Sử dụng tư liệu viễn thám và gis để thành lập và hiện chỉnh bản đồ lớp phủ rừng tỷ lệ 1 10000

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

PHẠM TUẤN ANH

SỬ DỤNG TƢ LIỆU VIỄN THÁM VÀ GIS ĐỂ THÀNH LẬP
VÀ HIỆN CHỈNH BẢN ĐỒ LỚP PHỦ RỪNG TỶ LỆ 1:10000

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI – 2013


2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

PHẠM TUẤN ANH

SỬ DỤNG TƢ LIỆU VIỄN THÁM VÀ GIS ĐỂ THÀNH LẬP
VÀ HIỆN CHỈNH BẢN ĐỒ LỚP PHỦ RỪNG TỶ LỆ 1:10000

Ngành: Bản đồ viễn thám và hệ thông tin địa lý
Mã số: 60440214

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS Phạm Vọng Thành

HÀ NỘI - 2013


3

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai cơng bố trong bất kỳ
cơng trình nào khác.
Tác giả luận văn

Phạm Tuấn Anh


4

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................. 1
MỤC LỤC ......................................................................................................... 4
DANH MỤC CÁC BẢNG................................................................................ 8
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .......................................................................... 9
MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 10
CHƢƠNG 1: VAI TRÒ CỦA TƢ LIỆU VIỄN THÁM VÀ GIS TRONG
NGHIÊN CỨU LỚP PHỦ RỪNG.................................................................. 14
1.1. Khái quát về viễn thám ......................................................................... 14
1.1.1. Khái niệm về viễn thám .................................................................. 14
1.1.2. Nguyên lý thu nhận thông tin Viễn thám ....................................... 16
1.1.3. Đặc tính phản xạ phổ của các đối tƣợng tự nhiên .......................... 17
1.1.4. Một số yếu tố chính ảnh hƣởng tới khả năng phản xạ phổ của các

đối tƣợng tự nhiên ..................................................................................... 19
1.1.5. Đặc tính cơ bản của ảnh vệ tinh ...................................................... 24
1.2. Khái quát về GIS ................................................................................... 37
1.2.1. Khái niệm về GIS ........................................................................... 37
1.2.2. Các thành phần của GIS.................................................................. 38
1.2.3. Cấu trúc dữ liệu trong GIS.............................................................. 40
1.2.4. Vai trò của dữ liệu GIS trong nghiên cứu lớp phủ mặt đất ............ 43
1.3. Cơ sở khoa học thành lập và hiện chỉnh bản đồ lớp phủ rừng ............. 46
1.3.1. Khái niệm về bản đồ lớp phủ rừng ................................................. 46
1.3.2. Yêu cầu khi thành lập và hiện chỉnh bản đồ lớp phủ rừng ............. 46
1.3.3. Nội dung và các phƣơng pháp thể hiện nội dung bản đồ lớp phủ
rừng ........................................................................................................... 47
1.3.4 . Nhu cầu thành lập bản đồ lớp phủ rừng......................................... 49
1.3.5. Hệ thống phân loại lớp phủ rừng .................................................... 49


5

CHƢƠNG 2: ỨNG DỤNG TƢ LIỆU VIỄN THÁM VÀ GIS ĐỂ THÀNH
LẬP VÀ HIỆN CHỈNH BẢN ĐỒ LỚP PHỦ RỪNG .................................... 54
2.1. Phƣơng pháp thành lập bản đồ lớp phủ rừng bằng tƣ liệu viễn thám và
GIS ............................................................................................................... 54
2.2. Quy trình thành lập bản đồ hiện trạng lớp phủ rừng ............................ 55
2.3. Phƣơng pháp thành lập bản đồ lớp phủ bằng cách sử dụng tƣ liệu Viễn
thám để hiện chỉnh bản đồ chu kỳ trƣớc ...................................................... 59
2.4. Quy trình cơng nghệ hiện chỉnh bản đồ lớp phủ rừng bằng tƣ liệu viễn
thám và GIS ................................................................................................. 61
2.5. Đánh giá độ chính xác kết quả bản đồ lớp phủ rừng ............................ 64
CHƢƠNG 3: CÔNG TÁC THỰC NGHIỆM ................................................. 68
3.1. Khái quát về Lâm trƣờng Con Cng................................................... 68

3.1.1. Vị trí địa lý ...................................................................................... 68
3.1.2 Đặc điểm tự nhiên ............................................................................ 68
3.1.3. Điều kiện dân sinh, kinh tế - xã hội ................................................ 70
3.1.4. Đặc điểm về tài nguyên rừng .......................................................... 71
3.2. Ứng dụng tƣ liệu Viễn thám và GIS để thành lập bản đồ lớp phủ rừng
Lâm trƣờng Con Cuông ............................................................................... 71
3.2.1 Cách tiếp cận .................................................................................... 71
3.2.2. Vật liệu, tƣ liệu thực hiện ............................................................... 72
3.2.3. Hệ thống phân loại các trạng thái rừng đƣa vào phần mềm ........... 76
3.2.4. Xây dựng các nhân tố phi ảnh tham gia vào quá trình phân loại ... 77
3.2.5. Xây dựng mẫu khóa ảnh phân loại ................................................. 78
3.2.6. Xác định các chỉ số và tính giá trị ngƣỡng phân loại rừng ............. 81
3.2.7. Chạy phân mảnh ảnh vệ tinh .......................................................... 82
3.2.8. Xác định ngƣỡng các chỉ số phân loại ............................................ 85
3.2.9. Phân loại ảnh trong phòng .............................................................. 86
3.2.10. Kiểm chứng bổ sung kết quả ngoại nghiệp .................................. 88


6

3.3. Ứng dụng tƣ liệu Viễn thám và GIS để hiện chỉnh bản đồ lớp phủ rừng
Lâm trƣờng Con Cuông ............................................................................... 88
3.3.1. Chồng xếp ảnh viễn thám và bản đồ hiện trạng, xác định vùng biến
động........................................................................................................... 88
3.3.2. Xây dựng mẫu khóa ảnh ................................................................. 88
3.3.3. Giải đốn ảnh vùng biến động ........................................................ 88
3.3.4. Hiện chỉnh bản đồ lớp phủ rừng bằng tƣ liệu viễn thám và GIS .... 89
3.4. Kết quả .................................................................................................. 90
3.4.1. Bản đồ thành quả ............................................................................ 90
3.4.2. Đánh giá độ chính xác kết quả xây dựng bản đồ ............................ 91

3.4.3. Kết quả đánh giá độ chính xác trạng thái ....................................... 93
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ......................................................................... 95
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 97
Phụ Lục ........................................................................................................... 98


7

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Giải thích

CARGIS

Trung tâm nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn
thám và hệ thống thông tin địa lý

ĐTQH

Điều tra quy hoạch

DVI

Chỉ số thực vật sai khác

EVI

Chỉ số tăng cƣờng lớp thực vật

FAO

Tổ chức Nông Lƣơng thế giới

FIPI

Viện Điều tra quy hoạch rừng

GIS

Hệ thống thông tin địa lý

GPS

Hệ thống định vị toàn cầu

GVI

Chỉ số màu xanh thực vật

HTR

Hiện trạng rừng

KH&CN

Khoa hoạc và Công nghệ

NN&PTNT

Nông nghiệp và Phát triển nơng thơn

ƠTC

Ơ tiêu chuẩn

TNMT

Tài ngun Mơi trƣờng

TRRI

Tỷ số tổng giá trị cấp độ xám

UBND

Ủy ban nhân dân


8

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Các cửa sổ và bƣớc sóng ................................................................ 23
Bảng 1.2: Hệ thống các loại đất, loại rừng của Lâm trƣờng Con Cuông ....... 53
Bảng 3.1 : Kênh ảnh, độ phân giải và băng phổ của ảnh SPOT 5 .................. 75
Bảng 3.2: Thống kê điểm mẫu loại rừng ........................................................ 78
Bảng 3.3. Một số mẫu phân loại thảm thực vật rừng ...................................... 80
Bảng 3.4: Bảng ngƣỡng các chỉ số phân loại Lâm trƣờng Con Cuông ......... 85
Bảng 3.5: Thống kê diện tích các loại đất, loại rừng Lâm trƣờng Con Cuông

......................................................................................................................... 91
Bảng 3.6: Ma trận đánh giá độ chính xác ....................................................... 93


9

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Hệ thống Viễn thám ........................................................................ 14
Hình 1.2: Các dải sóng chủ yếu sử dụng trong Viễn thám ............................. 15
Hình 1.3: Hệ thống thu nhận ảnh vệ tinh. ....................................................... 16
Hình 1.4: Đặc tính phản xạ phổ của đất, nƣớc và thực vật trên ảnh vệ tinh ... 17
Hình 1.5. Cửa sổ khí quyển ............................................................................. 22
Hình 1.6: Bản đồ chỉ số thực vật (NDVI) bề mặt lục địa theo ảnh MODIS... 35
Hình 1.7: Năm thành phần chính cấu thành GIS. ........................................... 38
Hình 1.8: Các thành phần chính của phần cứng của GIS. .............................. 39
Hình 1.9: Cấu trúc vector và raster ................................................................. 40
Hình 2.1: Quy trình thành lập bản đồ hiện trạng lớp phủ rừng....................... 56
Hình 2.2- Kết hợp dữ liệu viễn thám và GIS hiện chỉnh bản đồ hiện trạng
rừng. ................................................................................................................ 60
Hình 2.3 - Sơ đồ quy trình cơng nghệ hiện chỉnh bản đồ lớp phủ rừng bẳng tƣ
liệu viễn thám và GIS ...................................................................................... 64
Hình 3.1: Sơ đồ vị trí Lâm trƣờng và ảnh vệ tinh SPOT5 .............................. 76
Hình 3.2: Sơ đồ cây phân loại trạng thái rừng ................................................ 77
Hình 3.3: Phân bố các điểm mẫu phân loại Lâm trƣờng Con Cng ............. 79
Hình 3.4: Điều tra mẫu khóa ảnh ngồi thực địa ............................................ 80
Hình 3.5: Tính tốn các chỉ số trong phần mềm. ............................................ 82
Hình 3.6: Kết quả chạy phân vùng ảnh ở Lâm trƣờng Con Cng ................ 84
Hình 3.7: Rule set phân loại rừng Lâm trƣờng Con Cng ............................ 86
Hình 3.8: Kết quả phân loại xây dựng bản đồ hiện trạng trong phòng ........... 87

Hình 3.9: Chồng xếp thơng tin, hiện chỉnh Bản đồ hiện trạng lớp phủ rừng . 89
Hình 3.10: Bản đồ hiện trạng lớp phủ rừng Lâm trƣờng Con Cng............. 90
Hình 3.11: Chú giải bản đồ hiện trạng lớp phủ rừng Lâm trƣờng Con Cng
......................................................................................................................... 91
Hình 3.12: Phân bố các điểm kiểm tra thực địa .............................................. 93


