Giáo trình - Công nghệ viễn thám - chương 4 pptx

Thông thường nó được thực hiện nhờ hệ thống quang học với kích thước nào đó đã được chọn chuyển động dọc theo đường quét trên tấm ảnh, cũng tại thời điểm đó nó tiến hành đo, ghi thời gia

Bởi vì các dữ liệu được phân loại nằm dưới dạng mảng dữ liệu hai chiều, kết quả đồ họa dễ dàng được đưa 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 tượng đã được gán cho Có thể sử dụng một loạt thiết bị cho mục đích này như 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 người phân tích có thể chọn cách hiển thị một cách tương 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 đưa 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 tượng hoặc trong các diện tích nhỏ hơn cảnh tượng mà người 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 lưới

Trước hết ranh giới của một vùng đang quan tâm (như là một lưu vực, thung lũng hoặc một tỉnh) được số hóa đối với các tọa độ ma trận ảnh Trong ranh giới đó, số lượng các ô trong mỗi loại lớp phủ sẽ được lập bảng và nhân với diện tích mặt đất của một ô tương ứng Quá trình này đơn giản hơn việc đo thủ công các vùng trên một bản đồ và là ưu điểm chủ yếu của xử lý dữ liệu lớp phủ mặt đất dưới dạng số

3 Các file thông tin bằng số

Một thể loại cuối cùng để đưa ra kết quả là các file dữ liệu đã giải

đoán chứa các kết quả phân loại được ghi lại trên một số phương tiện lưu trữ bằng máy tính (chẳng hạn CCT hoặc đĩa) Dữ liệu được giải đoán dưới dạng này, có thể dễ dàng nhập vào hệ thống GIS để hòa nhập với các file dữ liệu địa

lý khác

Chương IV

tăng cường chất lượng ảnh viễn thám

-

Đ.4.1 ảnh số trong viễn thám

1 Khái niệm về ảnh số

ảnh số được tạo bởi mảng hai chiều của các phần tử ảnh có cùng kích thước được gọi là Pixel Mỗi pixel được 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 được 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 bước nhảy số hoá

Khi lấy Δx = Δy và N = M chỉ ra các giá trị rời rạc được gán vào các giá trị độ xám g(m, n) tương ứng của các pixel, lúc đó chúng ta nói rằng ảnh

được lấy mẫu (Sampling) và các giá trị độ xám của nó được lượng tử hoá

Các phần tử của ma trận độ xám g(m, n) có dạng:

ư

ư

⎡

⎣

⎢

⎢

⎢

⎢

⎤

⎦

⎥

⎥

⎥

⎥

(4-1)

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 được 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 được 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 lượng tử hoá hình ảnh, hay có thể nói rằng:

Quá trình số hoá = Quá trình định mẫu + Quá trình lượng tử hoá

Quá trình định mẫu ảnh được sử dụng để tạo ra sự rời rạc hoá không gian hình học liên tục của ảnh Thông thường nó được thực hiện nhờ hệ thống quang học với kích thước nào đó đã được chọn chuyển động dọc theo đường quét trên tấm ảnh, cũng tại thời điểm đó nó tiến hành đo, ghi (thời gian đã

được định trước hoặc độ dài của bước nhảy) phản xạ hoặc bức xạ giá trị độ

đen của từng vùng với đối tượng tương ứng Việc định mẫu ảnh cho từng vị trí cửa mở của hệ thống quang học là giá trị thích hợp của toàn giá trị độ đen trong khoảng cửa mở (kích thước) Theo luật định mẫu, bước nhảy định mẫu

lý tưởng T thoả mãn điều kiện:

T

f c

≤ 1

Trong đó:

fC - Là tần số cao nhất của phép biết đến FURIER của việc định mẫu

ảnh, tức là tần số cắt

Quá trình lượng tử hoá được sử dụng để tạo ra sự rời rạc không gian độ

đen liên tục của ảnh Lượng tử hoá có thể thực hiện bằng hai phương pháp là tuyến tính hoặc không tuyến tính như chỉ ra ở hình 4-1 và hình 4-2

Hình 4-1 Lượng tử tuyến tính

Hình 4-2 Lượng tử không tuyến tính Theo phương thức tuyến tính, công thức lượng tử hoá có thể biểu diễn dưới dạng sau:

I Integer I I I

A

ư

min

(4.3)

IA

0 imin i1 i2 imax i

I

N-1

bậc

M bậc

IA

N i

N-1

N - Là thang cường độ (bậc độ đen) lượng tử hoá và thường từ 0ữ255

Imax, Imin- Là giá trị cường độ cực đại và cực tiểu trong định mẫu ảnh

Ngoài ra ảnh số có thể thu nhận trực tiếp nhờ hệ thống Sensor đặt trên các thiết bị bay Phương thức thu trực tiếp này được sử dụng trong kỹ thuật viễn thám như là hệ thống MSS, TM đặt trên vệ tinh Landsat của Mỹ hoặc hệ thống CDD đặt trên vệ tinh Spot của Pháp

2 Các đặc trưng cơ bản của ảnh số trong viễn thám

Trong viễn thám, việc thu nhận ảnh số được thực hiện nhờ các hệ thống Sensor đặt trên các vệ tinh hoặc trên con tàu vũ trụ Các Sensor này quét và

định mẫu năng lượng phản xạ bề mặt trái đất tại vùng mà vệ tinh bay qua Trong cùng một thời điểm các năng lượng phổ thu nhận được phân tích liên tục nhờ hệ thống lăng kính tách tia đặc biệt và được ghi lại sau khi đã lượng tử hoá thành các băng phổ khác nhau tạo ra ảnh số viễn thám hay gọi là ảnh số

đa phổ Loại ảnh này có đặc trưng riêng của chúng là đặc trưng phổ, đặc trưng không gian và đặc trưng thời gian

a Đặc trưng phổ

Các đối tượng khác nhau dưới mặt đất sẽ phản xạ các bước sóng điện từ khác nhau Vì thế các đối tượng mặt đất thuộc cùng một lớp sẽ có phổ (độ

đen) khác nhau trong các băng phổ khác nhau và các đối tượng thuộc các lớp khác nhau cũng sẽ có phổ khác nhau trên cùng một băng phổ Đây chính là

đặc trưng phổ của ảnh viễn thám, đặc trưng này được thể hiện ở ba dạng là

đường cong đặc trưng phổ, đường cong phổ tương ứng và không gian phổ đặc trưng

*Đường cong phổ đặc trưng

Trên hình 4-3 thể hiện đường

cong phổ đặc trưng của nước, đất

và thực vật Trục hoành biểu thị

độ dài bước sóng, trục tung biểu

thị độ phản xạ của các đặc trưng

mặt đất với độ dài bước sóng

tương ứng Các đường cong đặc

trưng này có thể được vẽ từ các

số liệu đo phổ các đối tượng nhờ

phổ kế hoặc Radio kế trên thực

địa

Kegtation

ωater

Soil

S

lλ(%)

λ(μ) 1.1

B7

B6

B5

B4

0.9 0.7

0 0.5

60 50 40 30 20 10

Hình 4-3 Các đường cong phổ đặc trưng

*Đường cong phổ đặc trưng tương ứng

Hình 4-4 thể hiện các đường

cong phổ đặc trưng tương ứng của

nước, đất và thực vật được vẽ dựa

trên việc đo độ đen của chúng trên

các băng phổ khác nhau Trục hoành

biểu thị số thứ tự băng ảnh, trục tung

biểu thị giá trị phổ (độ đen) đo được

Từ hình 4-3 và hình 4-4 ta thấy có sự

tương thích giữa các đường cong phổ

tương ứng của cùng một lớp đối

tượng

* Không gian phổ đặc trưng

Không gian phổ đặc trưng được xác định theo hệ thống toạ độ trực giao

đa chiều, trong đó từng trục tọa độ sẽ ứng với một băng ảnh và chỉ ra giá trị

phổ của băng ảnh đó

Hình 4-5 chỉ ra không gian phổ đặc

trưng hai chiều tương ứng với băng 5 và

băng 7 của tư liệu ảnh Landsat với ba lớp

đối tượng là nước, đất và thực vật với ba

điểm phổ là W, S và V Các vetor OW,

OS và OV được gọi là các vector phổ đặc

trưng Trong không gian phổ đặc trưng,

nếu hai vector phổ bất kỳ trùng khít với

nhau, tức là chúng cùng hướng và bằng

nhau về độ dài thì chúng sẽ cùng một lớp

và ngược lại

Cuối cùng, đối với băng ảnh đơn như ảnh hàng không trắng đen, ảnh Radar hoặc ảnh hồng ngoại, đặc trưng phổ của chúng sẽ suy giảm thành đặc trưng độ đen (hay độ tương phản)

Đặc trưng phổ và độ tương phản đều là cơ sở chính của công tác giải

đoán ảnh trực tiếp hoặc bằng máy tính và nâng cao chất lượng ảnh

b Đặc trưng không gian

Đặc trưng không gian tức là đặc trưng hình học của ảnh viễn thám và

thể hiện chính dưới ba dạng là độ phân giải, cấu trúc của ảnh và méo ảnh

ω

B7

B6

B5

B4

S V

B

lβ

Hình 4-4 Các đường cong phổ tương ứng

Hình 4-5 Không gian phổ đặc trưng

(V) (ω)

(S)

B5

Độ phân giải

Độ phân giải của tư liệu ảnh viễn thám thể hiện ở ba vấn đề: Độ phân

giải không gian, độ phân giải Rediometric và độ phân giải phổ

Độ phân giải không gian

Độ phân giải không gian của ảnh là khoảng cách tối thiểu giữa hai đối tượng mà chúng được phân chia và tách biệt với nhau trên ảnh

Trên lý thuyết độ phân giải không gian của ảnh được xác định bởi góc nhìn tức thời của bộ thu (IFOV) Giá trị này là kích thước đo được trên mặt đất

được nhìn bởi một phần tử của bộ ghi tại một thời điểm

Độ phân giải không gian thường được thể hiện bằng kích thước của pixel, ví dụ như ảnh Landsat TM là (30ì30) m hay ảnh SPOT-XS là (20ì20)m

và SPOT-PAN là (10ì10)m Độ phân giải không gian thường bị suy giảm do các yếu tố làm mờ hình ảnh như tán xạ khí quyển, chuyển động của các đối tượng Độ phân giải không gian là một yếu tố rất quan trọng ảnh hưởng đến

độ chính xác của công tác đo vẽ bản đồ và của công tác phân loại

Độ phân giải Radiometric

Độ phân giải Radiometric của ảnh được định nghĩa là sự thay đổi nhỏ nhất về độ xám có thể phát hiện được bởi bộ thu Theo lý thuyết độ phân giải Radiometric của hệ thống viễn thám phụ thuộc vào tỷ số giữa tín hiệu và nhiễu Tuy nhiên, trên thực tế độ phân giải Radiometric của ảnh số được xác

định bởi số bậc được sử dụng để biểu diễn giá trị độ xám của mỗi pixel Hiện nay, người ta sử dụng 8bit (256 bậc) để biểu thị giá trị độ xám của mỗi pixel

ảnh có độ phân giải Radiometric càng cao thì sử dụng càng nhiều bậc để biểu diễn giá trị độ xám của pixel và cho phép phân biệt được những thay đổi nhỏ hơn về độ xám của các đối tượng

Độ phân giải phổ

Tín hiệu phản xạ từ các đối tượng trên mặt đất có thể thu nhận theo các dải bước sóng khác nhau Mỗi giải sóng đó được gọi là một băng (band) hay một kênh (Chanel)

Ví dụ ảnh Spot thu nhận tín hiệu trên ba kênh: Xanh lá cây, đỏ và gần hồng ngoại

*Cấu trúc của ảnh

Cấu trúc của ảnh cho ta các đường viền, hướng, vị trí kích thước và sự phân bố các mẫu của đặc trưng này Nó là cơ sở chính để nội suy địa hình,

thừa nhận cấu trúc hoặc màu tổng hợp không gian từ là dò tìm đường bao hoặc rút ra các đặc trưng tuyến tính

*Méo ảnh

Méo ảnh là sự không tương tự giữa ảnh và lưới chiếu bản đồ tương ứng với các đặc trưng của mặt đất Để dùng ảnh viễn thám vào mục đích vẽ bản đồ thì méo hình của ảnh bắt buộc phải hiệu chỉnh Đây là mục đích chính của công tác nắn chỉnh ảnh viễn thám

c Đặc trưng thời gian

Đặc trưng này có được là do theo chu kỳ hoạt động của vệ tinh, cứ sau một khoảng thời gian nhất định thu được ảnh ở vị trí ban đầu

Đặc trưng thời gian của ảnh viễn thám được thể hiện về sự khác nhau giữa phổ và cấu trúc giữa các ảnh đa thời gian, nó là cơ sở chính để dự báo về những biến đổi của bề mặt trái đất hay nói cách khác là sự thay đổi của môi trường

d.Đặc trưng chiết suất thông

tin liên hợp

Ngoài ba đặc trưng trên,

người ta có thể sử dụng thông tin

trên từng băng của ảnh để chồng

xếp với nhau, tức là người ta có

thể tổng hợp các thông tin trên

các băng với nhau để tạo ra một

băng mới, tạo ra cho ta khoảng

khai thác tư duy được nhiều hơn

(hình 4-6) Hay nói cách khác vì

ảnh ở dạng số nên người ta có thể

cộng, trừ, nhân, chia các băng

ảnh với nhau

Hình 4-6

Đ.4.2 Kỹ thuật nâng cao độ tương phản

Tăng cường chất lượng ảnh và chiết tách đặc tính như một thao tác chuyển đổi nhằm tăng tính dễ đọc, dễ hiểu cho người làm công tác giải đoán

ảnh, một thao tác nhằm phân loại, sắp xếp các thông tin có sẵn trong ảnh theo các yêu cầu hoặc chỉ tiêu đưa ra dưới dạng hàm số Cho đến nay, người ta vẫn chưa đưa ra một tiêu chuẩn cụ thể nào về nâng cao chất lượng của ảnh số Vì vậy việc nâng cao chất lượng ảnh thường theo yêu cầu và mục đích của người

sử dụng Thực chất việc nâng cao độ tương phản là sự cần thiết lượng tử hoá

P’

2

3 NB

B (Băng)

NL

x

t(thời gian) Nt 2 1

y

NS P’

độ xám của ảnh Sự sắp xếp độ xám sau quá trình này nằm trong khoảng từ 0ữ255 bậc Một số phương pháp nâng cao độ tương phản được sử dụng trong các thiết bị xử lý ảnh được kể tới như nâng cao tuyến tính, nâng cao phi tuyến tính và nâng cao theo phép biến đổi Histogram

1 Khái niệm về Histogram

Histogram thống kê của ảnh thể hiện trên hình 4-7a và hình 4-7b Histogram của ảnh có dạng rời rạc của hàm liên tục mật độ xác suất đối với sự phân bố độ xám của ảnh

Hoành độ biểu diễn cường độ xám (I) đã lượng tử hoá từ ảnh số Tung

độ biểu thị tổng số pixel (hoặc tỷ lệ % của nó) ứng với cường độ xám nào đó

Nếu sự phân bố của toàn bộ độ xám trên ảnh là sự phân bố chuẩn thì hình dạng và vị trí của Histogram có thể được mô tả đặc tính bởi cường độ (E)

và phương sai (μ2)

E

N j I J

N

=

1

1

μ2 ( )2

1

1

=

N j I j E

N

(4.4)

N: Tổng số pixel trên ảnh

j : Số thứ tự của pixel

I : Giá trị cường độ

Histogram là phương tiện để nghiên cứu cường độ và đặc tính phổ của

Hình 4-7b Histogram thống kê Hình 4-7a Hàm phân bố xác suất

Imax

Imin

IA

PA (IA)

256 E(I)

0 P(I)

2 Nâng cao tuyến tính độ tương phản

Phạm vi cường độ của ảnh gốc là vùng tối, để phân biệt được chi tiết trên ảnh, phạm vi cường độ có thể được mở rộng theo hệ số tỷ lệ (K) Mối quan hệ giữa độ xám nâng cao (I’p) và ban đầu (Ip) của bất kỳ pixel nào trên

ảnh được thể hiện như sau:

I’p = I’1 + k (Ip - I1)

K = I I

n n

' ư '

1 1

Tgα - Góc nghiêng đường thẳng biến đổi độ xám

I1 và In - Là giá trị độ xám min và max trên ảnh gốc

I’1 và I’n - Là giá trị đầu và cuối theo yêu cầu nâng cao ảnh I’1=0

và I’n = 255

Trong phương pháp đầu tiên ta

phân chia độ xám của ảnh gốc thành

một vài phần và sau đó nâng cao

tuyến tính từ những phần đó theo các

tỷ lệ khác nhau Với những tỷ lệ K

khác nhau phương pháp này có thể

tiến hành như sau:

- Nếu góc nghiêng α của

đường thẳng A bằng 450 thì độ xám

còn lại không thay đổi sau khi nâng

cao chất lượng của ảnh như của phần

(I2-I3) trong hình 4-8

Hình 4-9 Nâng cao tuyến tính từng phần

Hình 4-8 Nâng cao tỷ lệ

In

I1 I’1= 0

I’n

I’n

α

450

A3

A2

A1

I

I1 I2 I3 I4

I’2 I’3

I’1

- Nếu α > 450 thì độ xám được trải ra như phần (I1 - I2)

- Nếu < 450 thì bị nén như ở phần (I3 - I4)

Như vậy, để thay đổi độ tương phản thì yêu cầu 450

Phương pháp nâng cao tuyến tính từng phần (hình 4-9) rất linh hoạt trong từng phần khác nhau của ảnh theo những khoảng rộng khác nhau và kết quả là hình dạng Histogram của ảnh có thể được thay đổi tuỳ theo yêu cầu cần

sử dụng

3 Nâng cao phi tuyến tính độ tương phản

Thực chất của nâng cao tuyến tính từng phần được miêu tả ở trên là việc làm đơn giản của nâng cao không tuyến tính, vì đường cong biến đổi không tuyến tính có thể xấp xỉ bằng một số đoạn của đường thẳng được nối lại với nhau (hình 4-10)

Hình 4-10 Hàm nâng cao Logarit và hàm nâng cao mũ

Hàm số nâng cao không tuyến tính có thể giải thích theo sự tương ứng nâng cao tuyến tính từng phần Có hai phương pháp chính của nâng cao không tuyến tính đó là hàm số Logarit và hàm số mũ Nói chung những vùng có mức

độ xám cao sẽ bị nén, trong khi đó vùng có mức độ xám thấp sẽ được giãn ra, vì thế hai phương pháp này sẽ có tác dụng trái ngược nhau khi nâng cao độ tương phản trên cùng một phần ảnh Công thức sự biến đổi biểu diễn tương ứng cho các hàm như sau:

- Cho hàm Logarit

a I I

n n

log

ư +

1

1

1

(4.6)

I

In

I1

I’1

I’n

I’

I

In

I1 I’1

I’n I’