Luận văn Thạc sĩ Khoa học Lâm nghiệp: Nghiên cứu khả năng phân loại rừng bằng ảnh viễn thám ở khu rừng thực nghiệm núi Luốt

Chia sẻ: Tri Lễ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:100

Thêm vào BST

Báo xấu

15
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài là lựa chọn đƣợc ảnh vệ tinh dễ tiếp cận để phân loại trạng thái rừng cho khu vực nghiên cứu; xây dựng đƣợc chỉ tiêu phản xạ phổ để phân loại trạng thái rừng trên ảnh vệ tinh cho khu vực nghiên cứu; đánh giá đƣợc độ chính xác của phân loại rừng từ ảnh vệ tinh dễ tiếp cận đã lựa chọn để phân loại trạng thái rừng cho khu vực nghiên cứu.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học Lâm nghiệp: Nghiên cứu khả năng phân loại rừng bằng ảnh viễn thám ở khu rừng thực nghiệm núi Luốt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƢỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP NGUYỄN THỊ HỒNG NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG PHÂN LOẠI RỪNG BẰNG ẢNH VIỄN THÁM Ở KHU RỪNG THỰC NGHIỆM NÚI LUỐT LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC LÂM NGHIỆP HÀ NỘI, 2016
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƢỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP NGUYỄN THỊ HỒNG NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG PHÂN LOẠI RỪNG BẰNG ẢNH VIỄN THÁM Ở KHU RỪNG THỰC NGHIỆM NÚI LUỐT Chuyên ngành: Lâm học Mã số: 60620201 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC LÂM NGHIỆP NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: GS. TS. VƢƠNG VĂN QUỲNH HÀ NỘI, 2016
i LỜI CẢM ƠN Đƣợc sự nhất trí của Ban Giám hiệu, Khoa Đào tạo Sau Đại học Trƣờng Đại học Lâm nghiệp, đề tài “Nghiên cứu khả năng phân loại rừng bằng ảnh viễn thám ở khu rừng thực nghiệm núi Luốt” đƣợc thực hiện và hoàn thành vào tháng 9/2016. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, tập thể cán bộ khoa Công nghệ Nông lâm thực phẩm Trƣờng Đại học Thành Tây, nơi tôi đang công tác và học tập đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi về thời gian, chuyên môn khoa học trong quá trình thực hiện luận văn. Nhân dịp này tôi cũng xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu, Khoa Đào tạo Sau Đại học, Viện sinh thái rừng, Thƣ viện trƣờng Đại học Lâm nghiệp, đặc biệt xin đƣợc bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến GS.TS. Vƣơng Văn Quỳnh ngƣời trực tiếp hƣớng dẫn khoa học đã giúp đỡ nhiều mặt để luận văn của tôi hoàn thành. Cuối cùng xin gửi lời cảm ơn sự động viên, giúp đỡ quý báu của gia đình, bạn bè giúp tôi tự tin trong quá trình thực hiện luận văn. Xin trân trọng cảm ơn! Tác giả
ii MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................... i MỤC LỤC .......................................................................................................................ii DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................................. iv DANH MỤC CÁC HÌNH ............................................................................................... v ĐẶT VẤN ĐỀ ................................................................................................................. 1 Chƣơng 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ...................................................... 