ẢNH VỆ TINH LANDSAT 8 PHỤC VỤ HIỆN CHỈNH BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH TỶ LỆ 1:250.000 VÀ NHỎ HƠN

Tóm tắt: Việc tìm kiếm và khai thác các lợi ích từ nguồn tư liệu viễn thám nói chung và ảnh vệ tinh Landsat nói riêng có một vai trò rất quan trọng đối với các nhiệm vụ của cơ quan đo đạc bản đồ. Bài báo đề cập các đặc tính kỹ thuật của ảnh vệ tinh Landsat 8, phương pháp tổ hợp màu và khả năng ứng dụng thực tiễn của nó phục vụ công tác hiện chỉnh bản đồ địa hình tỉ lệ 1:250.000 và nhỏ hơn.

1. Giới thiệu ảnh vệ tinh Landsat 8

Vệ tinh thế hệ thứ 8 - Landsat 8 đã được Mỹ phóng thành công lên quỹ đạo vào ngày 11/02/2013 với tên gọi gốc Landsat Data Continuity Mission (LDCM). Đây là dự án hợp tác giữa NASA và cơ quan Đo đạc Địa chất Mỹ. Landsat sẽ tiếp tục cung cấp các ảnh có độ phân giải trung bình (từ 15 - 100 mét), phủ kín ở các vùng cực cũng như những vùng địa hình khác nhau trên trái đất. Nhiệm vụ của Landsat 8 là cung cấp những thông tin quan trọng trong nhiều lĩnh vực như quản lý năng lượng và nước, theo dõi rừng, giám sát tài nguyên môi trường, quy hoạch đô thị, khắc phục thảm họa và lĩnh vực nông nghiệp [3].

Hình 1. Vệ tinh LDCM (Landsat 8)

Landsat 8 (LDCM) mang theo 2 bộ cảm: bộ thu nhận ảnh mặt đất (OLI - Operational Land Imager) và bộ cảm biến hồng ngoại nhiệt (TIRS - Thermal Infrared Sensor). Những bộ cảm này được thiết kế để cải thiện hiệu suất và độ tin cậy cao hơn so với các bộ cảm Landsat thế hệ trước. Landsat 8 thu nhận ảnh với tổng số 11 kênh phổ, bao gồm 9 kênh sóng ngắn và 2 kênh nhiệt sóng dài xem chi tiết ở Bảng 1. Hai bộ cảm này sẽ cung cấp chi tiết bề mặt Trái Đất theo mùa ở độ phân giải không gian 30 mét (ở các kênh nhìn thấy, cận hồng ngoại, và hồng ngoại sóng ngắn); 100 mét ở kênh nhiệt và 15 mét đối với kênh toàn sắc. Dải quét của LDCM giới hạn trong khoảng 185 km x 180 km. Độ cao vệ tinh đạt 705 km so với bề mặt trái đất. Bộ cảm OLI cung cấp hai kênh phổ mới, Kênh 1 dùng để quan trắc biến động chất lượng nước vùng ven bờ và Kênh 9 dùng để phát hiện các mật độ dày, mỏng của đám mây ti (có ý nghĩa đối với khí tượng học), trong khi đó bộ cảm TIRS sẽ thu thập dữ liệu ở hai kênh hồng ngoại nhiệt sóng dài (kênh 10 và 11) dùng để đo tốc độ bốc hơi nước, nhiệt độ bề mặt. Bộ cảm OLI và TIRS đã được thiết kế cải tiến để giảm thiểu tối đa nhiễu khí quyển (SNR), cho phép lượng tử hóa dữ liệu là 12 bit nên chất lượng hình ảnh tăng lên so với phiên bản trước [1].

Bảng 1: Đặc trưng Bộ cảm của ảnh vệ tinh Landsat 7 và Landsat 8 (LDCM) [3]

Vệ tinh	Kênh	Bước sóng (micrometers)	Độ phân giải (meters)
Landsat 7 (Bộ cảm ETM+)	Band 1	0.45-0.52	30
	Band 2	0.52-0.60	30
	Band 3	0.63-0.69	30
	Band 4	0.77-0.90	30
	Band 5	1.55-1.75	30
	Band 6	10.40-12.50	60 (30)
	Band 7	2.09-2.35	30
	Band 8	0.52-0.90	15
LDCM – Landsat 8 (Bộ cảm OLI và TIRs)	Band 1 - Coastal aerosol	0.433 - 0.453	30
	Band 2 - Blue	0.450 - 0.515	30
	Band 3 - Green	0.525 - 0.600	30
	Band 4 - Red	0.630 - 0.680	30
	Band 5 - Near Infrared (NIR)	0.845 - 0.885	30
	Band 6 - SWIR 1	1.560 - 1.660	30
	Band 7 - SWIR 2	2.100 - 2.300	30
	Band 8 - Panchromatic	0.500 - 0.680	15
	Band 9 - Cirrus	1.360 - 1.390	30
	Band 10 - Thermal Infrared (TIR) 1	10.3 - 11.3	100
	Band 11 - Thermal Infrared (TIR) 2	11.5 - 12.5	100

           

Đồ thị phân bố các kênh phổ trên dải sóng điện từ của ảnh vệ tinh Landsat 7 và 8 được thể hiện Hình 2 dưới đây.

	Hình 2. Đồ thị đặc trưng phổ của ảnh vệ tinh Landsat 7 và Landsat 8 [3]

Các thông số kỹ thuật của sản phẩm ảnh vệ tinh Landsat 8 như sau:

§        Loại sản phẩm: đã được xử lý ở mức 1T nghĩa là đã cải chính biến dạng do chênh cao địa hình (mức trực ảnh Orthophoto);

§        Định dạng: GeoTIFF;

§        Kích thước Pixel: 15m/30m/100m tương ứng ảnh Đen trắng Pan/Đa phổ/Nhiệt

§        Phép chiếu bản đồ: UTM;

§        Hệ tọa độ: WGS 84;

§        Định hướng: theo Bắc của bản đồ;

§        Phương pháp lấy mẫu: hàm bậc 3;

§        Độ chính xác: với bộ cảm OLI đạt sai số 12m theo tiêu chuẩn CE, có độ tin cậy 90%; với bộ cảm TIRS đạt sai số 41m theo tiêu chuẩn CE, có độ tin cậy 90%;

§        Dữ liệu ảnh: có giá trị 16 bit pixel, khi tải về ở dạng file nén có định dạng là .tar.gz. Kích thước file nếu ở dạng nén khoảng 1GB, còn ở dạng không nén khoảng 2GB.

Landsat 8 thu nhận xấp xỉ 400 cảnh/ngày, tăng 250 cảnh/ngày so với Landsat 7. Thời gian hoạt động của vệ tinh theo thiết kế là 5,25 năm nhưng nó được cung cấp đủ năng lượng để có thể kéo dài hoạt động đến 10 năm. So với Landsat 7, Landsat 8 có cùng độ rộng dải chụp, cùng độ phân giải ảnh và chu kỳ lặp lại 16 ngày.

Hiện nay, ảnh vệ tinh Landsat 8 hoàn toàn có thể khai thác miễn phí từ mạng Internet qua địa chỉ http://earthexplorer.usgs.gov/. Ví dụ khi tải một cảnh có phiên hiệu hàng cột là 127-046 về, sẽ nhận được file nén có tên là “LC81270462013352LGN00.tar.gz” với dung lượng khoảng 960MB và giải nén sẽ sinh ra 13 file, trong đó 11 file có đuôi được đánh số từ B1 đến B11 tương ứng với 11 kênh phổ của ảnh Landsat 8, kèm theo 01 file báo cáo đánh giá chất lượng có đuôi tên là BQA và 01 file siêu dữ liệu dạng txt chứa các thông tin về thời gian chụp ảnh và tọa độ các góc của cảnh ảnh.

Hình 3. Dữ liệu giải nén của cảnh ảnh 127-046 Landsat 8

2. Tiềm năng sử dụng ảnh vệ tinh Landsat 8 trong công tác hiện chỉnh bản đồ địa hình tỷ lệ 1:250.000 và nhỏ hơn

Qui trình công nghệ sử dụng ảnh vệ tinh Landsat 8 trong công tác hiện chỉnh bản đồ địa hình, được trình bày ở hình 4 dưới đây:

Hình 4. Qui trình công nghệ Hiện chỉnh bản đồ bằng ảnh vệ tinh Landsat 8

2.1 Tải ảnh

            Trong năm 2013, nhóm nghiên cứu đã tải được 41 cảnh ảnh vệ tinh Landsat 8 từ mạng Internet, phủ kín lãnh thổ Việt Nam. Chất lượng ảnh khá tốt, với độ phủ mây dưới 10% đảm bảo đầy đủ chỉ tiêu kỹ thuật để thực hiện công tác hiện chỉnh hệ thống bản đồ địa hình các tỷ lệ 1:250.000, 1:500.000 và 1:1 triệu. Nguồn tư liệu ảnh này đã được kịp thời đưa vào sử dụng để tái bản, hiện chỉnh bản đồ địa hình theo kế hoạch năm 2014.

2.2 Tổ hợp màu

            Để thuận tiện cho người dùng trong công tác lựa chọn các phương pháp tổ hợp màu đối với ảnh vệ tinh Landsat 8, chúng tôi đưa ra Bảng tham chiếu chuyển đổi hệ màu giữa ảnh Landsat 5, 7 và Landsat 8 như sau:

Bảng 2: Bảng Tham chiếu chuyển đổi hệ tổ hợp màu giữa ảnh Landsat 7 và 8

Mẫu ảnh	Phương pháp tổ hợp	Landsat 7 Landsat 5	Landsat 8
	Color Infrared: Màu hồng ngoại (thực vật)	4, 3, 2	5,4,3
	Natural Color: Màu tự nhiên	3, 2, 1	4,3,2
	False Color: Giả màu phân tích thực vật	5,4,3	6,5,4
	False Color: Giả màu (đô thị)	7,5,3	7,6,4
	False Color: Giả màu (màu tự nhiên với sự thâm nhập khí quyển)	7,4,2	7,5,3

Tùy thuộc vào đối tượng cần quan tâm, khi sử dụng ảnh Landsat 8 có thể dựa vào Bảng chỉ dẫn các phương pháp tổ hợp màu sau để lựa chọn ra phương pháp phù hợp nhằm nâng cao hiệu quả công tác giải đoán ảnh:

Bảng 3: Bảng chỉ dẫn Tổ hợp màu cho ảnh vệ tinh Landsat 8

STT	Phương pháp tổ hợp màu	Gán kênh phổ R-G-B	Đặc tả kỹ thuật
1	Màu tự nhiên	4 3 2	Tạo ra ảnh có màu sắc tự nhiên khá gần gũi với cảm nhận của mắt người. Với tổ hợp này có thể 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 tạo lớp nền ảnh tự nhiên khi xây dựng CSDL bản đồ chuyên đề.
2	Màu giả (Đô thị)	7 6 4	Làm nổi bật các khu vực đô thị, khu đông dân cư với tông màu vàng sẫm hoặc có gam màu ánh hồng. Các yếu tố thủy văn nhận biết rất rõ với màu đen hoặc màu xanh nước biển (blue).
3	Hồng ngoại (Thực vật)	5 4 3	Dùng để nhận biết và khoanh chính xác các vùng thực vật. Thảm thực vật có tông màu từ đỏ nhạt (gạch non) đến đỏ sẫm (đỏ gạch cua). Với màu đỏ sẫm đăc trưng cho vùng thực vật có lá già, còn màu đỏ tươi là vùng thực vật có lá non.
4	Nông nghiệp	6 5 2	Dùng để nhận biết các vùng đất canh tác nông nghiệp. Đất trống, đất trồng màu, đất trồng lúa có tông màu nâu. Khu vực đô thị có màu ánh tím. Thực vật có màu xanh lá cây. Thủy văn có màu đen và màu xanh nước biển.
5	Thẩm thấu khí quyển	7 6 5	Dùng trong trường hợp ảnh chụp bị lớp sương mù, khó nhận biết chi tiết đối tượng. Ở tổ hợp màu này, các yếu tố thủy văn có màu đen và thể hiện rất rõ trên ảnh.
6	Sức khỏe thực vật	5 6 2	Dùng để nhận biết tình trạng sức khỏe của thực vật bằng dải tông màu vàng nhạt đến vàng nâu sẫm.
7	Đất/Nước	5 6 4	Tổ hợp này khá gần gũi với tổ hợp (5 6 2) dùng để phân biệt rõ giữa yếu tố đất và nước bằng màu vàng nâu và màu xanh nước biển.
8	Màu tự nhiên với sự thâm nhập khí quyển	7 5 3	Dùng để loại tối đa ảnh hưởng nhiễu môi trường khí quyển. Phương pháp này gần giống với tổ hợp (6 5 4). Với tổ hợp (7 5 3) màu của yếu tố thực vật có màu xanh lá cây, còn tổ hợp (6 5 4) thực vật sẽ có màu xanh ngả vàng.
9	Hồng ngoại sóng ngắn	7 5 4	Phương pháp này khá tương đồng với tổ hợp (7 5 3) và không có sự khác biệt nếu chỉ quan sát bằng mắt thường.
10	Phân tích thực vật	6 5 4	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 hoặc đen; 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.

Như vậy, ngoài phương pháp tổ hợp màu tự nhiên còn có rất nhiều phương pháp tổ hợp màu khác nhau để có thể nhận biết chính xác các đối tượng bằng mắt thường. Thực tế sản xuất chỉnh lý, hiện chỉnh bản đồ bằng ảnh vệ tinh vẫn đang áp dụng duy nhất phương pháp tổ hợp màu tự nhiên (4-3-2) phục vụ công tác giải đoán. Điều này gây không ít khó khăn cho các tác nghiệp viên và đã dẫn đến một số kết quả giải đoán nhầm lẫn chẳng hạn: kênh mương thành đường, ao hồ thành thảm thực vật... Như vậy, theo cách làm hiện nay, chúng ta đã bỏ qua rất nhiều các kênh phổ hữu ích khác của ảnh vệ tinh. Với các phương pháp tổ hợp màu giới thiệu ở trên, chúng ta cần thay đổi nhận thức, chủ động áp dụng phương pháp bổ trợ bằng các dạng tổ hợp màu khác nhau nhằm nâng cao chất lượng công tác giải đoán ảnh.

Landsat 8 có số lượng kênh phổ nhiều hơn các thế hệ vệ tinh trước nên số lượng ảnh tổ hợp màu nhiều hơn đáng kể. Điều này cho phép tăng khả năng phân biệt giữa các đối tượng khi sử dụng nhiều tổ hợp màu. Bên cạnh đó, dữ liệu các kênh phổ ở 12 bít nên cho phép phân biệt các đối tượng tốt hơn khi sử dụng ảnh chụp 8 bít ở các thế hệ trước.

            Dựa trên nguyên lý tổ hợp màu cơ bản của ảnh vệ tinh Landsat 8, đối với công tác chỉnh lý, hiện chỉnh bản đồ nên lựa chọn các mẫu tổ hợp màu cơ bản sau:

 

 

Hình 5. Tổ hợp màu   a) RGB = 432 (tự nhiên)             b) RGB = 764 (đô thị)

                                    c) RGB = 543 (hồng ngoại)      d) RGB = 652 (nông nghiệp)

e) RGB = 564 (đất/nước)         f) RGB = 654 (thực vật)

2.3 Tăng cường chất lượng ảnh

            Ảnh Landsat tổ hợp màu có độ phân giải 30m. Kết hợp ảnh toàn sắc Kênh 8 (có độ phân giải là 15m) với các ảnh tổ hợp màu tạo ra ảnh tăng cường vừa có độ phân giải cao của ảnh toàn sắc, vừa có màu sắc trực quan của ảnh tổ hợp màu. Xử lý phổ bằng các phương pháp dãn tuyến tính, điều chỉnh tương tác, đảm bảo chất lượng hình ảnh rõ nét, độ tương phản trung bình, không thiếu màu. Các phần mềm Envi, Erdas cho phép dễ dàng tạo ra các ảnh tăng cường.

2.4 Chuyển đổi về hệ tọa độ VN-2000

            Ảnh Landsat 8 miễn phí đều đã được xử lý ở mức trực ảnh (tương đương mức 3 đối với ảnh SPOT) nghĩa là đã cải chính biến dạng bởi chênh cao địa hình và được đăng ký trong hệ tọa độ WGS-84. Khi sử dụng để chỉnh lý, hiện chỉnh bản đồ địa hình sẽ không cần phải nắn ảnh mà chỉ cần tính chuyển đổi về hệ tọa độ VN-2000. Quá trình chuyển đổi tọa độ này được thực hiện đơn giản bằng phần mềm Global Mapper.

2.5 Giải đoán, phát hiện các yếu tố thay đổi

Cơ sở để giải đoán các đối tượng địa lý bằng mắt dựa trên các dấu hiệu giải đoán và kiến thức kinh nghiệm của các tác nghiệp viên. Dấu hiệu giải đoán là những dấu hiệu khác biệt cho phép nhận biết đối tượng trên ảnh bao gồm dấu hiệu giải đoán trực tiếp, gián tiếp.

Các dấu hiệu giải đoán trực tiếp bao gồm hình dạng, kích thước, độ đậm nhạt, mầu sắc của hình ảnh, cấu trúc hình ảnh, bóng, đặc trưng phổ.

Các dấu hiệu giải đoán gián tiếp bao gồm vị trí tương quan, dấu vết hoạt động, tần suất xuất hiện và đặc trưng phân bố.

Dữ liệu bản đồ được tham chiếu trực tiếp trên nền trực ảnh. Những đối tượng mới xuất hiện và đối tượng biến động được phân tích, đánh dấu và thống kê lại bằng các công cụ sẵn có trong phần mềm chuyên dụng như MicroStaion, Global Mapper, ArcGIS. Ví dụ dưới đây cho thấy, khu vực hồ chứa Cửa Đạt (Thanh Hóa) được phát hiện trên ảnh vệ tinh chụp mới, trong khi trên bản đồ địa hình 1:250.000 vẫn đang biểu thị hiện trạng của lòng sông Chu cũ, chưa được cập nhật sự thay đổi một cách kịp thời.

2.6 Cập nhật các đối tượng địa lý và biên tập bản đồ

Dựa vào tiêu chuẩn kỹ thuật biên tập bản đồ của ngành TCVN/QS 1488:2011, biên tập viên sẽ quyết định chỉnh sửa và cập nhật các đối tượng địa lý khi số lượng thông tin và chất lượng ảnh tại những khu vực cần giải đoán đủ điều kiện để cập nhật. Công tác cập nhật và biên tập các đối tượng địa vật được thực hiện lần lượt theo từng nhóm lớp như sau: thủy hệ, giao thông, dân cư, địa giới hành chính và thực vật.

            Như vậy, với độ chụp phủ lớn (một cảnh có thể phủ kín 02 mảnh bản đồ 1:250.000) và cung cấp liên tục đến người dùng với thời gian gần thực, ảnh vệ tinh Landsat 8 đang trở thành một nguồn tư liệu vô cùng có giá trị đối với công tác cập nhật hệ thống bản đồ địa hình quốc gia nói chung và bản đồ quân sự nói riêng ở tỷ lệ 1:250.000 và nhỏ hơn hiện nay.

3. Kết luận

Sự phát triển mạnh mẽ của các vệ tinh viễn thám trong những năm gần đây đã khẳng định ưu thế lợi ích trong việc giám sát tài nguyên môi trường tự nhiên và đóng góp to lớn cho sự phát triển kinh tế xã hội trên toàn thế giới. Vệ tinh Landsat 8 với sứ mệnh vẫn tiếp tục quan sát, giám sát các thay đổi trên bề mặt trái đất về các điều kiện khô hạn, sản xuất nông nghiệp, tan băng và ảnh hưởng của phát triển không gian đô thị toàn cầu. Dĩ nhiên, các ứng dụng phổ biến vẫn là giám sát tình trạng phá rừng, cháy rừng, giám sát thay đổi khí hậu, đa dạng sinh học, năng lượng, quản lý quá trình đô thị hóa.

Đối với ngành Trắc địa Bản đồ, ảnh vệ tinh Landsat 8 là nguồn tư liệu hết sức hữu ích phục vụ trực tiếp cho công tác cập nhật, hiện chỉnh hệ thống bản đồ địa hình một cách nhanh chóng kịp thời. Nhờ có đặc tính kỹ thuật thu nhận trên nhiều kênh phổ khác nhau nên ảnh vệ tinh Landsat 8 thể hiện tương đối đầy đủ các đặc trưng nổi bật và khái quát của các đối tượng trên bề mặt trái đất. Nhưng vấn đề cốt lõi để có thể giải đoán, chiết suất các thông tin hữu ích từ ảnh viễn thám đòi hỏi phải có kiến thức chuyên gia và bề dày kinh nghiệm về giải đoán ảnh, xử lý 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 các thông tin về đối tượng. Bài báo đã đề cập vấn đề cơ bản về kỹ thuật tổ hợp màu đối với ảnh vệ tinh Landsat 8. Nó được xem như là phương pháp tối ưu trợ giúp cho công tác giải đoán ảnh. Mặt khác ảnh vệ tinh Landsat 8 có độ phân giải không gian đạt 15m luôn luôn thỏa mãn điều kiện ≤ 0,1xM = 25m (M là mẫu số tỉ lệ bản đồ) nên dư thừa về độ chính xác cho thành lập mới và hiện chỉnh bản đồ địa hình ở tỉ lệ 1:250.000 và nhỏ hơn.

Việc ứng dụng kịp thời ảnh vệ tinh Landsat 8 trong công tác sản xuất hiện chỉnh bản đồ địa hình góp phần đổi mới nâng cao chất lượng Hệ thống bản đồ địa hình quốc gia tỷ lệ 1:250.000 và nhỏ hơn./.

Tài liệu tham khảo

[1] TCVN/QS 1488:2011, Tiêu chuẩn quốc gia Địa hình quân sự - Sản phẩm Đo đạc Bản đồ, 2011.

[2] Lê Đại Ngọc, (2009), Tổ hợp màu để giải đoán ảnh vệ tinh Landsat 7 phục vụ hiện chỉnh bản đồ địa hình 1:250.000, Thông tin Địa hình quân sự, (4), tr. 68-74.

[3] http://landsat.usgs.gov/landsat8.php Thông tin chi tiết về vệ tinh Landsat 8 do cơ quan Đo đạc địa chất Mỹ cung cấp USGS.

[4] http://earthexplorer.usgs.gov/ Địa chỉ tải ảnh Landsat 8 miễn phí.

[5] http://landsat.usgs.gov/Landsat_Processing_Details.php. Thông tin chi tiết về mức xử lý 1T cho dữ liệu Landsat 8.

---