10

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trên thế giới, vào đầu thập kỷ 70 cuộc cách mạng về ứng dụng công
nghệ viễn thám trong lĩnh vực dân sự đƣợc bắt đầu bằng việc phóng vệ tinh
Landsat của Mỹ. Từ năm 1972 đến nay nhiều quốc gia nhƣ Liên Xô cũ, Pháp,
Canađa, Ấn Độ, Nhật Bản đã đƣa lên quỹ đạo các vệ tinh quan sát Trái Đất
với nhiều mục đích ứng dụng khác nhau, nhƣng ln có các ứng dụng cho
nghiên cứu, thành lập bản đồ rừng và theo dõi sinh khối rừng. Đặc điểm nổi
bật của các nghiên cứu trong giai đoạn từ những năm 70 đên cuối thế kỷ trƣớc
là sự kết hợp các độ phân giải khác nhau để theo dõi tài nguyên rừng ở quy
mô khu vực, quy mơ tồn cầu; các dữ liệu NOAA và sau này là MODIS đƣợc
sử dụng để theo dõi nhiều thơng số quan trọng của lớp phủ rừng tồn cầu, đặc
biệt là ở vùng nhiệt đới.
Hiện nay đã có vệ tinh SPOT6 có độ phân giải 1,5m và sắp tới sẽ có vệ
tinh SPOT7 – các thế hệ mới nhất của SPOT, đƣợc trang bị một cặp đầu thu
HRG (High Resolution Geometric) là loại đầu thu ƣu việt hơn các loại trƣớc
đó. Mỗi một đầu thu HRG có thể thu đƣợc ảnh với độ phân giải 5m đen trắng và 10m mầu. Với kỹ thuật xử lý ảnh đặc biệt, có thể đạt đƣợc ảnh độ
phân giải 1,5m, trong khi đó dải chụp phủ mặt đất của ảnh vẫn đạt 60km. Đây
chính là ƣu điểm của ảnh SPOT, điều mà các loại ảnh vệ tinh cùng thời khác
ở độ phân giải này đều không đạt đƣợc.
Đối với ngành lâm nghiệp, vấn đề sử dụng ảnh vệ tinh để xây dựng bản

đồ hiện trạng rừng phục vụ công tác quản lý, theo dõi rừng đã đƣợc nhiều
nƣớc trên thế giới áp dụng nhƣ Mỹ, Canađa, Pháp, Nga, Nhật Bản, và các
nƣớc châu Á nhƣ Ấn Độ, Trung Quốc, Thái Lan, In Đô Nê Xia.v.v. Tƣ liệu
viễn thám đƣợc sử dụng trong công tác này bao gồm nhiều loại ảnh vệ tinh
của các nƣớc khác nhau với độ phân giải không gian khác nhau nhƣ: Landsat,


11

Ikonos, Quickbird ... của Mỹ, SPOT của Pháp, Aster, JRS, ALOS của Nhật
bản, Radasat của Canađa.v.v. Việc sử dụng công nghệ viễn thám và GIS trong
quản lý, theo dõi biến động rừng và sử dụng đất cũng đã đƣợc thực hiện theo
nhiều mức độ khác nhau nhƣ cho toàn cầu, vùng lãnh thổ, quốc gia, khu vực.
Hiện nay ở Việt Nam, vệ tinh theo dõi Tài nguyên môi trƣờng
VINAREDSAT1 đã đƣợc phóng lên quỹ đạo từ ngày 9/5/2013 và đã bắt đầu
đi vào hoạt động gửi về Trung tâm thu nhận các ảnh chụp mặt đất với độ phân
giải cao, phục vụ cho công tác theo dõi, giám sát tài nguyên và môi trƣờng.
Số lƣợng các cơ quan chuyên về viễn thám tại các Bộ, Ngành, địa phƣơng và
tại các Viện nghiên cứu, các trƣờng đại học đã lên tới vài chục đơn vị với
hàng trăm cán bộ đƣợc đào tạo chính quy trong và ngồi nƣớc. Trong đó phải
kể đến Viện Điều tra Quy hoạch rừng FIPI – Bộ Nông NN&PTNT, Trung
tâm Viễn Thám – Bộ TNMT, Trung tâm nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn
thám và hệ thống thông tin địa lý CARGIS - trƣờng đại học Khoa học tự
nhiên Hà Nội, Viện Địa lý, Cục bản đồ... Nhờ đó, Viễn thám đã trở thành một
cơng cụ đƣợc sử dụng tƣơng đối phổ biến ở nƣớc ta trong nghiên cứu khoa
học, trong một số lĩnh vực quản lý và sản xuất thuộc các ngành Lâm nghiệp,
Nông nghiệp, Thuỷ sản, Tài nguyên và Môi trƣờng, Đo đạc bản đồ...
Đối với ngành Lâm nghiệp, công nghệ viễn thám đã đƣợc sớm đƣa vào
sử dụng trong sản xuất đặc biệt trong công tác điều tra, xây dựng bản đồ hiện
trạng rừng phục vụ công tác quy hoạch phát triển cũng nhƣ theo dõi đánh giá

diễn biến nguồn tài nguyên thiên nhiên này trong phạm vi cả nƣớc.
Nƣớc ta là một quốc gia có diện tích rừng đáng kể, với 39,5% tổng diện
tích tự nhiên của nƣớc ta đƣợc che phủ một lớp thảm rừng. Tuy nhiên, do tác
động của con ngƣời và thiên nhiên nhƣ chặt cây làm rẫy, khai thác rừng bừa
bãi, cháy rừng, … cho nên bản đồ rừng của nƣớc ta liên tục bị thay đổi. Điều
đó gây khó khăn cho việc sử dụng, khai thác bản đồ rừng trong công tác quy


