Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu phát hiện các đứt gãy địa chất lưu vực Sông Cả - Rào Nậy trên cơ sở phân tích tài liệu ảnh viễn thám

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:69

Thêm vào BST

Báo xấu

22
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn “Nghiên cứu phát hiện các đứt gãy địa chất lưu vực sông Cả- Rào Nậy trên cơ sở phân tích tài liệu ảnh viễn thám”, được nghiên cứu phân tích ảnh viễn thám nhằm phát hiện các đứt gãy địa chất khu vực Sông Cả - Rào Nậy ở tỷ lệ 1:200.000. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu phát hiện các đứt gãy địa chất lưu vực Sông Cả - Rào Nậy trên cơ sở phân tích tài liệu ảnh viễn thám

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Mai Thị Hồng Nguyên NGHIÊN CỨU PHÁT HIỆN CÁC ĐỨT GÃY ĐỊA CHẤT LƢU VỰC SÔNG CẢ - RÀO NẬY TRÊN CƠ SỞ PHÂN TÍCH TÀI LIỆU ẢNH VIỄN THÁM LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội- Năm 2013
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Mai Thị Hồng Nguyên NGHIÊN CỨU PHÁT HIỆN CÁC ĐỨT GÃY ĐỊA CHẤT LƢU VỰC SÔNG CẢ - RÀO NẬY TRÊN CƠ SỞ PHÂN TÍCH TÀI LIỆU ẢNH VIỄN THÁM Chuyên ngành: Vật lý địa cầu Mã số: 60440111 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS CAO ĐÌNH TRIỀU Hà Nội - Năm 2013
LỜI CẢM ƠN Luận văn này đƣợc thực hiện tại bộ môn Vật lý địa cầu- Khoa Vật lý - trƣờng Đại Học Khoa Học Tự Nhiên- ĐHQGHN, Viện Vật lý địa cầu- Viện Hàn Lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Trƣớc hết, Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tới PGS. TS Cao Đình Triều, ngƣời đã trực tiếp hƣớng dẫn, bảo ban tôi theo suốt quá trình và tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành luận văn này. Thầy luôn quan tâm, giúp đỡ tôi, cho tôi những bài học thật sự bổ ích. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy, cô trong bộ môn Vật lý địa cầu đã trang bị cho tôi kiến thức cơ bản, nền tảng trong quá trình học tập, rèn luyện. Tôi xin cảm ơn các bác, các chú, anh, chị cán bộ nghiên cứu trong Viện Vật lý địa cầu- Viện Hàn Lâm Khoc học và Công nghệ Việt Nam đã giúp đỡ tôi về máy móc, phần mềm, tài liệu để tôi hoàn thành luận văn. Cuối cùng, tôi xin cảm ơn đến gia đình, bạn bè, những ngƣời đã quan tâm, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Hà Nội, tháng năm 2013 Học viên Mai Thị Hồng Nguyên
MỤC LỤC MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1 CHƢƠNG 1 : VIỄN THÁM TRONG NGHIÊN CỨU ĐỊA LÝ –ĐỊA CHẤT..........2 1.1. Khái niệm chung về viễn thám .........................................................................2 1.1.1. Đặc trưng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên ................................. 2 1.1.2. Một số yếu tố ảnh hưởng tới khả năng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên .................................................................................................................... 9 1.2. Các phƣơng pháp giải đoán ảnh viễn thám.....................................................10 1.2.1. Phương pháp giải đoán bằng mắt........................................................... 11 1.2.2. Phương pháp xử lý ảnh số ...................................................................... 14 1.3. Đánh giá độ chính xác phân loại trong phƣơng pháp viễn thám. ...................21 1.3.1. Phương pháp thứ nhất ............................................................................ 21 1.3.2. Phương pháp thứ hai .............................................................................. 22 CHƢƠNG 2 : HỆ THÔNG TIN ĐỊA LÝ VỚI CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM .........24 2.1. Khái niệm về Hệ thông tin địa lý (GIS)..........................................................24 2.2. Cấu trúc và mô hình dữ liệu của GIS .............................................................26 2.2.1. Các điểm, đường, vùng ........................................................................... 26 2.2.2. Định nghĩa bản đồ .................................................................................. 26 2.2.3. Dữ liệu trên máy tính .............................................................................. 27 2.2.4. Cấu trúc dữ liệu raster ............................................................................ 27 2.2.5. Cấu trúc dữ liệu vector ........................................................................... 29