3 1.1. Cơ sở khoa học của phƣơng pháp viễn thám............................................................ 3 1.1.1. Cơ sở vật lý ............................................................................................................ 3 1.1.2. Tƣơng tác giữa các đối tƣợng và đặc trƣng phản xạ phổ của một số đối tƣợng tự nhiên ................................................................................................................................ 4 1.1.3. Ảnh số viễn thám ................................................................................................... 9 1.1.4. Một số phần mềm thông dụng đƣợc sử dụng trong viễn thám ............................ 13 1.2. Khai thác ảnh vệ tinh và công nghệ xử lý ảnh ....................................................... 18 1.2.1. Trên thế giới ........................................................................................................ 18 1.2.2. Ở Việt Nam.......................................................................................................... 23 Chƣơng 2 MỤC TIÊU - ĐỐI TƢỢNG - NỘI DUNG .................................................. 30 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................................................................. 30 2.1. Mục đích nghiên cứu .............................................................................................. 30 2.2. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu .......................................................................... 30 2.3. Nội dung nghiên cứu .............................................................................................. 30 2.4. Phƣơng pháp nghiên cứu ........................................................................................ 31 2.4.1. Phƣơng pháp luận ................................................................................................ 31 2.4.2. Phƣơng pháp thu thập và xử lý thông tin trong nghiên cứu ................................ 32 Chƣơng 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ........................................................................... 39 3.1. Rừng thực nghiệm Trƣờng Đại học Lâm nghiệp ................................................... 39
iii 3.2. Lựa chọn tƣ liệu ảnh hiện có ở khu vực nghiên cứu để phân loại trạng thái rừng cho khu vực Núi Luốt .................................................................................................... 46 3.2.1. Đặc điểm những tƣ liệu ảnh dễ tiếp cận có thể sử dụng để phân loại rừng ở khu vực nghiên cứu .............................................................................................................. 46 3.2.2. Bộ tiêu chí đánh giá lựa chọn tƣ liệu ảnh dễ tiếp cận cho phân loại rừng ở địa điểm nghiên cứu ............................................................................................................ 52 3.2.3 Lựa chọn tƣ liệu ảnh vệ tinh cho phân loại rừng .................................................. 56 3.3. Xây dựng chỉ số phản xạ phổ để phân loại rừng trên ảnh vệ tinh .......................... 58 3.3.1. Đặc điểm phản xạ phổ của các trạng thái rừng và đất ở Núi Luốt trên ảnh Google Earth .................................................................................................................. 