BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG
TRUNG TÂM VIỄN THÁM QUỐC GIA
9571 Hà nội, 2010

1
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH 3

DANH MỤC CÁC BẢNG 6
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 7
TÓM TẮT NỘI DUNG 8
MỞ ĐẦU 11
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MỘT SỐ VẤN ĐỀ CHÍNH CẦN NGHIÊN CỨU 15
1.1. Lớp phủ bề mặt 15
1.1.1. Khái niệm lớp phủ bề mặt 15
1.1.2. Hệ thống phân loại lớp phủ bề mặt 15
1.1.3. Sự đa dạng của các hệ sinh thái trên lớp phủ bề mặt địa hình Việt Nam 16
1.2. Vị trí quỹ đạo và các kênh phổ được thiết kế của một số đầu thu ảnh vệ tinh 17
1.2.1. Vệ tinh SPOT 17
1.2.2. Vệ tinh IKONOS 18

2.1.4. Phương pháp hàm hồi quy hiệu chỉnh bức xạ ảnh 63
2.1.5. Phương pháp hiệu chỉnh tuyệt đối bức xạ ảnh vệ tinh quang học 71
2.1.6. Phương pháp xử lý tạo ảnh phản xạ tại bề mặt của đối tượng 74
2.2. Quy trình xây dựng thư viện phổ ảnh vệ tinh 78
2.2.1. Quy trình xây dựng thư viện phổ 78
2.2.2. Quy trình ứng dụng thư viện phổ ảnh vệ tinh trong tự động hóa giải đoán ảnh
số 80

2.3. Phương pháp quản lý thư viện phổ ảnh vệ tinh độ phân giải cao 82
CHƯƠNG 3 PHẦN THỰC NGHIỆM 85
3.1. Khu vực thực nghiệm 85
3.1.1. Đặc điểm lớp phủ khu vực đồng bằng sông Hồng và Quảng Ninh 85
3.1.2. Đặc điểm khu vực thực nghiệm 85
3.1.3. Tình hình tư liệu 94
3.2. Xây dựng thư viện phổ ảnh vệ tinh cho một số đối tượng lớp phủ bề mặt tại khu
vực thử nghiệm 98

3.2.1. Lựa chọn các đối tượng xây dựng phổ 98
3.2.2. Xây dựng Module bảng tra các đối tượng trong thư viện phổ ảnh 99
3.2.3. Xây dựng thư viện phổ ảnh vệ tinh 105
3.3. Ứng dụng thư viện phổ ảnh vệ tinh trong giải đoán ảnh tự động 109
3.3.1. Xây dựng Module giải đoán ảnh tự động 109
3.3.2. Ứng dụng thư viện phổ trong giải đoán ảnh vệ tinh thuộc khu vực thử
nghiệm 112

3.4. Một số kết quả nghiên cứu 119
3.4.1. Một số mẫu phổ phản xạ của các đối tượng lớp phủ bề mặt trong thư viện 119
3.4.2. Một số bản đồ ảnh phân vùng đối tượng lớp phủ 123
3.5. Nhận xét chung kết quả thực nghiệm 125


Hình 1.16: Đồ thị phản xạ phổ của một số loại đối tượng mái nhà trong khu dân cư .40
Hình 1.17: Các tập tin trong thư viện phổ thực vật 45
Hình 2.1: Ảnh minh hoạ bộ máy đo phổ
phản xạ FieldSpec® 3 53
Hình 2.2: Ảnh tổ hợp màu tự nhiên MODIS 500m ( ngày chụp: 3/11/2003) 65
Hình 2.3: Bản đồ phân bố nồng độ muối bề mặt biển đạt được từ mô hình hồi quy bội65
Hình 2.4: Các hàm tuyến tính với tham số 67
Hình 2.5: Minh họa ảnh hưởng góc chiếu mặt trời và địa hình tới bức xạ ảnh 74
Hình 2.6: Biến đổi cấp độ sáng pixel ảnh DN về trị phản xạ tại bề
mặt Trái đất 76
Hình 2.7: Quy trình xây dựng thư viện phổ ảnh vệ tinh độ phân giải cao 78

