Tóm tắt Luận văn Nghiên cứu và phát triển phương pháp phân lớp lúa ở đồng bằng sông Hồng sử dụng ảnh vệ tinh Landsat 8

MỤC LỤC ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN HOÀNG ANH NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN PHƯƠNG PHÁP PHÂN LỚP LÚA Ở ĐỒNG BẰNG SÔNG HỒNG SỬ DỤNG ẢNH VỆ TINH LANDSAT 8 NGÀNH: CÔNG NGHỆ THÔNG TIN CHUYÊN NGÀNH: HỆ THỐNG THÔNG TIN MÃ SỐ: LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. BÙI QUANG HƯNG Tính cấp thiết của đề tài ................................................................................................................................ Phạm vi nghiên cứu ................................................................................................................................ Phần I, Tổng quan nghiên cứu ................................................................................................ 1.1 Giới thiệu về viễn thám ................................................................ 1.2 Phân loại ảnh trong viễn thám ................................................................ 1.3 Đặt vấn đề và xác định bài toán ................................................................ 1.4 Sự phát triển của các hệ phân loại lớp phủ .................. Error! Bookmark not defined. 1.5 Những nghiên cứu phân loại lớp phủ ngày nay............. Error! Bookmark not defined. Phần II: Phương pháp phân loại ................................................................................. Error! Bookmark not defined. 2.1 Phương thức dựa trên phân loại điểm ảnh ..................................... Error! Bookmark not defined. 2.2 Phân loại định hướng đối tượng (objectoriented classification) ........... Error! Bookmark not defined. 2.3 Một số thuật toán rộng rãi được sử dụng và hiệu quả của nó ............... Error! Bookmark not defined. Phần III: Nghiên cứu và thực nghiệm phân lớp lúa cho ĐBSH ................................................................ 3.1 Khu vực nghiên cứu và dữ liệu ảnh vệ tinh ................................................................ 3.1.1: Đặc điểm tự nhiên của đồng bằng sông Hồng ................................................................ 3.1.2 Dữ liệu ảnh vệ tinh ................................................................................................ 3.2. Dữ liệu phụ trợ................................................................................................................................ 3.2.1. Dữ liệu thống kê tình hình sản xuất lúa. ................................................................ a,Vụ lúa đông xuân ................................................................................................ b, Vụ lúa mùa 11 3.2.2. Dữ liệu thống kê diện tích sản xuất lúa. ................................................................ a, Vụ lúa đông xuân................................................................... Error! Bookmark not defined. b, Vụ lúa mùa Error! Bookmark not defined. 3.3 Thu thập dữ liệu và tiền xử lý dữ liệu ảnh Landsat 8 ................................................................ 3.3.1 Thu thập ảnh Landsat 8 ................................................................................................ 3.3.2.Cắt ảnh 13 Cắt ảnh landsat 8 theo địa giới của đồng bằng sông Hồng ................................................................ Code thao tác cắt ảnh[Mosaic] ...................................................... Error! Bookmark not defined. 3.3.3 xử lý ảnh mặt nạ mây (CloudMask) ................................................................ Code xử lý ảnh cfamask để đưa ra mặt nạ mây ở mức đầy đủ.[cfmaskfull] ... Error! Bookmark not defined. 3.3.4 Ghép ảnh hoàn thiện tiền xử lý ................................................................ 3.4 Phương thức phân loại lớp Lúa ................................................................................................ a ,Phân tích đặc tính sinh trưởng của lúa................................................................ b. Mô tả thuật toán(Thuật toán ngưỡng) ................................................................ c. Random forest Error! Bookmark not defined. d, Thực nghiệm Error! Bookmark not defined. Đánh giá kết quả Error! Bookmark not defined. Kết luận Error! Bookmark not defined. Phần IV:Tổng kết ................................................................................................................................ [Mosaic] Đoạn code chạy cắt ảnh theo vị trí địa lý của sông Hồng .............................. Error! Bookmark not defined. [cfmaskfull]Đoạn code xử lý ảnh cfmask ................................................................... Error! Bookmark not defined. [findcloud] Code để bóc tách mây ra khỏi ảnh dữ liệu landsat 8 surface ................................................................. Error! Bookmark not defined. [composite] Codecomposite nhiều ảnh trong một tháng của landsat 8 ...................................................................... Error! Bookmark not defined. MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài Lúa nước là một trong những cây trồng quan trọng nhất trên toàn cầu, chiếm hơn 11% diện tích đất trồng trọt toàn cầu (Maclean, Instutute et al.2002), và cung cấp 481 triệu tấn gạo mỗi năm trên toàn thế giới(FAOSTAST 2010). Đối với sự phân bố không gian của ruộng lúa là cần thiết để ước lượng gạo hàng năm sản xuất, sử dụng nước thủy lợi, tài nguyên nước và quản lý sử dụng đất. Việc điều tra nông sản chủ yếu dựa vào số liệu thống kê trên cơ sở lấy mẫu hạn chế thực hiện tại các cấp cơ sở cho phép ngoại suy để cung cấp(diện tích, năng suất, sản xuất) dữ liệu trên huyện , tỉnh và quy mô quốc gia(Sun, huang et al.2009). Mặc dù điều tra có thể cung cấp các ước tính thông kê, nhưng dữ liệu không thể cung cấp thông tin kịp thời. Trong trường hợp của Việt Nam, số liệu lúa được cung cấp bởi hai nguồn: là số liệu điều tra hàng năm từ các cơ quan thống kê(Tổng cục Thống kê- GSo) hoặc chi cục thống kê – DSO; dữ liệu thống kê kiểm kê đất toàn quốc với chu kỳ năm năm 1 lần( MPI 2004). Rất khó để có được theo dõi lúa trên liên tục kịp thời, điều này rất quan trọng trong việc hiện nay, vì lý gạo là ảnh hưởng đển quan trọng nhất an ninh, lương thực, tài nguyên nước, nhưng có thể thay đổi thường xuyên theo mùa và không gian. Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu này tập trung vào nghiên cứu và phát triển các thuật toán phân lớp lúa cho hình ảnh vệ tinh Landsat 8 tại Đồng bằng châu thổ Sông Hồng của Việt Nam. Mục đích chính của việc này là để xây dựng được sự phân bố không gian các vùng trồng lúa đồng bằng sông Hồng như thể nào trong khoảng thời gian năm 2013- 2016 và sử dụng phương pháp để kết hợp nguồn dữ liệu viễn thám khác nhau nhằm nâng cao độ chính xác việc chiết xuất lúa từ dữ liệu Landsat 8. PHẦN I, TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1.1 Giới thiệu về viễn thám viễn thám là môn khoa học nghiên cứu việc đo đạc, thu thập thông tin về một đối tượng, sự vật bằng cách sử dụng thiết bị đo qua tác động một cách gián tiếp (ví dụ như qua các bước sóng ánh sáng) với đối tượng nghiên cứu[7]. Viễn thám không chỉ tìm hiểu bề mặt của Trái Đất hay các hành tinh mà nó còn có thể thăm dò được cả trong các lớp sâu bên trong các hành tinh. Trên Trái Đất, người ta có thể sử dụng máy bay dân dụng, chuyên dụng hay các vệ tinh nhân tạo để thu phát các ảnh viễn thám[7]. Có hai loại viễn thám chính là viễn thám thụ động và viễn thám chủ động. Các cảm biến thụ động thu nhận các bức xạ tự nhiên được phát ra hoặc được phản xạ từ vật thể hoặc khu vực xung quanh. Phản xạ ánh sáng mặt trời là một nguồn phổ biến nhất mà các cảm biến thụ động thu nhận. Ví dụ, các cảm biến viễn thám thụ động như phim trong nhiếp ảnh. hồng ngoại, thiết bị tích hợp sạt và máy đo sóng radio. Thu nhận dữ liệu chủ động là ghi nhận các bước sóng điện từ do những nguồn chủ động phát ra, chúng đi đến đối tượng rồi phản xạ lại sau đó cảm biến thu nhận tín hiệu. RADAR và LiDAR là những ví dụ về cảm biến chủ động trong khi đó có thời gian trễ giữa lúc phát ra và thu nhận sóng điện từ trong quá trình đo đạc để xác định vị trí, vận tốc và phương hướng di chuyển của một đối tượng[7].  Cảm biến viễn thám: Cảm biến là các thiết bị tạo ra ảnh về sự phân bố năng lượng phản xạ hay phát xạ của các vật thể từ mặt đất theo những phần nhất định của quang phổ điện từ[7]. Việc phân loại các cảm biến dựa theo dãi sóng thu nhận, chức năng hoạt động, cũng có thể phân loại theo kết cấu.  Cảm biến chia ra là cảm biến chủ động và cảm biến bị động Cảm biến bị động thu nhận bức xạ do vật thể phản xạ hoặc phát xạ từ nguồn phát tự nhiên là Mặt Trời. Cảm biến chủ động lại thu năng lượng do vật thể phản xạ từ một nguồn cung cấp nhân tạo[1]. 1.2 Phân loại ảnh trong viễn thám  Ảnh quang học: là loại ảnh được tạo ra bởi việc thu nhận các bước sóng ánh sáng nhìn thấy (bước sóng 0.4-0.76 micromet).  Ảnh hồng ngoại: là loại ảnh được tạo ra bởi việc thu nhận các bước sóng hồng ngoại phát ra từ vật thể (bước sóng 8-14 micromet).  Ảnh radar: là loại ảnh được tạo ra bởi việc thu nhận các bước sóng trong dãi sóng siêu cao tần (bước sóng lớn hơn 2 cm).  Ảnh thu được bằng sóng địa chấn cũng là một loại ảnh viễn thám. Ảnh viễn thám có thể được lưu theo các kênh ảnh đơn (trắng đen) ở dạng số trong máy tính hoặc các kênh ảnh được tổ hợp (ảnh màu) hoặc có thể in ra giấy, tùy theo mục đích người sử dụng.[7] 1.3 Đặt vấn đề và xác định bài toán Đồng bằng sông Hồng trải rộng từ vĩ độ 21°34´B (huyện Lập Thạch) tới vùng bãi bồi khoảng 19°5´B (huyện Kim Sơn), từ 105°17´Đ (huyện Ba Vì) đến 107°7´Đ (trên đảo Cát Bà). Toàn vùng có diện tích: 15.000 km², chiếm 4,6% diện tích của cả nước. Phía bắc và đông bắc là Vùng Đông Bắc (Việt Nam), phía tây và tây nam là vùng Tây Bắc, phía đông là vịnh Bắc Bộ và phía nam vùng Bắc Trung Bộ. Đồng bằng thấp dần từ Tây Bắc xuống Đông Nam, từ các thềm phù sa cổ 10 - 15m xuống đến các bãi bồi 2 - 4m ở trung tâm rồi các bãi triều hàng ngày còn ngập phục vụ một mục đích cụ thể hoặc chỉ là một lớp thông tin của lớp phủ mặt đất như lớp PHẦN III: NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM PHÂN LỚP LÚA CHO ĐỒNG BẰNG SÔNG HỒNG 3.1 Khu vực nghiên cứu và dữ liệu ảnh vệ tinh 3.1.1: Đặc điểm tự nhiên của đồng bằng sông Hồng Hình 3.1 Bản đồ vùng đồng bằng sông Hồng 3.1.2 Dữ liệu ảnh vệ tinh 3.2. Dữ liệu phụ trợ 3.2.1. Dữ liệu thống kê tình hình sản xuất lúa. a,Vụ lúa đông xuân b, Vụ lúa mùa 3.2.2. Dữ liệu thống kê diện tích sản xuất lúa. Diện tích sản xuất lúa ở đồng bằng sông Hồng được thu thập từ nguồn 3.3 Thu thập dữ liệu và tiền xử lý dữ liệu ảnh Landsat 8 3.3.1 Thu thập ảnh Landsat 8 Hình 3.5. Dữ liệu giải nén của cảnh ảnh 2014- 045-076 Landsat 8 Hình 3.6 Footprint của một ảnh trên earthexplorer cung cấp Thống kê số lượng ảnh từ năm 2013-2016 STT Năm Số lượng ảnh 1 2013 61 2 2014 91 3 2015 93 4 2016 92 Hình 3.7 3.3.2.Cắt ảnh Cắt ảnh landsat 8 theo địa giới của đồng bằng sông Hồng Hình 3.8 Ảnh LC81260452014172- SC20170227074935 3.3.3 xử lý ảnh mặt nạ mây (CloudMask) Kết quả đánh giá: Hình ảnh 3.12: Ảnh LC81260452013105- SC20170307115107 3.3.4 Ghép ảnh hoàn thiện tiền xử lý Hình 3.13 : Hình footprint của landsat 8 trên ĐBSH b, tiến hành ghép ảnh 3.4 Phương thức phân loại lớp Lúa Kết quả : a ,Phân tích đặc tính sinh trưởng của lúa Một đặc điểm vật lý dùng để phân biệt giữa lúa và các vùng che phủ khác Hình 1. Sự thay đổi của các chỉ số thực vật theo thời gian Trong đó ρnir, ρred, ρblue, ρswir là chỉ số của kênh cận hồng ngoại, kênh đỏ, kênh xanh dương và kênh trung hồng ngoại. b. Mô tả thuật toán(Thuật toán ngưỡng) Thuật toán được miêu tả vắn tắt qua sơ đồ khối sau: Hình 2. Mô tả thuật toán sử dụng ngưỡng sau: Phần IV:Tổng kết Tham khảo : [1]An assessment of the effectiveness of decision tree methods for land cover classification - Mahesh Pal, Paul M. Mather [2]Mapping rice paddy extent and intensification in the Vietnamese Mekong River Delta with dense time stacks of landsat data –Caitlin Kontgis,Annemarie,Mutlu Ozdogan [3]Evolution of regional to global paddy rice mapping methods: A review – Jinwei Dong, xiangming Xiao [4]Nghiên cứu các phương pháp sử dụng ảnh MODIS để phân lớp khu vực trồng lúa tại Đồng bằng sông Hồng Nguyễn Xuân Đức, Lê Hồng Quang, Trần Lê Minh Nhật K58CA - Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội. [5] Huete, A., et al, Overview of the radio metricand biophysical performance of the MODIS vegetation indices. Remote Sensing of Environment (2002), 83, Elsevier-USA, pp 195– 213. [6] [7] nghiên cứu giải đoán ảnh vệ tinh để lấy thông tin phù sa ở vùng đbscl- PGS.TS Lê Mạnh Hùng, TS. Nguyễn Nghĩa Hùng [8] Kết quả nghiên cứu ứng dụng công nghệ gis và công nghệ viễn thám vào quản lý sản xuất lúa vùng đồng bằng sông cửu long- TSKH. Nguyễn Đăng Vỹ [9] Ứng dụng dữ liệu ảnh modis đa thời gian trong lập bản đồ diện tích trồng lúa ở tỉnh ninh bình - Lê Văn Dũng , Lê Phương Thảo -Khoa Công nghệ Thông tin, Học viện Nông nghiệp Việt Nam [10]Ứng dụng dữ liệu viễn thám hồng ngoại nhiệt Landsat nghiên cứu độ ẩm đất trên cơ sở chỉ số khô hạn nhiệt đột thực vật [11] https://vi.wikipedia.org/ [12]https://landsat.usgs.gov/using-usgs-landsat- 8-product [13] LANDSAT 8 (L8) DATA USERS HANDBOOK- Department of the Interior U.S. Geological Survey [14]