2.2.6. Cấu trúc dữ liệu cho bản đồ và sự lựa chọn giữa raster và vector ........ 31 CHƢƠNG 3 : CÔNG NGHỆ TÍCH HỢP TƢ LIỆU VIỄN THÁM VÀ HỆ THÔNG TIN ĐỊA LÝ (HTTĐL) .............................................................................................33 3.1. Khái niệm........................................................................................................33 3.2. Lý do tích hợp tƣ liệu viễn thám và HTTĐL ..................................................36 3.3. Khả năng ứng dụng công nghệ tích hợp tƣ liệu viễn thám và HTTĐL ..........37 3.4. Ứng dụng công nghệ tích hợp viễn thám và hệ thông tin địa lý....................37 CHƢƠNG 4 : ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ TÍCH HỢP VIỄN THÁM VÀ HTTĐL THÀNH LẬP BẢN ĐỒ ĐỨT GÃY ĐỊA CHẤT KHU VỰC SÔNG CẢ - RÀO NẬY ..........................................................................................................................40 4.1. Phƣơng pháp luận phân tích ảnh vệ tinh nghiên cứu đứt gãy địa chất khu vực Sông Cả - Rào Nậy tỷ lệ 1:200.000 .......................................................................40 4.1.1. Tài liệu sử dụng....................................................................................... 40 4.1.2. Phương pháp xử lý để thành lập bản đồ hệ thống đứt gãy địa chất ...... 43 4.2. Các đứt gãy có biểu hiện hoạt động khu vực Sông Cả - Rào Nậy tỷ lệ 1:200.000 ...............................................................................................................58 KẾT LUẬN ...............................................................................................................62 TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................63
Danh mục hình vẽ Hình 1.1 : Đặc tính phản xạ phổ của thực vật ............................................................5 Hình 1.2 : Đặc tính phản xạ của thổ nhưỡng ..............................................................7 Hình 1.3 : Khả năng phản xạ và hấp thụ của nước ....................................................9 Hình 1.4 : Nguyên lý phân loại theo khoảng cách tối thiểu .....................................15 Hình 1.5: Nguyên lý phân loại theo xác suất cực đại ...............................................17 Hình 3.1 : Vai trò của Viễn thám trong việc xây dựng và cập nhật CSDL trên HTTĐL ......................................................................................................................34 Hình 3.2 : Mô hình chuyển đổi dữ liệu Viễn thám và HTTĐL ..................................36 Hình 4.1: Ảnh nguyên thủy chưa qua xử lý ...............................................................49 Hình 4.2: Ảnh đã qua giãn tuyến tính ......................................................................49 Hình 4.3: Phương pháp lọc tần số cao làm rõ ranh giới các đứt gãy địa chất ........51 Hình 4.4: Quy trình công nghệ thành lập bản đồ hệ thống đứt gãy địa chất ...........55 Hình 4.5: Ảnh vệ tinh Landsat khu vực Sông Cả - Rào Nậy .....................................56 Hình 4.6: Bản đồ đứt gãy địa chất khu vực Sông Cả - Rào Nậy ..............................57 Hình 4.7: Đứt gãy hoạt động chính lưu vực Sông Cả - Rào Nậy .............................59
