Luận văn Nghiên cứu và ứng dụng học máy trong phân lớp lúa sử dụng ảnh viễn thám

Nội dung tài liệu: Luận văn Nghiên cứu và ứng dụng học máy trong phân lớp lúa sử dụng ảnh viễn thám

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ PHAN ANH NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG HỌC MÁY TRONG PHÂN LỚP LÚA SỬ DỤNG ẢNH VIỄN THÁM LUẬN VĂN THẠC SĨ HỆ THỐNG THÔNG TIN Hà Nội - 2019
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ PHAN ANH NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG HỌC MÁY TRONG PHÂN LỚP LÚA SỬ DỤNG ẢNH VIỄN THÁM NGÀNH: HỆ THỐNG THÔNG TIN CHUYÊN NGÀNH: HỆ THỐNG THÔNG TIN MÃ SỐ: 8480104.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ HỆ THỐNG THÔNG TIN GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: PGS. TS. NGUYỄN THỊ NHẬT THANH Hà Nội - 2019
3. MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................................... 1 LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................. 2 TÓM TẮT LUẬN VĂN ....................................................................................................... 3 CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG ................................................................................... 4 1.1. Đặt vấn đề .................................................................................................. 4 1.2. Mục tiêu, đóng góp và cấu trúc của luận văn ............................................ 7 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ..................................................................................... 9 2.1. Giới thiệu về viễn thám .................................................................................. 9 2.1.1. Giới thiệu chung ...................................................................................... 9 2.1.2. Phân loại viễn thám ................................................................................. 9 2.2. Ảnh viễn thám .............................................................................................. 10 2.2.1. Ảnh Landsat 8 ....................................................................................... 10 2.2.2. Ảnh Sentinel 1A .................................................................................... 11 2.3. Phương pháp học máy trong bài toán phân lớp lúa ...................................... 12 2.3.1. Support Vector Machine ....................................................................... 12 2.3.2. XGBoost ................................................................................................ 13 CHƯƠNG 3. ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP PHÂN LỚP LÚA SỬ DỤNG HỌC MÁY ... 15 3.1. Khu vực nghiên cứu ..................................................................................... 15 3.2. Thu thập dữ liệu ............................................................................................ 15 3.2.1. Dữ liệu tham chiếu ................................................................................ 15 3.2.2. Ảnh vệ tinh Landsat 8 ........................................................................... 16 3.2.3. Ảnh vệ tinh Sentinel 1A ........................................................................ 16 3.3. Đề xuất phương pháp ................................................................................... 18 3.4. Đánh giá kết quả ........................................................................................... 21 3.4.1. Đánh giá với dữ liệu kiểm tra ................................................................ 21 3.4.2. Đánh giá với số liệu thống kê ................................................................ 22
4. 3.4.3. Đánh giá bản đồ trực quan .................................................................... 22 3.4.4. Đánh giá với các nghiên cứu liên quan ................................................. 23 CHƯƠNG 4. THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ ................................................................ 24 4.1. Kết quả phân lớp .......................................................................................... 24 4.1.1. Phân lớp lúa sử dụng ảnh Landsat 8 ...................................................... 24 4.1.2. Phân lớp lúa sử dụng ảnh Sentinel 1A .................................................. 26 4.1.3. Nhận xét về phân lớp lúa sử dụng Landsat 8 và Sentinel 1A ............... 29 4.2. Đánh giá trực quan ....................................................................................... 30 4.3. Đánh giá độ chính xác dựa trên các nghiên cứu liên quan ........................... 33 CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN .................................................................................................. 35
5. DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1. 1. Thống kê diện tích các khu vực trồng lúa lớn nhất cả nước ta ........................... 7 Bảng 3. 1. Thông tin ảnh vệ tinh Landsat 8 được sử dụng trong nghiên cứu .................... 16 Bảng 3. 2. Số lượng ảnh và dữ liệu đặc trưng từ ảnh vệ tinh Sentinel 1A ......................... 17 Bảng 3. 4. Mô tả và công thức tính các chỉ số đánh giá độ chính xác của bộ phân lớp. .... 22 Bảng 4. 1. Dữ liệu huấn luyện và kiểm tra với bài toán phân lớp lúa sử dụng ảnh Landsat 8 ............................................................................................................................................ 24 Bảng 4. 2. Kết quả phân lớp lúa sử dụng ảnh vệ tinh Landsat 8 với bộ phân lớp XGBoost ............................................................................................................................................ 25 Bảng 4. 