ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
NGUYỄN ĐỨC PHƯƠNG TÍCH HỢP GIS VÀ VIỄN THÁM
PHỤC VỤ CÔNG TÁC QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN THIÊN NHIÊN
LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HOC: PGS. TS. ĐẶNG VĂN ĐỨC
HÀ NỘI - 2012
1
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 6
1. Cơ sở khoa học và tính thực tiễn của đề tài. 6
2. Ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS ở trên thế giới 6
CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ GIS VÀ VIỄN THÁM 9
9
1.1.1. Khái niệm GIS 9
1.1.2. Các thành phần GIS 11
1.1.3. Chức năng GIS 13
1.2. Khái quát về Viễn thám 17
1.2.1. 17
1.2.2. Đặc trưng của ảnh Viễn thám 18
1.2.3 Các loại ảnh viễn thám [3] 21
1.2.4. Khái quát về xử lý ảnh Viễn thám 27
1.2.5. Phân lớp ảnh viễn thám 30
CHƢƠNG 2. TÍCH HỢP GIS VÀ ẢNH VIỄN THÁM TRONG QUẢN LÝ
3.5.5. Tính diện tích biến động 68
KẾT LUẬN 69
TÀI LIỆU THAM KHẢO 70
3
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
ASTER Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer
AVHRR Advanced Very High Resolution Radiometer
BIL Band Interleaved by Line
BSQ Band Sequential
CSDL Cơ sở dữ liệu
GOES Geostationary Operational Environmental Satellite
GIS Geographic Information System
IFOV Instantnous Field of View
ONC Operational Navigation Charts
NASA National Aeronautics and Space Administration
NOAA National Oceanic and Atmospheric Administration
SPOT Systeme Pour l’Observation de la Terre
ENVI The Environment for Visualising Images 4
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Mô hình công nghệ GIS. 10
Hình 1.2. Các thành phần của GIS. 12
Hình 1.3. Quan hệ giữa các nhóm chức năng của GIS. 15
Hình 1.4. Định dạng dữ liệu Vector và Raster. 17
Hình 1.5. Ảnh chụp và ảnh số. 19
Hình 3.5. Ảnh sau phân loại 65
Hình 3.6. Dữ liệu Vector ảnh Landsat 2000. 66
Hình 3.7. Dữ liệu Vector ảnh Landsat 2007. 66
Hình 3.8. Khu vực cần tình biến động trong bản đồ năm 2000. 67
Hình 3.9. Khu vực cần tình biến động trong bản đồ năm 2007. 67
Hình 3.10. Chồng ghép bản đồ. 68
Hình 3.11. Diện tích biến động 69
6
MỞ ĐẦU
1. Cơ sở khoa học và tính thực tiễn của đề tài.
Tài nguyên thiên nhiên là một tài sản vô cùng quý giá, tạo nên sự hài hoà giữa
thiên nhiên và con người. Bảo vệ tải nguyên thiên nhiên là bảo vệ môi trường sinh
thái, là một vấn đề vô cùng to lớn mang ý nghĩa toàn cầu.
Hiện nay, nguồn tư liệu viễn thám được sử dụng rộng rãi ở nước ta trong các
nghiên cứu về tài nguyên thiên nhiên. Cùng với đó, thiết bị tin học được đồng bộ
hóa tăng khả năng xử lý nhanh chóng trong việc xây dựng các loại bản đồ. Vì vậy,
phương pháp viễn thám kết hợp công nghệ các phần mềm GIS (Cơ sở dữ liệu
thông tin địa lý) sẽ góp phần khắc phục nhiều hạn chế của phương pháp truyền
thống và đặc biệt hiệu quả trong xử lý số liệu nhằm đánh giá biến động trong quá
trình sử dụng đất đai. Công nghệ GIS và Viễn thám là một giải phát hỗ trợ đắc lực