MỞ ĐẦU Đứt gãy địa chất là tiền đề gây nên hàng loạt các dạng tai biến địa chất khác. Do đó, xác định vị trí đứt gãy, đới đứt gãy và đứt gãy hoạt động là việc làm có ý nghĩa đặc biệt quan trọng về mặt lý luận và thực tiễn trong nghiên cứu tai biến địa chất (trƣợt - lở, nứt - sụt đất, động đất, núi lửa...). Đã có nhiều phƣơng pháp đƣợc sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu đứt gãy địa chất nhằm xác định chính xác vị trí, nghiên cứu đặc điểm cấu trúc đứt gãy và đặc điểm hoạt đông của chúng. Trong đó, phƣơng pháp viễn thám - ảnh vệ tinh (ảnh viễn thám) đƣợc đặc biệt chú ý, bởi vì: Vệ tinh bay ở độ cao hơn 700 km nên ảnh có tầm bao quát rộng, tính khái quát hóa tự nhiên rõ rệt. Các loại ảnh chụp có vùng diện tích lớn: ảnh LANDSAT 185 x 185 km, ảnh SPOT 60 x 60 km. Ảnh đƣợc chụp ở tỷ lệ nhỏ với những dải phổ khác nhau nên chúng có tính chất tổng quát hóa tự nhiên về mặt hình học và quang học rõ rệt. Trên ảnh vệ tinh hình ảnh của các đối tƣợng đã đƣợc khái quát hóa, một số chi tiết nhỏ riêng lẻ bị nhòe đi và hợp thành hình ảnh của một thể thống nhất với quy mô lớn. Ảnh vệ tinh thể hiện những cấu trúc lớn, có ý nghĩa khu vực và toàn cầu. Hơn nữa ảnh phản ánh quy luật của hiện tƣợng tự nhiên một cách khách quan và chính xác. Bởi vậy, các đứt gãy địa chất khu vực, các cấu trúc địa chất lớn đƣợc thể hiện trên ảnh rất rõ nét. Để phân tích, phát hiện các đứt gãy địa chất trên ảnh số vệ tinh cần phải đo vẽ các giá trị phổ phản xạ, phân tích các đặc trƣng phổ và sử dụng các thuật toán khác nhau để lọc ra các giá trị dạng tuyến… Luận văn “Nghiên cứu phát hiện các đứt gãy địa chất lƣu vực sông Cả- Rào Nậy trên cơ sở phân tích tài liệu ảnh viễn thám”, đƣợc nghiên cứu phân tích ảnh viễn thám nhằm phát hiện các đứt gãy địa chất khu vực Sông Cả - Rào Nậy ở tỷ lệ 1:200.000 1
CHƢƠNG 1 : VIỄN THÁM TRONG NGHIÊN CỨU ĐỊA LÝ – ĐỊA CHẤT 1.1. Khái niệm chung về viễn thám Viễn thám là sự thu thập và phân tích, xử lý thông tin về các đối tƣợng mà không có sự tiếp xúc trực tiếp đến vật thể đối tƣợng, đƣợc phát triển dựa trên những thành tựu của khoa học về công nghệ tin học, công nghệ vũ trụ. Viễn thám là một môn khoa học liên ngành nhằm cung cấp thông tin nhanh và khách quan về các đối tƣợng phục vụ cho phát triển kinh tế, an ninh quốc phòng và nghiên cứu khoa học, đặc biệt trong lĩnh vực địa chất – kiến tạo. 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 đặc trƣng phổ. Thông tin thu đƣợc trong viễn thám có liên quan trực tiếp đến năng lƣợng phản xạ từ các đối tƣợng cho nên việc nghiên cứu đặc trƣng phản xạ phổ của các đối tƣợng tự nhiên trên các bƣớc sóng khác nhau đóng vai trò quan trọng trong việc khai thác, ứng dụng có hiệu quả các thông tin thu đƣợc. 1.1.1. Đặc trưng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên Do các thông tin viễn thám có liên quan trực tiếp đến năng lƣợng phản xạ từ các đối tƣợng tự nhiên cho nên việc nghiên cứu các tính chất quang học của các đối tƣợng tự nhiên đóng vai trò hết sức quan trọng đối với việc ứng dụng có hiệu quả phƣơng pháp viễn thám. Sự ra đời và phát triển của kỹ thuật viễn thám gắn với những kết quả nghiên cứu trong lĩnh vực phổ phản xạ các đối tƣợng. Phần lớn các phƣơng pháp ứng dụng viễn thám đƣợc sử dụng hiện nay đều có liên quan trực tiếp hoặc gián tiếp với việc nghiên cứu đặc trƣng phản xạ phổ của các nhóm đối tƣợng hay các đối tƣợng tự nhiên. Việc giải đoán tƣ liệu viễn thám để xác định các thông tin trên ảnh phụ thuộc rất nhiều vào sự hiểu biết mối tƣơng quan giữa đặc trƣng phản xạ phổ và bản chất, trạng thái tự nhiên của đối tƣợng. Từ những thông tin về đặc trƣng phản xạ phổ cho 2
