ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

HỒ VĂN TUẤN

NGHIÊN CỨU TỰ ĐỘNG TRÍCH XUẤT THÔNG TIN NƯỚC
CHO ẢNH VỆ TINH VNREDSAT-1 KHU VỰC THÀNH PHỐ

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

Hà nội, 2015


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

HỒ VĂN TUẤN

NGHIÊN CỨU TỰ ĐỘNG TRÍCH XUẤT THÔNG TIN NƯỚC
CHO ẢNH VỆ TINH VNREDSAT-1 KHU VỰC THÀNH PHỐ

Ngành: Công nghệ thông tin
Chuyên ngành: Kỹ thuật phần mềm
Mã số: 60480103

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TS Nguyễn Thanh Thủy

Hà nội, 2015



ràng. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình.

Hà Nội, ngày 15 tháng 11 năm 2015
Học viên

Hồ Văn Tuấn


3

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. 3
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ 4
Danh sách các bảng ..................................................................................................... 5
Danh mục hình vẽ ........................................................................................................ 6
Danh sách các từ viết tắt, kí hiệu, thuật ngữ ................................................................. 7
Chương 1. TỔNG QUAN ............................................................................................ 8
1.1 Giới thiệu đề tài ............................................................................................... 8
1.2 Ý nghĩa khoa học ............................................................................................ 9
1.3 Ý nghĩa thực tiễn ........................................................................................... 10
1.4 Ứng dụng của đề tài....................................................................................... 10
1.5 Bố cục của luận văn....................................................................................... 10
Chương 2. VIỄN THÁM VÀ TIỀN XỬ LÝ ẢNH VỆ TINH .................................... 12
2.1 Viễn thám...................................................................................................... 12
2.1.1 Giới thiệu viễn thám ................................................................................... 12
2.1.2 Ứng dụng của viễn thám trong khoa học và đời sống xã hội ....................... 15
2.1.3 Các độ phân giải ảnh vệ tinh ....................................................................... 15
2.1.4 Ảnh VNREDSat-1 ...................................................................................... 17

4.3.3 Tính diện tích, chu vi các đối tượng cần xét ................................................ 46
Chương 5. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ ......................................... 50
5.1 Kết quả thực nghiệm ..................................................................................... 50
5.1.1 Kết quả trích xuất thông tin nước VNREDSat-1 ......................................... 50
5.1.2 Ứng dụng thuật toán để trích xuất đối tượng nước Sông Hồng, mây, thực vật
............................................................................................................................ 52
5.2 Đánh giá ........................................................................................................ 53
5.2.1 Đánh giá bằng phương pháp kiểm nghiệm và đối sánh với bản đồ .............. 54
5.2.2 Đánh giá bằng phương pháp định lượng ..................................................... 57
KẾT LUẬN ............................................................................................................... 62
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................... 63
PHỤ LỤC .................................................................................................................. 65
Cài đặt Python và các thư viện, công cụ liên quan: .................................................... 65
a. Cài đặt ngôn ngữ lập trình Python 2.7.................................................................... 65
b. Cài đặt các thư viện liên quan: ............................................................................... 65
c. Cài đặt công cụ hỗ trợ:........................................................................................... 67
d. Quá trình lấy mẫu một số đối tượng:...................................................................... 68
e. Thiết lập giá trị trung bình trên các kênh ảnh từng đối tượng nghiên cứu: .............. 69
f. Một số hình ảnh chụp trong quá trình đi kiểm tra thực địa ..................................... 75


5

Danh sách các bảng

Bảng 2.1 Bảng độ phân giải phổ của sóng điện từ ...................................................... 15
Bảng 2.2 Độ phân giải theo kênh ảnh VNREDSat-1 .................................................. 18
Bảng 2.3 Thông tin ảnh đa phổ VNREDSat-1 trước và sau hiệu chỉnh hình học ........ 20
Bảng 2.4 Bảng Control points: ................................................................................... 27
Bảng 2.5 Bảng Check points: ..................................................................................... 28

Hình 2.3 Phổ đáp ứng của bộ lọc quang học của VNREDSat-1[23] ........................... 17
Hình 2.4 Một số hình ảnh vệ tinh VNREDSat-1 chụp được (a, b, c, d, e, f)[23] ......... 19
Hình 2.5 Quy trình thành lập bình đồ ảnh vệ tinh ....................................................... 23
Hình 2.6 Thiết lập project Hanoi_2014 ...................................................................... 24
Hình 2.7 Khai báo hệ tọa độ VN2000 cho khu vực nghiên cứu .................................. 24
Hình 2.8 Sơ đồ bố trí đủ GCP khu vực Hà Nội .......................................................... 27
Hình 3.1 Biểu đồ đường giá trị qua các kênh ảnh SPOT5.......................................... 31
Hình 3.2 Biểu đồ trích xuất thông tin nước trên SPOT5 ............................................. 33
Hình 3.3 Kết quả trích xuất thông tin nước sông Trường Giang trên ảnh SPOT5 ....... 34
Hình 4.1 Sơ đồ tổng quan quá trình thực hiện bài toán trích xuất thông tin nước........ 37
Hình 4.2 Hình ảnh khu vực nghiên cứu ...................................................................... 39
Hình 4.3 Biểu đồ giá trị điểm ảnh tại 4 kênh ảnh của ảnh VNREDSat-1 .................... 41
Hình 4.4 Giá trị phản xạ của đất, nước, thực vật trên ảnh Lansat TM ......................... 42
Hình 4.5 Sơ đồ khối trích xuất thông tin nước từ ảnh vệ tinh VNREDSat-1 ............... 46
Hình 5.1 Ảnh VNREDSat-1 ban đầu cần trích xuất thông tin ..................................... 50
Hình 5.2 Ảnh VNREDSat-1 tại Kênh 4 (a) và ảnh trích xuất thông tin nước (b) ........ 51
Hình 5.3 Ảnh kết quả thông tin nước lưu dưới dạng file VNREDSat-1 đơn sắc ......... 51
Hình 5.4 Ứng dụng thuật toán để trích xuất thông tin nước Sông Hồng ..................... 52
Hình 5.5 Ứng dụng thuật toán để trích xuất thông tin đối tượng mây ......................... 53
Hình 5.6 Ứng dụng thuật toán trích xuất thông tin đối tượng thảm thực vật ............... 53
Hình 5.7 Ảnh chụp từ Google Earth khu vực Vinhomes Riverside để kiểm chứng
thông tin nước ............................................................................................................ 55
Hình 5.8 Ảnh chụp từ Google Earth cùng tọa độ địa lý dùng để kiểm chứng thông tin
nước được trích xuất .................................................................................................. 56
Hình 5.9 Hình ảnh đánh dấu các vị trí kiểm tra thực địa theo tọa độ........................... 61
Hình 5.10 Thiết lập biến môi trường cho Python........................................................ 65
Hình 5.11 Cài đặt thư viện Numpy ............................................................................ 66
Hình 5.12 Cài đặt thư viện Mathplotlib ...................................................................... 67
Hình 5.13 Qúa trình lấy mẫu Nước lục địa ................................................................. 68
Hình 5.14 Quá trình lấy mẫu Đường .......................................................................... 68

GCP

Ground Control Point - Điểm kiểm soát mặt đất


8

Chương 1. TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu đề tài
Cùng với sự phát triển công nghệ thông tin và khoa học vũ trụ, viễn thám ngày
càng được quan tâm sâu rộng. Hình ảnh trái đất được vệ tinh chụp lại, xử lý phục vụ
cho mục đích khoa học và đời sống. Trong đó phải kể đến các lĩnh vực an ninh quốc
phòng, cảnh báo cháy rừng, động đất, sóng thần, cứu hộ cứu nạn, tìm kiếm hằng hải,
quản lý không phận,… Để thực hiện được các nhiệm vụ đó thì công việc xử lý ảnh vệ
tinh được đặt lên hàng đầu và là vấn đề then chốt giúp giải quyết các bài toán liên
quan.
Hiện nay, trên thế giới có rất nhiều loại vệ tinh, mỗi loại vệ tinh lại có cảm biến
khác nhau vì thế khi chụp sẽ cho ra các ảnh vệ tinh khác nhau về số lượng kênh ảnh,
dải phổ, độ phân giải, kích thước ảnh. Chẳng hạn ảnh SPOT, LandSat, Aster,
QuickBird, MODIS,...
Tính cấp thiết của đề tài:
Hiện nay, trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu trích xuất thông tin nước trên
nhiều loại ảnh vệ tinh và đã được thực hiện cách đây khoảng 20 năm. Các loại ảnh vệ
tinh chủ yếu được nghiên cứu trích xuất thông tin nước gồm SPOT, LandSat, MODIS,
IKONOS,... Các phương pháp trích xuất hay còn gọi là phương pháp giải đoán hình
ảnh gồm hai loại: trích xuất bằng mắt và trích xuất bằng số. Phương pháp trích xuất
bằng mắt là sử dụng mắt của mình cùng với các dụng cụ quang học như kính lúp, máy
lập thể, máy tổng hợp màu để xác định đối tượng. Phương pháp trích xuất bằng số
được phân làm hai loại: loại sử dụng công cụ phần mềm chuyên dụng và loại tự lập

5. Cao Kai (2006), The Study of Automatically Extracting Water Information in City
Zone Based On SPOT5 Image, 0-7803-9510-7/06/$20.00 © 2006 IEEE.
6. Dongchuan Wang (2009), The Extraction of Water Information Based on SPOT5
Image Using Object-oriented Method, Tianjin Institute of Urban Construction, Tianjin,
China, 300384.
7. Gonzalez Woods & Eddins-2, Digital Image Processing using Matlab, pp. 12-14.
8. Erik Westra (2010), Python Geospatial Development.
9. FREDrik Lundh & Matthew Ellis (2012), Python Imaging Library Overview.
10. Jan Erik Solem (2012), Programming Computer Vision with Python.
11. Matthew Ellis, Python Imaging Library Overview, FREDrik Lundh.
12. Nguyen Dinh Duong (2012), Water body extraction from multispectral image by
spectral pattern analysis, International Archives of the Photogrammetry, Remote
Sensing and Spatial Information Sciences, Volume XXXIX-B8.
13. Rajiv Kumar Nath & S K Deb, Water-Body Area Extraction from High Resolution
SatelliteImages-An Introduction, Review, and Comparison, International Journal of
Image Processing (IJIP), Volume (3): Issue (6).
14. Rodrigo Bruno ZANIN, Erico Fernando de Oliveira MARTINS, Aluir Porfírio
DAL POZ(2013), Automatic extraction of river in satellite images using geometric
active contours.
15. Technical information (2003), Spot satellite technique data, Image spot Cnes 2003
– Distribution Spot Image.
16. Technical information (2013), VNREDSAT-1 DIMAP product data-sheet.


64

Website
17.
/>18. />19. www.numpy.org
20. www.gdal.org