Luận văn Thạc sĩ Khoa học nông nghiệp: Ứng dụng công nghệ viễn thám để xây dựng bản đồ hiện trạng sử dụng đất lâm nghiệp tại xã Hòa Xuân Nam, huyện Đông Hòa, tỉnh Phú Yên

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:109

Thêm vào BST

Báo xấu

27
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu đề tài là nghiên cứu này góp phần khẳng định sự hiệu quả của ứng dụng công nghệ viễn thám để xây dựng bản đồ hiện trạng sử dụng đất lâm nghiệp, qua đó đề xuất ứng công nghệ này vào công tác quản lý, quy hoạch và phát triển đất lâm nghiệp 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 nông nghiệp: Ứng dụng công nghệ viễn thám để xây dựng bản đồ hiện trạng sử dụng đất lâm nghiệp tại xã Hòa Xuân Nam, huyện Đông Hòa, tỉnh Phú Yên

i LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành Luận văn tốt nghiệp này, ngoài sự nổ lực của bản thân, tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô giáo trường Đại học Nông Lâm Huế và Khoa Tài nguyên đất & Môi trường nông nghiệp; Phòng Đào tạo Sau đại học đã tận tình truyền đạt cho tôi những kiến thức quý báu và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian học tập và viết Luận văn tốt nghiệp. Đặc biệt, xin chân thành cảm ơn cô giáo TS. Nguyễn Hoàng Khánh Linh, người hướng dẫn khoa học, đã rất chu đáo và nhiệt tình giúp đỡ tôi trong suốt thời gian làm Luận văn này. Xin trân trọng gửi lời cảm ơn tới Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn Phú Yên, Chi cục Kiểm lâm Phú Yên và Trạm Kiểm lâm xã Hòa Xuân Nam, huyện Đông Hòa, tỉnh Phú Yên đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong việc thu thập số liệu để phục vụ cho Luận văn này. Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn cơ quan, đồng nghiệp, gia đình và bạn bè đã động viên giúp đỡ tôi cả về vật chất lẫn tinh thần để tôi hoàn thành Luận văn này. Huế, ngày 03 tháng 8 năm 2015 Học viên Huỳnh Tấn Tám PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết quả đạt được trong luận văn là sản phẩm nghiên cứu, tìm hiểu của riêng cá nhân tôi. Trong toàn bộ nội dung của luận văn, những điều được trình bày hoặc là của cá nhân tôi hoặc là được tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có xuất xứ rõ ràng và được trích dẫn hợp pháp. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định cho lời cam đoan của mình. Huế, ngày 03 tháng 8 năm 2015 Người cam đoan Huỳnh Tấn Tám PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
iii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN..................................................................................................................i LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................... ii MỤC LỤC .................................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ................................................. v DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................................vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ..................................................................................... vii MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 1 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI .............................................................................................. 1 2. MỤC ĐÍCH VÀ YÊU CẦU NGHIÊN CỨU ............................................................. 2 2.1. Mục đích nghiên cứu ............................................................................................... 2 2.2. Yêu cầu nghiên cứu ................................................................................................. 2 3. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN ................................................................ 2 3.1. Ý nghĩa khoa học ..................................................................................................... 2 3.2. Ý nghĩa thực tiễn ..................................................................................................... 2 4. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ........................................................... 2 4.1. Đối tượng nghiên cứu .............................................................................................. 2 4.2. Phạm vi nghiên cứu ................................................................................................. 3 Chương 1. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .......................................... 4 1.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ........................................... 4 1.1.1. Hệ thống viễn thám và ảnh viễn thám .................................................................. 4 1.1.2. Cơ sở khoa học xây dựng bản đồ hiện trạng đất lâm nghiệp ............................. 19 1.1.3. So sánh sự khác biệt giữa phương pháp phân loại dựa trên pixel (pixel- classification) và phương pháp phân loại dựa trên định hướng đối tượng (object- oriented classification) .................................................................................................. 