Tài liệu Nghiên cứu phương pháp xử lý ghép ảnh spot đa thời gian để tạo ảnh không mây

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 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 1 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 2 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 3 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 4 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 5 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 6 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. 7 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. 8 + Mây tích và mây tầng tích: lớp mây có độ phản xạ cao nhất là mây tích, lớp mây tầng tích phía bên dưới thường rộng hơn, khi mật độ lớp mây tầng tích dày đặc thì hầu như giá trị phản xạ của 2 lớp là như nhau. Giá trị số trên ảnh của cả vùng mây là rất cao. + Mây tích và mây ti, mây tầng tích và mây tầng: các kết hợp này có sự chuyển tiếp dần từ dạng mây này sang dạng mây khác. Trên ảnh SPOT khó phân biệt được chúng vì giá trị phản xạ rất cao của các lớp mây có mật độ dầy. (a) (b) Hình 1.1: Mây dày trên ảnh SPOT Mây mỏng Thể hiện trên ảnh SPOT là những dải màu trắng, mật độ không cao hoặc lớp “sương mù”, ánh sáng mặt trời chiếu xuyên xuyên qua lớp mây mỏng tới bề mặt đệm, trên ảnh ta thu được phản xạ của cả mây mỏng và các đối tượng trên bề mặt đệm. Mặc dù trên ảnh ta vẫn nhận dạng được đối tượng trên bề mặt nhưng do ảnh hưởng của cả lớp mây mỏng nên hình ảnh đối tượng bị mờ hơn. Mặt khác, mây mỏng không đổ bóng xuống bề mặt đệm trong mọi điều kiện góc cao mặt trời và góc chụp, vì thế mặc dù có mây mỏng bao phủ trên ảnh nhưng ta vẫn có thể giải đoán tốt các đối tượng trên bề mặt. Xử lý loại bỏ mây mỏng hay lớp “sương mù” làm tăng cường chất lượng ảnh trong trường hợp cần thiết. 9 Một trong những ứng dụng cơ bản của ảnh vệ tinh là điều tra, giám sát sự biến động lớp phủ mặt đất và sử dụng đất. Cho tới nay, ảnh vệ tinh quang học vẫn là nguồn tư liệu chủ yếu phục vụ cho mục đích này. Tuy nhiên, ảnh vệ tinh quang học có hạn chế là bị mây che phủ, nhất là ở những nước nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới. Vì vậy các nước trên thế giới đã nghiên cứu vấn đề này từ trước đây. Loại bỏ mây là một bước cần thiết khi ứng dụng ảnh vệ tinh quang học trên khu vực rộng. Phương pháp ghép tạo 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, đó là: + Phát hiện 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 dụng dựa trên thuật toán: (1.1) 10 Thuật toán phát hiện vùng có mây trên ảnh Avnir-2 là sự kết hợp của hai chỉ số TRRI (Total Reflectance Radiance Index) và chỉ số CSI (Cloud - Soil Index). Các chỉ số được mô tả sau đây: Trong đó: Ii: là giá trị DN của kênh ảnh i, n: là số kênh ảnh đa phổ, Imax: là giá trị số cực đại của kênh ảnh i, : là hiệu số phổ của kênh