12

hoạch bảo vệ và phát triển rừng. Vì vậy việc thành lập và hiện chỉnh bản đồ
rừng là một công việc nặng nhọc địi hỏi phải chi phí nhiều sức lao động và
kinh phí.
Hiện nay, có nhiều phƣơng pháp thành lập và hiện chỉnh bản đồ rừng
đang đƣợc nƣớc ta và thế giới sử dụng nhƣ phƣơng pháp điều tra trực tiếp
ngoài thực địa, phƣơng pháp thành lập và hiện chỉnh bản đồ rừng bằng cách
sử dụng các bản đồ rừng tỷ lệ lớn hơn và phƣơng pháp hiện chỉnh bản đồ
rừng bằng cách sử dụng tƣ liệu viễn thám và GIS. Trong đó phƣơng pháp sử
dụng tƣ liệu Viễn thám và GIS để thành lập và hiện chỉnh bản đồ rừng là
phƣơng pháp hiện đại đƣợc dùng phổ biến hiện nay. Do vậy việc nghiên cứu
đề tài “ Sử dụng tư liệu viễn thám và GIS để thành lập và hiện chỉnh bản
đồ lớp phủ rừng tỷ lệ 1:10000” là một việc làm cấp thiết vừa có ý nghĩa khoa
học và thực tiễn.
2. Mục tiêu của đề tài
- Tìm hiểu nội dung của bản đồ lớp phủ rừng.
- Tìm hiểu các phƣơng pháp thành lập và hiện chỉnh bản đồ lớp phủ
rừng.
- Thành lập và hiện chỉnh bản đồ lớp phủ rừng bằng tƣ liệu viễn thám
và hệ thống thông tin địa lý.
3. Phạm vi nghiên cứu của đề tài

Phạm vi không gian: Lâm trƣờng Con Cuông, tỉnh Nghệ An.
Phạm vi khoa học: Nghiên cứu quy trình cơng nghệ ứng dụng tƣ liệu ảnh vệ
tinh SPOT 5 và tƣ liệu GIS để thành lập và hiện chỉnh bản đồ lớp phủ rừng tỷ
lệ 1:10.000.
4. Nội dung nghiên cứu của đề tài
- Những vấn đề chung về bản đồ lớp phủ rừng.


13

- Các phƣơng pháp thành lập và hiện chỉnh bản đồ rừng và khả năng ứng
dụng của chúng
- Thành lập và hiện chỉnh bản đồ rừng bằng tƣ liệu viễn thám và GIS
5. Phƣơng pháp nghiên cứu của đề tài
- Phƣơng pháp thu thập, phân tích tƣ liệu ảnh viễn thám, tƣ liệu bản
đồ và các tƣ liệu có liên quan khác với mục đích giải quyết vấn đề thành lập
và hiện chỉnh bản đồ hiện trạng lớp phủ.
- Phƣơng pháp sử dụng các phần mềm và tiện ích của chúng phục vụ
việc xử lý ảnh vệ tinh và thành lập bản đồ.
- Phƣơng pháp bản đồ, viễn thám và hệ thông tin địa lý phục vụ việc
thành lập và hiện chỉnh bản đồ hiện trạng lớp phủ rừng.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Kết quả của đề tài góp phần vào việc vận dụng những ƣu việt của
công nghệ viễn thám và GIS vào lĩnh vực thành lập và hiện chỉnh bản đồ nói
chung, bản đồ lớp phủ rừng nói riêng, làm cơ sở cho công tác nghiên cứu,
đánh giá, cảnh báo và quy hoạch bảo vệ và phát triển rừng.
Kết quả của đề tài phần nào đó có thể giúp ích cho Lâm trƣờng Con
Cng, tỉnh Nghệ An có đƣợc bản đồ hiện trạng rừng mới nhất phục vụ cho
công tác quy hoạch bảo vệ và phát triển rừng trong giai đoạn tới.
7. Cấu trúc của luận văn

Luận văn gồm phần mở đầu và 3 chƣơng, đƣợc trình bày trong 105
trang, có 8 bảng, 24 hình và 1 phụ lục.


14

CHƢƠNG 1: VAI TRÒ CỦA TƢ LIỆU VIỄN THÁM VÀ GIS TRONG
NGHIÊN CỨU LỚP PHỦ RỪNG
1.1. Khái quát về viễn thám
1.1.1. Khái niệm về viễn thám
Viễn thám là phƣơng pháp sử dụng bức xạ điện từ nhƣ một phƣơng
tiện để nghiên cứu, điều tra, đo đạc những thuộc tính cơ bản của các đối
tƣợng hoặc hiện tƣợng mà không cần tiếp xúc trực tiếp tới các đối tƣợng, hiện
tƣợng đó. Hầu hết các đối tƣợng tự nhiên đều hấp thụ, phản xạ hay bức xạ
sóng điện từ với cƣờng độ và theo những cách khác nhau. Các đặc trƣng này
thƣờng đƣợc gọi là đặc trƣng phổ.
Thông tin thu đƣợc trong viễn thám có liên quan trực tiếp đến năng
lƣợng phản xạ từ các đối tƣợng, nên việc nghiên cứu đặc trƣng phản xạ phổ
của các đối tƣợng tự nhiên đóng một vai trò hết sức quan trọng trong việc
khai thác, ứng dụng có hiệu quả các thơng tin thu đƣợc. Công nghệ viễn thám
phát triển dựa trên những thành tựu mới nhất của khoa học kỹ thuật cũng nhƣ
công nghệ vũ trụ, công nghệ tin học…Với mục tiêu cung cấp thơng tin nhanh
nhất và khách quan nhất.

