Luận văn Nghiên cứu triển khai phương pháp phát hiện biến động công trình biển sử dụng dữ liệu viễn thám

trình biển 10 1.1 ​Lý thuyết cơ bản về viễn thám 10 1 ​.1.1 Khái niệm: 10 1 ​.1.2 Nguyên lý cơ bản của viễn thám: 12 1 ​.1.3 Phương pháp xử lý dữ liệu viễn thám: 15 1.2​ ​Lý thuyết cơ bản về công trình biển 18 1 ​.2.1 Cảng biển: 18 1 ​.2.2 Đảo nhân tạo: 21 Chương 2: Phương pháp phát hiện biến động công trình biển sử dụng dữ liệu viễn thám 25 2 ​.1 Tổng quan về phương pháp phát hiện biến động công trình biển sử dụng dữ liệu viễn thám 25 2 ​.2 Giới thiệu về dữ liệu viễn thám PlanetScope 27 2 ​.3 Mô tả phương pháp phát hiện biến động được lựa chọn 28 2 ​.3.1 Tiền xử lý dữ liệu 29 2 ​.3.2 Thuật toán tách mây 30 2 ​.3.3 Thuật toán tách nước 31 2 ​.3.4 Kết hợp cảnh ảnh, trích xuất biến động 32 2 ​.3.5 Phân lớp biến động 3​3 2 ​.3.6 Tích hợp kết quả: 3​5 Chương 3: Thực nghiệm 3​6 1 3 ​.1 Giới thiệu vùng nghiên cứu và phương pháp thực nghiệm 3​6 3 ​.1.1 Vùng nghiên cứu: 3​6 3 ​.1.2 Phương pháp thực nghiệm 4​2 3 ​.2 Kết quả thực nghiệm phương pháp phát hiện biến động 4​2 3 ​.3 Kết quả thực nghiệm phương pháp phân lớp biến động 5​2 KẾT LUẬN 5​7 TÀI LIỆU THAM KHẢO 5​8 2 LỜI CẢM ƠN Trước tiên tôi xin dành lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến cô giáo, PGS. TS. Nguyễn Thị Nhật Thanh – người đã hướng dẫn, khuyến khích, chỉ bảo và tạo cho tôi những điều kiện tốt nhất từ khi bắt đầu cho tới khi hoàn thành công việc của mình. Tôi xin dành lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô giáo khoa Công nghệ thông tin, trường Đại học Công nghệ, ĐHQGHN đã tận tình đào tạo, cung cấp cho tôi những kiến thức vô cùng quý giá và đã tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu tại trường. Cuối cùng, tôi xin cảm ơn tất cả những người thân yêu trong gia đình tôi cùng toàn thể bạn bè những người đã luôn giúp đỡ, động viên tôi những khi vấp phải những khó khăn, bế tắc. 3 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng luận văn thạc sĩ công nghệ thông tin “Nghiên cứu triển khai phương pháp phát hiện biến động công trình biển sử dụng dữ liệu viễn thám” là công trình nghiên cứu của riêng tôi, không sao chép lại của người khác. Trong toàn bộ nội dung của luận văn, những điều đã được trình bày hoặc là của chính cá nhân tôi hoặc là được tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu. Tất cả các nguồn tài liệu tham khảo đều có xuất xứ rõ ràng và hợp pháp. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định cho lời cam đoan này. Hà Nội, ngày 20 tháng 07 năm 2020 4 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Sơ đồ thu nhận ảnh viễn thám (A: Măṭ Trời; B: Sóng điêṇ từ; C: Bề măṭ Trái Đất; D: Vâṭ bay chụp ảnh viễn thám, ví dụ: vê ̣tinh, máy bay ; E: Tín hiêụ vâṭ bay trả về trạm thu ảnh; F: Ảnh viễn thám thu được; G: Ứng dụng dựa trên ảnh viễn thám). (Nguồn: Trung tâm viễn thám quốc gia Canada) 12 Hình 1.2: Vệ tinh viễn thám VNREDSat-1 của Việt Nam trên quỹ đạo. (Nguồn: Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam - VAST) 13 Hình 1.3: Ảnh vệ tinh viễn thám PlanetScope của Mỹ chụp ảnh thành phố San Francisco, bang California, Mỹ. (Nguồn: Planet.com) 13 Hình 1.4: Nguyên lý chụp ảnh viễn thám của vệ tinh: Ánh sáng từ Mặt Trời (Sun) chiếu đến vật thể (Object) thì phản xạ lại qua bộ lọc trên vệ tinh (Filter) trước khi đi vào ống kính (Camera) để tạo ra ảnh viễn thám. (Nguồn: Planet.com) 14 Hình 1.5: Quy trình thu nhận, xử lý, lưu trữ và phân phối dữ liệu viễn thám thu bởi vệ tinh (TDRS và TRMM) tại các trung tâm quan sát Trái Đất (Earth Observation Center). (Nguồn: NASDA) 15 Hình 1.6: Tác động cản trở ánh sáng Mặt Trời (Solar) của mây (Cloud và Broken