các đối tượng tự nhiên. Những
thông tin về đặc trưng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên sẽ cho phép các nhà
chuyên môn chọn các kênh ảnh tối ưu, chứa nhiều thông tin nhất về đối tượng
nghiên cứu, đồng thời đây cũng là cơ sở để phân tích nghiên cứu các tính chất của
đối tượng, tiến tới phân loại chúng.

Hình 1.2 Nguyên lý thu nhận của ảnh viễn thám
Nguồn ảnh: />Một hệ thống viễn thám làm việc theo mô hình sau: đầu tiên năng lượng, có
thể phát ra từ mặt trời hoặc chính bản thân vệ tinh, gặp bề mặt Trái đất. Sau đó nó
được hấp thụ một phần, phản xạ và bức xạ trở lại bầu khí quyển. Trong bầu khí
quyển tia sáng có thể cũng bị hấp thụ, phản xạ hoặc bức xạ thêm nữa. Cảm biến vệ

6
tinh sẽ thu nhận tia phản xạ đến nó. Sau đó là quá trình truyền, nhận, xử lý và
chuyển đổi năng lượng bức xạ thành dữ liệu ảnh. Cuối cùng, công việc giải thích và
phân tích hình ảnh được áp dụng để có thể ứng dụng trong đời sống thực tế. Hình
2.3 mô tả các thành phần cơ bản của hệ thống viễn thám [3].

Hình 1.3 Giới thiệu về cấu tạo hệ thống viễn thám điển hình
Nguồn ảnh: Natural Resources Canada ()
Trong đó:
- A: Nguồn năng lượng hoặc ánh sáng
- B: Truyền năng lượng qua khí quyển
- C: Các vật thể được tương tác
- D: Vệ tinh
- E: Hệ thống thu nhận
- F: Hệ thống phân tích hình ảnh
- G: Hệ thống ứng dụng.
Nguồn năng lượng chính được dùng trong cảm biến tự động là bức xạ mặt
trời. Sóng điện từ được cảm biến bởi các bộ cảm biến tiếp nhận từ các chuyên chở.
Hệ thống cảm biến làm việc trên nhiều kiểu như: một chùm tia ánh sáng,
phát ra từ mặt trời hay vệ tinh đến trái đất bức xạ lại với tầng khí quyển. Ở tầng khí
quyển, chùm tia sáng cũng có thể bị bức xạ, bị tác động bức xạ bởi các tầng khí
quyển khác.


7
Trong không trung, cảm biến của vệ tinh sẽ ghi nhận các chùm tia phản xạ
lại. Sau đó là tiến trình truyền tải, thu nhận, xử lý và chuyển đổi năng lượng bức xạ
vào dữ liệu ảnh. Cuối cùng là diễn giải và phân tích ảnh hoàn thành để ứng dụng

vào thực tế [3].
2.3. Phân loại viễn thám với các hệ thống cảm biến tự động:
Các hệ thống cảm biến tự động có thể được phân loại theo các tiêu chí:
Nguồn năng lượng, quỹ đạo của vệ tinh, quang phổ đầu nhận,…
Phân loại dựa vào tiêu chí nguồn năng lượng: Các hệ thống cảm biến tự
động chủ động và bị động

Hình 1.4 Hệ thống cảm biến bị động (ảnh phía trên) và cảm biến chủ động
(ảnh bên dưới)
Nguồn ảnh: />

8
- Hệ thống cảm biến chủ động: 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. Nguồn năng lượng được tạo ra bởi một thiết bị nhân tạo,
thường là máy phát đặt trên các thiết bị bay.
- Hệ thống cảm biến bị động (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, và máy đo sóng radio. Nguồn năng lượng từ ánh sáng mặt trời, trong khoảng
thời gian mặt trời chiếu sáng vào bề mặt Trái đất.
Phân loại dựa vào tiêu chí quỹ đạo:
- Vệ tinh quỹ đạo 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 tinh so với trái đất là đứng yên. Các vệ
tinh thời tiết và truyền thông là những vệ tinh thuộc loại này.
Vệ tinh địa tĩnh hoạt động trong vành đai xích đạo ở độ cao khoảng 38.500 km

trên một điểm cố định so với bề mặt trái đất, với góc nhìn khoảng 17,40, có cùng tốc độ
quay của trái đất mỗi vòng trong một ngày đêm, nghĩa là đồng bộ với địa cầu, làm cho
nó như là tĩnh tại bên trên một điểm cố định ở đường xích đạo. Điều đó cho phép chúng
quan sát liên tục thời tiết từ 70 độ vĩ bắc đến 70 độ vĩ nam, nghĩa là 1/4 diện tích của toàn
địa cầu. Do tính chất tĩnh tại trên một điểm cố định nên chúng có thể quan sát thời tiết
trên một vùng cố định trong suốt ngày đêm, cứ 30 phút một quan sát bức xạ thị phổ và
bức xạ hồng ngoại với độ phân giải 5 km. Vệ tinh địa tĩnh đo đạc theo thời gian thực,
nghĩa là chúng truyền các ảnh về hệ thống thu nhận ở mặt đất ngay khi máy ghi hình ghi
được hình. Sự liên tiếp các ảnh từ những vệ tinh này có thể hiện lên màn hình liên tiếp,
tạo ra ảnh động, cho ta biết sự di chuyển của mây, cho phép các dự báo viên theo dõi


9
được sự tiến triển của các hệ thống thời tiết lớn như các cơn dông và bão. Dựa vào sự di
chuyển của mây ta còn có thể xác định được hướng và tốc độ gió.
- Vệ tinh quỹ đạo cực( hay gần cực): là vệ tinh 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, 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 : Venus có thời gian ghé thăm sau 2 ngày, LANDSAT 7 là 16 ngày,
SPOT là 26 ngày…
Vệ tinh quỹ đạo cực là vệ tinh bay ở độ cao khoảng 850km, có quỹ đạo gần
như song song với các đường kinh tuyến của trái đất. Tuy chúng được gọi là quỹ
đạo cực, nhưng thực chất là cận cực.
Ví dụ: Vệ tinh NOAA bay ở độ cao khoảng 850 km với góc nhìn 110,80,
quay quanh trái đất 14 vòng mỗi ngày, mỗi vòng hết 98 đến 102 phút. Khi trái đất
quay sang đông ở phía dưới vệ tinh, mỗi lần qua vệ tinh giám sát một khu vực về
phía tây so với lần qua trước. Các dải này có thể được ghép lại với nhau để tạo
thành một bức ảnh của một khu vực rộng lớn với độ phân giải 1 km. Trong một chu

kỳ quay ngày đêm nó có thể quan sát được toàn bộ trái đất, một nửa vào thời gian
ban ngày và một nửa vào thời gian ban đêm.
Đối với hầu hết các vệ tinh quỹ đạo cực người ta chọn sao cho nó đồng bộ
với mặt trời, nghĩa là góc nghêng của mặt phẳng quỹ đạo vệ tinh được giữ không
đổi so với mặt phẳng hoàng đạo suốt thời gian trong năm. Điều này đảm bảo cho vệ
tinh bay qua một địa phương đã cho vào cùng một giờ địa phương mỗi ngày. Vệ
tinh quỹ đạo cực không quan sát được thường xuyên liên tục như vệ tinh địa tĩnh,
nhưng thiết bị có thể đa dạng hơn, độ cao gần trái đất hơn nên nó cho ta thông tin
chi tiết hơn. Vệ tinh cực có ưu điểm là chụp trực tiếp được ảnh mây ở phía dưới nó
với độ phân giải rất cao nên chúng cho ta thông tin chi tiết về về mây, về các cơn
bão và những hệ thống thời tiết khắc nghiệt. [4]


10

Hình 1.5 Vệ tinh địa tĩnh và Vệ tinh quỹ đạo cực
Nguồn ảnh:
Tượng Vệ
Tinh (NXB Đại Học Quốc Gia 2007) - Nguyễn Văn Tuyên, Trang 17
Phân loại dựa vào ghi nhận quang phổ:
Gồm 3 loại:
- Viễn thám trong dải sóng nhìn thấy được và hồng ngoại: 0.4-0.76µm (1µm
= 1x10-3mm).
- Viễn thám hồng ngoại nhiệt: bước sóng từ 3-22µm
- Viễn thám siêu cao tần: 1mm-1m
Các loại quang phổ được dùng trong các hệ thống cảm biến tự động:
Có 5 loại thường được sử dụng quang phổ được sử dụng trong viễn thám như sau:
- Ánh sáng nhìn thấy được: là các bước sóng từ 0.4-0.76 microns ( 1 microns
= 1000 mm). Năng lượng được cung cấp bởi các bước sóng này tạo ra rất quan
trọng trong cảm biến tự động.

- Hồng ngoại gần: bước sóng từ 0.77-1.34 microns
- Hồng ngoại trung bình: bước sóng từ 1.55-2.4 microns
- Hồng ngoại nhiệt: bước sóng tù 3-22 microns
- Siêu cao tần: là các ánh sáng có bước sóng từ 1-30 microns
Tầng khí quyển không hấp thụ các bước sóng lớn hơn 2 cm mà nó cho phép năng
lượng ngày và đêm mà không có sự ảnh hưởng của các đám mây, sương mù và mưa [3].


11

Hình 1.6 Các bước sóng thường được sử dụng trong viễn thám
Nguồn
ảnh: />df
2.4. Các đặc trưng cơ bản của ảnh viễn thám
Ảnh vệ tinh là các hình ảnh về trái đất hoặc các hành tinh khác ghi nhận bởi
các vệ tinh quan sát. Các vệ tinh thường được vận hành bởi các tổ chức chính phủ,
hoặc các tổ chức kinh doanh trên thế giới. Hiện tại có rất nhiều vệ tinh quan sát và
chúng có đặc điểm chung như: độ phân giải về không gian, độ phân giải về quang
phổ, độ phân giải về phóng xạ độ phân giải về biểu thị thời gian. Chi tiết mô tả các
độ phân giải như sau [3]:
- Độ phân giải về không gian: là kích thước của pixel trên mặt đất, hay kích
thước của đối tượng nhỏ nhất có khả năng phân biệt trên ảnh. Tham chiếu IFOV(
Instantaneous Field of View) trường quan sát hiện thời – nó là vùng xung quanh
cảm biến vệ tinh nhìn thấy được.

Hình 1.7 Độ phân giải về không gian của ảnh vệ tinh


12
Nguồn ảnh: Introduction to Remote Sensing of Environment R.B. Smith (2002)

Ví dụ: Ảnh Venus có độ phân giải về không gian là 10m tức là vùng phủ của
Venus có độ phủ trên bề mặt trái đất là 10x10m.
- Độ phân giải phổ: Là số lượng và kích thước của các khoảng phổ mà các
bộ cảm thu nhận và ghi lại dữ liệu, có khả năng cảm biến để tiếp nhận từ ánh sáng
mặt trời. Nếu camera thông thường trên điện thoại có thể thấy các ánh sáng màu:
đỏ, xanh lá, xanh da trời thì nhiều cảm biến vệ tinh có thể cảm biến được các bước
sóng khác nhau như: cận hồng ngoại, hồng ngoại nhiệt, vi sóng (như radar). Ngoài
ra còn liên quan đến cơ chế ghi nhận thông tin phổ.

Hình 1.8 Độ phân giải phổ của ảnh vệ tinh
Ví dụ: cảm biến TIRS được gắn trên vệ tinh Landsat8 có thể thu nhận được
bước sóng từ 10.6 đến 12.51 microsmetes.
- Độ phân giải về bức xạ: được mô tả về khả năng phân biệt được các sự
khác nhau rất nhỏ trong nhiệt ánh sáng, hơn nữa nó có khả năng phát hiện những
khác biệt rất nhỏ của sự phản chiếu hoặc năng lượng sóng điện từ.
Ví dụ: Ảnh 1 bit, 7 bit, 8 bit, 11 bit,...
- Độ phân giải về thời gian: là khoảng thời gian liên tiếp giữa 2 lần quan sát
thành công bên ngoài vùng tương tự trên bề mặt trái đất.
Ví dụ: Với ảnh vệ tinh Venus là 2 ngày


13


14
Bảng 1.1 Bảng so sánh một số đặc tính của các ảnh vệ tinh
Đặc trưng
STT

Tên ảnh Phân về độ phân (không bao gồm Độ phân giải Độ phân giải

vệ tinh

loại

giải không phổ nhìn thấy
gian

1

2

3

4

5

Độ phân giải phổ

MODIS

SPOT 5

Landsat 8

Quang
học
Quang
học
Quang

học

Sentinel

Quang

2A

học

Venus

Quang
học

bức xạ

về thời gian

12 bits

Hàng ngày

được)

250 – 1000m 36 kênh

2-3 ngày, phụ

4 kênh (Green,

10m

Red, Near IR,

8 bits

độ

SWIR)
30m

10 – 20m

10 m

10 kênh (Coastal > TIRS2)
12 kênh (Coastal > SWIR)
12 kênh (visible
and near-infrared)

thuộc vào vĩ

12 bits

16 ngày

12 bits

10 ngày

12 bits

2 ngày

3. Ứng dụng ảnh viễn thám để phân loại lớp phủ mặt đất và lớp phủ đô thị
3.1. Ứng dụng ảnh viễn thám để phân loại lớp phủ mặt đất
Land cover (LC): là một thuật ngữ dùng để chỉ độ phủ trên bề mặt của trái
đất. Một số ví dụ về độ che phủ đất là: thực vật, tòa nhà, nước và mây. Độ che phủ
của đất phản ánh sự bức xạ ánh sáng của Mặt Trời sau đó được chụp lại bởi các cảm
biến của vệ tinh.
Việc sử dụng đất và phân lớp độ che phủ đất (LULCC- Land use and land
cover classification) đã được xem xét như một trong những ứng dụng cơ bản và
quan trọng nhất trong viễn thám vì các sản phẩm LULCC rất cần thiết cho một loạt
các ứng dụng liên quan đến môi trường.


15

Hình 1.9 Bản đồ sự thay đổi phân lớp phủ đất cho đồng bằng sông Hồng
tính đến năm 2010
Nguồn ảnh: />Thông thường, phân lớp phủ được phân loại dựa vào nghiên cứu theo vùng,
khu vực hoặc các nghiên cứu toàn cầu.
-

Nghiên cứu theo khu vực: tập trung vào các phương thức phân lớp

phủ cho một hoặc một vài khu vực đặc biệt
-

Nghiên cứu toàn cầu: phân lớp liên quan đến sự mở rộng toàn cầu

Độ chính xác về độ phủ của đất mức toàn cầu vẫn nhỏ hơn các bản đồ phân
lớp phủ của đất theo khu vực. Cũng có thể hiểu đó là những thách thức trong phân
lớp phủ ở mức mở rộng toàn cầu bao gồm: có nhiều loại độ phủ của đất, do thiếu dữ
liệu thực địa.


16
Một số nghiên cứu độ phủ của đất theo khu vực được đề cập đến như:
(1) Xiaoping Zhang đã sử dụng dữ liệu ảnh Landsat để giám sát tự động bề
mặt không thấm nước ở đảo Zhoushan từ 2006-2011 và đạt được độ chính xác
khoảng 86-88%.
(2) Mẫn Đức Chức đã thực hiện composite ảnh sử dụng dữ liệu ảnh
Landsat8 trong 3 năm từ 2014-2016 để đưa ra bản đồ che phủ đất tốt nhất đạt được
độ chính xác 83,91%.
3.2. Ứng dụng ảnh viễn thám để phân loại lớp phủ đô thị
Một trong những thách thức cấp bách nhất ở hiện tại và cả tương lai là sự đô
thị hóa trên toàn cầu. Đô thị hóa là quá trình phát triển kinh tế, xã hội, song song
với sự mở rộng không gian đô thị. Khi dân số trên toàn cầu tăng lên và nền kinh tế
của các quốc gia tiếp tục phát triển mà không còn dựa vào các hệ thống nông
nghiệp, các thành phố sẽ tăng lên và mở rộng hơn. Sự phát triển đô thị thường xâm
phạm đến đất trồng rừng hoặc đất nông nghiệp. Sự tăng trưởng thành phố là một chỉ
số của công nghiệp hóa (phát triển) và nhìn chung đều có ảnh hưởng tiêu cực đến
sức khỏe môi trường của một vùng. Có được thông tin lớp phủ đô thị sẽ giúp những
nhà hoạch định chính sách xây dựng được chiến lược phát triển hợp lý và bền vững
mà vẫn có thể bảo vệ được môi trường.
Lớp phủ đô thị sẽ được đặc trưng bởi hỗn hợp các kiểu lớp phủ khác nhau, là
các tổ hợp của các lớp phủ khác biệt nhau về phổ phản xạ. Do tính chất không đồng
nhất này, nên trong viễn thám, việc phân loại các kiểu lớp phủ đô thị thường gặp rất
nhiều khó khăn. Đường giao thông, các công trình nhà ở, bãi đỗ xe được phủ bởi

vật liệu không thấm nước như nhựa đường, đá, vật liệu xây dựng v.v… là các mặt
không thấm và chúng có tính chất vật lý riêng do đó được ghi nhận trên dải quang
phổ điện từ như là một đối tượng.
3.3. Bài toán phân lớp phủ đô thị ở Việt Nam
Quá trình đô thị hoá là quá trình phát triển về kinh tế, xã hội, văn hoá và
không gian kiến trúc. Quá trình này thường làm thay đổi đáng kể các điều kiện sinh
thái đô thị được thể hiện qua việc biến đổi không gian bề mặt của lớp phủ từ các hệ