Hình 1.1: Hệ thống Viễn thám


15

Viễn thám đƣợc ứng dụng trong nhiều ngành khoa học khác nhau

nhƣ quân sự, địa chất, địa lý, khí tƣợng, thủy văn, mơi trƣờng, nơng nghiệp,
lâm nghiệp….
Theo bƣớc sóng sử dụng, viễn thám có thể phân thành 3 loại cơ bản:
* Viễn thám trong dải sóng nhìn thấy và hồng ngoại
Tƣ liệu viễn thám thu nhận đƣợc trong dải sóng nhìn thấy phụ thuộc
chủ yếu vào sự phản xạ từ bề mặt vật thể và từ bề mặt trái đất. Vì vậy, các
thơng tin về vật thể đƣợc xác định từ các phổ phản xạ (Radar sử dụng tia laze
là trƣờng hợp ngoại lệ không sử dụng năng lƣợng mặt trời).
* Viễn thám hồng ngoại nhiệt
Nguồn năng lƣợng sử dụng là bức xạ nhiệt do chính vật thể sinh ra.
* Viễn thám siêu cao tần
Trong viễn thám siêu cao tần thƣờng sử dụng hai loại kỹ thuật chủ
động và bị động. Viễn thám siêu cao tần bị động thì bức xạ siêu cao tần do
chính vật thể phát ra đƣợc ghi lại, trong viễn thám siêu cao tần chủ động lại
thu những bức xạ, tán xạ hoặc phản xạ từ vật thể.

Hình 1.2: Các dải sóng chủ yếu sử dụng trong Viễn thám


16

1.1.2. Nguyên lý thu nhận thông tin Viễn thám
Dựa vào nguồn gốc của năng lƣợng điện từ đƣợc sử dụng trong quá
trình thu nhận ảnh vệ tinh, các hệ thống thu nhận đƣợc chia làm 2 loại:
- Hệ thống chủ động.
- Hệ thống bị động.
Hệ thống bị động thu nhận ảnh vệ tinh dựa vào nguồn năng lƣợng
phát ra từ mặt trời. Năng lƣợng điện từ phát ra từ mặt trời truyền tới các đối
tƣợng trên bề mặt trái đất và sẽ đƣợc hấp thụ, truyền tiếp hoặc phản xạ lại.
Phần năng lƣợng phản xạ lại sẽ đƣợc hệ thống thu nhận trên vệ tinh ghi lại và

chuyển thành tín hiệu số hay ảnh số.
Quá trình thu nhận ảnh vệ tinh của hệ thống chủ động và bị động
đƣợc minh họa trên sơ đồ sau:

Hình 1.3: Hệ thống thu nhận ảnh vệ tinh.
Khác với hệ thống bị động, hệ thống chủ động sử dụng nguồn năng
lƣợng của chính nó để truyền tới các đối tƣợng trên bề mặt trái đất và ghi
nhận phần năng lƣợng phản xạ lại để chuyển thành tín hiệu số. Hệ thống viễn
thám tiêu biểu là Radarsat.


17

Do đặc điểm chủ động về nguồn năng lƣợng nên hệ thống viễn thám
chủ động có thể chụp ảnh vào bất kỳ thời điểm nào, trong khi việc chụp ảnh
bằng hệ thống viễn thám bị động chỉ có thể thực hiện lúc thời tiết tốt.
1.1.3. Đặc tính phản xạ phổ của các đối tƣợng tự nhiên
Đồ thị phản xạ phổ 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 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 dạng của đƣờng cong phổ phản xạ cịn 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 quanh giá trị trung bình.
Nguyên tắc cơ bản để phân biệt các đối tƣợng lớp phủ mặt đất trên
ảnh vệ tinh là dựa vào sự khác biệt về đặc tính phản xạ của chúng trên các
kênh phổ. Hình 1.4 dƣới đây thể hiện đặc tính phản xạ của các thành phần đất,

nƣớc và thực vật trên ảnh vệ tinh.
Đất khơ

Phản xạ (%)

Đất ướt

Nước
0,8

Thực vật
1,2

Hồng ngoại gần

Dải sóng

1,6

2,0

2,4

Hồng ngoại trung

Hình 1.4: Đặc tính phản xạ phổ của đất, nƣớc và thực vật trên ảnh vệ tinh


18

Đặc tính phản xạ phổ của thực vật
Thực vật khỏe mạnh chứa nhiều diệp lục tố (Chlorophil), phản xạ rất
mạnh ánh sáng có bƣớc sóng từ 0,45 – 0,67μm (tƣơng ứng với dải sóng màu
lục – Green) vì vậy ta nhìn thấy chúng có màu xanh lục. Khi diệp lục tố giảm
đi, thực vật chuyển sang có khả năng phản xạ ánh sáng màu đỏ trội hơn. Kết
quả là lá cây có màu vàng (do tổ hợp màu green và red) hoặc màu đỏ hẳn
(rừng ở khí hậu lạnh, hiện tƣợng này khá phổ biến khi mùa đông đến), ở vùng
hồng ngoại phản xạ (từ 0,7 – 1,3μm) 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 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.
Đặc tính phản xạ phổ của nước
Nƣớc khơng chỉ phản xạ mạnh ở vùng sóng của tia chàm (Blue) và
yếu dần khi sang vùng tia xanh lục (Green), triệt tiêu ở cuối dải sóng đỏ
(Red). Khi nƣớc bị đục, khả năng phản xạ tăng lên do ảnh hƣởng sự tán xạ
của các vật chất lơ lửng. Sự thay đổi về tính chất của nƣớc (độ đục, độ sâu,
hàm lƣợng Chlorophil...) đều ảnh hƣởng đến tính chất phổ của chúng. Nghĩa
là khi tính chất nƣớc thay đổi, hình dạng đƣờng cong và giá trị phổ phản xạ sẽ
bị thay đổi. Ngoài ra nó cịn phụ thuộc vào bề mặt và trạng thái của nƣớc.
Trên kênh hồng ngoại và cận hồng ngoại đƣờng bờ nƣớc đƣợc phát hiện rất
dễ dàng.
Đặc tính phản xạ phổ của đất khô
Đƣờng cong phản xạ phổ của đất khơ tƣơng đối đơn giản, 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


