Một số kỹ thuật ứng dụng trong xây dựng cơ sở dữ liệu ảnh viễn thám

v n ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG NGUYỄN BÁ QUÂN MỘT SỐ KỸ THUẬT ỨNG DỤNG TRONG XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU ẢNH VIỄN THÁM Chuyên ngành : Khoa học máy

Trang 1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên h tt p : // www

l r c t nu e du v n

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

NGUYỄN BÁ QUÂN

MỘT SỐ KỸ THUẬT ỨNG DỤNG TRONG XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU ẢNH VIỄN THÁM

Chuyên ngành : Khoa học máy tính

Mã số chuyên ngành: 60 48 01

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS TS ĐẶNG VĂN ĐỨC

Thái Nguyên, tháng 6 năm 2016

Trang 2

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên h tt p : // www

l r c t nu e du v n

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan tất cả các nội dung của luận văn này hoàn toàn được hình thành vàphát triển từ quan điểm của chính cá nhân tôi, dưới sự hướng dẫn chỉ bảo của PGS.TS ĐặngVăn Đức Các số liệu kết quả có được trong luận văn tốt

nghiệp là hoàn toàn trung thực

Học viên

Nguyễn Bá Quân

Trang 3

báu của quý thầy cô và các bạn.

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Trang 4

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái

Nguyên h tt l r c t nu p : // e d u v n ww w

MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC .iii DANH MỤC HÌNH ẢNH v MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I: KHÁI QUÁT VỀ ẢNH VIỄN THÁM 2

VÀ CSDL ẢNH VIỄN THÁM 2

1.1 Khát quát về ảnh viễn thám 2

1.1.1 Khái niệm về ảnh viễn thám 2

1.1.2 Nguyên lý hoạt động của ảnh viễn thám 2

1.1.3 Ứng dụng của ảnh viễn thám trong việc quản lý tài nguyên, thiên nhiên và môi trường 11

1.2 Hệ thống thông tin địa lý 21

1.2.1 Tổng quan về hệ thông tin địa lý 21

1.2.2 Khái niệm về Hệ thông tin địa lý 22

1.2.3 Các thành phần của Hệ thông tin địa lý 23

1.2.4 Các chức năng của Hệ thống thông tin địa lý 25

1.2.5 Hệ thông tin địa lý được biểu diễn như thế nào 27

1.2.6 Hệ quản trị CSDL không gian 30

1.3 Kết chương 31

CHƯƠNG 2: MỘT SỐ THUẬT TOÁN ỨNG DỤNG TRONG CSDL ẢNH VIỄN THÁM 32

2.1 Nâng cao chất lượng ảnh viễn thám 32

2.1.1 Biến đổi độ tương phản 33

2.1.2 Tăng cường độ tương phản theo tuyến 34

2.1.3 Làm biến đối màu sắc, mật độ và cường độ màu trên ảnh 36

2.1.4 Kỹ thuật tăng cường đường gờ 37

2.1.5 Kỹ thuật ghép nối ảnh số 40

2.1.6 Thiết lập hình ảnh tổng hợp nổi 42

2.1.7 Kỹ thuật chiết tách thông tin 42

2.2 Nắn chỉnh và tham chiếu địa lý ảnh viễn thám 49

2.2.1.Thu thập và tiền xử lý dữ liệu bản đồ véctơ 49

2.2.2 Nắn chỉnh dữ liệu bản đồ 56

2.2.3 Đơn giản hóa dữ liệu không gian 63

2.2.4 Chồng ghép bản đồ 64

2.2.5.Một số thuật toán minh họa 69

CHƯƠNG 3: THỬ NGHIỆM 74

3.1 Lựa chọn bài toán xây dựng chương trình thử nghiệm: 74

3.2 Thu thập dữ liệu thử nghiệm 74

3.3 Phát triển chương trình thử nghiệm 77

Trang 5

iv 3.4 Đánh giá kết quả thu được 84

KẾT LUẬN 86

TÀI LIỆU THAM KHẢO 87

Trang 6

v DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Tiến trình viễn thám 3

Hình 1.2 Các vector điện (E) và từ (M) của sóng điện từ 4

Hình 1.3 Phổ điện từ 5

Hình 1.4 Cửa sổ khí quyển 8

Hình 1.5 Bức xạ tương tác với mặt Trái đất 9

Hình 1.6 Phản xạ toàn phần và phản xạ khuyếch tán 9

Hình 1.7 Đáp ứng phổ của lá cây đối với bước sóng nhìn thấy và hồng ngoại 10 Hình 1.8 Đáp ứng phổ của nước đối với bước sóng nhìn thấy và hồng ngoại 10

Hình 1.9 Đường cong đáp ứng phổ của thực vật, đất và nước 10

Hình 1.10 Ảnh Landsat và bản đồ sử dụng đất tỉnh Hòa Bình (11/2000) 18

Hình 1.11: Cấu trúc vector và raster 27

Hình 2.1 Ảnh nguyên thuỷ và ảnh tăng cường độ tương phản 35

Hình 2.2 Sơ đồ thể hiện kỹ thuật làm tăng độ tương phản không theo tuyến, chú ý các đoạn dốc là khoảng được tăng cường 35

Hình 2.3 Liên hệ giữa hai hệ thống RGB và HIS 37

Hình 2.4 Lọc đường biên không theo hướng sử dụng filter laplacian 38

Hình 2.5 Ảnh lọc không theo hướng và lọc theo hướng từ ảnh 40

Landsat và bản đồ phân tích lineament 40

Hình 2.6 Cửa lọc kenel và kết quả lọc 41

Hình 2.7 Các dạng mạng lưới thuỷ văn căn bản 43

Hình 2.8 Phương pháp biến đổi thành phần chính dùng để tạo ảnh thành phần chính (PC) cho 6 band của LANDSAT 44

Hình 2.9 Nguyên tắc phân loại ảnh đa phổ 47

Hình 2.10 Sơ đồ mô tả sự phân loại đa phổ 47

Hình 2.11 Chuyển đổ tam giác trên bản đồ sang tam giác trên thực địa 60

Hình 2.12 Điểm tam giác được chuyển trực tiếp từ bản đồ sang thực địa 61

Hình 2.13 Các điểm bên trong trong bản đồ được chiếu từ một đỉnh đến cạnh đối diện, và sau đó hai hình chiếu được tính toán cho tam giác trong khảo sát bằng cách áp dụng một tỷ lệ đơn giản 62

Hình 2.14 Các điểm trên bản đồ được chuyển đến trung tâm của hình tam giác trong thực tế 62

Hình 2.15 Minh họa thuật toán Douglas-Peucke 64

Hình 2.16 Chồng ghép dữ liệu 65

Hình 2.17 Chồng ghép đa giác 66

Hình 2.18 Tiến trình phủ đa giác 68

Hình 2.19 Đường và đa giác lệch nhau 69

Hình 2.20 Giao của các đoạn thẳng 71

Hình 2.21 Điểm trong đa giác 72

Hình 2.22 Phương pháp kiểm tra góc 72

Hình 2.23 Diện tích đa giác 73

Trang 7

vi Hình 3.1 Giao diện chương trình và giao diện chức năng nắn chỉnh bản đồ 81

Hình 3.2 Bản đồ địa giới hành chính Tỉnh Thái Nguyên trước (màu đỏ) và sau khi nắn chỉnh (màu xanh) 82

Hình 3.3 Bản đồ địa giới Thành phố Thái Nguyên trước khi nắn chỉnh 82

Hình 3.4 Bản đồ địa giới Thành phố Thái Nguyên sau khi nắn chỉnh 83

Hình 3.5 Ảnh được cắt theo địa giới hành chính của Phường Tân Lập 83 Hình 3.6 Ảnh được cắt theo địa giới hành chính của Phường Hoàng Văn Thụ 84

Trang 8

Thám” (Remote Sensing) đang được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau,đặc biệt là trong các ngành khoa học về trái đất.

