Nghiên cứu triển khai phương pháp phát hiện biến động công trình biển sử dụng dữ liệu viễn thám

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN HỮU LƯƠNG

NGHIÊN CỨU TRIỂN KHAI PHƯƠNG PHÁP
PHÁT
HIỆN BIẾN ĐỘNG CÔNG TRÌNH BIỂN
SỬ DỤNG
DỮ LIỆU VIỄN THÁM
Ngành: Công nghệ thông tin
Chuyên ngành: Hệ thống thông tin
Mã Số: 8480104.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ HỆ THỐNG THÔNG TIN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
Nguyễn Thị Nhật Thanh

Hà Nội – 07/2020

PGS. TS.


Mục lục
LỜI CẢM ƠN

3

LỜI CAM ĐOAN

4

DANH MỤC HÌNH VẼ

5

MỞ ĐẦU

7

Chương 1: Lý thuyết cơ bản về viễn thám và công trình biển

10

1.1 Lý thuyết cơ bản về viễn thám

10

1.1.1 Khái niệm:

10

1.1.2 Nguyên lý cơ bản của viễn thám:

12

1.1.3 Phương pháp xử lý dữ liệu viễn thám:

15

1.2 Lý thuyết cơ bản về công trình biển

18

1.2.1 Cảng biển:

18

1.2.2 Đảo nhân tạo:

21

Chương 2: Phương pháp phát hiện biến động công trình biển sử dụng dữ liệu viễn thám
25

2.1 Tổng quan về phương pháp phát hiện biến động công trình biển sử dụng dữ liệu viễn
thám
25
2.2 Giới thiệu về dữ liệ u viễn thám PlanetScope

26

2.3 Mô tả phương pháp phát hiện biến động được lựa chọn

28

2.3.1 Tiền xử lý dữ liệu

29

2.3.2 Thuật toán tách mây

30

2.3.3 Thuật toán tách nước

31

2.3.4 Kết hợp cảnh ảnh, trích xuất biến động

31

2.3.5 Phân lớp biến động

323

2.3.6 Tích hợp kết quả:

345

Chương 3: Thực nghiệm

356

3.1 Giới thiệu vùng nghiên cứu và phương pháp thực nghiệm

356

1

3.1.1 Vùng nghiên cứu:

356

3.1.2 Phương pháp thực nghiệm

402

3.2 Kết quả thực nghiệm phương pháp phát hiện biến động

402

3.3 Kết quả thực nghiệm phương pháp phân lớp biến động

492

KẾT LUẬN

547

TÀI LIỆU THAM KHẢO

558

LỜI CẢM ƠN
Trước tiên tôi xin dành lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến cô giáo, PGS.
TS. Nguyễn Thị Nhật Thanh – người đã hướng dẫn, khuyến khích, chỉ bảo và tạo

2

cho tôi những điều kiện tốt nhất từ khi bắt đầu cho tới khi hoàn thành công việc của
mình.
Tôi xin dành lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô giáo khoa Công nghệ thông
tin, trường Đại học Công nghệ, ĐHQGHN đã tận tình đào tạo, cung cấp cho tôi
những kiến thức vô cùng quý giá và đã tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt quá
trình học tập, nghiên cứu tại trường.
Cuối cùng, tôi xin cảm ơn tất cả những người thân yêu trong gia đình tôi cùng
toàn thể bạn bè những người đã luôn giúp đỡ, động viên tôi những khi vấp phải
những khó khăn, bế tắc.

3


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng luận văn thạc sĩ công nghệ thông tin “Nghiên cứu triển
khai phương pháp phát hiện biến động công trình biển sử dụng dữ liệu viễn thám”
là công trình nghiên cứu của riêng tôi, không sao chép lại của người khác. Trong
toàn bộ nội dung của luận văn, những điều đã được trình bày hoặc là của c hính cá
nhân tôi hoặc là được tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu. Tất cả các nguồn tài liệu
tham khảo đều có xuất xứ rõ ràng và hợp pháp.
Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy
định cho lời cam đoan này.
Hà Nội, ngày 20 tháng 07 năm 2020

