ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - LẠI ANH KHÔI Ứng dụng, nghiên cứu phát triển phương pháp xử lý ảnh số, theo dõi biến động tài nguyên thiên nhiên mặt đất vùng trung - hạ lưu sông Đà Luận án TS Địa lý Mã số: 62.85.15.01 Hà Nội – 2007 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ CỦA LUẬN ÁN ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 10 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 11 CƠ SỞ TÀI LIỆU, TRANG THIẾT BỊ VÀ PHẦN MỀM 11 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 13 LUẬN ĐIỂM BẢO VỆ 14 ĐÓNG GÓP MỚI 14 BỐ CỤC CỦA LUẬN ÁN 15 CHƢƠNG 16 VIỄN THÁM VÀ XỬ LÝ ẢNH SỐ TRONG VIỄN THÁM 16 1.1 VIỄN THÁM 16 1.2 XỬ LÝ ẢNH SỐ TRONG VIỄN THÁM 20 1.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG VIỄN THÁM VÀ XỬ LÝ ẢNH SỐ TRONG VIỄN THÁM Ở VIỆT NAM 22 1.4 KẾT LUẬN CHƢƠNG 28 CHƢƠNG 29 ĐÁNH GIÁ VỀ CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN LOẠI ẢNH SỐ 29 2.1 BÀI TOÁN PHÂN LOẠI 29 2.2 CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN LOẠI CÓ GIÁM SÁT 32 2.2.1 PHƢƠNG PHÁP PHÂN LOẠI HỢP LÝ TỐI ĐA (MAXIMUM LIKELIHOOD) 33 2.2.2 PHƢƠNG PHÁP KHOẢNG CÁCH TỐI THIỂU (MINIMUM DISTANCE) 40 2.2.3 PHƢƠNG PHÁP PHÂN LOẠI MAHALANOBIS 44 2.2.4 PHƢƠNG PHÁP PHÂN LOẠI HÌNH HỘP 46 2.2.5 PHƢƠNG PHÁP PHÂN LOẠI SỬ DỤNG MẠNG NƠ RON 47 2.2.6 PHÂN LOẠI THEO BỐI CẢNH (CONTEXTUAL CLASSIFICATION) 52 2.3 CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN LOẠI KHÔNG GIÁM SÁT 54 2.3.1 THUẬT TỐN K GIÁ TRỊ TRUNG BÌNH 54 2.3.2 THUẬT TOÁN ISODATA (INTERACTIVE SELFORGANIZING DATA ANALYSIS) 55 2.4 KẾT LUẬN CHƢƠNG 57 CHƢƠNG 59 NÂNG CAO ĐỘ TIN CẬY CỦA KẾT QUẢ PHÂN TÍCH ẢNH 59 3.1 NHỮNG NGUYÊN TẮC CƠ BẢN 60 3.1.1 HỆ THỐNG PHÂN LOẠI PHẢI PHÙ HỢP 60 3.1.2 SỐ LIỆU MẪU PHẢI THỰC SỰ ĐẠI DIỆN CHO MỖI LỚP 61 3.1.3 TẬN DỤNG CHIỀU CỦA KHÔNG GIAN PHỔ 63 3.1.4 TÍCH HỢP CÁC THƠNG TIN BỔ TRỢ TRONG QUÁ TRÌNH PHÂN LOẠI 65 3.1.5 SỬ DỤNG CÁC GIÁ TRỊ NGƢỠNG ĐỂ KIỂM SỐT Q TRÌNH PHÂN LOẠI 66 3.2 GIẢI PHÁP VÀ QUY TRÌNH THỰC HIỆN 66 3.2.1 ƢỚC LƢỢNG SỐ LỚP PHỔ TRÊN ẢNH 68 3.2.2 PHÂN LOẠI ẢNH BẰNG PHƢƠNG PHÁP KHƠNG GIÁM SÁT 69 3.2.3 TÍNH TỐN ĐẶC TRƢNG THỐNG KÊ CỦA CÁC LỚP PHỔ 70 3.2.4 LỰA CHỌN HỆ THỐNG PHÂN LOẠI DÙNG TRONG PHÂN LOẠI CÓ GIÁM SÁT 70 3.2.5 LỰA CHỌN BỔ SUNG CÁC VÙNG MẪU 72 3.2.6 PHÂN LOẠI ẢNH CÓ GIÁM SÁT 73 3.2.7 NHÓM GỘP, ĐẶT TÊN CHO CÁC LỚP 74 3.2.8 XỬ LÝ SAU PHÂN LOẠI, CHỈNH SỬA ẢNH KẾT QUẢ 74 3.2.9 TĨM LƢỢC QUY TRÌNH PHÂN TÍCH