4
Hình 2.8: Quy trình ứng dụng thư viện phổ ảnh vệ tinh độ phân giải cao trong tự động
giải đoán ảnh số phục vụ giám sát tài nguyên và môi trường 80
Hình 2.9: Minh hoạ 1 giao diện webGIS 84
Hình 3.1.Hỏi đáp trong quá trình cài đặt 100
Hình 3.2. Thiết lập thư mục cài đặt của chương trình 100
Hình 3.3. Đặt tên thư mục nhóm chương trình 101
Hình 3.4. Ví dụ khi cài đặt bị lỗi: Nhấn “Ignore” 101
Hình 3.5. Thông báo hoàn tấ
t công việc cài đặt của chương trình 102
Hình 3.6. Chạy chương trình hiển thị phổ phản xạ 103
Hình 3.7. Các cửa sổ khi chạy chương trình hiển thị phổ 104
Hình 3.8. Các menu trong menu “Hệ thống” của chương trình hiển thị phổ 105
Hình 3.9. Các menu trong menu “Các tiện ích” của chương trình hiển thị phổ 105
Hình 3.10. Các menu trong menu “Các tiện ích” của chương trình hiển thị phổ 105
Hình 3.11. Các menu trong menu “Định dạng” của chương trình hiển thị phổ 105
Hình 3.12: Công cụ chuyển đổi giá trị phổ DN thành giá trị phổ phản xạ 106
Hình 3.13: Công cụ tái chia mẫu phổ 107
6
DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Các băng phổ của hệ vệ tinh SPOT 18

Bảng 1.2: Các kênh phổ vệ tinh IKONOS 19
Bảng 1.3: Thông tin về vệ tinh QUICKBIRD 20
Bảng 1.4: Băng phổ của các thế hệ vệ tinh LANDSAT 22
Bảng 2.1: Hệ số tương quan của mô hình 65
tuyến tính đơn 65
Bảng 2.2: So sánh hệ số tương quan giữa mô hình hồi quy bội và phân tích PCA (kết
hợp 7 băng phổ) 65

Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật của các cảnh ảnh SPOT5 thực nghiệm 95
Bảng 3.2: Hệ thống các đối tượng mẫu lựa chọn xây dựng trong thư viện phổ 98
Bảng 3.3: Đánh giá chất lượng ảnh giữa các vị trí thông qua các tham số thống kê 115
Bảng 3.4: Đánh giá độ chính xác giữa trị đo thực địa và trị đo trên ảnh 116
Bảng 3.5: Đánh giá độ chính xác kết quả giải đoán ảnh 119


ENVISAT ENVIronmental SATellite
Vệ tinh môi trường của châu Âu
MODIS MODerate resolution Imaging Spectroradiometer
Phổ kế bức xạ ảnh độ phân giải trung bình
VNIR Visible and Near-InfRrared
Dải phổ c
ận hồng ngoại nhìn thấy
SWIR Short Wave InfRrared
Dải phổ hồng ngoại sóng ngắn
ρ
TOA
Phản xạ bề mặt tại đỉnh khí quyển
ρ
SURF
Phản xạ của đối tượng tại bề mặt Trái đất

8
TÓM TẮT NỘI DUNG

Công nghệ viễn thám là một trong số những công nghệ cao tuy mới phát triển
nhưng đã nhanh chóng được áp dụng trong nhiều lĩnh vực và được phổ biến rộng ở
nhiều nước trên Thế giới. Công nghệ viễn thám dần trở thành phương tiện chủ đạo cho
việc giám sát tài nguyên thiên nhiên và môi trường ở các cấp độ khác nhau, từng địa
phương, từng nước và từng khu vực cũ
ng như phạm vi toàn cầu.Viễn thám nghiên cứu
tài nguyên thiên nhiên và môi trường dựa trên nguyên lý cơ bản là sự hấp thụ, tán xạ,
phản xạ trong các dải phổ với cường độ nhất định của các đối tượng tự nhiên. Thông
tin viễn thám thu nhận được nhờ các công cụ thiết bị khác nhau từ một khoảng cách
nhất định đối với đối tượng nghiên cứu thông qua năng lượng điện t
ừ phản xạ từ bề