cho vấn đề quản lý tài nguyên rừng, môi trường. Bạn có thể thiết lập bản đồ hiện
trạng rừng với các quy mô khác nhau, quản lý, phân tích dữ liệu, bản đồ trong
GIS, và xa hơn nữa là làm thế nào để xác định và tổ hợp các nhân tố ảnh hưởng
đến đối tượng quản lý, nghiên cứu; như quy hoạch phân cấp xung yếu lưu vực trên
bão và lũ lụt, hạn hán; Đánh giá, dự báo dòng chảy, đánh giá tài nguyên khí
hậu, phân vùng khí hậu
10. Viễn thám trong khí tượng nông nghiệp (KTNN).
11. Tích hợp GIS và Viễn thám
Những kết quả ứng dụng viễn thám gần đây chỉ ra rằng giải quyết một vấn
đề thực tiễn chỉ dựa đơn thuần trên tư liệu viễn thám là một việc hết sức khó
khăn và trong nhiều trường hợp không thể thực hiện nổi. Vì vậy cần phải có
một sự tiếp cận tổng hợp trong đó tư liệu viễn thám giữ một vai trò quan trọng
và kèm theo các thông tin truyền thông khác như số liệu thống kê, quan trắc, số
liệu thực địa. Cách tiếp cận đánh giá, quản lý tài nguyên như vậy được các nhà
chuyên môn đặt tên là hệ thống thông tin địa lý. GIS là công cụ dựa trên máy
tính dùng cho việc thành lập bản đồ và phân tích các đối tượng tồn tại và các sự
kiện bao gồm đất đai, sông ngòi, khoáng sản, con người, khí tượng thuỷ văn,
8
môi trường nông nghiệp v.v xảy ra trên trái đất. Công nghệ GIS dựa trên các cơ
sở dữ liệu quan trắc, viễn thám đưa ra các câu hỏi truy vấn, phân tích thống kê
được thể hiện qua phép phân tích địa lý. Những sản phẩm của GIS được tạo ra
một cách nhanh chóng, nhiều tình huống có thể được đánh giá một cách đồng
thời và chi tiết. Hiện nay nhu cầu ứng dụng công nghệ GIS trong lĩnh vực điều
tra nghiên cứu, khai thác sử dụng, quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trường
ngày càng gia tăng không những trong phạm vi quốc gia, mà cả phạm vi quốc
tế. Tiềm năng kỹ thuật GIS trong lĩnh vực ứng dụng có thể chỉ ra cho các nhà
khoa học và các nhà hoạch định chính sách, các phương án lựa chọn có tính
chiến lược về sử dụng và quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trường. 9
CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ GIS VÀ VIỄN THÁM
1.1.
Xử lý dữ liệu: các thao tác xử lý dữ liệu được thực hiện để tạo ra thông
tin. Nó giúp cho người sử dụng quyết định cần làm tiếp công việc gì. Kết quả
của xử lý dữ liệu là tạo ra các ảnh, báo cáo và bản đồ.
Phân tích và mô hình: số liệu tổng hợp và chuyển đổi chỉ là một phần
của GIS. Những yêu cầu tiếp theo là khả năng giải mã và phân tích về mặt định
tính và định lượng thông tin đã thu thập.
Dữ liệu ra: một trong các phương diện công nghệ GIS là sự thay đổi của
các phương pháp khác nhau trong đó thông tin có thể hiển thị khi nó được xử lý
bằng GIS. Các phương pháp truyền thống là bảng và đồ thị có thể cung cấp
bằng các bản đồ và ảnh 3 chiều.
Các lĩnh vực khoa học liên quan đến GIS
GIS là sự hội tụ các lĩnh vực công nghệ và các ngành truyền thống, nó hợp
nhất các số liệu mang tính liên ngành bằng tổng hợp, mô hình hoá và phân tích.
Vì vậy có thể nói, GIS được xây dựng trên các tri thức của nhiều ngành khoa
học khác nhau để tạo ra các hệ thống phục vụ mục đích cụ thể. Các ngành này
bao gồm:
Ngành địa lý: là ngành liên quan mật thiết đến việc biểu diễn thế giới và
vị trí của đối tượng trong thế giới. Nó có truyền thống lâu đời về phân tích
không gian và nó cung cấp các kỹ thuật phân tích không gian khi nghiên cứu.
Ngành bản đồ: nguồn dữ liệu đầu vào chính của GIS là các bản đồ.
Ngành bản đồ có truyền thống lâu đời trong việc thiết kế bản đồ, do vậy nó
cũng là khuân mẫu quan trọng nhất của đầu ra GIS.
11
Công nghệ viễn thám: các ảnh vệ tinh và ảnh máy bay là nguồn dữ liệu
địa lý quan trọng cho hệ GIS. Viễn thám bao gồm cả kỹ thuật thu thập và xử lý
dữ liệu ở mọi vị trí trên quả địa cầu. Các dữ liệu đầu ra của hệ thống ảnh vệ
tinh có thể được trộn với các lớp dữ liệu của GIS.
Ảnh máy bay: khi ta xây dựng bản đồ có tỷ lệ cao thì ảnh chụp từ máy
bay là nguồn dữ liệu chính về bề mặt trái đất được sử dụng làm đầu vào.
khác nhau, chỉnh sửa dữ liệu để tạo ra các bản đồ theo yêu cầu.