58 3.3.2. Xây dựng chỉ tiêu phản xạ phổ và khóa để phân loại rừng ở khu vực nghiên cứu69 3.4. Đánh giá tính chính xác của phân loại trạng thái rừng từ ảnh vệ tinh .................... 71 3.4.1. Phân bố các điểm kiểm tra................................................................................... 71 3.4.2. Độ chính xác của phân loại rừng từ ảnh .............................................................. 73 KẾT LUẬN ................................................................................................................... 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC
iv DANH MỤC CÁC BẢNG STT Tên bảng Trang 1.1 Cấp độ phân giải bức xạ ảnh vệ tinh 11 1.2 Đặc điểm và khả năng ứng dụng của mỗi loại ảnh vệ tinh 21 Tọa độ và đặc điểm rừng của các điểm điều tra ở khu thực 3.1 40 nghiệm Trƣờng Đại học Lâm nghiệp Giá trị trung bình các kênh phổ tại các điểm điều tra trên 3 tƣ 3.2 49 liệu ảnh vệ tinh Hệ số biến động trung bình các kênh phổ giữa các pixel ở mỗi 3.3 54 điểm điều tra (Kcti) Giá trị các tiêu chí đánh giá của ba tƣ liệu ảnh vệ tinh dễ tiếp 3.4 57 cận Xếp hạng ba tƣ liệu ảnh vệ tinh dễ tiếp cận theo các tiêu chí 3.5 57 đánh giá 3.6 Chỉ số hiệu quả fij của từng tƣ liệu ảnh theo từng tiêu chí 58 Đặc điểm phản xạ phổ của các trạng thái rừng tại các điểm 3.7 58 điều tra Trạng thái rừng xác định bằng khóa ảnh và trạng thái rừng 3.8 73 thực tế ở các điểm kiểm tra 3.9 So sánh kết quả phân loại trạng thái rừng từ ảnh và thực tế 74
v DANH MỤC CÁC HÌNH STT Tên hình Trang 1.1 Bức xạ sóng điện từ 3 1.2 Sự phân bố các dải sóng trong quang phổ điện từ 3 1.3 Đặc điểm phổ phản xạ của nhóm các đối tƣợng tự nhiên chính 6 1.4 Cấu trúc của ảnh số 10 1.5 Các khuôn dạng dữ liệu của ảnh số 13 Lớp khoanh vi các trạng thái rừng từ ảnh vệ tinh Google Earth 2.1 37 ở Núi Luốt Lớp khoanh vi các trạng thái rừng và hệ thống điểm điều tra 2.2 38 trên MAPINFO Phân bố các điểm điều tra tại khu rừng thực nghiệm Trƣờng 3.1 39 Đại học Lâm nghiệp Rừng trồng keo tai tƣợng hỗn giao cây bản địa ở khu rừng 3.2 43 thực nghiệm Trƣờng Đại học Lâm nghiệp (điểm điều tra số 8) Rừng trồng thông hỗn giao cây bản địa ở khu rừng thực 3.3 44 nghiệm Trƣờng Đại học Lâm nghiệp (điểm điều tra số 12) Rừng trồng bạch đàn ở khu rừng thực nghiệm Trƣờng Đại học 3.4 44 Lâm nghiệp (điểm điều tra số 2) Rừng trồng keo hỗn giao cây bản địa ở khu rừng thực nghiệm 3.5 45 Trƣờng Đại học Lâm nghiệp (điểm điều tra số 28) Rừng trồng thông hỗn giao cây bản địa ở khu rừng thực 3.6 45 nghiệm Trƣờng Đại học Lâm nghiệp (điểm 14) Trữ lƣợng rừng tại các điểm điều tra ở khu thực nghiệm 3.7 46 Trƣờng Đại học Lâm nghiệp Ảnh Landsat8 khu rừng thực nghiệm Trƣờng Đại học Lâm 3.8 47 nghiệp
vi Ảnh Sentinel2 khu rừng thực nghiệm Trƣờng Đại học Lâm 3.9 48 nghiệp Ảnh Google Earth khu rừng thực nghiệm Trƣờng Đại học 3.10 49 Lâm nghiệp Giá trị kênh lục trung bình của các khoanh vi chứa các điểm 3.11 61 điều tra Giá trị kênh đỏ trung bình của các khoanh vi chứa các điểm 3.12 62 điều tra Giá trị kênh xanh da trời trung bình của các khoanh vi chứa 3.13 62 các điểm điều tra 3.14 Biến động của chỉ số NDVI giữa các điểm điều tra 63 Hệ số biến độ về độ sáng giữa các pixel trong các khoanh vi 3.15 64 tại các điểm điều tra Sai tiêu chuẩn của các kênh phổ trong các khoanh vi tại các 3.16 65 điểm điều tra Hệ số biến động độ sáng của các pixel trong các khoanh vi ở 