ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
Lê Minh Sơn NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ GHÉP ẢNH SPOT
ĐA THỜI GIAN ĐỂ TẠO ẢNH KHÔNG MÂY Chuyên ngành: Bản đồ, viễn thám và hệ thông tin địa lý
Mã số: 60.44.02.14 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC


2.2.1 Các tham số sử dụng để hiệu chỉnh………………………………………….34
2.2.2 Các bước hiệu chỉnh giá trị phổ tại đầu thu SPOT ………………………….38
2.2.3 Hiệu chỉnh ảnh hưởng khí quyển bằng phương pháp DOS………………… 39
2.2.4 Cân bằng phổ……………………………………………………………… 40
CHƯƠNG 3: CÁC BƯỚC XỬ LÝ GHÉP TẠO ẢNH KHÔNG MÂY………… 41
2

3.1 Sơ đồ tổng quát các bước xử lý……………………………………………… 41
3.2 Các bước xử lý và thuật toán xử lý…………………………………………….42
3.2.1 Hiệu chỉnh phổ…………………………………………………………….…42
3.2.2 Tổ hợp màu tự nhiên, trộn ảnh P+XS ……………………………….………44
3.2.3 Phân ngưỡng mây……………………………………………………………45
3.2.3.1 Thuật toán xác định mây và bóng mây…………………………………… 45
3.2.3.2 Xác định mây và bóng mây ……………………………………………….50
3.2.3.3 Ghép tạo ảnh không mây………………………………………………… 55
3.3 Loại trừ mây bằng phương pháp chồng lớp ảnh……………………………….56
CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM XỬ LÝ GHÉP TẠO ẢNH
VỆ TINH SPOT KHÔNG MÂY……………………… ………… 57
4.1 Các bước xử lý phổ tập ảnh SPOT đa thời gian…………………………… .57
4.2 Các bước xử lý ghép tạo ảnh SPOT đa thời gian
dựa trên thuật toán phân ngưỡng mây……………………………………… .67
4.2.1 Chọn mẫu…………………………………………………………………… 68
4.2.2 Phân ngưỡng mây…………………………………………………………… 69
4.2.3 Loại mây và bóng mây trên ảnh…………………………………………… 73
4.2.4 Ghép tạo ảnh không mây…………………………………………………… 74
4.3 Ghép tạo ảnh không mây bằng phương pháp khoanh vùng mây………… 76
4.3.1 Khoanh vùng mây và bóng mây…………………………………………… 76
4.3.2 Gán giá trị mây và bóng mây……………………………………………… 77
4.3.3 Ghép tạo ảnh không mây…………………………………………………… 77
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ……………………………………………………. 79

Hình 3.10: Ảnh bóng mây và giá trị LSU của bóng mây……………………… 53
Hình 3.11: Đánh dấu vị trí mây và bóng mây sau khi được nhận dạng……… 54
Hình 3.12: Mây và bóng mây sau khi áp dụng toán tử mở………………………54
Hình 3.13: Loại trừ mây và bóng mây trên ảnh cơ sở……………………………55
Hình 3.14: Ảnh ghép không mây…………………………………………………55
Hình 3.15: Ảnh SPOT không mây được ghép từ 3 thời điểm……………………56
Hình 4.1: Các bước xử lý phổ ảnh SPOT đa thời gian………………………… 57
Hình 4.2: Các bước xử lý ghép dựa trên thuật toán phân ngưỡng mây……… 67
Hình 4.3: Xử lý ghép dựa trên phương pháp khoanh vùng mây…………………76
Hình 4.4: Ảnh SPOT có mây (trái) và khoanh vùng mây (phải)…………………77
Hình 4.5: Ghép tạo ảnh không mây………………………………………………78

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Khoảng cách giữa trái đất và mặt trời…………………………………37
Bảng 2.2: Giá trị bức xạ bên ngoài vũ trụ với các đầu thu của vệ tinh SPOT … 38
5

MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết
Trạm thu ảnh viễn thám của Việt Nam nằm trong Hệ thống Giám sát Tài
nguyên thiên nhiên và Môi trường Việt Nam đã đi vào hoạt động từ năm 2008.