23 1.1.4. Phần mềm giải đoán ảnh viễn thám theo phương pháp phân loại định hướng đối tượng eCognition .......................................................................................................... 34 1.2. CƠ SỞ THỰC TIỄN CỦA VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .......................................... 39 1.2.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới ..................................................................... 39 1.2.2. Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam ...................................................................... 41 1.3. MỘT SỐ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ................................................. 42 Chương 2. MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............. 43 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
iv 2.1. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU .................................................................................. 43 2.2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ................................................................................. 43 2.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ......................................................................... 43 2.3.1. Phương pháp thu thập số liệu ............................................................................. 43 2.3.2. Phương pháp xử lý dữ liệu ảnh viễn thám bằng các phần mềm chuyên dụng ... 44 2.3.3. Phương pháp điều tra mẫu .................................................................................. 46 2.3.4. Phương pháp phân tích tổng hợp ........................................................................ 48 Chương 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN .......................................... 49 3.1. KHÁI QUÁT ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN, KINH TẾ, XÃ HỘI KHU VỰC NGHIÊN CỨU ............................................................................................................. 49 3.1.1. Vị trí địa lý .......................................................................................................... 49 3.1.2. Điều kiện tư nhiên .............................................................................................. 50 3.1.3. Điều kiện kinh tế-xã hội ..................................................................................... 51 3.2. ĐÁNH GIÁ THỰC TRẠNG CÔNG TÁC XẤY DỰNG BẢN ĐỒ HIỆN TRẠNG SỬ DỤNG ĐẤT LÂM NGHIỆP KHU VỰC NGHIÊN .............................................. 52 3.3. XÂY DỰNG BẢN ĐỒ HIỆN TRẠNG SỬ DỤNG ĐẤT LÂM NGHIỆP TỶ LỆ 1: 10000 KHU VỰC NGHIÊN CỨU ........................................................................... 53 3.3.1. Tiền xử lý ảnh ..................................................................................................... 53 3.3.2. Xây dựng khóa giải đoán ảnh ............................................................................. 57 3.3.3. Giải đoán ảnh viễn thám ..................................................................................... 69 3.4. ĐÁNH GIÁ NHỮNG THUẬN LỢI VÀ KHÓ KHĂN VỀ VIỆC ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM ĐỂ XÂY DỰNG BẢN ĐỒ HIỆN TRẠNG SỬ DỤNG ĐẤT LÂM NGHIỆP .................................................................................................... 79 3.4.1. Thuận lợi ............................................................................................................. 79 3.4.2. Khó khăn............................................................................................................. 79 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ .......................................................................................... 81 1. KẾT LUẬN .............................................................................................................. 81 2. ĐỀ NGHỊ .................................................................................................................. 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 82 PHỤ LỤC ..................................................................................................................... 84 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Cụm từ được viết tắt “C” Mẫu của trạng thái đất chưa thành rừng “G” Mẫu của trạng thái rừng giàu “N.C” Mẫu của các trạng rừng rừng nghèo và đất chưa thành rừng “N” Mẫu của trạng thái rừng nghèo “T.N.C” Mẫu của các trạng rừng trung bình, rừng nghèo và đất chưa thành rừng Mẫu của các trạng rừng trung bình, rừng nghèo và đất chưa thành “T.N.C-G” rừng lẫn sang rừng giàu “TB” Mẫu của trạng thái rừng trung bình Mẫu của trạng rừng trung bình lẫn sang các trạng thái rừng nghèo “TB-N.C” và đất chưa thành rừng GCP Điểm khống chế mặt đất GIS Hệ thống thông tin địa lý GPS Hệ thống định vị toàn cầu GPS PPĐHĐT Phương pháp định hướng đối tượng PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Một số thông số kỹ thuật ảnh SPOT ............................................................ 