3.17 66 từng điểm điều tra Giá trị trung bình các kênh phổ của các pixel trong khoanh vi 3.18 67 tại các điểm điều tra NDVI trung bình của các pixel trong những khoanh vi tại các 3.19 68 điểm điều tra Chỉ số khô ẩm (K) trung bình trong những khoanh vi tại các 3.20 69 điểm điều tra rừng keo và thông hỗn giao với cây bản địa 3.21 Khoanh vi các lô rừng theo đặc điểm giá trị các kênh phổ 71 3.22 Phân bố các điểm kiểm tra trạng thái rừng ngoài thực địa 72 3.23 Phân bố số điểm kiểm tra và các khoanh vi trạng thái rừng đƣợc 72 xác định bằng khóa phân loại rừng
vii
1 ĐẶT VẤN ĐỀ Việt Nam có tổng diện tích đất tự nhiên là 33.121.200 ha (Tổng cục Thống kê, 2007), trong đó có tới 3/4 diện tích là rừng và đất rừng, hơn nữa nƣớc ta nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa, hàng năm nhận đƣợc lƣợng nhiệt và lƣợng mƣa lớn, địa hình bị chia cắt mạnh, đất nƣớc trải dài theo nhiều vĩ độ và kinh độ, … chính điều đó đã tạo cho nƣớc ta có nguồn tài nguyên thực vật và động vật rừng vô cùng phong phú và đa dạng. Tuy nhiên, trong những thập kỷ gần đây, do công tác quản lý rừng chƣa bền vững mà rừng ở nƣớc ta đang bị suy giảm một cách nghiêm trọng cả về số lƣợng lẫn chất lƣợng: Năm 1943, Việt Nam có 14.3 triệu ha rừng, độ che phủ là 43% nhƣng đến năm 1990 chỉ còn 9.18 triệu ha, độ che phủ rừng là 27,2%. Theo công bố tại quyết định số 1970/QĐ/BNN-KL-LN ngày 06 tháng 7 năm 2006, tính đến 31/12/2005, diện tích rừng toàn quốc là 12,61 triệu ha, độ che phủ rừng là 37%, trong đó mất rừng là nguyên nhân gây ra một loạt các hiện tƣợng nhƣ: lũ lụt, hạn hán, mất mùa, … kéo theo đó là các tai biến về môi trƣờng đã làm ảnh hƣởng rất lớn đến quá trình sản xuất và sinh hoạt của ngƣời dân. Chính vì vậy, nhiệm vụ đặt ra đối với các cơ quan chức năng, những nhà quản lý lâm nghiệp là cần phát triển bền vững nguồn tài nguyên này. Để quản lý bền vững nguồn tài nguyên rừng thì một trong những tài liệu không thể thiếu đó là bản đồ tài nguyên rừng nhƣ: Bản đồ hiện trạng rừng, bản đồ trữ lƣợng, bản đồ sinh khối, … bởi từ bản đồ tài nguyên rừng các nhà quản lý lâm nghiệp, các nhà khoa học mới có cơ sở để đƣa ra các phƣơng án quy hoạch, đề xuất các giải pháp kỹ thuật, kinh tế - xã hội và định hƣớng cho việc sử dụng và quản lý bền vững tài nguyên rừng. Hơn nữa, bản đồ tài nguyên rừng còn là cơ sở để thực hiện việc đánh giá biến động tài nguyên rừng qua các thời kỳ mà hiện nay ở nƣớc ta thực hiện theo chu kỳ 5 năm. Bản đồ tài nguyên rừng cũng là cơ sở để các nhà quản lý thực hiện giao đất giao rừng cho các hộ gia đình, …
2 Ở nƣớc ta, các chƣơng trình theo dõi diễn biến tài nguyên rừng đã đƣợc tiến hành từ những năm 1976 với chƣơng trình đánh giá diễn biến tài nguyên rừng toàn quốc giai đoạn 1976 - 1990 - 1995, chƣơng trình điều tra, đánh giá và theo dõi diễn biến tài nguyên rừng toàn quốc 5 năm các giai đoạn 1996 - 2000 và 2000 - 2005 và hiện nay đang thực hiện chƣơng trình điều tra, đánh giá và theo dõi diễn biến tài nguyên rừng toàn quốc giai đoạn 2006 - 2010. Những năm trƣớc đây để điều tra theo dõi diễn biến tài nguyên rừng chủ yếu vẫn dựa trên việc đo vẽ, thành lập bản đồ hiện trạng rừng bằng phƣơng pháp thủ công vì vậy công việc này đòi hỏi tốn rất nhiều thời gian, công sức, tiền bạc, độ chính xác không cao và thông tin thƣờng không đƣợc cập nhật vì tình hình rừng