Cloud Layer) lên ảnh của vật thể (Target) thu được trên vệ tinh (Satellite Sensor). (Nguồn: Sciencedirect.com) 16 Hình 1.7: Quy trình giải đoán ảnh viễn thám bằng mắt (Interpretation and Analysis) để tìm kiếm thông tin, lập bản đồ hoặc sản xuất các ứng dụng thống kê (Information, maps and statistics for Applications). (Nguồn: Đại học Minnesota, Mỹ) 17 Hình 1.8: Quy trình giải đoán ảnh viễn thám bằng công cụ số (Bounding Box Selection, Graph Construction) để tìm kiếm thông tin, đo đạc thống kê (Measuring spatiotemporal evolutions). (Nguồn: Sciencedirect.com) 18 Hình 1.9: Cảng quân sự Du Lâm, Trung Quốc. (Nguồn: Google Earth) 20 Hình 1.10: Cảng dầu thuộc cảng quân sự Du Lâm, Trung Quốc. (Nguồn: Google Earth)21 Hình 1.11: Cảng vật liệu thuộc cảng quân sự Du Lâm, Trung Quốc. (Nguồn: Google Earth) 22 Hình 1.12: Đảo nhân tạo Dubai, UAE. (Nguồn: Google Earth) 23 Hình 1.13: Đảo nhân tạo Xubi do Trung Quốc xây dựng trái phép tại quần đảo Trường Sa, Việt Nam. (Nguồn: Google Earth) 23 Hình 1.14: Đảo nhân tạo Chữ Thập do Trung Quốc xây dựng trái phép tại quần đảo Trường Sa, Việt Nam. (Nguồn: Google Earth) 24 5 Hình 2.1: Sử dụng ảnh viễn thám vệ tinh giúp phát hiện tòa nhà mới được xây dựng(Areas of changed building) ở khu phố Palace, Luân đôn, Anh năm 2011. (Nguồn: ScienceDirect.com) 26 Hình 2.2: Vệ tinh PlanetScope. (Nguồn: Planet.com) 28 Hình 2.3: Ảnh vệ tinh PlanetScope chụp cảng hàng hóa Yangshan, Thượng Hải, Trung Quốc ngày 06/01/2020. (Nguồn: Planet.com) 29 Hình 2.4: Quy trình thuật toán phát hiện và phân lớp biến động công trình sử dụng dữ liệu viễn thám vệ tinh PlanetScope. 30 Hình 3.1: Cảng Dung Quất, tỉnh Quảng Ngãi, Việt Nam (Ảnh Google Earth, ngày 14/05/2019). 38 Hình 3.2: Cảng Dung Quất, tỉnh Quảng Ngãi, Việt Nam (Ảnh Google Earth, ngày 10/03/2017). 39 Hình 3.3: Cảng Dung Quất, tỉnh Quảng Ngãi, Việt Nam (Ảnh Google Earth, ngày 07/09/2018). 39 Hình 3.4: Đảo nhân tạo Phượng Hoàng Tam Á, đảo Hải Nam, Trung Quốc (Ảnh Google Earth, ngày 07/09/2020). 40 Hình 3.5: Đảo nhân tạo Phượng Hoàng Tam Á, đảo Hải Nam, Trung Quốc (Ảnh Google Earth, ngày 17/02/2016). 41 Hình 3.6: Đảo nhân tạo Phượng Hoàng Tam Á, đảo Hải Nam, Trung Quốc (Ảnh Google Earth, ngày 12/05/2017). 41 Hình 3.7: Ảnh vệ tinh PlanetScope chụp cảng Dung Quất, Quảng Ngãi, Việt Nam (ngày 21/03/2017). 43 Hình 3.8: Ảnh vệ tinh PlanetScope chụp cảng Dung Quất, Quảng Ngãi, Việt Nam (ngày 21/11/2018). 44 Hình 3.9: Ảnh kết quả khu vực biến động (Màu trắng) của cảng Dung Quất, Quảng Ngãi, Việt Nam giữa 02 thời điểm chụp ảnh. 45 Hình 3.10: Ảnh kết quả khu vực giữ nguyên (Màu trắng) của cảng Dung Quất, Quảng Ngãi, Việt Nam giữa 02 thời điểm chụp ảnh. 46 Hình 3.11: Ảnh vệ tinh PlanetScope chụp đảo nhân tạo Phượng Hoàng Tam Á, Trung Quốc (ngày 16/02/2016). 47 Hình 3.12: Ảnh vệ tinh PlanetScope chụp đảo nhân tạo Phượng Hoàng Tam Á, Trung Quốc (ngày 06/01/2017). 48 Hình 3.13: Ảnh kết quả khu vực biến động (Màu trắng) của đảo nhân tạo Phượng Hoàng Tam Á, Trung Quốc giữa 02 thời điểm chụp ảnh. 49 6 Hình 3.14: Ảnh kết quả khu vực giữ nguyên (Màu trắng) của đảo nhân tạo Phượng Hoàng Tam Á, Trung Quốc giữa 02 thời điểm chụp ảnh. 50 Hình 3.15: Ảnh kết quả lấy mẫu bằng mắt người khu vực biến động tại cảng Dung Quất, Quảng Ngãi (Màu đỏ là điểm biến động, Màu xanh là điểm giữ nguyên). 51 Hình 3.16: Ảnh kết quả lấy mẫu bằng mắt người khu vực biến động tại đảo nhân tạo Phượng Hoàng Tam Á, Trung Quốc (Màu đỏ là điểm biến động, Màu xanh là điểm giữ nguyên). 52 Hình 3.17: Ảnh kết quả phân lớp biến động cảng Dung Quất, Quảng Ngãi, Việt Nam giữa năm 2017 và 2018. 53 Hình 3.18: Ảnh các chi tiết tương đồng giữa ảnh PlanetScope (Bên trái), ảnh biến động tổng hợp (Ở giữa) và ảnh Google Earth (Bên phải). 54 Hình 3.19: Ảnh kết quả phân lớp biến động đảo nhân tạo Phượng Hoàng Tam Á, Trung Quốc giữa năm 2016 và 2017. 55 Hình 3.20: Ảnh các chi tiết tương đồng giữa ảnh PlanetScope (Bên trái), ảnh biến động tổng hợp (Ở giữa) và ảnh Google Earth (Bên phải). 56 7 MỞ ĐẦU Công trình biển bao gồm các công trình do con người xây dựng ở vùng bờ biển hoặc ngoài khơi đại dương như cảng biển, giàn thăm dò dầu khí, đảo nhân tạo Hoạt động quản lý, giám sát công trình biển, trong đó có hoạt động phát hiện biến động đóng vai trò không thể thiếu trong việc quy hoạch, sớm cảnh báo các nguy cơ về môi trường hoặc các hoạt động xây dựng trái phép. Theo dõi và đánh giá biến động ở những khu vực công trình biển ở ven bờ cũng như ngoài khơi góp phần không nhỏ trong phát triển kinh tế xã hội, đồng thời đảm bảo an ninh quốc phòng. Trên thế giới hiện nay, các chuyên gia đã và đang sử dụng nhiều cách tiếp cận khác nhau, từ đo đạc thủ công đến sử dụng công cụ tính toán tự động, trong việc phát hiện biến động công trình biển. Trong các cách tiếp cận trên, sử dụng các công cụ tự động khai thác dữ liệu viễn thám là một phương pháp mang nhiều ưu thế vượt trội, giúp theo dõi, phát hiện từ xa, trên quy mô rộng lớn và một cách tự động hoặc bán tự động, những biến động của công trình biển. Các nhà khoa học trên thế giới đã triển khai nhiều nghiên cứu tập trung vào phát hiện biến động trên toàn bộ bề mặt Trái Đất bằng phương pháp sử dụng loại dữ liệu viễn thám tiêu biểu nhất, đó là ảnh vệ tinh. Các nghiên cứu trên đã đề xuất nhiều thuật toán khác nhau để phát hiện biến động công trình nhân tạo nói chung và công trình biển nói riêng. Về tổng thể, có thể chia các thuật toán phát hiện biến động công trình biển thành hai cách tiếp cận chính, đó là: Phát hiện biến động không dùng phân loại (​pre-classification) và phát hiện biến động sử dụng phân loại (​post-classification) ​[1]. Phát hiện biến động không dùng phân loại có bản chất là phát hiện thay đổi lớp phủ giữa các thời điểm chụp ảnh khác nhau dựa trên giả định là thay đổi tại bề mặt gây ra sự khác biệt về giá trị phản xạ quang phổ tại các thời điểm khác nhau. Kết quả đầu ra thu được là các bản đồ chỉ thị ​thay đổi và ​không thay đổi ​nhưng không cung cấp thông tin chi tiết về loại thay đổi. Trong khi đó, phương pháp phát hiện biến động dựa trên phân loại sử dụng việc so sánh các bản đồ lớp phủ bề mặt giữa các thời điểm chụp ảnh khác nhau, từ đó tạo ra kết quả phân tích thay đổi bao gồm cả thông tin về loại thay đổi [9]. Tuy nhiên, phương 8 pháp này đòi hỏi nguồn dữ liệu đầu vào bao gồm cả bản đồ lớp phủ với lượng thông tin phong phú, điều này là không khả thi với điều kiện nghiên cứu còn nhiều hạn chế. Tại Việt Nam, năm 2016, trên tạp chí trên Tạp chí Khoa học công nghệ và Môi trường Công An, số 70 [11], ThS. Mẫn Đức Chức đã công bố nghiên cứu về việc xây dựng công cụ tự động sử dụng dữ liệu ảnh vệ tinh viễn thám VNREDSat-1 của Việt Nam để phát hiện biến động đảo tự nhiên do cải tạo của con người trên biển. Kết quả nghiên cứu của ThS. Mẫn Đức Chức khẳng định tính khả thi của việc phát triển thuật toán tự động phát hiện biến động các dạng công trình trên biển sử dụng dữ liệu viễn thám. Với mục tiêu đặt ra của đề tài ​Nghiên cứu triển khai phương pháp phát hiện biến động công trình biển sử dụng dữ liệu viễn thám là phát hiện biến động công trình biển với nguồn dữ liệu đầu vào có thể dễ dàng tìm kiếm, phù hợp với điều kiện của nghiên cứu phổ biến tại các phòng nghiên cứu ở Việt Nam, đề tài này đã kế thừa kết quả nghiên cứu của ThS. Mẫn Đức Chức và phát triển kết quả trên để sử dụng được dữ liệu ảnh vệ tinh viễn thám PlanetScope, loại dữ liệu ảnh vệ tinh đang ngày càng phổ biến với các trung tâm nghiên cứu trên thế giới, trong việc phát hiện biến động 02 dạng công trình biển tiêu biểu là cảng biển và đảo nhân tạo. Luận văn của đề tài được tác giả trình bày theo cấu trúc như sau. Chương 1 giới thiệu về đề tài nghiên cứu của luận văn. Chương 2 trình bày tổng quan các khái niệm cơ bản về công trình biển và về viễn thám. Phần giới thiệu về dữ liệu viễn thám được sử dụng (PlanetScope) và phương pháp ứng dụng dữ liệu viễn thám nhằm phát hiện biến động của công trình biển được trình bày trong chương 3. Sau đó, chương 4 trình bày kết quả thực nghiệm trên 02 khu vực địa lý cụ thể. Cuối cùng là phần kết luận, định hướng nghiên cứu tiếp theo. 9 Chương 1: Lý thuyết cơ bản về viễn thám và công trình biển 1.1 Lý thuyết cơ bản về viễn thám 1.1.1 Khái niệm: Xuất phát từ những khó khăn do điều kiện tự nhiên làm cản trở việc tiếp cận trực tiếp trong cự ly gần để nghiên cứu đối tượng, viễn thám sinh ra dựa trên kỹ thuật chụp ảnh bề mặt Trái Đất từ trên cao sử dụng các thiết bị bay như khinh khí cầu, máy bay hay phổ biến nhất hiện nay là sử dụng vệ tinh chụp ảnh. Qua hơn 100 năm ứng dụng từ những loại hình thô sơ nhất là những bức ảnh đen trắng chụp trên khinh khí cầu cho tới những bức ảnh quang học đa phổ, ảnh radar chụp bởi vệ tinh ở trên quỹ đạo như hiện nay, viễn thám đã và đang góp những ứng dụng quan trọng cho nhiều ngành khoa học của nhân loại. Hình 1.1: Sơ đồ thu nhận ảnh viễn thám (A: Măṭ Trời; B: Sóng điêṇ từ; C: Bề măṭ Trái Đất; D: Vâṭ bay chụp ảnh viễn thám, ví dụ: vê ̣tinh, máy bay ; E: Tín hiêụ vâṭ bay trả về trạm thu ảnh; F: Ảnh viễn thám thu được; G: Ứng dụng dựa trên ảnh viễn thám). (Nguồn: Trung tâm viễn thám quốc gia Canada) Viễn thám được định nghĩa là ngành khoa học nghiên cứu bề mặt Trái Đất từ xa sử dụng các công cụ chụp ảnh bề mặt Trái Đất từ trên cao như vệ 10 tinh, máy bay, thiết bị bay không người lái... Trong thực tế, xét trên yếu tố mục đích nghiên cứu, viễn thám được định nghĩa là sự thu thập và phân tích thông tin đối tượng mà cần phải tiếp xúc trực tiếp. Đây là lĩnh vực đã có lịch sử phát triển từ những năm đầu thế kỷ XX, dựa trên những thành tựu khoa học công nghê ̣ tiên tiến nhất như công nghệ quang học, giải mã, công nghệ vũ trụ không gian, công nghệ tin học Viễn thám không chỉ là môṭ ứng dụng công nghê ̣ thông thường mà còn là một môn khoa học đa ngành kết hợp tri thức của nhiều lĩnh vực, nhiều chủ đề với mục tiêu cung cấp thông tin nhanh chóng, khách quan nhất phục vụ các ứng dụng trong kinh tế, quân sự, khoa học và đời sống xã hôị. Hình 1.2: Vệ tinh viễn thám VNREDSat-1 của Việt Nam trên quỹ đạo. (Nguồn: Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam - VAST) 11 Hình 1.3: Ảnh vệ tinh viễn thám PlanetScope của Mỹ chụp ảnh thành phố San Francisco, bang California, Mỹ. (Nguồn: Planet.com) Viễn thám có đối tượng nghiên cứu chủ yếu là các sự vật và hiêṇ tượng xảy ra trên bề mặt Trái Đất. Không nghiên cứu trực tiếp các hiêṇ tượng và sự vật, viễn thám nghiên cứu gián tiếp thông qua hình ảnh của chúng. Những hình ảnh đó là các bảng mã về sự phân bố lại năng lượng Mặt Trời được phản xạ lại từ các vật trên bề mặt Trái Đất. 1.1.2 Nguyên lý cơ bản của viễn thám: Trong tự nhiên, năng lượng điện từ phản xạ hoặc bức xạ từ vật thể là nguồn cung cấp thông tin phong phú về các đặc điểm, tính chất của sự vật hiện tượng. Ảnh viễn thám thu được cung cấp thông tin thông qua năng lượng phản xạ hoặc bức xạ điện từ trên. Đo lường và phân tích năng lượng điện từ thu được từ ảnh viễn thám làm “hiện lên" những thông tin hữu ích về từng lớp phủ mặt đất, mặt nước khác nhau do sự tương tác phong phú giữa bức xạ điện từ và vật thể. Thiết bị dùng để cảm nhận sóng điện từ phản xạ hay bức xạ từ vật thể được gọi là bộ cảm biến. Bộ cảm biến có thể là những chiếc máy ảnh hoặc máy quét tần số điện từ mắt thường không nhìn thấy, được lắp đặt trên vật mang dạng máy bay, khinh khí cầu, tàu con thoi hoặc vệ tinh. 12 Hình 1.4: Nguyên lý chụp ảnh viễn thám của vệ tinh: Ánh sáng từ Mặt Trời (Sun) chiếu đến vật thể (Object) thì phản xạ lại qua bộ lọc trên vệ tinh (Filter) trước khi đi vào ống kính (Camera) để tạo ra ảnh viễn thám. (Nguồn: Planet.com) Sau khi bộ cảm biến thu nhận năng lượng của sóng điện từ do các vật thể phản xạ hay bức xạ, thông tin về năng lượng phản xạ của vật thể lưu lại trên ảnh viễn thám và tiếp theo được xử lý tự động trên máy tính hoặc giải đoán trực tiếp dựa trên kinh nghiệm của các chuyên gia nhận dạng sự vật hiện tượng. Bước cuối cùng, các dữ liệu hoặc thông tin liên quan đến các vật thể và hiện tượng khác nhau trên mặt đất, mặt nước sẽ được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như nông lâm nghiệp, địa chất, khí tượng, môi trường, quân sự Toàn bộ quá trình thu nhập và xử lý ảnh viễn thám phụ thuộc vào 05 thành tố cơ bản sau: 1. Nguồn năng lượng bức xạ điện từ. 2. Sự tương tác của năng lượng bức xạ điện từ với khí quyển. 3. Sự tương tác của năng lượng bức xạ điện từ với các vật thể trên bề mặt đất, mặt nước. 4. Sự chuyển đổi năng lượng phản xạ từ vật thể thành dữ liệu trên ảnh. 13 5. Xử lý, chuyển đổi, hiển thị dữ liệu thành ảnh số phục vụ giải đoán, khai thác ứng dụng. Hình 1.5: Quy trình thu nhận, xử lý, lưu trữ và phân phối dữ liệu viễn thám thu bởi vệ tinh (TDRS và TRMM) tại các trung tâm quan sát Trái Đất (Earth Observation Center). (Nguồn: NASDA) Trong viễn thám, viễn thám quang học sử dụng nguồn năng lượng cung cấp chủ yếu là do Mặt Trời. Khoảng 75% năng lượng mặt trời khi tiếp xúc đến lớp ngoài của khí quyển được truyền xuống mặt đất và trong quá trình lan truyền sóng điện từ luôn bị khí quyển hấp thụ, tán xạ và khúc xạ trước khi đến bộ cảm biến. Các loại khí như oxy, nitơ và các phân tử lơ lửng trong khí quyển là tác nhân ảnh hưởng đến sự suy giảm năng lượng sóng điện từ lan truyền. 14 Hình 1.6: Tác động cản trở ánh sáng Mặt Trời (Solar) của mây (Cloud và Broken Cloud Layer) lên ảnh của vật thể (Target) thu được trên vệ tinh (Satellite Sensor). (Nguồn: Sciencedirect.com) 1.1.3 Phương pháp xử lý dữ liệu viễn thám: Có 2 phương pháp xử lý dữ liệu viễn thám phổ biến hiện nay đó là: ● Giải đoán bằng mắt thường: Giải đoán ảnh bằng mắt là phương pháp có thể áp dụng trong mọi điều kiện có trang thiết bị từ đơn giản nhất đến phức tạp nhất cũng như áp dụng trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu khác nhau như địa lý, địa chất, nông, lâm nghiệp, thủy sản, môi trường... Bên cạnh đó, phương pháp giải đoán ảnh bằng mắt đòi hỏi có sự hỗ trợ của các dụng cụ quang học như: kính lúp, kính lập thể, kính phóng đại, kính tổng hợp màu Cơ sở nền tảng để giải đoán ảnh bằng mắt là đưa các dấu hiệu giải đoán trực tiếp hoặc gián tiếp vào khóa giải đoán. 15 Hình 1.7: Quy trình giải đoán ảnh viễn thám bằng mắt (Interpretation and Analysis) để tìm kiếm thông tin, lập bản đồ hoặc sản xuất các ứng dụng thống kê (Information, maps and statistics for Applications). (Nguồn: Đại học Minnesota, Mỹ) Khi giải đoán một đối tượng cụ thể, người giải đoán cần nắm vững bản chất phản xạ phổ và các kiến thức về đặc điểm tự nhiên xã hội khác của đối tượng. Những đặc trưng cơ bản của các đối tượng bao gồm: + Cấp độ màu sắc: Là mức độ phản xạ năng lượng của đối tượng trên từng kênh phổ riêng biệt hoặc trên các tổ hợp màu giả khác nhau. + Cấu trúc màu sắc: Là một kiểu phân bố độ xám hoặc màu sắc trong ảnh. Những kiểu phân bố giống nhau phản ánh những đối tượng giống nhau. + Độ tương phản: Thể hiện sự tương quan trong màu sắc của các đối tượng kề nhau. + Dấu hiệu mẫu: Mỗi đối tượng thường được trình diễn bởi các kiểu mẫu nhất định. 16 + Hình dáng và kích thước: Hình dáng và kích thước là những dấu hiệu nhận biến quan trọng trong giải đoán ảnh. Căn cứ vào hình dạng, kích thước có thể suy ra những thông tin quan trọng khác như [2]. ● Giải đoán ảnh theo phương pháp số: Với mục đích tự động hoá và hạn chế sử dụng sức người so với phương pháp giải đoán ảnh bằng mắt, các chuyên gia sử dụng phương pháp xử lý ảnh số như một giải pháp xử lý nhanh chóng, hiệu quả, nhất là với tập dữ liệu viễn thám ngày càng khổng lồ. Hình 1.8: Quy trình giải đoán ảnh viễn thám bằng công cụ số (Bounding Box Selection, Graph Construction) để tìm kiếm thông tin, đo đạc thống kê (Measuring spatiotemporal evolutions). (Nguồn: Sciencedirect.com) Phương pháp giải đoán số phần lớn là để hỗ trợ quá trình giải đoán bằng mắt cuối cùng thông qua các chức năng: + Hiệu chỉnh ảnh: Hiệu chỉnh ảnh bao gồm bốn loại hiệu chỉnh cơ bản đó là hiệu chỉnh bức xạ, hiệu chỉnh khí quyển, hiệu chỉnh hình học và hiệu chỉnh phép chiếu bản đồ. + Tăng cường chất lượng ảnh và chiết tách các đặc tính: Tăng cường chất lượng ảnh là thao tác chuyển đổi nhằm tăng tính dễ đọc, dễ hiểu của ảnh cho người giải đoán. Trong khi đó, chiết tách đặc tính là thao tác nhằm phân loại, sắp xếp các thông tin có sẵn trong ảnh theo yêu cầu của ứng dụng. 17 Những phép tăng cường chất lượng ảnh thường được sử dụng là chuyển đổi cấp độ xám, chuyển đổi biểu đồ, tổ hợp màu, chuyển đổi màu giữa hai hệ màu đỏ lục lam và hệ ảnh siêu phổ (HSI) Sau khi tăng cường chất lượng ảnh, tổ hợp màu tùy ý gồm 03 màu cơ bản là đỏ, lục, lam được lựa chọn cho 03 kênh phổ nào đó để thu được ảnh có tổ hợp màu cho quá trình phân loại như [2]. + Phân loại ảnh: Phân loại ảnh là quá trình máy tính xử lý ảnh theo yêu cầu của người sử dụng đã được đưa vào máy thông qua giai đoạn chọn tệp mẫu. Máy tính tự động phân loại và cho ra kết quả dưới dạng ảnh đã được phân loại. + Xuất kết quả: Sau khi hoàn thành tất cả các quá trình xử lý cần phải xuất kết quả. Có thể lựa chọn không hạn chế các sản phẩm đầu ra, đó là sản phẩm bản đồ đồ họa, các số liệu thống kê hay các tệp dữ liệu số. 1.2 Lý thuyết cơ bản về công trình biển Công trình biển là công trình nhân tạo được xây dựng ở vùng ven biển, vùng nội thủy hoặc ở ngoài khơi xa. Trong thực tế, công trình biển có thể là một cảng tàu, một đê chắn sóng, một giàn khai thác dầu khí, thậm chí là một đảo nhân tạo được hình thành qua quá trình bồi đắp nhân tạo. Trong phạm vi vấn đề nghiên cứu của đề tài này, tác giả chỉ tập trung phân tích một số loại công trình biển thường gặp và tương đồng với dạng công trình biển tại khu vực nghiên cứu trong phần thực nghiệm sau này. Các dạng công trình được trình bày sau đây gồm: cảng biển và đảo nhân tạo. 1.2.1 Cảng biển: Cảng biển là công trình ven biển phục vụ các hoạt động hàng hải, đồng thời đây là nơi trú ẩn, neo đậu cho tàu, thuyền khi tập kết bốc xếp hàng hoá, tiếp tế hậu cần hoặc phòng tránh thiên tai. Cảng biển thường được xây dựng tại các vũng, vịnh, vùng cửa sông hoặc ngay trên các bờ thẳng ven biển; bên cạnh đó, một số cảng còn được xây dựng trên các đảo nhân tạo được củng cố bởi các công trình phòng vệ như đê, kè chắn sóng, đập bảo hộ. Cảng biển phải đảm bảo cho sự vận hành liên tục của tàu thuyền như phục vụ hoạt động cập bến, nhổ neo rời bến, bốc xếp hàng hóa hoặc làm trạm 18 trung chuyển cho hành khách. Nếu xét theo tiêu chí mục đích sử dụng thì có thể phân ra thành cảng quân sự và cảng dân sự. ● Cảng quân sự: Cảng quân sự là loại cảng chuyên dụng có thể là cảng tự nhiên hoặc nhân tạo, phục vụ cho hoạt động quân sự. Cảng quân sự là nơi trú ẩn của tàu quân sự, là nơi sửa chữa, tiếp nhiên liệu và là nơi tập kết theo đội hình của các hạm đội hải quân. Một cảng quân sự bao gồm các yếu tố chính như khu vực nhà chỉ huy, khu huấn luyện thể thao, khu vực sửa chữa tàu, khu vực hậu cần, hệ thống phòng vệ, cầu tàu, khu vực bến tàu, khu vực kho bãi, hệ thống giao thông, hệ thống cảnh báo bờ biển, các loại tàu quân sự và hệ thống đê chắn sóng (thường là các đê nhân tạo). ​Hình 1.9: Cảng quân sự Du Lâm, Trung Quốc. (Nguồn: Google Earth) ● Cảng dân sự: Cảng dân sự là loại cảng dùng cho mục đích phi quân sự, thường là mục đích thương mại, là nơi trung gian vận chuyển hàng hóa từ nội địa theo đường biển ra khắp thế giới và ngược lại. Căn cứ vào chức năng có thể phân loại cảng dân sự thành một số loại cảng sau. 19 + Cảng dầu: ​Cảng dầu là cảng có chức năng cung cấp dầu từ nhà máy lọc dầu, từ các bể tích trữ ra những khu vực khác bằng đường biển. Một cảng dầu gồm những thành phần chính là nhà điều hành, khu vực bồn lọc dầu, khu bồn chứa dầu, đường ống dẫn dầu, cầu tàu, đê chắn sóng và các tàu chở dầu. Hình 1.10: Cảng dầu thuộc cảng quân sự Du Lâm, Trung Quốc. (Nguồn: Google Earth) 20 + Cảng vật liệu: ​Cảng vật liệu là cảng có chức năng cung cấp vật liệu cho các công trình xây dựng bằng đường biển. Một cảng vật liệu gồm các thành phần chính như nhà điều hành, bãi vật liệu, hệ thống đường ray vận chuyển vật liệu, các phương tiện vận tải, cần cẩu, cầu tàu, đê chắn sóng và các tàu vận tải. Hình 1.11: Cảng vật liệu thuộc cảng quân sự Du Lâm, Trung Quốc. (Nguồn: Google Earth) 1.2.2 ​Đảo nhân tạo: Hiện nay, các vấn đề xoay quanh đảo nhân tạo như định nghĩa, bộ tiêu chuẩn vẫn chưa được thống nhất đầy đủ giữa các quốc gia trong bối cảnh các cuộc tranh chấp lãnh thổ và biển diễn ra ngày một phức tạp trên quy mô toàn cầu. Ngay trong luật quốc tế, khái niệm “đảo nhân tạo” vẫn tồn tại nhiều tranh cãi và chưa có bất kỳ định nghĩa chung nào về đảo nhân tạo được chấp nhận rộng rãi mặc dù hàng loạt các điều khoản trong Công ước Luật Biển của Liên Hợp Quốc 1982 đã đề cập tới vấn đề này. 21 Hình 1.12: Đảo nhân tạo Dubai, UAE. (Nguồn: Google Earth) Hình 1.13: Đảo nhân tạo Xubi do Trung Quốc xây dựng trái phép tại quần đảo Trường Sa, Việt Nam. (Nguồn: Google Earth) 22 Hình 1.14: Đảo nhân tạo Chữ Thập do Trung Quốc xây dựng trái phép tại quần đảo Trường Sa, Việt Nam. (Nguồn: Google Earth) Với khát vọng xây dựng quốc gia vững mạnh, bất cứ nước ven biển nào trên thế giới cũng đều không ngừng gia tăng nỗ lực chiếm giữ nhiều không gian từ đại dương hơn. Trong đó, vấn đề đảo nhân tạo ngày càng trở thành một chủ đề nổi bật. Có quốc gia muốn xây dựng đảo nhân tạo để mở rộng lãnh thổ, tăng cường kiểm soát đại dương rộng lớn. Tuy nhiên, hành động này luôn nhận phải những phản đối từ các quốc gia có lợi ích đan xen khác. 23 Bách khoa toàn thư Công pháp quốc tế đã định nghĩa đảo nhân tạo là một nền tảng cố định vĩnh viễn hoặc tạm thời do con người tạo nên, bao quanh là nước và nổi trên mặt nước trên khi thủy triều lên. Bên cạnh đó, đảo nhân tạo cũng được định nghĩa là một phần đất bồi do ​con người tạo lập thông qua việc đổ đất và/hoặc đá xuống biển hay nói chung là một vùng nước. Từ lâu con người đã xây dựng đảo nhân tạo vì những mục đích khác nhau thông qua việc kiến thiết đảo mới, mở rộng đảo tự nhiên hiện hữu hoặc hợp nhất các đảo nhỏ thành đảo lớn hơn. 24 Chương 2: Phương pháp phát hiện biến động công trình biển sử dụng dữ liệu viễn thám 2.1 Tổng quan về phương pháp phát hiện biến động công trình biển sử dụng dữ liệu viễn thám Viễn thám ngày nay đang được ứng dụng rộng rãi phục vụ việc theo dõi những biến đổi bề mặt Trái Đất, quản lý tài nguyên và môi trường. Viễn thám là một môn khoa học – công nghệ về việc thu nhận các thông tin của một vật thể bằng các đo đạc được tiến hành cách vật thể đó một khoảng cách nào đó, không cần tiếp xúc trực tiếp với vật thể. Ảnh vệ tinh là tư liệu chất lượng cao để nghiên cứu các đối tượng trên bề mặt Trái Đất. Hình 2.1: Sử dụng ảnh viễn thám vệ tinh giúp phát hiện tòa nhà mới được xây dựng(Areas of changed building) ở khu phố Palace, Luân đôn, Anh năm 2011. (Nguồn: ScienceDirect.com) Công trình biển, về bản chất, mang đầy đủ các thuộc tính của công trình nhân tạo. Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài, biến động công trình biển là những thay đổi về hình dạng, kích thước, cấu trúc của công trình biển do tác động tự nhiên hoặc do con người, có thể được phát hiện bằng việc khai thác dữ liệu viễn thám. Bài toán phát hiện biến động công trình biển là một ứng dụng đặc biệt của bài toán phát hiện biến động công trình nhân tạo nói chung. Điểm khác biệt ở đây là công trình biển được xây dựng ở khu vực tiếp giáp với biển hoặc bao quanh bởi biển (trong trường hợp của đảo nhân tạo), vì vậy, để giải quyết bài toán đặt ra, cần áp dụng các biện pháp loại bỏ tác động của vùng nước đại 25 dương, của khí hậu vùng biển lên dữ liệu viễn thám chụp khu vực nghiên cứu. Trong viễn thám việc phát hiện biến động một khu vực địa lý nói chung, trong đó có công trình biển trên các ảnh chụp cùng cảnh một khu vực nhưng ở các thời điểm khác nhau luôn nhận được sự quan tâm đặc biệt do hướng nghiên cứu này có số lượng lớn các ứng dụng khác nhau từ phân tích sự thay đổi loại hình sử dụng đất, phân tích sự dịch chuyển của cơ cấu trồng trọt, quan trắc ô nhiễm môi trường, biến động của các công trình hạ tầng nhân tạo trên vùng nghiên cứu Các phương pháp đánh giá sự biến động công trình hiện tại trong lĩnh vực viễn thám có thể được phân ra làm hai nhóm giám sát và không giám sát. Các phương pháp đánh giá biến động này áp dụng trên ảnh vệ tinh đa thời gian đã được nghiên cứu và công bố trong nhiều công trình của các chuyên gia trên thế giới. Các phương pháp có giám sát đòi hỏi dữ liệu đầu vào là các dữ liệu xác thực trên mặt đất như các điểm khống chế, các mẫu học máy và mẫu kiểm tra. Trong khi đó, cách tiếp cận không giám sát phân tích sự thay đổi của công trình nhân tạo không cần sử dụng đến sự bổ sung của các dữ liệu xác thực trên mặt đất. Nếu so sánh về độ chính xác thì các phương pháp phát hiện biến động có giám sát cho kết quả tốt hơn so với các phương pháp không giám sát. Các phương pháp phát hiện biến động không giám sát sử dụng dữ liệu viễn thám bao gồm 03 bước chính là tiền xử lý, so sánh ảnh và phân tích ảnh. Bước tiền xử lý thực hiện các phép tính toán đưa hai ảnh đa thời gian khớp về cùng một khung tọa độ, hiệu chỉnh loại bỏ tối đa ảnh hưởng của khí quyển, cụ thể là mây và các bức xạ điện từ không mong muốn để hai ảnh có thể so sánh được với nhau. Sau đó, trong bước thứ hai, sự khác biệt giữa hai ảnh đa thời gian được xác định bằng các toán tử khác nhau như phép phân tích vectơ thay đổi (CVA), phép phân cụm ảnh tự động. Sau khi tính toán, tạo được các vùng dữ liệu khác biệt, ảnh biến động cuối cùng nhận được thông qua phân tích ảnh bằng các phương pháp lấy ngưỡng có hoặc không ràng buộc quan hệ không gian. Ngưỡng được xây dựng bằng phương pháp thử sai thủ công hoặc các kỹ thuật lấy ngưỡng tự động. 26 2.2 Giới thiệu về dữ liệu viễn thám PlanetScope Dữ liệu viễn thám PlanetScope là các ảnh chụp bề mặt Trái Đất từ vệ tinh PlanetScope được phát triển và vận hành bởi công ty Planet Labs (Mỹ). Công ty này là nhà cung cấ