phép các nhà chuyên môn chọn những kênh phổ chứa thông tin tối ƣu về đối tƣợng nghiên cứu, đồng thời nó là cơ sở để phân tích các tính chất của đối tƣợng địa lý – địa chất tiến tới phân loại các đối tƣợng. Nghiên cứu đặc trƣng phản xạ phổ của các đối tƣợng tự nhiên dựa trên các mục tiêu cơ bản sau đây: o Xác định quy luật phản xạ phổ của các đối tƣợng tự nhiên trong dải sóng nhìn thấy và gần hồng ngoại. o Xác định sự thay đổi đặc trƣng phản xạ phổ của các đối tƣợng tự nhiên. o Đánh giá mức độ ảnh hƣởng của các yếu tố ngoại cảnh, điều kiện sinh thái cảnh quan tới khả năng phản xạ phổ của đối tƣợng tự nhiên trong từng vùng, miền cụ thể. Chính nhờ vào các đặc trƣng này cho phép loại trừ ảnh hƣởng của một số yếu tố mà trong điều kiện ngoài thực địa không thực hiện đƣợc. Đặc trƣng phản xạ phổ của các đối tƣợng tự nhiên phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố nhƣ điều kiện chiếu sáng, môi trƣờng, điều kiện thời tiết và chính bề mặt các đối tƣợng đó (hiện trạng sử dụng đất, lớp phủ hực vật, cấu trúc bề mặt...). Nhƣ vậy, các đối tƣợng khác nhau sẽ có khả năng phản xạ phổ khác nhau. Phƣơng pháp viễn thám dựa trên nguyên lý này để nhận biết phát hiện các đối tƣợng, các hiện tƣợng tự nhiên. Các thông tin về đặc trƣng phản xạ phổ của đối tƣợng tự nhiên sẽ giúp các nhà chuyên môn lựa chọn đƣợc kênh phổ chứa thông tin tối ƣu về đối tƣợng nghiên cứu. Đây chính là cơ sở để phân tích nghiên cứu các tính chất của đối tƣợng, tiến tới phân loại chúng. Năng lƣợng mặt trời (E0) chiếu xuống mặt đất dƣới dạng sóng điện từ, khi năng lƣợng này tác động lên bề mặt đối tƣợng nào đó thì một phần bị phản xạ trở lại (EPX), một phần bị đối tƣợng hấp thụ và chuyển thành dạng năng lƣợng khác (EKH), phần còn lại bị truyền qua hay còn gọi là hiện tƣợng thấu quang năng lƣợng (ETQ). Có thể mô tả quá trình theo công thức: 3
Eo = EPX + EKH + ETQ Phụ thuộc vào cấu trúc bề mặt của đối tƣợng năng lƣợng phản xạ phổ mà có thể: phản xạ toàn phần, phản xạ một phần hoặc tán xạ toàn phần. Vì vậy, cần phải lƣu ý khi giải đoán ảnh vệ tinh, ảnh máy bay, cần thu thập các thông tin địa lý, địa chất khu vực tiến hành xử lý cũng nhƣ các thông số kỹ thuật của thiết bị sử dụng điều kiện bay chụp và các yếu tố này có vai trò nhất định trong việc giải đoán hoặc xử lý ảnh. Đồng thời, năng lƣơng phản xạ từ các đối tƣợng không những phụ thuộc vào cấu trúc bề mặt đối tƣợng mà còn phụ thuộc vào bƣớc sóng của năng lƣợng chiếu tới. Do đó, hình ảnh của đối tƣợng đƣợc ghi nhận bằng năng lƣợng phản xạ phổ của các bƣớc sóng khác nhau sẽ khác nhau. Xét tổng thể, các đối tƣợng tự nhiên trên mặt đất rất đa dạng và phức tạp, song xét cho cùng nó đƣợc cấu thành bởi ba loại đối tƣợng cơ bản, đó là: thực vật, thổ nhƣỡng và nƣớc. a. Đặc trưng phản xạ phổ của thực vật: Lineament thƣờng đƣợc biểu hiện thông qua những đặc điểm lớp phủ thực vật, lớp vỏ thổ nhƣỡng, các kiểu phong hóa riêng... Do đó, việc sử dụng phƣơng pháp viễn thám để nghiên cứu đứt gãy địa chất bằng công nghệ viễn thám là nghiên cứu gián tiếp thông qua các đối tƣợng trên bề mặt. Đó chính là nghiên cứu đặc điểm của lớp phủ thực vật, lớp phủ thổ nhƣỡng, bề mặt nƣớc… Đối với lớp phủ thực vật, đặc tính chung nhất của thực vật là khả năng phản xạ phổ phụ thuộc vào chiều dài bƣớc sóng và các giai đoạn sinh trƣởng khác nhau của thực vật. Đây là đối tƣợng đƣợc quan tâm nhất. Các trạng thái lớp phủ thực vật khác nhau có tính chất phản xạ phổ khác nhau. Bức xạ mặt trời (E0) khi tới bề mặt lá cây một phần bị phản xạ ngay (E1). Bức xạ ở vùng sóng chàm và sóng đỏ bị chất diệp lục hấp thụ để thực hiện quá trình quang hợp. Bức xạ ở vùng sóng lục khi gặp diệp lục trong lá cây sẽ phản xạ trở lại (EG). Bức xạ ở vùng sóng hồng ngoại (EIR> 720nm) cũng sẽ phản xạ khi gặp chất diệp lục của lá. Nhƣ vậy, năng lƣợng phản xạ từ thực vật (EPX) bao gồm: 4