và đất rừng luôn biến động. Trong những năm gần đây, khi khoa học công nghệ viễn thám phát triển mạnh thì việc áp dụng công nghệ viễn thám vào lâm nghiệp là rất cần thiết vì kỹ thuật viễn thám với khả năng quan sát các đối tƣợng ở các độ phân giải phổ và không gian khác nhau, từ trung bình đến siêu cao và chu kỳ chụp lặp từ một tháng đến một ngày cho phép ta quan sát và xác định nhanh chóng hiện trạng lớp phủ rừng, từ đó có thể dễ dàng xác định đƣợc biến động rừng và đặc biệt là xu hƣớng của biến động, hơn nữa kỹ thuật viễn thám dễ dàng tích hợp với các phần mềm GIS để quản lý và cập nhật thƣờng xuyên, giúp cho việc quản lý đƣợc dễ dàng, thuận lợi với độ tin cậy cao. Tuy nhiên, các nghiên cứu về ứng dụng công nghệ viễn thám trong lâm nghiệp còn rất thiếu đặc biệt là công nghệ xử lý ảnh số viễn thám tự động và bán tự động, các ảnh vệ tinh đƣợc sử dụng vẫn là các ảnh độ phân giải thấp dẫn đến các kết quả thành lập bản đồ tài nguyên rừng và đánh giá biến động rừng cho độ chính xác không cao. Xuất phát từ ý nghĩa thực tiễn trên tôi tiến hành thực hiện đề tài: “Nghiên cứu khả năng phân loại rừng bằng ảnh viễn thám ở khu rừng thực nghiệm núi Luốt”
3 Chƣơng 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Cơ sở khoa học của phƣơng pháp viễn thám 1.1.1. Cơ sở vật lý Bức xạ điện từ là quá trình truyền năng lƣợng điện từ trên cơ sở các dao động của điện trƣờng và từ trƣờng trong không gian. Hình 1.1: Bức xạ sóng điện từ Các bức xạ điện từ này vừa có tính chất sóng lại vừa có tính chất hạt, tính chất sóng của bức xạ điện từ này đƣợc thể hiện bằng biểu thức sau: C  (1.1) (C=299,793 km/s trong môi trƣờng chân không). v Trong viễn thám, các sóng điện từ đƣợc sử dụng với các dải bƣớc sóng của quang phổ điện từ. Quang phổ điện từ là dải liên tục của các tia sáng ứng với các bƣớc sóng khác nhau, sự phân chia thành các dải phổ có liên quan đến tính chất bức xạ khác nhau. Hình 1.2: Sự phân bố các dải sóng trong quang phổ điện từ
4 Quang phổ điện từ có các dải sóng chính nhƣ sau: - Các tia vũ trụ: là các tia từ vũ trụ có bƣớc sóng vô cùng ngắn với λ 30cm. Còn tính chất hạt đƣợc mô tả theo tính chất của photon hay quang lƣợng tử đƣợc thể hiện bằng biểu thức sau: E  hv (1.2) Trong đó: (h là hằng số plank) 1.1.2. Tương tác giữa các đối tượng và đặc trưng phản xạ phổ của một số đối tượng tự nhiên  Sự tương tác năng lượng với các đối tượng ở trên mặt đất. Sóng điện từ lan truyền tới bề mặt của vật thể, năng lƣợng sóng điện từ sẽ tƣơng tác với vật thể đƣới dạng hấp thụ (A), phản xạ (R), truyền qua vật thể (T), phần trăm năng lƣợng phản xạ phụ thuộc vào chất liệu và điều kiện tƣơng tác với vật thể đó.
5 EI(λ) = ER(λ) + EA(λ) + ET(λ) (1.3) Trong đó: EI: là năng lƣợng tới mặt đất. ER: năng lƣợng phản xạ. EA: năng lƣợng hấp thụ. ET: năng lƣợng truyền qua. Tỷ lệ giữa các hợp phần năng lƣợng phản xạ, hấp thụ, truyền qua là rất khác nhau, tuỳ thuộc vào các đặc điểm của đối tƣợng trên bề mặt, cụ thể là phần vật chất và tình trạng của đối tƣợng. Ngoài ra, tỷ lệ giữa các hợp phần đó còn phụ thuộc vào bƣớc sóng của ánh sáng chiếu tới. Trong viễn thám, thành phần năng lƣợng phổ phản xạ rất quan trọng và viễn thám nghiên cứu sự khác nhau đó để phân biệt các đối tƣợng. Vì vậy, năng lƣợng phản xạ phổ thƣờng đƣợc sử dụng để tính sự cân bằng năng lƣợng. ER(λ) = EI(λ) – [EA(λ) + ET(λ)] (1.4) Công