Luận án Tiến sĩ Nghiên cứu đánh giá chất lượng ảnh viễn thám quang học của Việt Nam
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.12 MB, 192 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT
NGUYỄN MINH NGỌC
NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG ẢNH VIỄN THÁM
QUANG HỌC CỦA VIỆT NAM
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
HÀ NỘI - 2022
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT
NGUYỄN MINH NGỌC
NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG ẢNH VIỄN THÁM
QUANG HỌC CỦA VIỆT NAM
Ngành: Kỹ thuật Trắc địa – Bản đồ
Mã số: 9520503
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
TIỂU BAN HƢỚNG DẪN
1. PGS. TS. TRẦN VÂN ANH
2. TS. NGUYỄN XUÂN LÂM
HÀ NỘI - 2022
i
LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu khoa học của riêng bản thân tôi.
Các số liệu, dữ liệu sử dụng trong luận án có nguồn gốc rõ ràng, đã công bố theo quy
định. Kết quả nghiên cứu trong luận án do tơi tự tìm hiểu, phân tích một cách trung thực,
khách quan.
Nghiên cứu sinh
Nguyễn Minh Ngọc
ii
LỜI CẢM ƠN
Luận án này đƣợc hoàn thành tại Bộ môn Đo ảnh và Viễn thám, Khoa Trắc địa –
Bản đồ và Quản lý đất đai, Trƣờng Đại học Mỏ - Địa chất, dƣới sự hƣớng dẫn khoa học
của PGS.TS. Trần Vân Anh và TS. Nguyễn Xuân Lâm.
Trong quá trình thực hiện nghiên cứu, nghiên cứu sinh đã nhận đƣợc sự giúp đỡ
tận tình của các thầy, cơ giáo trong Bộ môn Đo ảnh và Viễn thám, Khoa Trắc địa – Bản
đồ và Quản lý đất đai, phòng Đào tạo Sau đại học, Lãnh đạo Nhà trƣờng; của các đồng
nghiệp tại Trung tâm Điều khiển và Khai thác vệ tinh nhỏ, Viện Công nghệ vũ trụ, Viện
Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam; các đồng nghiệp tại Đài Viễn thám Trung
ƣơng, Phòng Khoa học và Hợp tác quốc tế, Cục Viễn thám quốc gia, Bộ Tài nguyên và
Môi trƣờng; cùng các chuyên gia và các nhà khoa học khác,…
Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất đến tất cả các
thầy, cô giáo, các đồng nghiệp, lãnh đạo đơn vị, các nhà khoa học và gia đình đã tạo mọi
điều kiện thuận lợi để giúp đỡ tơi hồn thành luận án này.
Xin chân thành cảm ơn!
iii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. ii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ........................................................................ vi
DANH MỤC CÁC HÌNH........................................................................................ viii
DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................ xi
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
1.
Tính cấp thiết của đề tài...................................................................................... 1
2.
Mục tiêu nghiên cứu ........................................................................................... 3
3.
Nội dung nghiên cứu .......................................................................................... 3
4.
Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ...................................................................... 4
5.
Phƣơng pháp nghiên cứu .................................................................................... 4
6.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài............................................................ 5
7.
Những điểm mới của đề tài ................................................................................ 5
8.
Luận điểm bảo vệ ............................................................................................... 5
9.
Kết cấu của luận án ............................................................................................. 6
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ...................................... 7
1.1 Khái niệm về đánh giá chất lƣợng ảnh viễn thám quang học ................................... 7
1.1.1 Khái niệm chất lƣợng ảnh viễn thám quang học ................................................ 7
1.1.2 Sự cần thiết phải đánh giá chất lƣợng ảnh viễn thám quang học ....................... 8
1.2 Các thông số thể hiện chất lƣợng ảnh viễn thám quang học ................................... 10
1.2.1 Thông số liên quan đến yếu tố không gian ....................................................... 11
1.2.2 Thông số liên quan đến yếu tố bức xạ .............................................................. 15
1.3 Tổng quan về đánh giá chất lƣợng ảnh viễn thám quang học ................................. 17
1.3.1 Trên thế giới ..................................................................................................... 17
1.3.2 Ở Việt Nam....................................................................................................... 23
1.4 Tiểu kết chƣơng 1 .................................................................................................... 26
CHƢƠNG 2. CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƢƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ CHẤT
LƢỢNG ẢNH VIỄN THÁM QUANG HỌC ................................................................... 28
2.1 Thiết bị thu nhận ảnh và chất lƣợng ảnh ................................................................. 28
2.1.1 Chất lƣợng ảnh về mặt bức xạ .......................................................................... 29
iv
2.1.2 Chất lƣợng ảnh về mặt không gian ................................................................... 30
2.2 Thông số đánh giá chất lƣợng ảnh........................................................................... 33
2.2.1 Những thông số đại diện cho yếu tố bức xạ ..................................................... 33
2.2.2 Những thông số đại diện cho yếu tố không gian .............................................. 35
2.2.3 Thông số phù hợp với Việt Nam ...................................................................... 37
2.3 Phƣơng pháp đánh giá tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) ............................................ 44
2.3.1 Nguồn dữ liệu ................................................................................................... 45
2.3.2 Phƣơng pháp tính tốn ...................................................................................... 47
2.4 Phƣơng pháp đánh giá hàm truyền điều biến (MTF) .............................................. 49
2.4.1 Phƣơng pháp dựa trên bãi kiểm định................................................................ 49
2.4.2 Phƣơng pháp độ phân giải kép ......................................................................... 53
2.4.3 Phƣơng pháp dựa trên thiết bị đặc trƣng .......................................................... 53
2.5 Phƣơng pháp đánh giá chất lƣợng ảnh thích hợp với điều kiện của Việt Nam ....... 54