Người xuất bản: sử dụng phần mềm GIS để kết xuất ra bản đồ dưới nhiều
định dạng xuất khác nhau.
Người phân tích: giải quyết các vấn đề như tìm kiếm, xác định vị trí…
Người xây dựng dữ liệu: là những người chuyên nhập dữ liệu bản đồ bằng
các cách khác nhau: vẽ, chuyển đổi từ định dạng khác, truy nhập CSDL…
Người quản trị CSDL: quản lý CSDL GIS và đảm bảo hệ thống vận hành
tốt.
Người thiết kế CSDL: xây dựng các mô hình dữ liệu lôgic và vật lý.
Người phát triển: xây dựng hoặc cải tạo các phần mềm GIS để đáp ứng các nhu
cầu cụ thể.
Dữ liệu
Một cách tổng quát, người ta chia dữ liệu trong GIS thành 2 loại: 13
Dữ liệu không gian (spatial) cho ta biết kích thước vật lý và vị trí địa lý
của các đối tượng trên bề mặt trái đất.
Dữ liệu thuộc tính (non-spatial) là các dữ liệu ở dạng văn bản cho ta biết
thêm thông tin thuộc tính của đối tượng.
Phần cứng
Là các máy tính điện tử: PC, mini Computer, MainFrame … là các thiết bị
mạng cần thiết khi triển khai GIS trên môi trường mạng. GIS cũng đòi hỏi các
thiết bị ngoại vi đặc biệt cho việc nhập và xuất dữ liệu như: máy số hoá
(digitizer), máy vẽ (plotter), máy quét (scanner)…
Phần mềm
Hệ thống phần mềm GIS rất đa dạng. Mỗi công ty xây dựng GIS đều có hệ
phần mềm riêng của mình. Tuy nhiên, có một dạng phần mềm mà các công ty
phải xây dựng là hệ quản trị CSDL địa lý. Dạng phần mềm này nhằm mục đích
nâng cao khả năng cho các phần mềm CSDL thương mại trong việc: sao lưu dữ
phỏng vấn hay chuyển đổi từ các bài tư liệu viết. Bản đồ vẽ bằng tay trên giấy
phải được số hoá sang dạng raster. Việc sử dụng ảnh vệ tinh hay ảnh chụp từ
máy bay được xem là nguồn dữ liệu quan trọng khi nghiên cứu tài nguyên thiên
nhiên và đo vẽ bản đồ địa hình. 15
Lƣu trữ và truy cập dữ liệu
Lưu trữ dữ liệu liên quan đến tạo lập CSDL không gian (đồ hoạ, bản đồ).
Nội dung của CSDL này có thể bao gồm tổ hợp dữ liệu vector hoặc/và dữ liệu
raster, dữ liệu thuộc tính để nhận diện hiện tượng tham chiếu không gian.
Thông thường dữ liệu thuộc tính của GIS trên cơ sở đối tượng được lưu trong
bảng, chúng chứa khoá chính là một chỉ danh duy nhất tương ứng với đối
tượng không gian, kèm theo nhiều mục dữ liệu thuộc tính khác. Chỉ danh đối
tượng không gian duy nhất được dùng để liên kết giữa dữ liệu thuộc tính và dữ
liệu không gian tương ứng. Trong bảng thuộc tính cũng có thể bao gồm cả giá
trị không gian như độ dài đường, diện tích vùng mà chúng đã được dẫn xuất từ
biểu diễn dữ liệu hình học.
Phương tiện truy nhập trong CSDL GIS bao gồm cả phương tiện có sẵn của
CSDL quan hệ chuẩn và khả năng xây dựng câu hỏi truy vấn để tìm thông tin
mà giá trị của chúng bằng hoặc nằm trong khoảng xác định. Đặc tính đặc biệt
theo vị trí đối với hệ toạ độ nào đó và theo các quan hệ không gian. Do nhu cầu
khai thác thông tin trên CSDL không gian thường bao gồm phương pháp chỉ số
không gian đặc biệt. Câu hỏi không gian thường là tìm ra đối tượng nằm trong
hay trên các biên của cửa sổ hình chữ nhật. Khai thác dữ liệu trên cơ sở vị trí
hay quan hệ không gian được xem như là nền tảng của thâm nhập CSDL GIS.
Tìm kiếm và phân tích dữ liệu không gian. Đây là chức năng đóng vai trò
rất quan trọng trong GIS. Nó tạo nên sức mạnh thực sự của GIS so với các
phương pháp khác. Tìm kiếm và phân tích dữ liệu không gian giúp tìm ra
những đối tượng đồ hoạ theo các điều kiện đặt ra hay hỗ trợ việc ra quyết định
1.2. Khái quát về Viễn thám
1.2.1.