EPX = E1 + EG + EIR Trong đó thành phần năng lƣợng (EG + EIR) chứa đựng những thông tin cần thiết về bản chất và trạng thái của thực vật, còn phần năng lƣợng E1 chỉ có tác dụng tạo ra độ chói của đối tƣợng . Sự khác nhau về đặc trƣng phản xạ phổ của thực vật đƣợc xác định bởi các yếu tố cấu tạo trong và ngoài lá cây (chất diệp lục, cấu tạo mô bì, thành phần và cấu tạo biểu bì, hình thái cây ...), thời kỳ sinh trƣởng (tuổi cây, giai đoạn sinh trƣởng ...) và các tác động ngoại cảnh (điều kiện chiếu sáng, thời tiết, vị trí địa lý ...). Tuy vậy, đặc trƣng phản xạ phổ của lớp phủ thực vật vẫn mang những đặc điểm chung: phản xạ mạnh ở vùng sóng hồng ngoại gần (λ>720nm), hấp thụ mạnh ở vùng sóng đỏ (λ = 680 - 720nm). Trong vùng ánh sáng nhìn thấy, sắc tố của lá cây ảnh hƣởng đến đặc tính phản xạ phổ của nó, đặc biệt là chất diệp lục trong lá cây, ngoài ra còn có một số sắc tố khác cũng đóng vai trò quan trọng trong việc phản xạ phổ của thực vật. Hình 1.1 : Đặc tính phản xạ phổ của thực vật Theo đồ thị trên ta thấy sắc tố hấp thụ của lá cây bức xạ vùng sóng ánh sáng nhìn thấy và vùng cận hồng ngoại, ngoài ra do trong lá cây có nƣớc nên nó hấp thụ bức xạ vùng hồng ngoại. Cũng từ đồ thị trên, ta thấy khả năng phản xạ phổ của lá cây xanh ở vùng sóng ngắn và vùng ánh sáng đỏ là thấp. Hai vùng suy giảm khả năng phản xạ phổ này tƣơng ứng với hai dải sóng bị chất diệp lục hấp thụ ở hai dải 5
sóng này, chất diệp lục hấp thụ phần lớn năng lƣợng chiếu tới, do vậy năng lƣợng phản xạ của lá cây không lớn, vùng sóng bị phản xạ mạnh nhất là vùng ánh sáng lục tƣơng ứng với bƣớc sóng 540 nm. Do đó, lá cây tƣơi đƣợc mắt ta cảm nhận có màu lục. Khi lá úa hoặc cây bị bệnh, lá cây màu vàng hàm lƣợng diệp lục trong lá giảm đi do đó khả năng phản xạ phổ cũng sẽ bị thay đổi. Nhƣ vậy, có thể thấy khả năng phản xạ phổ của mỗi loại thực vật là khác nhau và đặc tính chung nhất về khả năng phản xạ phổ của thực vật là: Ở vùng ánh sáng nhìn thấy, vùng cận hồng ngoại và hồng ngoại khả năng phản xạ phổ khác biệt rõ rệt. Ở vùng ánh sáng nhìn thấy, phần lớn năng lƣợng bị hấp thụ bởi chất diệp lục có trong lá cây, một phần nhỏ thấu qua lá còn lại bị phản xạ. Ở vùng cận hồng ngoại, cấu trúc lá ảnh hƣởng lớn đến khả năng phản xạ phổ, ở đây khả năng phản xạ phổ tăng lên rõ rệt. Ở vùng hồng ngoại, nhân tố ảnh hƣởng lớn đến khả năng phản xạ phổ của lá là hàm lƣợng nƣớc. Khi độ ẩm trong lá cao, năng lƣợng hấp thụ là cực đại; ảnh hƣởng của các cấu trúc tế bào lá ở vùng hồng ngoại đối với khả năng phản xạ phổ không lớn bằng hàm lƣợng nƣớc trong lá. b. Đặc trưng phản xạ phổ của thổ nhưỡng Thổ nhƣỡng là lớp trên cùng chịu ảnh hƣởng của các quá trình địa chất. Thông thƣờng, các đứt gãy địa chất tạo nên một đới cà nát do đó, lớp phủ thổ nhƣỡng ở đây thƣờng hỗn độn. 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. Đặc tính chung nhất của chúng là khả năng phản xạ phổ tăng theo độ dài bƣớc sóng, đặc biệt là ở vùng cận hồng ngoại và hồng ngoại (hình 1.2 ). Một phần bức xạ mặt trời chiếu tới sẽ phản xạ ngay trên bề mặt đối tƣợng (E1), phần còn lại đi vào bề dày của lớp phủ thổ nhƣỡng. Một phần năng lƣợng này đƣợc hấp thụ làm tăng nhiệt độ của đất, một phần sau khi tán xạ gặp các hạt nhỏ và các thành phần vật chất khác có 6
trong đất (nƣớc và các chất khoáng) sẽ phản xạ trở lại (E2). Nhƣ vậy, phần năng lƣợng E2 sẽ chứa đựng những thông tin cơ bản về thành phần, bản chất các loại đất. Có thể biểu diễn năng lƣợng phản xạ đó dƣới dạng: EPX = E1 +E2 Khả năng phản xạ phổ của thổ nhƣỡng phụ thuộc chủ yếu vào bản chất hóa lý của đất, hàm lƣợng chất hữu cơ, độ ẩm, trạng thái bề mặt, thành phần cơ giới của đất mà cấu trúc của đất phụ thuộc vào thành phần, tỷ lệ sét, bụi, cát. Sét là hạt mịn có đƣờng kính nhỏ hơn 0.002mm, bụi có đƣờng kính 0.002 - 0.05mm, cát có đƣờng kính 0.05mm - 2mm. Tuỳ thuộc vào tỷ lệ thành phần của sét, bụi và cát mà có các loại đất khác nhau. Hình 1.2 : Đặc tính phản xạ của thổ nhưỡng Ví dụ đất cát mịn thì khoảng cách giữa các hạt nhỏ vì chúng ở gần nhau hơn. Với hạt lớn khoảng cách giữa chúng lớn hơn, do vậy khả năng vận chuyển không khí và độ ẩm cũng dễ dàng hơn. Khi độ ẩm lớn, trên mỗi hạt cát sẽ bọc một màng mỏng nƣớc, do vậy độ ẩm và lƣợng nƣớc trong loại đất này sẽ cao hơn và do đó độ ẩm cũng ảnh hƣởng đến khả năng phản xạ phổ của chúng. Nhìn vào đồ thị ta thấy: khi độ ẩm tăng lên thì khả năng phản xạ phổ sẽ giảm. Do vậy, khi hạt nƣớc rơi vào 7