19

vật. Các yếu tố ảnh hƣởng đến đƣờng cong phổ phản xạ của đất là: lƣợng ẩm,
cấutrúc của đất (tỉ lệ cát, bột và sét), độ nhám bề mặt, sự có mặt của các loại
oxyt 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. Các cực trị hấp thụ phổ do hơi nƣớc cũng diễn ra ở vùng 1,4 ;
1,9 và 2,7μm.
1.1.4. Một số yếu tố chính ảnh hƣởng tới khả năng phản xạ phổ của các
đối tƣợng tự nhiên
Ảnh hưởng của các yếu tố không gian - thời gian lên khả năng

phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên.
a. Yếu tố thời gian.
Thực phủ mặt đất và một số đối tƣợng khác thƣờng hay thay đổi theo
thời gian. Do vậy khả năng phản xạ phổ cũng thay đổi theo thời gian. Ví dụ
cây rụng lá vào mùa đơng và xanh tốt vào mùa xuân, mùa hè, hoặc lúa có màu
biểu hiện bề mặt khác nhau theo thời vụ.
b. Yếu tố không gian.
Ngƣời ta chia thành hai loại: yếu tố không gian cục bộ và yếu tố
không gian địa lý. Yếu tố cục bộ thể hiện khi chụp ảnh cùng một loại đối
tƣợng, ví dụ cây trồng theo hàng, luống và cũng cây đó nhƣng trồng theo
mảng lớn thì khả năng phản xạ phổ của hai loại trồng này sẽ đem lại khả năng
phản xạ phổ khác nhau.
Yếu tố địa lý thể hiện khi cùng loại thực vật nhƣng điều kiện sinh
trƣởng khác nhau theo vùng địa lý thì khả năng phản xạ phổ khác nhau. Yếu
tố thời gian cũng có thể thể hiện. Khi góc mặt trời hạ thấp ta sẽ có hình ảnh
núi có bóng và cùng một đối tƣợng trên hai sƣờn núi, một bên đƣợc chiếu
sáng và một bên không đƣợc chiếu sáng đã tạo nên khả năng phản xạ phổ
khác nhau...

20

Để có thể khống chế đƣợc ảnh hƣởng của yếu tố không gian, thời gian
đến khả năng phản xạ phổ ta cần thực hiện theo một số phƣơng án sau:
- Ghi nhận thông tin vào thời điểm mà khả năng phản xạ phổ của một
đối tƣợng này khác xa khả năng phản xạ phổ của một đối tƣợng khác.
- Ghi nhận thông tin vào những lúc mà khả năng phản xạ phổ của một
đối tƣợng không khác biệt mấy.
- Ghi nhận thông tin thƣờng xuyên, định kỳ qua một khoảng thời gian
nhất định.
- Ghi nhận thông tin trong điều kiện mơi trƣờng nhất định, ví dụ góc
mặt trời tối thiểu, mây ít hơn 10%, qua một số ngày nhất định ...
Ảnh hưởng của khí quyển

Khi xem xét hệ thống ghi nhận các số liệu về thông tin viễn thám ta
thấy rằng năng lƣợng bức xạ từ mặt trời chiếu xuống các đối tƣợng trên mặt
đất phải qua tầng khí quyển, sau đó phản xạ từ bề mặt trái đất năng lƣợng lại
đƣợc truyền qua khí quyển tới máy ghi thơng tin trên vệ tinh. Do vậy khí
quyển ảnh hƣởng rất lớn tới khả năng phản xạ phổ của các đối tƣợng tự nhiên.
Bề dày khí quyển ảnh hƣởng tới những tia sáng từ mặt trời chiếu
xuống, còn đối với các vệ tinh viễn thám thì bề dày của khí quyển ảnh hƣởng
tới số liệu thông qua tham số độ cao bay của vệ tinh.
Khí quyển có thể ảnh hƣởng tới số liệu vệ tinh viễn thám bằng hai con
đƣờng tán xạ và hấp thụ năng lƣợng. Sự biến đổi năng lƣợng bức xạ mặt trời
trong khí quyển là tán xạ và hấp thụ sóng điện từ bởi các thành phần khí
quyển và các hạt ion khí. Vì q trình này mà sự phân bố phổ, phân bố góc và
phân bố không gian do việc phát xạ của các đối tƣợng đang nghiên cứu yếu
đi.