ảnh, CSI= (Band1 – Band4)/ (Band1 + Band4) (1.2) Trong đó: Band1: là kênh ảnh blue, Band4: là kênh ảnh hồng ngoại. Sau khi vùng mây trên ảnh quang học được phát hiện, bước tiếp theo là xác định bóng của mây. Để xác định bóng của mây trên ảnh, cần biết thông tin về góc cao và góc tới của mặt trời, qua quan hệ của mây và bóng mây trên ảnh có sẵn để xác định khoảng cách giữa mây và bóng mây. Do vậy, vùng bóng mây của các vùng mây khác trên ảnh cũng xác định được. Để loại bỏ vùng mây và bóng mây, đồng thời thay thế bằng các giá trị điểm ảnh tương ứng trên ảnh Palsar, người ta lập một phần mềm để thực hiện nhiệm vụ này. Điều kiện để điểm ảnh Palsar có chỉ số DNj thay thế điểm ảnh Avnir-2 có chỉ số DNi dựa trên trị tuyệt đối (abs) hiệu số của chúng: abs (DNi - DNj) ≤ a (1.3) Trong đó, a là một ngưỡng xác định. Sơ đồ các bước thực hiện xử lý ghép tạo ảnh ALOS - AVNIR2 được thể hiện ở hình sau: Sử dụng phương pháp trên có thể tạo ảnh không mây cho các trường hợp sau: + Loại bỏ mây trên ảnh ASTER và thay thế các điểm ảnh Landsat tương ứng, 11 + Sử dụng kết hợp Landsat và SPOT để tạo ảnh không mây. Điều kiện để sử dụng phương pháp này khi ứng dụng cho các ảnh đa đầu chụp là sự khác biệt các đối tượng trên ảnh ở các thời điểm là không đáng kể. Ảnh AVNIR-2 Phát hiện mây Ảnh PALSAR Tạo ảnh mây Nắn chỉnh trực giao Tạo ảnh bóng mây Lọc nhiễu 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 được xác định như sau: Th = sin+ (1.4) Trong đó: : là hệ số hiệu chỉnh; : là góc cao mặt trời ; : là tham số khí quyển. Ngưỡng Th về thực chất là giá trị phản xạ của đối tượng thu được tại đầu thu. Ngưỡng được xác định riêng cho vùng đất liền, vùng biển. Sau khi xác định 12 ngưỡng, bước tiếp theo là phân lớp ảnh. Ở mỗi vùng sau khi phân thành lớp có chứa các điểm ảnh "mây" và "không mây" lại tiếp tục phân lớp sử dụng phương pháp "khoảng cách ngắn nhất" để phát hiện vùng mây. Các phương pháp giới thiệu trên đây cho thấy phương pháp tạo ảnh không mây trước hết phụ thuộc vào thuật toán phát hiện mây, sau đó là phương thức thực hiện để tách mây. 1.2 Phương pháp tạo ảnh không mây ở Ấn Độ Viện Công nghệ Gandhi và Trường Đại học Terna thuộc Bang Munbai ở Ấn Độ đã xây dựng phương pháp tạo ảnh IRS-P6 không mây [2]. IRS-P6 là vệ tinh nghiên cứu tài nguyên có tên gọi ResourceSat-1 do Ấn Độ chế tạo, được phóng lên quỹ đạo ngày 17/10/2003. Thuật toán phát hiện mây áp dụng là thuật toán ABT (Average Brightness Thresholding - Avg_Brightness). Thuật toán này thông qua hàm Cutoff để xác định ngưỡng dựa trên giá trị số gần đúng của các điểm ảnh. Hàm Cutoff được xác định như sau: Cutoff = Avg_Brightness +f(ln(Gmax)-ln(Avg_Brigtness)) (1.5) Trong đó: ln là logarit tự nhiên ; Gmax là giá trị số cực đại của điểm ảnh (Gmax=255) ; f là hệ số xác định thông qua thực nghiệm (f=22). Sau khi ngưỡng được xác lập, các