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 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2013 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 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. Phạm Văn Cự Hà Nội – Năm 2013 1 MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU……………………………………………………………………………5 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ GHÉP TẠO ẢNH VỆ TINH KHÔNG MÂY………………………………………………………….8 1.1 Phương pháp ghép tạo ảnh ALOS AVNIR-2 ở Nhật Bản…………………… 10 1.2 Phương pháp tạo ảnh không mây ở Ấn Độ…………………………………….13 1.3 Phương pháp tạo ảnh không mây ở Singapore……………………………… 14 1.4 Phương pháp tự động loại trừ mây trên ảnh SPOT đa thời gian của Đại học Tổng hợp Đài Loan…………………………………………… 19 1.5 Phương pháp loại trừ mây mù trên ảnh Landsat TM………………………… 20 1.6 Sản phẩm mask mây trong hệ thống xử lý trực ảnh SPOT của Pháp………….22 1.7 Lựa chọn ảnh mây để xử lý và ghép tạo ảnh SPOT không mây……………….23 1.8 Một số nhận xét……………………………………………………………… 25 CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ ẢNH VỆ TINH SPOT ĐA THỜI GIAN………………………………………………… 27 2.1 Xử lý hình học ảnh vệ tinh SPOT đa thời gian ……………………………… 28 2.1.1 Độ chính xác hình học của các ảnh có mây phủ………………………… 31 2.1.2 Lựa chọn phương pháp mô hình hóa hình học của ảnh……………………. 33 2.2 Hiệu chỉnh phổ ảnh đa thời gian……………………………………………….34 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 TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………………… 80 3 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Mây dày trên ảnh SPOT………………………………………………….9 Hình 1.2: Sơ đồ các bước xử lý ghép tạo ảnh ALOS - AVNIR không mây……… 12 Hình 1.3: Sơ đồ các bước xử lý ghép tạo ảnh SPOT không mây ở Singapore…… 14 Hình 1.4: Đám mây dày đặc trên ảnh………………………………………… .24 Hình 1.5: Ảnh chụp cùng khu vực có độ mây phủ 10-25% 25 Hình 2.1: Khối ảnh SPOT5 chụp ở thời điểm 2008 – 2009……………………… 29 Hình 2.2: Khối ảnh SPOT5 chụp ở thời điểm 2005 – 2006…………………… 30 Hình 2.3: Phân bố điểm khống chế trên cảnh ảnh…………………………………31 Hình 2.4: Độ chính xác của mô hình khối ảnh SPOT 5 khu vực Điện Biên… 32 Hình 2.5: Tập ảnh SPOT 4 đa thời gian khu vực Khánh Hòa………………… 34 Hình 2.6: Các ảnh sau khi được hiệu chỉnh hình học mức 2A………………… 34 Hình 2.7: Góc cao và góc thiên đỉnh mặt trời………………………………… 36 Hình 2.8: Góc cao và góc thiên đỉnh mặt trời………………………………… 36 Hình 2.9: Đo giá trị bức xạ của khí quyển dựa trên histogram của kênh ảnh…… 40 Hình 3.1: Sơ đồ tổng quát quy trình xử lý ghép ảnh SPOT không mây……… 41 Hình 3.2: Các bước hiệu chỉnh phổ……………………………………………….42 Hình 3.3: Ví dụ về hiện tượng điểm ảnh hỗn hợp…………………………………47 Hình 3.4: Phép giãn nở của A theo mẫu B…………………………………… 49 Hình 3.5: Phép co của A theo B……………………………………… … 49 Hình 3.6: Khu vực mây dày trên núi………………………………………… 50 Hình 3.7: Chọn ảnh cơ sở………………………………………… ………… 51 Hình 3.8: Ảnh dùng để bù mây………………………………………… ……….51 Hình 3.9: Ảnh mây và giá trị LSU của mây…………………………………… 52 4 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. Trạm thu có nhiệm vụ thu nhận, xử lý và phân phối ảnh vệ tinh SPOT và ENVISAT cho các cơ quan sử dụng ảnh viễn thám ở Việt Nam. Tới thời điểm hiện nay, trạm thu ảnh đã thu nhận, xử lý và cung cấp ảnh SPOT phủ trùm lãnh thổ Việt Nam và phục vụ các chương trình điều tra cơ bản lớn của Nhà nước như:  Tổng kiểm kê đất đai toàn quốc; Hiện chỉnh bản đồ địa hình (Bộ Tài nguyên và Môi trường).  Điều tra hiện trạng rừng toàn quốc (Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn)  Phục vụ an ninh, quốc phòng (Bộ Quốc phòng). Các ảnh SPOT cung cấp cho các dự án lớn đòi hỏi có độ chính xác về hình học và chất lượng hình ảnh tốt, rõ nét, dễ dàng cho công tác giải đoán ảnh trong phòng và trên thực địa. Vì vậy, công tác xử lý ảnh đòi hỏi cao về độ chính xác hình học và chất lượng hình ảnh. Mặt khác, các vùng bị mây trên ảnh cần phải có các ảnh ở thời điểm khác thay thế. Với vùng nhiệt đới, việc chụp ảnh vệ tinh quang học gặp rất nhiều trở ngại vì ảnh bị mây phủ. Khi chưa có trạm thu ảnh, chúng ta đặt mua ảnh vệ tinh (Landsat, SPOT) với điều kiện là ảnh có mây phủ <10% và thường ký kết đặt ảnh trước vài năm, thông thường phải mất khoảng 3 năm mới thu được một bộ ảnh. Với khoảng thời gian như vậy thì không đáp ứng được yêu cầu của các dự án. Mặt khác, vì ảnh quang học phân giải cao có giá thành đắt, nên khi mua ảnh chỉ đảm bảo phủ trùm khu vực nhỏ ở một thời điểm. Vì vậy vấn đề ghép và tạo ảnh không mây chưa đặt ra yêu cầu nghiên cứu. Hiện tại, trạm thu ảnh viễn thám của Việt Nam thu nhận liên tục, hàng ngày các ảnh SPOT, tuy nhiên do điều kiện thời tiết ở khu vực nhiệt đới nên lượng 6 ảnh có mây phủ rất cao. Khoảng 10% số ảnh thu nhận tại trạm thu (với độ mây phủ <25%) là sử dụng được, số còn lại có độ mây phủ từ 25% tới trên 75%. Tuy nhiên, trong số ảnh này, những phần không bị mây phủ đều có thể sử dụng được. Nếu xử lý và ghép được các phần của ảnh không bị mây thì ta sẽ được một ảnh không có mây, đáp ứng kịp thời nhu cầu cung cấp ảnh cho các dự án. 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.  Chương 2: Phương pháp xử lý ảnh vệ tinh SPOT đa thời gian. Các bước xử lý ảnh vệ tinh đa thời gian, bao gồm xử lý hình học ảnh và xử lý hiệu chỉnh giá trị số của ảnh.  Chương 3: Các bước xử lý ghép tạo ảnh vệ tinh SPOT không mây. Các bước thực hiện xử lý ghép tạo ảnh không mây  Chương 4: Thực nghiệm xử lý ghép tạo ảnh vệ tinh SPOT không mây. Một số thực nghiệm xử lý ghép tạo ảnh không mây. 8 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ GHÉP TẠO ẢNH VỆ TINH KHÔNG MÂY Nhận dạng và giải đoán mây trên ảnh vệ tinh thời tiết đối với các nhà nghiên cứu khí tượng là rất quan trọng, giúp cho dự đoán về lượng mưa có thể xẩy ra, sự hình thành của các vòng xoáy và phát triển thành bão, hoặc theo dõi đường đi của bão. Tuy nhiên, đối với ảnh vệ tinh quang học phục vụ giám sát tài nguyên thiên nhiên, đặc biệt là các loại ảnh vệ tinh phân giải cao và siêu cao thì mây là một cản trở lớn. Các ảnh chụp nếu bị mây che phủ thì ta không thể quan sát được các đối tượng trên bề mặt đất, trong trường hợp này thì mây là yếu tố cần phải loại bỏ. Các loại mây phân bố ở độ cao khác nhau, chiều dày của các lớp mây có thể lên tới hàng chục km, vì vậy khi có nhiều lớp mây sẽ phản chiếu ánh sáng mặt trời 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. [...]... quan Nghiên cứu không gian Pháp phát triển và không được công bố 1.7 Lựa chọn ảnh mây để xử lý và ghép tạo ảnh SPOT không mây Trong tập ảnh đa thời gian có mây phủ, việc lựa chọn cảnh ảnh trước khi đưa vào xử lý ghép tạo ảnh SPOT không mây cũng là một yếu tố quan trọng Trước tiên, nó loại trừ những cảnh ảnh không có giá trị sử dụng để ghép tạo ảnh không mây, giảm mức độ khó khăn và khối lượng công việc... vùng có mây phủ trên ảnh, + Loại bỏ vùng có mây, Ghép tạo ảnh không mây Sau đây là một số nghiên cứu ứng dụng xử lý ghép tạo ảnh vệ tinh quang học không mây trên thế giới 1.1 Phương pháp ghép tạo ảnh ALOS AVNIR-2 không mây ở Nhật Bản Phương pháp này được Trường Đại học Chiba Nhật bản nghiên cứu, sử dụng kết hợp ảnh quang học Avnir-2 và ảnh radar Palsar để tạo ảnh quang học không mây [1] Phương pháp sử... 1.4 Phương pháp tự động loại trừ mây trên ảnh SPOT đa thời gian của Đại học 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. .. Nội suy điểm ảnh Ảnh không mây Hình 1.2: Sơ đồ các bước xử lý ghép tạo ảnh ALOS - AVNIR không mây Một phương pháp khác ở Nhật Bản là của Trường Đại học TOHOKU, phương pháp xử lý tạo ảnh không mây dựa trên thuật toán phát hiện mây Đây là phương pháp kết hợp giữa ngưỡng phát hiện mây và phương pháp phân lớp ảnh Phương pháp được áp dụng cho ảnh NOAA-AVHRR Ngưỡng phát hiện mây Th cho các kênh ảnh nhìn thấy... ảnh vệ tinh quang học không mây, hay nói cách khác là từ những tập hợp ảnh chụp trên cùng một khu vực, chúng ta sẽ xử lý loại bỏ những phần ảnh có mây phủ và ghép lại để tạo thành ảnh không có mây phủ ở khu vực đó Mặc dù một số phương pháp xử lý ghép tạo ảnh không mây trên thế giới có các xử lý khác nhau, nhưng tựu chung lại để tạo ảnh không mây, cần phải tiến hành xử lý thông qua một số bước cơ bản, ... phần mây) và đưa vào ghép với các cảnh ảnh khác để tạo ảnh không mây Nếu cắt bỏ vùng mây này trước khi xử lý ghép ảnh cũng làm giảm bớt khối lượng công việc trong xử lý ghép ảnh không Hình 1.5: Đám mây dày đặc trên ảnh (trái), Hình ảnh phóng to (phải) mây Trong đánh giá sơ bộ mây phủ của cảnh ảnh SPOT, các mức mây phủ được chia theo tỷ lệ phần trăm điểm ảnh mây trên tổng số điểm ảnh của cảnh ảnh, tỷ... cùng không còn các vết đường ghép Cảnh ảnh “trong nhất” được chọn là ảnh chuẩn và các cảnh ảnh còn lại được chuẩn hóa theo ảnh chuẩn và được đưa vào để ghép ảnh cuối cùng 26 CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ ẢNH SPOT ĐA THỜI GIAN Ảnh viễn thám đa thời gian là một tập hợp các ảnh chụp cùng một khu vực, ở các thời điểm khác nhau Giả sử như các ảnh của cùng một khu vực, được chụp ở các thời điểm T0, T1, T2, Tn,... chọn: + Ảnh SPOT xử lý hình học ở mức 2A: Các ảnh đa thời gian có độ chính xác hình học không cao Vì vậy, các ảnh SPOT không mây tạo được trên tập ảnh SPOT đa thời gian xử lý mức 2A có thể sử dụng được cho các mục đích nghiên cứu mà không đòi hỏi yêu cầu chính xác hình học cao + Đối với ảnh SPOT xử lý hình học ở mức 2B, có thể được sử dụng cho những cảnh ảnh chụp ở vùng đồng bằng, vì ít bị ảnh hưởng... vùng ảnh có mây và không mây xen kẽ nhau Với các ảnh này, các vùng ảnh không bị mây phủ có thể tham gia ghép tạo ảnh không mây 23 Nếu mây dày đặc, phủ một vùng lớn trên ảnh, vùng còn lại có thể là không bị mây che phủ hoặc có một vài đám mây nhỏ, nằm rải rác Đối với các ảnh này, phần không bị mây che phủ được sử dụng để bù vào phần cảnh ảnh khác Việc loại trừ mây đôi khi chỉ sử dụng phương pháp cắt ảnh. .. hợp ảnh không mây, các nghiên cứu đều thực hiện theo các bước chính như sau: + Xử lý các ảnh đa thời gian, + Xác định mây, bóng mây, + Ghép, tạo ảnh không mây Có nhiều phương pháp khác nhau để xác định đối tượng mây từ ảnh vệ tinh như dựa vào sự khác biệt đặc trưng phản xạ phổ của mây và các đối tượng khác tại 25 các kênh ảnh khác nhau Thông thường, tại các kênh hồng ngoại nhiệt, do nhiệt độ của mây . 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. 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. không mây. Nghiên cứu tổng quan một số phương pháp xử lý tạo ảnh vệ tinh không mây trên thế giới.  Chương 2: Phương pháp xử lý ảnh vệ tinh SPOT đa thời gian. Các bước xử lý ảnh vệ tinh đa