Sau đây chúng ta xem xét ảnh hƣởng của khí quyển ở cả hai con
đƣờng tán xạ và hấp thụ.
Hiện tƣợng tán xạ chỉ làm đổi hƣớng tia chiếu mà không làm mất
năng lƣợng. Tán xạ (hay phản xạ) có đƣợc là do các thành phần khơng khí
hoặc các ion có trong khí quyển phản xạ tia chiếu tới, hoặc do lớp khí quyển


21

dày đặc có mật độ khơng khí ở các lớp không đồng nhất nên khi tia chiếu
truyền qua các lớp này sẽ gây ra hiện tƣợng khúc xạ.
Hiện tƣợng hấp thụ diễn ra khi tia sáng không đƣợc tán xạ mà năng
lƣợng đƣợc truyền qua các ngun tử khơng khí trong khí quyển và nung
nóng lớp khí quyển. Hiện tƣợng tán xạ tuyệt đối xảy ra khi khơng có sự hấp
thụ năng lƣợng. Trong hệ thống viễn thám khi năng lƣợng tia sáng bị tán xạ
về các hƣớng, nếu trƣờng thu của ống kính máy ghi thơng tin thật rộng thì sẽ
thu đƣợc tồn bộ năng lƣợng tán xạ, ngƣợc lại nếu trƣờng thu nhỏ quá thì sẽ
thu đƣợc một phần năng lƣợng.
Các nguyên nhân chính gây ra hiện tƣợng tán xạ và hấp thụ năng
lƣợng ánh sáng mặt trời là:
- Do sự hấp thụ, khúc xạ năng lƣợng mặt trời của các phần tử trong
khí quyển.
- Do sự hấp thụ có chọn lọc bƣớc sóng của hơi nƣớc, ozon và các hợp
chất khơng khí trong khí quyển.
- Do sự phản xạ (tán xạ năng lƣợng chiếu tới, do sự khơng đồng nhất
của khí quyển và các hạt nhỏ trong khí quyển).
Nếu gọi Eo là năng lƣợng bức xạ tồn phần chiếu tới, E là năng lƣợng
bị hấp thụ, E là năng lƣợng tán xạ, E là năng lƣợng còn lại lọt qua đƣợc ảnh
hƣởng của tầng khí quyển thì ta có thể xác định đƣợc hệ số hấp thụ hệ số phản
xạ  và độ trong suốt T của độ dày lớp khí quyển theo cơng thức :

=

E
;
Eo

=

E
;
Eo

T=

E
Eo

(1.1)

++T=1
Đối với vật thể trong suốt :
T=0 ; +=1
Đối với vật thể ít hấp thụ:

(1.2)
+T=1

Hiện tƣợng tán xạ, bức xạ trong khí quyển cịn phụ thuộc kích thƣớc
hạt gây tán xạ. Khi năng lƣợng từ nguồn chiếu qua khí quyển vào những vùng

22

mà kích thƣớc hạt nhỏ và gần bằng bƣớc sóng thì hiện tƣợng tán xạ cịn phụ
thuộc bƣớc sóng.
Nếu những vùng kích thƣớc hạt lớn hơn bƣớc sóng rất nhiều nhƣ hạt
mƣa thì ánh sáng tán xạ bao gồm:
- Phản xạ trên bề mặt hạt nƣớc.
- Xuyên qua hạt nƣớc hoặc phản xạ nhiều lần trong hạt nƣớc.
- Khúc xạ qua hạt nƣớc.
Trong trƣờng hợp này hiện tƣợng phản xạ phổ khơng phụ thuộc vào
bƣớc sóng của bức xạ mà phụ thuộc vào thành phần khơng khí, nên sƣơng mù
dày đặc ta sẽ làm cho năng lƣợng bị tán xạ hết cho nên ảnh có màu trắng
(năng lƣợng khơng lới đƣợc máy thu thơng tin). Do đó trên ảnh tổ hợp màu
mây ln có màu trắng.
Khí quyển tác động đến bức xạ mặt trời qua 3 con đƣờng phản xạ, hấp
thụ và cho năng lƣợng truyền qua. Đối với công tác viễn thám phần năng
lƣợng truyền qua là rất quan trọng.
Sau đây ta xét đồ thị đặc trƣng cho sự tác động của khí quyển đến bức
xạ năng lƣợng (hình 1.5)
10 
75 
50 
25 

r(%)

Nguồn năng
lượng







0,3 1,0





100


10



1m
m

1m

Vùng nhìn thấy
Chụp ảnh

Hồng ngoại
nhiệt
Qt đa phổ







0,3 1,0

10

Radio và sóng
ngắn


100




1m
m

Hình 1.5. Cửa sổ khí quyển



1m

23

Trên đồ thị trục hoành biểu thị độ dài bƣớc sóng , một trục biểu thị
hệ số phản xạ năng lƣợng nguồn theo phần trăm (%).
r =  =

E
x 100%
Eo

(1.3)

Ở vùng ánh sáng nhìn thấy năng lƣợng phản xạ phổ lớn nhất cỡ gần

60% năng lƣợng chiếu tới đƣợc phản xạ. Đồ thị cho thấy rằng ở mỗi dải sóng
khác nhau năng lƣợng bức xạ có mức độ phản xạ và hấp thụ khác nhau : một
số bƣớc sóng bị hấp thụ ít, một số vùng khác năng lƣợng bị hấp thụ nhiều.
Đây là "cửa sổ khí quyển".
Hệ thống chụp ảnh vũ trụ thụ động sẽ sử dụng hữu hiệu "cửa sổ khí
quyển", cịn các hệ thống chụp ảnh vũ trụ chủ động sẽ sử dụng các cửa sổ ở
vùng sóng 1mm  1m. Cửa sổ của khí quyển bức xạ mặt trời gồm (bảng 5).
Các cửa sổ này tính cho lớp khí quyển nằm ngang dày nhƣ một lớp có
hai mặt song song. Khi tia chiếu xiên, hoặc ống kính góc rộng đặc tính của
các cửa sổ khí quyển cũng sẽ thay đổi.
Các kênh sóng của hệ thống viễn thám là các dải sóng phù hợp, có
nghĩa là chọn các kênh sao cho có thể thu đƣợc các sóng ở những cửa sổ nói
trên.
Bảng 1.1: Các cửa sổ và bƣớc sóng
Số cửa sổ
1

Bƣớc sóng ()
0,3  1,3

2

1,5  1,8

3
4

2,0  2,6
3,0  3,6

5

4,2  5,0

6

7,0  15,0

Hệ thống viễn thám đa phổ thƣờng sử dụng các cửa sồ 1 , 2, 3 và 6 vì
ở đó ảnh hƣởng phản xạ và bức xạ rất rõ ràng.


24

1.1.5. Đặc tính cơ bản của ảnh vệ tinh
a. Đặc tính cơ bản của ảnh quang học

Một trong những ƣu điểm cơ bản của ảnh vệ tinh quang học là đƣợc
thu nhận ở vùng sóng nhìn thấy và cận hồng ngoại nên rất phù hợp với cảm
nhận trực giác của con ngƣời (vì mắt ngƣời cũng có thể coi là một bộ xử lý
hình ảnh ở vùng sóng nhìn thấy). Do đó, rất thuận lợi cho việc phân tích, giải
đốn, chiết tách các thơng tin. Hình ảnh các đối tƣợng trên ảnh quang học
thƣờng rõ ràng, sắc nét, ít nhiễu, dễ giải đốn, nhận dạng. Đây là một đặc tính
ƣu việt hơn hẳn ảnh radar. Ngoài ra ảnh quang học cịn có một số đặc điểm
sau:
Độ phủ rộng: Trong trƣờng hợp tƣ liệu SPOT 5 với độ phân giải 10m
thì một cảnh có kích thƣớc là 60km x 60km. Với ảnh Landsat phạm vi của
khả năng thu nhận lên tới 180km x 180km. Nhƣ vậy, bề mặt đất cũng nhƣ các
vấn đề liên quan trong một khu vực có thể đƣợc quan sát trong một điều kiện
gần nhƣ không đổi. Đó là thuận lợi cơ bản của tƣ liệu viễn thám. Nếu chúng
ta sử dụng phƣơng pháp khảo sát thực địa truyền thống thì để thu thập đƣợc
các thơng tin về rừng tƣơng đƣơng với một cảnh ta sẽ phải cần một khoảng
thời gian tƣơng đối lớn. Hơn nữa, có nhiều khu vực do điều kiện địa hình
chúng ta khơng thể tiếp cận thực địa nhƣng nếu sử dụng tƣ liệu viễn thám
chúng ta vẫn có thể nghiên cứu đƣợc.
Khả năng chụp lặp: Do vệ tinh bay trong vũ trụ theo những quỹ đạo
cố định nên sau một khoảng thời gian nhất định vệ tinh sẽ quay trở lại điểm
quan sát ban đầu. Điều này cho phép chúng ta thực hiện các quan sát lặp lại
đều đặn theo các khoảng thời gian định trƣớc. Khả năng này cho phép thực
hiện các nghiên cứu mang tính đa thời gian.
Độ phân giải phổ lớn: Sử dụng các dải phổ đặc biệt để quan sát các
đối tƣợng. Tƣ liệu viễn thám hiện đại đƣợc lƣu ở dạng số rất thuận lợi cho


25

việc áp dụng các phƣơng pháp xử lý số trong phân tích, chiết tách thơng tin.

Tính ƣu việt này cho phép xử lý dữ liệu với tốc độ rất cao, áp dụng các
phƣơng pháp tự động hóa và các mơ hình trong phân tích dữ liệu.
b. Các phương pháp giải đoán ảnh vệ tinh
+ Phƣơng pháp giải đoán ảnh bằng mắt:
Là phƣơng pháp khoanh định các vật thể cũng nhƣ trạng thái của
chúng nhờ vào việc phân biệt các đặc tính thể hiện trên ảnh (màu sắc, cấu
trúc, quan hệ với các đối tƣợng xung quanh...) và kinh nghiệm thực tế của
đốn đọc viên. Mức độ đầy đủ, chính xác của kết quả phụ thuộc rất nhiều vào
khả năng của ngƣời giải đoán, hiệu quả kinh tế thấp và mất nhiều thời gian.
Cơ sở giải đoán ảnh bằng mắt là các chuẩn đốn đọc và khóa đốn
đọc.
- Chuẩn kích thƣớc
Cần phải chọn một tỷ lệ ảnh phù hợp để đoán đọc. Kích thƣớc của
đối tƣợng có thể xác định nếu lấy kích thƣớc đo đƣợc trên ảnh nhân với mẫu
số tỷ lệ ảnh.
- Chuẩn hình dạng
Hình dạng có ý nghĩa quan trọng trong đốn đọc ảnh. Hình dạng đặc
trƣng cho mỗi đối tƣợng khi nhìn từ trên cao xuống và đƣợc coi là chuẩn đốn
đọc quan trọng.
- Chuẩn bóng
Bóng của vật thể dễ dàng nhận thấy khi nguồn sáng không nằm chính
xác ở đỉnh đầu hoặc trƣờng hợp chụp ảnh xiên. Dựa vào bóng của vật thể có
thể xác định đƣợc chiều cao của nó.
- Chuẩn độ đen
Độ đen trên ảnh đen trắng biến thiên từ trắng đến đen. Mỗi vật thể
đƣợc thể hiện bằng một cấp độ sáng nhất định tỷ lệ với cƣờng độ phản xạ ánh