cát khô ta thấy cát có mầu thẫm hơn, đó là nguyên nhân có sự chênh lệch rõ rệt giữa các đƣờng đặc trƣng 1, 2, 3. Tuy nhiên, nếu cát ẩm nếu có thêm nƣớc cũng sẽ không thẫm mầu đi mấy. Thành phần chất hữu cơ có trong đất cũng ảnh hƣởng tới khả năng phản xạ phổ của các đối tƣợng, với hàm lƣợng chất hữu cơ từ 0,5 - 5,0% đất có mầu nâu sẫm. Nếu hàm lƣợng hữu cơ thấp hơn đất sẽ có mầu nâu sáng. Ôxít sắt cũng ảnh hƣởng tới khả năng phản xạ phổ của đất. Khả năng phản xạ phổ tăng khi hàm lƣợng ôxít sắt trong đất giảm xuống. Khi loại bỏ ôxít sắt ra khỏi đất, thì khả năng phản xạ phổ của đất tăng lên rõ rệt ở dải sóng từ 500 nm- 1100 nm nhƣng với bƣớc sóng lớn hơn 1100 nm thì hầu nhƣ không có tác dụng. Nhƣ trên đã phân tích, có nhiều yếu tố ảnh hƣởng đến khả năng phản xạ phổ của thổ nhƣỡng, tuy nhiên chúng có liên quan chặt chẽ với nhau. Vùng phản xạ và bức xạ phổ mạnh dùng để ghi nhận thông tin hữu ích về thổ nhƣỡng còn hình ảnh ở hai vùng phổ này là dấu hiệu để đoán đọc điều vẽ các đặc tính của thổ nhƣỡng. c. Đặc trưng phản xạ phổ của nước Các đứt gãy địa chất thƣờng trùng khớp với hệ thống sông suối. Hay nói cách khác, đứt gãy địa chất là tiền đề để cho hệ thống sông suối phát triển. Nói đến sông suối là nói đến nƣớc. Bởi vậy, nghiên cứu các đặc trựng phản xạ của nƣớc gián tiếp nghiên cứu đứt gãy địa chất. Khả năng phản xạ phổ của nƣớc cũng thay đổi theo bƣớc sóng của bức xạ chiếu tới và thành phần vật chất có trong nƣớc. Ngoài ra nó còn phụ thuộc vào bề mặt nƣớc và trạng thái của nƣớc. Trên ảnh chụp bằng kênh hồng ngoại và cận hồng ngoại, đƣờng bờ nƣớc đƣợc phát hiện rất dễ dàng, còn một số đặc tính khác của nƣớc cần phải sử dụng ảnh chụp bằng kênh nhìn thấy để nhận biết. Phần lớn năng lƣợng bức xạ mặt trời chiếu tới đều bị nƣớc hấp thụ cho quá trình tăng nhiệt độ nƣớc. Phần năng lƣợng phản xạ trên bề mặt kết hợp với phần năng lƣợng sinh ra sau quá trình tán xạ với các hạt vật chất lơ lửng trong nƣớc phản xạ lại, tạo thành năng lƣợng phản xạ của nƣớc. Vì vậy, năng lƣợng phản xạ của các 8
loại nƣớc là thấp và giảm dần theo chiều tăng của bƣớc sóng. Bức xạ mặt trời hầu nhƣ bị nƣớc hấp thụ hoàn toàn ở vùng hồng ngoại và cận hồng ngoại. Nƣớc đục phản xạ mạnh hơn nƣớc trong, đặc biệt ở vùng sóng đỏ. Trong điều kiện tự nhiên, mặt nƣớc hoặc một lớp nƣớc mỏng sẽ hấp thụ rất mạnh năng lƣợng ở dải cận hồng ngoại và hồng ngoại, do vậy năng lƣợng phản xạ rất ít. Vì khả năng phản xạ phổ của nƣớc ở dải sóng dài khá nhỏ nên việc sử dụng các kênh sóng dài để chụp cho ta nhiều khả năng giải đoán các yếu tố thuỷ văn. Ví dụ: đƣờng bờ nƣớc sẽ đƣợc giải đoán dễ dàng trên ảnh chụp bằng kênh hồng ngoại và cận hồng ngoại. Hình 1.3 : Khả năng phản xạ và hấp thụ của nước 1.1.2. Một số yếu tố ảnh hưởng tới khả năng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên Ảnh hƣởng của yếu tố không gian - thời gian đến khả năng phản xạ của các đối tƣợng tự nhiên: Theo thời gian, lớp phủ thực vật và một số đối tƣợng khác thƣờng thay đổi và do vậy, khả năng phản xạ phổ cũng thay đổi. Ví dụ mùa đông cây rụng lá, mùa xuân cây xanh tốt…Vì vậy, khi giải đoán cần chú ý đến yếu tố thời vụ. 9
Ở yếu tố không gian ngƣời ta chia ra 2 loại: Yếu tố không gian cục bộ thể hiện khi chụp ảnh cùng một loại cây nhƣng trồng theo hàng có khả năng phản xạ phổ khác trồng theo các mảng. Yếu tố không gian địa lý thể hiện khi cùng loại thực vật nhƣng sinh trƣởng ở các vùng địa lý khác nhau thì khả năng phản xạ phổ cũng khác nhau. Mặt khác, yếu tố không gian còn thể hiện khi chụp ảnh vùng núi lúc mặt trời không ở vị trí thiên đỉnh, khi đó, cùng một đối tƣợng ở trên sƣờn đƣợc chiếu sáng sẽ có phổ phản xạ khác với sƣờn không đƣợc chiếu sáng. Ảnh hƣởng của yếu tố khí quyển: Khi xem xét hệ thống ghi nhận thông tin viễn thám ta thấy