TỔ HỢP MÀU ĐỂ GIẢI ĐOÁN ẢNH VỆ TINH LANDSAT 7 PHỤC VỤ HIỆN CHỈNH BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH TỶ LỆ 1:250.000

TỔ HỢP MÀU ĐỂ GIẢI ĐOÁN ẢNH VỆ TINH LANDSAT 7

PHỤC VỤ HIỆN CHỈNH BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH TỶ LỆ 1:250.000

Lê Đại Ngọc, Phòng BĐVT

1. Giới thiệu ảnh vệ tinh Landsat

1.1. Sơ lược lịch sử của Landsat 7+ETM

Landsat 1 là vệ tinh quan trắc trái đất đầu tiên trên thế giới được phóng bởi người Mỹ vào năm 1972. Nó mở ra kỷ nguyên mới về nghiên cứu trái đất bằng công nghệ viễn thám tiên tiến. Tiếp theo đó các thế hệ vệ tinh Landsat 2, 3, 4, 5 và 7 lần lượt được phóng lên quĩ đạo. Hiện tại Landsat 7 vẫn đang hoạt động và được xem là hệ thống thu nhận chính của Landsat. Landsat 5 gồm có hệ thống thiết bị quét đa phổ MSS và hệ thống quét dành cho làm bản đồ chuyên đề TM. MSS là bộ cảm quang học được thiết kế để thu nhận bức xạ phổ từ ánh sáng mặt trời chiếu xuống bề mặt trái đất theo 4 kênh phổ khác nhau, được tích hợp bởi hệ thống quang học và bộ cảm. TM là phiên bản nâng cấp của thiết bị quan trắc được dùng trong hệ thống quét đa phổ MSS. Nó dùng để quan trắc bề mặt trái đất theo 7 kênh phổ có phạm vi từ dải sóng nhìn thấy đến vùng hồng ngoại nhiệt.

1.2. Đặc trưng kỹ thuật của bộ cảm ảnh vệ tinh Landsat 7

            Bộ cảm bản đồ chuyên đề TM là bộ quét đa phổ nâng cao. Bộ cảm nghiên cứu tài nguyên trái đất được thiết kế để thu nhận ảnh có độ phân giải cao hơn, tách các phổ có độ nét cao hơn, cải thiện được độ chính xác hình học và độ chính xác bức xạ khí quyển tốt hơn bộ cảm MSS. Bộ cảm này cũng có độ rộng dải quét là 185 km, mỗi pixel mặt đất có kích cỡ là 30 m x30 m, trừ kênh hồng ngoại nhiệt (kênh 7 có độ phân giải 120 mx120 m). Bộ cảm TM có 7 kênh ghi đồng thời sự phản xạ hoặc bức xạ phát ra từ bề mặt trái đất dưới dạng màu lam-lục (kênh 1), lục (kênh 2), đỏ (kênh 3), cận hồng ngoại (kênh 4), hồng ngoại giữa (kênh 5 và 7), hồng ngoại xa (kênh 6) theo dải phổ sóng điện từ. Kênh 2 của bộ cảm TM phát hiện phản xạ lục từ thực vật sinh trưởng tốt và kênh 3 được thiết kế để phát hiện sự hấp thụ chất diệp lục của thực vật. Kênh 4 TM dùng để nhận biết phản xạ cận hồng ngoại đối với thực vật màu lục sinh trưởng tốt, ranh giới giữa đất và nước. Kênh 1 TM có thể xuyên qua nước để lập các bản đồ độ sâu dọc theo vùng ven bờ và được dùng phổ biến để phân loại đất và thực phủ cũng như phân loại rừng. Hai kênh hồng ngoại giữa TM được dùng để nghiên cứu thực vật và đất ẩm, xét đoán giữa đá và khoáng sản. Kênh hồng ngoại xa TM được thiết kế để trợ giúp thành lập bản đồ nhiệt và nghiên cứu vùng đất ẩm và thực vật.

Vệ tinh LANDSAT-7 được phóng thành công tại căn cứ không quân Vandenburg vào ngày 15/4/1999. Vệ tinh LANDSAT-7 nặng 2.270 kg, bay ở độ cao 705 km đồng bộ với mặt trời, chu kỳ lặp quanh trái đất là 16 ngày.