- Định nghĩa: Viễn thám tiếng anh gọi là Remote Sending được hiểu như
một khoa học, nghệ thuật thu nhận thông tin về đối tượng, khu vực hay hiện
tượng trên 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 nặng lượng phản xạ
hay được phát ra từ các đối tượng nghiên cứu. Sau đó là thực hiện phân tích, xử
lý và ứng dụng các thông tin nay vào nhiều lĩnh vực khác nhau. [3]
- Thuật ngữ viễn thám (Remote sensing) - điều tra từ xa, xuất hiện từ năm
1960 do một nhà địa lý người Mỹ là E.Pruit đặt ra (Thomas, 1999).
- Ngày nay kỹ thuật viễn thám đã được phát triển và ứng dụng rất nhanh
và rất hiệu quả trong nhiều lĩnh vực.
- Như vậy viễn thám thông qua kỹ thuật hiện đại không tiếp cận với đối
tượng mà xác định nó qua thông tin ảnh chụp từ khoảng cách vài chục mét tới
vài nghìn km.
- Kỹ thuật viễn thám là một kỹ thuật đa ngành, nó liên kết nhiều lĩnh vực
khoa học và kỹ thuật khác nhau trong các công đoạn khác nhau như:
+ Thu nhận thông tin;
+ Tiền xử lý thông tin;
+ Phân tích và giải đoán thông tin;
+ Đưa ra các sản phẩm dưới dạng bản đồ chuyên đề và tổng hợp.
Vì vậy có thể định nghĩa Viễn thám là sự thu nhận và phân tích thông tin về
đối tượng mà không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tượng nghiên cứu. Bằng
các công cụ kỹ thuật, viễn thám có thể thu nhận các thông tin, dự kiện của các
vật thể, các hiện tượng tự nhiên hoặc một vùng lãnh thổ nào đó ở một khoảng
cách nhất định.
18
1.2.2. Đặc trƣng của ảnh Viễn thám
Kích thước ảnh được tỉnh bởi tổng số hàng, tổng số cột, tổng số băng và
tổng số bit/pixel. Ví dụ ảnh đa phổ 4 băng có kích thước có thể như sau: 3000
hàng x 3000 cột x 4 băng x 1 byte = 36 Mb lưu trữ.
Độ phân giải ảnh không gian
Độ phân giải không gian đề cập đến vùng được đo, kích thước đặc trưng
nhỏ nhất trên mặt đất mà sensor có thể nhận biết. Độ phân giải không gian của
sensor thụ động phụ thuộc trước hết vào trường quan sát tức thì (IFOV-
Instantnous Field of View). IFOV là góc quan sát hình nón của sensor và nó
xác định vùng bề mặt trái đất có thể nhìn thấy từ độ cao và thời điểm xác định.
Diện tích quan sát được (gọi là tế bào phân giải- Resolution cell) sẽ bẳng tích
giá trị IFOV với khoảng cách từ mặt đất tới sensor. Để một đặc trưng có thể
nhận biết được thì kích thước của nó phải bằng hoặc lớn hơn tế bào phân giải.
Độ phân giải không gian khác với kích thước pixel của ảnh. Nếu sensor có độ
phân giải không gian 20m và ảnh có từ sensor được hiển thị với mỗi pixel biểu
diễn vùng 20m x 20m trên mặt đất thì kích thước pixel bằng độ phân giải. Tuy
nhiên, có thể hiện thì pixel mà nó biểu diễn vùng lớn hơn, trong khi độ phân
giải không gian gốc không thay đổi. Độ phân giải không gian ảnh số có thể từ
0.6m ( vệ tinh Quick bird), 1m ( SPIN2, IKONOS), đến 6.4m (ảnh radar), 10m
(SPOT)… Ảnh mà chỉ nhìn thấy được các đặc trưng lớn thì gọi là ảnh độ phân
giải thấp ( ảnh thô), trườn hợp ngược lại thì gọi là ảnh độ phân giải cao ( ảnh
mịn).