thức (1.4) nói nên rằng năng lƣợng phản xạ bằng năng lƣợng rơi xuống một đối tƣợng sau khi đã bị suy giảm bởi việc truyền qua hoặc hấp thụ bởi đối tƣợng. Đặc điểm phản xạ phổ của các đối tƣợng trên bề mặt Trái đất là thông số quan trọng nhất trong viễn thám. Độ phản xạ phổ đƣợc đo theo công thức: ER( )    100 (1.5) Trong đó:  là độ phản xạ phổ (tính bằng %). EI ( ) Nhƣ vậy, phổ phản xạ là tỷ lệ phần trăm của năng lƣợng rơi xuống đối tƣợng và đƣợc phản xạ trở lại. Với cùng một đối tƣợng độ phản xạ phổ khác nhau ở các bƣớc sóng khác nhau.  Phổ phản xạ của một số đối tượng tự nhiên chính Đồ thị phổ phản xạ đƣợc xây dựng với chức năng là một hàm số của giá trị phổ phản xạ và bƣớc sóng, đƣợc gọi là đƣờng cong phổ phản xạ. Hình dáng của đƣờng cong phổ phản xạ cho biết một cách tƣơng đối rõ ràng tính chất phổ
6 của một đối tƣợng và hình dạng đƣờng cong phụ thuộc rất nhiều vào việc lựa chọn các dải sóng mà ở đó thiết bị viễn thám có thể ghi nhận đƣợc các tín hiệu phổ. Hình 1.3 : Đặc điểm phổ phản xạ của nhóm các đối tƣợng tự nhiên chính Phản xạ phổ ứng với từng loại lớp phủ mặt đất cho thấy có sự khác nhau do sự tƣơng tác giữa bức xạ điện từ và vật thể, điều này cho phép viễn thám có thể xác định hoặc phân tích đƣợc đặc điểm của lớp phủ thông qua việc đo lƣờng phản xạ phổ. Hình dạng của đƣờng cong phổ phản xạ còn phụ thuộc rất nhiều vào tính chất của các đối tƣợng. Trong thực tế, các giá trị phổ của các đối tƣợng khác nhau, của một nhóm đối tƣợng cũng rất khác nhau, song về cơ bản chúng dao động xung quanh giá trị trung bình. Thông tin viễn thám có liên quan trực tiếp đến năng lƣợng phản xạ của các đối tƣợng, nên việc nghiên cứu đặc trƣng phản xạ phổ của các đối tƣợng tự nhiên đóng vai trò quan trọng trong việc khai thác, ứng dụng có hiệu quả các thông tin thu đƣợc từ các phƣơng tiện bay. Kết quả của việc giải đoán các lớp thông tin phụ thuộc rất nhiều vào sự hiểu biết về mối tƣơng quan giữa đặc trƣng phản xạ phổ và bản chất, trạng thái của các đối tƣợng tự nhiên. Những thông tin về đặc trƣng phản xạ phổ của các đối tƣợng tự nhiên cho phép các nhà khoa học chọn lọc các kênh ảnh tối ƣu, chứa nhiều thông tin nhất về đối tƣợng nghiên cứu
7 và là cơ sở để nghiên cứu tính chất của đối tƣợng, tiến tới phân loại chúng. Đặc tính phản xạ phổ của các đối tƣợng tự nhiên phụ thuộc vào các yếu tố nhƣ điều kiện ánh sáng, môi trƣờng khí quyển và bề mặt đối tƣợng cũng nhƣ bản thân các đối tƣợng đó (độ ẩm, lớp nền, thực vật, chất mùn, cấu trúc bề mặt, ...). Đặc trƣng phản xạ phổ của một số đối tƣợng tự nhiên nhƣ sau: Đặc trƣng phản xạ phổ của lớp phủ thực vật: Khả năng phản xạ phổ của thực vật phụ thuộc vào chiều dài bƣớc sóng và giai đoạn sinh trƣởng, phát triển của thực vật. Các trạng thái lớp phủ thực vật khác nhau sẽ có đặc trƣng phản xạ phổ khác nhau. Đặc điểm chung phản xạ phổ của các trạng thái thực vật là phản xạ mạnh ở vùng sóng hồng ngoại gần (>0,72m) và hấp thụ mạnh ở vùng sóng đỏ (0,68m
8 nƣớc trong lá, khả năng phản xạ của chúng giảm đi rõ rệt và ngƣợc lại, khả năng hấp thụ ánh sáng lại tăng lên. Đặc biệt đối với rừng có nhiều tầng lá, khả năng đó càng tăng lên (ví dụ rừng rậm nhiệt đới). Đặc trƣng phản xạ phổ của thực vật đƣợc xác định bởi các yếu tố bên trong và bên ngoài của lá cây, thời kỳ sinh trƣởng và tác động của ngoại cảnh nhƣ: hàm lƣợng sắc tố diệp lục, thành phần và cấu tạo mô bì, biểu bì, hình thái lá, …tuổi cây, giai đoạn sinh trƣởng phát triển, …, điều kiện sinh trƣởng, vị trí địa lý, điều kiện chiếu sáng,…Vì vậy, khả năng phản xạ phổ của mỗi loài thực vật, mỗi trạng thái của lớp phủ thực vật là khác nhau. Tuy nhiên, chúng vẫn có những điểm chung nhƣ sau: - Khả năng phản xạ phổ của thực vật có sự rõ rệt ở vùng sóng nhìn thấy, cận hồng ngoại và hồng ngoại. Trong vùng ánh sáng nhìn thấy, phần lớn năng lƣợng đƣợc diệp lục trong lá cây hấp thụ phục vụ cho quá trình quang hợp, một phần nhỏ truyền qua và phần còn lại bị phản xạ lại. Vùng hồng ngoại gần, khả năng phản xạ phổ của thực vật là mạnh nhất. Đặc trƣng phản xạ phổ của nƣớc: Khả năng phản xạ phổ của nƣớc phụ thuộc vào bƣớc sóng của bức xạ chiếu tới, bề mặt nƣớc, trạng thái nƣớc, thành phần vật chất có trong nƣớc. Nƣớc có độ dẫn truyền cao trong khoảng sóng nhìn thấy và tính truyền dẫn tăng dần khi bƣớc sóng giảm. Kết quả là đối với nƣớc sâu, chỉ có ánh sáng xanh lơ có thể lan truyền đến những độ sâu nhất định, các bƣớc sóng dài bị hấp thụ ngay ở mực nƣớc nông. Đối với nƣớc trong, có thể đáng giá độ sâu bằng cƣờng độ của bức xạ nhìn thấy, đặc biệt là ánh sáng xanh lơ phản xạ từ đáy. Tuy nhiên, đối với độ sâu lớn hơn 40m, tất cả bức xạ của khoảng nhìn thấy bị hấp thụ và đƣợc thể hiện trên ảnh hoàn toàn đen. Những vật liệu lơ lửng, phù du và màu tự nhiên làm tăng phản xạ của nƣớc trong khoảng nhìn thấy. Trong khoảng hồng ngoại gần, nƣớc giống nhƣ vật đen tuyệt đối và hấp thụ thực sự toàn bộ năng lƣợng tới. Chỉ có
9 những vật thể tự nhiên với tính chất này mới phân biệt đƣợc chúng dễ dàng bằng các đặc điểm bề mặt trong khoảng này của phổ điện tử, ngay cả nếu chúng không sâu hay có chứa nhiều thể phù du... Do gần giống nhƣ vật đen, nƣớc gần nhƣ vật phát xạ trong khoảng hồng ngoại, cũng nhƣ vật thể hấp thụ [21]. Đặc trƣng phản xạ phổ của thổ nhƣỡng: Thổ nhƣỡng là nền của lớp phủ thực vật, cùng với lớp phủ thực vật tạo thành một thể thống nhất trong cảnh quan tự nhiên. Một phần bức xạ mặt trời chiếu tới sẽ phản xạ ngay trên bề mặt đối tƣợng, phần còn lại đi vào bề dày của lớp phủ thổ nhƣỡng, một phần trong đó đƣợc hấp thụ để làm tăng nhiệt độ đất, một phần sau khi tán xạ gặp các hạt nhỏ và bị phản xạ trở lại. Đƣờng cong phổ phản xạ của đất khô tƣơng đối đơn giản tăng dần từ vùng tử ngoại đến vùng hồng ngoại, ít có những cực đại và cực tiểu một cách rõ ràng, lý do chính là các yếu tố ảnh hƣởng đến tính chất phổ của đất khá phức tạp và không rõ ràng nhƣ ở thực vật. Các yếu tố ảnh hƣởng đến đƣờng cong phổ phản xạ của đất là: lƣợng ẩm, cấu trúc của đất (tỉ lệ cát, bột và sét), độ nhám bề mặt, sự có mặt của các loại oxit kim loại, hàm lƣợng vật chất hữu cơ, ... các yếu tố đó làm cho đƣờng cong phổ phản xạ biến động rất nhiều quanh đƣờng cong có giá trị trung bình. Tuy nhiên, quy luật chung là giá trị phổ phản xạ của đất tăng dần về phía sóng có bƣớc sóng dài. Trong thực tế, thực vật sống ở các nền đất khác nhau sẽ có đặc trƣng phản xạ phổ khác nhau. Tuy nhiên, trong nền đất cũng nhƣ thực vật đều có chứa một lƣợng nƣớc nhất định, vì vậy khi xác định các đối tƣợng dựa vào các đặc trƣng phản xạ phổ phải dựa trên kiến thức tổng hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và kinh nghiệm thực tiễn thì mới có kết luận chính xác về đối tƣợng. 1.1.3. Ảnh số viễn thám Ảnh số là một dạng dữ liệu ảnh không lƣu trên giấy ảnh hoặc phim mà đƣợc lƣu dƣới dạng số trên máy tính, ảnh số đƣợc chia thành nhiều phần tử nhỏ
10 đƣợc gọi là pixel (phần tử ảnh), ảnh số là một ma trận không gian của tập hợp các pixel, mỗi một pixel tƣơng ứng với một đơn vị không gian và có giá trị nguyên hữu hạn ứng với từng cấp độ sáng, các pixel thƣờng có dạng hình vuông, vị trí của mỗi pixel đƣợc xác định theo toạ độ hàng và cột trên ảnh tính từ góc trên cùng bên trái. Hình 1.4: Cấu trúc của ảnh số Ảnh vệ tinh hay còn gọi là ảnh viễn thám thƣờng đƣợc lƣu dƣới dạng ảnh số, trong đó năng lƣợng phản xạ (theo vùng phổ đã đƣợc định trƣớc) từ các vị trí tƣơng ứng trên mặt đất, đƣợc bộ cảm biến thu nhận và chuyển thành tín hiệu số xác định giá trị độ sáng của pixel. Ứng với các giá trị này, mỗi pixel sẽ có giá trị độ sáng khác nhau thay đổi từ đen đến trắng cung cấp thông tin về vật thể. Tuỳ thuộc vào số kênh phổ đƣợc sử dụng, ảnh vệ tinh đƣợc ghi lại theo những dải phổ khác nhau nên ngƣời ta gọi là dữ liệu đa phổ. Hình ảnh của đối tƣợng không gian có thể đƣợc ghi nhận trên nhiều kênh phổ khác nhau, mỗi kênh cho giá trị phổ dƣới dạng số riêng về cùng một đối tƣợng đƣợc ghi. Ảnh vệ tinh đƣợc đặc trƣng bởi một số thông số cơ bản nhƣ sau: - Tính chất hình học của ảnh vệ tinh. Trƣờng nhìn không đổi IFOV (instantaneous field of view) đƣợc định nghĩa là góc không gian tƣơng ứng với một đơn vị chia mẫu trên mặt đất. Lƣợng thông tin ghi đƣợc trong IFOV tƣơng ứng với giá trị của pixel.
11 Góc nhìn tối đa mà một bộ cảm có thể thu đƣợc sóng điện từ đƣợc gọi là trƣờng nhìn FOV (field of view). Khoảng không gian trên mặt đất do FOV tạo nên chính là bề rộng tuyến bay. Diện tích nhỏ nhất trên mặt đất mà bộ cảm có thể phân biệt đƣợc gọi là độ phân giải không gian. Ảnh có độ phân giải không gian càng cao khi có kích thƣớc pixel càng nhỏ. Độ phân giải không gian cũng đƣợc gọi là độ phân giải mặt đất khi hình chiếu của 1 pixel tƣơng ứng với một đơn vị chia mẫu trên mặt đất. Khi nói rằng ảnh SPOT có kích thƣớc pixel là 20 х 20m có nghĩa là một pixel trên ảnh có kích thƣớc là 20 х 20m trên mặt đất. - Tính chất phổ của ảnh vệ tinh. Cùng một vùng phủ mặt đất tƣơng ứng, các pixel sẽ cho giá trị riêng biệt theo từng vùng phổ ứng với các loại bƣớc sóng khác nhau. Do đó, thông tin đƣợc cung cấp theo từng loại ảnh vệ tinh khác nhau không chỉ phụ thuộc vào số bit dùng để ghi nhận, mà còn phụ thuộc vào phạm vi bƣớc sóng. Độ phân giải phổ thể hiện bởi kích thƣớc và số kênh phổ, bề rộng phổ hoặc sự phân chia vùng phổ mà ảnh vệ tinh có thể phân biệt một số lƣợng lớn các bƣớc sóng có kích thƣớc tƣơng tự, cũng nhƣ tách biệt đƣợc các bức xạ từ nhiều vùng phổ khác nhau. Độ phân giải bức xạ thể hiện độ nhạy tuyến tính của bộ cảm biến trong khả năng phân biệt sự thay đổi nhỏ nhất của cƣờng độ phản xạ sóng từ các vật thể. Để lƣu trữ, xử lý và hiển thị ảnh vệ tinh trong máy tính kiểu raster, tuỳ thuộc vào số bit dùng để ghi nhận thông tin, mỗi pixel sẽ có giá trị hữu hạn ứng với từng cấp độ xám (giá trị độ sáng của pixel; BV - Brightness Value). Bảng 1.1: Cấp độ phân giải bức xạ ảnh vệ tinh Số bít Luỹ thừa của 2 Giá trị số Phạm vi 6 26 64 0 ÷ 63 8 28 256 0 ÷ 255 10 210 1024 0 ÷ 1023 16 216 65536 0 ÷ 65535