Đề tài “Nghiên cứu phương pháp xử lý đa thời gian để ghép tạo ảnh SPOT
không mây” xuất phát từ nhiệm vụ thu nhận ảnh SPOT (2, 4, 5) từ năm 2008 tới
nay tại trạm thu ảnh vệ tinh Việt Nam và yêu cầu cung cấp ảnh không mây của các
dự án nêu trên.
Mục tiêu nghiên cứu
 Nghiên cứu phương pháp phân biệt mây, bóng mây với các yếu tố khác.
 Nghiên cứu phương pháp xử lý ghép các ảnh SPOT có nhiều mây để tạo ảnh
không mây.
Nội dung nghiên cứu
 Nghiên cứu tổng quan về các phương pháp ghép ảnh không mây.
 Lựa chọn phương pháp xử lý ảnh đa thời gian.
 Xác định ngưỡng mây trên ảnh (khoảng giá trị số của mây, bóng mây trên
ảnh).
Kết quả đạt được
Phương pháp xử lý ghép các ảnh SPOT có mây phủ, chụp cùng một khu vực,
ở nhiều thời điểm khác nhau để tạo ảnh không có mây.
Ý nghĩa của đề tài
Xuất phát từ thực tiễn nhằm khắc phục về chất lượng ảnh vệ tinh SPOT thu
nhận ở trạm thu ảnh vệ tinh của Việt Nam, trong điều kiện nhiệt đới luôn bị mây
phủ. Việc nghiên cứu phương pháp xử lý ảnh đa thời gian nhằm khắc phục những
thông tin trên ảnh bị mây che khuất để tạo ra ảnh không mây, đáp ứng kịp thời cho
7

công tác điều tra cơ bản như điều tra hiện trạng sử dụng đất đai, điều tra hiện trạng
rừng, hiện chỉnh bản đồ.
Cấu trúc của luận văn
Luận văn gồm 4 chương:
 Chương 1: Tổng quan về xử lý ghép tạo ảnh vệ tinh không mây.
Nghiên cứu tổng quan một số phương pháp xử lý tạo ảnh vệ tinh không mây
trên thế giới.

và ảnh chụp ảnh từ vệ tinh chỉ thu được phản xạ của mây. Khi mây tầng nằm rải rác,
ảnh vệ tinh có thể thu được những đối tượng trên bề mặt trái đất, nơi không bị mây
bao phủ. Một số loại mây có chiều dày mỏng và đồng nhất, ánh sáng mặt trời có thể
xuyên qua và kết quả trên ảnh ta thu được phản xạ của cả mây và phản xạ của đối
tượng trên bề mặt đất. Có thể phân loại mây trên ảnh SPOT thành 2 kiểu khác nhau:
mây dày và mây mỏng. Mây dày ngăn cản toàn bộ ánh sáng mặt trời chiếu xuống bề
mặt đất và kết quả là trên ảnh ta chỉ thu được hình ảnh của đỉnh mây. Mây mỏng
ngăn cản một phần ánh sáng mặt trời chiếu xuống đám mây và kết quả là trên ảnh ta
có thể thu được một số đối tượng trên bề mặt đất.
Mây dày
Mật độ mây dày đặc, ánh sáng mặt trời hầu như không xuyên qua được lớp
mây này nên trên ảnh không thể thấy lớp nền (bề mặt đất) bên dưới. Theo phân tích
ảnh mây vệ tinh (MTSAT, FY), các dạng mây kết hợp có thể là:
+ Mây tích và mây vũ tích: Khi tầng mây có nhiều lớp thì ở vùng tâm của
mây phản chiếu toàn bộ ánh sáng mặt trời và kết quả trên ảnh SPOT chỉ thu được
phản xạ của mây, giá trị số của ảnh gần như đạt mức bão hòa. Rìa mây thường thể
hiện rõ ràng, đôi khi có thể phân biệt được các lớp của mây nhờ vào bóng mây.
9