ẢNH 75 3.3 THỰC NGHIỆM KIỂM CHỨNG 78 3.4 CẢI THIỆN, HIỆU CHỈNH KẾT QUẢ PHÂN LOẠI 83 3.4.1 LỌC ẢNH PHÂN LOẠI 83 3.4.1.1 PHÂN LOẠI CÁC PHÉP LỌC 83 3.4.1.2 LỰA CHỌN LỌC CHO ẢNH PHÂN LOẠI 85 3.4.2 BIÊN TẬP, CHỈNH SỬA ẢNH PHÂN LOẠI 95 3.5 KẾT LUẬN CHƢƠNG 97 CHƢƠNG 98 ỨNG DỤNG KỸ THUẬT XỬ LÝ ẢNH SỐ TRONG NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG TÀI NGUYÊN VÙNG TRUNG-HẠ LƢU SÔNG ĐÀ 98 4.1 KHU VỰC NGHIÊN CỨU 98 4.1.1 ĐẶC ĐIỂM ĐỊA CHẤT, ĐỊA MẠO 99 4.1.2 KHÍ HẬU 102 4.1.3 THUỶ VĂN 103 4.1.4 THỔ NHƢỠNG - SINH VẬT 105 4.2 TƢ LIỆU SỬ DỤNG 107 4.3 PHƢƠNG PHÁP VÀ QUY TRÌNH THỰC HIỆN 110 4.4 BẢN ĐỒ HIỆN TRẠNG LỚP PHỦ CÁC NĂM 1993 VÀ 2000 123 4.5 BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ KHU VỰC NGHIÊN CỨU GIAI ĐOẠN 1993 - 2000 134 4.6 KẾT LUẬN CHƢƠNG 141 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 142 CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 144 LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 144 TÀI LIỆU THAM KHẢO 145 PHỤ LỤC 157 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1: Ma trận nhầm lẫn kết phân loại theo lớp thông tin 75 Bảng 3.2: Ma trận nhầm lẫn kết phân loại sử dụng số liệu mẫu không đủ đặc trưng 77 Bảng 3.3: Ma trận nhầm lẫn kết phân loại cắt giảm số kênh 79 Bảng 4.1: Thông số kỹ thuật vệ tinh Landsat 103 Bảng 4.2: Thông số kỹ thuật thu vệ tinh Landsat 104 Bảng 4.3: Diện tích loại đất khu vực năm 1993, 2000 .127 Bảng 4.4: Cơ cấu sử dụng đất năm 1993,2000 128 Bảng 4.5: Biến động qua lại loại hình lớp phủ khu vực giai đoạn 1993-2000 129 Bảng 4.6: Biến động qua lại loại hình sử dụng đất khu vực giai đoạn 19932000 130 Bảng 4.7: Bảng phân bố loại hình lớp phủ theo độ dốc .133 Bảng 4.8: Bảng phân bố loại hình sử dụng đất theo độ dốc 133 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ TH Hình 1: Vị trí khu vực nghiên cứu 10 Hình 2.1: Không gian phổ chiều biểu diễn riêng kênh ảnh Landsat MSS 31 Hình 2.2: Sự phân hoá lớp thông tin thành lớp phổ 32 Hình 2.3: Ng-ỡng phân loại tr-ờng hợp ph-ơng pháp hợp lý tối đa 38 Hình 2.4: Sự khác biệt khoảng cách Ơ-clit khoảng cách theo cạnh khèi 41 Hình 2.5: Đ-ờng phản xạ phổ điểm ảnh t-ơng ứng với hình 42 Hình 2.6: Minh hoạ ph-ơng pháp hình hộp 46 Hình 2.7: Phân bố lớp ảnh gốc (a) ảnh thành phần (b) 47 Hình 2.8: Sơ đồ mạng nơ ron lan truyền ng-ợc 48 Hình 2.9: Đồ thị hàm chữ S 49 Hình 3.2: ảnh h-ởng vùng mẫu lên kết phân loại: 63 Hình 3.3: Quy trình phân tích