- Nghiên cứu tổng quan về phổ của lớp phủ bề mặt và thư viện phổ;
- Nghiên cứu các phương pháp xây d
ựng thư viện phổ ảnh vệ tinh độ phân giải
cao gồm:
• Phương pháp đo phổ ngoài thực địa;
• Phương pháp hồi quy, hiệu chỉnh bức xạ ảnh vệ tinh quang học;
• Phương pháp xây dựng modul hỗ trợ tích hợp thư viện phổ vào phần
mềm ENVI trong giải đoán ảnh tự động;
• Phương pháp quản lý thư viện phổ.
-
Xây dựng các quy trình thực hiện;
- Tiến hành thử nghiệm xây dựngvà ứng dụng bộ mẫu thư viện phổ ảnh vệ tinh
độ phân giải cao trong giải đoán ảnh tự động tại 3 khu vực: Hà Nội, Nam
Định, Quảng Ninh.
Các kết quả nghiên cứu của đề tài đã đưa ra cơ sở khoa học và phương pháp xây
dựng thư viện phổ ảnh vệ tinh độ phân giải cao v
ề một số đối tượng lớp phủ bề mặt ở
Việt Nam. Kết quả thực nghiệm đã kiểm chứng khả năng ứng dụng công nghệ viễn
thám trong lĩnh vực giải đoán tự động ảnh vệ tinh độ phân giải cao dựa trên thư viện
phổ thiết lập. 10
SUMMARY OF CONTENTS

construction from high resolution satellite images of some landcoat objects in
Vietnam. Experimental results have verified the applicability of remote sensing
technology in the field of automatic satellite image interpretation, based on the
established spectral library.

11

MỞ ĐẦU
Viễn thám là một công nghệ nhằm xác định và nhận biết đối tượng thông qua
các đặc trưng riêng về phản xạ hoặc bức xạ điện từ. Các đặc trưng này thường được
gọi là đặc trưng phản xạ phổ và nó là nguồn tư liệu chủ yếu của viễn thám để nhận
biết, phân loại các đối tượng khác nhau trên bề mặt Trái đấ
t. Vì vậy, việc xây dựng
một thư viện phổ ảnh vệ tinh phù hợp với điều kiện và mục đích sử dụng cho từng khu
vực có ý nghĩa hết sức quan trọng.
Nhằm góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng hệ thống trạm thu ảnh vệ tinh mặt
đất (2005-2007) thuộc dự án “Xây dựng hệ thống giám sát tài nguyên thiên nhiên và
môi trường Việt Nam”, đồng thời đưa ra c
ơ sở khoa học và ứng dụng thực tiễn cho
việc nghiên cứu phổ của ảnh vệ tinh đa thời gian độ phân giải cao trong theo dõi, giám
sát và quản lý tài nguyên, môi trường, Trung tâm Viễn thám quốc gia xây dựng đề tài
khoa học:
“Nghiên cứu phương pháp xây dựng thư viện phổ ảnh vệ tinh độ phân giải
cao về một số đối tượng lớp phủ bề mặt phục vụ cho giám sát tài nguyên và môi
trường tại Việ
t Nam”.
Thời gian thực hiện: 18 tháng (Từ 01/01/2010 đến 30/06/2011)
Chủ nhiệm đề tài: Hồ Thị Vân Trang
Học vị: Thạc sỹ Khoa học môi trường
Địa chỉ: 108 phố Chùa Láng – Đống Đa – Hà Nội

-
Nghiên cứu, khảo nghiệm, hiệu chỉnh và hồi quy bức xạ ảnh vệ tinh quang học;
- Nghiên cứu cơ sở khoa học việc thiết kế các kênh phổ của đầu thu SPOT, đầu
thu Landsat;
- Nghiên cứu, khảo sát phương pháp xác định phổ của đối tượng ngoài thực địa;
- Khảo sát, nghiên cứu đặc điểm phân bố địa lý và các đặc trưng hình thái của
một số
đối tượng lớp phủ khu vực đồng bằng sông Hồng và Quảng Ninh;
- Nghiên cứu, khảo sát, lựa chọn phổ của một số đối tượng lớp phủ bề mặt
nhằm xây dựng thư viện phổ;
- Thử nghiệm lập hàm hồi qui kết quả các mẫu phổ thu được;

13
- Xây dựng quy trình thành lập thư viện phổ cho một số đối tượng lớp phủ bề
mặt ở Việt Nam;
- Thiết lập bảng tra (module) cho một số loại đối tượng lớp phủ trong thư viện phổ;
- Bước đầu nghiên cứu, khảo nghiệm việc tích hợp thư viện phổ trong khâu tự
động giải đoán ảnh số;
- Kh
ảo nghiệm, xây dựng mô hình quản lý thư viện phổ;
- Thiết kế, xây dựng, biểu diễn một số mẫu phổ đặc trưng trong thư viện;
- Thành lập 3 bản đồ chuyên đề tỉ lệ 1:50 000 ứng dụng mẫu phổ chuẩn trong thư
viện phổ của Việt Nam khu vực đồng bằng sông Hồng và Quảng Ninh.
Các phương pháp nghiên cứu chính
- Phương pháp viễn thám;

- Phương pháp bản đồ;
- Phương pháp hệ thông tin địa lý (GIS);
- Phương pháp điều tra thực địa;
- Phương pháp đo phổ của các đối tượng lớp phủ ngoài thực địa;

30
3
Module:Bảng tra đối tượng

Dễ sử dụng, tương thích với phần
mềm xử lý ảnh ENVI
01
4
Module: Tích hợp thư viện
phổ của Việt Nam trong
khâu tự động hóa giải đoán
ảnh số
Dễ sử dụng, tương thích với phần
mềm xử lý ảnh ENVI
01
5
Bản đồ chuyên đề ứng
dụng thư viện phổ trong tự
động giải đoán ảnh số
Đảm bảo độ chính xác, có cơ sở khoa
học, có khả năng ứng dụng trong
thực tế
03
6
Báo cáo chuyên đề Có cơ sở khoa học, có độ tin cậy 32
7
Báo cáo tổng kết đề tài Có cơ sở khoa học 01

Dự kiến kết quả công bố tạo ra
STT

1.1. Lớp phủ bề mặt
1.1.1. Khái niệm lớp phủ bề mặt
Lớp phủ bề mặt là trạng thái vật chất của bề mặt trái đất, là sự kết hợp của nhiều
thành phần như: thực phủ, thổ nhưỡng, đá gốc, mặt nước và các công trình nhân tạo.
Nói một cách khác, lớp ph
ủ bề mặt thể hiện sự tổng hợp của những yếu tố khác nhau
trên bề mặt trái đất được phủ bằng vật thể tự nhiên hay công trình nhân tạo.
Khái niệm lớp phủ bề mặt khác với khái niệm của sử dụng đất nhưng các đối
tượng của chúng lại có sự tương quan mật thiết với nhau. Sử dụng đất hầu hết là hành
động tr
ực tiếp, phản ánh cách thức sử dụng đất của con người và các hoạt động kinh tế
xã hội xảy ra trên mặt đất dẫn đến sự thay đổi lớp phủ bề mặt.[6]
Thực tế cho thấy, mỗi một khu vực khác nhau trên trái đất đều có loại hình lớp
phủ đặc trưng. Lớp phủ bề mặt chịu sự tác động của yếu tố tự nhiên và nhân tạo nên
luôn biến đổi theo thời gian.
1.1.2. Hệ thống phân loại lớp phủ bề mặt
Lớp phủ bề mặt được chia thành hai nhóm chính là mặt đất và mặt nước. Lớp
phủ mặt nước gồm nước lục địa ( hệ thống sông, suối, kênh mương, hồ ao) và nước đại
dương chiếm phần lớn diện tích bề mặt trái đất. Lớp phủ mặt đất là nơi tập trung hầu
hết hoạt động của con người cũng như nhiều loài sinh vật khác trên trái đất. Chính
những hoạt động này đã tạo nên sự phong phú của loại hình lớp phủ mặt đất. Để thuận
lợi cho việc khai thác sử dụng, đảm bảo tính thống nhất nội dung thông tin, lớp phủ
mặt đất được chia thành hai nhóm: đất có thực phủ, đất không có thực phủ . Loại đất
có thự
c phủ gồm đất có thực phủ thường xuyên (rừng tự nhiên, cây trồng lâu năm )
và đất có thực phủ thay đổi theo mùa ( trảng cỏ, đất canh tác ). Loại đất không có
thực phủ gồm đất tự nhiên ( bãi cát, bãi đá, núi trọc ) và đất nhân tạo (khu dân cư,
khu công nghiệp hay một số các đối tượng đất chuyên dùng khác). Hình 1.1 cho thấy
sự đa dạng của hệ thống phân loại lớp phủ bề mặt.


không thuần nhất trên toàn lãnh thổ Việt Nam, hình thành nên các miền và vùng khí
hậu khác nhau rõ rệt. Khí hậu Việt Nam thay đổi theo mùa và theo vùng từ thấp lên
cao, từ Bắc vào Nam và từ Đông sang Tây.
Thiên nhiên Việt Nam có sự phân hóa rất đa dạng, thể hiện như sau:
- Theo hướng Bắc - Nam với đặc trưng chủ yếu là sự thay đổi của khí hậu dẫn tới
phân hoá giữa miền Bắc và miền Nam ( ranh giới là dãy núi Bạch Mã);
- Theo h
ướng Đông – Tây phân hóa thành 3 vùng rõ rệt bao gồm: vùng biển và
thềm lục địa, vùng đồng bằng ven biển, vùng đồi núi;
Lớp phủ bề mặt
Lớp phủ mặt
nư
ớc
Lớp phủ mặt đất
Nước đại dương Nước lục địa Đất có thực phủ
Đất không
th
ựcphủ
Sông, suối
Kênh,
mương
Hồ,
ao,
đầm
Tự nhiên
(đất trống
bãi cát…)
Nhân tạo
(Các
công
Hình 1.2a: SPOT4-1998 Hình 1.2b: SPOT5-2002
Quỹ đạo vệ tinh SPOT là quỹ đạo cận cực, nghiêng so với mặt phẳng quỹ đạo
98.8
0
cho phép chụp ảnh bất kỳ vị trí nào trên Trái đất. Do quỹ đạo đồng bộ Mặt trời

18
nên thời gian vệ tinh bay qua theo giờ địa phương là gần như nhau (qua xích đạo lúc
10h30 cho phép chụp ảnh mọi nơi với độ chói của Mặt trời gần như nhau). Chu kỳ lặp
lại là 26 ngày sau khi đã bay vòng quanh Trái đất được 369 lần.
Bảng 1.1: Các băng phổ của hệ vệ tinh SPOT 1.2.2. Vệ tinh IKONOS
Vệ tinh tạo ảnh vũ trụ phân giải siêu cao IKONOS được phóng lên quĩ đạo cận cực
vào ngày 24 tháng 9 năm 1999 tại độ cao 682 km, cắt xích đạo vào 10:30 phút sáng.
Thời gian quỹ đạo lặp lại:11 ngày. Góc quét 45˚ theo đường quét dọc và ngang.
Tạo ảnh lập thể bằng cách quét liên tục theo chiều ngang và quét lặp lại trước sau theo
chiều dọc.