+ Mây tích và mây tầng tích: lớp mây có độ phản xạ cao nhất là mây tích, lớp
mây tầng tích phía bên dưới thường rộng hơn, khi mật độ lớp mây tầng tích dày đặc
thì hầu như giá trị phản xạ của 2 lớp là như nhau. Giá trị số trên ảnh của cả vùng
mây là rất cao.
+ Mây tích và mây ti, mây tầng tích và mây tầng: các kết hợp này có sự
chuyển tiếp dần từ dạng mây này sang dạng mây khác. Trên ảnh SPOT khó phân
biệt được chúng vì giá trị phản xạ rất cao của các lớp mây có mật độ dầy.
Mây mỏng
Thể hiện trên ảnh SPOT là những dải màu trắng, mật độ không cao hoặc lớp
“sương mù”, ánh sáng mặt trời chiếu xuyên xuyên qua lớp mây mỏng tới bề mặt
đệm, trên ảnh ta thu được phản xạ của cả mây mỏng và các đối tượng trên bề mặt

kết hợp ảnh quang học Avnir-2 và ảnh radar Palsar để tạo ảnh quang học không
mây [1]. Phương pháp sử dụng dựa trên thuật toán: (1.1) 11

Thuật toán phát hiện vùng có mây trên ảnh Avnir-2 là sự kết hợp của hai chỉ
số TRRI (Total Reflectance Radiance Index) và chỉ số CSI (Cloud - Soil Index).
Các chỉ số được mô tả sau đây:
Trong đó:
I
i
: là giá trị DN của kênh ảnh i,
n: là số kênh ảnh đa phổ,
I
max
: là giá trị số cực đại của kênh ảnh i,
: là hiệu số phổ của kênh ảnh,
CSI= (Band1 – Band4)/ (Band1 + Band4) (1.2)
Trong đó:
Band1: là kênh ảnh blue,
Band4: là kênh ảnh hồng ngoại.
Sau khi vùng mây trên ảnh quang học được phát hiện, bước tiếp theo là xác
định bóng của mây. Để xác định bóng của mây trên ảnh, cần biết thông tin về góc
cao và góc tới của mặt trời, qua quan hệ của mây và bóng mây trên ảnh có sẵn để
xác định khoảng cách giữa mây và bóng mây. Do vậy, vùng bóng mây của các vùng
mây khác trên ảnh cũng xác định được.

Ảnh PALSAR
Nắn chỉnh trực giao
Lọc nhiễu
Nội suy điểm ảnh
Ảnh không mây
Hình 1.2: Sơ đồ các bước xử lý ghép tạo ảnh ALOS - AVNIR không mây
13

ngưỡng, bước tiếp theo là phân lớp ảnh. Ở mỗi vùng sau khi phân thành lớp có chứa
các điểm ảnh "mây" và "không mây" lại tiếp tục phân lớp sử dụng phương pháp
"khoảng cách ngắn nhất" để phát hiện vùng mây.
Các phương pháp giới thiệu trên đây cho thấy phương pháp tạo ảnh không
mây trước hết phụ thuộc vào thuật toán phát hiện mây, sau đó là phương thức thực
hiện để tách mây.
1.2 Phương pháp tạo ảnh không mây ở Ấn Độ
Viện Công nghệ Gandhi và Trường Đại học Terna thuộc Bang Munbai ở Ấn
Độ đã xây dựng phương pháp tạo ảnh IRS-P6 không mây [2]. IRS-P6 là vệ tinh
nghiên cứu tài nguyên có tên gọi ResourceSat-1 do Ấn Độ chế tạo, được phóng lên
quỹ đạo ngày 17/10/2003. Thuật toán phát hiện mây áp dụng là thuật toán ABT
(Average Brightness Thresholding - Avg_Brightness). Thuật toán này thông qua
hàm Cutoff để xác định ngưỡng dựa trên giá trị số gần đúng của các điểm ảnh. Hàm
Cutoff được xác định như sau:
Cutoff = Avg_Brightness +f(ln(Gmax)-ln(Avg_Brigtness)) (1.5)
Trong đó: ln là logarit tự nhiên ; Gmax là giá trị số cực đại của điểm ảnh
(Gmax=255) ; f là hệ số xác định thông qua thực nghiệm (f=22).
Sau khi ngưỡng được xác lập, các bước tiến hành tạo ảnh không mây được
thực hiện như sau:
+ Sử dụng ngưỡng để tách vùng mây và không mây,
+ Loại bỏ vùng có mây và thay thế các điểm ảnh khác không mây. Điều
kiện các điểm ảnh không mây thay thế là không có sự khác biệt lớn về

tạo ảnh
Sắp xếp điểm ảnh
Gộp các ảnh
nhỏ
Ảnh không mây
Hình 1.3: Sơ đồ các bước xử lý ghép tạo ảnh SPOT không mây ở Singapore

15

góc tới của mặt trời, luồng sáng mặt trời). Tuy nhiên đây không phải là quá trình
hiệu chỉnh ảnh hưởng của khí quyển. Quá trình cân bằng phổ dựa trên công thức
sau: (1.6)

Trong đó:
n: (n=0,1,2, ,N-1) là chỉ số nhận dạng của ảnh trong tập hợp N ảnh,
R
k,n
: giá trị DN của ảnh sau khi được cân bằng,
DN
k,n
: giá trị DN của ảnh đầu vào,
g
k,n
: giá trị gain của sensor,
F
k,n
: giá trị luồng sáng bên ngoài vũ trụ,


Quá trình phân loại điểm ảnh sử dụng giá trị cường độ (trọng số trung bình
của giá trị điểm ảnh ở 3 băng ảnh) và một số điều kiện được lựa chọn từ băng tỉ số
nhằm sắp xếp các điểm ảnh theo một trật tự “điểm ảnh mây” và “điểm ảnh bóng
mây” theo tiêu chuẩn được xác định trước, các điểm ảnh “không mây” và các điểm
ảnh “không bóng mây” được sắp xếp thành 1 trong 4 loại chính là: thực vật, nhà
cửa, nước, đối tượng khác. Các điểm ảnh nằm trong khoảng giữa của ngưỡng bóng
mây và mây được coi là điểm ảnh tốt. Nếu không có các điểm ảnh tốt thì các “điểm
ảnh bóng mây” sẽ được lựa chọn để thay thế các “điểm ảnh mây”. Trong khu vực
nhất định, nếu tất cả các điểm ảnh là “bóng mây, thì các điểm có giá trị độ sáng cao
nhất sẽ được lựa chọn. Trong khu vực mà tất cả các điểm ảnh được phân loại là
“mây” thì những điểm tối nhất sẽ được lựa chọn.
Trở lại phương pháp của Ấn Độ, ta thấy quá trình cân bằng phổ được thực
hiện sau khi "vá ảnh", phương pháp của Singapore không đưa ra ngưỡng cụ thể để
phân loại mây. Có thể ngưỡng này phụ thuộc vào từng ảnh độc lập.
Ảnh MODIS
Ảnh MODIS thu nhận trên 36 kênh phổ khác nhau, trong một ngày đêm có
thể thu nhận 4 lần, vì vậy dữ liệu tổ hợp ảnh MODIS 8 ngày hoặc tổ hợp hàng tháng
có thể được tạo ra liên tục.
Quá trình tạo tổ hợp MODIS không mây bao gồm một số bước chính sau:
+ Hiệu chỉnh góc cao mặt trời, bức xạ của mặt trời, bức xạ tại đầu thu,
+ Xác lập ngưỡng để phát hiện mây,
+ Loại bỏ mây và ghép tạo ảnh không mây.
Toàn bộ quá trình tạo tổ hợp ảnh MODIS không mây bao gồm các bước như:
hiệu chỉnh góc chiếu mặt trời, tính toán chỉ số thực vật NDVI, tạo mặt nạ mây, nắn
tạo tổ hợp ảnh MODIS. Tổ hợp ảnh MODIS được tạo ra ở các băng ảnh hồng ngoại
sóng ngắn (SWIR), cận hồng ngoại (NIR), và băng đỏ tương ứng với các băng 6,
băng 2, băng 1 của dữ liệu hiển thị MODIS toàn cầu. Băng ảnh hồng ngoại sóng
17


NIR
+ ρ
RED
) (1.11)
18

ρ
NIR
là phản xạ phổ của băng NIR, ρ
RED
là phản xạ phổ của băng RED. Chỉ số
NDVI là dấu hiệu chỉ dẫn rất tốt cho mật độ của thực vật. Giá trị này nằm trong
khoảng từ -1 tới +1, giá trị cao thể hiện vùng thực vật dày đặc. Khi điểm ảnh có
mây phủ thì giá trị phản xạ của chúng ở trên hai băng ảnh gần nhau và kết quả là chỉ
số thực vật của điểm ảnh đó nhỏ. Chính vì vậy mà NDVI là một chỉ dẫn tốt để xác
định điểm ảnh không có mây.
Ảnh MODIS có 16 băng phổ nhiệt, các băng này thu nhận nhạy cảm với
nhiệt độ. Một số băng ảnh được thiết kế thu nhận riêng cho việc xác định mây. Khi
một điểm ảnh bị mây, băng phổ đo được phát xạ phát ra từ bề mặt trên của mây nên
có nhiệt độ rất thấp. Vì thế giá trị độ sáng nhiệt độ (BT) của mây luôn luôn nhỏ hơn
rất nhiều so với giá trị độ sáng nhiệt độ của các vùng không có mây ở xung quanh
chúng [4].
Hai băng ảnh được dùng để xác định mây là băng ảnh 20 và băng ảnh 31.
Tương ứng với bước sóng 3,75 µm và 11,03 µm. Độ sáng nhiệt độ của băng ảnh 20
(BT20) dùng để xác định mây dày và độ sáng nhiệt độ của băng 31 (BT31) sử dụng
kết hợp với băng 20 để xác định mây mỏng. Mây được xác định riêng trên đất liền
và trên biển, quy tắc xác định như sau:
Với vùng đất liền:
 BT20 – BT31 > 6 tương ứng với mây mỏng và được ghi nhận giá trị là
1 trên mask.

Tổng hợp Đài Loan
Một nghiên cứu xác định mây và tổ hợp ảnh mây từ ảnh SPOT đa thời gian
của tác giả Din-Chang Tseng [5], Đại học tổng hợp Đài Loan đề cập tới phương
pháp phát hiện mây và loại bỏ mây từ ảnh SPOT đa thời gian. Nghiên cứu sử dụng
hai ảnh SPOT năm 2000 và 2001 tại khu vực phỉa bắc của Trung Quốc. Trong
nghiên cứu này, tác giả đã đưa sử dụng phương pháp biến đổi không gian màu
RGB, tăng cường các thành phần dựa trên trục màu và biến đổi về lại không gian
20

màu ban đầu. Sử dụng thuật toán LSU (Linear spectral unmixing) để xác định mây.
Sau đó, dựa vào độ cao của mặt trời, bộ cảm vệ tinh (sensor) để nội suy ra các vùng
bóng mây trên ảnh.
1.5 Phương pháp loại trừ mây mù trên ảnh Landsat TM
Canada là một nước rộng lớn, dân số thưa nên là một trong những nước đi
đầu trong việc sử dụng ảnh vệ tinh để ứng dụng trong nhiều ngành kinh tế quốc dân,
đặc biệt là sử dụng ảnh Landsat giám sát lớp phủ mặt đất. Vì khu vực ứng dụng ảnh
rất rộng lớn nên gặp khó khăn do ảnh có mây phủ, cần phải loại bỏ mây mù và bóng
mây. Sơ đồ quy trình xử lý dữ liệu ảnh Landsat đa thời gian ứng dụng cho nhiều
mục đích sử dụng ở Canada gồm các bước như:
+ Hiệu chỉnh phản xạ tại đầu thu chụp,
+ Hiệu chỉnh ảnh hưởng của khí quyển,
+ Loại trừ mây mù trên cảnh ảnh,
+ Chuẩn hóa dữ liệu phát xạ giữa các cảnh
Hai bước đầu là quan trọng khi sử dụng ảnh đa thời gian, sử dụng thuật toán
sẵn có. Vấn đề là hiệu chỉnh giữa các ảnh thu nhận trong các thời điểm khác nhau là
cần thiết để có được tập hợp dữ liệu chuẩn và đồng nhất.
Loại trừ mây mù trên ảnh Landsat được Trung tâm Viễn thám Canada nghiên
cứu và đưa ra phương pháp HOT (Haze Optimized Transform) [6]. Phương pháp
HOT dựa trên thực tế là các băng phổ trong dải sóng nhìn thấy có những tương
quan cao đối với các đối tượng chuyên đề trong điều kiện chụp ảnh trời trong nhưng

ảnh riêng, hệ số này sử dụng cho tất cả các điểm ảnh trong vùng phủ của cặp ảnh
ban đầu. Các giá trị gain và offset của từng cảnh được tham gia vào tính toán cân
bằng phổ. Gọi A là giá trị DN của ảnh cần được chuẩn hóa, B là giá tri DN của cảnh
ảnh chuẩn, m là thứ tự của cảnh ảnh tham gia trong ảnh ghép, μ là trị giữa của ảnh,
σ là giá trị độ lệch chuẩn của ảnh. Chuẩn hóa dữ liệu phát xạ giữa các cảnh được
tính theo công thức sau:
22
(1.13) (1.14)
Đặc điểm quan trọng trong phương pháp là việc điều chỉnh phổ chung được
thực hiện sau khi tính gain và offet, bằng cách chuẩn hóa này đối với gain có giá trị
thấp nhất (vì thiết lập giá trị tới 1 hoặc cao hơn) và thiết lập giá trị offset thấp nhất
(nếu như là số -) về giá trị 0. Bước này đảm bảo không bị mất thông tin trong quá
trình ghép ảnh và bước quan trọng này đã được chắc chắn trong ứng dụng thực tế.
Thuật toán HOT là rất linh hoạt và phù hợp với ảnh Landsat MSS, TM, ETM
(Guindon and Zhang, 2002). Đối với loại ảnh vệ tinh khác như SPOT do không có
kênh phổ chụp ở dải sóng xanh da trời gặp khó khăn khi sử dụng phương pháp này.
1.6 Sản phẩm mask mây trong hệ thống xử lý trực ảnh SPOT của Pháp
ANDORRE là hệ thống sản xuất tự động sản xuất bình đồ ảnh SPOT, hệ
thống này đang được sử dụng tại hãng SPOTIMAGE. Đây là hệ thống xử lý ảnh số
mang tính tự động cao, sản xuất các loại sản phẩm chuẩn của các vệ tinh SPOT.
Để sản xuất trực ảnh cần phải có các dữ liệu cần thiết khác ngoài ảnh như
điểm khống chế và mô hình số địa hình, thông thường thì dữ liệu này cần phải đo
đạc thực địa hoặc dựa vào các nguồn dữ liệu khác như bản đồ. Tuy nhiên, trong các
vệ tinh SPOT của Pháp thì vệ tinh SPOT 5 có thiết bị thu chụp lập thể (HRS), từ đó

có thể tham gia ghép tạo ảnh không mây.