14 Bảng 2.1. Thông số kỹ thuật ảnh vệ tinh SPOT 5 ........................................................ 44 Bảng 3.1. Số mẫu lẫn ứng với các giá trị ngưỡng khác nhau ....................................... 63 Bảng 3.2. Giá trị ngưỡng tốt nhất phân loại “G” với “T.N.C” ..................................... 64 Bảng 3.3. Giá trị ngưỡng tốt nhất phân loại loại “G” với loại “T.N.C-G”................... 65 Bảng 3.4. Giá trị ngưỡng tốt nhất phân loại “TB” với loại “N.C” ............................... 65 Bảng 3.5. Giá trị ngưỡng tốt nhất phân loại “TB-N.C” với “N.C” .............................. 66 Bảng 3.6. Giá trị ngưỡng tốt nhất phân loại “N” với “C” ............................................ 67 Bảng 3.7. Ma trận sai số giải đoán ảnh theo phương pháp định hướng đối tượng ...... 72 Bảng 3.8. Sai khác diện tích rừng của hai kết quả giải đoán bằng phương pháp định hướng đối tượng và phương pháp pixel ....................................................................... 75 Bảng 3.9. Độ chính xác kết quả giải đoán bằng phương pháp định hướng đối tượng và phương pháp pixel ........................................................................................................ 76 Bảng 3.10. Sai khác diện tích rừng của hai kết quả giải đoán bằng phương pháp định hướng đối tượng và phương pháp pixel ....................................................................... 77 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. Phổ phản xạ của thực vật, đất và nước ........................................................... 5 Hình 1.2. Sự tương tác sóng điện từ với vật thể ............................................................. 5 Hình 1.3. Ảnh vệ tinh với độ phân giải không gian khác nhau ...................................... 7 Hình 1.4. Ảnh SPOT 5 chụp ba kênh green, red và hồng ngoại .................................... 7 Hình 1.5. Ảnh có 20 pixels ghi nhận thông tin theo 8 bits ............................................. 7 Hình 1.6. Nguyên lý thu nhận dữ liệu ảnh viễn thám .................................................. 10 Hình 1.7. Nguyên lý thu nhận và quy trình xử lý dữ liệu viễn thám ............................ 10 Hình 1.8. Thu nhận, xử lý và ứng dụng dữ liệu viễn thám .......................................... 11 Hình 1.9. Các bước tiến hành giải đoán ảnh bằng mắt ................................................. 17 Hình 1.10. Phương pháp phân loại hình hộp sử dụng 3 kênh ...................................... 25 Hình 1.11. Phương pháp phân loại theo cây quyết định .............................................. 26 Hình 1.12. Nguyên lý phân loại theo khoảng cách ngắn nhất ...................................... 27 Hình 1.13. Phương pháp phân loại gần đúng nhất ....................................................... 27 Hình 1.14. So sánh kết quả phân mảnh với các tỷ lệ khác nhau .................................. 29 Hình 1.15. So sánh đặc trưng hình dạng sông suối và ao hồ........................................ 30 Hình 1.16. Quan hệ topo và khái niệm khoảng cách trong phân loại định hướng đối tượng ............................................................................................................................. 31 Hình 1.17. Mạng phân cấp đối tượng và các mức liên kết ........................................... 33 Hình 1.18. Giao diện của phần mềm eCognition ......................................................... 34 Hình 1.19. Tạo mới project .......................................................................................... 36 Hình 1.20. Trộn các kênh ảnh ...................................................................................... 36 Hình 1.21. Chỉnh sửa các thông số tỷ lệ để phân mảnh ............................................... 37 Hình 1.22. Thiết lập các chỉ số trên phần mềm eCognition ......................................... 38 Hình 1.23. Xuất kết quả ................................................................................................ 39 Hình 2.1. Khung logic của quy trình giải đoán ảnh viễn thám..................................... 45 Hình 2.2. Sơ đồ tìm thuật toán phân loại các đối tượng ảnh mẫu ................................ 47 Hình 3.1. Sơ đồ vị trí xã Hòa Xuân Nam, huyện Đông Hòa, tỉnh Phú Yên ................. 49 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
viii Hình 3.2. Sự phân bố các điểm khống chế nắn ảnh kênh toàn sắc ............................... 54 Hình 3.3. Danh sách các điểm khống chế chọn nắn ảnh và sai số nắn ảnh kênh toàn sắc ...................................................................................................................................... 54 Hình 3.4. Sự phân bố các điểm khống chế nắn ảnh kênh đa phổ ................................. 55 Hình 3.5. Danh sách các điểm khống chế chọn nắn ảnh và sai số nắn ảnh kênh đa phổ ...................................................................................................................................... 55 Hình 3.6. Ảnh đa phổ trước và sau khi trộn ................................................................. 