Hình 1.3: Vệ tinh IKONOS

19
Vệ tinh IKONOS có 4 kênh đa phổ có độ phân giải 4m và 1 kênh toàn sắc có độ
phân giải 1m.

được đổi tên là LANDSAT (Land Satellite), với các thế hệ đầu thu là TM (Thematic
Mapper) và ETM
+
(Enhanced Thematic Mapper). Chương trình được thực hiện giữa
Bộ Nội vụ và Trung tâm Nghiên cứu Vũ trụ quốc gia NASA của Mỹ. Hình 1.5: LANDSAT 7 với góc nhìn từ trên cao
Ảnh LANDSAT có kích thước 185x185km, vị trí mỗi cảnh ảnh được xác định theo sơ đồ
- Số thứ tự hàng (row)
- Số thứ tự tuyến bay (path)
Trong kế hoạch, NASA sẽ phóng vệ tinh LANDSAT mới với bộ cảm ALI có
10 băng phổ và giá thành rẻ hơn nằm trong Chương trình Thiên niên kỷ mới-NMP
(New Millenium Program).
Hệ ALI được thiết kế với trọng lượng chỉ bằng 25% của ETM+, chỉ đòi h
ỏi một
năng lượng điện bằng 20% và giá thành chỉ còn bằng 40% so với ETM+. Hệ ALI quét
ảnh kiểu chổi quét và cho ảnh đa phổ có độ phân giải 30x30m. Ngoài ra, ALI còn cho
ra kênh ảnh toàn sắc có độ phân giải 10x10m.
Bảng 1.4 thống kê các thế hệ vệ tinh LANDSAT theo đầu thu và độ phân giải
không gian.

22
Bảng 1.4: Băng phổ của các thế hệ vệ tinh LANDSAT

1.3. Phổ phản xạ và một số yếu tố ảnh hưởng
1.3.1. Khái niệm về phổ phản xạ và đường cong phổ
Viễn thám là một công nghệ nhằm xác định và nhận biết đối tượng hoặc các điều
kiện môi trường thông qua các đặc trưng riêng về phản xạ hoặc bức xạ điện từ. Trong
đó bức xạ điện từ truyền n

(λ)
và truyền qua ET
(λ)
:
EI
(λ)
= ER
(λ)
+ EA
(λ)
+ ET
(λ)
(1.1)
Tỉ lệ giữa các hợp phần năng lượng phản xạ, hấp thụ và truyền qua rất khác nhau
tùy thuộc vào đặc điểm của đối tượng, trên bề mặt, cụ thể là thành phần vật chất và
tình trạng của đối tượng. Ngoài ra tỉ lệ giữa các hợp phần đó còn phụ thuộc vào các
bước sóng khác nhau. Như vậy, sẽ có nhiều trường hợp là hai đối tượng có cùng m
ột

24
đặc điểm trong các dải phổ khác. Chính vì vậy, trong vùng nhìn thấy màu sắc của một
đối tượng chính là thể hiện sự phản xạ trội hơn cả trong một dải sóng nào đó. Chẳng
hạn như lá cây có màu xanh chàm là do chúng phản xạ mạnh ở dải phổ Green (0.5 –
0.6µm). Như vậy, mắt người sử dụng sự khác nhau về cường độ năng lượng phản xạ
phổ để
phân biệt các đối tượng. Trong viễn thám, thành phần năng lượng phổ phản xạ
là quan trọng nhất.
Độ phản xạ phổ được đo theo công thức:
ρ
(λ)

ước sóng, cường độ. Đương nhiên đặc điểm của khí quyển tại thời
điểm thu nhận tín hiệu đóng vai trò rất quan trọng đến tín hiệu nhận được tại đầu thu.
Trong quá trình truyền lan đó, sóng điện từ phải tương tác với các thành phần
có trong khí quyển như các hạt bụi lơ lửng, hoặc các thành phần khí khác nhau. Những