3. Kết quả độ chính xác và đô hồi tưởng của mô hình phân lớp lúa sử dụng ảnh vệ tinh Landsat 8 ..................................................................................................................... 25 Bảng 4. 4. Kết quả so sánh diện tích giữa bản đồ phân lớp lúa và số liệu thống kê .......... 25 Bảng 4. 5. Số lượng dữ liệu huấn luyện và kiểm tra với dữ liệu Sentinel 1A .................... 26 Bảng 4. 6. Kết quả phân lớp lúa với dữ liệu Sentinel 1A và bộ phân lớp SVM ................ 27 Bảng 4. 7. Kết quả độ chính xác và độ hồi tưởng của mô hình phân lớp lúa với dữ liệu Sentinel 1A ......................................................................................................................... 27 Bảng 4. 8. Kết quả so sánh với số liệu thống kê và số liệu ước tính bản đồ vụ xuân 2018 ............................................................................................................................................ 28 Bảng 4. 9. Bộ dữ liệu huấn luyện và kiểm tra để so sánh hiệu quản phân lớp giữa ảnh Sentinel 1A và Landsat 8 .................................................................................................... 29 Bảng 4. 10. Kết quả so sánh hiệu quả phân lớp lúa giữa hai loại dữ liệu Sentinel 1A và Landsat 8 ............................................................................................................................. 29 Bảng 4. 11. Kết quả phân lớp lúa theo tháng sử dụng ảnh Sentinel 1A ............................. 30 Bảng 4. 12. So sánh số liệu với các nghiên cứu liên quan ................................................. 33
6. DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2. 1. Viễn thám bị động (hình trên) và viễn thám chủ động (hình dưới) .................. 10 Hình 2. 2. Vệ tinh địa tĩnh (bên trái) và vệ tinh quỹ đạo cực (bên phải) ............................ 10 Hình 2. 3. Ảnh ghép Landsat 8 trên khu vực ĐBSH .......................................................... 11 Hình 2. 4. Ảnh ghép vệ tinh Sentinel 1A trên khu vực ĐBSH .......................................... 12 Hình 3. 1. Khu vực Đồng bằng sông Hồng ........................................................................ 15 Hình 3. 2. Workflow của phương pháp phát hiện và giám sát lúa liên tục trên khu vực ĐBSH ............................................................................................................................................ 18 Hình 3. 3. Phương pháp ghép ảnh theo tháng .................................................................... 20
7. DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT STT Từ viết tắt Ý nghĩa 1 ĐBSH Đồng Bằng Sông Hồng 2 SVM Support Vector Machine 3 VI Vegetation Index 4 EVI Enhanced Vegetation Index 5 NDVI Normalized difference vegetation index 6 NDWI Normalized difference water index 7 OLI Operational Land Imager 8 TIRS Thermal Infrared Sensor 9 LSWI Land Surface Water Index
8. LỜI CẢM ƠN Đầu tiên tôi xin được chân thành bày tỏ lòng cảm ơn của mình đến PGS. TS Nguyễn Thị Nhật Thanh. Người đã tận tình giúp đỡ và hướng dẫn tôi trong quá trình hoàn thành luận văn của mình. Tôi cũng xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc đến các Thầy, Cô ở Trung tâm Công nghệ Giám sát Hiện trường (FIMO) và các Thầy, Cô công tác tại khoa Công nghệ thông tin, trường Đại học Công nghệ - ĐHQGHN đã hỗ trợ, giảng dạy, truyền đạt kiến thức giúp tôi hoàn thành khóa học này. Cuối cùng, tôi muốn gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến bố mẹ và em trai đã luôn đồng hành cùng tôi trong quá trình học tập của mình. Công trình này được tài trợ một phần từ đề tài KHCN, cấp ĐHQGHN, Mã số đề tài: QG.18.36. Hà Nội, ngày 28 tháng 03 năm 2019 Học viên Phan Anh 1
9. LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn “Nghiên cứu và ứng dụng học máy trong phân lớp lúa sử dụng ảnh viễn thám” được thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS. TS Nguyễn Thị Nhật Thanh. Tham khảo từ những nghiên cứu liên quan đều được trích dẫn một cách rõ ràng trong danh mục tài liệu tham khảo. Không có việc sao chép tài liệu, công trình nghiên cứu của người khác mà không chỉ rõ về tài liệu tham khảo. Hà Nội, ngày 28 tháng 3 năm 2019 Học viên Phan Anh 2
10. NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG HỌC MÁY TRONG PHÂN LỚP LÚA SỬ DỤNG ẢNH VIỄN THÁM Phan Anh Khóa học và ngành học: K24 – Hệ thống thông tin Tóm tắt luận văn thạc sĩ: Đồng bằng sông Hồng (ĐBSH) là một trong bốn khu vực có diện tích canh tác lúa lớn nhất nước ta. Hàng năm, hai vụ lúa chính thường được gieo trồng trên khu vực ĐBSH và lúa là cây nông nghiệp chính được canh tác trên khu vực này. Tuy nhiên, với điều kiện khí hậu đặc trưng, lũ lụt và mưa bão hàng năm thường gây ra ảnh hưởng nghiêm trọng đến diện tích lúa gieo trồng. Hiện nay, việc sử dụng công nghệ viễn thám trong các bài toán giám sát, quan trắc các loại bề mặt lớp phủ trên trái đất nói chung và giám sát lúa nói riêng đã được áp dụng rất phổ biến và rộng rãi. Dữ liệu vệ tinh được sử dụng bao gồm hai loại dữ liệu quang học và radar. Tuy đã có một số ít các nghiên cứu sử dụng dữ liệu viễn thám phục vụ cho việc giám sát lúa trên khu vực ĐBSH. Tuy nhiên các nghiên cứu này vẫn còn hạn chế về dữ liệu ảnh cũng như phạm vi thực hiện. Chính vì vậy, trong luận văn này, tôi sẽ tìm hiểu. nghiên cứu và ứng dụng học máy trong phân lớp lúa sử dụng ảnh viễn thám và tiến hành thực nghiệm trên khu vực ĐBSH. Nội dung chính của luận văn sẽ trình bày về cơ sở lý thuyết viễn thám, các phương pháp học máy ứng dụng trong bài toán phân lớp lúa. Từ đó tiến hành đánh giá hiệu quả của các loại dữ liệu viễn thám và các phương pháp học máy để xây dựng phương pháp giám sát lúa liên tục trên khu vực ĐBSH. Từ khóa: Lúa, ĐBSH, Sentinel 1A, giám sát liên tục 3