20
Hình 1.6. Ảnh độ phân giải cao và thấp
Độ phân giải phổ
Độ phân giải phổ đề cập đến bước sóng phổ mà sensor nhảy cảm với. Như
đã biết, đường cong đáp ứng phổ đặc trưng cho phản xạ hoặc/ và truyền các đối
tượng trên các bước sóng khác nhau. Các lớp đặc trưng khác nhau và các chi
tiết trong ảnh có thể được phân biệt bằng cách đối sánh đáp ứng của chúng trên
Độ phân giải thời gian đề cập đến thời gian thu thập dữ liệu. Nó liên quan
đến khả năng chụp lặp cùng một vùng vệ tinh. Việc chụp lặp vào thời điểm
khác nhau sẽ cho lại thông tin chính xác hơn và nhận biết được sự biến động
của vùng nghiên cứu. Các hệ thống viễn thám khác nhau có độ phân giải thời
gian khác nhau, ví dụ LANSAT có độ phân giải thời gian 18 ngày còn SPOT là
24 ngày. Các vệ tính khí tượng có độ phân giải thời gian cao nhất, ví dụ GMS
là 30 phút và NOAA là 6 giờ, để theo dõi sự chuyển động của mây, bão …
1.2.3 Các loại ảnh viễn thám [3]
a. Khuôn mẫu dữ liệu ảnh viễn thám
Khuôn mẫu dữ liệu ảnh viễn thám mô tả cách thức dữ liệu được ghi lên
thiết bị lưu trữ, ví dụ DVD. Một ảnh viễn thám thường được lưu trữ trong hai
tệp, ví dụ với Landsat ETM+ như sau:
Tệp metadata: Chứa tập các mô tả bằng chữ hay số của dữ liệu lưu trữ
trong tệp dữ liệu ảnh ( tệp thứ 2). Chúng bao gồm tổng số dòng quét, số
pixel/dòng, phép chiếu sử dụng tọa độ địa lý của tâm ảnh.
Tệp dữ liệu ảnh: Chứa các giá trị điểm ảnh của các kênh 1-7, sắp xếp
theo từng kênh. Với mỗi kênh, các giá trị pixel của dòng quét thứ 1 sẽ được lưu
22
trữ từ trái sang phải thành một bản ghi. Tiếp theo là lưu trữ dữ liệu của dòng
quét thứ 2,…
Nội dung tệp dữ liệu ảnh có thể lưu trữ theo các cách khác nhau, phụ
thuộc vào hệ thống viễm thám cụ thể.
Cấu trúc dữ liệu BIL ( Band Interleaved by Line) : Lưu trữ tất cả giá trị
điểm ảnh trong dòng quét của tất cả các băng. Ví dụ, nếu số băng là 7 thì tệp
phải lưu trữ lần lượt như sau: dòng 1 của cả 7 băng, tiếp theo là dòng 2 của cả 7
băng… Ví dụ ảnh Landsat ETM+ trên đây được lưu trữ theo cấu trúc này.
Cấu trúc dữ liệu BSQ ( Band Sequential): Lưu trữ các điểm ảnh của toàn
bộ các dòng quét của một băng, sau đó lưu trữ dữ liệu của băng tiếp theo.
b. Một số hệ thống vệ tinh và loại ảnh viễn thám
dò tìm các bức xạ ở vùng sóng nhìn thấy, cận và giữa hồng ngoại, và các vùng
bức xạ nhiệt hồng ngoại trong phổ từ, quét theo vệt có độ rộng khoảng 3.000
km
Các vệ tinh thời tiết khác
Một vài vệ tinh khí tượng của các quốc gia hoặc nhóm quốc gia khác nhau
cũng đang hoạt động trên quỹ đạo. Bao gồm các vệ tinh thế hệ GMS(
Geostationary Meteorological Satellite) của Nhật Bản, và các vệ tinh Meteosat
của cộng đồng châu Âu. Chúng cập nhật hình ảnh trái đất sau mỗi 30 phút
Các cảm biến/ vệ tinh quan trắc mặt đất
Landsat
Mặc dù tồn tại nhiều hệ thống vệ tinh thời tiết, tuy nhiên tất cả đều sử dụng
cho mục đích giám sát bề mặt Trái đất, chúng không được thiết kế tối ưu cho
mục đích lập bản đồ chi tiết bề mặt trái đất. Vệ tinh đầu tiên được thiết kế để
giám sát bề mặt Trái đất, vệ tinh Landsat-1, được phóng bởi NASA vào năm
1972. Ban đầu được gọi là ERTS-1 (Earth Resource Technology Satellite),
Landsat được thiết kế như một thử nghiệm để kiểm tra tính khả thi của việc thu
thập dữ liệu quan trắc Trái đất đa quang phổ. Kể từ đó, chương trình đã thu
thập được dữ liệu phong phú từ khắp nơi trên thế giới từ một số vệ tinh
Landsat.
Sự thành công của Landsat phụ thuộc vào một vài yếu tố, bao gồm: sự kết
hợp của các cảm biến băng rộng được thiết kế chuyên cho mục đích quan trắc
Copyright: Tài liệu đại học ©