Hướng dẫn sử dụng phần mềm ENVI

Hướng dẫn sử dùng phần mềm xử lý tư liệu viễn thám Nguyen Quang Tuan GeoSciences Faculty, Hue College of Sciences E-mail: tuanhuegis@Gmail.com HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG PHẦN MỀM ENVI 4.3 (Dành cho các ngành khoa học Trái đất) I. GIỚI THIỆU PHẦN MỀM ENVI (ENviroment for Visualizing Images) là một phần mềm xử lý tư liệu viễn thám của Research System Inc, Mỹ. Các công cụ của phần mềm này có khả năng hiển thị và phân tích ảnh số với một môi trường và giao diện thân thiện với người sử dụng, đáp ứng các thao tác thuật toán về xử lý ảnh vệ tinh và ảnh máy bay. Người dùng có thể phát triển các công cụ của phần mềm ENVI với ngôn ngữ lập trình là IDL (Interactive Data Language). ENVI 4.3 còn tích hợp công cụ hiển thị dữ liệu ảnh số chuyên nghiệp ENVI Zoom 4.3: Hướng dẫn sử dùng phần mềm xử lý tư liệu viễn thám Nguyen Quang Tuan GeoSciences Faculty, Hue College of Sciences E-mail: tuanhuegis@Gmail.com II. HỆ THỐNG CÁC TRÌNH ĐƠN (MENU) CỦA ENVI 1. Menu File 2. Basic Tools Mở ảnh Thông tin về ảnh Tạo ảnh kiểm tra Xem cấu trúc dữ liệu ảnh Lưu ảnh ở nhiều định dạng Làm việc với ngôn ngữ IDL Đọc các dữ liệu ảnh được lưu trong các tape Kiểm tra thư mục chứa dữ liệu ENVI Xác lập thư mục chứa kết quả xuất Chọn lựa các thay đổi Thoát khỏi chương trình Thay đổi kích thước pixel Cắt ảnh Xoay ảnh Ghép các kênh ảnh Chuyển đổi cách lưu trữ Nới rộng dữ liệu Thống kê Phát hiện thay đổi Công cụ đo khoảng cách, diện tích Tăng cường cho khả năng xử lý ảnh Tạo ảnh phân đoạn từ ảnh phân loại Các chức năng tạo vùng mẫu Khảm Tạo Hướng dẫn sử dùng phần mềm xử lý tư liệu viễn thám Nguyen Quang Tuan GeoSciences Faculty, Hue College of Sciences E-mail: tuanhuegis@Gmail.com Tăng cường chất lượng ảnh Tạo ảnh tỉ số Phân tích thành phần chính Chuyển đổi hệ thống màu Công cụ giãn ảnh Chỉ số thực vật Chuyển đổi các ảnh Landsat (MSS, TM, ETM) (*) Thư viện phổ Phổ cho vùng lấy mẫu Xoay MNF Chỉ số pixel gốc Hiển thị n-chiều Các phương pháp lập bản đồ Phân tích phổ Tính toán phổ Tăng độ sắc nét ảnh 3. Classification 4. Transform 5. Spectral Phân loại giám định Phân loại phi giám định Phân loại theo cây quyết định Xử lý sau phân loại Hướng dẫn sử dùng phần mềm xử lý tư liệu viễn thám Nguyen Quang Tuan GeoSciences Faculty, Hue College of Sciences E-mail: tuanhuegis@Gmail.com Mở dữ liệu địa hình Mô hình hóa địa hình Đặc điểm địa hình Tạo ảnh Hill Shade Thay các giá trị lỗi Raster hóa dữ liệu điểm Tạo DEM từ đường đồng mức Hiển thị 3D Đăng kí tọa độ ảnh Hiệu chỉnh trực giao Khảm Hiệu chỉnh hình học theo hệ quy chiếu địa lý Hiệu chỉnh lưới chiếu Chuyển đổi lưới chiếu Tạo dữ liệu ảnh đa kênh từ nhiều ảnh khác nhau Tính toán phổ Chuyển đổi tọa độ Kết nối GPS Mở dữ liệu vector Tạo lớp vector mới Tạo lớp biên Danh sách dữ liệu vector Chuyển raster sang vector Chuyển kết quả phân loại sang vector Raster hóa dữ liệu điểm Tạo DEM từ đường đồng mức Chuyển ROI, ANN, EVF sang DXF 6. Map 7. Vector 8. Topographic Hướng dẫn sử dùng phần mềm xử lý tư liệu viễn thám Nguyen Quang Tuan GeoSciences Faculty, Hue College of Sciences E-mail: tuanhuegis@Gmail.com 9. Radar 10. Window l2. Help Phần trợ giúp Những chức năng mới trong ENVI 4.0 Về ENVI Mở dữ liệu radar Xác định khẩu độ Hiệu chỉnh antenna Slant-to-Ground Góc tới Lọc Ảnh màu tổng hợp