4


DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Sơ đồ thu nhận ảnh viễn thám (A: Mặt Trời; B: Sóng điện từ; C: Bề mặt Trái Đất; D:
Vật bay chụp ảnh viễn thám, ví dụ: vệ tinh, máy bay… ; E: Tín hiệu vật bay trả về trạm thu ảnh;
F: Ảnh viễn thám thu được; G: Ứng dụng dựa trên ảnh viễn thám). (Nguồn: Trung tâm viễn thám
quốc gia Canada)
10
Hình 1.2: Vệ tinh viễn thám VNREDSat-1 của Việt Nam trên quỹ đạo. (Nguồn: Viện Hàn lâm Khoa
học và Công nghệ Việt Nam - VAST)
11
Hình 1.3: Ảnh vệ tinh viễn thám PlanetScope của Mỹ chụp ảnh thành phố San Francisco, bang
California, Mỹ. (Nguồn: Planet.com)
12
Hình 1.4: Nguyên lý chụp ảnh viễn thám của vệ tinh: Ánh sáng từ Mặt Trời (Sun) chiếu đến vật
thể (Object) thì phản xạ lại qua bộ lọc trên vệ tinh (Filter) trước khi đi vào ống kính (Camera) để
tạo ra ảnh viễn thám. (Nguồn: Planet.com)
13
Hình 1.5: Quy trình thu nhận, xử lý, lưu trữ và phân phối dữ liệu viễn thám thu bởi vệ tinh (TDRS
và TRMM) tại các trung tâm quan sát Trái Đất (Earth Observation Center). (Nguồn: NASDA)
14

Hình 1.6: Tác động cản trở ánh sáng Mặt Trời (Solar) của mây (Cloud và Broken Cloud Layer)
lên ảnh của vật thể (Target) thu được trên vệ tinh (Satellite Sensor). (Nguồn: Sciencedirect.com)
15

Hình 1.7: Quy trình giải đoán ảnh viễn thám bằng mắt (Interpretation and Analysis) để tìm kiếm
thông tin, lập bản đồ hoặc sản xuất các ứng dụng thống kê (Information, maps and statistics for
Applications). (Nguồn: Đại học Minnesota, Mỹ)
16
Hình 1.8: Quy trình giải đoán ảnh viễn thám bằng công cụ số (Bounding Box Selection, Graph
Construction) để tìm kiếm thông tin, đo đạc thống kê (Measuring spatiotemporal evolutions).
(Nguồn: Sciencedirect.com)

17
Hình 1.9: Cảng quân sự Du Lâm, Trung Quốc. (Nguồn: Google Earth)

19

Hình 1.10: Cảng dầu thuộc cảng quân sự Du Lâm, Trung Quốc. (Nguồn: Google Earth) 20
Hình 1.11: Cảng vật liệu thuộc cảng quân sự Du Lâm, Trung Quốc. (Nguồn: Google Earth)
21

Hình 1.12: Đảo nhân tạo Dubai, UAE. (Nguồn: Google Earth)

21

Hình 1.13: Đảo nhân tạo Xubi do Trung Quốc xây dựng trái phép tại quần đảo Trường Sa, Việt
Nam. (Nguồn: Google Earth)
22
Hình 1.14: Đảo nhân tạo Chữ Thập do Trung Quốc xây dựng trái phép tại quần đảo Trường Sa,
Việt Nam. (Nguồn: Google Earth)
23
Hình 2.1: Sử dụng ảnh viễn thám vệ tinh giúp phát hiện tòa nhà mới được xây dựng(Areas of
changed building) ở khu phố Palace, Luân đôn, Anh năm 2011. (Nguồn: ScienceDirect.com)
25

Hình 2.2: Vệ tinh PlanetScope. (Nguồn: Planet.com)
5

27


Hình 2.3: Ảnh vệ tinh PlanetScope chụp cảng hàng hóa Yangshan, Thượng Hải, Trung Quốc ngày

06/01/2020. (Nguồn: Planet.com)
Error! Bookmark not defined.
Hình 2.4: Quy trình thuật toán phát hiện và phân lớp biến động công trình sử dụng dữ liệu viễn
thám vệ tinh PlanetScope.
29
Hình 3.1: Cảng Dung Quất, tỉnh Quảng Ngãi, Việt Nam (Ảnh Google Earth, ngày 14/05/2019).
36

Hình 3.2: Cảng Dung Quất, tỉnh Quảng Ngãi, Việt Nam (Ảnh Google Earth, ngày 10/03/2017).
37

Hình 3.3: Cảng Dung Quất, tỉnh Quảng Ngãi, Việt Nam (Ảnh Google Earth, ngày 07/09/2018).
37