56 Hình 3.7. Ảnh được cắt theo khu vực nghiên cứu ........................................................ 56 Hình 3.8. Thuật toán phân mảnh ảnh trên phần mềm eCognition................................ 58 Hình 3.9. Kết quả phân mảnh ảnh SPOT 5 .................................................................. 58 Hình 3.10. Cây phân loại được tạo trên phần mềm eCognition ................................... 59 Hình 3.11. Chỉ số NDVI được thiết lập bằng phân mềm eCognition ......................... 60 Hình 3.12. Chỉ số RIV được thiết lập bằng phân mềm eCognition ............................ 60 Hình 3.13. Các giá trị đặc trưng của 2 đối tượng ảnh khác nhau ................................. 62 Hình 3.14. Số mẫu lẫn ứng với một giá trị ngưỡng ...................................................... 63 Hình 3.15. Khóa giải đoán cho ảnh SPOT 5 thu nhận ngày 26/03/2013 ..................... 68 Hình 3.16. Bộ khóa giải đoán ảnh tự động ................................................................... 69 Hình 3.17. Ảnh đã được giải đoán bằng phương pháp định hướng đối tượng ............. 70 Hình 3.18. Tuyến điều tra lấy mẫu đánh giá độ chính xác kết quả giải đoán .............. 71 Hình 3.19. So sánh kết quả điều tra thực địa với kết quả giải đoán trạng thái rừng giàu ...................................................................................................................................... 71 Hình 3.20. Quy trình ứng dụng công nghệ viễn thám để xây dựng bản đồ hiện trạng sử dụng đất lâm nghiệp xã Hòa Xuân Nam ...................................................................... 73 Hình 3.21. Bản đồ hiện trạng sử dụng đất lâm nghiệp xã Hòa Xuân Nam, huyện Đông Hòa, tỉnh Phú Yên, năm 2014 được thu nhỏ ................................................................ 74 Hình 3.22. Ảnh đã được giải đoán ảnh bằng phương pháp pixel ................................. 76 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
1 MỞ ĐẦU 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Bản đồ hiện trạng sử dụng đất lâm nghiệp là một tài liệu không thể thiếu trong điều tra, kiểm kê rừng nhằm phục vụ cho công tác lập quy hoạch, kế hoạch bảo vệ và phát triển rừng từ Trung ương đến địa phương. Sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật tính toán và công nghệ thông tin cùng với sự không ngừng hoàn thiện của lý thuyết đo ảnh trong những thập kỷ gần đây đã cho ra đời công nghệ viễn thám, với tư liệu ảnh vệ tinh có độ phân giải cao phản ánh trung thực về bề mặt trái đất tại thời điểm chụp, hàm lượng thông tin lớn, được thu nhận trên nhiều dải sóng, đang là nguồn dữ liệu phong phú và trực quan giúp cho các nhà nghiên cứu về bề mặt và các quá trình tự nhiên trên mặt đất một cách hiệu quả. Kết hợp với khả năng xử lý số liệu của hệ thống thông tin địa lý (GIS), hệ thống định vị toàn cầu (GPS) và phần mềm giải đoán ảnh viễn thám, công nghệ viễn thám đã tạo ra một công cụ mạnh trong nghiên cứu và quản lý tài nguyên thiên nhiên nói chung và tài nguyên rừng nói riêng. Hiện nay, có nhiều ảnh vệ tinh có độ phân giải cao, nâng cao khả năng quan sát bề mặt trái đất, phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau, trong đó có ngành lâm nghiệp. Mặt khác, ngoài quy trình và kỹ thuật giải đoán ảnh viễn thám bằng phương pháp pixel mà từ trước đến nay vẫn hay sử dụng, sự ra đời của phần mềm eCognition Developer với kỹ thuật giải đoán ảnh viễn thám theo phương pháp mới, đó là phương pháp định hướng đối tượng cho ra kết quả giải đoán rất khả quan và vấn đề này cũng đã được Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn đưa vào yêu cầu chuyên môn công tác điều tra, kiểm kê tài nguyên rừng giai đoạn 2012-2015 theo quyết định: Quyết định số: 3183/QĐ-BNN-TCLN ngày 21/12 /2012 của Bộ trưởng Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn và quyết định số 690/QĐ-BNN-TCCB ngày 01042 /2013 của Bộ trưởng Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn. Ở nước ta hiện nay, việc ứng dụng ảnh viễn thám xây dựng bản đồ hiện trạng rừng và đất lâm nghiệp phục vụ cho công tác kiểm kê rừng còn rất hạn chế. Hầu hết các tỉnh trong nước việc kiểm kê rừng dựa trên nền bản đồ hiện trạng rừng và đất lâm nghiệp đã quá cũ và không được cập nhật hàng năm hoặc cập nhật chưa được đầy đủ, gây không ít khó khăn cho công tác quản lý, lưu trữ mà cụ thể là việc cập nhật những diễn biến về diện tích và trữ lượng hàng năm. Đặc biệt, tại tỉnh Phú Yên nói chung, xã Hòa Xuân Nam, huyện Đông Hòa, tỉnh Phú Yên nói riêng, bản đồ hiện trạng sử dụng đất lâm nghiệp đang được sử dụng để phục vụ cho công tác kiểm kê rừng là bản đồ được thừa kế từ bản đồ nền năm 2007 do Tổng cục Lâm nghiệp, Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn cung cấp và được cập nhật hàng năm qua công tác điều tra thực PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
2 địa. Do vậy, việc kiểm kê rừng tiêu tốn nhiều thời gian và công sức, nhưng chất lượng kết quả chưa được như mong muốn. Từ những vấn đề trên, tôi đã đi tới quyết định nghiên cứu đề tài này: “Ứng dụng công nghệ viễn thám để xây dựng bản đồ hiện trạng sử dụng đất lâm nghiệp tại xã Hòa Xuân Nam, huyện Đông Hòa, tỉnh Phú Yên”. 2. MỤC ĐÍCH VÀ YÊU CẦU NGHIÊN CỨU 2.1. Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu này góp phần khẳng định sự hiệu quả của ứng dụng công nghệ viễn thám để xây dựng bản đồ hiện trạng sử dụng đất lâm nghiệp, qua đó đề xuất ứng công nghệ này vào công tác quản lý, quy hoạch và phát triển đất lâm nghiệp khu vực nghiên cứu. 2.2. Yêu cầu nghiên cứu Để đạt được mục đích trên, yêu cầu: - Thu thập ảnh viễn thám khu vực nghiên cứu; - Tìm hiểu kiến thức trắc địa ảnh viễn thám; các phần mềm giải đoán ảnh eCognition, ENVI và các quy định thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất lâm nghiệp; - Điều tra thực địa để thu thập mẫu đầy đủ và chính xác; - Phân tích mẫu để xây dựng khóa giải đoán ảnh; - Giải đoán ảnh xây dựng bản đồ hiện trạng sử dụng đất lâm nghiệp khu vực nghiên cứu. 3. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN 3.1. Ý nghĩa khoa học Kết quả nghiên này cứu sẽ cung cấp quy trình và kỹ thuật xây dựng khóa giải đoán ảnh viễn thám bằng phương pháp mới, phương pháp định hướng đối tượng. 3.2. Ý nghĩa thực tiễn Ứng dụng kết quả nghiên cứu này sẽ góp phần nâng cao hiệu quả trong công tác quản lý, quy hoạch và phát triển đất lâm nghiệp khu vực nghiên cứu. 4. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 4.1. Đối tượng nghiên cứu Ảnh viễn thám có độ phân giải cao (SPOT 5) để thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất lâm nghiệp. PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
3 4.2. Phạm vi nghiên cứu - Phạm vi thời gian: đề tài được tiến hành từ tháng 7 năm 2014 đến tháng 6 năm 2015. - Phạm vi không gian nghiên cứu: đất lâm nghiệp xã Hòa Xuân Nam, huyện Đông Hòa, tỉnh Phú Yên. - Phạm vi thu thập dữ liệu: các tài liệu có liên quan trên địa bàn huyện Đông Hòa, tỉnh Phú Yên. PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
4 Chương 1. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1.1. Hệ thống viễn thám và ảnh viễn thám 1.1.1.1. Các khái niệm cơ bản a. Khái niệm viễn thám Viễn thám là khoa học thu thập, xử lý, thể hiện hình ảnh và dữ liệu liên quan có được từ các thiết bị trên mặt đất, không trung và không gian bằng cách ghi lại sự tương tác giữa vật chất (mục tiêu) và bức xạ điện từ. Viễn thám sử dụng phổ điện từ để ghi nhận hình ảnh mặt đất, đại dương, và khí quyển. b. Bức xạ điện từ Bức xạ điện từ là quá trình truyền năng lượng điện từ trên cơ sở các dao động của điện trường và từ trường trong không gian. Quá trình lan truyền của sóng điện từ qua môi trường vật chất sẽ tạo ra phản xạ, hấp thụ, tán xạ và bức xạ sóng điện từ dưới các hình thức khác nhau tùy thuộc vào bước sóng. Viễn thám thường sử dụng 4 tính chất cơ bản của bức xạ điện từ đó là tần số hay bước sóng, hướng lan truyền, biên độ và mặt phẳng phân cực để thu nhận thông tin từ các đối tượng. Ví dụ, tần số hay bước sóng liên quan đến màu sắc của vật thể trong vùng ánh sáng khả kiến. Tùy thuộc vào bước sóng điện từ, phản xạ hay bức xạ từ các vật thể được thu nhận bởi bộ cảm biến sẽ tạo ra các ảnh viễn thám có màu sắc khác nhau. Thể hiện màu dữ liệu ảnh vệ tinh giữ vai trò rất quan trọng trong việc giải đoán ảnh bằng mắt, nếu ảnh đa phổ gồm 3 kênh được ghi nhận tương ứng cùng vùng phổ của đỏ, lục và xanh lơ sẽ cho phép tái tạo màu tự nhiên trên màn hình hiển thị ảnh. Ví dụ, lá cây sẽ có màu xanh trên ảnh như sự cảm nhận của con người ngoài thực tế, vì chất diệp lục hấp thụ ánh sáng có bước sóng xanh lơ và đỏ đồng thời phản xạ ánh sáng có bước sóng xanh lục. Ngược lại, nếu thông tin ghi nhận trên vùng phổ không nhìn thấy (sóng hồng ngoại) sự tổ hợp màu với kênh phổ hồng ngoại sẽ không cho màu tự nhiên, trường hợp này được gọi là tổ hợp màu hồng ngoại. Trên tổ hợp màu này, các đối tượng được thể hiện giống như thể hiện trên film hồng ngoại. Ảnh viễn thám sẽ cung cấp thông tin về các vật thể tương ứng với năng lượng bức xạ ứng với từng bước sóng do bộ cảm biến nhận được trong dải phổ đã xác định. Các đại lượng này của vật thể thường được gọi là đặc trưng phổ. PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
5 Phản xạ phổ ứng với từng lớp phủ mặt đất cho thấy có sự khác nhau do sự tương tác giữa bức xạ điện từ và vật thể, điều này cho phép viễn thám có thể xác định hoặc phân tích được đặc điểm của lớp phủ thông qua việc đo lường phản xạ phổ. Hình 1.1 cho thấy phản xạ phổ ứng với một số lớp phủ đặc trưng của mặt đất (trục ngang thể hiện bước sóng, trục đứng thể hiện phần trăm năng lượng điện từ phản xạ), trong đó thực vật có phản xạ rất cao trong vùng gần hồng ngoại, đất cho sự phản xạ khá cao đối với hầu hết các vùng phổ nhưng nước hầu như không phản xạ trong vùng hồng ngoại (hấp thụ hoàn toàn năng lượng sóng hồng ngoại). Hình 1.1. Phổ phản xạ của thực vật, đất và nước Năng lượng sóng điện từ hấp thụ nhiều hay ít tùy thuộc vào bước sóng và loại vật thể. Năng lượng của bức xạ điện từ (E) khi tương tác với vật thể một phần sẽ bị hấp thụ (EA), một phần phản xạ (ER) và một phần truyền qua vật thể (ET). Hình 1.2. Sự tương tác sóng điện từ với vật thể Theo định luật bảo toàn năng lượng thì E = EA + ER + ET. Đặt trưng của bề mặt đất có thể phân biệt bằng cách so sánh năng lượng phản xạ ER của từng vật thể khác nhau ứng với từng bước sóng và phản xạ phổ được xác định bởi ER/E. PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