bước tiến hành tạo ảnh không mây được thực hiện như sau: + Sử dụng ngưỡng để tách vùng mây và không mây, + Loại bỏ vùng có mây và thay thế các điểm ảnh khác không mây. Điều kiện các điểm ảnh không mây thay thế là không có sự khác biệt lớn về giá trị phổ của đối tượng ở các thời điểm. Việc lấy các vùng ảnh không mây để thay thế các vùng ảnh mây đòi hỏi phải thực hiện công việc chuẩn hóa phổ, vì các vùng ảnh thay thế thường chụp ở các thời điểm khác nhau nên điều kiện chiếu sáng khác nhau, góc chụp khác nhau ... Chuẩn hóa phổ giữa các ảnh đảm bảo không có sự khác biệt về phổ ở ảnh kết quả. Phương 13 pháp chuẩn hóa phổ có thể khác nhau dựa trên các thông số thống kê của ảnh. 1.3 Phương pháp tạo ảnh không mây ở Singapore Ảnh SPOT Tạo ảnh SPOT không mây do trường Đại học Tổng hợp Singapore đề xuất [3]. Đây là phương pháp sử dụng tập hợp ảnh có mây phủ, chụp ở các thời điểm gần nhau nhất để giảm sự khác biệt về chênh lệch phổ của các đối tượng trên ảnh hoặc không có sự thay đổi của đối tượng trên ảnh trong khu vực. Cũng giống như ở Nhật Bản và Ấn Độ, phương pháp này dựa trên phân ngưỡng giá trị độ xám của các điểm ảnh để nhận dạng các điểm ảnh mây và điểm ảnh không mây từ tập hợp các ảnh ở cùng một khu vực, chụp trong một khoảng thời gian nhất định. Sơ đồ nguyên lý của phương pháp này được trình bày ở hình sau đây. Ảnh nhập vào Cân bằng phổ Tiền xử lý ảnh Ảnh không mây Mask Sắp xếp điểm ảnh Ghép Gộp các ảnh nhỏ tạo ảnh Hình 1.3: Sơ đồ các bước xử lý ghép tạo ảnh SPOT không mây ở Singapore Cần nhấn mạnh hai bước trong sơ đồ này là cân bằng phổ và tiền xử lý ảnh. Vì tập hợp ảnh ở cùng một khu vực được chụp ở các thời điểm khác nhau nên phản xạ phổ của các đối tượng trên ảnh có sự khác nhau nên cần phải cân bằng phổ. Thực chất của bước này là tính toán giá trị phản xạ của các đối tượng tại đầu thu chụp, hiệu chỉnh sự khác nhau về giá trị gain của đầu thu, góc tới của mặt trời và luồng sáng của mặt trời giữa các cảnh ảnh. Sự hiệu chỉnh này đảm bảo cho các cảnh ảnh thu nhận trong các điều kiện khác nhau về cùng 3 điều kiện chụp ảnh (đầu thu chụp, 14 góc tới của mặt trời, luồng sáng mặt trời). Tuy nhiên đây không phải là quá trình hiệu chỉnh ảnh hưởng của khí quyển. Quá trình cân bằng phổ dựa trên công thức sau: (1.6) Trong đó: n: (n=0,1,2, ...,N-1) là chỉ số nhận dạng của ảnh trong tập hợp N ảnh, Rk,n: giá trị DN của ảnh sau khi được cân bằng, DNk,n: giá trị DN của ảnh đầu vào, gk,n: giá trị gain của sensor, Fk,n: giá trị luồng sáng bên ngoài vũ trụ, n : góc cao mặt trời, Ck : hằng số nhân nhằm giãn ảnh về khoảng giá trị từ 0 – 255. Vì quá trình cân bằng phổ chưa phải là quá trình hiệu chỉnh ảnh hưởng của khí quyển nên sau khi cân bằng thì giá trị độ xám của các điểm ảnh ở cùng một vị trí trên bề mặt đất chụp ở các thời điểm khác nhau sẽ vẫn khác nhau do ảnh hưởng của điều kiện khí quyển. Tiền xử lý sẽ làm giảm bớt sự khác nhau này dựa trên hai đại lượng thống kê của ảnh số là: + Giá trị giữa của ảnh (Mean), + Độ lệch chuẩn của ảnh (Stdev). Trong tập hợp ảnh, nếu chọn một ảnh làm ảnh chuẩn thì các ảnh khác cần quy chiếu về ảnh chuẩn. Các đại lượng dùng để quy chiếu là giá trị giữa và độ lệch chuẩn của ảnh chuẩn (Eref và δref), độ lệch chuẩn của ảnh chuẩn và ảnh cần quy chiếu (δref và δ), giá trị DN của ảnh đầu vào (S) sau khi được quy chiếu (P) được tính như sau: P=Eref+(S-E)*δref / δ 15 (1.7) Quá trình phân loại điểm ảnh sử dụng giá trị cường độ (trọng số trung bình của giá trị điểm ảnh ở 3 băng ảnh) và một số điều kiện được lựa chọn từ băng tỉ số nhằm sắp xếp các điểm ảnh theo một trật tự “điểm ảnh mây” và “điểm ảnh bóng mây” theo tiêu chuẩn được xác định trước, các điểm ảnh “không mây” và các điểm ảnh “không bóng mây” được sắp xếp thành 1 trong 4 loại chính là: thực vật, nhà cửa, nước, đối tượng khác. Các điểm ảnh nằm trong khoảng giữa của ngưỡng bóng mây và mây được coi là điểm ảnh tốt. Nếu không có các điểm ảnh tốt thì các “điểm ảnh bóng mây” sẽ được lựa chọn để thay thế các “điểm ảnh mây”. Trong khu vực nhất định, nếu tất cả các điểm ảnh là “bóng mây, thì các điểm có giá trị độ sáng cao nhất sẽ được lựa chọn. Trong khu vực mà tất cả các điểm ảnh được phân loại là “mây” thì những điểm tối nhất sẽ được lựa chọn. Trở lại phương pháp của Ấn Độ, ta thấy quá trình cân bằng phổ được thực hiện sau khi "vá ảnh", phương pháp của Singapore không đưa ra ngưỡng cụ thể để phân loại mây. Có thể ngưỡng này phụ thuộc vào từng ảnh độc lập. Ảnh MODIS Ảnh MODIS thu nhận trên 36 kênh phổ khác nhau, trong một ngày đêm có thể thu nhận 4 lần, vì vậy dữ liệu tổ hợp ảnh MODIS 8 ngày hoặc tổ hợp hàng tháng có thể được tạo ra liên tục. Quá trình tạo tổ hợp MODIS không mây bao gồm một số bước chính sau: + Hiệu chỉnh góc cao mặt trời, bức xạ của mặt trời, bức xạ tại đầu thu, + Xác lập ngưỡng để phát hiện mây, + Loại bỏ mây và ghép tạo ảnh không mây. Toàn bộ quá trình tạo tổ hợp ảnh MODIS không mây bao gồm các bước như: hiệu chỉnh góc chiếu mặt trời, tính toán chỉ số thực vật NDVI, tạo mặt nạ mây, nắn tạo tổ hợp ảnh MODIS. Tổ hợp ảnh MODIS được tạo ra ở các băng ảnh hồng ngoại sóng ngắn (SWIR), cận hồng ngoại (NIR), và băng đỏ tương ứng với các băng 6, băng 2, băng 1 của dữ liệu hiển thị MODIS toàn cầu. Băng ảnh hồng ngoại sóng 16 ngắn (băng 6) ở độ phân giải 500m, hai băng còn lại là NIR và RED (băng 2 và băng 1) có độ phân giải là 250m [4]. Dữ liệu MODIS 1b là dữ liệu phát xạ và phản xạ tại đỉnh khí quyển (TOA). Dữ liệu đã được hiệu chỉnh phát xạ và hiệu chỉnh toàn phần các giá trị vật lý về phân giải không gian và thời điểm của thiết bị thu. Cả hai giá trị phát xạ và phản xạ tại đỉnh khí quyển được lưu giữ ở tập dữ liệu khoa học (Sientific Data Set - SDS), tập dữ liệu integer (Scaled Interger – SI). Dữ liệu integer ở dạng 16 bit unsigned integer được dùng để chuyển đổi thành dữ liệu phát xạ hoặc phản xạ bằng phương trình sau: radiance = radiance_scale[B](SI – radiance_offset[B] (1.8) reflectance = reflectance_scale[B](SI – reflectance_offset[B] (1.9) B là số băng trong tập dữ liệu các băng của SDS. Cả hai thuộc tính scale và offset là thuộc tính tương ứng của SDS. Giá trị phản xạ ρ* là giá trị phản xạ TOA (ρ) và giá trị cosine của góc thiên đỉnh mặt trời (cosθ), ρ* = ρcos(θ). Vì vậy giá trị phản xạ thay đổi theo góc thiên đỉnh của mặt trời. Khi quỹ đạo bay xuống của vệ tinh TERRA lúc 10h30 là lúc mặt trời ở phía Đông của dải bay. Góc thiên đỉnh luôn giảm theo các hàng ảnh quét. Để hiệu chỉnh ảnh hưởng này, giá trị phản xạ của mỗi điểm ảnh được chia cho giá trị cosine của góc thiên đỉnh mặt trời của điểm ảnh đó. ρ = ρ*/ ρcos(θ) (1.10) Giá trị phản xạ thu được phụ thuộc vào góc thiên đỉnh mặt trời và luồng sáng mặt trời. Tuy nhiên còn phụ thuộc vào ảnh hưởng của khí quyển. Ở băng SWIR, NIR, RED thì ảnh hưởng của khí quyển là không quá mạnh, vì vậy có thể bỏ qua ảnh hưởng này trong 3 băng ảnh. Chỉ số thực vật NDVI được xác định bằng biểu thức sau: NDVI = (ρNIR - ρRED) / (ρNIR + ρRED) 17 (1.11) ρNIR là phản xạ phổ của băng NIR, ρRED là phản xạ phổ của băng RED. Chỉ số NDVI là dấu hiệu chỉ dẫn rất tốt cho mật độ của thực vật. Giá trị này nằm trong khoảng từ -1 tới +1, giá trị cao thể hiện vùng thực vật dày đặc. Khi điểm ảnh có mây phủ thì giá trị phản xạ của chúng ở trên hai băng ảnh gần nhau và kết quả là chỉ số thực vật của điểm ảnh đó nhỏ. Chính vì vậy mà NDVI là một chỉ dẫn tốt để xác định điểm ảnh không có mây. Ảnh MODIS có 16 băng phổ nhiệt, các băng này thu nhận nhạy cảm với nhiệt độ. Một số băng ảnh được thiết kế thu nhận riêng cho việc xác định mây. Khi một điểm ảnh bị mây, băng phổ đo được phát xạ phát ra từ bề mặt trên của mây nên có nhiệt độ rất thấp. Vì thế giá trị độ sáng nhiệt độ (BT) của mây luôn luôn nhỏ hơn rất nhiều so với giá trị độ sáng nhiệt độ của các vùng không có mây ở xung quanh chúng [4]. Hai băng ảnh được dùng để xác định mây là băng ảnh 20 và băng ảnh 31. Tương ứng với bước sóng 3,75 µm và 11,03 µm. Độ sáng nhiệt độ của băng ảnh 20 (BT20) dùng để xác định mây dày và độ sáng nhiệt độ của băng 31 (BT31) sử dụng kết hợp với băng 20 để xác định mây mỏng. Mây được xác định riêng trên đất liền và trên biển, quy tắc xác định như sau: Với vùng đất liền:  BT20 – BT31 > 6 tương ứng với mây mỏng và được ghi nhận giá trị là 1 trên mask.  BT20<270 tương ứng với mây dày và được ghi nhận giá trị là 2 trên mask.  Ngoài các giá trị trên là các vùng không mây, được ghi nhận giá trị 0 trên mask. Với vùng biển:  BT20<273 tương ứng với mây dày và được ghi nhận giá trị là 12 trên mask. 18