ảnh kết hợp ph-ơng pháp phân loại ảnh số giải đoán mắt 69 Hình 3.4: Đồ thị dao động giá trị độ xám lớp phổ kênh 71 Hình 3.5: ảnh gốc (a) ảnh đ-ợc phủ lớp phổ biểu diễn mặt n-ớc (b) 71 Hình 3.6: ảnh tổ hợp màu khu vực thử nghiƯm (R:4, G:2, B:1) 79 H×nh 3.7: Kết phân loại vận dụng quy trình mô tả mục 3.2 80 Hình 3.8: Kết phân loại dựa lớp thông tin 81 Hình 3.9: Kết phân loại với vùng mẫu không đủ đại diện 82 Hình 3.10: Kết phân loại, sử dụng kênh đầu ảnh 83 Hình 3.12: Hiệu hai lọc hình thái 89 Hình 3.13: Hoạt động cđa läc gi·n më víi phÇn tư cÊu tróc khác 91 Hình 3.14: Tác động lọc sieve (a) lọc đa số (b) 95 Hình 4.1: Bản đồ hành khu vùc nghiªn cøu 100 Hình 4.2: Bản đồ độ cao khu vực nghiên cứu 101 H×nh 4.3 : Mạng l-ới thuỷ văn khu vực nghiên cứu 104 H×nh 4.4: Quy tr×nh đánh giá biến động lớp phủ khu vực nghiên cứu 113 Hình 4.5: Ph-ơng pháp nội suy tuyến tÝnh chiỊu (a) vµ bËc (b) 117 Hình 4.6: Nguyên lý cân biểu đồ phân bố độ xám ảnh 120 Hình 4.7: Các ảnh mặt nạ (a) kết phân loại ảnh năm 1993 ph-ơng pháp ISODATA đ-ợc gán màu theo lớp thông tin (b) 125 Hình 4.8: Kết phân loại ảnh năm 1993 ph-ơng pháp ISODATA 126 Hình 4.9: Kết phân loại ảnh năm 2000 ph-ơng pháp ISODATA 127 Hình 4.10: Bản đồ trạng lớp phủ khu vực nghiên cứu năm 1993 131 Hình 4.11: Bản đồ trạng lớp phủ khu vực nghiên cứu năm 2000 132 Hình 4.12: Diện tích loại lớp phủ khu vực năm 1993, 2000 133 Hình 4.13: Cơ cấu sử dụng đất khu vực năm 1993(a), 2000(b) 134 Hình A1: ảnh 3D khu vực nghiên cứu năm 1993 159 Hình A2: Bản đồ độ dốc khu vực nghiên cứu 160 Hình A3: Bản đồ phân loại sử dụng đất khu vực nghiên cứu năm 1993 161 Hình A4: Bản đồ phân loại sử dụng đất khu vực nghiên cứu năm 2000 162 Hình A5: Bản đồ phân bố đất nông nghiệp KVNC năm 1993 163 Hình A6: Bản đồ phân bố đất nông nghiệp KVNC năm 2000 164 Hình A7: Bản đồ phân bố đất có rừng KVNC năm 1993 165 Hình A8: Bản đồ phân bố đất có rừng KVNC năm 2000 166 Hình A9: Bản đồ phân bố đất thổ c- KVNC năm 1993 167 Hình A10: Bản đồ phân bố đất thổ c- KVNC năm 2000 168 Hình A11: Bản đồ phân bố đất ch-a sử dụng KVNC năm 1993 169 Hình A12: Bản đồ phân bố đất ch-a sử dụng KVNC năm 2000 170 Hình A13: Bản đồ phân bố mặt n-ớc KVNC năm 1993 171 Hình A14: Bản đồ phân bố mặt n-ớc KVNC năm 2000 172 Hình A15: Bản đồ phân bố khu vực đất nông nghiệp bị giai đoạn 1993-2000 173 Hình A16: Bản đồ phân bố khu vực đất nông nghiệp gia tăng giai đoạn 1993-2000 174 Hình A17: Bản đồ phân bố khu vực rừng giai đoạn 1993-2000 175 Hình A18: Bản đồ phân bố khu vực rừng gia tăng giai đoạn 1993-2000 176 Hình A19: Bản đồ phân bố khu vực đất thổ c- bị gđ 1993-2000 177 Hình A20: Bản đồ phân bố khu vực đất thổ c- gia tăng gđ 1993-2000 178 Hình A21: Bản đồ phân bố khu vực chuyển đổi từ đất ch-a sử dụng giai đoạn 1993-2000 179 H×nh A22: Bản đồ phân bố khu vực đất ch-a sử dụng gia tăng giai đoạn 1993-2000 180 Hình A23: Bản đồ phân bố khu vực mặt n-ớc bị gđ 1993-2000 181 Hình A24: Bản đồ phân bố khu vực mặt n-ớc gia tăng gđ 1993-2000 182 Hình A25: Bản đồ phân bố đất ch-a sử dụng KVNC năm 2000 theo độ dèc 183 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Trong lĩnh vực viễn thám, kỹ thuật xử lý ảnh số xâm nhập vào Việt Nam từ sớm Hệ xử lý ảnh số có mặt Việt Nam năm 1983 Đó hệ thống dựa máy tính mini hãng Robotron (CHDC Đức) Viện Khoa học Việt Nam (nay Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam) đặt mua khuôn khổ dự án “Ứng dụng viễn thám điều tra tài nguyên thiên nhiên” Chƣơng trình Phát triển Liên hợp quốc (UNDP) tài trợ Tiếp đến năm 1989 xuất chƣơng trình xử lý ảnh Việt Nam mang tên MDASER (Multispectral Data Analysis System for Earth Resource) nghiên cứu sinh chủ trì xây dựng nhóm Viễn thám thuộc Phịng Điện tử - Viện Vật lý khuôn khổ đề tài “Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật viễn thám điều tra tài nguyên thiên nhiên” thuộc chƣơng trình cấp nhà nƣớc “Trắc địa - Bản đồ - Viễn thám” Đây chƣơng trình đƣợc xây dựng cho máy PC với cấu hình lúc cịn thấp Đến năm gần đây, mà với tốc độ phát triển nhanh chóng cơng nghệ điện tử tin học, giá thành máy tính, thiết bị ngoại vi nhƣ phần mềm giảm xuống đáng kể hầu hết sở viễn thám bộ, ngành nƣớc đƣợc trang bị hệ thống xử lý ảnh số Tuy nhiên, trái với mong đợi, Việt Nam kỹ thuật xử lý ảnh số chƣa thực phát huy đƣợc hiệu dẫn tới lãng phí lớn thiết bị, vốn đầu tƣ Có nhiều lý để giải thích thực trạng này, phải kể tới hai nguyên nhân sau: - Cơng tác đào tạo nhân lực chƣa đƣợc trọng mức dẫn tới thiếu chuyên gia chuyên sâu có đầy đủ hiểu biết kỹ thuật xử lý ảnh số, tiềm nhƣ hạn chế nên chƣa làm chủ đƣợc phƣơng tiện kỹ thuật - Mặc dù có số nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật xử lý ảnh số để giải số nhiệm vụ khoa học thực tiễn định, nhiên cịn thiếu nghiên cứu mang tính học thuật kỹ thuật Đề tài đƣợc nghiên cứu sinh lựa chọn bối cảnh nhƣ nhằm giải phần bất cập kể Khu vực thử nghiệm cho nghiên cứu đƣợc chọn vùng Trung-Hạ lƣu sông Đà Đây địa bàn quan trọng kinh tế, xã hội quốc phòng đất nƣớc Trong hai thập kỷ qua thời gian tới, việc xây dựng cơng trình lớn nhƣ thuỷ điện Hồ Bình, thuỷ điện Sơn La, tƣơng lai với việc cấu lại tổ chức kinh tế-xã hội Tây Bắc làm cho khu vực nghiên cứu có nhiều biến động lớn quy mô rộng Bởi việc ứng dụng phƣơng pháp đại, ƣu việt để giám sát biến động yếu tố tự nhiên mặt đất phục vụ cho tổ chức không gian lãnh thổ khu vực cấp thiết Mục tiêu nhiệm vụ luận án Mục tiêu luận án đề xuất giải pháp nâng cao độ tin cậy phƣơng pháp phân loại ảnh số vận dụng để nghiên cứu theo dõi biến động tài nguyên mặt đất vùng Trung - Hạ lƣu sông Đà Để đạt đƣợc mục tiêu kể trên, luận án giải nhiệm vụ cụ thể sau: 1) Nghiên cứu chất, đặc điểm, phân tích điểm mạnh, yếu phƣơng pháp phân loại ảnh số viễn thám; 2) Đề xuất giải pháp nâng cao độ tin cậy kết phân loại ảnh số kỹ thuật sau phân loại (post classification) nhằm cải thiện chất lƣợng ảnh phân loại; 3) Ứng dụng để xây dựng đồ trạng làm xác định biến động tài nguyên thiên nhiên mặt đất vùng Trung - Hạ lƣu sông Đà hai thời kỳ đầu thập kỷ 90 nhà máy thuỷ điện Hồ Bình bƣớc vào hoạt động trình thi công xây dựng nhà máy thuỷ điện Sơn La Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Đối tƣợng nghiên cứu luận án phƣơng pháp phân loại ảnh viễn thám, giải pháp nâng cao độ tin cậy kết phân loại, kỹ thuật sau phân loại (post-classification) Khu vực nghiên cứu ứng dụng vùng lƣu vực sông Đà đoạn từ sau đập thuỷ điện Sơn La đến cuối lƣu vực (xem hình 1) Nội dung nghiên cứu giới hạn việc nghiên cứu trạng biến động lớp phủ bề mặt với đối tƣợng đƣợc xác định tài nguyên rừng, nƣớc mặt thực trạng khai thác sử dụng tài ngun đất Hình 1: Vị trí khu vực nghiên cứu 10 ... 4: Ứng dụng kỹ thuật xử lý ảnh số nghiên cứu biến động tài nguyên vùng Trung- Hạ lưu sơng Đà - Trình bày kết vận dụng 15 nguyên tắc giải pháp đề xuất xây dựng đồ trạng nghiên cứu biến động tài nguyên. .. tiêu luận án đề xuất giải pháp nâng cao độ tin cậy phƣơng pháp phân loại ảnh số vận dụng để nghiên cứu theo dõi biến động tài nguyên mặt đất vùng Trung - Hạ lƣu sông Đà Để đạt đƣợc mục tiêu kể... SỬA ẢNH PHÂN LOẠI 95 3.5 KẾT LUẬN CHƢƠNG 97 CHƢƠNG 98 ỨNG DỤNG KỸ THUẬT XỬ LÝ ẢNH SỐ TRONG NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG TÀI NGUYÊN VÙNG TRUNG- HẠ LƢU SÔNG ĐÀ 98 4.1 KHU VỰC NGHIÊN