6 Năng lượng sóng điện từ do nguồn cung cấp là mặt trời, khi truyền tới mặt đất sẽ bị hấp thụ hoặc tán xạ bởi các phân tử nước và khí có trong lớp khí quyển. Tùy thuộc vào bước sóng, ảnh hưởng của khí quyển đến phản xạ phổ ứng với từng loại lớp phủ mặt đất cho thấy có sự khác nhau theo vị trí cũng như thời gian trong năm. Do các tính chất của vật thể có thể được xác định thông qua năng lượng bức xạ từ vật thể hay phản xạ của vật thể đối với năng lượng bức xạ do mặt trời cung cấp, nếu năng lượng của sóng điện từ do các vật thể phản xạ hay bức xạ được thu nhận bởi bộ cảm biến (sensor) đặt trên vật mang (platform của vệ tinh), ta có thể nhận biết đối tượng hoặc các điều kiện môi trường khí quyển xung quanh trái đất thông qua những đặt trưng riêng về sự phản xạ sóng điện từ [23]. c. Ảnh viễn thám Ảnh viễn thám (còn gọi là ảnh vệ tinh) là ảnh số thể hiện các vật thể trên bề mặt trái đất được thu nhận bởi các bộ cảm biến đặt trên vệ tinh. Tùy thuộc vào vùng bước sóng được sử dụng để thu nhận, ảnh viễn thám được phân thành ba loại cơ bản: Ảnh quang học: Nguồn năng lượng chính là bức xạ mặt trời; Ảnh nhiệt: Nguồn năng lượng chính là bức xạ nhiệt của vật thể; Ảnh rada: Nguồn năng lượng chính là sóng rada phản xạ từ các vật thể do vệ tinh phát xuống theo những bước sóng đã được xác định. Vùng phủ mặt đất rộng hay hẹp (diện tích nhất định trên bề mặt trái đất) tương ứng với phần tử ảnh gọi là độ phân giải không gian hay độ phân giải mặt đất của ảnh viễn thám, tùy vào loại vệ tinh và kích thước của pixel đã được xác định trước khi thiết kế bộ cảm biến mà ảnh viễn thám có độ phân giải không gian khác nhau. Ngoài ra, cùng một lớp phủ mặt đất tương ứng với phần tử ảnh sẽ có giá trị độ sáng của pixel khác nhau theo từng loại bước sóng (ảnh chụp đa phổ). Do đó ứng với vùng phủ nhất định, thông tin cơ bản được cung cấp bởi ảnh vệ tinh sẽ khác nhau phụ thuộc vào kích thước của pixel và phạm vi bước sóng được sử dụng bởi từng loại vệ tinh. Hình 1.3 thể hiện các ảnh vệ tinh chụp trên cùng một diện tích nhất định trên bề mặt trái đất nhưng có độ phân giải không gian khác nhau (20m, 10m và 5m) và hình 1.4 thể hiện các ảnh vệ tinh chụp trên các kênh phổ khác nhau. PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
7 20m pixel 10m pixel 5m pixel Hình 1.3. Ảnh vệ tinh với độ phân giải không gian khác nhau Kênh phổ “lục” Kênh phổ “đỏ” Kênh phổ “hồng ngoại” Hình 1.4. Ảnh SPOT 5 chụp ba kênh green, red và hồng ngoại Để lưu trữ, xử lý và hiển thị ảnh vệ tinh trong máy tính kiểu Raster, tùy thuộc vào số bit dùng để ghi nhận thông tin, mỗi pixel sẽ có một giá trị hữu hạn ứng với từng cấp độ xám (giái trị độ sáng của pixel: BV – Brightness Value). Ví dụ 7 bits cho 128 cấp độ xám (0-127) và 8 bits cho 256 cấp (0-255) 0 tương ứng đen và 255 là trắng. Hình 1.5 thể hiện ảnh số có các phần tử ảnh (pixel) được xác định bởi hàng và cột ghi nhận thông tin theo giá trị từ 0 đến 255. 1 2 3 4 5 1 11 18 27 26 26 BV14 = 26 2 BV24 3 120 130 145 225 252 4 Hình 1.5. Ảnh có 20 pixels ghi nhận thông tin theo 8 bits Số bit dùng để ghi nhận thông tin (thang cấp độ xám) được gọi là độ phân giải bức xạ của ảnh vệ tinh, độ phân giải bức xạ thể hiện sự thay đổi nhỏ nhất của cường độ phản xạ sóng từ các vật thể được xác định bởi bộ cảm biến. PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
8 Ảnh toàn sắc chỉ bao gồm một kênh phổ nên thường được giải đoán như ảnh đen trắng, ảnh đa phổ gồm nhiều kênh phổ. Để hiển thị, từng kênh của ảnh đa phổ được thể hiện lần lượt dưới dạng ảnh gray scale (cấp độ xám) mà mỗi pixel có giá trị hữu hạn ứng với từng cường độ phản xạ năng lượng của vật thể trên mặt đất, hoặc phối hợp ba kênh ảnh thể hiện cùng lúc dưới dạng ảnh tổ hợp màu. Việc giải đoán ảnh tổ hợp màu đòi hỏi phải có kiến thức về đặc trưng phản xạ phổ của các đối tượng trong ảnh [23]. 1.1.1.2. Lịch sử phát triển của công nghệ viễn thám Viễn thám (Remote sensing) được định nghĩa bằng nhiều từ ngữ khác nhau, nhưng nói chung đều thống nhất theo quan điểm chung là khoa học và công nghệ thu thập thông tin của vật thể mà không tiếp xúc trực tiếp với vật thể đó. Định nghĩa sau đây có thể coi là tiêu biểu: “Viễn thám là khoa học và công nghệ mà theo đó các đặc tính đối tượng quan tâm được nhận diện, đo đạc, phân tích các tính chất mà không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tượng”. Đối tượng trong định nghĩa này có thể hiểu là một đối tượng cụ thể, một vùng hay một hiện tượng. Trong khoảng ba thập kỷ gần đây khi công nghệ vũ trụ đã cho ra đời các ảnh số thu nhận từ các vệ tinh trên quỹ đạo của trái đất viễn thám đã thực sự phát triển mạnh mẽ. Nhưng thực ra viễn thám đã có lịch sử lâu đời. Ảnh chụp (film) được sử dụng cho nghiên cứu mặt đất đã xuất hiện từ thế kỷ 19. Năm 1839, Louis Daguere (1789-1881) đưa ra báo cáo về thí nghiệm hoá ảnh của mình khởi đầu cho ngành chụp ảnh. Ảnh chụp về bề mặt trái đất từ khinh khí cầu bắt đầu sử dụng từ năm 1858. Bức ảnh chụp đầu tiên về Trái đất từ khinh khí cầu chụp vùng Bostom vào năm 1860 bởi James Wallace Black, 1860. Sự phát triển của viễn thám đi liền với sự phát triển của công nghệ vũ trụ phục vụ cho việc nghiên cứu trái đất và vũ trụ. Các ảnh chụp nổi stereo theo phương đứng và xiên cung cấp bởi GEMINI (1965) đã thể hiện ưu thế của công việc nghiên cứu Trái đất bằng các bức ảnh của nó. Tiếp theo, tàu Apolo cho ra sản phẩm ảnh chụp nổi và đa phổ kích thước 70mm. Ngành hàng không vũ trụ của Liên Xô cũ và hiện nay là Nga góp phần tích cực vào việc nghiên cứu trái đất từ vũ trụ. Các nghiên cứu đã được thực hiện trên các con tàu vũ trụ có người như Soynz, các tàu Meteor, Cosmos hoặc trên các trạm “Chào mừng” (Salyut). Sản phẩm thu được là các ảnh chụp trên các thiết bị quét đa phổ phân dải cao như MSU_E. Ảnh chụp từ vệ tinh Cosmos trên 5 kênh phổ khác nhau với kích thước ảnh 18x18cm. Ngoài ra các ảnh chụp từ thiết bị chụp KATE- 140, MKF-6M trên trạm quỹ đạo Salyut cho ra sau kênh ảnh thuộc dải phổ 0.40 đến 0.89µm với độ phân giải mặt đất tại tâm ảnh đạt 20x20m . PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
9 Tiếp theo với vệ tinh nghiên cứu trái đất ERTS-1 (Earth Reosourcer Technology Satellite) được phóng lên quỹ đạo trái đất vào năm 1972. Sau vệ tinh này đổi tên là Landsat 1, rồi các vệ tinh thế hệ mới hơn là Landsat 2, Landsat 3, Landsat 4 và Landsat 5. Ngay từ đầu ERTS-1 mang theo bộ cảm MSS (máy quét đa phổ) với bốn kênh phổ khác nhau và bộ cảm RBV (Return Beam Vidicon) với ba kênh phổ khác nhau. Ngoài Landsat 2, Landsat3 còn có các vệ tinh khác như SKYLAB (1973) và HCMM (1978). Từ 1982 là các ảnh chuyên đề được thực hiện trên các các vệ tinh Landsat TM 4 và Landsat TM 5 với 7 kênh phổ khác nhau từ dải sóng nhìn thấy đến hồng ngoại nhiệt. Điều này cho phép nghiên cứu trái đất từ nhiều dải phổ khác nhau. Đồng thời với việc phát triển của các ảnh vệ tinh Landsat, các ảnh vệ tinh của Pháp là vệ tinh SPOT (1986) đã đưa ra sản phẩm ảnh số thuộc hai kiểu ảnh đơn kênh với độ phân giải không gian 10x10m và ảnh đa kênh SPOT-XS với ba kênh (hai kênh thuộc dải phổ nhìn thấy, một kênh thuộc dải phổ hồng ngoại) với độ phân giải không gian 20x20m. Đặc tính của ảnh vệ tinh SPOT là cho ra các cặp ảnh nổi Stereo cung cấp một khả năng tạo ảnh nổi ba chiều. Điều này giúp cho việc nghiên cứu bề mặt trái đất đạt kết quả cao, nhất là việc nghiên cứu bề mặt địa hình. Các ảnh vệ tinh của Nhật như MOS-1 phục vụ cho quan sát biển (Marine Observation Satellite) và các ảnh chụp từ các vệ tinh của Ấn Độ I-1A tạo ra các ảnh vệ tinh như LISS thuộc nhiều hệ khác nhau. Sự phát triển trong lĩnh vực nghiên cứu trái đất bằng viễn thám được đẩy mạnh do áp dụng kỹ nghệ mới với việc sử dụng các ảnh RADA. Viễn thám RADA tích cực thu nhận ảnh bằng việc phát sóng dài siêu tần và thu tia phản hồi cho phép thực hiện các nghiên cứu độc lập không phụ thuộc vào mây. Sóng RADA có khả năng xuyên qua mây, lớp đất mỏng và là nguồn sóng nhân tạo nên có thể hoạt động cả ngày và đêm, không chịu ảnh hưởng của năng lượng mặt trời. Gần đây, sự ra đời của ảnh vệ tinh IKONOS của Mỹ có độ phân giải đặc biệt cao so với các loại ảnh trước đây. Hiện tại các ảnh IKONOS đã đạt tới độ phân giải 1m, trong thời gian sắp tới sẽ có các ảnh IKONOS độ phân giải 0,5m. Ảnh IKONOS có thể được sử dụng để cập nhật và hiệu chỉnh các bản đồ tỷ lệ trung bình hay làm bản đồ ảnh về hiện trạng sử dụng đất rất tốt [28]. 1.1.1.3. Cơ sở khoa học của công nghệ viễn thám a. Nguyên lý thu nhập dữ liệu ảnh viễn thám Sóng điện từ được phản xạ hay bức xạ từ vật thể là nguồn cung cấp thông tin chủ yếu về đặc tính của đối tượng. Ảnh viễn thám sẽ cung cấp thông tin về các vật thể tương ứng với năng lượng bức xạ ứng với từng bước sóng đã xác định. Đo lường và phân tích năng lượng phản xạ phổ ghi nhận bởi ảnh viễn thám, cho phép tách thông tin hữu ích về từng loại lớp phủ mặt đất khác nhau do sự tương tác giữa bức xạ điện từ và vật thể. PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
10 Một thiết bị dùng để cảm nhận phản xạ hay bức xạ từ vật thể được gọi là bộ cảm biến (sensor). Bộ cảm biến có thể là máy chụp ảnh hoặc máy quét. Phương tiện mang các sensors được gọi là vật mang có thể là máy bay, khinh khí cầu, tàu con thoi hoặc vệ tinh. Hình 1.6 thể hiện sơ đồ nguyên lý thu nhận dữ liệu ảnh viễn thám. Hình 1.6. Nguyên lý thu nhận dữ liệu ảnh viễn thám Thông tin về năng lượng phản xạ của các vật thể được ghi nhận bởi ảnh viễn thám và thông qua xử lý tự động trên máy hoặc giải đoán trực tiếp từ ảnh dựa trên kinh nghiệm của chuyên gia. Cuối cùng, các dữ liệu hoặc thông tin liên quan đến các vật thể và hiện tượng khác nhau trên mặt đất sẽ được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau như: nông lâm nghiệp, địa chất, khí tượng, môi trường,... Hình 1.7 thể hiện sơ đồ quy trình công nghệ cơ bản được sử dụng trong việc tách thông tin hữu ích từ ảnh viễn thám. Hình 1.7. Nguyên lý thu nhận và quy trình xử lý dữ liệu viễn thám Toàn bộ quá trình thu nhận và xử lý ảnh viễn thám có thể chia thành 5 thành phần cơ bản như sau: - Nguồn cung cấp năng lượng; - Sự tương tác của năng lượng với khí quyển; - Sự tương tác với các vật thể trên bề mặt đất; - Chuyển đổi năng lượng phản xạ từ vật thể thành dữ liệu ảnh số bởi bộ cảm biến; - Hiển thị ảnh số cho việc giải đoán và xử lý. PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
11 Hình 1.8 minh họa những thành phần cơ bản của một hệ thống viễn thám. Hình 1.8. Thu nhận, xử lý và ứng dụng dữ liệu viễn thám A- năng lượng sóng điện từ được bức xạ từ nguồn cung cấp; B- năng lượng này tương tác với các phân tử trong khí quyển; C- khi đến mặt đất, năng lượng tương tác với bề mặt vật thể; D- năng lượng phản xạ được tách và ghi nhận bởi bộ cảm biến; E- truyền dữ liệu về các trạm thu để xử lý; F- giải đoán và phân tích ảnh viễn thám ; G- ứng dụng ảnh viễn thám vào các lĩnh vực liên quan. Có thể hình dung hệ thống viễn thám một cách đơn giản theo hình 1.6. Bức xạ mặt trời một phần bị khuếch tán trong khí quyển; khi xuống đến mặt đất, một phần bị hấp thụ, một phần truyền qua, một phần phản xạ. Bộ cảm trên vệ tinh thu những sóng phản xạ này - sóng điện từ mang thông tin. Tín hiệu thu được từ vệ tinh truyền xuống trạm thu trên mặt đất. Sau khi được xử lý bằng công nghệ xử lý ảnh số hay giải đoán bằng mắt thường, những thông tin này sẽ chuyển đến cho người dùng. Các hệ thống viễn thám bị động ghi lại năng lượng được bức xạ tự nhiên hay phản xạ từ một số đối tượng, còn hệ thống viễn thám chủ động được cung cấp một năng lượng riêng cho nó và chiếu trực tiếp vào đối tượng nhằm mục đích đo đạc phần năng lượng đi trở về. Trái lại, việc ghi lại nguồn sáng có thể có của địa hình đó là viễn thám bị động. Một dạng khác phổ biến của viễn thám chủ động, đó là rada. Nó được cấp một nguồn năng lượng riêng của năng lượng điện từ ở bước sóng rada. Bộ cảm biến chỉ thu nhận năng lượng sóng điện từ phản xạ hay bức xạ từ vật thể theo từng bước sóng xác định. Năng lượng sóng điện từ sau khi tới được bộ cảm biến được chuyển thành tín hiệu số và truyền về trạm thu trên mặt đất. Sau khi được xử lý, ảnh viễn thám sẽ cung cấp thông tin về các vật thể tương ứng với năng lượng bức xạ ứng với từng bước sóng do bộ cảm biến nhận được trong dải phổ đã xác định (từ cực tím đến hồng ngoại) nên người ta còn gọi là dữ liệu ảnh đa phổ hay đa kênh [23]. PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
12 b. Phân loại viễn thám Viễn thám trong dải sóng nhìn thấy và hồng ngoại phản xạ Nguồn năng lượng chính là bức xạ mặt trời và ảnh viển thám nhận được dựa vào sự đo lường năng lượng vùng ánh sáng khả kiến và hồng ngoại được phản xạ từ vật thể và bề mặt trái đất. Ảnh thu được bởi kỹ thuật viễn thám này được gọi chung là ảnh quang học. Viễn thám hồng ngoại nhiệt Nguồn năng lượng sử dụng là bức xạ nhiệt do chính vật thể sản sinh ra, hầu như mỗi vật thể trong nhiệt độ bình thường đều tự phát ra một bức xạ. Ảnh thu được bởi kỹ thuật viễn thám này được gọi là ảnh nhiệt. Viễn thám siêu cao tần Trong viễn thám siêu cao tần, hai loại kỹ thuật chủ động và bị động đều được áp dụng. Viễn thám bị động ghi lại năng lượng sóng vô tuyến cao tần với bước sóng lớn hơn 1mm mà được bức xạ tự nhiên hoặc phản xạ từ một số đối tượng. Đối với viễn thám siêu cao tần chủ động, vệ tinh cung cấp năng lượng riêng và phát trực tiếp đến các vật thể, rồi thu lại năng lượng phản xạ được đo lường để phân biệt giữa các đối tượng với nhau. Ảnh thu được bởi kỹ thuật viễn thám này được gọi là ảnh rada [23]. c. Các yếu tố ảnh hưởng đến phản xạ phổ Phản xạ phổ đối với từng lớp phủ mặt đất cho thấy có sự khác nhau do tương tác giữa bức xạ điện từ và vật thể. Điều này cho phép viễn thám có thể xác định hoặc phân tích đặc điểm của lớp phủ thông qua việc đo lường phản xạ phổ. Bộ cảm biến thu nhận năng lượng sóng điện từ phản xạ hay bức xạ từ vật thể theo từng bước sóng xác định. Năng lượng sóng điện từ trước khi tới được bộ cảm biến để chuyển thành tín hiệu số (chuyển đổi tín hiệu điện thành một số nguyên hữu hạn gọi là giá trị của pixel) sẽ chịu tác động bởi các yếu tố cơ bản sau: - Tín hiệu được thu nhận sẽ mạnh hay yếu tùy thuộc vào cường độ của sóng phản xạ. Nếu thu nhận tín hiệu vào một ngày có bầu trời không mây, sẽ nhận được năng lượng mặt trời phản xạ từ một vật thể mạnh hơn so với ngày có mây. - Năng lượng sóng phản xạ sẽ suy giảm nhiều do ảnh hưởng của khí quyển, nên độ cao của vệ tinh càng lớn thì tín hiệu thu được tại bộ cảm biến càng nhỏ. - Bộ cảm biến thu nhận năng lượng sóng điện từ phản xạ hay bức xạ từ vật thể theo từng bước sóng xác định nên bộ cảm biến có băng thông tin càng lớn sẽ thu nhận được nhiều năng lượng hữu ích để tạo tín hiệu mạnh, nhưng độ phân giải phổ sẽ thấp do khả năng của bộ tách sóng trong việc ghi nhận năng lượng ứng với từng bước sóng nhất định. - Trường nhìn tức thời của bộ cảm biến và độ cao của vệ tinh quyết định độ phân giải mặt đất; nếu cao độ bay của vệ tinh là cố định, chúng ta có thể thay đổi trường nhìn tức thời bằng cách tăng cường thấu kính phóng đại. Tuy nhiên, điều này PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma