Tiểu luận cơ sở VIỄN THÁM

Sự truyền tải, thu nhận và xử lý E: năng lượng đc thu nhận đến bộ cảm rồi chuyển đến trạm thu nhận dữ liệu để xử lý sang dạng ảnh thô Phân loại và phân tích ảnh F: ảnh thô sẽ đc xử lý để

CƠ SỞ VIỄN THÁM

1.1 Mở Đầu

1 Khái niệm về viễn thám

-Viễn thám là thăm dò từ xa về 1 đối tượng hoặc 1 hiện tượng mà không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tượng hoặc hiện tượng đó

2 Phân loại viễn thám

+Dựa vào các yếu tố:

- hình dạng quỹ đạo của vệ tinh,

- độ cao bay của vệ tinh, thời gian còn lại của một quỹ đạo

- dải phổ của các thiết bị thu

- loại nguồn phát và tín hiệu thu nhận

+Có 2 phương thức phân loại chính

a) phân loại theo nguồn tín hiêu: viễn thám chủ động, viễn thám bị động

b) phân loại theo đặc điểm quỹ đạo: viễn thám vệ tinh địa tĩnh, viễn thám vệ tinh quỹ đạo cực

c) c Phân loại theo dải sóng thu nhận:

+ VT trong dải sóng nhìn thấy và hồng ngoại

+ VT hồng ngoại nhiệt

+ VT siêu cao tần

1.2 Nguyên lý cơ bản của viễn thám

1 Nguyên lý : là thu nhận năng lượng phản hổi của sóng điện từ chiếu tới vật thể

thông qua bộ cảm biến giá trị phản xạ phổ này sẽ đc chuyển về giá trị số

2 Các thành phần chính của 1 hệ thống viễn thám

Nguồn năng lượng (A): là nguồn năng lượng để chiếu sáng hay cung cấp năng lượng điện từ tới đối tượng cần nghiên cứu

Những tia phát xạ và khí quyển (B): bức xạ điện từ từ nguồn phát tới đối tượng nghiên cứu sẽ phải tương tác qua lại với khí quyển nơi nó đi quá

Sự tương tác với đối tượng (C): sự tương tác này có thể là sự truyền qua, sự hấp thụ hay bị phản xạ lại khí quyển

Thu nhận năng lượng bằng bộ cảm biến (D): sau khi năng lượng đc phát ra hoặc bị phản xạ cầm có bộ cảm biến để tập hợp lại và thu nhận sóng điện từ

Sự truyền tải, thu nhận và xử lý (E): năng lượng đc thu nhận đến bộ cảm rồi chuyển đến trạm thu nhận dữ liệu để xử lý sang dạng ảnh thô

Phân loại và phân tích ảnh (F): ảnh thô sẽ đc xử lý để có thể sử dụng trong các mục đích khác

Ứng dụng (G): đây là thành phần cuối cùng của hệ thống viễn thám đc thực hiện khi ứng dụng thông tin nhận đc trong quá trình xử lý ảnh

1.3 Cơ sở vật lý của viễn thám

2 Khả năng bức xạ tương tác với bầu khí quyển

Năng lượng gồm 3 thành phần

-Sự tán xạ

-Sự hấp thụ

-Sự thấu qua

3 Năng lượng bức xạ tương tác với các đối tượng trên bề mặt đất

-Sự tán xạ

-Sự hấp thụ

-Sự thấu qua

CT: E0= Ep+Eanfa+E

E0: năng lượng ban đầu của bức xạ khi chiếu xuống

Ep: năng lượng phản xạ

Eanfa: năng lượng hấp phụ

E: năng lượng thấu qua

4 Khả năng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên

a) khả năng phản xạ phổ của thực vật

-thay đổi theo chiều dài bước sóng: chất sắc tố, cấu trúc tế bào lá, hàm lượng nước trọng lá

b) khả năng phản xạ phổ của đất

-luôn tăng theo chiều dại bước sóng: thành phần cơ giới, độ ẩm, cấu trúc đối

tượng(độ nhám bề mặt)

c)khả năng phản xạ phổ của nước

-luôn thay đổi theo chiều dài bước sóng: thành phần có trong nước, độ đục của nước, trạng thái bề mặt nước

5 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên

-Yếu tố thời gian: là một trọng những yếu tố quan trọng nhất, sự thay đổi thời gian của các đối tượng tự nhiên dẫn đến khả năng phản xạ phổ cungcx thay đổi theo., ví

dụ lúa có màu khác nhau theo thời vụ, cây rụng là vào mùa đông khác cây nhiều là vào mùa hè

-Yếu tố không gian: gồm yếu tố không gian cục bộ và yếu tố không gian địa lý Không gian cục bộ thể thiện khi chụp ảnh cùng 1 loại đối tượng, không qian địa lý thể hiện ở cùng 1 loại đối tượng nhưng sinh trưởng ở các vùng khác nhau thì khả năng phản xạ khác nhau

-Yếu tố khí quyển: có ảnh hưởng lớn ảnh hưởng đến sô liệu viễn thám theo 2 cách: tán xạ và hấp thụ năng lượng

CHƯƠNG 2 2.1 Những khái niệm chung về bộ cảm biến

1 Bộ cám biến

a) Khái niệm

Giữ nhiệm vụ thu nhận các năng lượng bức xạ do vật thể phản xạ từ nguồn cung cấp tự nhiên hoặc nhân tạo Năng lượng này đc chuyển thành tín hiệu số tương ứng với năng lượng bức xạ và đc truyền vầ các tram thu dưới mặt đất

Trong cấu tạo bộ cảm có 1 kính lọc dùng để tách năng lượng điện từ thành các bước sóng khác nhau và dẫn vào các tế bào quang điện để chuyển quang năng thành điện năng

b) Phân loại

Việc phân loại bộ cảm có nhiều cách khác nhau, có thể kéo dài sóng thu nhận cũng có thể theo kết cấu Các bộ cảm chủ động thu nhận năng lượng do vật thể phản xạ từ nguồn năng lượng nhân tạo

Mỗi loại bộ cảm thuộc nhóm chủ động hoặc bị động đc chia thành hệ thống quét và hệ thống ko quét Sau đó chúng tiếp tục được chia thành loại tạo ảnh và

ko tạo ảnh

2.3 Vật mang và quỹ đạo bay

a) phân loại vật mang

là 1 phương tiện để bố trí các bộ cảm bên trong đó nhằm thu thông tin từ mặt đất Vệ tinh và máy bay là vật mang cơ bản, có nhiều loại vật mang ko nhau -vệ tinh địa tĩnh

-vệ tinh tài nguyên

-vật mang quỹ đạo thấp

-vật mang tầng máy bay

-vật mang tầng thấp

b)quỹ đạo bay và các thông số cơ bản

+Các phần tử quỹ đạo của vệ tinh

Tập hợp các thông số cơ bản mô tả quỹ đạo chuyển động của vật mang đc gọi là phần tử quỹ đạo của vệ tinh

Mỗi loại vệ tinh khác nhau sẽ chuyển động quoanh trái đất theo 1 quỹ đạp xác định đc thiết kế theo 6 tham số

-Bán trục lớn A của quỹ đạo

-độ dẹt quỹ đạo e

-góc nghiêng i

-góc lên bên phải h

-điểm gần nhất g

-thời gian V qua điểm gần nhất

+Các dạng quỹ đạo vệ tinh

-Quỹ đạo đồng bộ với trái đất: là quỹ đạo của vệ tinh có chuyển động với vận tốc cùng vận tốc trục quay trái đất nếu mặt phẳng quỹ đạo vệ tinh trùng với mặt phẳng xích đạo thì gọi là vệ tinh địa tĩnh

-Quỹ đạo đồng bộ với quỹ đạo mặt trời: là quỹ đạo chuyển động của vệ tinh hướng Bắc-Nam kết hợp vs chuyển động hướng Đông – Tây của trái đất tạo thành chuyển động đồng bộ với quỹ đạo chuyển động mặt trời sao cho vệ tinh luôn nhìn về trái đất tại thời điểm có độ sáng ổn định

2.4 Vệ tinh giám sát tài nguyên

1 Vệ tinh Landsat

a)lịch sử: landsat1 1972, landsat 2 1975, landsat 3 1978 Landsat 4 1982,

landsat 5 1984, landsat 6 1993, landsat 7 1999

b)quỹ đạo chuyển động của vệ tinh landsat 4,5,7

độ cao 705km, độ nghiêng 98,2 độ, quỹ đạo đồng bộ với mặt trời, thời điểm bay qua xích đạo là 9h42p sáng Chù kỳ lặp lại 16 ngày Bề rộng tuyến chụp 185km

Bộ cảm

-Bộ cảm MSS, TM cả 2 đều là máy quét quang cơ, hệ thống landsat MSS

hoạt động ở dải phổ nhìn thấy và hồng ngoại

-thông số kỹ thuật bộ cảm MSS

Độ rộng mỗi giải quét 185km Tín hiệu đc mã hóa thành 64 cấp độ sáng Góc quét từ tây sang đông: 11,6 độ Thời gian ghi nhận thông tin mỗi bộ dò: 33mili giây

Có 4 kênh phổ -Thông số kỹ thuật bộ cảm TM

Độ rộng mỗi giải quét 185km Góc quét 14,8 độ

Độ phân giải: 30M

Có 7 kênh phổ

kênh của MSS

các đối tượng tự nhiên của các vật thể tự nhiên thông thường và đặc trưng truyền của khí quyển Điều này trái ngược với rạnh giới phổ của bộ cảm MSS đc lựa chọn 1 cách tùy tiện

- MSS sử dụng gương quét chỉ theo 1 pha tây sang đông TM cơ chế hiệu chỉnh dòng quét bù cho sự biến thiên góc và tạo kiểu quét vuông góc với đường bay, cho phép cả 2 pha đều quét được

cao hơn MSS

CHƯƠNG 4 4.1 Khái Niệm Về Ảnh Số

4.1.1 KN

Ảnh là kết quả hiển thị hình học 2 chiều của vật thể

- Ảnh tương tự: là những bức ảnh được lưu trên fim hoặc trên giấy ảnh, có thể xem trực tiếp, có cấp độ xám hoặc màu thay đổi liên tục như ảnh hàng không, ảnh chụp bằng máy ảnh thông thường

- Ảnh Số: là dạng dữ liệu ảnh được lưu trên máy tính, được chia thành nhiều phần

tử ảnh, mỗi phần tử anh gọi là mỗi pixel, mỗi pixel tương ứng với 1 hàm tọa độ của điểm ảnh vào giá trị độ xám

4.1.2:Ưu điểm

- Dữ liệu ảnh số chứa thông tin gốc về một đối tượng tốt hơn dữ liệu trên ảnh chụp phim có cùng độ phân giải

- Dữ liệu ảnh số cho phép xử lý tự động và phân loại nhanh

- Dữ liệu ảnh số có dải phổ lớn và nhiều kênh hơn so với dữ liệu ảnh chụp trên phim ảnh

- Dữ liệu ảnh số phủ một vùng rộng lớn hơn khả năng của ảnh chụp phim

- Có thể lưu trữ gọn nhẹ trên máy tính

- Truyền tải nhanh trên mạng

- Ít khả năng hỏng như phim

4.2 Độ Phân Giải Của Ảnh Vệ Tinh

Độ phân giải là thông số cơ bản nhất phản ánh chất lượng và tính chất của ảnh vệ tinh mà dựa vào đó ta có thể xác định khả năng phân loại, nghiên cứu vật thể Độ phân giải ảnh vệ tinh bao gồm: Độ phân giản không gian, độ phân giản thời gian, độ phân giải phổ, độ phân giải bức xạ

4.2.1 Độ phân giản không gian.

Độ phân giản ko gian của ảnh vệ tinh là kích thước nhỏ nhất của 1 đối tượng hay khoảng cách tối thiểu giữa 2 đối tượng liền kề có khả năng phân biệt đc trên nền ảnh ảnh có độ phân giải không gian càng cao thì có kích thước pixel càng nhỏ

Độ phân giản không gian cũng được gọi là độ phân giải mặt đất khi trình chiếu của một pixel tương ứng với 1 đơn vị chia mẫu trên mặt đất Dựa vào độ phân giải ko gian, ảnh vệ tinh có thể chia làm các loại cơ bản: ảnh vệ tinh có độ phân giản siêu cao, phân giản cao, trung bình, thấp

4.2.2 Độ phân giải bức xạ

Là khả năng nhạy cảm của các thiết bị thu để phát hiện những sự khác nhau rất nhỏ trong năng lượng sóng điện từ Phần lớn dữ liệu ảnh viễn thám hiện nay đc lưu trữ ở dạng 8 bit, 1 số ảnh vệt tinh phân giải cao có thể lưu trữ ở dạng 16bit Ảnh vệ tinh đc lưu trữ ở dạng 8 bit sẽ có 256 cấp độ xám, 16 bit có 65536 cấp độ xám

4.2.4 Độ phân giải phổ.

Là thể hiện bởi kích thước và số kênh phổ, bề rộng phổ hoặc sự phân chia vùng phổ mà ảnh vệ tinh có thể phân biệt được các bức xạ từ nhiều vùng phổ khác nhau Độ phân giải phổ thể hiện độ nhạy tuyến tính của bộ cảm biến trong khả năng phân biệt sự thay đổi nhỏ nhất của cường độ phản xạ sóng từ các vật thể

4.2.4 Độ phân giản thời gian

Là thời gian chụp ảnh lặp lại tại cùng 1 vị trí của ảnh vệ tinh Độ phân giải thời gian cho biết số ngày hoặc giờ mà hệ thống cảm biến của vệ tinh sẽ quay lại

để chụp 1 vị trí nhất định Do vậy độ phân giản thời gian ko ảnh hưởng đến các thiết bị ghi ảnh mà chỉ liên quan đến khả năng lặp lại của vệt tinh

4.3 Khuôn Dạng Dữ Liệu

Dữ liệu ảnh số thường được lưu trữ theo các khuôn dạng khác nhau bào gồm: BSQ, BIL, BIP Đây là sự phối hợp vị trí không gian và giá trị độ xám để thu nhận, lưu trữ, thể hiện và phân tích ảnh

Khuôn dạng dữ liệu kiểu BSQ: tất cả các dữ liệu thuộc một kênh ảnh đc lưu

trữ riêng thành 1 file Nếu như ảnh số về 1 khu vực nào đó gồm nhiều kênh ảnh thì

sẽ có nấy nhiêu file dữ liệu

Ưu điểm: dễ đọc, cho phép chọn kênh bất kì và rất thuận tiện khi xuất ảnh hoặc tổ hợp màu ảnh vệ tinh

Khuôn dạng dữ liệu kiểu BIL: là cấu trúc xen đường trong băng phổ Giá

trị của các kênh sẽ lần lượt ghi nhận thứ tự từ dòng 1 cho đến hết và cho ra file dữ liệu chung cho tất cả các kênh ảnh

Khuôn dạng dữ liệu kiểu BIP: là cấu trúc xen pixel trong băng phổ Trong

khuôn dạng dữ liệu BIP mỗi pixel ảnh được lưu trữ tuần tự theo các kênh, nghĩa là các kênh phổ được ghi theo hàng và cột của từng pixel Sau khi kết thúc tổ hợp phổ của pixel này lại chuyển sang tổ hợp phổ của pixel khác

Khuôn dạng dữ liệu kiểu BIP rất dễ đọc, cho phép chọn kênh bất kỳ, thuận tiện khi xuất ảnh hoặc tổ hợp màu ảnh vệ tinh, sử dụng thuận lợi trong phân loại tự động các đối tượng trên ảnh và xử lý ảnh đa biến,

4.4 Các Phương Pháp Giải Đoán Ảnh

KN: Giải đoán anh là quá trình chiết tách thông tin, đặc tính, định lượng từ các dữ liệu ảnh, gồm giải đoán ảnh bằng mắt (ảnh tương tự), giải đoán ảnh bằng xử lý số (ảnh số)

*)Ưu điểm của giải đoán ảnh bằng mắt: tận dụng được kinh nghiệm, tận dụng được tài liệu, sử dụng được các chuẩn khi giải đoán

Nhược điểm: năng suất lao động không cao, kết quả giải đoán ko đồng nhất, ko sử dụng đc các tính chất đa phổ

*)Ưu điểm của giải đoán ảnh bằng xử lý số: năng suất lao động cao, kết quả giải đoán đồng nhất, sử dụng được tính chất đa phổ

Nhược điểm: ko tận dụng được kinh nghiệm, ko tận dụng đc tài liệu, ko sử dụng đc các chuẩn khi giải đoán(chỉ sử dụng chuẩn độ đen)

4.4.1 Giải Đoán Bằng Mắt

KN: Là quá trình sử dụng mắt người cùng với trí tuệ để tách triết các thông tin từ

tư liệu viễn thám dạng hình ảnh

Những yếu tố cơ bản để phân loại ảnh bằng mắt bao gồm kích thước, hình dạng, bóng râm, độ đậm nhạt – độ sáng, màu sắc, cấu trúc, hình mẫu, mối liên quan Khóa giải đoán ảnh: là chuẩn giải đoán cho đối tượng nhất định bao gồm tập hợp các yếu tố và dấu hiệu do người giải đoán thiết lập, nhằm giúp cho công tác giải đoán nhanh và đạt kết quả chính xác thống nhất cho các đối tượng từ nhiều người khác nhau

4.4.2 Giải Đoán Bằng Xử Lý Số

KN: là pp sử dụng các phần mềm chuyên dụng kết hợp với các tư liệu ảnh đã được lượng tử hóa để cho ra thông tin hữu ích về các đối tượng trên ảnh, pp xử lý số gồm các giai đoạn:

1: tiền xử lý ảnh

2: tăng cường chất lượng ảnh

3: chuyển đổi ảnh

4: phân loại ảnh

1) Tiền xử lý ảnh: nhằm hạn chế các sai số của ảnh, để có thể sử dụng trong những trường hợp cụ thể

-Có 2 loại sai số:

+Sai số về phổ: liên quan đến độ xám của các pixel, nguyên nhân do độ nhạy cảm của bộ cảm , do khí quyển, do góc chói của mặt trời, do địa hình

+Sai số về hình học: liên quan đến hình dạng ảnh, do yếu tố nội sai (do hệ thống bộ cảm), do yếu tố ngoại sai (các yếu tố ngoài hệ thống)

Nguyên lý chung của hiệu chỉnh hình học ảnh viến thám là nắn chỉnh hình học ảnh viễn thám (đưa tọa độ ảnh về tọa độ địa lý của vùng chụp), gồm các pp nắn: nắn theo điểm khống chế, nắn theo tài liệu bản đồ, nắn theo ảnh

2) Tăng cường chất lượng ảnh

-Là những thao tác nhằm làm nổi bật các đối tượng trong ảnh, sao cho người giải đoán dễ đọc, dễ nhận biết hơn so với anh gốc

-Các phương pháp tăng cường biến đổi cấp độ sáng , chuyển đổi histogrem, tổ hợp màu

-Sau khi hiệu chỉnh bức xạ ảnh vẫn chưa đảm bảo tối ưu cho việc giải đoán vì vậy việc hiệu chỉnh cường độ sáng , độ tương phản là cần thiết và tùy thuộc vào từng ứng dụng cụ thể để phân tích các đối tượng ảnh

4.5 Phân loại ko kiểm đinh và có kiểm định

a)Phân loại không kiểm định

KN: là phương pháp chỉ sử dụng thuần túy thông tin ảnh, quá trình xử lý hoàn toàn tự động

-là kỹ thuật phân loại được áp dụng tại những khu vực k có thông tin gì về đối tượng cần phân loại

-Trình tự thực hiện: 1: chọn ngẫu nhiên, gộp nhóm các pixel

2: xác định loại ứng với từng nhóm và ước tính tham số thống

kê cho quá trình phân loại kế tiếp

-pp phân loại phi giám định có thể được như 1 phương tiện để tìm hiểu sơ bộ sự phân lớp của 1 khu vực sắp khảo sát

-Nếu có thông tin về lớp phủ sử dụng pp kiểm định độ chính xác sẽ cao hơn

b) Phân loại có kiểm định

-Là hình thức phân loại kết hợp giữa phân loại tự động nhờ sự trợ giúp của máy tính, kết quả điều tra thực địa trình độ của người phân loại

-Là hình thức phân loại mà các chỉ tiêu đc thiết lập dựa trên các vùng mẫu, các thuật toán phân loại thích hợp để gán nhãn pixel ứng với từng vùng cụ thể

-Các vùng mẫu là những khu vực trên ảnh tương ứng với từng loại mà mà người giải đoán đã biết đc đặc trưng phổ

-Ưu điểm: Độ chính xác cao, mẫu phân loại có thể dùng trong thời gian dài, tốc độ tính toán nhanh,

Nhược điểm: độ chính xác của kết quả phụ thuộc vào độ chính xác của mẫn phân loại chũng như trình độ người phân loại

-Phân loại tự động kiểm định gồm:

1:chọn dữ liệu mẫu

2:chọn pp phân loại

3:tiến hành phân loại

4:đánh giá kết quả

-Các thuật toán phân loại:

1: thuật toán hình hộp

2: thuật khoảng cách ngắn nhất

3: thuật xác xuất cực đại

4: thuật phân loại gần đúng