Các công cụ xử lý ảnh radar Tìm kiếm quản lý các cửa sổ Tạo cửa sổ mới Mở cửa sổ danh sách Các thông tin bổ trợ Mở lớn cửa sổ hiển thị ảnh Chức năng liên kết các cửa sổ Đóng các cửa sổ Hướng dẫn sử dùng phần mềm xử lý tư liệu viễn thám Nguyen Quang Tuan GeoSciences Faculty, Hue College of Sciences E-mail: tuanhuegis@Gmail.com III. GIAO DIỆN LÀM VIỆC CỦA ENVI Trong quá trình làm việc với dữ liệu ảnh, người dùng sẽ làm việc trên 3 cửa sổ: Main Image, Scroll và Zoom Window. Cửa sổ Main Image Cửa sổ Scroll Cửa sổ Zoom Hướng dẫn sử dùng phần mềm xử lý tư liệu viễn thám Nguyen Quang Tuan GeoSciences Faculty, Hue College of Sciences E-mail: tuanhuegis@Gmail.com Trong đó, mỗi cửa sổ sẽ hiển thị ảnh với giới hạn không gian và mức độ chi tiết ảnh khác nhau. IV. CÁC THAO TÁC ẢNH SỐ CƠ BẢN 1. Hiển thị ảnh Tại giao diện chính của ENVI, chọn File \ Open Image File, khi cửa sổ Enter Data Filenames xuất hiện, tìm và chọn đến tập tin ảnh cần hiển thị và click Open, cửa sổ Available Bands List sẽ xuất hiện như sau: Trong cửa sổ Available Bands List, cho phép hiển thị ở 2 chế độ là Gray Scale và RGB Color. Ở chế độ Gray Scale, cho phép hiển thị một kênh ảnh, chế độ RGB cho phép hiển thị và tổ hợp màu theo 3 kênh ảnh theo 3 màu R(Red), G(Green) và B(Blue). 2. Liên kết động và chồng lớp ảnh ENVI cung cấp cho người sử dụng công cụ liên kết các ảnh (khi hiển thị nhiều cửa sổ ảnh khác nhau) giúp so sánh trực tiếp các ảnh bằng cách quan sát ảnh này chồng phủ lên ảnh kia. * Để liên kết cửa sổ ảnh: chọn Tools\Link\Link Displays. Hộp thoại Link Displays xuất hiện ra cho phép lựa chọn các cửa sổ ảnh cần liên kết (chọn Yes/No). Hướng dẫn sử dùng phần mềm xử lý tư liệu viễn thám Nguyen Quang Tuan GeoSciences Faculty, Hue College of Sciences E-mail: tuanhuegis@Gmail.com 3. Đăng kí tọa độ và nắn chỉnh ảnh Từ giao diện chính của ENVI, chọn Map\Registration\Select GCPs: - Image to Image: Nếu lấy cơ sở tọa độ nắn ảnh từ một ảnh số. Hiển thị ảnh cần nắn chính và ảnh cơ sở, tiến hành tìm các điểm khống chế tương quan tại các cửa sổ làm việc khác nhau. Sau khi hoàn tất bước chọn điểm khống chế, tiến hành nắn chỉnh ảnh. Quá trình xử lý nắn ảnh xong. Tại cửa sổ Ground Control Points Selection chọn Options\Warp File… cửa sổ Input Warp Image mở ra cho phép chọn ảnh để nắn. Xác định đường dẫn để lưu ảnh sau khi nắn. - Image to Map: Nếu lấy cơ sở tọa độ nắn ảnh từ một bản đồ Chọn các thông số hệ quy chiếu phù hợp với ảnh cần đăng kí và click OK, cửa sổ để đăng kí ảnh (Ground Control Points Selection) xuất hiện: Sau khi hoàn tất bước chọn điểm khống chế, tiến hành nắn chỉnh ảnh. Quá trính nắn ảnh xong. Tại cửa sổ Ground Control Points Selection chọn Options\Warp File… Hướng dẫn sử dùng phần mềm xử lý tư liệu viễn thám Nguyen Quang Tuan GeoSciences Faculty, Hue College of Sciences E-mail: tuanhuegis@Gmail.com cửa sổ Input Warp Image mở ra cho phép chọn ảnh để nắn. Xác định đường dẫn để lưu ảnh sau khi nắn. 4. Tăng cường khả năng hiển thị ảnh ENVI cung cấp các công cụ khá hiệu quả cho việc tăng cường khả năng hiển thị các thông tin trên ảnh như Enhance – tăng cường và Filter - lọc ảnh. Để thực hiện các chức năng này ta làm như sau: Từ cửa sổ ảnh đã được mở, chọn Enhance, một danh sách sẽ sổ ra cho ta chọn các diện tích được tăng cường là cửa sổ Image, Zoom hay Scroll theo các phương pháp: * Linear (Tuyến tính): sử dụng giá trị nhỏ nhất và lớn nhất của ảnh để thực hiện phép giãn tuyến tính. Phương pháp này áp dụng phù hợp cho ảnh có ít giá trị. * Linear 0-255 (Tuyến tính 0-255): phương pháp này sẽ hiển thị các giá trị thực pixel của ảnh theo giá trị hiển thị của màn hình từ 0 đến 255. * Linear 2% (Tuyến tính 2%): phương pháp tăng cường tuyến tính sẽ cắt bớt 2% của 2 đầu dữ liệu để tăng khả năng hiển thị ảnh. * Gaussian: phương pháp này tăng cường ảnh sử dụng giá trị độ xám trung bình là 127 và độ lệch chuẩn của dữ liệu là 3 để tăng cường. * Equalization (Cân bằng): phương pháp này sẽ kéo giãn cân bằng đồ thị của dữ liệu được hiển thị. * Square Root (Căn bậc hai): phương pháp này sẽ tính căn bậc hai của đổ thị đầu vào sau đó mới thực hiện giãn tuyến tính. ENVI còn cho phép tăng cường ảnh dựa theo một ảnh đã được tăng cường sử dụng chức năng Histogram Matching hay tự tăng cường dựa trên đồ thị và theo các hàm toán học định sẵn thông qua chức năng Interactive Stretching. Hướng dẫn sử dùng phần mềm xử lý tư liệu viễn thám Nguyen Quang Tuan GeoSciences Faculty, Hue College of Sciences E-mail: tuanhuegis@Gmail.com Ta cũng có thể tăng cường, lọc ảnh ảnh bằng cách chọn Enhance\Filter và chọn các phương pháp tương ứng Sharpen, Smooth hay Median để làm sắc nét hoặc làm mịn ảnh. 5. Phân loại đối tượng từ ảnh số Phân loại ảnh số là việc phân loại và sắp xếp các pixel trên ảnh thành những nhóm khác nhau dựa trên một số đặc điểm chung về giá trị độ xám, sự đồng nhất, mật độ, tone ảnh, … Có hai kiểu phân loại chính: phân loại có chọn mẫu (có giám sát - Supervised Classification) và phân loại không chọn mẫu (không giám sát - Unsupervised Classification). a) Phương pháp phân loại không giám sát - Unsupervised Classification ENVI cung cấp hai phương pháp phân loại không chọn mẫu là Isodata và K- Means. Để tiến hành phân loại ảnh không giám sát, từ giao diện chính của ENVI, chọn Classification\Unsupervised\ và chọn một trong hai phương pháp phân loại trên, chọn ảnh cần phân loại, nhấn OK để chấp nhận. Với 2 phương pháp phân loại ta đều phỉa đưa ra các tham số giới hạn để máy thực hiện. * Phương pháp phân loại Isodata: sẽ phải lựa chọn các tham số sau để tiến hành phân loại: • Number of classes: chọn số lớp tối thiểu (min) và tối đa (max) để phân loại. • Maximum Iterations: Số lần tính toán lặp lại tối đa. Việc phân loại sẽ dừng lại khi đạt tới số lần lặp tối đa đưa ra. • Change Threshold: Ngưỡng thay đổi sau mỗi lần tính toán lặp lại. Việc phân loại cũng sẽ dừng lại khi sau mỗi lần tính lặp lại, số phần trăm biến động của các lớp nhỏ hơn ngưỡng biến động được xác định. • Minimum pixel in class: số pixel nhỏ nhất có thể có của một lớp. • Maximum class Stdv: ngưỡng độ lệch chuẩn tối đa của một lớp. Nếu độ lệch chuẩn của một lớp lớn hơn ngưỡng này thì lớp đó sẽ bị chia ra làm hai. Hướng dẫn sử dùng phần mềm xử lý tư liệu viễn thám Nguyen Quang Tuan GeoSciences Faculty, Hue College of Sciences E-mail: tuanhuegis@Gmail.com • Minimum class Distance: Khoảng cách tối thiểu giữa các giá trị trung bình của các lớp. Nếu khoảng cách giữa các giá trị trung bình của các lớp nhỏ hơn giá trị nhập vào thì các lớp đó sẽ được gộp vào. • Maximum Merge Pairs: số tối đa các cặp lớp được gộp. • Maximum Stdev From Mean: Khoảng cách độ lệch chuẩn tối đa từ giá trị trung bình của lớp. • Maximum Distance Error: khoảng sai số tối đa cho phép xung quanh giá trị trung bình của lớp. • Maximum Merge Pairs: số các cặp lớp tối đa có thể được gộp. * Phương pháp phân loại K-Means: tương tự như phương pháp phân loại IsoData, ta cũng phải chọn các tham số tương ứng trước khi tiến hành phân loại. Sau khi các tham số đã được lựa chọn phù hợp, ta chọn đường dẫn để lưu kết quả và nhấn OK để tiến hành phân loại. b) Phương pháp phân loại có giám sát - Supervised Classification Phân loại có giám sát là phương pháp phân loại ảnh số dựa trên các pixel mẫu đã được chọn sẵn bởi người thực hiện công tác phân loại. Bằng cách chọn mẫu, người phân loại đã chỉ ra giúp phần mềm xác định những pixel có cùng một số đặc trưng đối tượng về phổ phản xạ - định nghĩa chung một đối tượng. * Chọn mẫu phân loại - Hiển thị ảnh cần phân loại - Từ thực đơn chính, chọn Basic Tools\ Region Of Interest\ROI tool trên màn hình sẽ mở ra hộp thoại ROI Tool cho phép thao tác chọn mẫu. - Chọn vào một trong các ô Image, Scroll, Zoom để chọn mẫu phân loại trong cửa sổ ảnh tương ứng hoặc chọn Off để tạm thời tắt chức năng chọn mẫu. Chọn New Region để tạo mẫu cho đối tượng khác. Hướng dẫn sử dùng phần mềm xử lý tư liệu viễn thám Nguyen Quang Tuan GeoSciences Faculty, Hue College of Sciences E-mail: tuanhuegis@Gmail.com - Đặt tên lớp đối tượng và chọn màu cho mẫu phân loại. Lưu ý: Mỗi một đối tượng có thể chọn nhiều vùng mẫu phân loại. - Lưu kết quả chọn mẫu: Trên cửa sổ ROI Tool, chọn File\Save ROIs… * Phân loại: ENVI cung cấp khá nhiều thuật toán phân loại có giám sát, bao gồm: Parallelepiped, Minimum Distance, Mahalanobis Distance, Maximum Likelihood, Spectral Angle Mapper, Binary Encoding và Neural Net. Trong bài tập này sẽ trình bày phương pháp phân loại theo thuật toán Maximum Likelihood, đây là thuật toán phân loại có giám sát được sử dụng rất nhiều. Tại thực đơn chính của ENVI, chọn Classification\Supervised\ Maximum Likelihood. Chọn ảnh cần phân loại trong cửa sổ Classification Input File rồi nhấn OK, cửa sổ Maximum Likelihood Parameters xuất hiện: - Select Classes from Regions: chọn các bộ mẫu để phân loại (Select All Items) - Output Results (of Class Filename) to File/Memory: Lưu kết quả phân loại - Output Rule Images: No - OK Hướng dẫn sử dùng phần mềm xử lý tư liệu viễn thám Nguyen Quang Tuan GeoSciences Faculty, Hue College of Sciences E-mail: tuanhuegis@Gmail.com Kết quả phân loại 6. Chuyển đổi kết quả phân loại sang dữ liệu vector Tại thực đơn chính của ENVI, chọn Vector/Classification to vector. - Chọn ảnh phân loại cần chuyển đổi, OK - Chọn các Class cần chuyển đổi (Select All Items) - Xác định đường dẫn và lưu kết quả chuyển đổi, OK - Sau khi quá trình xử lý chuyển đổi hoàn tất, cửa sổ Availble Vectors list xuất hiện. Chọn file vector và Load Selected. File dữ liệu vector hiển thị. - Chuyển đổi định dang file vector của ENVI (*.evf) sang định dạng file của phần mềm GIS (shapefile *.shp). Tại cửa sổ hiển thị dữ liệu vector, chọn File\Export Active Layer to Shapefile. - Sử dụng phần mềm GIS để hiển thị và biên tập kết quả bản đồ. Hướng dẫn sử dùng phần mềm xử lý tư liệu viễn thám Nguyen Quang Tuan GeoSciences Faculty, Hue College of Sciences E-mail: tuanhuegis@Gmail.com 7. Một số website download ảnh viễn thám miễn phí: