Phần mềm xử lý ảnh viễn thám ENVI (HARRIS) và ARCGIS (ESRI)

I. Phần mềm xử lý ảnh viễn thám ENVI (Harris)

Giới thiệu chung về phần mềm ENVI

ENVI (ENvironment for Visualizing Images) là bộ sản phẩm phần mềm của hãng EXELIS Visual Information Solutions (Mỹ) – http://exelisvis.com – kết hợp các kỹ thuật chuyên sâu về xử lý dữ liệu ảnh số (bao gồm dữ liệu viễn thám, DEM và GIS/GPS) với công nghệ phân tích địa không gian nhằm khai thác những thông tin có giá trị hỗ trợ ra quyết định chính xác và kịp thời. Với giao diện hiện đại, dễ sử dụng và các tính năng nổi trội trong xử lý phân tích ảnh được quy trình hóa và được phát triển nâng cấp thường xuyên, bộ phần mềm ENVI ngày càng trở thành công cụ khai thác thông tin địa không gian hiệu quả trong các ứng dụng bản đồ và tài nguyên và môi trường đa ngành.

Những tính năng nổi trội của bộ phần mềm ENVI bao gồm:

–   Làm việc (hiển thị và xử lý) số lượng và dung lượng ảnh lớn;

–  Đọc, hiển thị và phân tích nhiều định dạng (format) ảnh vệ tinh, ảnh thông dụng, dữ liệu raster và DEM;

–  Khai thác thông tin từ nhiều loại ảnh vệ tinh và ảnh hàng không khác nhau (VNREDSat-1, SPOT, Landsat, ASTER, QuickBird, GeoEye, WorldView, Radar, Vexcel…);

–  Trộn các dạng ảnh (ảnh quang học, ảnh radar…) nhằm hiểu rõ đặc điểm của vùng nghiên cứu;

–  Bộ công cụ xử lý ảnh đa dạng dựa trên các phương pháp khoa học đã được kiểm chứng như công cụ xử lý hình học, công cụ phân tích phổ, công cụ phân tích dữ liệu và các công cụ nâng cao;

–  Khả năng làm việc với dữ liệu vector (các định dạng shapefile, MIF, DXF và GPS) và kết nối trực tiếp với phần mềm ArcGIS cho phép dễ dàng tích hợp kết quả phân tích ảnh vào cơ sở dữ liệu và quy trình ứng dụng bản đồ GIS;

–  Với ngôn ngữ lập trình IDL, ENVI có khả năng tùy biến và mở rộng theo yêu cầu quy trình xử lý phân tích ảnh của khách hàng.

Các sản phẩm ENVI

Bộ phần mềm ENVI có khoá cứng và khoá mềm thường được cung cấp đóng gói theo các mức sản phẩm như sau:

–  Phần cơ bản – ENVI (Runtime) hoặc ENVI+IDL

–  Các mô-đun mở rộng (theo yêu cầu).

Các mô-đun mở rộng tính năng của ENVI được thiết kế để thực hiện những pháp xử lý chuyên sâu cần đến những công cụ xử lý ảnh nâng cao, như:

1.Mô-đun Rigorous Orthorectification: nắn chỉnh hình học về tọa độ mặt đất và tạo ảnh trực giao với độ chính xác cao. Module này dựa trên mô hình toán học sử dụng các thông số của sensor cụ thể (ví dụ như bộ cảm SPOT hoặc Landsat) nhằm loại bỏ những yếu tố gây méo ảnh trong quá trình bay chụp. Module Rigorous Orthorectification cho phép:

–   Dễ sử dụng với giao diện wizard-based theo từng bước trong quá trình nắn chỉnh;

–   Làm việc với nhiều dạng sensor (ví dụ SPOT 1-5, IKONOS-2, QuickBird-2, Landsat 4-5, Landsat 7 ETM+, ASTER, VNREDSat-1…);

–   Tăng độ chính xác với việc lựa chọn các điểm GCP và các điểm chung của ảnh liền kề khi xử lý hàng loạt ảnh;

–   Tự động hóa quá trình nắn chỉnh hình học và chuyển kết quả dễ dàng vào cơ sở dữ liệu GIS.

2. Mô-đun ENVI Feature Extraction (FX): Tìm, phát hiện và chiết tách thông tin từ các đối tượng quan tâm (ví dụ như công trình tòa nhà, sân bóng, phương tiện giao thông, đường xá cầu cống, sông hồ…) dựa trên các đặc tính không gian, đặc tính phổ hoặc đặc tính texture… từ các loại ảnh vệ tinh & ảnh hàng không khác nhau. Với khả năng tùy biến và dễ tích hợp với ArcGIS, ENVI FX cho phép người dùng thay đổi các thông số phù hợp trong chuỗi quy trình xử lý phân tích ảnh phức tạp và chiết tách thông tin cần thiết, ví dụ như phát hiện xe tăng, công trình quân sự hoặc đường băng quân sự…

3. Mô-đun ENVI DEM: Tạo lập mô hình địa hình số (DEM) từ cặp ảnh stereo (ảnh vệ tinh ASTER, IKONOS, OrbView-3, QuickBird và SPOT 1-5) hoặc ảnh hàng không. Với khả năng tùy biến, người dùng có thể tương tác xem cặp ảnh stereo, đo độ cao của tòa nhà hoặc đỉnh núi, chỉnh sửa giá trị DEM và chiết tách các đối tượng 3D.

4.Mô-đun ENVI Atmospheric Correction Module (ACM): Thực hiện tiền xử lý được quy trình hóa – cho phép loại bỏ hoặc hiệu chỉnh chuyên sâu về các ảnh hưởng của khí quyển đối với ảnh vệ tinh gốc để tạo ảnh viễn thám lên level cao hơn chuẩn bị cho các bước xử lý phân tích tiếp theo. ENVI ACM cho phép thực hiện hiệu chỉnh nhanh (on-the-fly sử dụng phương pháp QUAC và hiệu chỉnh nâng cao dựa trên mô hình vật lý ảnh – phương pháp FLAASH đối với hầu hết các loại ảnh vệ tinh thường sử dụng hiện tại. Mô-đun này cần thiết đối với các ứng dụng theo dõi các thay đổi về địa hình hoặc các nhóm đối tượng một cách định lượng.

5.Mô-đun ENVI NITF: Đọc, chỉnh sửa và phân phối ảnh viễn thám trong định dạng (format) NITF có hiệu suất nén ảnh cao. Định dạng NITF chứa dữ liệu ảnh với dữ liệu đồ thị và metadata theo chuẩn JITC (Joint Interoperability Test Command). Đây là định dạng tối ưu có khả năng nén ảnh tốt, tính bảo mật cao nên thường được dùng đối với dữ liệu quốc gia và quốc phòng…

6.Sản phẩm chuyên dụng ENVI LIDAR: Xử lý chuyên sâu dữ liệu lidar nhằm xác định và chiết tách các đối tượng 3D và tạo lập cơ sở dữ liệu GIS 3D cho các ứng dụng đô thị hoặc ngành lâm nghiệp.

Phần mềm ENVI LIDAR cho phép người dùng xử lý dữ liệu đám mây điểm LiDAR nhằm phát hiện và chiết tách các đối tượng 3D như cây cối, đường dây điện, công trình xây dựng với các yếu tố như hình khối khung nhà và mái, mô hình số độ cao… ENVI LIDAR kết hợp việc nhận dạng tự động với các công cụ tương tác để người dùng có thể điều chỉnh các thông số xử lý nhằm kiểm soát được chất lượng sản phẩm kết quả. Với chức năng hiển thị 3D và kết nối trực tiếp với ArcGIS, ENVI LiDAR có khả năng kết nối tốt với các hệ thống xử lý phân tích địa không gian khác, khả năng mở rộng tùy biến thông qua API và đọc được tất cả các định dạng dữ liệu LIDAR thông dụng như LAS, LAZ, ASCII, NITF LAS…

7. Sản phẩm chuyên dụng ENVI SARScape: Xử lý chuyên sâu dữ liệu ảnh radar, phân tích và tạo lập bản đồ DEM và bản đồ biến động bề mặt.

Phần mềm ENVI SARscape cho phép người dùng xử lý và diễn giải dữ liệu radar khó hiểu thành thông tin có ý nghĩa phù hợp với bối cảnh. License SARscape Basic & InSAR Bundle bao gồm 2 mô-đun là:

–   SARscape Basic cho phép đọc, xử lý dữ liệu ảnh radar như lọc nâng cao, nắn chỉnh và ghép ảnh, tạo ảnh multilook… đến xử lý tạo ảnh phân loại, nhận dạng đối tượng hoặc theo dõi biến động…

–   SARscape Interferometry (InSAR) cho phép xử lý cặp ảnh radar giao thoa (interferometry) nhằm tạo dữ liệu DEM và lập bản đồ dịch chuyển và biến dạng bề mặt (cập nhật bản đồ địa hình, địa mạo và trượt lở).

Ngoài ra, hãng Exelis VIS gần đây còn phát triển sản phẩm chuyên dụng ENVI for ArcGIS để tích hợp với giải pháp GIS của hãng ESRI và ENVI in the Cloud nhằm quản lý và chia sẻ nguồn lực xử lý phân tích ảnh trên Cloud đối với các doanh nghiệp và cá nhân.

II. Giới thiệu chung về phần mềm ArcGIS

ArcGIS (ESRI Inc. – http://www.esri.com): là hệ thống GIS hàng đầu hiện nay, cung cấp một giải pháp toàn diện từ thu thập / nhập số liệu, chỉnh lý, phân tích và phân phối thông tin trên mạng Internet tới các cấp độ khác nhau như CSDL địa lý cá nhân hay CSDL của các doanh nghiệp. Về mặt công nghệ, hiện nay các chuyên gia GIS coi công nghệ ESRI là một giải pháp mang tính chất mở, tổng thể và hoàn chỉnh, có khả năng khai thác hết các chức năng của GIS trên các ứng dụng khác nhau như: desktop (ArcGIS Desktop), máy chủ (ArcGIS Server), các ứng dụng Web (ArcIMS, ArcGIS Online), hoặc hệ thống thiết bị di động (ArcPAD)… và có khả năng tương tích cao đối với nhiều loại sản phẩm của nhiều hãng khác nhau.

ArcGIS Desktop (với phiên bản mới nhất là ArcGIS 10) bao gồm những công cụ rất mạnh để quản lý, cập nhật, phân tích thông tin và xuất bản tạo nên một hệ thống thông tin địa lý (GIS) hoàn chỉnh, cho phép:

• Tạo và chỉnh sửa dữ liệu tích hợp (dữ liệu không gian tích hợp với dữ liệu thuộc tính) – cho phép sử dụng nhiều loại định dạng dữ liệu khác nhau thậm chí cả những dữ liệu lấy từ Internet;
• Truy vấn dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính từ nhiều nguồn và bằng nhiều cách khác nhau;
• Hiển thị, truy vấn và phân tích dữ liệu không gian kết hợp với dữ liệu thuộc tính;
• Thành lập bản đồ chuyên đề và các bản in có chất lượng trình bày chuyên nghiệp.

ArcGIS Destop là một bộ phần mềm ứng dụng gồm: ArcMap, ArcCatalog, ArcToolbox, ModelBuilder, ArcScene và ArcGlobe. Khi sử dụng các ứng dụng này đồng thời, người sử dụng có thể thực hiện được các bài toán ứng dụng GIS bất kỳ, từ đơn giản đến phức tạp, bao gồm cả thành lập bản đồ, phân tích địa lý, chỉnh sửa và biên tập dữ liệu, quản lý dữ liệu, hiển thị và xử lý dữ liệu. Phần mềm ArcGIS Desktop được cung cấp cho người dùng ở 1 trong 3 cấp bậc với mức độ chuyên sâu khác nhau là ArcView, ArcEditor, ArcInfo:

ArcView: Cung cấp đầy đủ chức năng cho phép biểu diễn, quản lý, xây dựng và phân tích dữ liệu địa lý, các công cụ phân tích không gian cùng với việc biên tập và phân tích thông tin từ các lớp bản đồ khác nhau đồng thời thể hiện các mối quan hệ và nhận dạng các mô hình. Với ArcView, cho phép:

• Ra các quyết định chuẩn xác hơn dựa trên các dữ liệu địa lý;
• Xem và phân tích các dữ liệu không gian bằng nhiều phương pháp;
• Xây dựng đơn giản và dễ dàng các dữ liệu địa lý;
• Tạo ra các bản đồ có chất lượng cao;
• Quản lý tất cả các file, CSDL và các nguồn dữ liệu;
• Tùy biến giao diện người dùng theo yêu cầu.

ArcEditor: Là bộ sản phẩm có nhiều chức năng hơn, dùng để chỉnh sửa và quản lý dữ liệu địa lý. ArcEditor bao gồm các tính năng của ArcView và thêm vào đó là một số các công cụ chỉnh sửa, biên tập. Với ArcEditor, cho phép:

• Dùng các công cụ CAD để tạo và chỉnh sửa các đặc tính GIS;
• Tạo ra các CSDL địa lý thông minh;
• Tạo quy trình công việc một cách chuyên nghiệp cho 1 nhóm và cho phép nhiều người biên tập;
• Xây dựng và giữ được tính toàn vẹn của không gian bao gồm các quan hệ hình học topo giữa các đặc tính địa lý;
• Quản lý và mở rộng mạng lưới hình học;
• Làm tăng năng suất biên tập;
• Quản lý môi trường thiết kế đa người dùng với versioning;
• Duy trì tính toàn vẹn giữa các lớp chủ đề và thúc đẩy tư duy logic của người dùng;
• Cho phép chỉnh sửa dữ liệu độc lập (khi tạm ngừng kết nối với CSDL).

ArcInfo: Là bộ sản phẩm ArcGIS đầy đủ nhất. ArcInfo bao gồm tất cả các chức năng của ArcView lẫn ArcEditor. Cung cấp các chức năng tạo và quản lý một hệ GIS, xử lý dữ liệu không gian và khả năng chuyển đổi dữ liệu, xây dựng dữ liệu, mô hình hóa, phân tích, hiển thị bản đồ trên màn hình máy tính và xuất bản bản đồ ra các phương tiện khác nhau. Với ArcInfo, cho phép:

• Xây dựng một mô hình xử lý không gian rất hữu dụng cho việc tìm ra các mối quan hệ, phân tích dữ liệu và tích hợp dữ liệu;
• Thực hiện chồng lớp các lớp vector, nội suy và phân tích thống kê;
• Tạo ra các đặc tính cho sự kiện và chồng xếp các đặc tính của các sự kiện đó;
• Chuyển đổi dữ liệu và các định dạng của dữ liệu theo rất nhiều loại định dạng;
• Xây dựng những bộ dữ liệu phức tạp, các mô hình phân tích và các đoạn mã để tự động hóa các quá trình GIS;
• Sử dụng các phương pháp trình diễn, thiết kế, in ấn và quản lý bản đồ để xuất bản bản đồ.

(-st-)