rằng: năng lƣợng bức xạ từ mặt trời xuống các đối tƣợng trên mặt đất phải qua tầng khí quyển sau khi phản xạ từ bề mặt trái đất năng lƣợng lại đƣợc truyền qua khí quyển tới thiết bị ghi thông tin trên vệ tinh. Do vậy, khí quyển có ảnh hƣởng rất lớn đến khả năng phản xạ của các đối tƣợng tự nhiên. Có 2 phƣơng thức ảnh hƣởng chính của khí quyển đó là tán xạ và hấp thụ. Hiện tƣợng tán xạ chỉ làm đổi hƣớng tia chiếu mà không làm mất đi năng lƣợng. Tán xạ là do các hạt vật chất nhỏ có trong không khí hoặc các ion có trong khí quyển phản xạ tia chiếu tới hoặc do tia chiếu truyền qua lớp khí quyển dày đặc có mật độ không khí không đồng nhất gây nên. Hiện tƣợng hấp thụ xảy ra khi tia sáng không đƣợc tán xạ mà truyền qua lớp nguyên tử không khí trong khí quyển và làm nóng lớp khí quyển đó. Hiện tƣợng tán xạ tuyệt đối xảy ra khi không có sự hấp thụ năng lƣợng. 1.2. Các phƣơng pháp giải đoán ảnh viễn thám Giải đoán tƣ liệu viễn thám là quá trình tách thông tin định tính cũng nhƣ định lƣợng của hình ảnh dựa trên các tri thức chuyên ngành hoặc kinh nghiệm của ngƣời xử lý. Việc tách thông tin trong viễn thám có thể chia ra 5 loại:  Phân loại đa phổ  Phát hiện biến động.  Chiết, tách các thông tin tự nhiên 10
 Xác định các chỉ số  Xác định các đối tƣợng đặc biệt. Phân loại đa phổ là quá trình tách gộp thông tin dựa vào độ phân giải phổ, độ phân giải không gian và thời gian của hình ảnh đối tƣợng. Xác định biến động là xác định sự thay đổi của đối tƣợng dựa trên ảnh các thời kỳ. Chiết tách các thông tin tự nhiên tƣơng ứng với việc đo nhiệt độ, trạng thái khí quyển, độ ẩm, của vật thể dựa trên các đặc trƣng phổ hoặc thị sai của cặp ảnh lập thể. Xác định chỉ số là tính toán các chỉ số mới nhƣ chỉ số thực vật,chỉ số độ chiếu sáng…Xác định các đặc tính hoặc hiện tƣợng đặc biệt nhƣ thiên tai… Quá trình tách thông tin từ ảnh có thể đƣợc thực hiện bằng mắt cùng với tƣ duy của con ngƣời hoặc bằng máy tính. Việc giải đoán bằng mắt có ƣu điểm là có thể khai thác đƣợc các tri thức chuyên môn và kinh nghiệm chuyên gia, mặt khác việc giải đoán có thể phân tích các thông tin phân bố không gian. Tuy nhiên phƣơng pháp này có nhƣợc điểm là tốn kém thời gian và kết quả thƣờng phụ thuộc vào ý muốn chủ quan của ngƣời giải đoán. Việc xử lý bằng máy tính có ƣu điểm là năng suất cao, thời gian xử lý ngắn, có thể xác định đƣợc các chỉ số đặc trƣng tự nhiên nhƣng nó có nhƣợc điểm là khó kết với với tri thức và kinh nghiệm của con ngƣời. Để khắc phục nhƣợc điểm này, trong khuôn khổ của luận văn này chúng tôi kết hợp vừa xử lý ảnh số vừa giải đoán bằng mắt thƣờng. 1.2.1. Phương pháp giải đoán bằng mắt Giải đoán ảnh bằng mắt có thể áp dụng trong mọi điều kiện trang thiết bị. Giải đoán bằng mắt là việc sử dụng mắt thƣờng cùng với dụng cụ quang học nhƣ kính lúp, kính lập thể, máy tổng hợp màu để xác định các đối tƣợng. Cơ sở giải đoán ảnh bằng mắt là các chuẩn giải đoán đọc và khóa giải đoán [8]. 1.2.1.1. Các chuẩn giải đoán ảnh vệ tinh: 11
- Chuẩn kích thước: Là phải chọn tỷ lệ ảnh phù hợp để giải đoán. Kích thƣớc của đối tƣợng có thể xác định bằng cách 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 giải đoán ảnh. Hình dạng đặc trƣng cho mỗi đối tƣợng khi nhìn từ trên cao xuống và đƣợc coi là chuẩn giải đoán ảnh. Trên ảnh vệ tinh, các đứt gãy địa chất có dạng đẳng thƣớc kéo dài. - 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 vật thể đó. - Chuẩn độ đen: Độ đen trên ảnh đen trắng biến thiên theo mức xám độ. Mỗi vật thể đƣợc thể hiện bằng một cấp độ sáng nhất định tỷ lệ với cƣờng độ phản xạ ánh sáng của nó. - Chuẩn màu sắc: Màu sắc là một dấu hiệu chuẩn rất tốt trong việc xác định các đối tƣợng. Các đối tƣợng khác nhau thƣờng có tông màu khác nhau, đặc biệt đối với ảnh đa phổ tổ hợp màu. - Chuẩn cấu trúc: Cấu trúc là tập hợp của nhiều hình mẫu nhỏ. Ví dụ một bãi cỏ không xen các cây khác cho ta ảnh cấu trúc