Đồ án nghiên cứu phương pháp giải đoán lớp phủ thực vật sử dụng ảnh vệ tinh radar

Trong viễn thám radar sử dụng bức xạ điện từ trong dải sóng từmillimet đến kilomet, trong đó ở các hệ thống radar thu nhận ảnh thường sửdụng bức xạ điện từ trong dải sóng centimet.. Các

Mục Lục

LỜI MỞ ĐẦU

Trên thế giới hiện nay khoa học viễn thám đang phát triển mạnh mẽ vàđược nhiều quốc gia quan tâm, trong đó có Việt Nam Trong quá trình học tậptôi nhận thấy dữ liệu viễn thám có thể ứng dụng hiệu quả trong nghiên cứu,giám sát tài nguyên môi trường cũng như phục vụ mục đích quốc phòng anninh Với những ưu điểm nổi bật so với các phương pháp nghiên cứu truyềnthống, ngày nay, công nghệ viễn thám trở thành xu hướng phát triển tất yếucủa mọi quốc gia Trong viễn thám quang học, nguồn năng lượng chính làbức xạ mặt trời, do vậy việc thu nhận ảnh chịu ảnh hưởng của điều kiện thờitiết, khí tượng Trong khi đó viễn thám siêu cao tần sử dụng nguồn nănglượng chủ động nên có thể thu nhận ảnh trong mọi điều kiện thời tiết, cả banngày và ban đêm Với những lý do trên, tôi chọn đề tài nghiên cứu “Nghiêncứu phương pháp giải đoán lớp phủ thực vật sử dụng ảnh vệ tinh radar”

Ảnh radar do bản chất là ảnh đen trắng cũng như bị nhiễu hạt nên còn

sử dụng ít trong nghiên cứu thực vật Trong đồ án tập trung nghiên cứuphương pháp phân loại lớp phủ thực vật dựa trên dữ liệu ảnh radar thu nhận

từ vệ tinh Envisat Lớp phủ thực vật khu vực nghiên cứu rất đa dạng và phongphú gồm rừng lá rộng, rừng thưa, và có nhiều vùng đất nông nghiệp…

Đồ án được chia ra làm 3 phần chính như sau:

Chương 1: Viễn thám radar và ứng dụng của ảnh radar

Chương 2: Nghiên cứu phương pháp phân loại lớp phủ thực vật từ dữliệu ảnh Envisat

Chương 3: Đánh giá kết quả phân loại

Kết quả quan trọng nhất của đồ án là đề xuất được phương pháp phânloại lớp phủ thực vật từ dữ liệu ảnh Envisat với độ chính xác đảm bảo Hướngphát triển tiếp theo tìm thêm các phương pháp khác đem lại kết quả phân loạitốt hơn

Trong quá trình nghiên cứu và thực hiện có sự giúp đỡ và hỗ trợ củagiáo viên Bộ môn trắc địa bản đồ, cùng với các thày cô giáo trong bộ môntrắc địa bản đồ Em xin chân thành cảm ơn!.

CHƯƠNG I : VIỄN THÁM RADAR VÀ ỨNG DỤNG CỦA ẢNH RADAR

1.1 Lịch sử ra đời và phát triển của viễn thám radar

Viễn thám là một khoa học có lịch sử phát triển lâu đời Từ khi ra đờiđến nay đã có nhiều định nghĩa về viễn thám, nhưng nhìn chung đều thống

nhất theo quan điểm viễn thám là khoa học và công nghệ thu thập thông tin

của vật thể mà không tiếp xúc trực tiếp với vật thể đó Ban đầu, viễn thám

được dùng trong mục đích quân sự, ngày nay với những ưu điểm nổi trội,công nghệ viễn được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực ở nước ta cũngnhư các nước khác trên thế giới như thành lập, hiệu chỉnh bản đồ địa hình vàcác bản đồ chuyên đề khác, điều tra hiện trạng sử dụng đất, giám sát tàinguyên môi trường…Với tầm quan trọng như vậy công nghệ viễn thám đãphát triển mạnh ở nhiều nước trên thế giới và mở ra bước ngoặt trong nghiêncứu tài nguyên môi trường

Viễn thám được chia làm ba loại chính: viễn thám trong dải phổquang và hồng ngoại, viễn thám hồng ngoại nhiệt, viễn thám siêu cao tần(radar) Trong viễn thám radar sử dụng bức xạ điện từ trong dải sóng từmillimet đến kilomet, trong đó ở các hệ thống radar thu nhận ảnh thường sửdụng bức xạ điện từ trong dải sóng centimet

Viễn thám radar được chia làm hai loại cơ bản: viễn thám radar chủđộng và viễn thám radar bị động…

Radar chủ động: Sử dụng nguồn năng lượng từ thiết bị bay ( Máy

bay hoặc vệ tinh) Nguồn năng lượng từ ăng ten phóng ra và thu vềsóng phản hồi từ bề mặt trái đất

Radar bị động: Sử dụng nguồn năng lượng từ mặt trời chiếu xuống

bề mặt và phản hồi trở về theo trường nhìn thấy của sensor đặt trên thiết

bị bay

Lịch sử của viễn thám radar có thể được tính từ năm 1886, khi tổ chứckhoa học HMISMEYER (Đức) thiết kế hợp phần của radar đầu tiên Năm

1930 Taylor (USA) và Watson- Wat thí nghiệm với chùm tia radio xung(Pulsed radio beam) Trong những năm 1940 đã thành lập các hệ thống radarcho máy bay và tàu, phục vụ trong chiến tranh thế giới thứ II Trong nhữngnăm 1950, thành lập hệ thống radar kiểu SLAR (radar nhìn xiên trên máybay)

Vào nhưng năm 1960 trên thế giới đã ứng dụng các hệ thống radar thunhận ảnh SLAR và SAR trong việc nghiên cứu tài nguyên thiên nhiên.Trong những năm 1970 được đánh dấu bởi các thiết kế hệ thống radar độ mởtổng hợp (SAR) đa kênh Vào năm 1978 lần đầu con người phóng thànhcông lên quỹ đạo vệ tinh Seasat (USA) sử dụng hệ thống radar độ mở tổnghợp và tiếp tục với việc sử dụng hệ thống SIR-radar tạo ảnh trên tàu con thoi(Shuttle Imaging Radar) Đến đầu năm 1991 đã có 3 vệ tinh mang thiết bịradar được phóng thành công lên vũ trụ, đó là Almaz-1 của Liên Xô cũ,ERS-1 của cơ quan vũ trụ Châu Âu ESA, và JERS-1 của Nhật Năm 1995 vệtinh Radarsat – 1 của Canada được phóng thành công lên vũ trụ Có thể nóirằng, trong những năm 1990, công nghệ vũ trụ đã đạt thành công lớn vớiviệc đẩy nhanh các ứng dụng của viễn thám radar phục vụ cho nghiên cứu,giám sát tài nguyên môi trường

Hiện nay có nhiều vệ tinh của các nước có hệ thống quét ảnh radar nhưNga, Mỹ, Cộng động châu Âu, Nhật Bản, Canada… Ta có thể thống kê một

số thông số đặc điểm của các hệ thống quét ảnh radar vệ tinh chủ động:

Bảng 1.1 Một số hệ thống vệ tinh thu nhận ảnh radar trên thế giới hiện

JERS-Radarsat-1 (Canada)

1.2.1 Đặc điểm chung của ảnh Radar.

Ảnh radar có những đặc điểm cơ bản nhất định khác hẳn với ảnhquang học (như ảnh Landsat, Spot hay ảnh hàng không) Các đặc điểm riêngnày được hình thành do sự khác nhau về kỹ thuật chụp ảnh radar, vùng phổđược sử dụng và những biến dạng hình học cũng như nhiễu của ảnh radar.Khi phân tích ảnh radar, người giải đoán phải nhìn nhận điều thực tế là cảnhtượng rất khác so với sự cảm nhận thông thường của mắt người hay bộ cảmquang học; độ xám của ảnh thì phụ thuộc vào năng lượng tán xạ ngược củasóng siêu cao tần của các vật thể Các bóng râm trong ảnh radar liên quanđến góc tới của bức xạ sóng siêu cao tần từ hệ thống radar phát ra chứ khôngphải do yếu tố hình học từ mặt trời chiếu đến.Sự khác biệt này thường gây

khó khăn cho người mới bắt đầu giải đoán ảnh radar Tất cả ảnh radar đềuthể hiện mức độ lốm đốm nhất định ( nhiều hay ít phụ thuộc vào loại radar)được gọi là hiện tượng nhiễu “muối tiêu” trên ảnh radar hay speckle Mức độphát sinh lốm đốm trên ảnh là do sự giao thoa ngẫu nhiên trong việc hìnhthành hay triệt tiêu năng lượng phức hợp phản xạ ngược đến từng pixel.Băng và bước sóng của ảnh vệ tinh viễn thám Radar

Bảng 1.2 Băng sóng và bước sóng của ảnh vệ tinh viễn thám radar

(Bước sóng thường gặp)

Bước sóng (cm)

Tần số GHz

1.2.2 Nguyên lý thu nhận ảnh radar của hệ thống radar chủ động

Nguyên lý cơ bản của việc chụp ảnh radar chủ động là anten phát rabức xạ điện từ đến bề mặt trái đất và bộ cảm biến ghi nhận lại số lượng(xung điện) và độ trễ thời gian của năng lượng tán xạ ngược Các thông tinnày do sóng điện từ mang theo, xác định bởi: hướng lan truyền, biên độ,bước sóng, độ phân cực và pha của sóng siêu cao tần

Một hệ thống radar chủ động bao gồm các thiết bị chủ yếu: bộ phátsóng, bộ thu, ăng ten thu phát sóng và hệ thống điện tử để xử lý và thu nhận

dữ liệu

Bộ phát tạo ra các xung ngắn với năng lượng cao (A) trong nhữngkhoảng thời gian nhất định mà được ăng ten hội tụ thành chùm tia (B) Sóngđược phát tỏa ra trên bề mặt trái đất chếch 1 góc theo hướng chuyển độngcủa vệ tinh Ăng ten thi nhận xung phản xạ hay tán xạ trở lại từ các vật thểtrong vùng phủ sóng của chùm tia (C) Bằng cách đo lường độ lệch thời gian

giữa lúc sóng phát đi và nhận sóng phản xạ trở lại từ các đối tượng khácnhau; biết được khoảng các đến các đối tượng thì vị trí của chúng sẽ đượcxác định Khi vệ tinh chuyển động về phía trước, thu nhận và xử lý tín hiệuphản xạ sóng siêu cao tần sẽ xây dựng ảnh hai chiều của bề mặt đất.

Hiện nay có hai loại kỹ thuật chụp ảnh radar được sử dụng phổ biến là:

- Radar khẩu độ thực RAR(Real Aperture Radar)

- Radar khẩu độ tổng hợp SAR( Synthetic Aperture Radar)

Radar khẩu độ thực thường được gọi là SLAR (Side LookingAirborne Radar) Cả radar khẩu độ thường và radar khẩu động tổng hợp đều

là hệ thống nhìn nghiêng một bên có phương vuông góc với đường bay.Điểm khác nhau ở chỗ độ phân giải dọc theo đường bay của vật mang đốivới SAR thì tốt hơn nhiều, độ phân giải dọc theo phương bay còn được gọi

là độ phân giải phương vị RAR có độ phân giải phương vị được quyết đinhbởi độ rộng tín hiệu ăng ten, độ phân giải phương vị tỉ lệ với khoảng cáchtheo hướng đường truyền giữa radar và đối tượng

Radar khẩu độ tổng hợp (SAR) dùng kỹ thuật xử lý tín hiệu tổng hợp đểtạo ra một khẩu độ dài hơn hang trăm lần khả năng thức của ăng ten từ mộtchuỗi các tín hiệu được lưu trong bộ nhớ hệ thống Những hệ thống này có

độ phần giải phương vị độc lập với khoảng cách giữa đối tượng và ăng ten

Độ phân giải phương vị danh nghĩa của SAR bằng nửa kích thước thật củaăng ten, mặc dù có thể chọn độ phân giải cao hơn để các yếu tố khác của ảnhradar được cải thiện Nhìn chung, dựa vào quá trình xử lý, độ phân giải đạtđược ở mức 1-2m đối với radar máy bay và 5-50m đối với vệ tinh radar

Cơ chế thu nhận ảnh radar:

Hệ thống radar phát ra các xung về phía có đối tượng và thu lạinăng lượng được phản hồi từ đối tượng trong phạm vi trường nhìn của hệthống Có 2 hệ thống radar:

- Hệ thống tạo ra ảnh và hệ thống không tạo ra ảnh Hệ thốngkhông tạo ra ảnh được đặt trên mặt đất và đó là các radar thời tiết, radarhằng hải hàng không và radar quân sự.

- Radar tạo ảnh được đặt trên máy bay và trên các thiết bị bay khácnhư phi thuyền, vệ tinh…

Vì các nguyên nhân thuần túy vật lý mà hệ thống radar đặt trên vậtthể bay phải thu ảnh thông qua cơ chế phát và thu sóng nghiêng(SileLooking Radar SLAR) Các ảnh radar được tạo ra nhờ việc thu tín hiệuphản hồi từ đối tượng mặt đất

Hình 1.1 Cơ chế thu nhận ảnh radar.

Để minh họa cho cơ chế thu nhận ảnh radar, chúng ra sẽ sử dụng hình ảnhsau:

Hình 1.2 Chia xung phản hồi thành những khoảng nhỏ để thu ảnh.

Bức xạ điện từ phát ra sau khi chạm đất sẽ được phản hồi ngược trởlại ăng ten Nếu bức xạ điện từ được phát liên tục, thì ta sẽ không thể phânbiệt được giữa các bức xạ phản hồi từ các vật thể khác nhau trong phạm viphủ của 1 búp sóng Chính vì vậy người ta phải phát bức xạ dưới dạngnhững xung ngắn, có độ dài τ nào đó Trong hình 2 để minh họa, ta dùngcác đối tượng rời rạc A,B,C,D,E được sắp xếp liên tục Do khoảng cách từmáy bay đến A,B,C,D,E khác nhau, nên ta lần lượt nhận được các xungphản hồi từ A,B,C,D,E với những thời gian trễ là khác nhau Tuy nhiêntrên thực tế, đối tượng mặt đất là một bề mặt liên tục, nên tín hiệu phảnhồi sẽ là một xung có độ dài được mở rộng đáng kể do độ trễ của tín hiệuphản hồi từ điểm gần nhất đến điểm xa nhất là rất khác nhau Bằng cáchchia xung phản hồi thành những khoảng nhỏ theo thời gian và số hóachúng, ta sẽ thu được số liệu tương tự như số liệu trên một dòng quét củacác máy quét Để thu được một ảnh liên tục theo dải dọc tuyến bay, ta cầnchọn khoảng thời gian thích hợp giữa các xung phát sao cho tương xứng

với vận tốc chuyển động của máy bay, để diện tích được dọi bởi các búpsóng của 2 xung phát kế tiếp vừa đủ ghép kín thành một dải liên tục Đâycũng chính là nguyên tác hoạt động của các radar quan sát nghiêng(SileLooking Radar).

1.2.3 Độ phân giải không gian của ảnh Radar.

Với ảnh radar ta có các độ phân giải không gian theo phương vị bay

và theo chiều ngang của ảnh Dưới đây tôi sẽ giải thích về các độ phângiải của ảnh radar

Thời gian tính từ khi tín hiệu phát ra khỏi ăng ten, chạm đối tượngmặt đất và phản hồi quay trở lại ăng ten là đại lượng ta có thể đo được vànhư vậy ta cũng có thể tính được khoảng cách giữa đối tượng và ăngten(Slant range)

Hình 1.3 Quan hệ giữa tổng thời gian đi và về (t) của tín hiều với độ dài

chính là khoảng thời gian cần thiết để bức xạ điện từ 2 lần vượt quakhoảng cách r Vì vậy ta có công thức:

Với: r: Khoảng cách giữa ăng ten và đối tượng

Như ta thấy ở trên độ phân giải không gian của ảnh radar được xác đinhbởi 2 thông số: độ dài xung và độ rộng của búp sóng ăng ten Độ dài xung

sẽ quyết định độ phân giải không gian trên hướng truyền sóng (rangedirection) Độ rộng của búp sóng ăng ten sẽ quyết định độ phân giải theohướng bay hay còn gọi là phương vị bay

Độ phân giải nghiêng

Như ta đã thấy trên hình 3 nếu khoảng cách giữa 2 vật A và B lớnhơn ½ độ dài sung thì chúng sẽ được tách ra thành 2 đối tượng riêng biệt.Tuy nhiên, do độ phân giải nghiêng nhỏ hơn ½ độ dài xung nên tín hiệuphản hồi bị mờ đi Độ phân giải nghiêng không thay đổi khi khoảng cách

từ máy bay đến đối tượng tăng lên, nhưng độ phân giải mặt đất thì lại thayđổi:

(1-1)

(1-2)

Hình 1.4 Quan hệ giữa độ dài xung và độ phân giải ngang

Độ phân giải ngang.

Độ phân giải ngang Rr là đoạn chiếu ngang của độ phân giải

nghiêng và được tính như sau:

Với: C: vận tốc ánh sáng

τ: thời gian của xung

d: góc phụ với góc tới

Độ phân giải phương vị bay:

Độ phân giải phương vị Ra là khoảng cách trên mặt đất theo hướng bay của máy bay và vuông góc với độ phân giải ngang Rg Độ phân giải phương vị được tính bằng công thức:

Với: Rg: là độ phân giải ngang

(1-3)

(1-4)

β: là độ rộng của búp sóng.

1.3 Tổng quan về ảnh vệ tinh Envisat

Vệ tinh Envisat-1 là vệ tinh của Cơ quan vũ trụ Châu Âu, phóng lênquĩ đạo vào tháng 7 năm 2001 tại sân bay vũ trụ Ariane-5 Guyanna-Phápvới mục điều tra trạng thái của trái đất Vệ tinh mang 10 thiết bị đo, đượctrang bị bởi hệ thống pin mặt trời có diện tích 70m2 với công suất tiêu thụ

là 7kw Đặc tính của Envisat là có khả năng tổ hợp dữ liệu từ các nguồnkhác nhau tạo nên 1 sản phẩm chất lượng cao dạng số Vệ tinh sẽ hoạtđộng trên quĩ đạo trong vòng 5 năm Độ cao của quĩ đạo 800 km, quayquanh trái đất hết 100 phút, và có độ phủ toàn cầu 3 ngày một lần Độ lặpcủa 1 điểm sau 335 ngày

Hình 1.5: Hình ảnh minh họa vệ tinh Envisat.

Vệ tinh Envisat-1 mang 10 bộ cảm hoạt động trên giải sóng từ 0,2micromet đến 10 cm Dữ liệu được truyền qua Vệ tinh dữ liệu Relay Châu

âu với vận tố là 2x100Megabit/s và truyền trực tiếp xuống trạm thu mặtđất với vận tốc 2x100Megabit/s Có bộ lưu giữ trên tàu là 160Gegabit.Bảng 7.8 liệt kê các bộ cảm trên vệ tinh và mục đích ứng dụng của chúng

Dữ liệu ảnh radar giao thoa có thể dùng cho tính toán độ dịch chuyển củacác mạng do sụt đất đến mm Dữ liệu vệ tinh có thể dùng để thành lập bản

Hình 1.6: Ảnh vệ tinh Envisat

đồ hình dạng của đấy biển, xác đinh chính xác độ cao của nó trên đất vàbiển, lập mặt cắt toàn cầu của đấy biển bằng việc tổ hợp các dữ liệu độcao Chỉ trong vòng 35 ngày vệ tinh có thể cung cấp dữ liệu để dựng lạihình dạng thật của Trái đất mà trước đây phải tốn kém hàng trăm năm Vệtinh có thể phát hiện cháy rừng với bộ cảm AATSR Bộ cảm ASAR hoạtđộng trên kênh C tạo ảnh ở 4 góc nhìn khác nhau với độ phân giải 30m,

độ phủ rộng 58-109 km, và góc nhìn từ 14-45o Ngoài ra vệ tinh còn tạoảnh ở dạng toàn cầu cho độ phân giải 1km với độ phủ là 405 km, phâncực HH,VV Bộ cảm hoạt động ở dạng quét rộng ScanSAR cho ảnh có độphân giải 150m phủ một đột rộng là 405km với kiểu phân cực HH hoặcVV

• Kiểm soát được năng lượng, tần số, độ phân cực của bức xạ sóng điện từ(trong trường hợp viễn thám radar chủ động).

• Cung cấp nguồn dữ liệu ảnh không gian nhanh và có độ phân giải cao vàsiêu cao

• Dữ liệu thu được có thể được lưu trữ dễ dàng trong máy tính và sẵn sàngcho mọi phân tích chuyên sâu khác

• Có thể quan sát nhiều nơi trên bầu trời gần như đồng thời

• Hệ thống Radar có thể hoạt động liên tục, có thể không cần sự có mặt củacon người tác nghiệp dưới sự điều khiển của máy tính

• Nhạy cảm với hàm lượng nước, độ nhám hay sự gồ ghề của bề mặt Cóthể đo sóng trên mặt nước

Bên cạnh những ưu điểm trên, ảnh radar cũng tồn tại một số nhược điểm cơ bản sau:

• Dữ liệu ảnh cần phải có phần mềm và người có kinh nghiệm trình độ mới

Đặc điểm của dải sóng radar và ứng dụng cụ thể được trình bàytrong bảng 1.2

Bảng 1.2 Ứng dụng của sóng radar

Tần số Ứng dụng

0,4-1,6GHz Xuyên qua đất, thu thông tin về các vật gần mặt đất,

thông tin về độ ẩm trong không khí và mặt đất

1,4-15GHz Thông tin về các vùng thời tiết, thông tin đặc tính bề

mặt

15-22GHz Nghiên cứu đại dương Đo nhiệt độ bề mặt, độ gồ ghề và

độ muối của nước biển

22GHz Xác định thông tin về hơi nước tại khí quyển bằng việc

sự gồ ghề của lớp trên bề mặt, cấu trúc và hướng thực vật cũng như độ ẩmthực vật Năng lượng tán xạ ngược của sóng radar có thể khác biệt trongnhiều thành phần như tán xạ ngược trực tiếp tại tán cây, tán xạ khối và đatán xạ bên trong vòm cây, tán xạ ngược trực tiếp tại mặt đất, tác động qualại giữa thân cây và mặt đất(hay nước), bóng mờ do cây

Ví dụ, nếu chúng ta sử dụng các kênh radar tần số cao(bắt đầu từkênh C khỏng 5,6cm) thì rừng không rõ ràng và tán xạ ngược chủ yếu phụ

thuộc hình dạng và hướng lá Kênh X có độ nhạy cao với cành non và tán

lá Mặt khác, nếu chúng ta xét kênh L(24cm) và quan trọng hơn là kênhP(70cm), tán cây rõ nhiều hay ít ứng với thành phần tán xạ ngược thêmvào từ những nhánh cây, thân cây, những tác động qua lại giữa bụi cây vàthân cây với đất

Đối với các mục đích lâm nghiệp, ảnh radar airborne là công cụhữu dụng cho việc thành lập bản đồ lâm nghiệp, đặc biệt cho việc biên tậpbản đồ rừng nhiệt đới ở mức độ giám sát Trong những vùng rừng nhiệtđới, việc thu nhận ảnh hàng không rất khó khăn do bị mây chẻ phủ liêntục, ảnh radar airborne thường được chọn mặc dù chi phí có 1km2 là khácao so với các bộ cảm biến khác

 Lập bản đồ sử dụng đất và xác định mùa vụ.

Ảnh radar nhìn chung cho phép phân biệt các loại hình sử dụng đất(Vùng , thành thị, vùng nông nghiệp, rừng, vùng nước…) nhờ vào độnhạy của SAR với độ gồ ghề của bề mặt và độ ẩm Tuy nhiên, việc giảiđoán ảnh radar để thành lập bản đồ sử dụng đất đòi hỏi thêm dữ liệu nền

và nếu có thể bổ sung thêm các dữ liệu viễn thám khác

năm 1988/1999, trung tâm viễn thám của FAO và ESA đã tiến hànhnghiên cứu thí điểm ở Tunusia, trong khuôn khổ chuẩn bị cho việc sửdụng dữ liệu ERS-1 SAR trong tương lai Mục đích của những nghiên cứunày là đánh giá sự hữu dụng của SAR cho việc biên tập bản đồ sử dụngđất và so sánh ảnh radar với ảnh quang học

Đối với việc xác định vụ mùa nông nghiệp, một ưu điểm của radar

so với những bộ cảm biến quang học là nó cho phép thu thấp dữ liệu tạithời điểm mùa vụ tốt nhất trong cho kỳ phát triển, không phụ thuộc vàođiều kiện thời tiết Năng lượng tán xạ ngược từ vụ mùa nông nghiệp cóthể được chia thành nhiều thành phần: mức độ tán xạ của thực vật, sựphản xạ phức tạp từ đất và thực vật và tán xạ đất

 Giao thoa

Radar giao thoa dựa trên sự thu nhận hai ảnh cùng một vùng từ vệtinh có quỹ đạo hơi khác nhau Sau đó, thông tin pha của hai phai dữ liệuảnh được chồng lên Giá trị hai pha của một pixel được lấy ra, đưa đếnmột ảnh mới mà chỉ ghi nhận sự khác nhau về pha giữa hai ảnh gốc Sựkhác nhau về pha đưa ra sự thay đổi độ cao của mỗi pixel và có thể tạo ra

mô hình độ cao số những vùng nhiệt đới, cận xích đạo với chi phí thấp Vìphần lớn khu vực trên trái đất không có bản đồ địa hình chính xác, nhữngphương pháp biên tập bản đồ địa hình khác dựa vào việc đo đạc trên mặtđất lại rất tốn kém, hoặc từ ảnh hàng không và Spot lập thể thị mây chephủ

 Thủy văn

Viễn thám radar cho phép ước tính được độ ẩm đất và sự thay đổi

độ ẩm cao theo thời gian, vì hầu hết các phép đo trực tiếp trên mặt đất chỉphù hợp với vùng đơn và khó ngoại suy, nên sóng siêu âm cao tần viễnthám có tiềm năng mạnh mẽ trong lĩnh vực này, tạo ra các bản đồ độ ẩmđất cho toàn cầu hay ở mức quốc gia với độ mô phỏng cao thì cũng rấthữu dụng là xu thế hiện nay Trên ảnh radar, nhìn chung rất khó tách biệtcác thành phần tán xạ ngược liên quan đến độ gồ ghề bề mặt, sự bao phủ

thực vật và độ ẩm của đất Tuy nhiên đối với các mục đích giám sát trongthời gian ngắn, sự thay đổi xảy ra do sự biến đổi độ gồ ghề là không quantrọng và thường không đáng kể so với ảnh hưởng của sự thay đổi độ ẩm.

Có một điều mà cần lưu ý là thông tin không trực tiếp về độ ẩm đất cũng

có thể thu được trong dải phổ điện từ khác như là hồng ngoại nhiệt vàhồng ngoại trung bình Yếu tố giới hạn của hệ thống radar hiện tại làchúng chỉ nhạy với độ ẩm đất ở lớp đất thứ 5-10cm(Lớp ở trên) , không

đủ đánh giá điều kiện đổ ẩm vùng rễ của nhiều loại cây

 Hải dương học, nghiên cứu đường bờ biển và băng trên biển.

Năng lượng sóng siêu cao tần bị tán xạ trong nhiều hướng khácnhau trên bề mặt đại dương Một phần năng lượng này được tán xạ ngượcđến radar và mang thông tin về bề mặt đại dương Cường độ tín hiệu trởlại là các hàm của các thông số như góc nhìn radar, tần số, độ phân cực và

độ ghề bề mặt biển liên quan đến bước sóng và bức xạ vốn có Độ gồ ghềmặt biển ảnh hưởng bởi sự hiện diện sóng ngắn do gió và sóng khi biểnđộng Tần số và biên độ của sóng biển phụ thuộc vào tốc độ gió trên bềmặt đại dương và dòng nước biển, trong trường hợp nước cạn với dòngchảy lớn còn phụ thuộc vào địa hình đáy biển Hầu hết các đặc điểmkhông đều trên biển bởi ảnh radar liên quan đến địa hình đáy biển vàdòng chảy Khi sóng siêu cao tần thâm nhập vào nước chỉ được vài mm,các đặc điểm ấy chỉ được thấy do sự thay đổi bề mặt nước biển

Nhìn chung, ảnh radar hiện nay được áp dụng vào việc quan sát lộtrình tàu thuyền, việc đánh cá, nghiên cứu được bờ và các mỏ dầu…cũngnhư cung cấp dữ liệu cần thiết cho các phương pháp dự báo tình trạngbiển và thời tiết toàn cầu Ở vùng bắc cực, các ảnh radar ban đầu được sửdụng để phát hiện các tảng băng trôi và sự di chuyển của chúng, cũng nhưđánh giá điều kiện băng đá Loại ứng dụng này cho phép tối ưu việc quansát sự chuyển động của các tảng băng nứt và là một trong những khái

niệm ban đầu của dự án radarsat canada Kết quả cho thấy dữ liệu SAR,các loại băng khác nhau có thể được phân biệt rõ ràng, ngoài ra với ảnh đathời gian áp dụng rất tốt cho việc quản lý đường bờ biển.

 Giám sát môi trường

Năm 1979, dữ liệu SAR 580( Kênh L và X) được sử dụng để đánhgiá ngập lụt và đã thu được các kết quả thỏa đáng vì nó có thể đo kháchính xác mức độ lũ lụt gia tăng tối đa Do mây che phủ liên tục trongnhững trường hợp lũ lụt nên ảnh quang học không thể đáp ứng cho mụcđích trên

Sử dụng dữ liệu SAR phát hiện ô nhiễm dầu là một lĩnh vực đầytriển vọng trong các ứng dụng môi trường Trên vùng nước, bề mặt gồghề gây ra bởi sóng và dòng chảy nhưng có thể giảm bởi sự thay đổi sứccăng bề mặt của lớp trên cùng do tàn dầu Một cách đặc trưng, mặt nướcthường thể hiện tone màu hơi tối nếu tốc độ gió không vượt quá 3m/s.Trong trường hợp tốc độ gió cao hơn, bề mặt nước sẽ thể hiện càng tốihơn và có khả thể hiện mảng lớp bề mặt Khi tốc độ gió vượt quá 10m/s,

nó không thể phát hiện ảnh hưởng của các mảng dầu tự nhiên hay nhântạo trên sóng và gió có tần số ngắn Vì thế sử dụng dữ liệu SAR để giámsát tràn dầu bị hạn chế do tốc độ gió quá thấp hoặc quá cao

CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP PHÂN LOẠI LỚP PHỦ THỰC VẬT TRÊN ẢNH ENVISAT.

2.1 Phương pháp tăng cường chất lượng ảnh.

Trên ảnh vệ tinh sau khi nắn chỉnh hình học có thể có những sai sốphát sinh do quá trình truyền dữ liệu hoặc do bị giám đoạn tạm thời,chính vì vậy trên ảnh vệ tinh có những đốm đen, và do có hiện tượng

“Muối tiêu” Kết quả nó tạo ra các điểm sáng trắng hay sậm đen trên ảnh,làm ảnh hưởng đến việc tách thông tin từ ảnh vì vậy trước khi lấy dữ liệu

ảnh vệ tinh giải đoán thì ta cần phải làm tăng cường hay cải tiến chấtlượng ảnh bằng cách áp dụng các hàm (hay toán tử lọc) trong không gianảnh nhằm loại nhiễu gẫu nhiên và các giá trị đột biến của pixel trên ảnh,tạo ra ảnh mới mịn hơn so với ảnh gốc Biện pháp dùng cửa sổ lọc là kháphổ biến để loại trừ nhiễu và còn được gọi là lọc tần số không gian nhằmtạo ra một ảnh mới mịn hơn, nổi bật được các chi tiết quan tâm như nhậndạng các yếu tố dạng tuyến,…Tùy thuộc đặc tính của ảnh được xác định,những kỹ thuật lọc không gian có thể áp dụng như: Lọc tần số thấp, Lọctần số cao, Lọc tách biên hay lọc theo hướng….Tóm lại, xử lý ảnh (lọcảnh) là làm thay đổi trạng thái ban đầu của ảnh nhằm:

- Cải thiện thông tin ảnh trực quan theo cách hiểu của con người

- Làm cho nó phù hợp với thị giác máy

Đây là 2 khía cạnh riêng biệt nhưng đều rất quan trọng trong việc sử lýảnh

Sau đây ta sẽ đi tìm hiểu một số phương pháp lọc phổ biến hay sửdụng:

Nghiên cứu các phương pháp lọc nhiễu.

Khái niệm chung về lọc ảnh:

Phương pháp lọc ảnh được tiến hành với dữ liệu ảnh số qua từngkênh ảnh đơn hoặc cùng một lúc với nhiều kênh phụ thuộc vào phần mền

xử lý Tùy theo các mục đích nghiên cứu, lọc ảnh theo thuật toán chia ranhiều loại khác nhau Có thể chia ra 3 nhóm chính là lọc làm mịn ảnh, lọclàm tăng độ tương phản và lọc làm tương phản theo vùng giáp biên.Phương pháp lọc ảnh được thực hiện bằng cách dùng cửa số động 3 x 3hoặc 5 x 5 hoặc 7 x 7 hoặc 9 x 9 pixel… Giá trị số của pixels trung tâmcửa sổ được tính bằng một công thức liên quan đến các giá trị số của cácpixel bao quanh Việc thực hiện các phép lọc nhằm tạo ra một ảnh mới cómột số tính chất mới, ví dụ các yếu tố đường nét, làm mịn ảnh hoặc nhấn

mạnh một yếu tố cấu trúc nào đó Các toán tử lọc còn gọi là kernel hay matrận trọng số thường được tổ chức dưới dạng một ma trận n x n phần tử.

Ma trận này được áp dụng cho toàn ảnh theo thuật toán cửa sổ trượt Kíchthước của ma trận toán tử thường bao giờ cũng là một số lẻ Mô hình toánhọc của phép lọc có thể được viết như sau:

1. Lọc trung bình Mean

Lọc trung bình Mean là phép lọc tạo giá trị trung bình các pixel ảnhtheo mức độ xám tại tâm cửa sổ động Phép lọc này còn gọi là phép lọcgiá trị thấp (Lowpassfiter) Mục đích của bộ lọc này là nhấn mạnh các đốitượng không gian có tần suất thấp làm thay đổi mức độ sáng của vùng códiện tích lớn (đất nông nghiệp, diện tích nước,…) và giảm các đối tượng

có tần suất cao(chi tiết cục bộ)

Toán tử lọc áp dụng cho các cửa sổ 3x3, 5x5, 7x7, 9x9, phép lọc trungbình gán giá trị số của một pixel bất kỳ DNij bằng việc trung bình hóa cácpixel ảnh xung quanh pixel đó theo cửa sổ động còn được gọi là phépcuốn Sơ đồ của toán tử kernel của một số cửa sổ động xem xét cụ thểdưới đây:

(2-1)

1/9 1/9 1/9

1/9 1/9 1/9

1/9 1/9 1/9

1/491/491/49 1/491/491/49 1/491/491/49 1/491/491/491/491/491/491/49 1/491/491/491/491/491/491/49 1/491/491/491/491/491/491/49 1/491/491/491/491/491/491/49

1/491/491/49 1/491/491/49 1/491/491/49

1/49 1/49 1/49

1/251/251/25 1/251/251/25 1/251/251/25 1/251/251/25

1/25 1/25 1/25 1/25

1/25 1/25 1/25 1/25 1/251/251/251/251/25

Toán tử cho cửa sổ 5x5:

Bảng 2.11/121 2/121 3/121 2/121 1/121

2/19 2

2/19 2

1/1 92

0/1 92 1/1

12/1 92

11/1 92

6/1 92

0/1 92 2/1

92

5/1

92

8/19 2

11/1 92

8/19 2

5/1 92

2/1 92 1/1

92

2/1

92

5/19 2

6/19 2

5/19 2

2/1 92

1/1 92 0/1

92

1/1

92

2/19 2

2/19 2

2/19 2

1/1 92

0/1 92

(a) (b)

Hình 2.2: Ảnh vệ tinh Landsat7thu ngày 17/9/2000 vùng Hòa Bình kênh 2(a) ảnh gốc, (b) lọc ảnh theo Gauss với cửa sổ lọc 3x3

Minh họa cho phép lọc Gauss được thể hiện trên hình 2.2 Kết quả

của ảnh được lọc có độ tương phản hơn ảnh gốc

3. Phép lọc Median

Trong phép lọc này không dùng toán tử kiểu kernel như các phép lọc trên

Tuy nhiên giá trị các pixel của cửa sổ động 9 pixel giống bộ lọc 3x3 Cửa

sổ 5x5 của lọc Median là dạng đặc biệt của bộ lọc rìa(edge) hạn chế sựmất đi của chi tiết ảnh Trong lọc Median, đầu ra sẽ có 3 dạng sau đây:

1) Pixel đầu vào

-2.2 Phương pháp phân tích Texture ảnh radar.

Trong ảnh radar có thể hiện độ gồ ghề và hiệu ứng tầm xa vì vậycác phương pháp lọc nhiễu thông thường không phát huy được hiệu quả,nên khi xử lý ảnh radar phải sử dụng phương pháp phân tích texture ảnhradar Có nhiều loại texture được sử dụng trong đó có 4 texture được sửdụng rộng rãi nhất là: Variance, Skewness, Kurtosis, Mean EuclideanDistance Ngoài ra còn một số texture khác như: Gaussian HPF, GaussianLPF, Laplacian, Mean, Median, Entropy, Data Range Sau đây ta sẽ đi tìmhiểu kĩ về 4 texture được sử dụng rộng rãi Theo như đánh giá thì textureVariance cung cấp sự phân chia tốt nhất và đã được lựa chọn cho các mụcđích phân loại bổ xung

- Variance

Texture Variance được tính toán cho các dữ liệu ảnh radar ban đầu,bằng cách sử dụng nhiều cửa sổ kích cỡ khác nhau Bảng dưới đây chothấy các giá trị sự phân chia cho các hình ảnh Radar khi áp dụng textureVariance Với cửa sổ kích thước 13x13 mang lại kết quả tốt nhất so vớicác cửa sổ kích thước khác(5x5,7x7,11x11) Việc sử dụng textureVariance(3x3) là đặc biệt hữu ích cho các cặp lớp là không thể tách rời

bằng cách sử dụng các dữ liệu radar gốc Tất cả các cặp lớp cho thấy được

sự cải thiện sau khi áp dụng texture

Bảng 2.3: Giá trị TD của texture Variance, Bangladesh

Dưới đây là công thức tính:

Trong đó:

Xij=DN Giá trị của pixel(i,j)

n=Số pixel trong 1 cửa sổ trượt

M= Mean Giá trị trung bình của cửa sổ trượt

(2-2)

Hình 2.3 Kết quả phân tích texture Variance

Phân tích texture variance cho thấy so với ảnh gốc trên texture variancelàm nối bật các đối tượng có tần suất thấp(Các đối tượng có diện tích lớn

và đồng nhất về giá trị phổ) Bên cạnh đó texture variance còn làm nối rõđường biên của các đối tượng có diện tích nhỏ

- Skewness

Công thức là :

Với:Xij =DN giá trị của pixel(i,j)

n= số pixel của 1 cửa sổ

M= Giá trị trung bình của cửa sổ trượt

V=Variance

Variance Ảnh Gốc

VarianceẢnh gốc

(2-3)

Skewness Ảnh gốc

Hình Hình 2.4 Kết quả phân tích texture Skexness

Phân tích texture skewness cho thấy so với ảnh gốc trên texture skewnessđối tượng có tần suất thấp và đối tượng có diện tích lớn bị làm mờ đi, tuynhiên có khả năng làm nổi rõ 1 số đối tượng đặc trưng như vùng dân cư

- Kurtosis

Công thức:

Với: Xij=DN giá trị của pixel(i,j)

n=số pixel trong 1 cửa sổ

M=Giá trị trung bình của cửa sổ trượt

V=Variance

(2-4)

Hình 2.5 Kết quả phân tích texture

Phân tích texture Kurtosis cho thấy so với ảnh gốc trên textureKurtosis hàm lượng thông tin trên texture kurtosis là không nhiều , trêntexture kurtosis các đối tượng lớp phủ thực vật không phân biệt rõ Chỉlàm rõ đường biên các đối tượng dạng thẳng và dạng đường biên

- Mean Euclidean Distance

Có công thức là :

Với: xijλ=DN Giá trị của giải quang phổ λ và pixel(i,j) của 1 ảnh đa phổ xcλ=DN Giá trị phổ λ của giá trị pixel trung tâm của 1 cửa sổ trượt n= Số pixel của 1 cửa sổ

Kurtosis Ảnh Gốc

(2-5)

Hình 2.6 Kết quả phân tích texture Mean Euclidean Distance

Texture Mean Euclidean Distance cũng gần giống với textureVariance làm nổi bật những đối tượng có tần số thấp nhưng không làm rõđường biên ngoài ra còn làm mịm ảnh

Hình 2.7 Kết quả phân tích texture Emtropy

Với texture Entropy thì ta có thể thấy là hàm lượng thông tin trên ảnh là không nhiều Nhưng ảnh đã làm rõ và nổi bật các đối tượng có dạng đường thẳng và các dạng hình khối cụ thể

(2-7)