Ngày phóng	15 /4/1999, tại căn cứ không quân ở Vandenberg bang California
Độ phân giải không gian	30 mét
Quĩ đạo	705 +/- 5 km (tại đường xích đạo) đồng bộ với mặt trời
Độ nghiêng quĩ đạo	98.2 +/- 0.15
Chu kỳ trên quĩ đạo	98.9 phút
Chu kỳ lặp lại cho một vị trí trên mặt đất	16 ngày (233 quĩ đạo)
Độ phân giải	15 đến 90 mét

LANDSAT-7 được trang bị thêm với bộ bản đồ chuyên đề nâng cấp ETM+ được kế thừa từ bộ TM. Các kênh quan trắc chủ yếu tương tự như như bộ TM, và kênh mới được thêm vào là kênh đen trắng (kênh 8) có độ phân giải là 15 m. Tuy nhiên, ngày 31/5/2003 thiết bị đã gặp sự cố kỹ thuật. Kết quả là tất cả các cảnh Landsat 7 được thu nhận kể từ ngày 14/7/2003 đến nay đều ở chế độ "SLC-off" nghĩa là xuất hiện các vết sọc đen cách đều.

ETM+ (Enhanced Thematic Mapper Plus), đặt trên Landsat 7. Thiết bị ETM+ quét 8 băng phổ cho hình ảnh độ phân giải cao về bề mặt trái đất, có độ phân giải là 30m đối với ảnh đa phổ TM, và 15 m đối với ảnh toàn sắc. Đặc trưng bộ cảm của LANDSAT TM, ETM+ như sau:

Phổ  màu	Kênh	Bước sóng (mm)	Độ phân giải (m)
Lam - Blue	1	0.45 - 0.52	30
Lục - Green	2	0.52 - 0.60	30
Đỏ - Red	3	0.63 - 0.69	30
Cận hồng ngoại - Near IR	4	0.76 - 0.90	30
Hồng ngoại sóng ngắn - SWIR	5	1.55 - 1.75	30
Hồng ngoại nhiệt - Thermal IR	6	10.40 - 12.50	120 (TM) 60 (ETM+)
Hồng ngoại sóng ngắn - SWIR	7	2.08 - 2.35	30
Đen trắng - Panchromatic	8	0.5 - 0.9	15

Hiện nay, ảnh vệ tinh Landsat hoàn toàn có thể khai thác miễn phí từ trên mạng Internet qua địa chỉ http://glovis.usgs.gov/. Việc xử lý phổ và nắn chỉnh hình học ảnh vệ tinh Landsat 7 dễ dàng thực hiện bằng các phần mềm chuyên dụng như Envi, Erdas. Cải chính sai số hệ thống (mức 1G) và xử lý vết kẻ sọc (SLC-off) bao gồm cải chính nhiễu bức xạ, cải chính hình học và bổ sung những pixel bị thiếu ở chế độ SLC-off. Việc tính toán các pixel thiếu dựa vào so khớp độ xám từ một hay nhiều các cảnh bù được chụp ở các thời điểm khác nhau. Các ảnh này được xoay và định hướng theo các phép chiếu do người dùng tuỳ chọn. Cảnh mặt nạ cho các khe hở được cung cấp kèm theo các cảnh ở SLC-off.

2. Phương pháp tổ hợp màu

2.1. Tổ hợp màu thật và màu giả

Phương pháp tổ hợp hợp màu là phương pháp được sử dụng rộng rãi dựa trên chuẩn nền màu trong viễn thám để hỗ trợ cho công tác giải đoán ảnh. Lợi thế của ảnh chụp đa phổ là có thể sử dụng tích hợp các kênh phổ khác nhau để phân tích giải đoán các đối tượng theo các đặc trưng bức xạ phổ. Ưu điểm của phương pháp tổ hợp màu là sử dụng các kênh ảnh đa phổ hiển thị cùng một lúc trên 3 kênh ảnh được gắn tương ứng với 3 loại màu cơ bản là đỏ, xanh lá cây và xanh lam hay còn gọi là RGB. Phương pháp này có thể tổ hợp hiển thị 3 kênh ảnh của cùng một loại ảnh vệ tinh, của các ảnh vệ tinh khác nhau cùng độ phân giải, hoặc của ảnh vệ tinh và ảnh máy bay cùng độ phân giải, của ảnh radar với các thời gian chụp khác nhau.

Trong một ảnh vệ tinh có nhiều kênh phổ khác nhau, ví dụ ảnh vệ tinh Landsat-5 TM, Landsat-7 TM có 6 kênh phổ (các kênh 1-5, và 7) có thể dùng để tổ hợp màu theo tổ hợp chập 3 của 6, sẽ cho ra 6x5x4 = 120 kiểu tổ hợp khác nhau trên 3 màu RGB. Nếu trong tổ hợp màu kênh phổ có dải sóng được gắn đúng với màu thì được gọi là tổ hợp màu thật và trong các trường hợp khác gọi là tổ hợp giả màu. Ví dụ các kênh phổ của ảnh vệ tinh Landsat-7 ETM có các kênh 1 (kênh phổ xanh lam - blue) được gắn màu xanh lam, kênh 2 (phổ xanh lá cây - green) được gắn màu lục và kênh 3 (phổ đỏ - red) được gắn màu đỏ khi hiển thị màu, nghĩa là Band 1 = blue, Band 2 = green, and Band 3 = red và tổ hợp này được gọi là tổ hợp màu thật.

2.2. Một số dạng tổ hợp màu ảnh Landsat cơ bản

- Tổ hợp màu tự nhiên 321: Band 1 = blue, Band 2 = green, and Band 3 = red

- Tổ hợp màu giả:

·       Tổ hợp dạng 123: Band 1 = red, Band 3 = green, Band 2 = blue làm nổi bật các đối tượng trầm tích như cát, sạn, bùn ven bờ biển, chúng có màu đỏ. Còn các vùng thực vật tăng trưởng có màu xanh nước biển blue.

·       Tổ hợp dạng 675: Band 6 = red, Band 7 = green, Band 5 = blue, tổ hợp này sử dụng kênh nhiệt, rất nhạy với bức xạ phổ nhiệt (độ phân giải thấp hơn so với các kênh khác 120m). Màu đỏ thể hiện bề mặt ấm hơn, màu xanh da trời blue thể hiện bề mặt lạnh hơn. Một số vùng có màu xanh da trời ở vị trí sườn núi có thực phủ, bãi cỏ. Dân cư đô thị với các tuyến phố thì có màu đỏ vì có chứa nhiều vật liệu hấp thụ nhiệt và có ít cây cối, nhiệt phát ra từ các lò sưởi, máy điều hoà và các hoạt động của con người. Cũng rất dễ nhận biết những đốm trắng được phát ra từ các nhà máy hạt nhân. Nhưng chất trầm lắng ven cửa sông, bờ biển sẽ hoàn toàn không nhận biết được từ tổ hợp này.

·       Tổ hợp dạng 174: Band 1 = red, Band 7 = green, Band 4 = blue thực vật có màu xanh lam, màu xanh lam nhạt hơn là các bãi cỏ. Màu đỏ và đỏ tím nhận biết là các bãi cát, bùn và khu thị trấn. Còn các tuyến phố do có hàng cây nên xuất hiện màu xanh lam blue. Màu xanh lá cây là các vùng đồi trọc hoặc các vùng đất trống không canh tác.

·       Ngoài ra còn một số dạng tổ hợp khác theo bảng sau:

Kênh phổ của Landsat TM	Các kiểu tổ hợp màu	Đặc trưng nhận biết/Ứng dụng
4,3,2	Màu hồng ngoại	Đường giao thông, mặt nước, phân biệt được rừng cây lá rụng với vùng cây ăn quả, dễ nhận biết được vùng đất nông nghiệp và phi nông nghiệp (Hình 2).
2,4,3	Màu giả	Đường giao thông, phân biệt được rừng cây lá rụng với vùng cây ăn quả là khó khăn hơn so với tổ hợp kênh 4, 3, 2 (Hình 5).
5,4,3	Màu giả	Giải đoán toàn bộ các đối tượng thực vật (Hình 3).
4,5,3	Màu giả	Có gam màu cam; giải đoán các yếu tố thực vật, đường giao thông dễ dàng hơn tổ hợp 5, 4, 3 (Hình 4).
3,4,7	Màu giả	Xác định các vùng cháy; các vùng tái trồng rừng sau khi đã chặt khai thác dễ dàng hơn so với tổ hợp kênh 3, 4, 5. Tổ hợp này rất dễ nhận biết các vùng thực vật bị xâm hại.
3,2,1	Màu tự nhiên	Chỉ phân biệt được rõ nét giữa thực vật và vùng đất trống, rất ít thông tin khác về thực vật.
7,5,3	Màu giả	Đánh giá được thiệt hại của các vụ cháy, khoanh vi các đám cháy màu đỏ, vùng rừng không cháy có màu xanh, màu vàng nhạt thể hiện sự cháy đang diễn ra giữa kênh 5 và 7 (Hình 6).
7,4,3	Màu giả	Tông màu tím thê hiện kết quả vùng cháy; màu đỏ tươi là vùng cháy rừng đang xảy ra; khói bao quanh có màu xanh lam; vùng thực vật không bị ảnh hưởng của cháy xuất hiện ở tông màu xanh lá cây.

3. Ứng dụng tổ hợp màu ảnh vệ tinh Landsat trong phân tích giải đoán bằng mắt

            Dựa trên nguyên lý tổ hợp màu cơ bản của ảnh vệ tinh, trong công tác hiện chỉnh bản đồ thông thường sử dụng các mẫu tổ hợp chính sau:

 

- Tổ hợp màu tự nhiên 3-2-1: phương pháp tổ hợp này khá gần gũi với cảm nhận của mắt người. Bởi vì mắt người cảm nhận màu sắc trong tự nhiên trong dải phổ sóng điện từ có bước sóng từ 0.4 đến 0.7 µm. Trong khi đó ảnh vệ tinh Landsat có 3 kênh phổ 1, 2 và 3 thu nhận bức xạ phổ của dải sóng nhìn thấy từ 0.4 đến 0.7 µm. Do vậy với tổ hợp màu trên 3 kênh phổ 3-2-1 sẽ cho ra màu sắc tự nhiên như chúng ta ngồi trên máy bay nhìn xuống bề mặt trái đất. Ở dạng tổ hợp này rất dễ dàng nhận biết ở mức khái quát hệ thống thuỷ văn có qui mô lớn, các tuyến giao thông quốc lộ, tỉnh lộ, các điểm dân cư đô thị. Tuy nhiên khi giải đoán chi tiết các đối tượng như ao hồ, kênh mương nhỏ, các trục đường giao thông nhánh, các yếu tố thực phủ thì rất khó phân biệt và dễ nhầm lẫn. Phương pháp tổ hợp này chủ yếu được sử dụng in ấn hoặc để thiết kế làm nền hình ảnh khi xây dựng CSDL bản đồ chuyên đề, và không nên dùng để giải đoán ảnh.

- Tổ hợp màu hồng ngoại 4-3-2: phục vụ giải đoán rất tốt cho các yếu tố phủ bề mặt, giao thông và thuỷ văn. Bằng mắt thường có thể giải đoán tối đa các yếu tố mặt nước như ao hồ, kênh mương, sông 2 nét với gam màu xanh nước biển và màu xanh đen; các bãi bồi ven sông, cửa biển có màu xanh nhạt; vùng làm muối có màu trắng. Màu trắng dạng tuyến là đường giao thông, màu trắng có dạng vùng thường là các khu dân cư tập trung, khu đô thị, thành phố, nhà máy công nghiệp hay là các khu đất nông nghiệp chưa canh tác. Màu đỏ sẫm đặc trưng cho các cây lâu năm, rừng già; màu đỏ gạch non, màu đỏ tím (màu hồng hoa sen) là các vùng trồng lúa; màu đỏ nâu là vùng trồng màu. Đất trống có độ ẩm thường có màu xanh nhạt. Đặc trưng dễ nhận biết của tổ hợp màu hồng ngoại là ảnh có gam màu đỏ vì lớp phủ thực vật phản xạ mạnh với kênh cận hồng ngoại. Phương pháp tổ hợp màu này có nhược điểm là gây ra sự cảm nhận sai về màu sắc so với cách nhận biết màu sắc tự nhiên của con người. Theo cách tổ hợp màu này, với kỹ thuật viên giải đoán mặc dù ban đầu có cảm giác “hơi khó chịu”, nhưng lại rất hữu hiệu để có được nhiều thông tin từ ảnh vệ tinh hơn so với phương pháp tổ hợp màu tự nhiên.

- Tổ hợp theo kênh 5-4-3 (hoặc 7-4-2): phương pháp này cho kết quả màu sắc đẹp, rõ nét làm nổi bật được 2 nhóm lớp thuỷ hệ và thực vật; có thể nhận biết chính xác yếu tố mặt nước bằng màu xanh nước biển (blue); phân biệt rõ được ranh giới các vùng rừng già, rừng non mới trồng, vùng đất trồng lúa, trồng màu bằng màu xanh lá cây đậm và nhạt; các vùng đất trống hay khu đô thị có màu hồng và màu tím. So với tổ hợp màu hồng ngoại, phương pháp này có hiệu quả hơn trong việc giải đoán các đối tượng thuộc nhóm lớp thuỷ hệ và thực vật bởi vì màu sắc khá tương đồng với cảm nhận của mắt người.

- Tổ hợp theo kênh 4-5-3: phương pháp tổ hợp này tương tự như tổ hợp 5-4-3 vì cũng sử dụng 3 kênh 3, 4 và 5 nhưng khác nhau ở chỗ là có thay đổi trật tự sắp xếp hoán vị gán màu RGB. Trên hình 4 cho thấy đặc trưng của dạng tổ hợp là có gam màu cam phổ biến tương ứng với các yếu tố thực vật. Các yếu tố thuỷ hệ có màu lam; các khu đô thị, khu dân cư, các vùng đất trống và hệ thống mạng lưới các đường giao thông có màu trắng sáng. So với phương pháp tổ hợp màu 5-4-3, việc giải đoán các đối tượng giao thông và thiết bị phụ thuộc được thực hiện dễ dàng hơn vì màu sắc gần gũi với cảm nhận của mắt người.

- Tổ hợp theo kênh 2-4-3: với dạng tổ hợp này, màu sắc gần giống với tổ hợp 5-4-3 và khác nhau đối với hệ thống thuỷ văn có màu tím sẫm. Màu của  thực vật cũng sẫm hơn so với tổ hợp 5-4-3. Phương pháp tổ hợp này về bản chất chỉ là sự sắp xếp lại thứ tự các kênh phổ của tổ hợp màu hồng ngoại 4-3-2. Ứng dụng của tổ hợp này để dễ nhận biết phân loại các yếu tố thực vật theo cảm nhận màu xanh lục của mắt người.

- Tổ hợp theo kênh 7-5-3: được dùng để phân loại chính xác giữa vùng cây che phủ làng, vùng cây trồng công nghiệp, vùng cây trồng lâu năm ven các bờ kênh mương với các vùng đất nông nghiệp trồng lúa, hoa màu và các vùng đất trống. Đặc biệt tổ hợp này rất nhạy cảm với các đám cháy rừng. Màu đỏ và vàng nhạt thể hiện qui mô và cấp độ của sự cháy đang diễn ra, màu xanh đậm là các vùng rừng không cháy. Thông thường chọn cách tổ hợp này để theo dõi diễn biến thảm hoạ cháy rừng và thống kê đánh giá tác động thiệt hại do cháy rừng gây nên.

            Với sự phân tích các dạng tổ hợp màu cơ bản của ảnh vệ tinh Landsat và có kiểm chứng thực nghiệm tại khu vực Đồng bằng sông Cửu Long (Trà Vinh), có thể khẳng định chắc chắn rằng phương pháp tổ hợp màu 5-4-3 và tổ hợp màu tự nhiên 3-2-1 là phù hợp và độ tin cậy cao để phục vụ cho công tác hiện chỉnh bản đồ địa hình 1:250.000 khu vực ngoài lãnh thổ.

4. Kết luận

Ảnh của vệ tinh viễn thám ngày càng được hoàn thiện theo hướng nâng cao độ phân giải không gian, độ phân giải phổ và giảm thời gian chụp lặp lại. Các ảnh vệ tinh có độ phân giải cao và siêu cao (đến dưới 1m) trước đây chỉ được dùng trong quân sự, nay đã được thương mại hoá và được sử dụng rộng rãi vào nhiều mục đích khác nhau. Ưu thế của ảnh vệ tinh là được chụp liên tục theo quĩ đạo và giá thành ngày càng rẻ, thậm chí một số loại có thể khai thác miễn phí qua mạng Internet. Với trang Web của Google Earth chúng ta sẽ có được các thông tin mới nhất của bề mặt địa hình từ nền ảnh vệ tinh Landsat, SPOT, QuickBird và GeoEye liên tục được cập nhật. Hơn nữa, ảnh vệ tinh được thu nhận ở nhiều kênh phổ khác nhau nên thể hiện tương đối đầy đủ các đặc trưng nổi bật và chi tiết của các đối tượng trên bề mặt trái đất. Nhưng vấn đề cốt lõi để có thể đọc, chiết suất các thông tin hữu ích từ ảnh viễn thám là phải có kiến thức chuyên gia về giải đoán ảnh. Do vậy phương pháp phân tích phổ và tổ hợp màu được xem như là “chìa khóa” để giải đoán nhanh chóng và chính xác từ ảnh chụp các thông tin về đối tượng. Bài báo đã đề cập đến một vấn đề rất cơ bản trong viễn thám, đó là tổ hợp màu. Nó được xem như là phương pháp tối ưu trợ giúp cho công tác giải đoán ảnh.

Hy vọng rằng với kết quả nghiên cứu ban đầu về tổ hợp màu ảnh viễn thám sẽ giúp cho các bạn dễ dàng hơn trong điều vẽ ảnh vệ tinh Landsat phục vụ cho thành lập bản đồ địa hình 1:250.000.