Giáo trình Kỹ thuật viễn thám

140 trang hapham 2270

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Kỹ thuật viễn thám", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_ky_thuat_vien_tham.pdf

Nội dung text: Giáo trình Kỹ thuật viễn thám

Công nghệ viễn thám Lời nói đầu Viễn thám là kỹ thuật thu nhận thông tin của các đối t−ợng mà không cần tiếp xúc trực tiếp với các đối t−ợng đó. Ngày nay ở n−ớc ta cũng nh− các n−ớc khác trên thế giới, công nghệ viễn thám đ−ợc sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nh− thành lập, chỉnh lý bản đồ địa hình, điều tra hiện trạng sử dụng đất, điều tra thảm thực vật, nghiên cứu tài nguyên môi tr−ờng, nghiên cứu biển, nghiên cứu tai biến thiên tai Với tầm quan trọng nh− vậy công nghệ viễn thám đ−ợc đ−a vào giảng dạy trong ch−ơng trình đào tạo sau đại học trong những năm gần đây. Sau 5 năm đào tạo, th−ờng trực Hội đồng Khoa học và Đào tạo tr−ờng đã ra quyết định áp dụng khung ch−ơng trình đào tạo mới bắt đầu từ năm 2001. Đ−ợc sự phân công của Khoa Đào tạo sau Đại học và Bộ môn Trắc địa ảnh, chúng tôi biên soạn giáo trình môn học "Công nghệ Viễn thám" dùng cho học viên cao học ngành Trắc địa. Bài giảng gồm 2 phần chính: Phần 1: Cơ sở Viễn thám đề cập đến các vấn đề chung của Viễn thám nh− giới thiệu chung về viễn thám vệ tinh, lý thuyết phản xạ phổ của các đối t−ợng tự nhiên và đoán đọc điều vẽ ảnh viễn thám. Phần 2: Xử lý ảnh Viễn thám đề cập đến các vấn đề xử lý số ảnh viễn thám nh− tăng c−ờng chất l−ợng ảnh, nắn chỉnh hình học ảnh viễn thám và kỹ thuật phân loại trong viễn thám. Toàn bộ nội dung bài giảng đ−ợc chia thành 7 ch−ơng, ch−ơng 1, ch−ơng 2, ch−ơng 3 và Đ6.4 ch−ơng 6 do PGS.TS.Phạm Vọng Thành biên soạn; ch−ơng 4, ch−ơng 5, ch−ơng 6 và ch−ơng 7 do PGS.TS.Nguyễn Tr−ờng Xuân biên soạn. Mặc dù đã có nhiều cố gắng nh−ng chắc chắn không tránh đ−ợc các sai sót, rất mong nhận đ−ợc sự đóng góp của đồng nghiệp và độc giả để cuốn sách đ−ợc hoàn chỉnh hơn. Các tác giả 1 Dùng cho học viên cao học Trắc địa
Công nghệ viễn thám Ch−ơng 1 GIớI THIệU CHUNG Về VIễN THáM Vệ TINH Đ.1.1. Định nghĩa vμ phân loại viễn thám 1. Định nghĩa Viễn thám đ−ợc định nghĩa nh− một khoa học công nghệ mà nhờ nó các tính chất của vật thể quan sát đ−ợc xác định, đo đạc hoặc phân tích mà không cần tiếp xúc trực tiếp với chúng. Sóng điện từ hoặc đ−ợc phản xạ hoặc đ−ợc bức xạ từ vật thể th−ờng là nguồn tài nguyên chủ yếu trong viễn thám. Tuy nhiên những năng l−ợng nh− từ tr−ờng, trọng tr−ờng cũng có thể đ−ợc sử dụng. Thiết bị dùng để cảm nhận sóng điện từ phản xạ hay bức xạ từ vật thể đ−ợc gọi là bộ cảm. Ph−ơng tiện dùng để mang các bộ cảm đ−ợc gọi là vật mang. Vật mang gồm khí cầu máy bay, vệ tinh, tầu vũ trụ. 2. Phân loại viễn thám theo b−ớc sóng Viễn thám có thể đ−ợc phân thành 3 loại cơ bản theo b−ớc sóng sử dụng (hình 1.1) : a. Viễn thám trong dải sóng nhìn thấy và hồng ngoại. b. Viễn thám hồng ngoại nhiệt. c. Viễn thám siêu cao tần. Nguồn năng l−ợng chính sử dụng trong nhóm a là bức xạ mặt trời. Mặt trời cung cấp một bức xạ có b−ớc sóng −u thế 500 mμ. T− liệu viễn thám thu đ−ợc trong dải sóng nhìn thấy phụ thuộc chủ yếu vào sự phản xạ từ bề mặt vật thể và bề mặt trái đất. Vì vậy các thông tin về vật thể có thể đ−ợc xác định từ các phổ phản xạ. Tuy nhiên, radar sử dụng tia laze là tr−ờng hợp ngoại lệ không sử dụng năng l−ợng mặt trời. Nguồn năng l−ợng sử dụng trong nhóm b là bức xạ nhiệt do chính vật thể sản sinh ra. Mỗi vật thể trong nhiệt độ bình th−ờng đều tự phát ra một bức xạ có đỉnh tại b−ớc sóng 10.000mμ. Trong viễn thám siêu cao tần ng−ời ta th−ờng sử dụng hai loại kỹ thuật chủ động và bị động. Trong viễn thám siêu cao tần bị động thì bức xạ siêu cao tần do chính vật thể phát ra đ−ợc ghi lại, trong viễn thám siêu cao tần chủ 2 Dùng cho học viên cao học Trắc địa
Công nghệ viễn thám động lại thu những bức xạ tán xạ hoặc phản xạ từ vật thể. Viễn thám trong dải sóng Viễn thám hồng Viễn thám siêu nhìn thấy và hồng ngoại ngoại nhiệt cao tần Mặt trời Bộ cảm Bộ cảm Bộ cảm Bộ cảm Đối t−ợng Đối t−ợng Đối t−ợng Rada Đối t−ợng phản xạ Bức xạ nhiệt Bức xạ siêu Hệ số phân Nguồn bức xạ cao tần tán lại Bức xạ phản xạ Bức xạ phát xạ Bức xạ phổ 0,5 μ 3 μ 10 μ Chiều dài sóng UV Nhìn thấy Hồng ngoại Hồng ngoại nhiệt Siêu cao tần Phổ điện từ 0,4 μ 0,7 μ 1 mm 0,3 μ 0,9 μ Máy ảnh • • 14 μ Photo detector • • 30 cm Bộ cảm siêu 1 mm cao tần • • Hình1.1. Sơ đồ phân loại viễn thám theo b−ớc sóng 3 Dùng cho học viên cao học Trắc địa
Công nghệ viễn thám Đ.1.2. Bộ cảm vμ phân loại bộ cảm 1. Định nghĩa Bộ cảm là bộ phận thu nhận sóng điện từ đ−ợc bức xạ, phản xạ từ vật thể. Việc phân loại các bộ cảm có thể thực hiện theo dải sóng thu nhận, cũng có thể phân loại theo kết cấu Các bộ cảm bị động thu nhận các bức xạ do vật thể phản xạ hoặc phát xạ, còn các bộ cảm chủ động lại thu đ−ợc năng l−ợng do vật thể phản xạ từ một nguồn cung cấp nhân tạo. Mỗi loại bộ cảm thuộc các nhóm trên còn chia thành các hệ thống quét và không quét. Sau đó chúng lại tiếp tục đ−ợc chia thành loại tạo ảnh và không tạo ảnh. Loại bộ cảm sử dụng nhiều trong viễn thám hiện nay là các loại máy chụp ảnh, máy quét đa phổ quang cơ, máy quét điện tử. Các bộ cảm quang học đ−ợc đặc tr−ng bởi các tính chất phổ, bộ cảm và hình học. Tính chất phổ thể hiện thông qua các kênh phổ và bề rộng của chúng. Các thiết bị dùng phim đ−ợc đặc tr−ng bởi độ nhậy của phim, khả năng lọc của kính lọc phổ và các tính chất quang học của hệ thống thấu kính. Các đặc tr−ng bức xạ đ−ợc xác định dựa theo sự thay đổi của bức xạ điện từ tr−ớc và sau khi đi qua hệ thống quang học. Các đặc tr−ng hình học thể hiện qua các thông số nh− tr−ờng nhìn, tr−ờng nhìn không đổi, độ trùng khớp giữa các kênh, biến dạng hình học Lực phân giải là một hệ số cho phép xác định giới hạn về mặt quan trắc không gian của thiết bị quang học. Giới hạn phân giải là khoảng cách nhỏ nhất có thể phát hiện đ−ợc giữa hai điểm ảnh và giá trị nghịch đảo của nó là lực phân giải. Vùng ánh sáng bố trí theo thứ tự b−ớc sóng gọi là phổ. Chùm tia ánh sáng trắng đ−ợc tách thành phổ thông qua các thiết bị quang học nh− lăng kính, kính lọc phổ. 2. Máy chụp ảnh a. Máy chụp ảnh Các máy chụp ảnh th−ờng sử dụng trong viễn thám bao gồm : máy chụp ảnh hàng không, máy chụp đa phổ, máy chụp toàn cảnh Các máy chụp ảnh hàng không th−ờng đ−ợc lắp trên máy bay hoặc tàu vũ trụ dùng vào mục đích chụp ảnh đo đạc địa hình. Những máy chụp ảnh tiêu biểu là máy RMK do hãng CARLZEISS hay máy RC do hãng LEICA Thuỵ Sĩ 4 Dùng cho học viên cao học Trắc địa
Công nghệ viễn thám chế tạo. Những máy chụp ảnh sử dụng trong viễn thám vệ tinh gồm có : METRIC CAMERA, máy chụp LFC đặt trên tàu vũ trụ con thoi. Máy chụp KFA - 1000 do Nga chế tạo đặt trên vệ tinh COSMOS. Các t− liệu của máy chụp ảnh th−ờng sử dụng cho các mục đích đo đạc cho nên kết cấu của chúng phải thoả mãn các điều kiện quang học và hình học cơ bản sau : * Quang sai máy chụp ảnh phải nhỏ. * Độ phân giải ống kính phải cao và độ nét của ảnh phải đ−ợc đảm bảo trong toàn bộ tr−ờng ảnh. * Các yếu tố định h−ớng trong phải đ−ợc xác định chính xác, ví dụ: chiều dài tiêu cự, toạ độ điểm chính ảnh * Trục quang của ống kính phải vuông góc với mặt phẳng phim. * Hệ thống chống nhoè phải đủ khả năng loại trừ ảnh h−ởng của chuyển động t−ơng đối giữa vật mang và quả đất nhất là khi chụp ảnh từ vũ trụ. b. Đặc điểm của hệ thống ghi ảnh bằng vật liệu ảnh - Trên phim ảnh chứa đ−ợc l−ợng thông tin lớn tới 108 bít. - Lực phân giải cao và khả năng khái quát hoá lớn. - Sử dụng rộng rãi trong khoa học và sản xuất trên các loại máy truyền thống. - Khả năng hiển thị để quan sát rõ ràng. - Trên phim ảnh có khả năng ghi nhận cùng một lúc nhiều đại l−ợng vật lý khác nhau nh− : Mật độ quang học, quang l−ợng, hình học, định tính, định l−ợng của các đối t−ợng. - Tính ổn định ghi ảnh của hệ thống rất cao và có khả năng tính đ−ợc các biến dạng trong quá trình tạo ảnh (nh− sai số méo hình kính vật, khử nhoè ). Tuy nhiên hệ thống này cũng có một số nh−ợc điểm: - Thông tin ảnh không sử dụng trực tiếp đ−ợc trong các hệ thống máy tính khi ch−a biến thành tín hiệu điện. - Thông tin trên ảnh không vận chuyển đ−ợc trên khoảng cách từ vũ trụ về trái đất theo thời gian mà phải gửi cả cụm thiết bị và phim ảnh để xử lý 5 Dùng cho học viên cao học Trắc địa
Công nghệ viễn thám trên mặt đất. 3. Máy quét a. Máy quét đa phổ quang cơ Máy quét quang cơ về cơ bản là một bức xạ kế đa phổ mà nhờ nó một bức ảnh hai chiều đ−ợc thu nhận dựa trên sự phối hợp chuyển động giữa vật mang và hệ thống g−ơng quay hoặc lắc vuông góc với quỹ đạo chuyển động. Máy quét đa phổ quang cơ đ−ợc cấu thành bởi những phần chính sau: * Hệ thống quang học. * Hệ thống tách phổ. * Hệ thông quét. * Bộ dò. * Hệ thống kiểm định. Các hệ thống quét đa phổ quang cơ có thể đặt ở trên máy bay hoặc vệ tinh. Máy quét đa phổ MSS và TM của vệ tinh Landsat là những thí dụ về máy quét đa phổ quang cơ. + Những phần chính của máy quét đa phổ quang cơ: Hệ thống quang học Hệ thống kính viễn vọng phản xạ kiểu Newton, Cassegrain hoặc Ritchay - Chretien nhằm hạn chế sự lệch màu đến mức tối thiểu. Hệ thống tách phổ Các hệ thống g−ơng, lăng kính hoặc kính lọc đơn phổ th−ờng đ−ợc sử dụng. Hệ thống quét Các g−ơng quay hoặc lắc trong hệ thống vuông góc với đ−ờng bay là phần tử quét cơ bản. Bộ dò Năng l−ợng điện từ đ−ợc chuyển đổi thành tín hiệu điện nhờ bộ dò quang điện tử. Các bộ khuếch đại quang học th−ờng đ−ợc sử dụng cho các dải sóng nhìn thấy và vùng tia cực tím. Đối với vùng sóng hồng ngoại và vùng nhìn thấy ng−ời ta th−ờng dùng diot silicon, vùng sóng ngắn. Dùng Ingium antimony (Isnb) và để đo bức xạ nhiệt ng−ời ta dùng diot HqCdTe. 6 Dùng cho học viên cao học Trắc địa
Công nghệ viễn thám Hệ thống kiểm định Các tín hiệu điện đo đ−ợc luôn bị ảnh h−ởng bởi sự biến động độ nhạy của hệ thống dò, do vậy cần phải duy trì th−ờng xuyên một nguồn ánh sáng hoặc nhiệt độ có c−ờng độ ổn định làm nguồn năng l−ợng chuẩn kiểm định thông số bộ cảm. So sánh với hệ thống quét điện tử (Pushbroom) thì các hệ thống quét quang cơ có những −u điểm. Ví dụ tr−ờng nhìn của hệ thống quang học có thể nhỏ hơn, độ trùng khớp giữa các kênh phổ cao hơn và có thể thiết kế các hệ thống có độ phân giải cao hơn. Tuy vậy nh−ợc điểm cơ bản của nó là tỷ số hiệu dụng tín hiệu - nhiễu lại nhỏ hơn so với hệ thống quét điện tử . b. Máy quét đa phổ điện tử Các hệ thống điện tử hoặc bộ cảm mảng tuyến tính là hệ thống quét trong đó không có bộ phận cơ học nh− g−ơng quay. Bộ phận ghi nhận tín hiệu chủ chốt là mảng tuyến tính. Các bộ dò bán dẫn cho phép ghi lại đồng thời từng hàng ảnh (hình 1. 2). Bộ cảm mảng tuyến tính Bộ phận quang học Đ−ờng bay của vật mang Dòng quét Hình1.2. Sơ đồ của dữ liệu thu đ−ợc bởi hệ thống quét điện tử. Các hệ thống quét điện tử không có bộ phận cơ học nào nên độ ổn định hoạt động của nó rất cao. Tuy vậy th−ờng xuất hiện nhiễu trên một hàng ảnh do chênh lệch độ nhậy giữa các bộ dò. Cặp thiết bị nạp (CCD) th−ờng đ−ợc dùng trong bộ cảm mảng tuyến tính nên đôi khi ng−ời ta th−ờng gọi chúng là bộ cảm tuyến tính CCD hay máy 7 Dùng cho học viên cao học Trắc địa
Công nghệ viễn thám chụp CCD. HRV của vệ tinh SPOT, MESSR của MOS-1 và OPS của JERS-1 là những ví dụ về bộ cảm tuyến tính CCD đặt trên vệ tinh. c. Đặc điểm của hệ thống ghi ảnh bằng máy quét đa phổ - Có khả năng ghi nhận ảnh theo chu kỳ thời gian, thông tin mang tính thời sự. - Lực phân giải cao, độ khái quát hóa lớn. - Có thể xử lý tiếp theo các thông tin bằng ph−ơng pháp tính toán, cộng, trừ, chia các kênh phổ nên sản phẩm đa dạng hơn ảnh chụp. - Có thể đ−a thông tin ghi nhận đ−ợc về các l−ới chiếu. Hệ thống Landsat của Mỹ có bộ phận quét bằng g−ơng xoay sau đó đ−a thông tin qua ống kính quang học vào máy. Hệ thống SPOT quét bằng một dãy Detector. Ngoài ra hệ thống máy quét ảnh trên vệ tinh cũng có một số nh−ợc điểm nh−: - Lực phân giải của ảnh quét thấp hơn ảnh chụp. - Quá trình truyền thông tin về mặt đất sẽ bị nhiễu. - Để xử lý thông tin phải sử dụng các hệ thống máy tính điện tử phức tạp. Đ.1.3. Các vệ tinh viễn thám Vệ tinh có mang bộ cảm viễn thám gọi là vệ tinh viễn thám hay vệ tinh quan sát mặt đất. 1. Vệ tinh Landsat Hệ thống Landsat đ−ợc phóng lên quỹ đạo lần đầu tiên năm 1972, cho đến nay, đã có 5 thế hệ vệ tinh đ−ợc phóng. Mỗi vệ tinh đ−ợc trang bị một bộ quét đa phổ MSS, một bộ chụp ảnh vô tuyến truyền hình RBP. Hệ thống Landsat - 4, 5 còn đ−ợc trang bị thêm một số bộ quét đa phổ TM. T− liệu vệ tinh Landsat là t− liệu viễn thám đang đ−ợc sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới và Việt Nam. a. Quĩ đạo vệ tinh Landsat. - Độ cao bay: 705km, góc nghiêng mặt phẳng quĩ đạo: 980 - Quĩ đạo đồng bộ mặt trời và bán lặp. 8 Dùng cho học viên cao học Trắc địa
Công nghệ viễn thám - Thời điểm bay qua xích đạo: 9h39' sáng. - Chu kỳ lặp: 17 ngày. Bề rộng tuyến chụp: 185km. b. Bộ cảm: MSS (Multispectral scanner) và TM (Thematic mapper) Cả 2 bộ cảm này đều là máy quét quang cơ. Hệ thống Landsat MSS hoạt động ở dải phổ nhìn thấy và gần hồng ngoại (bảng 1). Đặc điểm của MSS là: - Sử dụng 4 băng phổ. - Mỗi băng phổ có trang bị 6 bộ thu, có sử dụng sợi quang học. - Ghi tín hiệu năng l−ợng phản xạ từ bề mặt trái đất. - Tín hiệu đ−ợc mã thành 64 cấp độ sáng. - Độ phân giải mặt đất 80m. - Góc quét từ Đông sang Tây là 11,60 - Thời gian lộ quang 33 mili giây. - Độ rộng mỗi đ−ờng quét 185 km Bảng 1 Kênh phổ Dạng phản xạ phổ B−ớc sóng (μ) 1 Nhìn thấy - xanh 0.5 - 0.6 2 Nhìn thấy - đỏ 0.6 - 0.7 3 Hồng ngoại 0.7 - 0.8 4 Hồng ngoại 0.8 - 1.1 Hệ thống Landsat TM sử dụng vùng thổ nhìn thấy, gần hồng ngoại và hồng ngoại nhiệt (bảng 2) Các đặc điểm của ảnh TM: - Độ rộng các đ−ờng quét: 185 km. - Góc quét: 14.80 - Độ phân giải mặt đất: 30 m. Bảng 2 9 Dùng cho học viên cao học Trắc địa
Công nghệ viễn thám Kênh phổ B−ớc sóng (μ) 1 0 45 - 0.52 2 0.52 - 0.60 3 0.63 - 0.69 4 0.76 - 0.90 5 1.55 - 1.75 6 10.4 - 12.5 7 2.08 - 2.35 2. Vệ tinh SPOT Hệ thống SPOT đ−ợc Pháp phóng năm 1986. Cho đến nay đã có bốn thế hệ vệ tinh đ−ợc phóng lên quỹ đạo. Mỗi vệ tinh đ−ợc trang bị một bộ quét đa phổ HRV. T− liệu vệ tinh SPOT là t− liệu viễn thám hiện đang đ−ợc sử dụng rộng rãi trên thế giới và Việt Nam. a. Quĩ đạo. - Độ cao bay 830km, góc nghiêng của mặt phẳng quĩ đạo 98,7o - Thời điểm bay qua xích đạo: 10 giờ 30 sáng. - Chu kỳ lặp: 26 ngày trong chế độ quan sát bình th−ờng. Bảng 3 Các đặc tr−ng của HRV Dạng đa phổ Dạng toàn sắc Band 0.50 - 0.59 0.5 1 - 0.73 0.61 - 0.68 0.79 - 0.89 Tr−ờng nhìn 4. 1 3 4. 1 3 Độ phân giải 20 x 20 m 10 x 10m Số Pixel trên một hàng 3.000 6.000 Độ rộng đ−ờng quét 60 km 60 km b. Bộ cảm. Bộ cảm HRV không phải là máy quét quang cơ mà là máy quét điện tử CCD. HRV có thể thay đổi góc quan sát nhờ một g−ơng định h−ớng. G−ơng này cho phép thay đổi h−ớng quan sát + 270 so với trục thẳng đứng nên có thể thu đ−ợc ảnh lập thể. Các thông số của ảnh SPOT chỉ ra ở bảng 3. 10 Dùng cho học viên cao học Trắc địa
Công nghệ viễn thám 3. Vệ tinh COSMOS T− liệu vệ tinh Cosmos là t− liệu viễn thám đ−ợc sử dụng rộng rãi trên thế giới và ở n−ớc ta. ảnh vệ tinh của Liên Xô có hai loại. a. ảnh có độ phân giải cao. Độ cao bay chụp: 270 km Tiêu cự máy chụp f = 1.000mm Kích th−ớc ảnh: 30 x 30 cm Độ phân giải mặt đất: 6 - 7 m. Chụp ở hai kênh phổ. Độ phủ dọc > 60 % . b. ảnh có độ phân giải trung bình: Độ cao bay chụp 250 km Tiêu cự máy chụp f = 200mm Kích th−ớc ảnh: 18 x 18 cm Độ phân giải mặt đất: 30 m. Chụp ở ba kênh phổ 510 - 600mμ. 600 - 700mμ 700 - 850 mμ Độ phủ dọc > 60%. Đ.1.4. T− liệu sử dụng trong viễn thám Kết quả của việc thu nhận ảnh từ vệ tinh hay máy bay ta sẽ có những tấm ảnh ở dạng t−ơng tự hay dạng số, l−u trữ trên phim ảnh hoặc trên băng từ. 1. ảnh t−ơng tự ảnh t−ơng tự là ảnh chụp trên cơ sở của lớp cảm quang halogen bạc, ảnh t−ơng tự thu đ−ợc từ các bộ cảm t−ơng tự dùng phim chứ không sử dụng các hệ thống quang điện tử. Những t− liệu này có độ phân giải không gian cao nh−ng kém về độ phân giải phổ. Nói chung loại ảnh này th−ờng có độ méo hình lớn do ảnh h−ởng của độ cong bề mặt trái đất. Vệ tinh Cosmos của Nga th−ờng sử dụng loại bộ cảm này. 11 Dùng cho học viên cao học Trắc địa
Công nghệ viễn thám 2. ảnh số ảnh số là dạng t− liệu ảnh không l−u trên giấy ảnh hoặc phim. Nó đ−ợc chia thành nhiều phân tử nhỏ th−ờng đ−ợc gọi là pixel. Mỗi pixel t−ơng ứng với một đơn vị không gian. Quá trình chia mỗi ảnh t−ơng tự thành các pixel đ−ợc gọi là chia mẫu (Sampling) và quá trình chia các độ xám liên tục thành một số nguyên hữu hạn gọi là l−ợng tử hóa. Các pixel th−ờng có dạng hình vuông. Mỗi pixel đ−ợc xác định bằng tọa độ hàng và cột. Hệ tọa độ ảnh th−ờng có điểm 0 ở góc trên bên trái và tăng dần từ trái sang phải đối với chỉ số cột và từ trên xuống đối với chỉ số hàng. Trong tr−ờng hợp chia mẫu một ảnh t−ơng tự thành một ảnh số thì độ lớn của pixel hay tần số chia mẫu phải đ−ợc chọn tối −u. Độ lớn của pixel quá lớn thì chất l−ợng ảnh sẽ tồi, còn trong tr−ờng hợp ng−ợc lại thì dung l−ợng thông tin lại quá lớn. Hình 3 chỉ ra sơ đồ nguyên lý chia mẫu và l−ợng tử hóa. Số pixel Số dòng Sự phân bố liên tục của cấp độ xám hay mầu pixel Chia mẫu ảnh t−ơng tự ảnh số Tốc độ chia mẫu a. Khái niệm chia mẫu fd f: Độ t−ơng tự fd: Độ l−ợng tử hoá V: Đơn vị c−ờng độ n: Số nguyên (n-0,5)V ≤ f < (n+0,5)V → fd =n Sai số l−ợng tử hoá: f-fd (Phần bóng) V f b. Khái niệm l−ợng tử hoá 12 Dùng cho học viên cao học Trắc địa
Công nghệ viễn thám Ra Vào c. L−ợng tử hóa trong tr−ờng hợp tín hiệu có chứa nhiễu Hình1.3. Sơ đồ nguyên lý chia mẫu và l−ợng tử hóa ảnh số đ−ợc đặc tr−ng bởi một số thông số cơ bản về hình học bức xạ bao gồm: - Tr−ờng nhìn không đổi là góc không gian t−ơng ứng với một đơn vị chia mẫu trên mặt đất. L−ợng thông tin ghi đ−ợc trong tr−ờng hình không đổi t−ơng ứng với giá trị pixel. - Góc nhìn tối đa mà bộ cảm có thể thu đ−ợc sóng điện từ gọi là tr−ờng nhìn. Khoảng không gian trên mặt đất do tr−ờng nhìn tạo nên chính là bề rộng tuyến bay. - Vùng bé nhất trên mặt đất mà bộ cảm nhận đ−ợc gọi là độ phân giải mặt đất. Đôi khi hình chiếu của một pixel lên mặt đất đ−ợc gọi là độ phân giải. Bởi vì ảnh số đ−ợc ghi lại theo những dải phổ khác nhau nên ng−ời ta gọi là t− liệu đa phổ (hình 1. 4). Năng l−ợng sóng điện từ sau khi tới bộ dò đ−ợc chuyển thành tín hiệu điện và sau khi l−ợng tử hóa trở thành ảnh số. Trong toàn bộ dải sóng t−ơng tự thu đ−ợc chỉ có phần biến đổi tuyến tính đ−ợc l−ợng tử hóa. Hai phần biên của tín hiệu không đ−ợc xét đến vì chúng chứa nhiều nhiễu và không giữ đ−ợc quan hệ tuyến tính giữa thông tin và tín hiệu. Xác định ng−ỡng nhiễu là một việc hết sức cẩn thận. Chất l−ợng của t− liệu đ−ợc đánh giá qua tỷ số tín hiệu/nhiễu. Tỷ số tín hiệu/nhiễu đ−ợc định nghĩa thông qua biểu thức sau: S = 20*lg (S/N)[dB]. Nratio Thông tin đ−ợc ghi theo đơn vị bit. Trong xử lý số, đơn vị xử lý th−ờng là byte. Do vậy đối với t− liệu có số bit nhỏ hơn hoặc bằng 8 thì đ−ợc l−u ở 13 Dùng cho học viên cao học Trắc địa
Công nghệ viễn thám dạng 1 byte (vì 1 byte bằng 8 bit) và t− liệu số có số bit lớn hơn 8 đ−ợc l−u ở dạng 2 byte hay trong 1 từ. Trong 1 byte có thể l−u đ−ợc 256 cấp độ xám, còn trong 1 từ có thể l−u đ−ợc 65536 cấp độ xám. Ngoài các thông tin ảnh, trong mỗi lần l−u trữ ng−ời ta phải l−u thêm nhiều thông tin bổ trợ khác nh− : số hiệu của ảnh, ngày, tháng, năm, các chỉ tiêu chất l−ợng. 1 2 3 4 Bộ kênh tách sóng I Bộ kênh tách sóng J Hệ thống quang học Tr−ờng nhìn 4 3 2 1 Tr−ờng nhìn không đổi Độ phân giải mặt đất Chiều rộng chuyến bay Hình 1.4. Sơ đồ mô tả mối t−ơng quan giữa các khái niệm 3. Số liệu mặt đất. Số liệu mặt đất là tập hợp các quan sát mô tả, đo đạc về các điều kiện thực tế trên mặt đất của các vật thể cần nghiên cứu nhằm xác định mối t−ơng quan giữa tín hiệu thu đ−ợc và bản thân các đối t−ợng. Nói chung các số liệu mặt đất cần phải đ−ợc thu thập đồng thời trong cùng một thời điểm với số liệu vệ tinh hoặc trong một khoảng thời gian sao cho các sự thay đổi của các đối t−ợng nghiên cứu trong thời gian đó không ảnh h−ởng tới việc xác định mối quan hệ cần tìm. Số liệu mặt đất đ−ợc sử dụng cho các mục đích sau: - Thiết kế các bộ cảm - Kiểm định các thông số kỹ thuật của bộ cảm. 14 Dùng cho học viên cao học Trắc địa
Công nghệ viễn thám - Thu thập các thông tin bổ trợ cho quá trình phân tích và hiệu chỉnh số liệu. Khi khảo sát thực địa ta cần thu thập các số liệu : a. Các thông tin tổng quan và thông tin chi tiết về đối t−ợng nghiên cứu nh− chủng loại, trạng thái, tính chất phản xạ và hấp thụ phổ, hình dáng bề mặt, nhiệt độ b. Các thông tin về môi tr−ờng xung quanh, góc chiếu và độ cao mặt trời, c−ờng độ chiếu sáng, trạng thái khí quyển, nhiệt độ, độ ẩm không khí, h−ớng và tốc độ gió. Do việc thu thập số liệu mặt đất là công việc tốn kém thời gian và kinh phí cho nên ng−ời ta th−ờng thành lập các khu vực thử nghiệm trong đó có đầy đủ các đối t−ợng cần theo dõi và đo đạc. 4 . Số liệu định vị mặt đất Để có thể đạt đ−ợc độ chính xác trong quá trình hiệu chỉnh hình học cần phải có các điểm định vị trên mặt đất có tọa độ địa lý đã biết. Những điểm này th−ờng đ−ợc bố trí tại những nơi mà vị trí của nó có thể thấy đ−ợc dễ dàng trên ảnh và bản đồ. Hiện nay ng−ời ta sử dụng hệ thống định vị toàn cầu GPS vào mục đích này. 5. Bản đồ và số liệu địa hình Để phục vụ cho các công tác nghiên cứu của viễn thám cần phải có những tài liệu địa hình và chuyên đề sau : - Bản đồ địa hình tỷ lệ 1/25.000 hoặc 1/50.000. Trên bản đồ địa hình có thể lấy đ−ợc toạ độ các kiểm tra phục vụ việc hiệu chỉnh hình học hoặc các thông số độ cao nhằm khôi phục lại mô hình thực địa. - Bản đồ chuyên đề Các bản đồ chuyên đề sử dụng đất, rừng, địa chất tỷ lệ khoảng 1/5.000 đến 1/25.000 rất cần cho việc nghiên cứu chuyên đề,chọn vùng mẫu và phân loại. Nếu các bản đồ này đ−ợc số hóa và l−u trong máy tính thì có thể đ−ợc sử dụng để xây dựng cơ sở dữ liệu hệ thông tin địa lý. - Bản đồ kinh tế xã hội 15 Dùng cho học viên cao học Trắc địa
Công nghệ viễn thám Các ranh giới hành chính, hệ thống giao thông , các chỉ số thống kê công nông nghiệp cũng là các thông tin quan trọng có thể đ−ợc khai thác trong viễn thám. - Mô hình số địa hình Bên cạnh các dạng bản đồ truyền thống, trong viễn thám còn sử dụng một dạng số liệu khác đó là mô hình số địa hình hay mô hình số độ cao đ−ợc tạo ra từ đ−ờng bình độ, l−ới số liệu độ cao phân bố đều, l−ới số liệu độ cao phân bố ngẫu nhiên hay các hàm mô tả bề mặt. 16 Dùng cho học viên cao học Trắc địa
Công nghệ viễn thám Ch−ơng 2 Lý THUYếT PHảN Xạ PHổ CủA CáC Đối TƯợNG Tự NHIÊN Đ.2.1. Bức xạ điện từ 1. Bức xạ điện từ Bức xạ điện từ truyền năng l−ợng điện từ trên cơ sở các dao động của tr−ờng điện từ trong không gian hoặc trong lòng các vật chất. Quá trình lan truyền của sóng điện từ tuân theo định luật Maxwell. Bức xạ điện từ có tính chất sóng và tính chất hạt. Tính chất sóng đ−ợc xác định bởi b−ớc sóng, tần số và tốc độ lan truyền, tính chất hạt đ−ợc mô tả theo tính chất quang l−ợng tử hay pho ton. Bức xạ điện từ có 4 tính chất cơ bản đó là tần số hay b−ớc sóng, h−ớng lan truyền, biên độ và mặt phân cực. Bốn thuộc tính của bức xạ điện từ liên quan đến các nội dung thông tin khác nhau, ví dụ nh− tần số hay b−ớc sóng liên quan tới mầu sắc, sự phân cực liên quan đến hình dạng của vật thể. Tất cả các vật thể đều phản xạ và hấp thụ, phân tách và bức xạ sóng điện từ theo các cách khác nhau và đặc tr−ng này th−ờng đ−ợc gọi là đặc tr−ng phổ. Hiện t−ợng phản xạ phổ có liên quan mật thiết với môi tr−ờng mà trong môi tr−ờng đó sóng điện tử lan truyền, vì năng l−ợng truyền trong không gian ở dạng sóng điện từ. Dải sóng điện từ đ−ợc coi là dải sóng từ 0,1μ đến 10km. Hình 2.1 chỉ ra sự phân loại sóng điện từ và các kênh phổ sử dụng trong viễn thám. Dải sóng nhìn thấy còn gọi là vùng sóng chụp ảnh đ−ợc tức là sóng điện từ ở vùng này có thể ghi nhận đ−ợc lên phim ảnh. Trong ph−ơng pháp viễn thám các thông tin ở vùng phổ nhìn thấy có thể ghi lên phim ảnh nh− là tài liệu gốc đo trực tiếp năng l−ợng phản xạ phổ ở dạng liên tục. Ngoài dải phổ nhìn thấy, thông tin về năng l−ợng phản xạ phổ của các đối t−ợng đ−ợc ghi nhận bằng số rời rạc và đ−ợc hiển thị tiếp theo d−ới dạng ảnh qua thiết bị biến đổi thông tin rời rạc thành thông tin liên tục. 17 Dùng cho học viên cao học Trắc địa
Công nghệ viễn thám 2. Nguồn chiếu sáng và đồ thị phản xạ phổ năng l−ợng mặt trời Ta biết rằng mọi đối t−ợng tự nhiên đều phản xạ năng l−ợng mặt trời chiếu lên chúng một cách xác định, đặc tr−ng cho trạng thái và bản chất các đối t−ợng đó. Ph−ơng pháp thụ động ghi nhận ảnh là thu nhận ánh sáng phản xạ từ đối t−ợng do mặt trời chiếu xuống. Hiện nay đa số các hệ thống thu nhận ảnh vũ trụ (trừ hệ thống rađa) hoạt động theo ph−ơng pháp thụ động. Vì vậy khi nghiên cứu nguồn sáng trong hệ thống viễn thám ta chủ yếu xét đến mặt trời. Lớp Độ dài sóng Tần số Tử ngoại 100A0 ~ 0,4μ 750~ 3.000THz Nhìn thấy 0,4 ~ 0,7μ 430 ~ 750THz Cận hồng ngoại 0,7 ~1,3μ 230 ~ 430THz Hồng ngoại ngắn 1,3 ~ 3μ 100 ~ 230THz Hồng ngoại Giữa hồng ngoại 3 ~ 8μ 38~100THz Hồng ngoại nhiệt 8 ~ 14μ 22 ~ 38THz Hồng ngoại xa 14 μ ~ 1mm 0,3 ~ 22THz 0,1 ~ 1mm 0,3 ~ 3THz Milimet (EHF) 1 ~ 10m 30 ~ 300GHz Sóng Centimet (SHF) 1 ~ 10cm 3 ~ 30GHz Micro Decimet (UHF) 0,1 ~ 1m 0,3 ~ 3GHz Sóng cực ngắn (VHF) 1 ~ 10m 30 ~ 300MHz Sóng ngắn 10 ~ 100m 3 ~ 30MHz Sóng Radio (HF) Sóng trung 0,1 ~ 1km 0,3 ~ 3MHz (MF) Sóng dài 1 ~ 10km 30 ~ 300KHz (LF) Sóng rất dài 10 ~ 100km 3 ~ 30KHz (VLF) 18 Dùng cho học viên cao học Trắc địa
Công nghệ viễn thám μ μ mm m m km 0,1nm 10nm 1 100 10 1 100 10 Độ dài sóng • • • • • • • • • • • • • • • λ Tia γ Tia X Tử EHF SHF UHF VHF HF MF LF VLF ngoại Sóng Micro Sóng radio Tia Cận Hồng Giữa Hồng Tia tử nhìn hồng ngoại hồng ngoại ngoại thấy ngoại ngắn ngoại nhiệt λ(μ) 0,4 0,7 1,3 3 8 Hình 2.1 Bảng phân loại các sóng điện từ và kênh phổ sử dụng trong viễn thám Các nghiên cứu về vật lý cho thấy: mật độ phổ của năng l−ợng ánh sáng mặt trời là một hằng số của b−ớc sóng. Trên đồ thị hình2.2 cho thấy đ−ờng đặc tr−ng phổ của vật đen tuyệt đối ở 60000 K. M(W/m 2μ) Đ−ờng bức xạ phổ của vật đen tuyệt đối. 2500 • Đ−ờng bức xạ phổ của mặt trời ở 60000K • 2000 Đ−ờng bức xạ phổ của mặt trời quan sát ở mặt đất 1500 • 1000 • • 500 • • • • • • 0 λ(μ) 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Hình 2.2. Đ−ờng đặc tr−ng phổ của vật đen tuyệt đối Qua đồ thị hình 2.2 cũng thấy đ−ợc mật độ phổ của mặt trời bị biến dạng khi đi qua khí quyển và trở thành một đ−ờng cong phức tạp. Đ.2.2. Đặc tính phản xạ phổ của các đối t−ợng nghiên cứu Đặc tính phản xạ phổ của các đối t−ợng tự nhiên là hàm của nhiều yếu tố. Các đặc tính này phụ thuộc vào điều kiện chiếu sáng, môi tr−ờng khí 19 Dùng cho học viên cao học Trắc địa
Công nghệ viễn thám quyển và bề mặt đối t−ợng cũng nh− bản thân các đối t−ợng. 1. Một số khái niệm đặc tr−ng phản xạ phổ các đối t−ợng tự nhiên Sóng điện từ chiếu tới mặt đất, năng l−ợng của nó sẽ tác động lên bề mặt trái đất và sẽ xẩy ra các hiện t−ợng sau: - Phản xạ năng l−ợng. - Hấp thụ năng l−ợng. - Thấu quang năng l−ợng. Năng l−ợng bức xạ sẽ chuyển đổi thành ba dạng khác nhau nh− trên. Giả sử coi năng l−ợng ban đầu bức xạ là EO thì khi chiếu xuống các đối t−ợng nó sẽ chuyển thành năng l−ợng phản xạ Eρ, hấp thụ Eα và thấu quang E. Có thể mô tả quá trình trên theo công thức: Eo = Eρ + Eα + E (a) . Trong quá trình này ta phải l−u ý hai điểm: Thứ nhất là khi bề mặt đối t−ợng tiếp nhận năng l−ợng chiếu tới, tùy thuộc vào cấu trúc các thành phần, cấu tạo vật chất hoặc điều kiện chiếu sáng mà các thành phần Eρ, Eα, E sẽ có những giá trị khác nhau đối với các đối t−ợng khác nhau. Do vậy ta sẽ nhận đ−ợc các tấm ảnh của các đối t−ợng khác nhau do thu nhận năng l−ợng phản xạ khác nhau. Phụ thuộc vào cấu trúc bề mặt đối t−ợng, năng l−ợng phản xạ phổ có thể phản xạ toàn phần, phản xạ một phần, không phản xạ về một h−ớng hay phản xạ một phần có định h−ớng (hình 2.2) . a - Phản xạ toàn phần b - Phản xạ một phần 20 Dùng cho học viên cao học Trắc địa
Công nghệ viễn thám c - Tán xạ toàn phần ( Không phản xạ về một h−ớng) d - Tán xạ một phần (Phản xạ một phần có định h−ớng) Hình 2.3 Một số phản xạ Các dạng phản xạ từ các bề mặt nh− trên cần đ−ợc l−u ý khi đoán đọc điều vẽ các ảnh vũ trụ và các ảnh máy bay nhất là khi xử lý hình ảnh thiếu các thông tin về các khu vực đang khảo sát. Điều đó có nghĩa là phải biết rõ các thông số kỹ thuật của thiết bị đ−ợc sử dụng, các phản chụp, điều kiện chụp ảnh, vì những yếu tố này có vai trò nhất định trong việc đoán đọc điều vẽ ảnh. Thứ hai là năng l−ợng chiếu tới đối t−ợng đ−ợc phản xạ không những phụ thuộc vào cấu trúc bề mặt đối t−ợng mà còn phụ thuộc vào b−ớc sóng của năng l−ợng chiếu tới. Do vậy mà trên ảnh ta thấy hình ảnh đối t−ợng do ghi nhận đ−ợc khả năng phản xạ phổ của các b−ớc sóng khác nhau sẽ khác nhau. r (%) λ 60 • 2 40 • 20 • 1 3 • • • • • • • • • • • λ μ 0 ( ) 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 Hình 2.4 Đặc tính phản xạ phổ của một sô đối t−ợng tự nhiên 1 - Đ−ờng đặc tr−ng phản xạ phổ của thực vật. 2 - Đ−ờng đặc tr−ng phản xạ phổ của đất khô. 3 - Đ−ờng đặc tr−ng phản xạ phổ của n−ớc. 21 Dùng cho học viên cao học Trắc địa
Công nghệ viễn thám Các hệ thống viễn thám chủ yếu ghi nhận năng l−ợng phản xạ phổ nên công thức (a) có thể viết lại là: Eρ = Eo - (Eα + E) (b) Năng l−ợng phản xạ bằng tổng năng l−ợng bức xạ trừ năng l−ợng hấp thụ và năng l−ợng thấu quang. Để nghiên cứu sự phụ thuộc của năng l−ợng phản xạ phổ vào b−ớc sóng điện từ ta đ−a ra khái niệm khả năng phản xạ phổ. Khả năng phản xạ phổ r của b−ớc sóng đ−ợc định nghĩa bằng công thức : Eρ (λ) rλ = .(100%) (c) E0 (λ) Để thấy rõ đặc tính phản xạ phổ phụ thuộc vào b−ớc sóng ta xét đồ thị sau (hình 1.8) 2. Đặc tính phản xạ phổ của các đối t−ợng tự nhiên a. Đặc tính phản xạ phổ của thực vật: Khả năng phản xạ phổ của thực vật xanh thay đổi theo độ dài b−ớc sóng. Trên đồ thị (hình 2.5) thể hiện đ−ờng đặc tr−ng phản xạ phổ thực vật xanh và các vùng phản xạ phổ chính. Cấu trúc Sắc tố tế bào Thành phần n−ớc Các yếu tố chính ảnh ⎬ h−ởng đến khả năng phản xạ phổ của lá cây (%) r Những dải phổ hấp thụ Sắc tố hấp thụ N−ớc hấp thụ ⎬ 60 • 40 • 20 • • • • • • • • • • • • 0 λ(μ) 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 Nhìn thấy Hồng ngoại Cận hồng ngoại Phản xạ phổ hồng ngoại Hình 2.5 Đặc tính phản xạ phổ của thực vật. 22 Dùng cho học viên cao học Trắc địa
Công nghệ viễn thám Trong vùng sóng ánh sáng nhìn thấy các sắc tố của lá cây ảnh h−ởng đến đặc tính phản xạ phổ của nó, đặc biệt là chất clorophin trong lá cây, ngoài ra còn một số chất sắc tố khác cũng đóng vai trò quan trọng trong việc phản xạ phổ của thực vật. (%) r 100 • Hấp thụ của n−ớc Phản xạ của lá cây 80 • 60 • 40 • 20 • • • • • • • λ μ 0 ( ) 0,5 0,9 1,3 1,7 2,1 2,5 Hình 2.6. Đặc tính hấp thụ của lá cây và của n−ớc Theo đồ thị trên ta thấy sắc tố hấp thụ bức xạ vùng sóng ánh sáng nhìn thấy và ở vùng cận hồng ngoại, do trong lá cây có n−ớc nên hấp thụ bức xạ vùng hồng ngoại. Cũng từ đồ thị trên ta có thể thấy khả năng phản xạ phổ của lá xanh ở vùng sóng ngắn và vùng ánh sáng đỏ là thấp. Hai vùng suy giảm khả năng phản xạ phổ này t−ơng ứng với hai dải sóng bị clorophin hấp thụ. ở hai dải sóng này, clorophin hấp thụ phần lớn năng l−ợng chiếu tới, do vậy năng l−ợng phản xạ của lá cây không lớn. Vùng sóng bị phản xạ mạnh nhất t−ơng ứng với sóng 0,54μ. tức là vùng sóng ánh sáng lục. Do đó lá cây t−ơi đ−ợc mắt ta cảm nhận có màu lục. Khi lá úa hoặc có bệnh, hàm l−ợng clorophin trong lá giảm đi lúc đó khả năng phản xạ phổ cũng sẽ bị thay đổi và lá cây sẽ có mầu vàng đỏ. ở vùng hồng ngoại ảnh h−ởng chủ yếu lên khả năng phản xạ phổ của lá cây là hàm l−ợng n−ớc trong lá. Khả năng hấp thụ năng l−ợng (rλ) mạnh nhất ở các b−ớc sóng 1,4μ ; 1,9μ và 2,7μ . B−ớc sóng 2,7μ hấp thụ mạnh nhất gọi là dải sóng cộng h−ởng hấp thụ, ở đây sự hấp thụ mạnh diễn ra đối với sóng trong khoảng từ 2,66μ - 2,73μ. Trên hình 10 cho thấy ở dải hồng ngoại khả năng phản xạ phổ của lá mạnh nhất ở b−ớc sóng 1,6μ và 2,2μ - t−ơng ứng với vùng ít hấp thụ của n−ớc. 23 Dùng cho học viên cao học Trắc địa
Công nghệ viễn thám Khi hàm l−ợng n−ớc trong lá giảm đi thì khả năng phản xạ phổ của lá cây cũng tăng lên đáng kể (hình 2.7). r(% ) 1. Độ ẩm 66% 40 • 1 2 20 • 3 4 • • • • • • • • • • • λ(μ) 0,5 0,7 0,9 1,1 1,3 1,5 1,7 1,9 2,1 2,3 2,5 Hình 2.7. Đặc tính phản xạ phổ của thực vật. Tóm lại: 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, cận hồng ngoại và hồng ngoại khả năng phản xạ phổ khác biệt rõ rệt. - ở vùng ánh sáng nhìn thấy phần lớn năng l−ợng bị hấp thụ bởi clorophin có trong lá cây, một phần nhỏ thấu qua lá còn lại bị phản xạ. - ở vùng cận hồng ngoại cấu trúc lá ảnh h−ởng 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 h−ởng lớn đến khả năng phản xạ phổ của lá là hàm l−ợng n−ớc, ở vùng này khi độ ẩm trong lá cao, năng l−ợng hấp thụ là cực đại. ảnh h−ởng của các cấu trúc tế bào lá ở vùng hồng ngoại đối với khả năng phản xạ phổ là không lớn bằng hàm l−ợng n−ớc trong lá. b. Khả năng phản xạ phổ của thổ nh−ỡng Đ−ờng đặc tr−ng phản xạ phổ của đa số thổ nh−ỡng không phức tạp nh− của thực vật. Hình 2.8 thể hiện khả năng phản xạ phổ của ba loại đất ở trạng thái khô. Đặc tính chung nhất của chúng là khả năng phản xạ phổ tăng theo độ dài b−ớc sóng, đặc biệt là ở vùng cận hồng ngoại và hồng ngoại. ở đây chỉ có năng l−ợng hấp thụ và năng l−ợng phản xạ, mà không có năng l−ợng thấu quang. Tuy nhiên với các loại đất cát có thành phần cấu tạo, các chất hữu cơ và vô cơ khác nhau, khả năng phản xạ phổ sẽ khác nhau. Tùy thuộc vào thành 24 Dùng cho học viên cao học Trắc địa
Công nghệ viễn thám phần hợp chất mà biên độ của đồ thị phản xạ phổ sẽ khác nhau. Các yếu tố chủ yếu ảnh h−ởng đến phản xạ phổ của đất là cấu trúc bề mặt của đất, độ ẩm của đất, hợp chất hữu cơ, vô cơ. r(%) Đất mùn 80 • Đất bụi Đất cát 60 • 40 • 20 • • • • • • • λ(μ) 0 0,5 0,9 1,3 1,7 2,1 2,5 Hình 2.8. Đặc tính phản xạ phổ của thổ nh−ỡng. Cấu trúc của đất phụ thuộc vào tỷ lệ sét, bụi, cát. Sét là hạt mịn đ−ờng kính nhỏ hơn 0,002mm, bụi có đ−ờng kính 0,002mm - 0,05mm, cát có đ−ờng kính 0,05mm - 2mm. Tùy thuộc tỷ lệ thành phần của ba loại đất cơ bản trên mà tạo nên các loại đất có tên khác nhau. Với đất hạt mịn thì khoảng cách giữa các hạt cũng nhỏ vì chúng ở sít 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 ẩm −ớt, trên mỗi hạt cát sẽ bọc một màng mỏng n−ớc, do vậy độ ẩm và l−ợng n−ớc trong loại đất này sẽ cao hơn và do đó độ ẩm cũng sẽ ảnh h−ởng lớn đến khả năng phản xạ phổ của chúng, r(%) 100 • 1. Độ ẩm 0ữ4% 80 • 2. Độ ẩm 5ữ12% 60 • 40 • 3. Độ ẩm 22ữ32% 20 • 0 • • • • • • λ(μ) 0,5 0,9 1,3 1,7 2,1 2,5 Hình 2.9. Khả năng phản xạ phổ của đất phụ thuộc vào độ ẩm 25 Dùng cho học viên cao học Trắc địa
Công nghệ viễn thám Khi độ ẩm tăng khả năng phản xạ phổ cũng sẽ bị giảm (hình 2.9). Do vậy khi hạt n−ớc rơi vào cát khô ta sẽ thấy cát bị thẫm hơn, đó là do sự chênh lệch rõ rệt giữa các đ−ờng đặc tr−ng 1, 2, 3. Tuy nhiên nếu cát đã ẩm mà có thêm n−ớc cũng sẽ không thẫm màu đi mấy (do sự chênh lệch ít giữa đ−ờng 2 và đ−ờng 3). Một yếu tố nữa ảnh h−ởng đến khả năng phản xạ phổ là hợp chất hữu cơ trong đất. Với hàm l−ợng chất hữu cơ từ 0,5 - 5,0% đất có mầu nâu xẫm. Nếu hàm l−ợng hữu cơ thấp hơn đất sẽ có mầu nâu sáng. Ô xít sắt cũng ảnh h−ởng tới khả năng phản xạ phổ của đất. Khả năng phản xạ phổ tăng khi hàm l−ợng ô xít sắt trong đất giảm xuống, nhất là ở vùng phổ nhìn thấy (có thể làm giảm tới 40% khả năng phản xạ phổ khi hàm l−ợng ô xít sắt tăng lên). Khi bỏ ô xít sắt ra khỏi đất, thì khả năng phản xạ phổ của đất tăng lên rõ rệt ở dải sóng từ 0,5μ - 1,1μ nh−ng với b−ớc sóng lớn hơn 1,0μ hầu nh− không có tác dụng. Nh− trên đã nói có nhiều yếu tố ảnh h−ởng đến khả năng phản xạ phổ của đất, tuy nhiên chúng có liên quan chặt chẽ với nhau. Cấu trúc, độ ẩm, độ mịn bề mặt, hàm l−ợng chất hữu cơ và ô xít sắt là những yếu tố quan trọng. Vùng phản xạ và bức xạ phổ có thể sử dụng để ghi nhận thông tin hữu ích về đất còn hình ảnh ở hai vùng phổ này là dấu hiệu để đoán đọc điều vẽ các đặc tính của đất. Một điểm quan trọng cần l−u ý là mặc dù biên độ đồ thị khả năng phản xạ phổ của các loại đất có thể khác xa nhau nh−ng nhìn chung những khác nhau này ổn định ở nhiều dải sóng khác nhau. Đối với thực vật chúng ta phải nhờ khả năng phản xạ phổ phụ thuộc b−ớc sóng (tức là đoán đọc điều vẽ ở các kênh khác nhau), nh−ng với thổ nh−ỡng không thể làm đ−ợc nh− vậy, mặc dù sự khác biệt về khả năng phản xạ phổ là quan trọng nh−ng nhiều đặc tính phản xạ phổ của chúng phải đoán đọc điều vẽ ở các dải sóng nhìn thấy. c. Khả năng phản xạ phổ của n−ớc Cũng nh− trên, khả năng phản xạ phổ của n−ớc thay đổi theo b−ớc sóng của bức xạ chiếu tới và thành phần vật chất có trong n−ớc. Khả năng phản xạ phổ ở đây còn phụ thuộc vào bề mặt n−ớc và trạng thái của n−ớc. Trên kênh hồng ngoại và cận hồng ngoại đ−ờng bờ n−ớc đ−ợc phát hiện rất dễ dàng, còn một số đặc tính của n−ớc cần phải sử dụng dải sóng nhìn thấy để nhận biết. 26 Dùng cho học viên cao học Trắc địa
Công nghệ viễn thám Trong điều kiện tự nhiên, mặt n−ớc hoặc một lớp mỏng n−ớc sẽ hấp thụ rất mạnh năng l−ợng ở dải cận hồng ngoại và hồng ngoại (hình 2.10) do vậy, năng l−ợng phản xạ rất ít. Vì khả năng phản xạ phổ của n−ớc ở dải sóng dài khá nhỏ nên việc sử dụng các kênh sóng dài để chụp cho ta khả năng đoán đọc điều vẽ thủy văn, ao hồ ở dải sóng nhìn thấy khả năng phản xạ phổ của n−ớc t−ơng đối phức tạp. Viết ph−ơng trình cân bằng năng l−ợng và nghiên cứu khả năng phản xạ phổ của n−ớc ở dải sóng nhìn thấy: E(λ) = Eρ(λ) + EH(λ) + ET(λ) E(λ) = Eρ(λ) + Eα(λ) + E r(%) 50 • 1 1- Hấp thụ 40 • 30 • 2- Phản xạ 20 • • 10 2 • • • λ(μ) 0,4 0,5 0,6 0,7 Hình 2.10. Khả năng phản xạ và hấp thụ của n−ớc. Nh− hình 2.11 n−ớc cất bị hấp thụ ít năng l−ợng ở dải sóng nhỏ hơn 0,6μ và thấu quang nhiều năng l−ợng ở dải sóng ngắn. N−ớc biển, n−ớc ngọt và n−ớc cất có chung đặc tính thấu quang, tuy nhiên độ thấu quang của n−ớc đục giảm rõ rệt và b−ớc sóng càng dài có độ thấu quang càng lớn. r(%) 50 1 1- N−ớc sông 25 2 2- N−ớc đại d−ơng 10 3 3- N−ớc gần bờ 5 4- N−ớc ở vịnh 2,5 4 1 0,5 0,25 0,1 λ(μ) 0,4 0,5 0,6 0,7 Hình 1.11. Khả năng phản xạ phổ của một số loại n−ớc. 27 Dùng cho học viên cao học Trắc địa
Công nghệ viễn thám Khả năng thấu quang cao và hấp thụ ít ở dải sóng nhìn thấy chứng tỏ rằng đối với lớp n−ớc mỏng (ao, hồ nông) và trong thì hình ảnh viễn thám ghi nhận đ−ợc ở dải sóng nhìn thấy là nhờ năng l−ợng phản xạ của chất đáy: cát, đá Độ thấu quang của n−ớc phụ thuộc vào b−ớc sóng nh− sau: Bảng 4 B−ớc sóng Độ thấu quang 0,5 ữ 0,6 μ Đến 10m 0,6 ữ 0,7 μ 3m 0,7 ữ 0,8 μ 1m 0,8 ữ 1,1 μ Nhỏ hơn 10cm Tuy nhiên trong điều kiện tự nhiên không phải lúc nào cũng lý t−ởng nh− n−ớc cất. Thông th−ờng trong n−ớc chứa nhiều tạp chất hữu cơ và vô cơ vì vậy khả năng phản xạ phổ của n−ớc phụ thuộc vào thành phần và trạng thái của n−ớc. Các nghiên cứu cho thấy n−ớc đục có khả năng phản xạ phổ cao hơn n−ớc trong, nhất là những dải sóng dài. Ng−ời ta xác định rằng với độ sâu tối thiểu là 30m, nồng độ tạp chất gây đục là 10mg/ lít, thì khả năng phản xạ phổ lúc đó là hàm số của thành phần n−ớc chứ không còn là ảnh h−ởng của chất đáy. Ng−ời ta đã chứng minh rằng khả năng phản xạ phổ của n−ớc phụ thuộc rất nhiều vào độ đục của n−ớc, ở dải sóng 0,6 ữ 0,7 μ ng−ời ta phát hiện rằng giữa độ đục của n−ớc và khả năng phản xạ phổ có một mối liên hệ tuyến tính. Hàm l−ợng clorophin trong n−ớc cũng là một yếu tố ảnh h−ởng tới khả năng phản xạ phổ của n−ớc. Nó làm giảm khả năng phản xạ phổ của n−ớc ở b−ớc sóng ngắn và tăng khả năng phản xạ phổ của n−ớc ở b−ớc sóng có mầu xanh lá cây. Ngoài ra còn một số yếu tố khác có ảnh h−ởng lớn tới khả năng phản xạ phổ của n−ớc, nh−ng cũng có nhiều đặc tính quan trọng khác của n−ớc không thể hiện đ−ợc rõ qua sự khác biệt của phổ nh− độ mặn của n−ớc biển, hàm l−ợng khí mêtan, ôxi, nitơ, cacbonic trong n−ớc. Đ.2.3. Một số yếu tố chính ảnh h−ởng tới khả năng phản xạ phổ của các đối t−ợng tự nhiên 28 Dùng cho học viên cao học Trắc địa
Công nghệ viễn thám Để đoán đọc điều vẽ các đối t−ợng tự nhiên có hiệu quả ta phải xác định ảnh h−ởng của các yếu tố không gian - thời gian, khí quyển đến khả năng phản xạ phổ của các đối t−ợng tự nhiên trên mặt đất. 1. ảnh h−ởng của các yếu tố không gian - thời gian lên khả năng phản xạ phổ của các đối t−ợng tự nhiên. a. Yếu tố thời gian. Thực phủ mặt đất và một số đối t−ợng khác th−ờng hay thay đổi theo thời gian. Do vậy khả năng phản xạ phổ cũng thay đổi theo thời gian. Ví dụ cây rụng lá vào mùa đông và xanh tốt vào mùa xuân, mùa hè, hoặc lúa có màu biểu hiện bề mặt khác nhau theo thời vụ. Vì vậy khi đoán đọc điều vẽ ảnh cần biết rõ thời vụ, thời điểm ghi nhận ảnh và đặc điểm của đối t−ợng cần đoán đọc điều vẽ. b. Yếu tố không gian. Ng−ời ta chia thành hai loại: yếu tố không gian cục bộ và yếu tố không gian địa lý. Yếu tố cục bộ thể hiện khi chụp ảnh cùng một loại đối t−ợng, ví dụ cây trồng theo hàng, luống và cũng cây đó nh−ng trồng theo mảng lớn thì khả năng phản xạ phổ của hai loại trồng này sẽ đem lại khả năng phản xạ phổ khác nhau. Yếu tố địa lý thể hiện khi cùng loại thực vật nh−ng điều kiện sinh tr−ởng khác nhau theo vùng địa lý thì khả năng phản xạ phổ khác nhau. Yếu tố thời gian cũng có thể thể hiện. Khi góc mặt trời hạ thấp ta sẽ có hình ảnh núi có bóng và cùng một đối t−ợng trên hai s−ờn núi, một bên đ−ợc chiếu sáng và một bên không đ−ợc chiếu sáng đã tạo nên khả năng phản xạ phổ khác nhau Để có thể khống chế đ−ợc ảnh h−ởng của yếu tố không gian, thời gian đến khả năng phản xạ phổ ta cần thực hiện theo một số ph−ơng án sau: - Ghi nhận thông tin vào thời điểm mà khả năng phản xạ phổ của một đối t−ợng này khác xa khả năng phản xạ phổ của một đối t−ợng khác. - Ghi nhận thông tin vào những lúc mà khả năng phản xạ phổ của một đối t−ợng không khác biệt mấy. - Ghi nhận thông tin th−ờng xuyên, định kỳ qua một khoảng thời gian nhất định. - Ghi nhận thông tin trong điều kiện môi tr−ờng nhất định, ví dụ góc mặt trời tối thiểu, mây ít hơn 10%, qua một số ngày nhất định 29 Dùng cho học viên cao học Trắc địa
Công nghệ viễn thám 2. ảnh h−ởng của khí quyển Khi xem xét hệ thống ghi nhận các số liệu về thông tin viễn thám ta thấy rằng năng l−ợng bức xạ từ mặt trời chiếu xuống các đối t−ợng trên mặt đất phải qua tầng khí quyển, sau đó phản xạ từ bề mặt trái đất năng l−ợng lại đ−ợc truyền qua khí quyển tới máy ghi thông tin trên vệ tinh. Do vậy khí quyển ảnh h−ởng rất lớn tới khả năng phản xạ phổ của các đối t−ợng tự nhiên. Bề dày khí quyển (khoảng 2.000km) ảnh h−ởng tới những tia sáng từ mặt trời chiếu xuống, còn đối với các vệ tinh viễn thám thì bề dày của khí quyển ảnh h−ởng tới số liệu thông qua tham số độ cao bay của vệ tinh. Khí quyển có thể ảnh h−ởng tới số liệu vệ tinh viễn thám bằng hai con đ−ờng tán xạ và hấp thụ năng l−ợng. Sự biến đổi năng l−ợng bức xạ mặt trời trong khí quyển là tán xạ và hấp thụ sóng điện từ bởi các thành phần khí quyển và các hạt ion khí. Vì quá trình này mà sự phân bố phổ, phân bố góc và phân bố không gian do việc phát xạ của các đối t−ợng đang nghiên cứu yếu đi. Sau đây chúng ta xem xét ảnh h−ởng của khí quyển ở cả hai con đ−ờng tán xạ và hấp thụ. Hiện t−ợng tán xạ chỉ làm đổi h−ớng tia chiếu mà không làm mất năng l−ợng. Tán xạ (hay phản xạ) có đ−ợc là do các thành phần không khí hoặc các ion có trong khí quyển phản xạ tia chiếu tới, hoặc do lớp khí quyển dày đặc có mật độ không khí ở các lớp không đồng nhất nên khi tia chiếu truyền qua các lớp này sẽ gây ra hiện t−ợng khúc xạ. Hiện t−ợng hấp thụ diễn ra khi tia sáng không đ−ợc tán xạ mà năng l−ợng đ−ợc truyền qua các nguyên tử không khí trong khí quyển và nung nóng lớp khí quyển. Hiện t−ợng tán xạ tuyệt đối xảy ra khi không có sự hấp thụ năng l−ợng. Trong hệ thống viễn thám khi năng l−ợng tia sáng bị tán xạ về các h−ớng, nếu tr−ờng thu của ống kính máy ghi thông tin thật rộng thì sẽ thu đ−ợc toàn bộ năng l−ợng tán xạ, ng−ợc lại nếu tr−ờng thu nhỏ quá thì sẽ thu đ−ợc một phần năng l−ợng. Các nguyên nhân chính gây ra hiện t−ợng tán xạ và hấp thụ năng l−ợng ánh sáng mặt trời là: - Do sự hấp thụ, khúc xạ năng l−ợng mặt trời của các phần tử trong khí quyển. - Do sự hấp thụ có chọn lọc b−ớc sóng của hơi n−ớc, ozon và các hợp chất không khí trong khí quyển. 30 Dùng cho học viên cao học Trắc địa
Công nghệ viễn thám - Do sự phản xạ (tán xạ năng l−ợng chiếu tới, do sự không đồng nhất của khí quyển và các hạt nhỏ trong khí quyển). Nếu gọi Eo là năng l−ợng bức xạ toàn phần chiếu tới, Eα là năng l−ợng bị hấp thụ, Eρ là năng l−ợng tán xạ, E là năng l−ợng còn lại lọt qua đ−ợc ảnh h−ởng của tầng khí quyển thì ta có thể xác định đ−ợc hệ số hấp thụ hệ số phản xạ ρ và độ trong suốt T của độ dày lớp khí quyển theo công thức : E E E α = α ; ρ = ρ ; T = Eo Eo Eo α + ρ + T = 1 Đối với vật thể trong suốt : T = 0 ; α + ρ = 1 Đối với vật thể ít hấp thụ: ρ + T = 1 Hiện t−ợng tán xạ, bức xạ trong khí quyển còn phụ thuộc kích th−ớc hạt gây tán xạ. Khi năng l−ợng từ nguồn chiếu qua khí quyển vào những vùng mà kích th−ớc hạt nhỏ và gần bằng b−ớc sóng thì hiện t−ợng tán xạ còn phụ thuộc b−ớc sóng. Nếu những vùng kích th−ớc hạt lớn hơn b−ớc sóng rất nhiều nh− hạt m−a thì ánh sáng tán xạ bao gồm: - Phản xạ trên bề mặt hạt n−ớc. - Xuyên qua hạt n−ớc hoặc phản xạ nhiều lần trong hạt n−ớc. - Khúc xạ qua hạt n−ớc. Trong tr−ờng hợp này hiện t−ợng phản xạ phổ không phụ thuộc vào b−ớc sóng của bức xạ mà phụ thuộc vào thành phần không khí, nên s−ơng mù dày đặc ta sẽ làm cho năng l−ợng bị tán xạ hết cho nên ảnh có màu trắng (năng l−ợng không lới đ−ợc máy thu thông tin). Do đó trên ảnh tổ hợp màu mây luôn có màu trắng. Khí quyển tác động đến bức xạ mặt trời qua 3 con đ−ờng phản xạ, hấp thụ và cho năng l−ợng truyền qua. Đối với công tác viễn thám phần năng l−ợng truyền qua là rất quan trọng. Sau đây ta xét đồ thị đặc tr−ng cho sự tác động của khí quyển đến bức xạ năng l−ợng (hình 2.12). 31 Dùng cho học viên cao học Trắc địa
Công nghệ viễn thám r(%) Nguồn năng l−ợng 100 • • 75 50 • 25 • • • • • • • 0,3μ 1,0μ 10μ 100μ 1mm 1m Vùng nhìn thấy Chụp ảnh Hồng ngoại nhiệt Quét đa phổ Radio và sóng ngắn • • • • • • 0,3μ 1,0μ 10μ 100μ 1mm 1m Hình 2.12. Cửa sổ khí quyển Trên đồ thị trục hoành biểu thị độ dài b−ớc sóng λ, một trục biểu thị hệ số phản xạ năng l−ợng nguồn theo phần trăm (%). E ρ rλ = ρ = x 100% Eo ở vùng ánh sáng nhìn thấy năng l−ợng phản xạ phổ lớn nhất cỡ gần 60% năng l−ợng chiếu tới đ−ợc phản xạ. Đồ thị cho thấy rằng ở mỗi dải sóng khác nhau năng l−ợng bức xạ có mức độ phản xạ và hấp thụ khác nhau : một số b−ớc sóng bị hấp thụ ít, một số vùng khác năng l−ợng bị hấp thụ nhiều. Đây là "cửa sổ khí quyển". Hệ thống chụp ảnh vũ trụ thụ động sẽ sử dụng hữu hiệu "cửa sổ khí quyển", còn các hệ thống chụp ảnh vũ trụ chủ động sẽ sử dụng các cửa sổ ở vùng sóng 1mm ữ 1m. Cửa sổ của khí quyển bức xạ mặt trời gồm (bảng 5). Các cửa sổ này tính cho lớp khí quyển nằm ngang dày nh− một lớp có hai mặt song song. Khi tia chiếu xiên, hoặc ống kính góc rộng đặc tính của các cửa sổ khí quyển cũng sẽ thay đổi. Các kênh sóng của hệ thống viễn thám là các dải sóng phù hợp, có nghĩa là chọn các kênh sao cho có thể thu đ−ợc các sóng ở những cửa sổ nói trên. 32 Dùng cho học viên cao học Trắc địa
Công nghệ viễn thám Bảng 5 Số cửa sổ B−ớc sóng (μ) 1 0,3 ữ 1,3 2 1,5 ữ 1,8 3 2,0 ữ 2,6 4 3,0 ữ 3,6 5 4,2 ữ 5,0 6 7,0 ữ 15,0 Hệ thống viễn thám đa phổ th−ờng sử dụng các cửa sồ 1 , 2, 3 và 6 vì ở đó ảnh h−ởng phản xạ và bức xạ rất rõ ràng. 33 Dùng cho học viên cao học Trắc địa
Công nghệ viễn thám Ch−ơng 3 ĐOáN ĐọC ĐIềU Vẽ ảNH Viễn thám Đoán đọc điều vẽ ảnh viễn thám là quá trình tách thông tin định tính cũng nh− định l−ợng từ ảnh dựa trên các tri thức chuyên ngành hoặc kinh nghiệm của ng−ời đoán đọc điều vẽ. Việc tách thông tin trong viễn thám có thể phân thành 5 loại: - Phân loại đa phổ. - Phát hiện biến động. - Chiết tách các thông tin tự nhiên. - Xác định các chỉ số. - Xác định các đối t−ợng đặc biệt. Phân loại đa phổ là quá trình tách gộp thông tin dựa trên các tính chất phổ, không gian và thời gian của đối t−ợng. Phát hiện biến động là phát hiện và phân tích các biến động dựa trên t− liệu ảnh đa thời gian. Chiết tách các thông tin tự nhiên t−ơng ứng với việc đo nhiệt độ trạng thái khí quyển, độ cao của vật thể dựa trên các đặc tr−ng phổ hoặc thị sai của cặp ảnh lập thể. Xác định các chỉ số là việc tính toán các chỉ số mới, ví dụ chỉ số thực vật. Xác định các đặc tính hoặc hiện t−ợng đặc biệt nh− thiên tai, các cấu trúc tuyến tính, các biểu hiện tìm kiếm khảo cổ. Quá trình tách thông tin từ ảnh có thể đ−ợc thực hiện bằng mát ng−ời hay máy tính. Việc đoán đọc điều vẽ bằng mắt có −u điểm là có thể khai thác đ−ợc các tri thức chuyên môn và kinh nghiệm của con ng−ời, mặt khác việc đoán đọc điều vẽ bằng mắt có thể phân tích đ−ợc các thông tin phân bố không gian. Tuy nhiên ph−ơng pháp này có nh−ợc điểm là tốn kém thời gian và kết quả thu đ−ợc không đồng nhất. Việc xử lý bằng máy tính có −u điểm là năng suất cao, thời gian xử lý ngắn, có thể đo đ−ợc các chỉ số đặc tr−ng tự nhiên nh−ng nó có yếu điểm là khó kết hợp với tri thức và kinh nghiệm của con ng−ời, kết quả phân tích các thông tin kém. Để khắc phục nh−ợc điểm này, những năm gần đây ng−ời ta đang nghiên cứu các hệ chuyên gia, đó là các hệ ch−ơng trình máy tính có khả 34 Dùng cho học viên cao học Trắc địa
Công nghệ viễn thám năng mô phỏng tri thức chuyên môn của con ng−ời phục vụ cho việc đoán đọc điều vẽ tự động. Trong ch−ơng này sẽ đề cập đến công tác đoán đọc điều vẽ bằng mắt và đoán đọc điều vẽ ảnh bằng xử lý số trên máy tính. A. ĐOáN ĐọC ĐIềU Vẽ ảNH BằNG MắT. Đoán đọc điều vẽ ảnh bằng mắt có thể áp dụng trong mọi điều kiện trang thiết bị. Đoán đọc điều vẽ bằng mắt là việc sử dụng mắt ng−ời cùng với các dụng cụ quang học nh− kính lúp, kính lập thể, máy tổng hợp mầu để xác định các đối t−ợng. Cơ sở để đoán đọc điều vẽ bằng mắt là các chuẩn đoán đọc điều vẽ và mẫu đoán đọc điều vẽ. Đ.3.1. Các chuẩn đoán đọc điều vẽ ảnh vệ tinh vμ mẫu đoán đọc điều vẽ Nhìn chung có thể chia các chuẩn đoán đọc điều vẽ thành 8 nhóm chính sau: 1. Chuẩn kích th−ớc Cần phải chọn một tỷ lệ ảnh phù hợp để đoán đọc điều vẽ. Kích th−ớc của đối t−ợng có thể xác định nếu lấy kích th−ớc đo đ−ợc trên ảnh nhân với mẫu số tỷ lệ ảnh. 2. Chuẩn hình dạng Hình dạng có ý nghĩa quan trọng trong đoán đọc điều vẽ ảnh. Hình dạng đặc tr−ng cho mỗi đối t−ợng khi nhìn từ trên cao xuống và đ−ợc coi là chuẩn đoán đọc điều vẽ quan trọng. 3. Chuẩn bóng Bóng của vật thể dễ dàng nhận thấy khi nguồn sáng không nằm chính xác ở đỉnh đầu hoặc tr−ờng hợp chụp ảnh xiên. Dựa vào bóng của vật thể có thể xác định đ−ợc chiều cao của nó. 4. Chuẩn độ đen Độ đen trên ảnh đen trắng biến thiên từ trắng đến đen. Mỗi vật thể đ−ợc thể hiện bằng một cấp độ sáng nhất định tỷ lệ với c−ờng độ phản xạ ánh sáng của nó. Ví dụ cát khô phản xạ rất mạnh ánh sáng nên bao giờ cũng có mầu trắng, trong khi đó cát −ớt do độ phản xạ kém hơn nên có mầu tối hơn trên ảnh đen trắng. Trên ảnh hồng ngoại đen trắng do cây lá nhọn phản xạ 35 Dùng cho học viên cao học Trắc địa
Công nghệ viễn thám mạnh tia hồng ngoại nên chúng có mầu trắng và n−ớc lại hấp thụ hầu hết bức xạ trong dải sóng này nên bao giờ cũng có mầu đen. 5. Chuẩn mầu sắc Mầu sắc là một chuẩn rất tốt trong việc xác định các đối t−ợng. Ví dụ các kiểu loài thực vật có thể đ−ợc phát hiện dễ dàng ngay cả cho những ng−ời không có nhiều kinh nghiệm trong đoán đọc điều vẽ ảnh khi sử dụng ảnh hồng ngoại mầu. Các đối t−ợng khác nhau cho các tông mầu khác nhau đặc biệt khi sử dụng ảnh đa phổ tổng hợp mầu. 6. Chuẩn cấu trúc Cấu trúc là một tập hợp của nhiều hình mẫu nhỏ. Ví dụ một bãi cỏ không bị lẫn các loài cây khác cho một cấu trúc mịn trên ảnh, ng−ợc lại rừng hỗn giao cho một cấu trúc sần sùi. Đ−ơng nhiên điều này còn phụ thuộc vào tỷ lệ ảnh đ−ợc sử dụng. 7. Chuẩn phân bố Chuẩn phân bố là một tập hợp của nhiều hình dạng nhỏ phân bố theo một quy luật nhất định trên toàn ảnh và trong mối quan hệ với đối t−ợng cần nghiên cứu. Ví dụ hình ảnh của các dãy nhà, hình ảnh của ruộng lúa n−ớc, các đồi trồng chè tạo ra những hình mẫu đặc tr−ng riêng cho các đối t−ợng đó. 8. Chuẩn mối quan hệ t−ơng hỗ Một tổng thể các chuẩn đoán đọc điều vẽ, môi tr−ờng xung quanh hoặc mối liên quan của đối t−ợng nghiên cứu với các đối t−ợng khác cung cấp một thông tin đoán đọc điều vẽ quan trọng. Nhằm trợ giúp cho công tác đoán đọc điều vẽ ng−ời ta thành lập các mẫu đoán đọc điều vẽ cho các đối t−ợng khác nhau. Mẫu đoán đọc điều vẽ là tập hợp các chuẩn dùng để đoán đọc điều vẽ một đối t−ợng nhất định. Kết quả đoán đọc điều vẽ phụ thuộc vào mẫu đoán đọc điều vẽ. Mục đích của việc sử dụng mẫu đoán đọc điều vẽ là làm chuẩn hóa kết quả đoán đọc điều vẽ của nhiều ng−ời khác nhau. Thông th−ờng mẫu đoán đọc điều vẽ do những ng−ời có nhiều kinh nghiệm và hiểu biết thành lập dựa trên những vùng nghiên cứu thử nghiệm đã đ−ợc điều tra kỹ l−ỡng. Tất cả 8 chuẩn đoán đọc điều vẽ cùng với các thông tin về thời gian chụp, mùa chụp, tỷ lệ ảnh đều phải đ−a vào mẫu đoán đọc điều vẽ. Một bộ mẫu đoán đọc điều vẽ bao gồm không chỉ phần ảnh mà còn mô tả bằng lời nữa. Đ.3.2. ảnh tổng hợp mầu 36 Dùng cho học viên cao học Trắc địa
Công nghệ viễn thám T− liệu ảnh vệ tinh dùng để đoán đọc điều vẽ bằng mắt tốt nhất là các ảnh tổng hợp mầu. Đặc điểm cơ bản của ảnh tổng hợp mầu là sự mã hóa bằng mầu sắc các khác biệt về phổ của các đối t−ợng. ở đây chuẩn đoán đọc điều vẽ chính là độ t−ơng phản mầu đ−ợc nhấn mạnh nhờ sự lựa chọn một cách có ý thức ph−ơng án tổng hợp mầu. Trong tr−ờng hợp t− liệu gốc thoả mãn các điều kiện kỹ thuật nếu sử dụng ph−ơng án tổng hợp mầu chuẩn và điều kiện xử lý hóa ảnh chặt chẽ thì mầu là một chuẩn đoán đọc điều vẽ t−ơng đối ổn định. Nhờ khả năng phân biệt cao của mầu sắc mà nó có thể truyền đạt các khác biệt về phổ của đối t−ợng, ảnh tổng hợp mầu có tính trực quan sinh động hơn ảnh phổ trắng đen. Đối với ảnh phổ chụp ở vùng hồng ngoại, ảnh tổng hợp mầu cho ta bức tranh mầu giả không có thực trong tự nhiên. Về mầu sắc, ảnh tổng hợp mầu so với ảnh mầu vệ tinh chụp trên phim mầu 3 lớp có nhiều mầu sắc hơn với độ t−ơng phản mầu cao hơn. So với ảnh phổ thì ảnh tổng hợp mầu cũng có nhiều mầu sắc hơn và độ t−ơng phản cao hơn, nh−ng lực phân giải lại kém hơn ảnh phổ mầu. Khả năng đoán đọc điều vẽ các đối t−ợng trên ảnh tổng hợp mầu phụ thuộc vào ph−ơng án lựa chọn mầu. Việc lựa chọn các ph−ơng án tổng hợp mầu phụ thuộc vào nhiệm vụ đoán đọc điều vẽ, khả năng ứng dụng của ảnh tổng hợp mầu để đoán đọc điều vẽ các đối t−ợng cụ thể. Lựa chọn kênh phổ để tổng hợp mầu là một công việc quan trọng quyết định chất l−ợng thông tin của kết quả tổng hợp mầu. Việc lựa chọn kênh phổ đ−ợc xác định trên cơ sở nh− sau: - Đặc tính phản xạ phổ của các đối t−ợng cần đoán đọc điều vẽ. - Nhiệm vụ đoán đọc điều vẽ. - Yêu cầu đối với lực phân giải. - Đặc điểm của vùng cần tổng hợp mầu Đặc tính phản xạ mầu của các đối t−ợng đã đ−ợc biểu thị trên đồ thị ở các phần tr−ớc. Để chọn kênh phổ mang tính thông tin cao cần phân loại nhóm đối t−ợng chính cần đoán đọc điều vẽ hoặc các đối t−ợng chỉ thị chính. Trên cơ sở các kênh phổ mang thông tin ta chọn ra kênh chính và kênh phụ. Trong bảng 6 đ−a ra một số ví dụ về khả năng phản xạ phổ của một số 37 Dùng cho học viên cao học Trắc địa
Công nghệ viễn thám đối t−ợng ở từng kênh phổ. Những bảng nh− thế này th−ờng dùng để lựa chọn kênh phổ để tổng hợp mầu. Bảng 6: Ví dụ về mô tả khả năng thông tin của các kênh đa phổ. Kênh đa phổ MKF - 6 Các thông tin chính trên kênh phổ BM φ (Nhận biết đ−ợc bằng mắt) Độ t−ơng phản thấp với các nhóm đối t−ợng chính. Đoán đọc điều vẽ đ−ợc ranh giới đầm lầy, cỏ, phân 460 ữ 500mμ biệt đ−ợc rừng, cỏ cát và đất, vùng hồ n−ớc có thể đoán đọc điều vẽ đến độ sâu 20m. Các đối t−ợng kể trên có độ t−ơng phản tốt hơn, phân biệt tốt cát và đất, thực vật với n−ớc, trầm tích 510 ữ 560mμ 520 ữ 560mμ đệ tứ v.v Thuỷ văn đoán đọc điều vẽ đến độ sâu 15m. Độ t−ơng phản lớn đối với các nhóm đối t−ợng, cấu trúc ảnh rõ nét. Thực vật có độ t−ơng phản cao với 560 ữ 620mμ một số loại, cát thể hiện nh− ở các kênh trên. Có thể 600 ữ 700mμ và đoán đọc điều vẽ các đối t−ợng kích th−ớc nhỏ và 640 ữ 680mμ hình tuyến, các thông tin về cấu trúc địa chất và địa mạo. Thuỷ văn đoán đọc điều vẽ đ−ợc đến độ sâu 10m. Đối với kênh 695 ữ 745mμ độ t−ơng phản thấp. Có thể đoán đọc điều vẽ vùng bờ n−ớc, vùng có độ ẩm 695 ữ 745mμ cao. Thêm thông tin về loài thực vật lá rộng. Rừng 700 ữ 850mμ và lá rộng và lá kim, bề mặt n−ớc là những đối t−ợng 790 ữ 890mμ có độ t−ơng phản cao. Có thể đoán đọc điều vẽ vùng n−ớc đến độ sâu 1m, các thông tin về cấu trúc địa chất Bên cạnh việc sử dụng bảng này để lựa chọn kênh cần sử dụng cả đồ thị phản xạ phổ của riêng từng nhóm đối t−ợng đã nêu ở phần tr−ớc. Mặt khác để lựa chọn kênh phổ có thể sử dụng biểu đồ độ sáng (histogram), khi dựng biểu đổ cần sử dụng phim để tổng hợp mầu. Các thiết bị dùng cho tổng hợp mầu ảnh đa phổ th−ờng dùng trên thế giới và n−ớc ta là: - Máy chiếu hình đa phổ chuyên dụng MSP - 4C (Đức) và AC - 90B (Nhật). - Máy nắn Rectimat - C, Dust 2000 có gắn đầu mầu. 38 Dùng cho học viên cao học Trắc địa
Công nghệ viễn thám - Các máy vi tính PC có màn hình mầu VGA và các trạm làm việc WS. Đ.3.3. Đoán đọc điều vẽ ảnh vμ chuyển kết quả đoán đọc điều vẽ lên bản đồ nền Sau khi nghiên cứu chỉ thị đoán đọc điều vẽ, nghiên cứu bộ ảnh mẫu, ảnh vệ tinh và các tài liệu khác ta tiến hành công tác đoán đọc điều vẽ ảnh. Kết quả đoán đọc điều vẽ bao giờ cũng đ−ợc chuyển lên bản đồ nền. Bản đồ nền để thể hiện kết quả đoán đọc điều vẽ phải thỏa mãn các điều kiện sau: - Có một tỷ lệ phù hợp và đủ chính xác. - Các hệ thống định vị tọa độ địa lý phải đ−ợc thể hiện đầy đủ. - Nền bản đồ phải sáng và các thông tin cơ bản phải đ−ợc in sao cho không gây khó khăn cho việc thể hiện các kết quả đoán đọc điều vẽ. Thông th−ờng bản đồ địa hình các tỷ lệ, sơ đồ quy hoạch và bản đồ trực ảnh đ−ợc sử dụng làm bản đồ nền cho công tác đoán đọc điều vẽ ảnh. Bản đồ tỷ lệ 1/50.000, 1/100.000 và 1/250.000 phù hợp cho việc đoán đọc điều vẽ ảnh vệ tinh độ phân giải trung bình cũng độ phân giải nh− cao. Các bản đồ trực ảnh rất phù hợp cho việc chuyển kết quả đoán đọc điều vẽ thảm thực vật lên bản đồ nền. Có 4 ph−ơng pháp để chuyển kết quả đoán đọc điều vẽ lên bản đồ nền. 1. Can vẽ Kết quả đoán đọc điều vẽ đ−ợc đặt trên bàn sáng và bản đồ nền đ−ợc đặt lên trên sao cho các địa hình địa vật trùng nhau và sau đó thao tác viên chỉ đ−ợc can lại những gì cần thiết. 2. Chiếu quang học ảnh đã đ−ợc đoán đọc điều vẽ đ−ợc chiếu lên bản đồ thông qua một hệ thống quang học. Hệ thống này cho phép thực hiện một số phép hiệu chỉnh hình học cơ bản nh− hiệu chỉnh tỷ lệ, xoay trong không gian và trong mặt phẳng. Dựa theo nguyên tắc nắn phân vùng ph−ơng pháp này cho kết quả t−ơng đối tốt so với ph−ơng pháp can vẽ. 3. Sử dụng l−ới ô vuông. Trong tr−ờng hợp không có thiết bị chiếu hình hoặc thiết bị nắn chỉnh hình học theo nguyên lý quang học có thể sử dụng ph−ơng pháp l−ới ô vuông. Bằng ph−ơng pháp nắn hình học đơn giản có thể tạo đ−ợc hai hệ l−ới trên bản 39 Dùng cho học viên cao học Trắc địa
Công nghệ viễn thám đồ và ảnh và căn cứ vào vị trí t−ơng đối của đối t−ợng trong hệ l−ới đó có thể chuyển nội dung đoán đọc điều vẽ từ ảnh lên bản đồ. 4. Sử dụng các thiết bị đo ảnh Trong tr−ờng hợp có các thiết bị đo ảnh hiện đại nh− các máy nắn ảnh quang cơ máy đo vẽ ảnh hàng không việc hiệu chỉnh hình học sẽ đạt kết quả chính xác hơn so với các ph−ơng pháp khác. Nguyên lý của ph−ơng pháp này là dựa vào việc dựng lại mô hình chụp ảnh và thực hiện việc chuyển vẽ thông qua các mô hình đó. Sơ đồ tổng quát của việc đoán đọc điều vẽ ảnh vệ tinh bao gồm các b−ớc cơ bản sau: - Chuẩn bị t− liệu ảnh. - Đọc thông tin bổ trợ và định vị ảnh theo bản đồ. - Tạo khóa đoán đọc điều vẽ. - Đo đạc các yếu tố định l−ợng. - Phân tích ảnh và đoán đọc điều vẽ các đối t−ợng. - Thành lập bản đồ chuyên đề. B. ĐOáN ĐọC ĐiềU Vẽ ảNH BằNG Xử Lý Số Đ.3.4. Khái niệm Các t− liệu thu đ−ợc trong viễn thám phần lớn là ở d−ới dạng số cho nên vấn đề đoán đọc điều vẽ ảnh bằng xử lý số trong viễn thám giữ một vai trò quan trọng và có lẽ cũng là ph−ơng pháp cơ bản trong viễn thám hiện đại. Đoán đọc điều vẽ ảnh bằng xử lý số trong viễn thám bao gồm các giai đoạn sau : - Nhập số liệu . Có hai nguồn t− liệu chính đó là ảnh t−ơng tự do các máy chụp ảnh cung cấp và ảnh số do các máy quét cung cấp. Trong tr−ờng hợp ảnh số thì t− liệu ảnh đ−ợc chuyển từ các băng từ l−u trữ mật độ cao HDDT và các băng từ CCT. ở dạng này máy tính nào cũng đọc đ−ợc số liệu. Các ảnh t−ơng tự cũng đ−ợc chuyển thành dạng số thông qua các máy quét. - Khôi phục và hiệu chỉnh ảnh. Đây là giai đoạn mà các tín hiệu số đ−ợc hiệu chỉnh hệ thống nhằm tạo ra một t− liệu ảnh có thể sử dụng đ−ợc. Giai đoạn này th−ờng đ−ợc thực hiện 40 Dùng cho học viên cao học Trắc địa
Công nghệ viễn thám trên các máy tính lớn tại các Trung tâm thu số liệu vệ tinh. - Biến đối ảnh. Các quá trình xử lý nh− tăng c−ờng chất l−ợng, biến đổi tuyến tính là giai đoạn tiếp theo. Giai đoạn này có thể thực hiện trên các máy tính nhỏ nh− máy vi tính trong khuôn khổ của một phòng thí nghiệm. - Phân loại. Phân loại đa phổ để tách các thông tin cần thiết phục vụ việc theo dõi các đối t−ợng hay lập bản đồ chuyên đề là khâu then chốt của việc khai thác t− liệu viễn thám. - Xuất kết quả. Sau khi hoàn tất các khâu xử lý cần phải xuất kết quả. Đ.3.5. Các hệ nhập số liệu Đối với ảnh số thì t− liệu ảnh đ−ợc chuyển từ băng từ l−u trữ mật độ cao HDDT vào băng từ CCT. ở dạng này máy tính nào cũng đọc đ−ợc số liệu. Vì vậy, hệ nhập ảnh mô tả trong phần này đ−ợc coi nh− một hệ chuyển đổi các ảnh t−ơng tự đen trắng hay màu về dạng số. Chức năng cụ thể của từng hệ phục thuộc vào những yếu tố sau: - Kích th−ớc của phim: Kích th−ớc tối đa mà thiết bị có thể chuyển đổi đ−ợc. - Độ phân giải: Mật độ điểm/inch (DPI). - Thang cấp độ xám: Bao nhiêu cấp độ sáng có thể chuyển đổi đ−ợc hay nói cách khác mỗi pixel đầu ra đ−ợc mã mấy bít. - Tốc độ chuyển đổi. - Điều kiện môi tr−ờng: Yêu cầu làm việc trong bóng tối hoàn toàn, trong ánh sáng mờ - Độ chính xác. Loại ảnh có thể chuyển đổi đ−ợc: Film hoặc giấy. Các hệ nhập ảnh nhìn chung đ−ợc thiết kế dựa trên những ph−ơng pháp quét ảnh chính sau: a. Quét cơ học 41 Dùng cho học viên cao học Trắc địa
Công nghệ viễn thám Bức ảnh đ−ợc đặt trên một ống hình trụ và quá trình quét đ−ợc thực hiện bằng việc quay của ống và một tia sáng chiếu từ bên trong ra. Tốc độ quét theo ph−ơng pháp này nói chung không cao nh−ng nó đ−ợc sử dụng rộng rãi vì nó cho phép thực hiện việc chuyển đổi với độ chính xác cao và độ phân giải lớn. b. Máy quay vô tuyến Máy quay vô tuyến đôi khi cũng đ−ợc sử dụng vì giá thành của nó rất rẻ. Tuy vậy nh−ợc điểm của nó là độ phân giải thấp, độ chính xác vị trí không cao và độ phân giải về mầu cũng không cao. c. Buồng chụp CCD Các buồng chụp CCD có −u thế hơn các máy quay vô tuyến vì chúng có độ phân giải cao hơn, chính xác hơn và kích th−ớc cũng bé hơn. Đ−ơng nhiên giá thành của chúng là đắt hơn nhiều lần. d. Buồng chụp CCD mảng tuyến tính Buồng chụp CCD mảng tuyến tính làm việc trên nguyên lý chia đối t−ợng nghiên cứu thành nhiều hàng nhỏ và việc chuyển đổi đ−ợc thực hiện tuần tự theo từng hàng một. Các máy quét làm theo nguyên lý này hiện nay rất phổ cập vì giá thành rẻ, chất l−ợng lại cao. Đ.3.6. Hiệu chỉnh ảnh 1. Hiệu chỉnh ảnh Tất cả các t− liệu số hầu nh− bao giờ cũng chịu một mức độ nhiễu xạ nhất định. Để loại trừ các nhiễu này cần phải thực hiện một số phép tiền xử lý. Khi thu các bức xạ từ mặt đất trên các vật mang vũ trụ, ng−ời ta thấy chúng có một số khác biệt so với tr−ờng hợp quan sát cùng đối t−ợng đó ở khoảng cách gần. Điều này chứng tỏ ở khoảng cách xa nh− vậy tổn tại một l−ợng nhiễu nhất định do góc nghiêng và độ cao mặt trời, một số điều kiện quang học khí quyển nh− sự hấp thụ, tán xạ, độ mù gây ra Chính vì vậy để bảo đảm đ−ợc sự t−ơng đồng nhất định về mặt bức xạ cần phải hiệu chỉnh ảnh. Các nguồn nhiễu bức xạ gồm 3 nhóm chính sau : a. Các nguồn nhiễu do biến đổi độ nhậy của bộ cảm Trong tr−ờng hợp các bộ cảm thuần tuý quang học bao giờ cũng xảy ra tr−ờng hợp c−ờng độ bức xạ tại tâm ảnh lớn hơn tại các góc. Hiện t−ợng này gọi là hiện t−ợng làm mờ ảnh. Đây là một sai lệch không thể tránh khỏi cho các hệ quang học. Khi sử dụng các bộ cảm quang điện tử thì sự chênh lệch 42 Dùng cho học viên cao học Trắc địa
Công nghệ viễn thám giữa c−ờng độ bức xạ tr−ớc ống kính và c−ờng độ mà thiết bị thực sự ghi nhận cũng là một đại l−ợng cần đ−a vào quá trình hiệu chỉnh. b. Các nguồn nhiễu do góc chiếu của mặt trời và do địa hình - Bóng chói mặt trời Bản thân mặt trời tạo bóng chói của mình trên mặt đất d−ới dạng một vùng sáng hơn những vùng khác. Bóng chói mặt trời có thể đ−ợc loại trừ cùng với hiện t−ợng làm mờ ảnh trên nguyên lý ứng dụng chuỗi Furie. - Bóng che Bóng che là hiện t−ợng che khuất nguồn bức xạ do bản thân địa hình. Để có thể loại trừ nó cần có số liệu mô hình số địa hình và toạ độ vật mang tại thời điểm thu tín hiệu. c. Các nguồn nhiễu do trạng thái khí quyển Rất nhiều các hiệu ứng khí quyển khác nhau nh− hấp thụ, phản xạ, tán xạ ảnh h−ởng tới chất l−ợng ảnh thu đ−ợc. Ng−ời ta th−ờng sử dụng các mô hình khí quyển để mô phỏng trạng thái khí quyển và áp dụng các qui luật quang hình học và quang khí quyển để giải quyết vấn đề này. 2. Hiệu chỉnh khí quyển Bức xạ mặt trời trên đ−ờng truyền xuống trái đất bị hấp thụ, tán xạ một l−ợng nhất định tr−ớc khi tới mặt đất và bức xạ, tán xạ từ vật thể cũng bị hấp thụ hay tán xạ tr−ớc khi tới đ−ợc bộ cảm. Do vậy bức xạ mà bộ cảm thu đ−ợc không chỉ chứa riêng năng l−ợng hữu ích mà còn chứa nhiều thành phần nhiễu khác nữa. Hiệu chỉnh khí quyển là một công đoạn tiền xử lý nhằm loại trừ những thành phần bức xạ không mang thông tin hữu ích. Có 3 nhóm ph−ơng pháp chính sử dụng trong hiệu chỉnh khí quyển là: ph−ơng pháp sử dụng hàm truyền khí quyển, ph−ơng pháp sử dụng số liệu quan trắc thực địa và các ph−ơng pháp khác. - Ph−ơng pháp sử dụng hàm truyền khí quyển Ph−ơng pháp sử dụng hàm truyền khí quyển là giải pháp gần đúng hay đ−ợc sử dụng. Mọi thông số dựa trên trạng thái trung bình của khí quyển kể cả hàm l−ợng các hạt bụi lơ lửng và hơi n−ớc. - Ph−ơng pháp sử dụng các số liệu quan trắc thực địa Trong ph−ơng pháp này ng−ời ta tiến hành đo đạc bức xạ các đối t−ợng cần nghiên cứu ngay tại thời điểm bay chụp. Sau đó dựa trên sự khác 43 Dùng cho học viên cao học Trắc địa
Công nghệ viễn thám biệt c−ờng độ bức xạ thu đ−ợc trên vệ tinh và giá trị đo đ−ợc ng−ời ta tiến hành hiệu chỉnh bức xạ. Ph−ơng pháp này cho kết quả rất tốt nh−ng không phải lúc nào và ở đâu cũng thực hiện đ−ợc. - Các ph−ơng pháp khác. Một số vệ tinh đ−ợc trang bị các bộ cảm đặc biệt chuyên thu nhận các tham số trạng thái khí quyển đồng thời với các bộ cảm thu nhận ảnh và việc hiệu chỉnh khí quyển đ−ợc tiến hành ngay trong quá trình bay. 3. Hiệu chỉnh hình học Méo hình hình học là sai lệch vị trí giữa tọa độ ảnh thực tế đo đ−ợc và tọa độ ảnh lý t−ởng thu đ−ợc từ bộ cảm có thiết kế hình học lý t−ởng và trong các điều kiện thu nhận lý t−ởng. Méo hình hình học gồm méo hình nội sai và méo hình ngoại sai. Méo hình nội sai sinh ra do tính chất hình học của bộ cảm và méo hình ngoại sai gây ra do vị trí của vật mang và hình dáng của vật thể. Để đ−a các tọa độ ảnh thực tế về tọa độ ảnh lý t−ởng phải hiệu chỉnh hình học. Bản chất của hiệu chỉnh hình học là xây dựng đ−ợc mối t−ơng quan giữa hệ tọa độ ảnh đo và hệ tọa độ qui chiếu chuẩn. Hệ tọa độ qui chiếu chuẩn có thể là hệ tọa độ mặt đất (hệ tọa độ vuông góc hoặc hệ tọa độ địa lý) hoặc hệ tọa độ ảnh khác. Các trình tự cơ bản của hiệu chỉnh hình học bao gồm : a. Chọn lựa ph−ơng pháp Ph−ơng pháp đ−ợc chọn lựa phải dựa trên bản chất méo hình của t− liệu nghiên cứu và số l−ợng điểm khống chế có thể đ−ợc. b. Xác định các tham số hiệu chỉnh Việc xác định các tham số hiệu chỉnh thông th−ờng dựa trên việc thiết lập các mô hình toán học và các hệ số của mô hình này đ−ợc tính theo ph−ơng pháp bình sai trên cơ sở các điểm đã biết tọa độ ảnh và tọa độ các điểm kiểm tra. Những biến đổi th−ờng sử dụng trong thực tế là : Biến đổi Helmert : x = au + bv + c Số ẩn số là 4 y = - bu + av + d Biến đổi Affine : x = au + bv + c Số ẩn là 6 y = du + ev + f 44 Dùng cho học viên cao học Trắc địa
Công nghệ viễn thám Biến đổi theo phép chiếu hình. a v + a u + a x = 1 2 3 Số ẩn là 8 a 7 u + a 8 +1 a u + a v + a y = 4 5 6 a 7 u + a 8 +1 Biến đổi đa thức : i-1 j-1 x = ∑∑ aiju v i-1 j-1 y = ∑∑ biju v Số ẩn phụ thuộc vào bậc đa thức Đ.3.7. Biến đổi ảnh 1. Tăng c−ờng chất l−ợng và chiết tách đặc tính Tăng c−ờng chất l−ợng ảnh là thao tác chuyển đổi nhằm tăng tính dễ đọc, dễ hiểu của ảnh cho ng−ời đoán đọc điều vẽ. Còn chiết tách đặc tính là thao tác nhằm phân loại, xắp xếp các thông tin có sẵn trong ảnh theo các yêu cầu hoặc chỉ tiêu đ−a ra d−ới dạng các hàm số. a. Tăng c−ờng chất l−ợng ảnh Những phép tăng c−ờng chất l−ợng ảnh th−ờng đ−ợc sử dụng là biến đổi cấp độ xám, biến đổi histogram, tổ hợp màu, biến đổi mầu giữa hai hệ RGB và HSI b. Chiết tách đặc tính Chiết tách đặc tính đ−ợc thực hiện đối với 3 loại đặc tính chính: - Đặc tính phổ: Các màu sắc đặc biệt, gradient, tham số phổ. - Đặc tính hình học: Các cấu trúc đ−ờng, hình dáng, kích th−ớc - Đặc tính cấu trúc: Mẫu, tần suất phân bố không gian, tính đồng nhất 2. Biến đổi cấp độ xám Biến đổi cấp độ xám là một kỹ thuật tăng c−ờng chất l−ợng ảnh đơn giản nhằm biến đổi khoảng giá trị cấp độ xám mà thiết bị hiển thị có khả năng thể hiện đ−ợc. Bằng cách biến đổi này hình ảnh trông sẽ rõ hơn. Có thể thực hiện phép biến đổi này dựa theo quan hệ y = f(x) Trong đó y là giá trị cấp độ xám sau biến đổi và x là giá trị cấp độ xám nguyên thuỷ. Hàm số f có thể là tuyến tính hoặc phi tuyến tính. Th−ờng ng−ời 45 Dùng cho học viên cao học Trắc địa
Công nghệ viễn thám ta sử dụng phép biến đổi tuyến tính và phép biến đổi dựa vào giá trị trung bình. 3. Thể hiện mầu trên t− liệu ảnh Để thể hiện mầu trên t− liệu ảnh viễn thám ng−ời ta phải tổ hợp mầu và hiện màu giả. a. Tổ hợp mầu Một bức ảnh mầu có thể đ−ợc tổ hợp trên cơ sở gán 3 kênh phổ nào đó cho 3 mầu cơ bản. Có hai ph−ơng pháp trộn mầu đó là cộng mầu và trừ mầu. Trên hình 3.1 chỉ ra sơ đồ nguyên lý của việc trộn mầu. Chàm Lam Lam Tím Lục Chàm Trắng Đen Lục Đỏ Vàng Tím Vàng Đỏ a. Tổ hợp cộng mầu b. Tổ hợp trừ mầu Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý của việc trộn mầu. Nếu ta chia toàn bộ dải sóng nhìn thấy thành 3 vùng cơ bản là đỏ, lục, chàm và sau đó lại dùng ánh sáng trắng chiếu qua kính lọc đỏ, lục, chàm t−ơng ứng ta thấy hầu hết các mầu tự nhiên đều đ−ợc khôi phục lại. Ph−ơng pháp tổ hợp mầu đó đ−ợc gọi là ph−ơng pháp tổ hợp mầu tự nhiên. Trong viễn thám, các kênh phổ không đ−ợc chia đều trong dải sóng nhìn thấy nên không thể tái tạo lại đ−ợc các mầu tự nhiên mặc dù cũng sử dụng 3 mầu cơ bản đỏ, lục, chàm. Tổ hợp mầu nh− vậy đ−ợc gọi là tổ hợp mầu giả. Tổ hợp mầu giả thông dụng nhất trong viễn thám là tổ hợp mầu giả khi gán mầu đỏ cho kênh hồng ngoại, mầu lục cho kênh đỏ và mầu chàm cho kênh lục. Trên tổ hợp mầu này các đối t−ợng đ−ợc thể hiện theo các gam mầu chuẩn nh− thực vật có mầu đỏ. Với các mức độ khác nhau của màu đỏ thể hiện mức độ dày đặc của thảm thực vật. b. Hiện mầu giả Tổ hợp mầu chỉ thực hiện đ−ợc trong tr−ờng hợp có 3 kênh phổ trở lên. Trong tr−ờng hợp chỉ có một kênh phổ, để có thể thể hiện đ−ợc trong không gian màu ng−ời ta sử dụng ph−ơng pháp hiện màu giả, trong ph−ơng pháp này ứng với một khoảng cấp độ xám nhất định sẽ đ−ợc gán một màu nào đó. Cách 46 Dùng cho học viên cao học Trắc địa
Công nghệ viễn thám gán mầu nh− vậy không có qui luật nào cả và hoàn toàn phụ thuộc vào ng−ời thiết kế. Thông th−ờng cách này hay đ−ợc sử dụng cho ảnh sau phân loại, ảnh chỉ số thực vật, ảnh nhiệt Hình 3.2 minh hoạ việc tổ hợp và hiện mầu giả. Chàm Lục Đỏ Mầu Phản xạ phổ của thực vật 0 0 0 Đen 127 127 127 Xám 255 255 255 Trắng 255 0 0 Chàm 0 255 0 Lục 0 0 255 Đỏ 255 255 0 Lam 255 0 0 Tím Chàm Lục Đỏ Hồng ngoại 0 255 255 Vàng Ví dụ về tổ hợp màu Chàm Lam Lục Vàng lục Vàng Da cam Đỏ Tím Lục Độ chói Độ Đỏ Tông màu Ví dụ về hiện màu giả Hình 3.2 4. Các phép biến đổi giữa các ảnh Các phép biến đổi giữa các kênh của một ảnh hoặc giữa các ảnh chụp tại nhiều thời điểm khác nhau rất hữu ích cho việc tăng c−ờng chất l−ợng và chiết tách đặc tính. Có hai nhóm biến đổi chính là biến đổi số học và biến đổi logic. a. Biến đổi số học Các phép biến đổi số học dựa trên các phép tính cộng, trừ, nhân, chia và sự phối hợp giữa chúng đ−ợc sử dụng cho nhiều mục đích kể cả loại trừ một số loại nhiễu. Kết quả của một số phép biến đổi th−ờng không là số nguyên mà là số thực, cho nên lại phải chuyển chúng về không gian số nguyên dựa trên các phép tăng c−ờng chất l−ợng. b. Các phép biên đổi logic 47 Dùng cho học viên cao học Trắc địa
Công nghệ viễn thám Các phép biến đổi logic sử dụng các toán tử OR và toán tử AND nhiều trong việc phân tích t− liệu đa thời gian hoặc để chồng ảnh lên bản đồ. 5. Phân tích cấu trúc Cấu trúc là một tập hợp liên kết của các hình mẫu nhỏ đ−ợc lặp lại một cách đều đặn. Trong thực tế đoán đọc điều vẽ bằng mắt, ng−ời đoán đọc điều vẽ th−ờng cảm nhận đ−ợc các cấu trúc mịn, trơn hoặc sần sùi khi đoán đọc điều vẽ các thảm rừng hoặc các cấu trúc cành cây khi đoán đọc điều vẽ mạng l−ới thuỷ văn Phân tích cấu trúc là việc phân loại hay chia tách các đặc tính cấu trúc trên ảnh trong mối liên quan tới hình dáng các hình mẫu cơ bản, mật độ và l−ợng phân bố của chúng. Trong đoán đọc điều vẽ bằng mắt, việc cảm nhận các cấu trúc và phân loại chúng do ng−ời đoán đọc điều vẽ thực hiện. Bộ óc ng−ời có khả năng khái quát, nhận biết và tổng hợp các cấu trúc một cách tuyệt vời cho nên kết quả th−ờng đ−ợc chấp nhận. Trong khi đó việc đoán đọc điều vẽ bằng máy tính do khả năng định nghĩa các cấu trúc về mặt toán học gặp rất nhiều khó khăn, khả năng l−u trữ thông tin trong bộ nhớ còn hạn chế, khả năng các ngôn ngữ lập trình cho phép thực hiện các t− duy t−ơng tự con ng−ời trong quá trình khái quát, tổng hợp còn quá ít cho nên việc tự động phân tích cấu trúc trên máy tính ít nhiều vẫn ch−a mang lại kết quả nh− mong muốn. Tuy vậy, ng−ời ta vẫn thực hiện việc phân loại cấu trúc dựa trên các kỹ thuật phân tích thống kê và phân tích chuỗi phổ. a. Phân tích thống kê dựa trên ma trận n*n Các chỉ số sau của ma trận đ−ợc coi nh− các thông tin cấu trúc. - Khoảng cấp độ sáng của histogram. - Ma trận ph−ơng sai - hiệp ph−ơng sai. - Ma trận nén cốt chạy. Các tham số này đ−ợc sử dụng chung với các thông tin phổ khác trong quá trình phân loại. b. Phân tích chuỗi phổ Các cấu trúc đ−ợc phân tích dựa trên việc ứng dụng chuỗi Furie nhằm tìm ra các thành phần phân bố theo các h−ớng, mật độ. 48 Dùng cho học viên cao học Trắc địa
Công nghệ viễn thám Đ.3.8. Phân loại đa phổ 1. Khái niệm Mục đích tổng quát của phân loại đa phổ là tự động phân loại tất cả các pixel trong ảnh thành các lớp phủ đối t−ợng. Thông th−ờng ng−ời ta sử dụng các dữ liệu đa phổ để phân loại và tất nhiên, mẫu phổ trong cơ sở dữ liệu đối với mỗi pixel sẽ đ−ợc dùng làm cơ sở để phân loại. Có nghĩa là, các kiểu đặc tr−ng khác nhau biểu thị các tổ hợp DN dựa trên sự bức xạ phổ và đặc tr−ng bức xạ vốn có của chúng. Vì vậy một "mẫu phổ" không nói đến tính chất hình học mà đúng hơn, thuật ngữ "phổ" ở đây nói đến một tập hợp giá trị đo bức xạ thu đ−ợc trong các kênh phổ khác nhau đối với mỗi pixel. Việc nhận biết mẫu phổ đề cập đến một số ph−ơng pháp phân loại có sử dụng thông tin phổ trên các pixel làm cơ sở để tự động phân loại các lớp đối t−ợng. Nhận biết mẫu phổ theo không gian bao gồm phân loại pixel hình ảnh dựa trên cơ sở quan hệ không gian của chúng với các pixel bao quanh. Việc phân loại không gian có thể xem xét những khía cạnh nh− cấu trúc của hình ảnh tính chất gần gũi của pixel, kích th−ớc nét, hình ảnh, tính định h−ớng, tính lặp lại và bối cảnh cụ thể. Những dạng phân loại này có mục đích là tái tạo loại hình tổng hợp theo không gian do ng−ời giải đoán tiến hành trong quá trình đoán đọc ảnh bằng mắt. Do đó ph−ơng thức nhận biết mẫu theo không gian có xu h−ớng phức tạp hơn và đòi hỏi đi sâu vào tính toán hơn. Nhận biết mẫu theo thời gian sử dụng thời gian nh− một công cụ trợ giúp trong việc nhận dạng các đặc tr−ng. Trong việc khảo sát các cây trồng nông nghiệp chẳng hạn, những thay đổi khác biệt về phổ và không gian trong một vụ canh tác có thể cho phép phân biệt trên các hình ảnh đa thời gian nh−ng không thể phân biệt đ−ợc nếu chỉ cho một dữ liệu mà thôi. Chẳng hạn, một ruộng lúa n−ơng có thể không thể phân biệt đ−ợc với đất hoang nếu vừa mới gieo xong ở mùa đông và về ph−ơng diện phổ nó sẽ t−ơng tự nh− bãi đất hoang ở mùa xuân. Tuy nhiên nếu đ−ợc phân tích từ hai dữ liệu thì ruộng lúa n−ơng nhận biết đ−ợc, bởi vì không có lớp phủ nào khác để hoang về cuối đông và có màu xanh lục ở cuối mùa xuân. Với việc khôi phục lại hình ảnh và các kỹ thuật tăng c−ờng, việc phân loại hình ảnh có thể sử dụng kết hợp theo kiểu lai tạo. Do vậy, không có một 49 Dùng cho học viên cao học Trắc địa
Công nghệ viễn thám cách "đúng đắn" đơn lẻ nào có thể áp dụng cho việc phân loại hình ảnh. Việc áp dụng ph−ơng pháp phân loại này hay ph−ơng pháp phân loại khác phụ thuộc vào tính chất của dữ liệu đang phân tích và vào khả năng tính toán. Có hai ph−ơng pháp phân loại đa phổ, đó là ph−ơng pháp phân loại có kiểm định và ph−ơng pháp phân loại không kiểm định. Trong ph−ơng pháp phân loại có kiểm định ng−ời giải đoán ảnh sẽ "kiểm tra" quá trình phân loại pixel bằng việc quy định cụ thể theo thuật toán máy tính, các chữ số mô tả bằng số các thể loại lớp phủ mặt đất khác nhau có mặt trên một cảnh. Để làm việc này, các điểm lấy mẫu đại diện của loại lớp phủ đã biết (gọi là các vùng mẫu) đ−ợc sử dụng để biên tập thành một "khóa giải đoán" bằng số mô tả các thuộc tính phổ cho mỗi thể loại điển hình. Sau đó mỗi pixel trong tập hợp dữ liệu sẽ đ−ợc so sánh với mỗi chủng loại trong khóa giải đoán và đ−ợc gán nhãn bằng tên của chủng loại mà nó "có vẻ giống nhất". Còn ph−ơng pháp phân loại không kiểm định không giống nh− ph−ơng pháp phân loại có kiểm định, quy trình phân loại không kiểm định gồm hai b−ớc riêng biệt. Điểm khác biệt cơ bản giữa hai ph−ơng pháp này là ở chỗ ph−ơng pháp phân loại có kiểm định bao gồm b−ớc lấy mẫu và b−ớc phân loại, còn trong ph−ơng pháp phân loại không kiểm định, tr−ớc tiên dữ liệu ảnh đ−ợc phân loại bằng cách nhóm chúng thành các nhóm tự nhiên hoặc thành các cụm có mặt trên cảnh. Sau đó ng−ời giải đoán ảnh sẽ xác định tính đồng nhất của lớp phủ mặt đất của các nhóm phổ này bằng cách so sánh các dữ liệu hình ảnh đã phân loại với các dữ liệu tham khảo mặt đất. 2. Phân loại có kiểm định Hình 3.3 tóm tắt 3 b−ớc cơ bản trong ph−ơng pháp phân loại có kiểm định. Trong giai đoạn lấy mẫu ng−ời giải đoán sẽ nhận dạng các vùng đại diện và nghiên cứu cách mô tả bằng số các thuộc tính về phổ của mỗi loại lớp phủ mặt đất trong cảnh này. Tiếp theo, trong giai đoạn phân loại mỗi pixel trong tập hợp dữ liệu hình ảnh đ−ợc phân thành các loại lớp phủ mặt đất mà nó gần giống nhất. Nếu pixel không giống với bất kỳ tập dữ liệu nào thì nó đ−ợc gán nhãn "ch−a biết". Nhãn phân loại gán cho mỗi pixel trong quá trình này đ−ợc ghi lại trong ô t−ơng ứng của tập dữ liệu giải đoán. Nh− vậy, ma trận ảnh 50 Dùng cho học viên cao học Trắc địa
Công nghệ viễn thám nhiều chiều này đ−ợc sử dụng để xây dựng một ma trận t−ơng ứng của các loại lớp phủ mặt đất cần giải đoán. Sau khi đã phân loại toàn bộ dữ liệu, các kết quả đ−ợc trình bày trong giai đoạn đ−a ra kết quả. Do việc phân loại bằng số, cho nên kết quả có thể sử dụng theo nhiều cách khác nhau. Ba dạng điển hình của kết quả đầu ra là bản đồ chuyên đề, bảng thống kê diện tích toàn cảnh hoặc phân cảnh cho các loại lớp phủ mặt đất khác nhau, và các file dữ liệu bằng số để đ−a vào hệ thống thông tin địa lý GIS, khi đó "kết quả đầu ra" của việc phân loại trở thành "đầu vào" của GIS. Tập hợp dữ liệu ảnh Pixel (3,7) Tập hợp phân loại nhóm số/1 pixel (Nhóm số đ−ợc đặt bằng loại) F N−ớc (W) F F F F F F F F F F F F F F F F F F F C Cát (S) F F F F F F F F C C DN1 S S F F F F F U C C Rừng (F) W S F F F U U C C DN2 W DN3 W W S F F F F U C C Đô thị (U) DN4 W W W S F F F U U C DN Kênh 1 5 W W W S F F F F U F 2 Ngô (C) W W W W S F F F F F 3 4 W W W W S F F F F F 5 Cỏ CN(H) Giai đoạn lấy mẫu (1) Giai đoạn phân loại (2) Giai đoạn đ−a ra kết quả (3) Thu thập dữ liệu số từ So sánh các pixel ch−a biết Kết quả đ−a ra: vùng mẫu phản xạ phổ với mẫu phổ; Quy về chủng - Bản đồ của các loại đối t−ợng loại gần giống nhau - Bảng dữ liệu - Các file dữ liệu số. Hình 3.3. Các b−ớc cơ bản trong ph−ơng pháp phân loại có kiểm định. a. Giai đoạn lấy mẫu Trong khi việc phân loại dữ liệu ảnh đa phổ là một quá trình tự động hóa cao thì việc lắp ráp thu thập các dữ liệu mẫu cần cho việc phân loại là một công việc không có tính chất tự động. Việc lấy mẫu cho việc phân loại có kiểm định vừa có tính chất nghệ thuật vừa có tính chất khoa học. Nó đòi hỏi một dữ liệu tham khảo đáng kể và một tri thức sâu sắc toàn diện về khu vực mà dữ liệu đó sẽ áp dụng. Chất l−ợng của quá trình lấy mẫu sẽ quyết định thành công của giai đoạn phân loại. Mục đích chung của quá trình lấy mẫu là thu thập một tập hợp thống kê mô tả mẫu phổ cho mỗi loại lớp phủ mặt đất cần phân loại trong một ảnh. 51 Dùng cho học viên cao học Trắc địa
Công nghệ viễn thám Để có đ−ợc kết quả phân loại đúng, dữ liệu mẫu cần phải vừa đặc tr−ng vừa đầy đủ. Có nghĩa là, ng−ời giải đoán ảnh cần phải nghiên cứu xây dựng các số liệu thống kê mẫu cho mọi loại phổ tạo thành mỗi lớp thông tin cần phân biệt bằng ph−ơng pháp phân loại. Chẳng hạn, trong kết quả phân loại cuối cùng, ng−ời ta muốn chỉ ra một loại thông tin là "n−ớc", nếu hình ảnh đang phân tích chỉ chứa có một vùng n−ớc và nếu nó có cùng đặc tr−ng phổ thu nhận trên toàn bộ diện tích của nó, khi đó chỉ cần một vùng lấy mẫu là đủ để biểu thị là n−ớc. Tuy nhiên, nếu vùng diện tích n−ớc đó lại chứa những khu vực khác nhau: nơi thì n−ớc rất trong, nơi thì n−ớc rất đục, thì tối thiểu phải cần ít nhất là 2 loại phổ để làm mẫu thích hợp cho nét đặc tr−ng này. Nếu có nhiều vùng n−ớc xuất hiện trên ảnh, thì các thống kê vùng mẫu cần thiết đối với mỗi loại phổ khác có thể có mặt trong các vùng phủ n−ớc. Theo đó, chỉ riêng loại thông tin về "n−ớc", có thể đ−ợc đại diện bởi 4 hoặc 5 loại phổ. Khi đó 4 hoặc 5 loại phổ này có thể đ−ợc sử dụng để phân loại tất cả các vùng n−ớc xuất hiện trên ảnh. Bây giờ ta thấy rõ lấy mẫu là quá trình hoàn toàn không thể thiếu đ−ợc. Chẳng hạn, một loại thông tin nh− "đất nông nghiệp" có thể chứa nhiều loại cây trồng và mỗi loại cây trồng có thể đ−ợc đại diện bởi một số loại phổ. Những loại phổ này có thể bắt nguồn từ những ngày (tháng) trồng cây khác nhau, các điều kiện độ ẩm đất đai, cách canh tác, các chủng loại giống, các điều kiện địa hình, các điều kiện khí quyển hoặc tổ hợp các yếu tố đó. Điểm cần nhấn mạnh là tất cả các loại phổ tạo thành một loại thông tin cần phải đ−ợc đại diện thích hợp trong các thống kê của tập hợp vùng mẫu sử dụng để phân loại hình ảnh. Quá trình lựa chọn bộ mẫu đối với ng−ời giải đoán ảnh ch−a có kinh nghiệm th−ờng là một nhiệm vụ khó khăn. Ng−ời giải đoán xây dựng, nghiên cứu các số liệu thống kê đối với các loại phổ không "chồng phủ" lên nhau có mặt trong một cảnh t−ợng ít khó khăn hơn. Nếu có vấn đề, thì th−ờng là do bắt nguồn từ các loại phổ trên ranh giới giữa "các loại quá độ" hoặc các loại "chồng phủ". Trong những tr−ờng hợp đó, tác động của việc xóa bỏ hoặc tập hợp các thể loại mẫu có thể kiểm tra bằng cách thử - tìm sai sót (thử, tìm sai sót lại tiến hành thử, tìm rà soát cứ thế tiếp tục). Trong quá trình này kích th−ớc của mẫu, các ph−ơng sai về phổ, tính chuẩn và đặc tính nhận dạng của 52 Dùng cho học viên cao học Trắc địa
Công nghệ viễn thám các bộ mẫu cần phải đ−ợc kiểm tra lại. Các chủng loại rất ít xuất hiện trên ảnh bị loại bỏ khỏi bộ mẫu để cho chúng không bị nhầm lẫn với các loại xuất hiện phổ biến trên diện rộng. Có nghĩa là, ng−ời giải đoán ảnh có thể chấp nhận phân loại sai đối với một loại hiếm xuất hiện trên ảnh để đảm bảo độ chính xác phân loại của một loại t−ơng tự về phổ th−ờng xuất hiện trên những diện tích rộng. Ngoài ra, ph−ơng pháp phân loại có thể đầu tiên nghiên cứu xây dựng bằng cách chấp nhận một tập hợp các loại có thông tin chi tiết. Sau khi nghiên cứu các kết quả phân loại thực tế, ng−ời giải đoán ảnh có thể tổng hợp một số loại chi tiết thành loại có tính khái quát hơn (ví dụ loại "cây xoan" và "cây bàng" có thể tổng hợp lại thành loại cây "rụng lá về mùa đông" hoặc đất trồng "ngô" và "cỏ chăn nuôi" thành đất canh tác). L−u ý, việc chọn lọc bộ mẫu là biện pháp để nâng cao độ chính xác phân loại. Tuy nhiên, nếu một loạì lớp phủ nào đó xuất hiện trên một ảnh có những mẫu phản xạ phổ t−ơng tự, thì không thể dùng vùng mẫu đó hoặc chọn lọc để làm cho chúng có thể tách biệt về phổ. Khi đó để phân biệt các loại lớp phủ này phải đoán đọc bằng mắt hoặc kiểm tra ngoại nghiệp. Các quy trình đoán đọc mẫu đa thời gian và không gian cũng có thể áp dụng trong những tr−ờng hợp này. b. Giai đoạn phân loại Bản chất của quá trình này là so sánh các pixel ch−a biết với mẫu phổ của các đối t−ợng đ−ợc xây dựng ở giai đoạn lấy mẫu, sau đó quy các pixel này về loại đối t−ợng mà chúng gần giống nhất. Việc phân loại đa phổ trong ph−ơng pháp phân loại có kiểm định th−ờng dùng các thuật toán sau: - Thuật toán phân loại theo xác suất cực đại. - Thuật toán phân loại theo khoảng cách ngắn nhất. - Thuật toán phân loại hình hộp. Các thuật toán này sẽ đ−ợc giới thiệu tỷ mỷ trong ch−ơng 6. 3. Phân loại không kiểm định Cách phân loại không kiểm định không sử dụng dữ liệu mẫu làm cơ sở để phân loại, mà dùng các thuật toán để xem xét các pixel ch−a biết trên một 53 Dùng cho học viên cao học Trắc địa
Công nghệ viễn thám ảnh và kết hợp chúng thành một số loại dựa trên các nhóm tự nhiên hoặc các loại tự nhiên có trong ảnh. Nguyên lý cơ bản của ph−ơng pháp này là các giá trị phổ trong một loại lớp phủ phải gần giống nhau trong không gian đo, trong lúc các dữ liệu của các loại khác nhau phải đ−ợc phân biệt rõ với nhau về ph−ơng diện phổ. Các loại thu đ−ợc do việc phân loại không kiểm định gọi là các lớp phổ. Do chỗ chúng chỉ dựa trên các nhóm tự nhiên có trong ảnh, đặc điểm nhận dạng của các loại phổ lúc ban đầu ch−a biết nên ng−ời giải đoán phải so sánh các dữ liệu đã đ−ợc phân loại với một dạng nào đó của dữ liệu tham khảo (chẳng hạn ảnh tỉ lệ lớn hơn hoặc bản đồ) để xác định đặc điểm nhận dạng và giá trị thông tin của các loại phổ. Nh− vậy, trong ph−ơng pháp phân loại có kiểm định, chúng ta xác định các loại thông tin hữu ích và sau đó xem xét khả năng phân tích phổ của chúng còn trong ph−ơng pháp phân loại không kiểm định chúng ta xác định các loại tách đ−ợc phổ và sau đó xác định thông tin hữu ích của chúng. Trong ph−ơng pháp phân loại có kiểm định chúng ta không xem xét đến việc lấy mẫu cho loại đối t−ợng bị phân loại sai. Điều đó cho thấy −u điểm của ph−ơng pháp phân loại không kiểm định là xác định rõ các loại khác nhau có mặt trong dữ liệu hình ảnh. Nhiều trong số các loại này có thể đầu tiên ch−a xuất hiện đối với ng−ời giải đoán dùng ph−ơng pháp phân loại có kiểm định. Các loại phổ trong một cảnh t−ợng có thể có quá nhiều làm cho ta gặp khó khăn khi lấy mẫu cho tất cả các loại của chúng, còn trong ph−ơng pháp phân loại không kiểm định các loại này đ−ợc tự động tìm thấy. Có nhiều thuật toán để nhóm chúng lại nhằm xác định các nhóm phổ tự nhiên có trong tập dữ liệu. Một dạng thuật toán phổ biến do ng−ời giải đoán chấp nhận về số l−ợng các nhóm có trong dữ liệu gọi là ph−ơng pháp giá trị trung bình K. Khi đó thuật toán sẽ lựa chọn hoặc phát hiện vị trí các trung tâm của nhóm trong không gian đo nhiều chiều. Lúc đó mỗi pixel trong ảnh đ−ợc gán cho nhóm mà véc tơ trung bình tùy chọn là ngắn nhất. Sau khi tất cả các pixel đã đ−ợc phân loại theo cách đó, các véc tơ trung bình đối với mỗi nhóm sẽ đ−ợc tính toán lại. Sau đó các giá trị trung bình đ−ợc tính toán lại này sẽ đ−ợc sử dụng làm cơ sở để phân loại lại các dữ liệu của hình ảnh. Quy trình này tiếp tục cho đến lúc không còn thay đổi trong việc định vị các véc tơ trung 54 Dùng cho học viên cao học Trắc địa
Công nghệ viễn thám bình của loại giữa các lần lặp của thuật toán. Khi đó, ng−ời giải đoán sẽ xác định đ−ợc đặc điểm nhận dạng lớp phủ của mỗi loại phổ. Do thuật toán giá trị trung bình K có tính lặp cho nên phải tính toán nhiều vì vậy, nó th−ờng chỉ sử dụng cho các vùng diện tích nhỏ của ảnh. Các vùng diện tích nhỏ đó th−ờng gọi là các vùng mẫu không kiểm định và không nên nhầm lẫn với các vùng mẫu sử dụng trong ph−ơng pháp phân loại có kiểm định bởi vì trong khi các vùng mẫu có kiểm định nằm trong các miền có chủng loại lớp phủ đồng nhất thì các vùng mẫu không kiểm định lại đ−ợc chọn ở các địa điểm khác nhau trên toàn cảnh có chứa nhiều loại lớp phủ. Điều này đảm bảo cho mọi loại phổ trong cảnh t−ợng đó đ−ợc đại diện một cách độc lập và các loại phổ của các vùng khác nhau đ−ợc phân tích để xác định đặc điểm nhận dạng chúng. Các nhóm t−ơng tự giống nhau biểu thị các loại lớp phủ giống nhau đ−ợc kết hợp lại với nhau khi thích hợp. Các số liệu thống kê đ−ợc nghiên cứu cho các nhóm kết hợp sử dụng để phân loại toàn bộ cảnh t−ợng (ví dụ bằng thuật toán khoảng cách tối thiểu hoặc xác suất cực đại). Do ph−ơng pháp phân loại này đòi hỏi các yếu tố của phân tích có kiểm định cũng nh− không kiểm định cho nên nó đ−ợc gọi là ph−ơng pháp phân loại hỗn hợp. Cách phân loại hỗn hợp đặc biệt có giá trị trong những phân tích mà trong đó có biến thiên phức tạp trong các mẫu phản xạ phổ đối với các loại lớp phủ. Những điều kiện này hoàn toàn có tính phổ biến trong thực tế nh− làm bản đồ thực vật ở các vùng núi. Trong những điều kiện đó, khả năng biến thiên về phổ trong phạm vi các loại lớp phủ th−ờng bắt nguồn từ thay đổi các loại lớp phủ theo giống loài và từ các điều kiện địa lý khác nhau (thổ nh−ỡng, độ dốc). Cách phân loại hỗn hợp giúp ng−ời giải đoán ảnh xử lý khả năng thay đổi đó. Một cách tiếp cận chung khác nữa đối với phân loại không kiểm định là sử dụng các thuật toán đ−a vào độ nhậy cảm đối với "cấu tạo bề mặt" hoặc "độ thô" của hình ảnh làm cơ sở để xác lập các tâm của nhóm. Cấu tạo bề mặt đ−ợc xác định bằng ph−ơng sai nhiều chiều quan trắc trên một ô "cửa sổ" chuyển động đi qua ảnh (chẳng hạn một ô 3 x 3). Ng−ời giải đoán sẽ đặt một ng−ỡng ph−ơng sai mà d−ới ng−ỡng đó một ô đ−ợc xem là đồng nhất và trên ng−ỡng đó nó đ−ợc xem là không đồng nhất. Số trung bình của cửa sổ trơn đầu tiên gặp trên ảnh sẽ trở thành tâm của nhóm đầu tiên. Số trung bình của 55 Dùng cho học viên cao học Trắc địa
Công nghệ viễn thám cửa sổ trơn thứ hai gặp trên ảnh sẽ trở thành tâm của nhóm thứ hai và cứ thế tiếp tục. Khi đạt tới số l−ợng tối đa (chẳng hạn 50), thì ng−ời giải đoán sẽ xem các khoảng cách giữa các tâm nhóm tr−ớc đó trong không gian trị đo và nhập hai nhóm gần nhất đó đồng thời kết hợp các số liệu thống kê của chúng. Ng−ời giải đoán tiếp tục kết hợp hai nhóm gần nhất sau đó cho đến khi toàn bộ ảnh đ−ợc phân tích xong. Sau đó phân tích các tâm nhóm mới để xác định khả năng phân loại chúng trên cơ sở khoảng cách thống kê do ng−ời giải đoán qui định. Những nhóm đã đ−ợc tách ra do nhỏ hơn khoảng cách đó đ−ợc kết hợp lại và số liệu thống kê của chúng đ−ợc nhập lại với nhau. Các nhóm cuối cùng thu đ−ợc từ kết quả phân tích nh− trên đ−ợc sử dụng để phân loại hình ảnh (chẳng hạn, với ph−ơng pháp phân loại dùng khoảng cách tối thiểu hoặc xác suất cực đại). Dữ liệu từ các vùng mẫu có kiểm định đôi khi đ−ợc sử dụng để tăng thêm các kết quả của ph−ơng pháp nhóm lại nói trên khi một số loại lớp phủ ch−a đặc tr−ng trong phân tích thuần tuý không kiểm định. Đ−ờng xá và các đặc tr−ng hình tuyến khác không đ−ợc hiển thị trong thống kê tạo nhóm lúc ban đầu nếu các đặc tr−ng này không có để đáp ứng tiêu chuẩn độ trơn trong ô cửa sổ chuyển động. Cần l−u ý là kết quả của việc làm này chỉ là sự nhận dạng đúng các loại khác nhau về ph−ơng diện phổ trong dữ liệu hình ảnh. Ng−ời giải đoán vẫn còn phải sử dụng dữ liệu tham khảo để liên kết các loại phổ với các thể loại lớp phủ cần quan tâm. Quá trình này, giống nh− b−ớc chọn lọc bộ mẫu trong phân loại có kiểm định. Đ.3.9. Giai đoạn đ−a ra kết quả Công dụng của bất kỳ ph−ơng pháp phân loại hình ảnh nào cuối cùng sẽ phụ thuộc vào sản phẩm các kết quả đ−a ra mà chuyển tải một cách hữu hiệu thông tin đ−ợc giải đoán cho ng−ời sử dụng. ở đây, ranh giới giữa viễn thám, bản đồ máy tính, làm bản đồ số và hệ thống thông tin địa lý bị xóa nhòa. Có thể lựa chọn một cách không hạn chế các sản phẩm đầu ra. Ba dạng tổng quát th−ờng đ−ợc sử dụng, bao gồm các sản phẩm "bản đồ" đồ họa, các bảng số liệu thống kê khu vực và các file dữ liệu bằng số. 1. Các sản phẩm đồ họa 56 Dùng cho học viên cao học Trắc địa
Công nghệ viễn thám Bởi vì các dữ liệu đ−ợc phân loại nằm d−ới dạng mảng dữ liệu hai chiều, kết quả đồ họa dễ dàng đ−ợc đ−a ra bằng máy vi tính bằng cách hiển thị các màu các tông hoặc các chữ cho mỗi ô trong mảng theo loại lớp phủ đối t−ợng đã đ−ợc gán cho. Có thể sử dụng một loạt thiết bị cho mục đích này nh− các màn hình thể hiện mầu, các máy in, các máy ghi phim và các máy quét cỡ lớn. Những cách hiển thị đó trình bày các kết quả phân loại một cách rất hữu hiệu và ng−ời phân tích có thể chọn cách hiển thị một cách t−ơng tác chỉ các tập con (tập hợp con) của file ban đầu hoặc dễ dàng thay đổi cách gán mầu sắc, tạo nhóm các loài Khi muốn có sản phẩm đầu ra copy giấy đối với các dữ liệu trên có thể sử dụng máy in tĩnh điện hoặc in laze. Các bản in ra có thể là trắng đen hoặc in mầu. Ta cũng có thể sử dụng máy chụp phim mầu hoặc scanner laze để sản xuất các bản in cứng có độ chính xác cao về mầu và hình học. 2. Các dữ liệu đ−a ra bằng bảng Một hình thức chung nữa về kết quả đầu ra là dùng một bảng liệt kê tóm tắt các số liệu thống kê về diện tích của các loại lớp phủ có mặt trên cảnh t−ợng hoặc trong các diện tích nhỏ hơn cảnh t−ợng mà ng−ời sử dụng đã xác định. Ta có thể rút ra các số liệu thống kê về diện tích từ file dữ liệu đã giải đoán dựa theo từng ô l−ới. Tr−ớc hết ranh giới của một vùng đang quan tâm (nh− là một l−u vực, thung lũng hoặc một tỉnh) đ−ợc số hóa đối với các tọa độ ma trận ảnh. Trong ranh giới đó, số l−ợng các ô trong mỗi loại lớp phủ sẽ đ−ợc lập bảng và nhân với diện tích mặt đất của một ô t−ơng ứng. Quá trình này đơn giản hơn việc đo thủ công các vùng trên một bản đồ và là −u điểm chủ yếu của xử lý dữ liệu lớp phủ mặt đất d−ới dạng số. 3. Các file thông tin bằng số Một thể loại cuối cùng để đ−a ra kết quả là các file dữ liệu đã giải đoán chứa các kết quả phân loại đ−ợc ghi lại trên một số ph−ơng tiện l−u trữ bằng máy tính (chẳng hạn CCT hoặc đĩa). Dữ liệu đ−ợc giải đoán d−ới dạng này, có thể dễ dàng nhập vào hệ thống GIS để hòa nhập với các file dữ liệu địa lý khác. 57 Dùng cho học viên cao học Trắc địa
Công nghệ viễn thám Bởi vì các dữ liệu đ−ợc phân loại nằm d−ới dạng mảng dữ liệu hai chiều, kết quả đồ họa dễ dàng đ−ợc đ−a ra bằng máy vi tính bằng cách hiển thị các màu các tông hoặc các chữ cho mỗi ô trong mảng theo loại lớp phủ đối t−ợng đã đ−ợc gán cho. Có thể sử dụng một loạt thiết bị cho mục đích này nh− các màn hình thể hiện mầu, các máy in, các máy ghi phim và các máy quét cỡ lớn. Những cách hiển thị đó trình bày các kết quả phân loại một cách rất hữu hiệu và ng−ời phân tích có thể chọn cách hiển thị một cách t−ơng tác chỉ các tập con (tập hợp con) của file ban đầu hoặc dễ dàng thay đổi cách gán mầu sắc, tạo nhóm các loài Khi muốn có sản phẩm đầu ra copy giấy đối với các dữ liệu trên có thể sử dụng máy in tĩnh điện hoặc in laze. Các bản in ra có thể là trắng đen hoặc in mầu. Ta cũng có thể sử dụng máy chụp phim mầu hoặc scanner laze để sản xuất các bản in cứng có độ chính xác cao về mầu và hình học. 2. Các dữ liệu đ−a ra bằng bảng Một hình thức chung nữa về kết quả đầu ra là dùng một bảng liệt kê tóm tắt các số liệu thống kê về diện tích của các loại lớp phủ có mặt trên cảnh t−ợng hoặc trong các diện tích nhỏ hơn cảnh t−ợng mà ng−ời sử dụng đã xác định. Ta có thể rút ra các số liệu thống kê về diện tích từ file dữ liệu đã giải đoán dựa theo từng ô l−ới. Tr−ớc hết ranh giới của một vùng đang quan tâm (nh− là một l−u vực, thung lũng hoặc một tỉnh) đ−ợc số hóa đối với các tọa độ ma trận ảnh. Trong ranh giới đó, số l−ợng các ô trong mỗi loại lớp phủ sẽ đ−ợc lập bảng và nhân với diện tích mặt đất của một ô t−ơng ứng. Quá trình này đơn giản hơn việc đo thủ công các vùng trên một bản đồ và là −u điểm chủ yếu của xử lý dữ liệu lớp phủ mặt đất d−ới dạng số. 3. Các file thông tin bằng số Một thể loại cuối cùng để đ−a ra kết quả là các file dữ liệu đã giải đoán chứa các kết quả phân loại đ−ợc ghi lại trên một số ph−ơng tiện l−u trữ bằng máy tính (chẳng hạn CCT hoặc đĩa). Dữ liệu đ−ợc giải đoán d−ới dạng này, có thể dễ dàng nhập vào hệ thống GIS để hòa nhập với các file dữ liệu địa lý khác. 57 Dùng cho học viên cao học Trắc địa
Công nghệ viễn thám Ch−ơng IV tăng c−ờng chất l−ợng ảnh viễn thám Đ.4.1 ảnh số trong viễn thám 1. Khái niệm về ảnh số ảnh số đ−ợc tạo bởi mảng hai chiều của các phần tử ảnh có cùng kích th−ớc đ−ợc gọi là Pixel. Mỗi pixel đ−ợc xác định bởi toạ độ hàng (m), cột (n) và giá trị độ xám (g) của nó là g(m, n) biến đổi theo toạ độ điểm (x, y). Toạ độ hàng và cột của mỗi pixel đều là các số nguyên. Còn giá trị độ xám của pixel nằm trong thang độ xám từ 0ữ255 (thang độ xám 256 bậc theo đơn vị thông tin 8 bit). Toạ độ số hoá chỉ là các giá trị rời rạc m, n và đ−ợc biểu thị: x = x + m.Δx y = y + n.Δy Trong đó: m = 0, 1, 2 M n = 0, 1, 2 N Δx, Δy là b−ớc nhảy số hoá. Khi lấy Δx = Δy và N = M chỉ ra các giá trị rời rạc đ−ợc gán vào các giá trị độ xám g(m, n) t−ơng ứng của các pixel, lúc đó chúng ta nói rằng ảnh đ−ợc lấy mẫu (Sampling) và các giá trị độ xám của nó đ−ợc l−ợng tử hoá. Các phần tử của ma trận độ xám g(m, n) có dạng: ⎡ gg()00,, , () 01 gN( 0− 1) ⎤ ⎢ gg()10,, , () 11 gN ( 1− 1 )⎥ ⎢ ⎥ (4-1) ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎣gM()()(−−10,, , gM 11 gM −− 1 N 1 )⎦ Đối với ảnh vệ tinh dạng số thì mỗi phần tử ảnh của pixel thể hiện một khu vực bề mặt trên trái đất. Giá trị độ xám của pixel đ−ợc tính bằng trị trung bình của độ phản xạ phổ của toàn bộ khu vực nằm trong phạm vi của pixel. Ta có thể thu đ−ợc ảnh số nhờ các thiết bị số hoá, cụ thể là máy quét ảnh. Quá trình số hoá bao gồm 2 vấn đề quan trọng đó là định mẫu ảnh và l−ợng tử hoá hình ảnh, hay có thể nói rằng: Quá trình số hoá = Quá trình định mẫu + Quá trình l−ợng tử hoá 58 Dùng cho học viên cao học Trắc địa