Trên thế giới công nghệ viễn thám đã được ứng dụng rộng rãi vào sự phát triển kinh

tế xã hội nói chung Trong lĩnh vực khoa học công nghệ nói riêng, công nghệ viễn thám

và đã chứng tỏ được tính hiệu quả cả về mặt công nghệ cũng như kinh tế, đồng thời cũngchứng tỏ được khả năng cung cấp thông tn độc đáo mà chưa có công nghệ nào có thểthay thế như khả năng cung cấp thông tin lặp đa thời gian có tính trung thực cao, khả năngcung cấp thông tin trên diện rộng, có tính bao quát cao, khả năng cung cấp thông tin không

bị hạn chế trong ranh giới lãnh thổ, khả năng cung cấp thông tin phục vụ đa ngành, đa lĩnhvực Viễn thám đã có những bước phát triển vượt bậc với những dạng tư liệu mới và nhữngcông nghệ xử lý hết sức đa dạng

Ở Việt Nam công nghệ viễn thám đã cung cấp rất nhiều số liệu cho các lĩnh vực như:thiên văn, khí tượng, địa chất, địa lý, hải dương, nông nghiệp, lâm nghiệp, thủy sản, quân

sự, thông tin, hàng không, vũ trụ trong đó các thuật toán như: nâng cao chất lượngảnh viễn thám, nắn chỉnh ảnh, xếp chồng bản đồ được sử dụng trong cơ sở dữ liệu (CSDL)

ảnh viễn thám Xuất phát từ vấn đề thực tiễn trên, tôi lựa chọn đề tài: “Một số kỹ thuật ứng dụng trong xây dựng Cơ sở dữ liệu viễn thám”.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng: Thuật toán trong CSDL ảnh viễn thám.

Phạm vi: Một số thuật toán ứng dựng trong CSDL ảnh viễn thám.

Những nội dung nghiên cứu chính:

Chương 1: Khái quát về ảnh viễn thám và cơ sở dữ liệu ảnh viễn thám Chương 2:

Một số thuật toán ứng dụng trong cơ sở dữ liệu ảnh viễn thám Chương 3: Thử

nghiệm

Trang 9

1.1.1 Khái niệm về ảnh viễn thám

Viễn thám được định nghĩa là khoa học nghiên cứu các phương pháp thu thập, đo lường và phân tích thông tin của vật thể quan sát mà không cần tiếp xúc trực tiếp với chúng.

Thuật ngữ viễn thám được sử dụng đầu tiên ở Mỹ vào năm 1960, bao gồm tất cả cáclĩnh vực như không ảnh, giải đoán ảnh, địa chất ảnh…

Về bản chất, do các tính chất của vật thể có thể được xác định thông qua nănglượng bức xạ hay phản xạ từ vật thể nên viễn thám là một công nghệ nhằm xác định vànhận biết đối tượng hoặc các điều kiện môi trường thông qua những đặc trưng riêng về sựphản xạ và bức xạ

Theo các định nghĩa trong [CAN][KER] thì viễn thám (Remote Sensing) được hiểu

như một khoa học, nghệ thuật thu nhận thông tin về đối tượng, khu vực hay hiện tượngtrên bề mặt Trái đất mà không tiếp xúc trực tiếp với chúng Công việc này được thực hiện

bởi cảm nhận (sensing) và lưu trữ các năng lượng phản xạ hay được phát ra từ các đối

tượng nghiên cứu Sau đó, các thông tin này được phân tích, xử lý và ứng dụng các thông tnnày vào nhiều lĩnh vực khác nhau

1.1.2 Nguyên lý hoạt động của ảnh viễn thám

Tiến trình viễn thám bao gồm nhiều công đoạn, trong đó có tương tác giữa bức xạ vàđối tượng nghiên cứu Khái niệm đối tượng nghiên cứu trong tài liệu này được hiểu là cácđối tượng, khu vực hay hiện tượng nào đó trên bề mặt Trái đất mà con người muốn thuthập thông tin về nó Trên hình 1.1 là mô tả vắn tắt bảy thành phần của hệ thống thu ảnhviễn thám [CAN]

Trang 10

Hình 1.1 Tiến trình viễn thám

Nguồn năng lượng hay nguồn sáng (A): Yêu cầu đầu tiên của viễn thám là phải có

nguồn năng lượng để chiếu sáng hay cung cấp năng lượng điện từ đến đối tượng nghiêncứu

Bức xạ và khí quyển (B): Vì năng lượng đi từ nguồn tới đối tượng đích cho nên nó

tiếp xúc và đi qua khí quyển Việc tương tác này còn xảy ra lần nữa khi năng lượng đi từ đối

tượng đích tới cảm biến (sensor).

Tương tác với đối tượng đích (C): Sau khi năng lượng được truyền qua khí khuyển

nó sẽ tương tác với đối tượng đích Cách thức tương tác của chúng phụ thuộc vào tính chấtcủa đối tượng đích và bức xạ

Thu nhận năng lượng bằng đầu cảm biến (D): Sau khi năng lượng bị đối tượng đích

truyền đi hay phân tán (scattered), đầu cảm biến sẽ thu nhận (không tiếp xúc) và lưu trữ

bức xạ điện từ

Truyền, nhận và xử lý năng lượng (E): Năng lượng được cảm nhận bởi Sensor sẽ

được truyền đi, thông thường dưới dạng điện tử, đến trạm thu và xử lý, nơi mà dữ liệu

được xử lý thành ảnh (dưới dạng hard-copy hay dạng số).

Diễn giải và phân tích (F): Ảnh được diễn giải bằng trực giác hay hệ thống số để trích

chọn các thông tin về đối tượng nghiên cứu

Ứng dụng (G): Phần tử cuối cùng của tiến trình viễn thám là áp dụng các thông tin

vừa trích chọn từ ảnh về đối tượng nghiên cứu để hiểu rõ hơn về nó, làm nổi lên các thôngtin mới hay hỗ trợ giải quyết một số vấn đề cụ thể

Trang 11

Nguyên

h tt p : // ww w

l r c t nu e d u v n

4

Năng lượng điện từ

Viễn thám phụ thuộc vào việc đo đạc nguồn năng lượng dưới dạng bức xạ điện từ

(Electromagnetic – EM) Nguồn năng lượng EM quan trọng nhất là Mặt trời, nó cung cấp

ánh sáng nhìn thấy, tia cực tím hay nhiệt độ Thực tế có nhiều sensor của vệ tinh đo ánhsáng phản xạ của Mặt trời Ngoài ra, có một số sensor với khả năng đo được năng lượngtruyền bởi chính Trái đất hay năng lượng của chính nó

Bức xạ EM bao gồm trường điện (E) và trường từ (M) Chúng vuông góc với nhau(hình 1.2) Hai trường này dao động vuông góc với hướng truyền đi của sóng (bức xạ) Cảhai lan truyền trong không gian với tốc độ ánh sáng (C) xấp xỉ 299.799.000 m/s

Hình 1.2 Các vector điện (E) và từ (M) của sóng điện từ

Hai đặc tính quan trọng của sóng điện từ để hiểu được viễn thám là bước sóng () vàtần số (v) Bước sóng và tần số có quan hệ như sau:

Có nhiều vùng của phổ điện từ được sử dụng trong viễn thám, ví dụ vùng tia cực tím

(Ultraviolet - UV) Đá, khoáng trên mặt Trái đất phát ánh sáng nhìn thấy khi chúng được

chiếu bức xạ UV

Trang 12

Mắt người chỉ có thể nhận biết được phần phổ nhìn thấy, có bước sóng từ

0.4m đến 0.7m Còn nhiều sóng điện từ xung quanh chúng ta mà nó không được phânbiệt bởi mắt người nhưng nó có thể được nhận biết bằng các thiết bị viễn thám Bước sóngnhìn thấy dài nhất là đỏ và ngắn nhất là tm Bước sóng của một số màu cơ bản như sau:

Phần phổ điện từ quan tâm khác là vùng tia hồng ngoại (Infrared-IR), có bước sóng

từ 0.7m đến 100m Vùng này chia làm hai nhóm, nhóm thứ nhất gọi là tia hồng ngoại

phản xạ (Reflected IR), có bước sóng từ 0.7m đến 3.0m và vùng tia hồng ngoại nhiệt (Thermal IR), có bước sóng từ 3.0m đến 100m.

Trang 13

Nguyên

h tt p : // ww w

6

Bức xạ trong vùng tia hồng ngoại phản xạ được sử dụng trong viễn thám theo cách tương

tự bức xạ trong vùng nhìn thấy Bức xạ trong vùng tia hồng ngoại nhiệt được sử dụng kháchẳn hai vùng nói trên, trong đó, năng lượng được phát đi từ bề mặt Trái đất dưới dạngnhiệt

Phần phổ mới được quan tâm trong viễn thám là vùng vi sóng (microwave), có bước

sóng từ 1mm đến 1m Đây là bước sóng dài nhất được sử dụng trong viễn thám Khoảngsóng ngắn hơn của vùng này được sử dụng tương tự vùng hồng ngoại nhiệt, trong khikhoảng sóng dài hơn được sử dụng để phát sóng radio

Tương tác giữa bức xạ và khí quyển

Trước khi bức xạ đến bề mặt Trái đất thì nó phải đi qua khí quyến Trái đất Cáchạt và khí (gas) trong khí quyển ảnh hưởng đến ánh sáng và bức xạ đi qua nó Ngoài hơinước, gas trong khí quyển bao gồm các thành phần chính sau:

Tán xạ xảy ra khi các thành phần của khí quyển tác động lên bức xạ điện từ làm cho

nó đổi hướng chuyển động so với hướng ban đầu Tán xạ phụ thuộc vào nhiều yếu tố, baogồm, bước sóng bức xạ, mức độ đậm đặc của hạt và gas và khoảng cách mà bức xạ đi quakhí quyển Có ba loại tán xạ sau đây:

Trang 14

xạ Hiện tượng tán xạ này là nguyên nhân gây ra sương mù, làm giảm độ nét trên ảnhviễn thám Với ảnh màu, sẽ xuất hiện màu xanh lơ trên toàn ảnh Do vậy, trước ống kínhchụp, người ta thường đặt tấm lọc để ngăn chặn các tia sáng có bước sóng ngắn vào ảnh.Tấm lọc đó được gọi là lọc sương mù

Tán xạ Mie: Xảy ra khi các hạt trong khí quyển có cùng kích thước với bước sóng của

bức xạ Bụi, phấn, hơi nước và khói có đường kính từ 5-100m là nguyên nhân của tán xạMie Tán xạ này xảy khi bức xạ đi qua khí quyển và có bước sóng dài hơn so với tán xạ

Rayleigh Tán xạ này là nguyên nhân thấy màu trắng khi trong khí quyển có mây.

Tán xạ không lựa chọn (nonselective): Xảy ra khi các hạt trong khí quyển có đường

kính lớn hơn bước sóng bức xạ Giọt nước nhỏ và hạt bụi lớn là nguyên nhân của loạitán xạ này Tất cả các bước sóng của bức xạ đều tán xạ như nhau, do vậy có tên là tán xạkhông lựa chọn Tán xạ này là nguyên nhân nhìn thấy sương mù và mây có màu trắng vì các

màu cơ bản Red, Green và Blue đều tán xạ gần như nhau.

Hấp thụ: Ngược lại với tán xạ, hiện tượng hấp thụ là nguyên nhân các phân tử trong không khí hấp thụ năng lượng với các bước sóng khác nhau Ozone (O3), carbon dioxide (CO2) và hơi nước (H2O) là nguyên nhân gây ra hấp thụ bức xạ Ozone hấp thụ bức

xạ cực tm từ Mặt trời Nó bảo vệ da người khỏi bị cháy dưới ánh nắng Mặt trời Carbon dioxide (còn gọi là khí nhà kính) hấp

Trang 15

Số hóa bởi Trung tâ h tt p : // ww w

Các vùng sóng trong dải phổ điện từ mà ở đó bức xạ bị hấp thụ ít nhất và

được truyền đi nhiều nhất thì gọi là cửa sổ khí quyển (atmospheric windows) Chỉ những

vùng có bước sóng ngoài băng tần hấp thụ của các thành phần khí quyển thì mới sử dụngtrong viễn thám Cửa sổ khí quyển bao gồm (hình 1.4):

Hình 1.4 Cửa sổ khí quyển

 Một cửa sổ trong vùng nhìn thấy hoặc tia cực tím phản xạ với bước

sóng 0.4-2m là nơi sensor quang học hoạt động

 Ba cửa sổ trong vùng tia hồng ngoại nhiệt: Hai cửa sổ hẹp, khoảng từ

3-5m và cửa sổ thứ ba tương đối rộng, từ 8-14m

Trang 16

Số hóa bởi Trung

Hình 1.5 Bức xạ tương tác với mặt Trái đất

Trong viễn thám, việc đo bức xạ phản xạ từ các đối tượng đích là được quan tâm

nhất Sau đây là ví dụ hai loại phản xạ: Phản xạ toàn phần (Specular reflection) và phản xạ khuếch tán (Diffuse reflection) như trên hình 1.6.

Hình 1.6 Phản xạ toàn phần và phản xạ khuyếch tán

Khi bề mặt trơn tru, ta có phản xạ toàn phần Nói cách khác, toàn bộ năng lượng sẽphản xạ ra khỏi bề mặt theo cùng một hướng Phản xạ khuếch tán xảy ra khi bề mặt thô vànăng lượng phản xạ theo nhiều hướng.Phần lớn bề mặt Trái đất là ở giữa biên phản xạ toànphần và phản xạ khuếch tán hoàn toàn Loại phản xạ phụ thuộc vào độ thô của đặc trưng sovới bước sóng của bức xạ Nếu bước sóng nhỏ hơn sự biến đổi bề mặt hay kích thước hạttạo nên bề mặt thì phản xạ khuếch tán chiếm ưu thế Ví dụ, với cát mịn được xem như trơntru so với bước sóng microwave nhưng lại khá thô so với bước sóng nhìn thấy

Ví dụ ta có bức xạ với bước sóng nhìn thấy và hồng ngoại đi đến lá và nước trên bềmặt Trái đất

Lá cây: Chất diệp lục (chlorophyll) trong lá cây hấp thụ bức xạ với bước sóng Red và

Blue và phản xạ bước sóng Green Lá cây có khả năng phản xạ rất mạnh bức xạ ở vùnghồng ngoại phản xạ Ở vùng hồng ngoại nhiệt và vi sóng, khả năng phản xạ của lá cây giảm

đi rõ rệt (hình 1.7)

Trang 17

Nguyên

h tt p : // ww w

10

Hình 1.7 Đáp ứng phổ của lá cây đối với bước sóng nhìn thấy và hồng ngoại

Nước: Bức xạ có bước sóng nhìn thấy dài hơn và cận hồng ngoại bị nước hấp thụ nhiều hơn so với bước sóng nhìn thấy ngắn hơn Vậy, nước nhìn thấy màu blue hay blue- green vì nó phản xạ mạnh tại sóng ngắn hơn và tối hơn khi quan sát tại bước sóng red hay

cận hồng ngoại Nếu tính chất của nước (độ đục, trong, mặn, sâu ) thay đổi làm phổ của

chúng cũng thay đổi Hình 1.8 mô tả đáp ứng phổ của nước và trầm tích (sediment) đối

với bước sóng nhìn thấy và bước sóng hồng ngoại

Hình 1.8 Đáp ứng phổ của nước đối với bước sóng nhìn thấy và hồng ngoại

Hình 1.9 là đồ thị đường cong phổ của thực vật, đất và nước Hình dạng đường congphổ phụ thuộc vào dải sóng năng lượng mà ở đó được thiết bị viễn thám ghi lại và phụthuộc vào tính chất của đối tượng đích trên mặt Trái đất

Hình 1.9 Đường cong đáp ứng phổ của thực vật, đất và nước

Trang 18

thống viễn thám này gọi là bộ cảm nhận thụ động (Passive Sensors) Mặt khác, hệ thống viễn thám có thể có bộ cảm nhận tích cực (Active Sensors), chính nó cung cấp nguồn

năng lượng hay chiếu sáng Bộ cảm nhận tích cực được ứng dụng vào bất kỳ thời điểm nàotrong ngày, mùa Nó có thể được sử dụng với bước sóng dài (ví dụ vi sóng) mà năng lượngmặt trời không đáp ứng

1.1.3 Ứng dụng của ảnh viễn thám trong việc quản lý tài nguyên, thiên nhiên và môi trường.

Trong các hệ thống viễn thám, mỗi loại cảm biến được thiết kế cho một

mục đích riêng, ví dụ cảm biến quang học được thiết kế dành cho việc thu thập các băngphổ Mỗi ứng dụng bản thân nó có những yêu cầu riêng, như độ phân dải phổ, phân dảikhông gian, phân dải thời gian Thông thường phải sử dụng nhiều cảm biến mới đáp ứngmọi yêu cầu của một ứng dụng

Sau đây là ứng dụng ảnh viễn thám trong một vài lĩnh vực khác nhau

Nông nghiệp

Nông nghiệp đóng vai trò chủ đạo trong nền kinh tế của cả các nước phát triển vàđang phát triển Những công cụ này sẽ giúp người nông dân hiểu được tình trạng mùamàng của mình, mức độ phá hoại hoặc thiệt hại nghiêm trọng, hoặc năng suất tiềm năng vàđiều kiện đất đai

Ảnh vệ tinh được sử dụng làm công cụ lập bản đồ phân loại cây trồng, kiểm tra sứckhỏe và khả năng tồn tại của chúng, và giám sát hoạt động nông nghiệp Các ứng dụng vềnông nghiệp của viễn thám bao gồm:

Phân lớp các loại cây trồng

Trang 19

Nguyên

h tt p : // ww w

12

Đánh giá các điều kiện cây trồng

Ước tính năng suất mùa vụ

Giám sát cây trồng và đánh giá thiệt hại

Đánh giá về tình trạng của cây trồng, cũng như phát hiện sớm hư hại cây trồng, đóngvai trò quan trọng trong việc đảm bảo tốt năng suất nông nghiệp Những yếu tố gây hạiliên quan, ví dụ, thiếu độ ẩm, côn trùng, nấm và cỏ dại phá hoại, phải được phát hiệnsớm để cung cấp cơ hội cho nông dân giảm thiểu thiệt hại

Lâm nghiệp

Các ứng dụng lâm nghiệp của viễn thám có thể được sử dụng bao gồm phát triểnbền vững, đa dạng sinh học, gán nhãn và sở hữu đất đai (địa chính), theo dõi nạn phá rừng,theo dõi và quản lý tái trồng rừng, hoạt động khai thác gỗ thương mại, bảo vệ rừng bờ biển

và rừng đầu nguồn, theo dõi lý sinh (đánh giá môi trường sống của động vật hoang dã),

và các vấn đề khác liên quan đến môi trường

Thông tin về độ bao phủ của rừng rất có giá trị cho các nước đang phát triển có hiểubiết trước đây hạn chế về tài nguyên lâm nghiệp của họ Nó bao gồm việc lập bản đồ vàtheo dõi, nhất là rừng ven biển và rừng đầu nguồn để

Trang 20

các loài

 Giám sát môi trường: Các hoạt động bảo tồn có liên quan với giám sát sốlượng, tình trạng và sự đa dạng của rừng trên Trái đất Bao gồm, Phá rừng (rừng nhiệt đới,rừng ngập mặn); Thống kê loài; Bảo vệ rừng đầu nguồn; Bảo vệ rừng bờ biển (rừng ngậpmặn); Tình trạng rừng

Lập bản đồ chặt phá rừng

Viễn thám tập hợp rất nhiều công cụ để phân tích tốt hơn phạm vi và quy mô củavấn nạn phá rừng Dữ liệu đa thời gian cung cấp cho các phân tích phát hiện sự thay đổi.Hình ảnh của những năm trước đó được so sánh với những hình ảnh gần đây, để đo sựkhác biệt hữu hình quy mô và mức độ của việc phá rừng hoặc mất rừng Dữ liệu từ nhiềunguồn khác nhau được sử dụng để cung cấp thông tin bổ sung

Nhận dạng loài và xác định kiểu che phủ

Viễn thám cung cấp một phương tiện nhanh chóng xác định và khoanh định các loạirừng khác nhau, một nhiệm vụ sẽ khó khăn và mất thời gian nếu sử dụng sự khảo sát trênmặt đất theo truyền thống Dữ liệu có sẵn tại nhiều mức độ khác nhau và độ phân giải đểđáp ứng yêu cầu mang tính địa phương hoặc khu vực Xác định loài trên quy mô lớn cóthể được thực hiện với dữ liệu đa phổ, siêu phổ hoặc không ảnh, trong khi việc mô tả kiểuche phủ trên quy mô nhỏ có

Trang 21

Hình ảnh siêu phổ có thể cung cấp độ phân giải rất cao trong khi thu dữ liệu có độphân giải bức xạ rất tốt Kiểu thông tin phổ chi tiết này có thể được sử dụng để tạo ký hiệuphổ của các loài thực vật và những điểm nhấn nhất định (ví dụ như nhiễm) trên cây Dữ liệusiêu phổ cung cấp cái nhìn duy nhất về độ che phủ của rừng, chỉ có được thông qua côngnghệ viễn thám

Yêu cầu dữ liệu phụ thuộc vào quy mô của nghiên cứu được tiến hành Đối vớiviệc lập bản đồ khảo sát ở mức khu vực, vùng che phủ vừa phải, với một cảm biến nhạycảm với sự khác biệt về độ che phủ rừng (cấu tạo tán, mật độ lá, phản xạ phổ) là cần thiết.Các tập dữ liệu đa phổ cũng đóng góp thông tin về thực vật khí hậu mà có thể giúp đọcthông tin bằng cách kết hợp những thay đổi theo mùa của các loài khác nhau

Để nhận dạng các loài chi tiết liên quan đến phân tích các khu vực rừng, bắt buộc có

dữ liệu đa phổ có độ phân giải rất cao Khả năng có thể xem những hình ảnh trong máystereo giúp việc phân định và đánh giá mật độ, chiều cao cây và loài Nói chung, theo dõiđặc tính lý sinh của rừng yêu cầu thông tin đa phổ và dữ liệu được tinh chỉnh

Lập bản đồ cháy rừng

Viễn thám có thể được sử dụng để phát hiện và theo dõi cháy rừng và tái sinh rừngsau đám cháy Như một công cụ giám sát, cảm biến thường xuyên tạo điều kiện cho quansát các khu vực xa xôi và không thể tiếp cận, cảnh báo các cơ quan giám sát sự xuấthiện và mức độ hỏa hoạn Dữ liệu nhiệt NOAA AVHRR và dữ liệu khí tượng GOES cóthể được sử dụng để phân định các đám cháy đang hoạt động và các “điểm nóng” còn lạikhi các bộ cảm biến quang học bị cản trở bởi khói, mù, và / hoặc bóng tối Việc so sánh cáckhu vực đã bị cháy với các khu vực đám cháy đang hoạt động cung cấp thông tin nhưtốc độ và

Trang 22

Trong khi dữ liệu nhiệt là tốt nhất cho việc phát hiện và lập bản đồ các đám cháyđang diễn ra, dữ liệu đa phổ (quang học và cận hồng ngoại) được ưa thích cho việc quansát các giai đoạn phát triển và thực vật khí hậu học trong khu vực bị cháy trước đây Độtuổi và diện tích tương đối từ các khu vực bị cháy có thể được xác định và khoanh định, vàtình trạng của thực vật tiếp theo được đánh giá và theo dõi Việc lập bản đồ cháy yêu cầu

sự che phủ không gian trung bình, độ phân giải cao đến trung bình và thời gian xoay vòngthấp Mặt khác, phát hiện cháy và giám sát yêu cầu sự che phủ không gian lớn, độ phângiải trung bình và thời gian xoay vòng rất nhanh để tạo điều kiện cho sự đáp ứng

Viễn thám được sử dụng như một công cụ để trích xuất thông tin về cấu trúc, thànhphần bề mặt đất hoặc lớp dưới bề mặt, nhưng thường được kết hợp

Trang 23

 Lập bản đồ và theo dõi sự kiện

 Lập bản đồ mối nguy hiểm địa lý

 Lập bản đồ hành tinh

Thủy văn

Thủy văn học là ngành nghiên cứu về nước trên bề mặt trái đất, từ quá trìnhchảy trên mặt đất, đóng lại thành băng hay tuyết, hoặc giữ lại trong đất Thủy văn vốn liênquan đến nhiều ứng dụng khác của viễn thám, đặc biệt là lâm nghiệp, nông nghiệp và độche phủ đất, vì nước là một thành phần quan trọng trong mỗi ngành đó Hầu hết các quátrình thủy văn đều là động, không chỉ giữa năm này với năm khác, mà còn giữa các mùa, do

đó đòi hỏi sự quan sát thường xuyên Viễn thám cung cấp một cái nhìn khái quát về sựphân bố không gian và tính động của các hiện tượng thuỷ văn, thường không thể đạt đượcbằng cách khảo sát mặt đất truyền thống Radar mang lại một hướng mới cho hoạt động

Trang 24

 Lập bản đồ và giám sát vùng ẩm ướt

 Ước tính độ ẩm đất trồng

 Theo dõi đóng tuyết / phân định phạm vi

 Đo độ dày của tuyết

 Xác định sự cân bằng giữa tuyết và nước

 Theo dõi sự đóng băng ở sông và hồ

 Lập bản đồ và theo dõi lũ lụt

 Theo dõi sự hoạt động của sông băng (dâng lên, cắt bỏ)

 Phát hiện sự thay đổi của sông / đồng bằng

 Lập bản đồ lưu vực thoát nước và mô hình hóa đầu nguồn

 Phát hiện rò rỉ ở kênh thủy lợi

 Lập lịch thủy lợi

Lớp phủ đất và sử dụng đất

Mặc dù những thuật ngữ lớp phủ đất và sử dụng đất thường được sử dụng thay thếcho nhau, thực tế chúng có ý nghĩa khá khác biệt Lớp phủ đất chỉ đến lớp phủ bề mặt trênmặt đất, cho dù là thực vật, cơ sở hạ tầng đô thị, nước, đất trống hoặc các loại khác Xácđịnh, khoanh định và lập bản đồ lớp phủ đất quan trọng trong việc nghiên cứu theo dõitoàn cầu, quản lý tài nguyên, và các hoạt động quy hoạch Xác định lớp phủ đất thiết lậpđường cơ sở mà từ đó các hoạt động giám sát (phát hiện sự thay đổi) có thể được thựchiện, và cung cấp các thông tin lớp phủ mặt đất cho bản đồ chuyên đề cơ sở

Sử dụng đất (hình 1.10) đề cập đến mục đích sử dụng đất, ví dụ, giải trí, môi trườngsống của động vật hoang dã, hoặc nông nghiệp Các ứng dụng sử dụng đất bao gồm cả lậpbản đồ cơ sở và theo dõi tiếp sau, bởi vì thông tin kịp thời là cần thiết để biết số lượng đấthiện tại trong những cách sử dụng và xác

Trang 25

Điều quan trọng là để phân biệt sự khác biệt giữa lớp phủ đất và sử dụng đất, và cácthông tin có thể được xác định chắc chắn từ mỗi công việc đó Các đặc tính đo bằng kỹthuật viễn thám liên quan đến lớp phủ đất, mà từ đó có thể được suy ra sử dụng đất, đặcbiệt là với dữ liệu phụ trợ hoặc kiến thức tiên nghiệm Các ứng dụng viễn thám trong sửdụng đất bao gồm:

 Quản lý tài nguyên tự nhiên

 Bảo vệ môi trường sống của động vật hoang dã

 Lập bản đồ đường cơ bản làm đầu vào cho GIS

 Mở rộng đô thị

 Định tuyến và lập kế hoạch hậu cần cho các hoạt động thăm dò / khai

thác tài nguyên

 Phân định thiệt hại (lốc xoáy, lũ lụt, núi lửa, động đất, hỏa hoạn)

 Ranh giới pháp lý về đánh giá thuế, tài sản

 Phát hiện mục tiêu - xác định các dải đất, đường giao thông, cầu, mặt

đất/nước

Hình 1.10 Ảnh Landsat và bản đồ sử dụng đất tỉnh Hòa Bình (11/2000)

Lập bản đồ

Trang 26

đề và địa hình cần thiết cho việc lập kế hoạch, đánh giá, giám sát cho mục đích quân sựhay dân sự, hoặc quản lý sử dụng đất, đặc biệt nếu tích hợp kỹ thuật số vào một hệ thôngtin địa lý như một cơ sở thông tin Việc tích hợp thông tin cao độ quan trọng đối với nhiềuứng dụng và thường là chìa khóa cho sự thành công tiềm năng của các chương trình lập bản

đồ ngày nay

Hiện nay, nhu cầu ngày càng tăng về việc sử dụng dữ liệu viễn thám trong sản xuấtbản đồ ngày càng tăng, bởi vì chúng có những lợi ích lớn lao như sau: bao phủ stereo,thường xuyên thăm lại, phân phối kịp thời, bao phủ khu vực rộng, cường độ lao động thấp,vùng bao phủ gần như toàn cầu, và lưu trữ bằng định dạng số để tạo điều kiện cập nhật sau

đó và tương thích với công nghệ GIS hiện thời

Người dùng của bản đồ nền và các sản phẩm từ bản đồ bao gồm các công ty tàinguyên (lâm nghiệp, khai mỏ, dầu), các ngành dịch vụ và hỗ trợ (kỹ nghệ), tổ chức phát triển

cơ sở hạ tầng và các tiện ích (đường ống, viễn thông, giao thông, điện), tổ chức lập bản đồcủa chính phủ và quân đội Người dùng đa dạng từ người dùng quân sự cho tới ứng dụngthương mại đã dẫn đến một nhu cầu lớn hơn trên phạm vi rộng hơn các sản phẩm bản đồ,

ví như lợi ích của nội dung thông tin và tỷ lệ được cải tiến, và độ chính xác so với chi phí dữliệu Ứng dụng bản đồ viễn thám bao gồm:

 Trắc diện học

 Mô hình độ cao số (DEM)

 Lập bản đồ chuyên đề ranh giới / lập bản đồ địa hình

Trang 27

Nguyên

h tt p : // ww w

20

Theo dõi đại dương và khu vực bờ biển

Các đại dương không chỉ cung cấp có giá trị thực phẩm và nguồn tài nguyên lý sinh,

mà còn cung cấp các tuyến đường giao thông, là thành phần quan trọng trong việc hìnhthành hệ thống thời tiết và lưu trữ CO2 và là một liên kết quan trọng trong cân bằng thuỷvăn trên trái đất Tìm hiểu về động học của đại dương là điều quan trọng để đánh giá

nguồn cá, dẫn đường tàu bè, dự đoán hậu quả trên toàn cầu của những hiện tượng như El Nino, dự báo và theo dõi các cơn bão để giảm tác động của thiên tai tới hàng hải, tàu bè

khai thác xa bờ và những khu dân cư ven biển Các nghiên cứu về động lực học đại dươngbao gồm tìm hiểu hoạt động của gió và sóng (hướng, tốc độ, độ cao), xác định tính năngmesoscale, đo độ sâu, nhiệt độ nước, và các sản phẩm từ đại dương

Đường bờ biển là nơi nhạy cảm với môi trường, ranh giới giữa đại dương và đất liền

và đáp ứng những thay đổi do phát triển kinh tế và thay đổi mô hình sử dụng đất mang lại.Đường bờ biển thông thường là khu vực đa chiều đa dạng sinh học, và cũng có thể có mức

độ đô thị hóa cao Với hơn 60% dân số thế giới sống gần biển, vùng ven biển là một khu vựcchịu áp lực ngày càng tăng từ hoạt động của con người Các cơ quan chính phủ liên quan vớitác động của các hoạt động của con người trong khu vực này cần những nguồn dữ liệu mới

để theo dõi những thay đổi đa dạng như xói mòn bờ biển, mất môi trường sống tự nhiên,

đô thị hóa, chất thải và ô nhiễm ngoài khơi Bằng cách sử dụng kỹ thuật viễn thám, ta có thểlập bản đồ và theo dõi hoạt động của các đại dương và những thay đổi ở khu vực ven biển.Ứng dụng viễn thám cho đại dương bao gồm:

 Nhận dạng mô hình đại dương

- Dòng biển, các mô hình lưu thông trong khu vực, shear

- Các khu vực biên, sóng nội tại, sóng trọng lực, xoáy, vùng nước nổi, đo độ sâu vùng nước nông

 Dự báo bão

- Hoạt động của gió và sóng

Trang 28

Nguyên

h tt p : // ww w

21

 Đánh giá nguồn cá và động vật biển

- Theo dõi nhiệt độ nước

- Lập bản đồ và dự đoán mức độ tràn dầu và dầu loang

- Lập chiến lược hỗ trợ cho các quyết định ứng phó khẩn cấp sự cố

Trang 29

Nguyên

h tt p : // ww w

22tràn dầu

- Xác định khu vực rò rỉ dầu tự nhiên để thăm dò

 Khu vực thuỷ triều

- Ảnh hưởng của thủy triều và bão

- Phân định ranh giới đất / nước

- Lập bản đồ đặc tính bờ biển / hoạt động bãi biển

- Lập bản đồ thảm thực vật ven biển

- Hoạt động / tác động của con người

1.2 Hệ thống thông tin địa lý

1.2.1 Tổng quan về hệ thông tin địa lý

Khái niệm Địa lý (Geography) đề cập đến lĩnh vực nghiên cứu mô tả Trái đất(Geo-Earth) Ngày nay, khái niệm này và khái niệm “không gian Space)” được sử dụngthay thế nhau trong một số trường hợp Tuy nhiên, về mặt bản chất thì Địa lý là tập các

mô tả về không gian (hai chiều), khí quyển (ba

Trang 30

chiều), … của Trái đất Còn “không gian” là cho phép mô tả bất kỳ cấu trúc đa chiều nào,không quan tâm đến vị trí địa lý của nó Như vậy có thể xem Địa lý như là một phần cấutrúc nhỏ trong tập cấu trúc “không gian” Khi mô tả Trái đất, các nhà địa lý luôn đề cậpđến quan hệ không gian (spatial relationship) của các đối tượng trong thế giới thực Mốiquan hệ này được thể hiện thông qua các bản đồ (map) trong đó biểu diễn đồ họa củatập các đặc trưng trừu tượng và quan hệ không gian tương ứng trên bề mặt trái đất, vídụ: bản đồ dân số biểu diễn dân số tại từng vùng địa lý.

Dữ liệu bản đồ còn là loại dữ liệu có thể được số hóa Để lưu trữ và phân tíchcác số liệu thu thập được, cần có sự trợ giúp của hệ thông tin địa lý (GeographicInformation System-GIS)

1.2.2 Khái niệm về Hệ thông tin địa lý

Hệ thống thông tin địa lý - Geographic Information System (GIS) là một nhánh củacông nghệ thông tin, đã hình thành từ những năm 60 của thế kỷ trước và phát triển rấtmạnh trong những năm gần đây

GIS được sử dụng nhằm xử lý đồng bộ các lớp thông tin không gian (bản đồ)gắn với các thông tin thuộc tính, phục vụ nghiên cứu, quy hoạch và quản lý các hoạtđộng theo lãnh thổ

Ngày nay, ở nhiều quốc gia trên thế giới, GIS đã trở thành công cụ trợ giúp quyếtđịnh trong hầu hết các hoạt động kinh tế-xã hội, an ninh, quốc phòng, đối phó với thảm hoạthiên tai v.v GIS có khả năng trợ giúp các cơ quan chính phủ, các nhà quản lý, các doanhnghiệp, các cá nhân v.v đánh giá được hiện trạng của các quá trình, các thực thể tự nhiên,kinh tế-xã hội thông qua các chức năng thu thập, quản lý, truy vấn, phân tích và tích hợpcác thông tin được gắn với một nền bản đồ số nhất quán trên cơ sở toạ độ của các dữ liệubản đồ đầu vào

Có nhiều định nghĩa về GIS, nhưng nói chung đã thống nhất quan niệm

chung: GIS là một hệ thống kết hợp giữa con người và hệ thống máy tính cùng

Trang 31

các thiết bị ngoại vi để lưu trữ, xử lý, phân tích, hiển thị các thông tin địa lý để

phục vụ một mục đích nghiên cứu, quản lý nhất định

1.2.3 Các thành phần của Hệ thông tin địa lý

GIS được kết hợp bởi 4 thành phần chính: phần cứng, phần mềm, cơ sở dữ liệu,

cơ sở tri thức Các hợp phần này phải được hợp nhất tốt để phục vụ cho việc sử dụng GIShiệu quả sự phát triển và tương thích của các hợp phần là một quá trình lập đi, lập lại theochiều hướng phát triển liên tục Việc trang bị phần cưng, phần mềm thường là những bước

dễ dàng nhất và nhanh nhất trong quá trình phát triển một hệ thống GIS Việc thu thập và

tổ chức dữ liệu, phát triển nhân sự và thiết lập quy định cho vấn đề sử dụng GIS thườngkhó khăn hơn và tốn nhiều thời gian hơn

Trang 32

Phần cứng

Bao gồm hệ thống máy tính và các thiết bị ngoại vi có khả năng thực hiện các chứcnăng nhập thông tin (Input), xuất thông tin (Output) và xử lý thông tn của phần mềm Hệthống này gồm có máy chủ (server), máy khách (client), máy quét (scanner), máy in (printer)được liên kết với nhau trong mạng LAN hay Internet

Phần mền:

Đi kèm với hệ thống thiết bị trong GIS ở trên là một hệ phần mềm có tối thiểu 4nhóm chức năng sau đây:

- Nhập thông tin không gian và thông tin thuộc tính từ các nguồn khác nhau

- Lưu trữ, điều chỉnh, cập nhật và tổ chức các thông tin không gian và thông tinthuộc tính

- Phân tích biến đổi thông tin trong cơ sở dữ liệu nhằm giải quyết các bài toán tối ưu

và mô hình mô phỏng không gian- thời gian

- Hiển thị và trình bày thông tin dưới các dạng khác nhau, với các biện

mô tả như một kiểu thuộc tính đặc biệt Quan hệ được biểu diễn thông qua thông tinkhông gian và/hoặc thuộc tính (hình 1)

Trang 33

Cơ sở tri thức

Cấu trúc của Cơ sở tri thức trong GIS được thể hiện trong hình 2:

1.2.4 Các chức năng của Hệ thống thông tin địa lý

Trang 34

Sửa đổi và phân tích dữ liệu không gian:

- Chuyển đổi khuôn dạng (Forrmat), ví dụ: TAB <-> SHP, DGN <->

SHP….; chuyển đổi từ vector sang raster và ngược lại;

- Chuyển đổi hình học: từ hệ tọa độ giả định (tương đối) sang hệ tọa độ địa lý(tuyệt đối), và ngược lại;

- Biên tập, ghép biên, tách các mảnh bản đồ

Sửa đổi và phân tích dữ liệu phi không gian:

- Biên tập thuộc tính;

- Hỏi đáp dữ liệu thuộc tính

Tích hợp dữ liệu phi không gian và thuộc tính:

Đây là các chức năng quan trọng nhất của GIS, để phân biệt với các hệ khác, nhất

là các hệ vẽ bản đồ tự động và các hệ CAD (Computer-Added Design-thiết kế bằngmáy tính) là những hệ cũng làm việc với bản đồ số trên máy tính:

- Chiết xuất thông tin: tách, lọc các thông tin quan tâm trong tập dữ liệu;

- Nhóm các thông tin theo một tiêu chuẩn nhất định;

- Đo đạc: xác định nhanh các thông số hình học của đối tượng được thể hiện nhưdiện tích, độ dài, vị trí….;

- Các phép nội suy: từ điểm, từ đường

- Dựng mô hình 3 chiều và phân tích trên mô hình 3 chiều (3D): tạo lát cắt, phântích tầm nhìn…

Trang 35

- Tính toán mạng để tìm khoảng cách, đường đi.

1.2.5 Hệ thông tin địa lý được biểu diễn như thế nào

GIS lưu giữ thông tin về thế giới thực dưới dạng tập hợp các lớp chuyên đề có thểliên kết với nhau nhờ các đặc điểm địa lý Ðiều này đơn giản nhưng vô cùng quan trọng và làmột công cụ đa năng đã được chứng minh là rất có giá trị trong việc giải quyết nhiều vấn

đề thực tế, từ thiết lập tuyến đường phân phối của các chuyến xe, đến lập báo cáo chi tiếtcho các ứng dụng quy hoạch, hay mô phỏng sự lưu thông khí quyển toàn cầu

Có hai dạng cấu trúc dữ liệu cơ bản trong GIS Đó là dữ liệu không gian và dữ liệuthuộc tính Đặc điểm quan trọng trong tổ chức dữ liệu của GIS là: dữ liệu không gian (bảnđồ) và dữ liệu thuộc tính được lưu trữ trong cùng một cơ sở dữ liệu (CSDL) và có quan hệchặt chẽ với nhau

Hình 1.11: Cấu trúc vector và raster

Các kiểu dữ liệu không gian:

Dữ liệu không gian có hai dạng cấu trúc Đó là dạng raster và dạng vector

(xem hình 3)

a Cấu trúc raster:

Có thể hiểu đơn giản là một “ảnh” chứa các thông tin về một chuyên đề Mô phỏng

bề mặt trái đất và các đối tượng trên đó bằng một lưới (đều

hoặc không đều) gồm các hàng và cột Những phần tử nhỏ này gọi là những pixel hay cell.Giá trị của pixel là thuộc tính của đối tượng Kích thước pixel càng nhỏ thì đối tượngcàng được mô tả chính xác Một mặt phẳng chứa đầy các

Trang 36

pixel tạo thành raster Cấu trúc này thường được áp dụng để mô tả các đối tượng,hiện tượng phân bố liên tục trong không gian, dùng để lưu giữ thông tin dạng ảnh (ảnh mặtđất, hàng không, vũ trụ ) Một số dạng mô hình biểu diễn bề mặt như DEM (DigitalElevation Model), DTM (Digital Terrain Model), TIN (Triangulated Irregular Network) trongCSDL cũng thuộc dạng raster

Ưu điểm của cấu trúc dữ liệu dạng raster là dễ thực hiện các chức năng xử lý vàphân tích Tốc độ tính toán nhanh, thực hiện các phép toán bản đồ dễ dàng Dễ dàng liênkết với dữ liệu viễn thám Cấu trúc raster có nhược điểm là kém chính xác về vị trí khônggian của đối tượng Khi độ phân giải càng thấp (kích thước pixel lớn) thì sự sai lệch nàycàng tăng

b Cấu trúc vector:

Cấu trúc vector mô tả vị trí và phạm vi của các đối tượng không gian bằng tọa độcùng các kết hợp hình học gồm nút, cạnh, mặt và quan hệ giữa chúng Về mặt hình học, cácđối tượng được phân biệt thành 3 dạng: đối tượng dạng điểm (point), đối tượng dạngđường (line) và đối tượng dạng vùng (region hay polygon) Điểm được xác định bằngmột cặp tọa độ X,Y Đường là một chuỗi các cặp tọa độ X,Y liên tục Vùng là khoảng khônggian được giới hạn bởi một tập hợp các cặp tọa độ X,Y trong đó điểm đầu và điểm cuốitrùng nhau Với đối tượng vùng, cấu trúc vector phản ảnh đường bao

Cấu trúc vector có ưu điểm là vị trí của các đối tượng được định vị chính xác (nhất làcác đối tượng điểm, đường và đường bao) Cấu trúc này giúp cho người sử dụng dễ dàngbiên tập bản đồ, chỉnh sửa, in ấn Tuy nhiên cấu trúc này có nhược điểm là phức tạp khi thựchiện các phép chồng xếp bản đồ

Dữ liệu thuộc tính:

Dữ liệu thuộc tính dùng để mô tả đặc điểm của đối tượng Dữ liệu thuộc tính có thể

là định tính - mô tả chất lượng (qualitative) hay là định lượng (quantative) Về nguyên tắc,

số lượng các thuộc tính của một đối tượng là không có giới hạn Để quản lý dữ liệu thuộctính của các đối tượng địa lý trong CSDL,

Trang 37

GIS đã sử dụng phương pháp gán các giá trị thuộc tính cho các đối tượng thông qua cácbảng số liệu Mỗi bản ghi (record) đặc trưng cho một đối tượng địa lý, mỗi cột của bảngtương ứng với một kiểu thuộc tính của đối tượng đó.

Các dữ liệu trong GIS thường rất lớn và lưu trữ ở các dạng file khác nhau nên tươngđối phức tạp Do vậy để quản lý, người ta phải xây dựng các cấu trúc chặt chẽ cho các CSDL

Có các cấu trúc cơ bản sau:

a Cấu trúc phân nhánh (hierarchical data structure):

Cấu trúc này thường sử dụng cho các dữ liệu được phân cấp theo quan hệ mẹ-conhoặc 1->nhiều Cấu trúc này rất thuận lợi cho việc truy cập theo khóa nhưng nếu muốn tmkiếm theo hệ thống thì tương đối khó khăn Hệ rất dễ dàng được mở rộng bằng cách thêmnhánh nhưng rất khó sửa đổi toàn bộ cấu trúc hệ Một bất cập khác của cấu trúc dữ liệukiểu này là phải duy trì các file chỉ số lớn (Index) và những giá trị thuộc tính phải lặp đi lặplại ở các cấp Điều này làm dư thừa dữ liệu, tăng chi phí lưu trữ và thời gian truy cập

b Cấu trúc mạng (network system):

Cấu trúc này thường hay sử dụng cho các dữ liệu địa lý có nhiều thuộc tính vàmỗi thuộc tính thì lại liên kết với nhiều đối tượng Cấu trúc này rất tiện lợi khi thể hiện cácmối quan hệ nhiều <-> nhiều Cấu trúc này giúp cho việc tm kiếm thông tin tương đối mềmdẻo, nhanh chóng, tránh dữ liệu thừa

Tuy nhiên, đây là một hệ cấu trúc phức tạp, tương đối khó thiết kế Cần phải xácđịnh rõ các mối quan hệ để tránh nhầm lẫn

c Cấu trúc quan hệ (relation structure):

Dữ liệu được lưu trữ trong các bản tin (record) gọi là bộ (tuple) - đó là tập hợp cácthông tin của một đối tượng theo một khuôn mẫu quy định trước Các bộ tập hợp thànhmột bảng hai chiều gọi là một quan hệ Như vậy, mỗi cột trong quan hệ thể hiện một thuộctính Mỗi một record có một mã index để nhận dạng và như vậy có thể liên kết qua các bảngquan hệ với nhau (thông qua mã này)

Trang 38

Cấu trúc quan hệ có thể tm kiếm truy cập đối tượng nhanh chóng và linh động bằngnhiều khóa khác nhau Có thể tổ chức, bổ sung dữ liệu tương đối dễ dàng vì đây là nhữngdạng bảng đơn giản Số lượng kiên kết không bị hạn chế và không gây nhầm lẫn như trongquan hệ mạng Do vậy, không cần lưu trữ dư thừa Tuy nhiên, chính vì không có con trỏ nênviệc thao tác tuần tự trên các file để tìm kiếm, truy cập sẽ mất nhiều thời gian.

1.2.6 Hệ quản trị CSDL không gian

1.2.6.1 Cơ sở dữ liệu không gian

Cơ sở dữ liệu là một tập hợp các dữ liệu liên quan với nhau được lưu trữ trong môitrường máy tính

Hệ quản trị cơ sở dữ liệu (DBMS – Database Manegamnt Systems) là một tập hợpcác phần mền quản lý các cấu trúc cơ sở dữ liệu và kiểm soát truy cập dữ liệu được lưutrữ trong một cơ sở dữ liệu

Theo R.H Guting hệ thống cơ sở dữ liệu trong không gian được định nghĩa gồm 3yếu tố sau:

- Một hệ cơ sở dữ liệu không gian là một hệ cơ sở dữ liệu

- Nó cung cấp các loại dữ liệu không gian, trong đó có các kiểu dữ liệu và ngôn ngữtruy vấn

- Nó hỗ trợ thi hành các loại dữ liệu không gian, cung cấp chí ít là các mục khônggian và các thuật toán hữu hiệu cho kết nối không gian

- Các kiểu dữ liệu không gian cơ bản nhữ Point, Line, Polygon CSDL không gian cungcấp mô hình trừu tượng cho cấu trúc của thực thể hình học trong không gian cũng nhưmối quan hệ giữ chúng, như quan hệ giao nhau (intersects(a,b)), thuộc tính như diệntích, chu vi của mô hình (area(a) hay perimeter(a)), hoặc tìm điểm giao giữa 2 mô hình(intersection(a,b))

1.2.6.2 Các đặc trưng của CSDL không gian.

Cơ sở dữ liệu không gian sử dụng đánh chỉ mục không gian để tăng tốc hoạt độngcủa cơ sở dữ liệu

Trang 39

Ngoài các truy vấn SQL điển hình như câu lệnh SELECT, CSDL không gian có thể thựcthi đa dạng các thao tác không gian Nó hỗ trợ bởi OGC (Open Geosptail Consortium).

Đo đạc không gian: nó có khả năng tìm khoảng cách giữa các điểm, các vùng Hàmkhông gian: ví dụ như, sửa các hình hiện thời để tạo ra những hình mới, hàm tìm điểm hayvùng giao nhau

Xác nhận không gian cho phép thực hiện những truy vấn True/False Hàm tạo: tao racác hình mới, như chỉ ra các điểm nút có thể tạo nên đường, hay nếu đỉnh đầu đỉnh cuốitrùng nhau, chúng có thể tạo nên một đa giác

1.3 Kết chương

Chương một đã giới thiệu tổng quan của ảnh viễn thám và nguyên lý hoạt động, ứngdụng của ảnh viễn thám trong việc quản lý tài nguyên thiên nhiên Tổng quan về hệ thốngthông tin địa lý ứng dụng trong việc quản lý cơ sở dữ liệu của ảnh viễn thám

Trang 40

CHƯƠNG 2: MỘT SỐ THUẬT TOÁN ỨNG DỤNG TRONG CSDL ẢNH VIỄN THÁM

2.1 Nâng cao chất lượng ảnh viễn thám

Kỹ thuật xử lý ảnh số (Digital image processing)

Các phương pháp xử lý ảnh số có thể ghép vào 3 nhóm chính sau:

 Kỹ thuật chỉnh, khôi phục hình ảnh.

Nhằm khắc phục những sai sót của tài liệu, nhiễu và lệch hình học sinh ra trong quá trình quét, ghi và truyền về

- Khôi phục sự bỏ sót các đường quét theo quy luật

- Khôi phục các đường chấm ngắt quãng theo quy luật

- Lọc những nhiễu xuất hiện tản mạn trên hình ảnh

- Hiệu chỉnh sự tán xạ của khí quyển

- Hiệu chỉnh sự méo hình học

 Tăng cường chất lượng ảnh.

Để giúp cho người giải đoán có khả năng nâng cao lượng thông tin:

- Tăng cường độ tương phản

- Chuyển mật độ, tone màu và mật độ

- Làm điều mật độ trên ảnh

- Tăng cường đường biên

- Ghép nối số hoá ảnh

- Tạo ảnh lập thể

 Chiết tách thông tin.

Sử dụng khả năng xử lý thông tin của máy tính để nhận dạng, phân loại các pixel trên cơ sở các tính số của chúng

- Tạo ảnh thành phần chính

- Tạo ảnh tỷ số

- Phân loại đa phổ

Định dạng
Số trang	108
Dung lượng	7,81 MB