Hình 3.4: Đảo nhân tạo Phượng Hoàng Tam Á, đảo Hải Nam, Trung Quốc (Ảnh Google Earth,
ngày 07/09/2020).
40
Hình 3.5: Đảo nhân tạo Phượng Hoàng Tam Á, đảo Hải Nam, Trung Quốc (Ảnh Google Earth,
ngày 17/02/2016).
39
Hình 3.6: Đảo nhân tạo Phượng Hoàng Tam Á, đảo Hải Nam, Trung Quốc (Ảnh Google Earth,
ngày 12/05/2017).
39
Hình 3.7: Ảnh vệ tinh PlanetScope chụp cảng Dung Quất, Quảng Ngãi, Việt Nam (ngày
21/03/2017).
41
Hình 3.8: Ảnh vệ tinh PlanetScope chụp cảng Dung Quất, Quảng Ngãi, Việt Nam (ngày
21/11/2018).
42
Hình 3.9: Ảnh kết quả khu vực biến động (Màu trắng) của cảng Dung Quất, Quảng Ngãi, Việt

Nam giữa 02 thời điểm chụp ảnh.
43
Hình 3.10: Ảnh kết quả khu vực giữ nguyên (Màu trắng) của cảng Dung Quất, Quảng Ngãi, Việt
Nam giữa 02 thời điểm chụp ảnh.
44
Hình 3.11: Ảnh vệ tinh PlanetScope chụp đảo nhân tạo Phượng Hoàng Tam Á, Trung Quốc (ngày
16/02/2016).
45
Hình 3.12: Ảnh vệ tinh PlanetScope chụp đảo nhân tạo Phượng Hoàng Tam Á, Trung Quốc (ngày
06/01/2017).
46
Hình 3.13: Ảnh kết quả khu vực biến động (Màu trắng) của đảo nhân tạo Phượng Hoàng Tam Á,
Trung Quốc giữa 02 thời điểm chụp ảnh.
46
Hình 3.14: Ảnh kết quả khu vực giữ nguyên (Màu trắng) của đảo nhân tạo Phượng Hoàng Tam
Á, Trung Quốc giữa 02 thời điểm chụp ảnh.
50
Hình 3.15: Ảnh kết quả lấy mẫu bằng mắt người khu vực biến động tại cảng Dung Quất, Quảng
Ngãi (Màu đỏ là điểm biến động, Màu xanh là điểm giữ nguyên).
48
Hình 3.16: Ảnh kết quả lấy mẫu bằng mắt người khu vực biến động tại đảo nhân tạo Phượng
Hoàng Tam Á, Trung Quốc (Màu đỏ là điểm biến động, Màu xanh là điểm giữ nguyên). 49

6


Hình 3.17: Ảnh kết quả phân lớp biến động cảng Dung Quất, Quảng Ngãi, Việt Nam giữa năm
2017 và 2018.
50
Hình 3.18: Ảnh các chi tiết tương đồng giữa ảnh PlanetScope (Bên trái), ảnh biến động tổng hợp

(Ở giữa) và ảnh Google Earth (Bên phải).
51
Hình 3.19: Ảnh kết quả phân lớp biến động đảo nhân tạo Phượng Hoàng Tam Á, Trung Quốc giữa
năm 2016 và 2017.
52
Hình 3.20: Ảnh các chi tiết tương đồng giữa ảnh PlanetScope (Bên trái), ảnh biến động tổng hợp
(Ở giữa) và ảnh Google Earth (Bên phải).
53

MỞ ĐẦU
Công trình biển bao gồm các công trình do con người xây dựng ở vùng bờ
biển hoặc ngoài khơi đại dương như cảng biển, giàn thăm dò dầu khí, đảo nhân tạo…
Hoạt động quản lý, giám sát công trình biển, trong đó có hoạt động phát hiện biến
động đóng vai trò không thể thiếu trong việc quy hoạch, sớm cảnh báo các nguy cơ
về môi trường hoặc các hoạt động xây dựng trái phép. Theo dõi và đánh giá biến
7


động ở những khu vực công trình biển ở ven bờ cũng như ngoài khơi góp phần không
nhỏ trong phát triển kinh tế xã hội, đồng thời đảm bảo an ninh quốc phòng.
Trên thế giới hiện nay, các chuyên gia đã và đang sử dụng nhiều cách tiếp cận
khác nhau, từ đo đạc thủ công đến sử dụng công cụ tính toán tự động, trong việc
phát hiện biến động công trình biển. Trong các cách tiếp cận trên, sử dụng các công
cụ tự động khai thác dữ liệu viễn thám là một phương pháp mang nhiều ưu thế vượt
trội, giúp theo dõi, phát hiện từ xa, trên quy mô rộng lớn và một cách tự động hoặc
bán tự động, những biến động của công trình biển.
Các nhà khoa học trên thế giới đã triển khai nhiều nghiên cứu tập trung vào
phát hiện biến động trên toàn bộ bề mặt Trái Đất bằng phương pháp sử dụng loại dữ
liệu viễn thám tiêu biểu nhất, đó là ảnh vệ tinh. Các nghiên cứu trên đã đề xuất nhiều
thuật toán khác nhau để phát hiện biến động công trình nhân tạo nói chung và công

trình biển nói riêng. Về tổng thể, có thể chia các thuật toán phát hiện biến động công
trình biển thành hai cách tiếp cận chính, đó là: Phát hiện biến động không dùng phân
loại (pre-classification) và phát hiện biến động sử dụng phân loại (postclassification) [1]. Phát hiện biến động không dùng phân loại có bản chất là phát
hiện thay đổi lớp phủ giữa các thời điểm chụp ảnh khác nhau dựa trên giả định là
thay đổi tại bề mặt gây ra sự khác biệt về giá trị phản xạ quang phổ tại các thời điểm
khác nhau. Kết quả đầu ra thu được là các bản đồ chỉ thị thay đổi và không thay đổi
nhưng không cung cấp thông tin chi tiết về loại thay đổi. Trong khi đó, phương pháp
phát hiện biến động dựa trên phân loại sử dụng việc so sánh các bản đồ lớp phủ bề
mặt giữa các thời điểm chụp ảnh khác nhau, từ đó tạo ra kết quả phân tích thay đổi
bao gồm cả thông tin về loại thay đổi [9]. Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi nguồn
dữ liệu đầu vào bao gồm cả bản đồ lớp phủ với lượng thông tin phong phú, điều này
là không khả thi với điều kiện nghiên cứu còn nhiều hạn chế.
Tại Việt Nam, năm 2016, trên tạp chí trên Tạp chí Khoa học công nghệ và
Môi trường Công An, số 70 [11], ThS. Mẫn Đức Chức đã công bố nghiên cứu về
việc xây dựng công cụ tự động sử dụng dữ liệu ảnh vệ tinh viễn thám VNREDSat-1
của Việt Nam để phát hiện biến động đảo tự nhiên do cải tạo của con người trên
biển. Kết quả nghiên cứu của ThS. Mẫn Đức Chức khẳng định tính khả thi của việc
phát triển thuật toán tự động phát hiện biến động các dạng công trình trên biển sử
dụng dữ liệu viễn thám.
Với mục tiêu đặt ra của đề tài Nghiên cứu triển khai phương pháp phát hiện
biến động công trình biển sử dụng dữ liệu viễn thám là phát hiện biến động công
trình biển với nguồn dữ liệu đầu vào có thể dễ dàng tìm kiếm, phù hợp với điều kiện
của nghiên cứu phổ biến tại các phòng nghiên cứu ở Việt Nam, đề tài này đã kế thừa
8


kết quả nghiên cứu của ThS. Mẫn Đức Chức và phát triển kết quả trên để sử dụng
được dữ liệu ảnh vệ tinh viễn thám PlanetScope, loại dữ liệu ảnh vệ tinh đang ngày
càng phổ biến với các trung tâm nghiên cứu trên thế giới, trong việc phát hiện biến
động 02 dạng công trình biển tiêu biểu là cảng biển và đảo nhân tạo.

Luận văn của đề tài được tác giả trình bày theo cấu trúc như sau. Chương 1
giới thiệu về đề tài nghiên cứu của luận văn. Chương 2 trình bày tổng quan các khái
niệm cơ bản về công trình biển và về viễn thám. Phần giới thiệu về dữ liệu viễn thám
được sử dụng (PlanetScope) và phương pháp ứng dụng dữ liệu viễn thám nhằm phát
hiện biến động của công trình biển được trình bày trong chương 3. Sau đó, chương
4 trình bày kết quả thực nghiệm trên 02 khu vực địa lý cụ thể. Cuối cùng là phần kết
luận, định hướng nghiên cứu tiếp theo.

9


Chương 1: Lý thuyết cơ bản về viễn thám và
công trình biển
1.1 Lý thuyết cơ bản về viễn thám
1.1.1 Khái niệm:
Xuất phát từ những khó khăn do điều kiện tự nhiên làm cản trở việc tiếp cận
trực tiếp trong cự ly gần để nghiên cứu đối tượng, viễn thám sinh ra dựa trên kỹ thuật
chụp ảnh bề mặt Trái Đất từ trên cao sử dụng các thiết bị bay như khinh khí cầu,
máy bay hay phổ biến nhất hiện nay là sử dụng vệ tinh chụp ảnh. Qua hơn 100 năm
ứng dụng từ những loại hình thô sơ nhất là những bức ảnh đen trắng chụp trên khinh
khí cầu cho tới những bức ảnh quang học đa phổ, ảnh radar chụp bởi vệ tinh ở trên
quỹ đạo như hiện nay, viễn thám đã và đang góp những ứng dụng quan trọng cho
nhiều ngành khoa học của nhân loại.

Hình 1.1: Sơ đồ thu nhận ảnh viễn thám (A: Mặt Trời; B: Sóng điện từ; C:
Bề mặt Trái Đất; D: Vật bay chụp ảnh viễn thám, ví dụ: vệ tinh, máy bay… ; E:
Tín hiệu vật bay trả về trạm thu ảnh; F: Ảnh viễn thám thu được; G: Ứng dụng
dựa trên ảnh viễn thám). (Nguồn: Trung tâm viễn thám quốc gia Canada)
Viễn thám được định nghĩa là ngành khoa học nghiên cứu bề mặt Trái Đất từ
xa sử dụng các công cụ chụp ảnh bề mặt Trái Đất từ trên cao như vệ tinh, máy bay,

thiết bị bay không người lái... Trong thực tế, xét trên yếu tố mục đích nghiên cứu,
viễn thám được định nghĩa là sự thu thập và phân tích thông tin đối tượng mà cần
phải tiếp xúc trực tiếp. Đây là lĩnh vực đã có lịch sử phát triển từ những năm đầu thế
kỷ XX, dựa trên những thành tựu khoa học công nghệ tiên tiến nhất như công nghệ
10


quang học, giải mã, công nghệ vũ trụ không gian, công nghệ tin học… Viễn thám
không chỉ là một ứng dụng công nghệ thông thường mà còn là một môn khoa học
đa ngành kết hợp tri thức của nhiều lĩnh vực, nhiều chủ đề với mục tiêu cung cấp
thông tin nhanh chóng, khách quan nhất phục vụ các ứng dụng trong kinh tế, quân
sự, khoa học và đời sống xã hội.

Hình 1.2: Vệ tinh viễn thám VNREDSat-1 của Việt Nam trên quỹ đạo.
(Nguồn: Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam - VAST)

11


Hình 1.3: Ảnh vệ tinh viễn thám PlanetScope của Mỹ chụp ảnh thành phố San
Francisco, bang California, Mỹ. (Nguồn: Planet.com)
Viễn thám có đối tượng nghiên cứu chủ yếu là các sự vật và hiện tượng xảy
ra trên bề mặt Trái Đất. Không nghiên cứu trực tiếp các hiện tượng và sự vật, viễn
thám nghiên cứu gián tiếp thông qua hình ảnh của chúng. Những hình ảnh đó là các
bảng mã về sự phân bố lại năng lượng Mặt Trời được phản xạ lại từ các vật trên bề
mặt Trái Đất.
1.1.2 Nguyên lý cơ bản của viễn thám:
Trong tự nhiên, năng lượng điện từ phản xạ hoặc bức xạ từ vật thể là nguồn
cung cấp thông tin phong phú về các đặc điểm, tính chất của sự vật hiện tượng. Ảnh
viễn thám thu được cung cấp thông tin thông qua năng lượng phản xạ hoặc bức xạ

điện từ trên. Đo lường và phân tích năng lượng điện từ thu được từ ảnh viễn thám
làm “hiện lên" những thông tin hữu ích về từng lớp phủ mặt đất, mặt nước khác nhau
do sự tương tác phong phú 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 những chiếc máy ảnh hoặc máy quét tần số điện từ mắt thường không nhìn
thấy, được lắp đặt trên vật mang dạng máy bay, khinh khí cầu, tàu con thoi hoặc vệ
tinh.

12


Hình 1.4: Nguyên lý chụp ảnh viễn thám của vệ tinh: Ánh sáng từ Mặt Trời
(Sun) chiếu đến vật thể (Object) thì phản xạ lại qua bộ lọc trên vệ tinh (Filter)
trước khi đi vào ống kính (Camera) để tạo ra ảnh viễn thám. (Nguồn: Planet.com)
Sau khi bộ cảm biến thu nhận năng lượng của sóng điện từ do các vật thể phản
xạ hay bức xạ, thông tin về năng lượng phản xạ của vật thể lưu lại trên ảnh viễn thám
và tiếp theo được xử lý tự động trên máy tính hoặc giải đoán trực tiếp dựa trên kinh
nghiệm của các chuyên gia nhận dạng sự vật hiện tượng. Bước cuối cùng, các dữ
liệu hoặc thông tin liên quan đến các vật thể và hiện tượng khác nhau trên mặt đất,
mặt nước sẽ được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như nông lâm nghiệp,
địa chất, khí tượng, môi trường, quân sự…
Toàn bộ quá trình thu nhập và xử lý ảnh viễn thám phụ thuộc vào 05 thành tố
cơ bản sau:
1. Nguồn năng lượng bức xạ điện từ.
2. Sự tương tác của năng lượng bức xạ điện từ với khí quyển.
3. Sự tương tác của năng lượng bức xạ điện từ với các vật thể trên bề mặt đất,
mặt nước.
4. Sự chuyển đổi năng lượng phản xạ từ vật thể thành dữ liệu trên ảnh.
5. Xử lý, chuyển đổi, hiển thị dữ liệu thành ảnh số phục vụ giải đoán, khai
thác ứng dụng.

13


Hình 1.5: Quy trình thu nhận, xử lý, lưu trữ và phân phối dữ liệu viễn thám
thu bởi vệ tinh (TDRS và TRMM) tại các trung tâm quan sát Trái Đất (Earth
Observation Center). (Nguồn: NASDA)
Trong viễn thám, viễn thám quang học sử dụng nguồn năng lượng cung cấp
chủ yếu là do Mặt Trời. Khoảng 75% năng lượng mặt trời khi tiếp xúc 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 và các phân tử lơ lửng trong khí quyển là tác nhân ảnh hưởng đến sự
suy giảm năng lượng sóng điện từ lan truyền.

14


Hình 1.6: Tác động cản trở ánh sáng Mặt Trời (Solar) của mây (Cloud và
Broken Cloud Layer) lên ảnh của vật thể (Target) thu được trên vệ tinh (Satellite
Sensor). (Nguồn: Sciencedirect.com)
1.1.3 Phương pháp xử lý dữ liệu viễn thám:
Có 2 phương pháp xử lý dữ liệu viễn thám phổ biến hiện nay đó là:
● Giải đoán bằng mắt thường:
Giải đoán ảnh bằng mắt là phương pháp có thể áp dụng trong mọi điều kiện
có trang thiết bị từ đơn giản nhất đến phức tạp nhất cũng như áp dụng trong nhiều
lĩnh vực nghiên cứu khác nhau như địa lý, địa chất, nông, lâm nghiệp, thủy sản, môi
trường... Bên cạnh đó, phương pháp giải đoán ảnh bằng mắt đòi hỏi có sự hỗ trợ của
các dụng cụ quang học như: kính lúp, kính lập thể, kính phóng đại, kính tổng hợp
màu… Cơ sở nền tảng để giải đoán ảnh bằng mắt là đưa các dấu hiệu giải đoán trực
tiếp hoặc gián tiếp vào khóa giải đoán.

15


Hình 1.7: Quy trình giải đoán ảnh viễn thám bằng mắt (Interpretation and
Analysis) để tìm kiếm thông tin, lập bản đồ hoặc sản xuất các ứng dụng thống kê
(Information, maps and statistics for Applications). (Nguồn: Đại học Minnesota,
Mỹ)
Khi giải đoán một đối tượng cụ thể, người giải đoán cần nắm vững bản chất
phản xạ phổ và các kiến thức về đặc điểm tự nhiên xã hội khác của đối tượng. Những
đặc trưng cơ bản của các đối tượng bao gồm:
+ Cấp độ màu sắc: Là mức độ phản xạ năng lượng của đối tượng trên từng
kênh phổ riêng biệt hoặc trên các tổ hợp màu giả khác nhau.
+ Cấu trúc màu sắc: Là một kiểu phân bố độ xám hoặc màu sắc trong ảnh.
Những kiểu phân bố giống nhau phản ánh những đối tượng giống nhau.
+ Độ tương phản: Thể hiện sự tương quan trong màu sắc của các đối tượng kề
nhau.
+ Dấu hiệu mẫu: Mỗi đối tượng thường được trình diễn bởi các kiểu mẫu nhất
định.
+ Hình dáng và kích thước: Hình dáng và kích thước là những dấu hiệu nhận
biến quan trọng trong giải đoán ảnh. Căn cứ vào hình dạng, kích thước có thể suy ra
những thông tin quan trọng khác như [2].
16


Giải đoán ảnh theo phương pháp số:
Với mục đích tự động hoá và hạn chế sử dụng sức người so với phương pháp
giải đoán ảnh bằng mắt, các chuyên gia sử dụng phương pháp xử lý ảnh số như một
giải pháp xử lý nhanh chóng, hiệu quả, nhất là với tập dữ liệu viễn thám ngày càng
khổng lồ.

●

Hình 1.8: Quy trình giải đoán ảnh viễn thám bằng công cụ số (Bounding
Box Selection, Graph Construction) để tìm kiếm thông tin, đo đạc thống kê
(Measuring spatiotemporal evolutions). (Nguồn: Sciencedirect.com)
Phương pháp giải đoán số phần lớn là để hỗ trợ quá trình giải đoán bằng mắt
cuối cùng thông qua các chức năng:
+ Hiệu chỉnh ảnh: Hiệu chỉnh ảnh bao gồm bốn loại hiệu chỉnh cơ bản đó là
hiệu chỉnh bức xạ, hiệu chỉnh khí quyển, hiệu chỉnh hình học và hiệu chỉnh phép
chiếu bản đồ.
+ Tăng cường chất lượng ảnh và chiết tách các đặc tính: Tăng cường chất
lượng ảnh là thao tác chuyển đổi nhằm tăng tính dễ đọc, dễ hiểu của ảnh cho người
giải đoán. Trong khi đó, chiết tách đặc tính là thao tác nhằm phân loại, sắp xếp các
thông tin có sẵn trong ảnh theo yêu cầu của ứng dụng. Những phép tăng cường chất
lượng ảnh thường được sử dụng là chuyển đổi cấp độ xám, chuyển đổi biểu đồ, tổ
hợp màu, chuyển đổi màu giữa hai hệ màu đỏ lục lam và hệ ảnh siêu phổ (HSI)…
Sau khi tăng cường chất lượng ảnh, tổ hợp màu tùy ý gồm 03 màu cơ bản là đỏ, lục,
lam được lựa chọn cho 03 kênh phổ nào đó để thu được ảnh có tổ hợp màu cho quá
trình phân loại như [2].
17


+ Phân loại ảnh: Phân loại ảnh là quá trình máy tính xử lý ảnh theo yêu cầu
của người sử dụng đã được đưa vào máy thông qua giai đoạn chọn tệp mẫu. Máy
tính tự động phân loại và cho ra kết quả dưới dạng ảnh đã được phân loại.
+ Xuất kết quả: Sau khi hoàn thành tất cả các quá trình xử lý cần phải xuất kết
quả. Có thể lựa chọn không hạn chế các sản phẩm đầu ra, đó là sản phẩm bản đồ đồ
họa, các số liệu thống kê hay các tệp dữ liệu số.
1.2 Lý thuyết cơ bản về công trình biển
Công trình biển là công trình nhân tạo được xây dựng ở vùng ven biển, vùng

nội thủy hoặc ở ngoài khơi xa. Trong thực tế, công trình biển có thể là một cảng tàu,
một đê chắn sóng, một giàn khai thác dầu khí, thậm chí là một đảo nhân tạo được
hình thành qua quá trình bồi đắp nhân tạo.
Trong phạm vi vấn đề nghiên cứu của đề tài này, tác giả chỉ tập trung phân
tích một số loại công trình biển thường gặp và tương đồng với dạng công trình biển
tại khu vực nghiên cứu trong phần thực nghiệm sau này. Các dạng công trình được
trình bày sau đây gồm: cảng biển và đảo nhân tạo.
1.2.1 Cảng biển:
Cảng biển là công trình ven biển phục vụ các hoạt động hàng hải, đồng thời
đây là nơi trú ẩn, neo đậu cho tàu, thuyền khi tập kết bốc xếp hàng hoá, tiếp tế hậu
cần hoặc phòng tránh thiên tai. Cảng biển thường được xây dựng tại các vũng, vịnh,
vùng cửa sông hoặc ngay trên các bờ thẳng ven biển; bên cạnh đó, một số cảng còn
được xây dựng trên các đảo nhân tạo được củng cố bởi các công trình phòng vệ như
đê, kè chắn sóng, đập bảo hộ.
Cảng biển phải đảm bảo cho sự vận hành liên tục của tàu thuyền như phục vụ
hoạt động cập bến, nhổ neo rời bến, bốc xếp hàng hóa hoặc làm trạm trung chuyển
cho hành khách. Nếu xét theo tiêu chí mục đích sử dụng thì có thể phân ra thành
cảng quân sự và cảng dân sự.
● Cảng quân sự:
Cảng quân sự là loại cảng chuyên dụng có thể là cảng tự nhiên hoặc nhân tạo,
phục vụ cho hoạt động quân sự. Cảng quân sự là nơi trú ẩn của tàu quân sự, là nơi
sửa chữa, tiếp nhiên liệu và là nơi tập kết theo đội hình của các hạm đội hải quân.
Một cảng quân sự bao gồm các yếu tố chính như khu vực nhà chỉ huy, khu
huấn luyện thể thao, khu vực sửa chữa tàu, khu vực hậu cần, hệ thống phòng vệ, cầu

18


tàu, khu vực bến tàu, khu vực kho bãi, hệ thống giao thông, hệ thống cảnh báo bờ
biển, các loại tàu quân sự và hệ thống đê chắn sóng (thường là các đê nhân tạo).

Hình 1.9: Cảng quân sự Du Lâm, Trung Quốc. (Nguồn: Google Earth)
● Cảng dân sự:
Cảng dân sự là loại cảng dùng cho mục đích phi quân sự, thường là mục đích
thương mại, là nơi trung gian vận chuyển hàng hóa từ nội địa theo đường biển ra
khắp thế giới và ngược lại. Căn cứ vào chức năng có thể phân loại cảng dân sự thành
một số loại cảng sau.
+ Cảng dầu: Cảng dầu là cảng có chức năng cung cấp dầu từ nhà máy lọc dầu,
từ các bể tích trữ ra những khu vực khác bằng đường biển. Một cảng dầu gồm
những thành phần chính là nhà điều hành, khu vực bồn lọc dầu, khu bồn chứa
dầu, đường ống dẫn dầu, cầu tàu, đê chắn sóng và các tàu chở dầu.

19


Hình 1.10: Cảng dầu thuộc cảng quân sự Du Lâm, Trung Quốc. (Nguồn: Google
Earth)
+ Cảng vật liệu: Cảng vật liệu là cảng có chức năng cung cấp vật liệu cho các
công trình xây dựng bằng đường biển. Một cảng vật liệu gồm các thành phần
chính như nhà điều hành, bãi vật liệu, hệ thống đường ray vận chuyển vật liệu,
các phương tiện vận tải, cần cẩu, cầu tàu, đê chắn sóng và các tàu vận tải.

20


Hình 1.11: Cảng vật liệu thuộc cảng quân sự Du Lâm, Trung Quốc. (Nguồn:
Google Earth)
1.2.2 Đảo nhân tạo:
Hiện nay, các vấn đề xoay quanh đảo nhân tạo như định nghĩa, bộ tiêu
chuẩn… vẫn chưa được thống nhất đầy đủ giữa các quốc gia trong bối cảnh các cuộc

tranh chấp lãnh thổ và biển diễn ra ngày một phức tạp trên quy mô toàn cầu. Ngay
trong luật quốc tế, khái niệm “đảo nhân tạo” vẫn tồn tại nhiều tranh cãi và chưa có
bất kỳ định nghĩa chung nào về đảo nhân tạo được chấp nhận rộng rãi mặc dù hàng
loạt các điều khoản trong Công ước Luật Biển của Liên Hợp Quốc 1982 đã đề cập
tới vấn đề này.

Hình 1.12: Đảo nhân tạo Dubai, UAE. (Nguồn: Google Earth)

21


Hình 1.13: Đảo nhân tạo Xubi do Trung Quốc xây dựng trái phép tại quần đảo
Trường Sa, Việt Nam. (Nguồn: Google Earth)

22


Hình 1.14: Đảo nhân tạo Chữ Thập do Trung Quốc xây dựng trái phép tại quần
đảo Trường Sa, Việt Nam. (Nguồn: Google Earth)
Với khát vọng xây dựng quốc gia vững mạnh, bất cứ nước ven biển nào trên
thế giới cũng đều không ngừng gia tăng nỗ lực chiếm giữ nhiều không gian từ đại
dương hơn. Trong đó, vấn đề đảo nhân tạo ngày càng trở thành một chủ đề nổi bật.
Có quốc gia muốn xây dựng đảo nhân tạo để mở rộng lãnh thổ, tăng cường kiểm
soát đại dương rộng lớn. Tuy nhiên, hành động này luôn nhận phải những phản đối
từ các quốc gia có lợi ích đan xen khác.
Bách khoa toàn thư Công pháp quốc tế đã định nghĩa đảo nhân tạo là một nền
tảng cố định vĩnh viễn hoặc tạm thời do con người tạo nên, bao quanh là nước và
nổi trên mặt nước trên khi thủy triều lên.

23

Bên cạnh đó, đảo nhân tạo cũng được định nghĩa là một phần đất bồi do con
người tạo lập thông qua việc đổ đất và/hoặc đá xuống biển hay nói chung là một
vùng nước. Từ lâu con người đã xây dựng đảo nhân tạo vì những mục đích khác
nhau thông qua việc kiến thiết đảo mới, mở rộng đảo tự nhiên hiện hữu hoặc hợp
nhất các đảo nhỏ thành đảo lớn hơn.

24