mịn, các đới dập vỡ kiến tạo cho ta các vệt dài lốm đốm. - Chuẩn phân bố: Chuẩn phân bố là một tập hợp của nhiều hình dạng nhỏ phân bố theo một quy luật nhất định tạo ra mẫu đặc trƣng cho đối tƣợng đó. - Chuẩn mối quan hệ tương hỗ : Một tổng thể các chuẩn giải đoán môi trƣờng xung quanh hoặc mối liên quan của các đối tƣợng nghiên cứu đối với các đối tƣợng khác cung cấp một thông tin giải đoán quan trọng. Nhằm hỗ trợ cho công tác giải đoán ngƣời ta thƣờng lập các khóa giải đoán. Khóa giải đoán là tập hợp các chuẩn dùng để giải đoán một đối tƣợng nhất định cho nên kết quả giải đoán phụ thuộc rất lớn vào khóa giải đoán. Mục đích của việc lập khóa giải đoán là làm chuẩn hóa các kết quả giải đoán của nhiều ngƣời khác nhau. 12
Thông thƣờng, khóa giải đoán do những ngƣời có kinh nghiệm và hiểu biết chuyên môn xây dựng dựa trên các vùng nghiên cứu thử nghiệm đã đƣợc điều tra kỹ. Tất cả 8 chuẩn giải đoán cùng với các thông tin về thời gian bay chụp, tỷ lệ ảnh, mùa bay chụp đều phải đƣa vào khóa giải đoán. 1.2.1.2. Ảnh tổ hợp màu: Tƣ liệu ảnh dùng để giải đoán bằng mắt tốt nhất là ảnh tổ hợp màu. Đặc điểm cơ bản của ảnh tổ hợp màu là sự mã hóa bằng màu các khác biệt về giá trị phổ của các đối tƣợng. Ở đây khóa giải đoán chính là sự tƣơng phản màu đƣợc nhấn mạnh nhờ sự lựa chọn một cách có ý thức phƣơng án tổ hợp màu. Trong trƣờng hợp tƣ liệu gốc thỏa mãn các điều kiện kỹ thuật nếu sử dụng phƣơng án tổ hợp màu chuẩn và điều kiện xử lý hóa ảnh chặt chẽ thì màu là một chuẩn giải đoán tƣơng đối ổn định. Nhờ khả năng phân biệt cao của màu sắc cho nên nó có thể cho biết sự khác biệt về phổ của đối tƣợng nghiên cứu cho ngƣời giải đoán. Ảnh tổ hợp màu cho ta tính trực quan sinh động hơn ảnh đen trắng. Nhƣng đối với ảnh có dải phổ chụp ở vùng hồng ngoại, ảnh tổ hợp màu cho ta bức tranh giả màu không có thực trong tự nhiên. Về màu sắc, ảnh tổ hợp màu so với ảnh màu vệ tinh chụp trên phim màu có nhiều màu sắc hơn với độ tƣơng phản màu cao hơn. So với ảnh phổ thì ảnh tổ hợp màu cũng có nhiều màu sắc hơn và có độ tƣơng phản cao hơn nhƣng độ phân giải lại kém hơn ảnh phổ màu. Khả năng giải đoán các đối tƣợng trên ảnh tổ hợp màu phụ thuộc vào sự lựa chọn phƣơng án tổ hợp màu tức là phụ thuộc vào nhiệm vụ giải đoán, khả năng ứng dụng của ảnh tổ hợp màu để giải đoán các đối tƣợng cụ thể. Việc lựa chọn các kênh phổ để tổ hợp màu là một công việc quan trọng, chúng quyết định về chất lƣợng thông tin của ảnh tổ hợp màu. Việc lựa chọn kênh phổ đƣợc xác định trên các đặc điểm sau: 13
o Đặc tính phản xạ phổ của các đối tƣợng cần giải đoán. o Nhiệm vụ của việc giải đoán. o Yêu cầu đối với độ phân giải của ảnh dùng để giải đoán. o Đặc điểm của khu vực cần giải đoán. Để lựa chọn kênh phổ có tính thông tin cao cần phân loại nhóm đối tƣợng chính cần giải đoán. Trên cơ sở các kênh phổ mang thông tin ta chọn ra kênh chính và kênh phụ để tiến hành tổ hợp. Mặt khác, có thể sử dụng biểu đồ độ sáng (histogram) để lựa chọn kênh phổ. Các thiết bị dùng cho tổ hợp màu đa phổ thƣờng dùng trên thế giới và ở Việt Nam là: Máy chiếu hình đa phổ chuyên dụng MSP-4C của CHLB Đức và AC-90B của Nhật Bản. Máy nắn Rectima-C, Dust 2000 có gắn đầu màu. Máy tính có màn hình màu VGA và các trạm làm việc WS. 1.2.2. Phương pháp xử lý ảnh số 1.2.2.1. Thuật toán phân loại: Để xác định các đối tƣợng trên ảnh, cần phải sử dụng thuật toán phân loại. Thuật toán này dùng để quy một pixel chƣa biết vào một loại đối tƣợng nào đó. Việc lựa chọn cách phân loại riêng biệt hoặc luật quyết định phụ thuộc vào tính chất của chỉ tiêu đầu vào và yêu cầu của dữ liệu đầu ra. Sau đây là một số thuật toán thƣờng dùng trong xử lý ảnh viễn thám: a. Phân loại theo khoảng cách tối thiểu ( Minimum distance classifier): Phân loại theo khoảng cách tối thiểu đƣợc sử dụng để phân loại các đối tƣợng trong không gian phổ đa chiều. Khoảng cách giữa các pixel đƣợc sử dụng 14