2.5.1 Điều kiện thực tế của Việt Nam ....................................................................... 54
2.5.2 Phƣơng pháp tính tốn SNR ............................................................................. 56
2.5.3 Phƣơng pháp tính tốn MTF ............................................................................ 57
2.5.4 Phƣơng pháp chiết tách cạnh Canny ................................................................ 59
2.6 Tiểu kết chƣơng 2 .................................................................................................... 61
CHƢƠNG 3: ĐỀ XUẤT QUY TRÌNH ĐÁNH GIÁ CHÂT LƢỢNG ẢNH VIỄN
THÁM QUANG HỌC PHÙ HỢP VỚI ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM ................................... 63
3.1 Quy trình hiệu chỉnh bức xạ .................................................................................... 64
3.1.1 Hiệu chỉnh tín hiệu tối (DS) ............................................................................. 64
3.1.2 Hiệu chỉnh mức độ hồi đáp không đồng đều của điểm ảnh (PRNU) ............... 66
3.2 Quy trình đánh giá chất lƣợng ảnh qua thơng số SNR ............................................ 68
3.3 Quy trình đánh giá chất lƣợng ảnh qua thơng số MTF ........................................... 70
3.4 Quy trình đánh giá chất lƣợng theo nhu cầu sử dụng .............................................. 76
3.5 Bãi kiểm định phục vụ công tác đánh giá chất lƣợng ảnh....................................... 79
3.5.1 Bãi kiểm định cố định....................................................................................... 79
3.5.2 Bãi kiểm định di động ...................................................................................... 80
3.5.3 Tiêu chí lựa chọn bãi kiểm định ....................................................................... 82
3.6 Tiểu kết chƣơng 3 .................................................................................................... 84
v
CHƢƠNG 4. THỰC NGHIỆM: ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG ẢNH VIỄN THÁM
VNREDSAT-1 CỦA VIỆT NAM..................................................................................... 86
4.1 Hiệu chỉnh bức xạ .................................................................................................... 86
4.1.1 Hiệu chỉnh DS .................................................................................................. 86
4.1.2 Hiệu chỉnh PRNU ............................................................................................. 93
4.2 Đánh giá chất lƣợng ảnh VNREDSat-1 qua thông số SNR .................................... 99
4.3 Đánh giá chất lƣợng ảnh VNREDSat-1 qua thông số MTF .................................. 101
4.3.1 Đánh giá chất lƣợng ảnh qua thông số MTF .................................................. 101
4.3.2 Đề xuất mức chất lƣợng ảnh qua thông số MTF ............................................ 108
4.4 Tiểu kết chƣơng 4 .................................................................................................. 113
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 114
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 116
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ ..................................................... 125
PHỤ LỤC 1: TÍNH TỐN MTF CHO VNREDSAT-1 SỬ DỤNG BÃI KIỂM
ĐỊNH TẠI SALON DE PROVENCE ............................................................................. 126
PHỤ LỤC 2: KẾT QUẢ ĐO PHẢN XẠ BỀ MẶT Ô MẪU TẠI BÃI KIỂM ĐỊNH
BUÔN MA THUỘT ........................................................................................................ 133
PHỤ LỤC 3: DỮ LIỆU ẢNH VNREDSAT-1 ĐƢỢC SỬ DỤNG TRONG
NGHIÊN CỨU ................................................................................................................ 141
PHỤ LỤC 4: SO SÁNH BÃI KIỂM ĐỊNH TẠI SALON DE PROVENCE (PHÁP)
VÀ BUÔN MA THUỘT, ĐẮK LẮK (VIỆT NAM) ...................................................... 144
PHỤ LỤC 5: MÃ NGUỒN CÔNG CỤ PHẦN MỀM ........................................... 145
PHỤ LỤC 6: MÔ PHỎNG CHẤT LƢỢNG ẢNH ................................................ 152
PHỤ LỤC 7: CHẤT LƢỢNG ẢNH CỦA CÁC ĐỐI TƢỢNG TẠI NHỮNG THỜI
ĐIỂM KHÁC NHAU ...................................................................................................... 163
PHỤ LỤC 8: TỆP TIN HIỆU CHỈNH HỆ THỐNG ............................................. 177
vi
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
AVHRR
Advanced
Very
High
Resolution Hệ thống chụp ảnh độ phân giải
Radiometer
AVIRIS
rất cao
Airborne Visible/InfraRed Imaging Thiết bị chụp ảnh hàng khơng
Spectrometer
BRDF
kênh phổ nhìn thấy/hồng ngoại
Bidirectional Reflectance Distribution Hàm phân bố phản xạ hai chiều
Function
CCD
Charge Coupled Device
Cảm biến chuyển đổi hình ảnh
quang học sang tín hiệu điện
(linh kiện tích điện kép)
CMOS
Complementary
Metal
Oxide Chất bán dẫn oxit kim loại bổ
Semiconductor
sung
CPF
Calibration Parameter File
Tệp thơng số hiệu chỉnh
CTF
Contrast Transfer Function
Hàm truyền tƣơng phản
DS
Dark Signal
Tín hiệu tối
EFOV
Efficient Field Of View
Trƣờng nhìn hiệu quả
EIFOV
Effective Instantaneous Field Of View Trƣờng nhìn tức thời hiệu quả
ESA
European Space Agency
Cơ quan Vũ trụ châu Âu
ESF
Edge Spread Function
Hàm lan truyền cạnh
FOV
Field Of View
Trƣờng nhìn
GSD
Ground Sampling Distance
Khoảng cách lấy mẫu mặt đất
IFOV
Instantaneous Field Of View
Trƣờng nhìn tức thời
IGFOV
Instantaneous Geometric Field Of Trƣờng nhìn hình học tức thời
View
ISO
International
Organization
for Tổ chức tiêu chuẩn thế giới
Standardization
LES
Land Equipped Site
Bãi kiểm định mặt đất có trang
thiết bị
LNES
Land Non Equipped Site
Bãi kiểm định mặt đất khơng có
trang thiết bị
LSD
Local Standard Deviation
Độ lệch chuẩn cục bộ
LSF
Line Spread Function
Hàm lan truyền đƣờng
LSI
Linear Shift Invariant
Dịch chuyển tuyến tính bất biến
vii
MTF
Modulation Transfer Function
Hàm truyền điều biến
MTFA
Module Transfer Function Area
Khu vực hàm truyền điều biến
MS
MultiSpectral
Đa phổ
MSS
Multispectral Scanner System
Hệ thống chụp ảnh đa phổ
NASA
National
Aeronautics
and
Space Cơ quan Hàng không vũ trụ Hoa
Administration
Kỳ
NEM
Noise-Equivalent Modulation
Điều biến tƣơng đƣơng nhiễu
NIR
Near InfraRed
Cận hồng ngoại
OLI
Operational Land Imager
Thiết bị chụp ảnh bề mặt đất
OTF
Optical Transfer Function
Hàm truyền quang học
PAN
Panchromatic
Toàn sắc
PRNU
Pixel Response Non-Uniformity
Hồi đáp bức xạ không đồng đều
của điểm ảnh
PSF
Point Spread Function
RAIFOV
Radiometrically
Hàm lan truyền điểm
Accurate Trƣờng nhìn tức thời có bức xạ
Instantaneous Field Of View
chính xác
SD
Standard Deviation
Đệ lệch chuẩn
SES
Sea Equipped Site
Bãi kiểm định mặt biển có trang
thiết bị
SNES
Sea Non Equipped Site
Bãi kiểm định mặt biển khơng
có trang thiết bị
SNR
Signal to Noise Ratio
Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu
SPOT
Satellite Pour l’Observation de la Vệ tinh quan sát Trái đất của
Terre
Pháp
SWIR
Short Wave InfraRed
Hồng ngoại sóng ngắn
TDI
Time Delay Integration
Tích hợp thời gian trễ
TIR
Thermal Infrared Sensor
Bộ cảm hồng ngoại nhiệt
VNIR
Visible and Near InfraRed
Nhìn thấy và cận hồng ngoại
VNREDSat-1 Vietnam
Environment,
WFE
Nature
Disaster
Resources, Vệ tinh nhỏ Việt Nam quan sát
monitoring tài nguyên thiên nhiên, môi
Satellite
trƣờng và thiên tai
Wave-Front Error
Lỗi đầu sóng
viii
DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Minh họa một ví dụ về mẫu đƣợc dùng để ƣớc tính MTF ................................ 11
Hình 1.2. Các biến dạng hình học: bản đồ phẳng (b), sai lệch quang học âm (a) và sai
lệch quang học dƣơng (c) .................................................................................................. 13
Hình 1.3. Ảnh hƣởng của các góc nghiêng đến ảnh thu đƣợc [33] ................................... 13
Hình 1.4. Dạng sai lệch do chuyển động của Trái đất....................................................... 14
Hình 1.5. Khoảng cách lấy mẫu mặt đất và trƣờng nhìn tức thời ..................................... 14
Hình 1.6. Độ rộng dải chụp ảnh ........................................................................................ 15
Hình 2.1. Nguyên lý thu nhận ảnh viễn thám[10] ............................................................. 28
Hình 2.2. Ảnh hƣởng của hiện tƣợng quang sai và ảnh trên tiêu diện [10] ...................... 29
Hình 2.3. Hình ảnh của một điểm sáng trên tiêu diện ....................................................... 31
Hình 2.4. Giới hạn phân giải ............................................................................................. 31
Hình 2.5. Mối quan hệ của FOV, IFOV, IGFOV [51] ...................................................... 32
Hình 2.6. Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu [10] .............................................................................. 38
Hình 2.7. Biểu đồ phân bố độ xám của ảnh khơng có nhiễu (a) và có nhiễu (b) .............. 39
Hình 2.8. Ngun tắc hàm lan truyền điểm[20] ................................................................ 40
Hình 2.9. Biên độ điều biến giảm từ đối tƣợng đến ảnh khi qua hệ thống quang học[20] 41
Hình 2.10. MTF giảm biên độ khi tăng tần số khơng gian[20] ......................................... 41
Hình 2.11. MTF hệ thống là tích của nhiều MTF thành phần[20] .................................... 42
Hình 2.12. Biểu đồ phân bố độ xám của ảnh không mờ (a) và ảnh mờ (b) ...................... 43
Hình 2.13. Các hệ thống quang học với đƣờng cong MTF khác nhau[20] ....................... 43
Hình 2.14. Ảnh của các hệ thống quang học với đƣờng cong MTF khác nhau ................ 44
Hình 2.15. Bãi kiểm định cạnh dùng để ƣớc tính MTF .................................................... 50
Hình 2.16. Mẫu bãi kiểm định dạng xung ......................................................................... 51
Hình 2.17. Mẫu mục tiêu tuần hoàn: (a) mẫu ba thanh, (b) mẫu ngơi sao Siemens ......... 52
Hình 2.18. Thiết kế bãi kiểm định tại thành phố Buôn Ma Thuột, Đắk Lắk .................... 55
Hình 2.19. Ơ mẫu để đánh giá SNR .................................................................................. 57
Hình 2.20. Mối quan hệ giữa ESF, LSF và MTF .............................................................. 59
Hình 2.21. Ví dụ lọc bỏ giá trị khơng phải cực đại ........................................................... 60
Hình 2.22. Ví dụ minh họa về ngƣỡng lọc ........................................................................ 61
Hình 3.1. Quy trình đánh giá chất lƣợng ảnh tổng thể ...................................................... 63
ix
Hình 3.2. Quy trình hiệu chỉnh DS .................................................................................... 65
Hình 3.3. Quy trình hiệu chỉnh PRNU .............................................................................. 67
Hình 3.4. Quy trình đánh giá SNR .................................................................................... 69
Hình 3.5. Quy trình đánh giá MTF .................................................................................... 71
Hình 3.6. Hƣớng của cạnh trong hệ quy chiếu ảnh phục vụ tính MTF ............................. 72
Hình 3.7. Lƣới lấy mẫu ảnh ............................................................................................... 72
Hình 3.8. Lấy mẫu để đánh giá MTF ................................................................................ 73
Hình 3.9. Minh họa kết quả chiết tách cạnh ...................................................................... 73
Hình 3.10. Nguyên tắc lấy mẫu một chiều xác định ESF ................................................. 74
Hình 3.11. Ví dụ minh họa xác định ESF và LSF ............................................................. 75
Hình 3.12. Ví dụ minh họa đƣờng cong MTF ................................................................... 75
Hình 3.13. Lan truyền cƣờng độ bức xạ tại một điểm ảnh ................................................ 77
Hình 3.14. Quy trình đánh giá chất lƣợng theo nhu cầu sử dụng...................................... 79
Hình 3.15. Vật chuẩn di động dạng rẻ quạt ....................................................................... 81
Hình 3.16. Vật chuẩn di động dạng cột (trái) và dạng ơ vng (phải) .............................. 81
Hình 3.17. Vật chuẩn di động dạng thang độ xám ............................................................ 82
Hình 3.18. Vật chuẩn di động đa màu sắc ......................................................................... 82
Hình 4.1. Vị trí và dữ liệu ảnh VNREDSat-1 để đánh giá DS .......................................... 87
Hình 4.2. Biểu đồ hiển thị giá trị tín hiệu tối của VNREDSat-1 ....................................... 87
Hình 4.3. Sự khác biệt của giá trị tín hiệu tối .................................................................... 89
Hình 4.4. Sai số lớn nhất của giá trị tín hiệu tối giữa hai thời điểm đánh giá. .................. 89
Hình 4.5. Kết quả hiệu chỉnh dòng tối trên kênh PAN của ảnh VNREDSat-1 ................. 90
Hình 4.6. Kết quả hiệu chỉnh dịng tối trên kênh B1 (blue) của ảnh VNREDSat-1.......... 91
Hình 4.7. Kết quả hiệu chỉnh dòng tối trên kênh B2 (green) của ảnh VNREDSat-1........ 91
Hình 4.8. Kết quả hiệu chỉnh dịng tối kênh B3 (red) của ảnh VNREDSat-1................... 92
Hình 4.9. Kết quả hiệu chỉnh dòng tối kênh B4 (NIR) của ảnh VNREDSat-1 ................. 92
Hình 4.10. Vị trí sa mạc Algeria (a) và Lybia (b) để đánh giá PRNU .............................. 94
Hình 4.11. Kết quả tính tốn PRNU .................................................................................. 95
Hình 4.12. Kết quả so sánh PRNU giữa hai kỳ đánh giá .................................................. 96
Hình 4.13. Sai số bất thƣờng của PRNU giữa hai kỳ đánh giá ......................................... 96
Hình 4.14. Kết quả hiệu chỉnh PRNU trên kênh PAN của ảnh VNREDSat-1 ................. 97
Hình 4.15. Kết quả hiệu chỉnh PRNU kênh B1 (blue) của ảnh VNREDSat-1 ................. 97
x
Hình 4.16. Kết quả hiệu chỉnh PRNU kênh B2 (green) của ảnh VNREDSat-1 ............... 98
Hình 4.17. Kết quả hiệu chỉnh PRNU kênh B3 (red) của ảnh VNREDSat-1 ................... 98
Hình 4.18. Kết quả hiệu chỉnh PRNU kênh B4 (NIR) của ảnh VNREDSat-1 ................. 99
Hình 4.19. Dữ liệu ảnh VNREDSat-1chụp khu vực bãi kiểm định tại thành phố Buôn Ma
Thuột ngày 14/11/2017 .................................................................................................... 102
Hình 4.20. Dữ liệu ảnh VNREDSat-1chụp khu vực bãi kiểm định tại thành phố Buôn Ma
Thuột ngày 02/11/2018 .................................................................................................... 102
Hình 4.21. Vị trí các ơ mẫu đánh giá MTF(a) và SNR (b) đƣợc kiểm tra phản xạ bề mặt
......................................................................................................................................... 103
Hình 4.22: Giá trị MTF sau 8 năm hoạt động của vệ tinh VNREDSat-1 ....................... 107
Hình 4.23: Ảnh VNREDSat-1, thành phố Nha Trang, ngày 26/12/2019 và biểu đồ phân
bố độ xám ........................................................................................................................ 109
Hình 4.24: Ảnh VNREDSat-1, xã Đức Trung, Đức Thọ, Hà Tĩnh, ngày 22/03/2019 và
biểu đồ phân bố độ xám................................................................................................... 110
Hình 4.25: Ảnh VNREDSat-1, Khu vực Bình Đại, Bến Tre, ngày 24/12/2019 và biểu đồ
phân bố độ xám................................................................................................................ 110
Hình 4.26: Ảnh VNREDSat-1, khu vực Mƣờng Lát, Thanh Hóa, ngày 18/04/2019 và biểu
đồ phân bố độ xám........................................................................................................... 111
xi
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1. Dữ liệu đƣợc sử dụng để đánh giá MTF ........................................................... 72
Bảng 3.2. Thông tin yêu cầu mô tả đối với mỗi bãi kiểm định ......................................... 80
Bảng 3.3. Một số tiêu chí lựa chọn bãi kiểm định ............................................................. 83
Bảng 4.1. Dữ liệu ảnh VNREDSat-1 để đánh giá DS ....................................................... 87
Bảng 4.2. Dữ liệu ảnh VNREDSat-1 để đánh giá PRNU ................................................. 94
Bảng 4.3. Kết quả tính tốn SNR sử dụng bãi kiểm định tại Buôn Ma Thuột .................. 99
Bảng 4.4. So sánh kết quả SNR thực nghiệm và thiết kế ................................................ 100
Bảng 4.5. Dữ liệu ảnh VNREDSat-1 chụp bãi thử tại Buôn Ma Thuột .......................... 101
Bảng 4.6. Giá trị phản xạ của ô mẫu ở bãi kiểm định tại Buôn Ma Thuột ..................... 103
Bảng 4.7. So sánh giá trị MTF tính theo phƣơng pháp đƣợc đề xuất và của nhà sản xuất
vệ tinh VNREDSat-1 ....................................................................................................... 104
Bảng 4.8. Kết quả tính tốn MTF dọc hƣớng bay (chuyển từ đen sang trắng) ............... 104
Bảng 4.9. Kết quả tính tốn MTF dọc hƣớng bay (chuyển từ trắng sang đen) ............... 105
Bảng 4.10. Kết quả tính tốn MTF theo chiều dọc hƣớng bay ....................................... 105
Bảng 4.11. Kết quả tính tốn MTF ngang hƣớng bay (chuyển từ đen sang trắng) ......... 105
Bảng 4.12. Kết quả tính tốn MTF ngang hƣớng bay (chuyển từ trắng sang đen) ......... 106
Bảng 4.13. Kết quả tính toán MTF theo chiều ngang hƣớng bay ................................... 106
Bảng 4.14. So sánh với các kết quả tính tốn MTF tại bãi kiểm định Salon de Provence
và Buôn Ma Thuột ........................................................................................................... 107
Bảng 4.15. Đề xuất mức chất lƣợng ảnh ......................................................................... 113
1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Chất lƣợng dữ liệu ảnh viễn thám đƣợc đánh giá trên các mặt khác nhau nhƣ: kỹ
thuật viễn thám, ứng dụng của viễn thám, kinh tế. Những khía cạnh đó đều dựa trên các
thơng số kỹ thuật của dữ liệu ảnh hay nói cách khác là chất lƣợng ảnh về mặt kỹ thuật
viễn thám.
Dữ liệu ảnh viễn thám quang học mà ngƣời dùng tiếp cận đƣợc hầu hết ở mức 1A,
2A hay cao hơn nữa; đồng thời, các nhà cung cấp thƣờng định hƣớng chỉ tiêu chất lƣợng
ảnh dựa trên khái niệm về các loại độ phân giải. Do đó, dữ liệu ở mức thấp hơn nhƣ mức
0 ít đƣợc quan tâm.
Nhƣ vậy, đối với các dữ liệu trƣớc mức 2A nhƣ mức 1A hay trƣớc đó là mức 0 thì
có đƣợc đánh giá không và đánh giá nhƣ thế nào? Đây là một bài toán thƣờng đƣợc giải
bởi nhà sản xuất hoặc đơn vị quản lý hệ thống vệ tinh viễn thám. Các giá trị để đánh giá
thƣờng liên quan trực tiếp đến các mơ hình quang học, điện tử, cơ khí, động lực học,…
của tồn bộ quả vệ tinh. Vì lý do bảo mật, các mơ hình này thƣờng khơng đƣợc công bố;
hơn thế nữa đối với mỗi thế hệ vệ tinh khác nhau các mơ hình này cũng khơng giống
nhau hồn tồn thậm chí là ngay cả trong một thế hệ nhƣng mỗi quả vệ tinh cũng có đặc
thù riêng.
Để đánh giá chất lƣợng ảnh có rất nhiều thơng số và đƣợc chia thành hai nhóm nhƣ
sau: nhóm liên quan đến yếu tố khơng gian có hàm truyền điều biến, sai số vị trí, độ méo
ảnh, khoảng cách lấy mẫu góc, khoảng cách lấy mẫu mặt đất, chất lƣợng định hƣớng, độ
rộng dải chụp.. và nhóm liên quan đến yếu tố bức xạ có tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu, tín hiệu
tối, hồi đáp bức xạ khơng đồng đều của điểm ảnh, dải động bức xạ,… [18,52,16]
Mặc dù có nhiều thông số nhƣng ảnh hƣởng của chúng đến chất lƣợng ảnh không
phải là nhƣ nhau; đồng thời cũng không phải thông số nào mà đơn vị quản lý hệ thống vệ
tinh có thể chủ động đánh giá đƣợc. Vì vậy cần xác định rõ những thông số nào đặc trƣng
cho chất lƣợng ảnh và có thể thực hiện cơng tác đánh giá; đồng thời cũng chỉ ra đƣợc tình
trạng hoạt động của thiết bị chụp ảnh trên vệ tinh.
Do có nhiều thông số để đánh giá chất lƣợng ảnh nên mỗi hệ thống vệ tinh viễn
thám quang học có bộ thông số khác nhau để đánh giá chất lƣợng ảnh, hai thông số xuất
hiện thƣờng xuyên trong các bộ thông số đó là: tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu, đƣợc viết tắt là
2
SNR (Signal to Noise Ratio), và hàm truyền điều biến, đƣợc viết tắt là MTF (Modulation
Transfer Function).
Trong điều kiện của Việt Nam vẫn cịn thiếu phịng thí nghiệm, các thiết bị hỗ trợ,
mới có bãi kiểm định đƣợc xây dựng tại thành phố Buôn Ma Thuột, tỉnh Đắk Lắk, đƣợc
đƣa vào sử dụng từ 2017, và các bãi kiểm định tự nhiên trên thế giới; nghiên cứu sinh đề
xuất lựa chọn hai thông số MTF và SNR để đánh giá chất lƣợng ảnh. Đây là hai thông số
không chỉ thể hiện đƣợc chất lƣợng ảnh, mà cịn tính tốn đƣợc với điều kiện có các bãi
kiểm định nhƣ đã nêu trên. Do đó hai thơng số này thích hợp với để đánh giá chất lƣợng
ảnh viễn thám quang học của Việt Nam với thực trạng hiện nay.
Điều kiện hoạt động khắc nghiệt ngồi khơng gian cùng với q trình phóng lên quỹ
đạo dẫn đến suy giảm chất lƣợng của các thiết bị trên vệ tinh, đặc biệt thiết bị thu nhận
ảnh vốn có cấu trúc phức tạp với độ chính xác cao. Tuy nhiên, việc suy giảm có thể chấp
nhận đƣợc trong một giới hạn cho phép nào đó, và điều quan trọng là cần phải xác định
đƣợc tình trạng hoạt động thực tế của thiết bị chụp ảnh trên vệ tinh trong điều kiện không
tiếp xúc trực tiếp đƣợc với thiết bị. Do vậy, ngay từ khi các vệ tinh viễn thám đƣợc đƣa
vào sử dụng, các nhà khoa học đã nghiên cứu, đề xuất nhiều phƣơng pháp để đánh giá
chất lƣợng của hệ thống chụp ảnh trên vệ tinh, và phƣơng pháp đánh giá gián tiếp sử
dụng dữ liệu ảnh là hƣớng tiếp cận đƣợc áp dụng rộng rãi [53,33,79].
Dữ liệu ảnh thu đƣợc của các hệ thống vệ tinh viễn thám quang học là rất lớn,
nhƣng không phải bất kỳ dữ liệu ảnh nào cũng có thể đƣợc sử dụng để đánh giá chất
lƣợng ảnh mà chúng cần đáp ứng đƣợc các tiêu chí riêng. Ví dụ đối với thơng số SNR thì
các dữ liệu ảnh cần có các khu vực đồng nhất hay có thể tổ hợp đƣợc thành vùng đồng
nhất; với thơng số MTF thì các dữ liệu ảnh cần có chuỗi các vật thể với tần số không gian
khác nhau và cùng giá trị phản xạ. Trong viễn thám, việc có thể tìm đƣợc các khu vực
đồng nhất để đánh giá thông số SNR là khả thi; tuy nhiên để đánh giá thông số MTF thì
cần có những khu vực đặc thù, và hầu hết là đƣợc chuẩn bị trƣớc, các khu vực đó thƣờng
đƣợc gọi là bãi kiểm định.
Ngồi ra cũng có một số phƣơng pháp đánh giá MTF khác không dùng dữ liệu ảnh
các bãi kiểm định nhƣng không đƣợc sử dụng rộng rãi, vì yêu cầu dữ liệu đầu vào quá
khắt khe nhƣ phƣơng pháp độ phân giải kép, hay không còn phù hợp với xu hƣớng phát
triển của ảnh viễn thám quang học nhƣ phƣơng pháp khung toán tổng quát; hay do hƣớng
3
tiếp cận chƣa sát với chuyên môn của các nhà nghiên cứu nhƣ phƣơng pháp sử dụng mơ
hình tham số trực tiếp và gián tiếp của MTF.
Trên cơ sở nghiên cứu các phƣơng pháp đã có, nghiên cứu sinh thực hiện đề tài
“Nghiên cứu đánh giá chất lƣợng ảnh viễn thám quang học của Việt Nam” với
phƣơng pháp đƣợc phát triển theo hƣớng định lƣợng, đề xuất quy trình đánh giá chất
lƣợng ảnh viễn thám quang học của Việt Nam, phù hợp với điều kiện thực tế của nƣớc ta.
Các kết quả thu đƣợc sẽ chỉ ra các ngƣỡng chất lƣợng ảnh cụ thể đối với những thông số
đƣợc dùng để đánh giá là SNR và MTF.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là:
- Đề xuất thông số để đánh giá chất lƣợng ảnh viễn thám quang học phù hợp với
điều kiện của Việt Nam.
- Lựa chọn đƣợc phƣơng pháp và đề xuất quy trình đánh giá chất lƣợng ảnh viễn
thám quang học đối với điều kiện của Việt Nam.
Với hai mục tiêu đã đề ra ở trên, nghiên cứu sẽ góp phần xây dựng cơ sở khoa học
đánh giá chất lƣợng ảnh viễn thám quang học, phục vụ công tác kiểm tra, đánh giá chất
lƣợng ảnh các vệ tinh của Việt Nam.
3. Nội dung nghiên cứu
Để thực hiện đƣợc mục tiêu trên, đề tài cần thực hiện các nội dung nghiên cứu sau:
-
Nghiên cứu tổng quan về công tác đánh giá chất lƣợng ảnh viễn thám quang học
đối với các hệ thống vệ tinh trên thế giới, bao gồm: thông số để đánh giá chất lƣợng ảnh,
phƣơng pháp tính tốn các thơng số để đánh giá chất lƣợng ảnh, nguồn dữ liệu, bãi kiểm
định chất lƣợng ảnh đƣợc sử dụng trong quá trình đánh giá. Trên cơ sở đó đề xuất lựa
chọn thơng số đánh giá chất lƣợng ảnh phù hợp với điều kiện của Việt Nam là SNR đại
diện cho các yếu tố bức xạ và MTF đại diện cho các yếu tố không gian.
-
Nghiên cứu cơ sở khoa học và phƣơng pháp đánh giá chất lƣợng ảnh viễn thám
quang học qua hai thông số SNR và MTF. Từ đó, lựa chọn phƣơng pháp phù hợp với
điều kiện của Việt Nam.
-
Nghiên cứu phƣơng pháp chiết tách cạnh Canny để phục vụ việc tính tốn thông
số MTF từ dữ liệu ảnh viễn thám quang học.
4
-
Xây dựng quy trình đánh giá chất lƣợng ảnh viễn thám quang học với hai thông số
SNR, MTF và từ nhu cầu sử dụng ảnh trong thực tế để đề xuất mức chất lƣợng ảnh đối
với mỗi tỉ lệ cụ thể.
-
Thử nghiệm đánh giá chất lƣợng ảnh VNREDSat-1 của Việt Nam, đề xuất mức
chất lƣợng ảnh (theo thông số SNR, MTF) đối với mỗi nhu cầu sử dụng cụ thể.
4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Đối tƣợng nghiên cứu của đề tài là tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu SNR, và thông số hàm
truyền điều biến MTF, đại diện cho chất lƣợng ảnh viễn thám quang học lần lƣợt liên
quan đến bức xạ và không gian.
Phạm vi không gian bao gồm: các bãi kiểm định nhân tạo tại Salon de Provence
(Pháp)_đây là bãi kiểm nghiệm mà vệ tinh VNREDSat-1 sử dụng từ khi mới đƣợc phóng
lên quỹ đạo, bãi kiểm định tại thành phố Buôn Ma Thuột (tỉnh Đắk Lắk); và các bãi kiểm
định tự nhiên: sa mạc tại Châu Phi, vùng biển tại Đại Tây Dƣơng.
Phạm vi dữ liệu: dữ liệu ảnh VNREDSat-1 của Việt Nam ở mức 0 và mức 1A.
5. Phƣơng pháp nghiên cứu
-
Phƣơng pháp phân tích, tổng hợp: tổng hợp, phân tích các nghiên cứu trong và
ngồi nƣớc có liên quan đến nội dung luận án; tài liệu, số liệu về các thông số thể hiện
chất lƣợng ảnh viễn thám quang học; kế thừa các kết quả nghiên cứu đã có, thực tế vận
hành và khai thác hệ thống vệ tinh VNREDSat-1.
-
Phƣơng pháp thu thập số liệu: tiến hành đo đạc, thu thập số liệu đo phản xạ phổ
của bề mặt bãi kiểm định tại thành phố Buôn Ma Thuột, tỉnh Đắk Lắk, vào hai thời điểm
năm 2017 và 2018; thu thập dữ liệu ảnh chụp bãi kiểm định tại thành phố Buôn Ma
Thuột, tại Salon de Provence, Pháp, tại Đại Tây Dƣơng và các sa mạc ở châu Phi.
-
Phƣơng pháp viễn thám: Sử dụng các kỹ thuật xử lý dữ liệu viễn thám quang học
để chiết xuất các thông tin từ ảnh phục vụ cho công tác thực nghiệm của nghiên cứu.
-
Phƣơng pháp chuyên gia: tham khảo ý kiến của các chuyên gia trong lĩnh vực viễn
thám, công nghệ vũ trụ để thực hiện các đánh giá, và định hƣớng cho nghiên cứu.
-
Phƣơng pháp thực nghiệm: sử dụng ngơn ngữ lập trình để xây dựng cơng cụ phần
mềm trong q trình thực hiện đánh giá chất lƣợng ảnh viễn thám VNREDSat-1.
5
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
6.1 Ý nghĩa khoa học của đề tài
-
Đóng góp cơ sở khoa học và phƣơng pháp luận trong việc đánh giá chất lƣợng ảnh
viễn thám quang học của Việt Nam.
-
Xây dựng đƣợc quy trình đánh giá chất lƣợng ảnh viễn thám quang học của Việt
Nam.
6.2 Ý nghĩa thực tiễn
-
Kết quả nghiên cứu của luận án đã chứng minh chất lƣợng ảnh viễn thám quang
học của vệ tinh VNREDSat-1 vẫn đáp ứng đƣợc các chỉ tiêu kỹ thuật khi thiết kế hệ
thống, đảm bảo cung cấp ảnh có chất lƣợng, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật cho đến thời điểm
đánh giá;
-
Quy trình đánh giá chất lƣợng ảnh viễn thám quang học đƣợc đề xuất trong luận
án có thể áp dụng cho các thế hệ vệ tinh của Việt Nam.
-
Hiện nay Việt Nam đang vận hành hệ thống trạm thu ảnh VNREDSat-1 và SPOT
6, 7; trong tƣơng lai sẽ thu thêm dữ liệu ảnh KOMPSAT3. Do vậy, nhu cầu đánh giá chất
lƣợng ảnh trƣớc khi đƣa ra thị trƣờng là có. Quy trình và phƣơng pháp đề xuất trong
nghiên cứu có thể áp dụng để đánh giá chất lƣợng các loại dữ liệu này.
7. Những điểm mới của đề tài
-
Đề xuất lựa chọn các thông số SNR, MTF để đánh giá chất lƣợng ảnh viễn thám
quang học phù hợp với điều kiện Việt Nam, từ đó xây dựng quy trình đánh giá có kết hợp
thêm nhu cầu sử dụng để chia thành các mức chất lƣợng ảnh cụ thể;
-
Sử dụng phƣơng pháp chiết tách cạnh Canny thay cho các thuật toán tuyến tính
trong việc tính tốn hàm truyền điều biến MTF từ các bãi kiểm định, giúp công tác đánh
giá chất lƣợng ảnh vệ tinh độ phân giải cao đƣợc thuận lợi hơn.
8. Luận điểm bảo vệ
Luận điểm 1: Việc sử dụng hai thông số: hàm truyền điều biến MTF, tỉ lệ tín hiệu
trên nhiễu SNR là đảm bảo điều kiện để đánh giá chất lƣợng ảnh viễn thám quang học
của Việt Nam.
Luận điểm 2: Phƣơng pháp chiết tách cạnh Canny để tính tốn hàm truyền điều biến
MTF từ các bãi kiểm định là phù hợp trong công tác đánh giá chất lƣợng ảnh của Việt
Nam.
6
9. Kết cấu của luận án
Luận án bao gồm phần mở đầu, 04 chƣơng, kết luận, tài liệu tham khảo, các cơng
trình đã cơng bố, và phụ lục. Nội dung chính đƣợc trình bày trong 04 chƣơng:
Chƣơng 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
Chƣơng 2: Cơ sở khoa học và phƣơng pháp đánh giá chất lƣợng ảnh viễn thám quang
học
Chƣơng 3: Quy trình đánh giá chất lƣợng ảnh viễn thám quang học
Chƣơng 4: Thực nghiệm: đánh giá chất lƣợng ảnh viễn thám quang học VNREDSat-1
của Việt Nam
7
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1 Khái niệm về đánh giá chất lƣợng ảnh viễn thám quang học
1.1.1 Khái niệm chất lượng ảnh viễn thám quang học
Dữ liệu ảnh viễn thám quang học ngày càng trở nên quen thuộc và đƣợc ứng dụng
rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Đa phần ngƣời sử dụng đều đã quen thuộc với
khái niệm về các độ phân giải để qua đó có thể đánh giá đƣợc chất lƣợng của dữ liệu ảnh,
các khái niệm đó là:
-
Độ phân giải khơng gian
-
Độ phân giải thời gian
-
Độ phân giải phổ
-
Độ phân giải bức xạ
Tất cả các thông số này đều đƣợc thiết kế cho hệ thống chụp ảnh quang học trên
vệ tinh ngay từ đầu và đảm bảo thiết kế đến hết tuổi đời của hệ thống vệ tinh.
Các khái niệm quen thuộc với ngƣời sử dụng ảnh viễn thám này phần nào đó chƣa
thể hiện đƣợc chất lƣợng của dữ liệu ảnh thực tế thu đƣợc, hay chính xác hơn là chất
lƣợng, tình trạng hoạt động của hệ thống chụp ảnh trên vệ tinh quang học. Tuy vậy, thông
qua dữ liệu ảnh, chúng ta vẫn có thể đánh giá đƣợc tình trạng hoạt động của hệ thống
chụp ảnh.
Chất lƣợng ảnh viễn thám quang học là mức độ của một tập hợp các thông số kỹ
thuật của dữ liệu ảnh viễn thám quang học đáp ứng những yêu cầu thiết kế của hệ thống
thu nhận ảnh trên vệ tinh.
Tập hợp các thông số kỹ thuật của dữ liệu ảnh viễn thám quang học để so sánh với
các yêu cầu thiết kế của hệ thống thu nhận ảnh bao gồm các thông số sau
[16,53,33,66,67]:
-
Hàm truyền điều biến (MTF),
-
Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR),
-
Mức độ hồi đáp khơng đồng đều của điểm ảnh(PRNU),
-
Tín hiệu tối (DS),
-
Khoảng cách lấy mẫu mặt đất,
-
Chất lƣợng định hƣớng,
-
Khoảng cách lấy mẫu góc,
8
-
Dải động bức xạ,
-
Độ méo ảnh,
-
Độ rộng dải chụp.
Cũng có một số nhà khoa học chia các thông số kỹ thuật của dữ liệu ảnh viễn thám
thành hai nhóm thơng số chính là [16,53,33,66,67]:
-
Chất lƣợng bức xạ, liên quan đến tất cả các hoạt động có sử dụng đến giá trị số của
mỗi điểm ảnh và cho phép đo bức xạ từ một điểm trên ảnh. Các hoạt động này chủ yếu
tập trung vào thiết bị quang học (quang học, cảm biến, chuỗi hình ảnh,…) và phần xử lý
trên mặt đất (hiệu chỉnh, dữ liệu ngoại sinh,…)
-
Chất lƣợng không gian, liên quan đến tất cả các hoạt động liên quan đến vị trí
khơng gian của mỗi điểm ảnh trên tấm ảnh. Các hoạt động này phụ thuộc vào thiết bị
chụp (quang học, tiêu diện, biến dạng dẻo nhiệt,…), vệ tinh (quỹ đạo, chỉ hƣớng, ổn định,
biến dạng dẻo nhiệt, ..và phần xử lý trên mặt đất (hiệu chỉnh, dữ liệu ngoại sinh,…)
Bên cạnh đó có cịn có những khái niệm về chất lƣợng ảnh tuyệt đối và tƣơng đối:
-
Chất lƣợng ảnh tuyệt đối liên quan đến các hoạt động đối với từng điểm ảnh độc
lập với các điểm khác, và có đơn vị tuyệt đối (bức xạ tuyệt đối, vị trí địa lý,…)
-
Chất lƣợng ảnh tƣơng đối liên quan đến các hoạt động thực hiện trong giới hạn
tấm ảnh, đối với các điểm ảnh tƣơng đối với các điểm khác. Nó thƣờng đƣợc thể hiện
dƣới dạng % (đồng nhất bức xạ, ổn định chỉ hƣớng, lập kế hoạch,…)
1.1.2 Sự cần thiết phải đánh giá chất lượng ảnh viễn thám quang học
Trong những năm gần đây, ảnh viễn thám ngày càng đƣợc ứng dụng rộng rãi ở
Việt Nam, nhất là các loại ảnh viễn thám quang học từ độ phân giải trung bình đến độ
phân giải siêu cao nhƣ: Landsat, Sentinel-2, SPOT 2,4,5; VNREDSat-1, SPOT 6/7,
Pleiades, Quickbird, Worldview, …Một số ứng dụng ảnh viễn thám quang học địi hỏi độ
chính xác hình học và độ sắc nét của ảnh rất cao nhƣ trong lĩnh vực đo đạc bản đồ, quản
lý đất đai; một số lĩnh vực tuy khơng địi hỏi độ chính xác cao về hình học nhƣng lại u
cầu cao về chất lƣợng phổ nhƣ lĩnh vực môi trƣờng, địa chất khống sản, tài ngun
nƣớc,…
Thơng thƣờng hiện nay, thơng tin liên quan đến chất lƣợng của ảnh đều do các tổ
chức cung cấp ảnh đƣa ra mà chúng ta chƣa có điều kiện để kiểm tra lại độ chính xác của
các thơng tin đó. Các chỉ số chất lƣợng đó là thƣờng tập trung vào các loại độ phân giải
9
nhƣ: không gian, phổ, bức xạ, hoặc chất lƣợng độ phủ mây, các điểm ảnh bị lỗi,... [34],
số lƣợng điểm ảnh sai khác so với lý thuyết [110], MTF và SNR [91]
Mặt khác, đối với Việt Nam hiện đang vận hành hệ thống viễn thám độ phân giải
cao VNREDSat-1 và trong tƣơng lai sẽ có thêm các hệ thống vệ tinh độ phân giải siêu
cao và siêu phổ khác, do đó, cơng tác đánh giá chất lƣợng ảnh viễn thám quang học, đặc
biệt là đối với các hệ thống vệ tinh có độ phân giải cao có ý nghĩa rất quan trọng trong
quá trình khai thác cũng nhƣ đảm bảo chất lƣợng sản phẩm ảnh đầu ra.
Công tác đánh giá chất lƣợng thiết bị thu nhận ảnh trên vệ tinh đƣợc chia thành ba
giai đoạn: trƣớc khi phóng, khi mới vào quỹ đạo và hoạt động trên quỹ đạo [74].
Giai đoạn trƣớc khi phóng: đƣợc thực hiện trong phịng thí nghiệm. Trên cơ sở
thiết kế hệ thống quang học, điện tử, và phân tích ảnh hƣởng của nhiệt độ, kết cấu cơ khí,
đƣa ra các giá trị hiệu chỉnh tuyệt đối, tham số cho hệ thống thu nhận ảnh. Những dữ liệu
này đƣợc cài đặt vào hệ thống thu nhận ảnh trên vệ tinh và sử dụng làm dữ liệu gốc cho
phần mặt đất.
Giai đoạn khi vệ tinh mới vào quỹ đạo: Trong q trình phóng, vệ tinh chịu ảnh
hƣởng mạnh của các hiện tƣợng rung, lắc,... Công tác đánh giá đƣợc thực hiện sau khi vệ
tinh đã ổn định, nhằm hiệu chỉnh sự thay đổi giữa môi trƣờng trong phịng thí nghiệm và
mơi trƣờng hoạt động thực tế. Ngay từ giai đoạn này, vệ tinh chụp ảnh những bãi kiểm
định trên bề mặt Trái đất và tính tốn ra dữ liệu hiệu chỉnh và sử dụng cho hệ thống thu
nhận ảnh trên vệ tinh.
Giai đoạn hoạt động trên quỹ đạo: Trong quá trình hoạt động trên quỹ đạo, do
những ảnh hƣởng khi thay đổi tƣ thế, điều chỉnh quỹ đạo và thời gian hoạt động, hệ thống
thu nhận ảnh có những thay đổi nhất định. Do đó, việc đánh giá cần phải thực hiện
thƣờng xuyên theo chu kỳ để theo dõi, hiệu chỉnh khi cần thiết nhằm đảm bảo chất lƣợng
sản phẩm ảnh đầu ra của hệ thống vệ tinh.
Hai giai đoạn đầu thƣờng đƣợc nhà sản xuất vệ tinh thực hiện trong thời gian ngắn,
trƣớc khi bàn giao hệ thống vệ tinh cho đơn vị quản lý; giai đoạn thứ ba đƣợc đội ngũ
vận hành và khai thác hệ thống vệ tinh thực hiện tiến hành thƣờng xuyên, liên tục trong
suốt thời gian hoạt động của vệ tinh. Vì vậy, việc xây dựng phƣơng pháp và quy trình cho
giai đoạn này là cần thiết, đòi hỏi những kiến thức chuyên sâu về thiết bị thu nhận ảnh và
các phân hệ liên quan.
10
Q trình trƣớc khi phóng, hệ thống này đƣợc kiểm tra, đánh giá trong điều kiện
tiêu chuẩn trong phịng thí nghiệm, do đó các thơng số kỹ thuật đều đảm bảo theo đúng
yêu cầu kỹ thuật. Tuy nhiên, trong quá trình hoạt động của mình, dƣới ảnh hƣởng của các
yếu tố nhƣ: thay đổi tƣ thế, động lực học bay, tuổi thọ của thiết bị, bản thân hoạt động
của hệ thống chụp ảnh, khí quyển,… sẽ dẫn đến việc chất lƣợng ảnh khơng nhƣ trong
điều kiện trong phịng thí nghiệm. Điều này ảnh hƣởng trực tiếp đến chất lƣợng ảnh viễn
thám quang học. Tuy vậy, sau khi vệ tinh đƣợc đƣa lên quỹ đạo, không thể trực tiếp đánh
giá hệ thống này mà phải sử dụng phƣơng pháp gián tiếp, thông qua sản phẩm của hệ
thống là dữ liệu ảnh viễn thám quang học để đánh giá. Đối với phƣơng pháp này, các
thông số chất lƣợng của ảnh đƣợc coi nhƣ đại diện cho chất lƣợng của thiết bị chụp ảnh.
Do vậy việc đánh giá chất lƣợng thiết bị chụp ảnh lúc này đƣợc chuyển thành đánh giá
chất lƣợng ảnh viễn thám.
Các thông số cần quan tâm của hệ thống chụp ảnh liên quan đến: bức xạ, phổ và
không gian. Việc đánh giá các tham số này có ý nghĩa và ảnh hƣởng trực tiếp đến ứng
dụng sau này của dữ liệu ảnh. Đối với bức xạ, sẽ bao gồm bức xạ thu đƣợc từ bộ cảm
trong đó có các hệ số đánh giá bức xạ, hồi đáp tuyến tính, hồi đáp không đồng nhất,... và
bản thân nguồn bức xạ bên trong thiết bị. Đối với phổ, đây là thông số mô tả khả năng
phản xạ phổ của bộ cảm, đƣợc thực hiện tƣơng đối bằng cách sử dụng hệ số chuẩn hóa
tƣơng đối hay nhân tỉ lệ với các thơng số kỹ thuật thích hợp. Đối với khơng gian, đây là
tập hợp các thơng số bao gồm trƣờng nhìn hiệu quả (EFOV), MTF, biến dạng hình học,
tán xạ quang học,...[74]
Tóm lại, đánh giá chất lƣợng ảnh là việc tính toán, so sánh các giá trị liên quan đến
yếu tố không gian (nhƣ hàm truyền điều biến, độ rộng dải chụp, độ phân giải mặt đất, độ
chính xác định hƣớng,…) và yếu tố bức xạ (nhƣ dòng tối, mức độ nhiễu, khoảng bức xạ,
mức bão hòa, mức đồng nhất phản xạ của điểm ảnh,…) với thiết kế ban đầu của hệ thống
vệ tinh.
1.2 Các thông số thể hiện chất lƣợng ảnh viễn thám quang học
Đối với bất kỳ một hệ thống vệ tinh quan sát Trái đất nào đều có các chỉ tiêu giá trị
cụ thể đối với các thông số kỹ thuật theo thiết kế của hệ thống thu nhận ảnh. Trong quá
trình hoạt động, do nhiều lý do mà hoạt động của hệ thống thu nhận ảnh sẽ bị suy giảm,
do đó một số thơng số sẽ đƣợc tính tốn kiểm tra định kỳ đảm bảo khơng bị vƣợt ngƣỡng
giới hạn cho phép nhằm duy trì chất lƣợng ảnh theo yêu cầu thiết kế. Đánh giá thiết bị thu
11
nhận ảnh quang học trên vệ tinh đƣợc thực hiện thông qua phƣơng pháp gián tiếp là đánh
giá chất lƣợng ảnh viễn thám quang học; có rất nhiều các thơng số đƣợc sử dụng, trong
đó đƣợc chia thành hai nhóm là các thông số liên quan đến không gian và các thông số
liên quan đến bức xạ [16,53].
1.2.1 Thông số liên quan đến yếu tố khơng gian
Liên quan đến khía cạnh khơng gian của ảnh có một số thơng số đại diện cho chất
lƣợng ảnh cần đánh giá gồm:
a. Hàm truyền điều biến (MTF)
Điều biến đề cập đến những thay đổi về chiều rộng và khoảng cách của mục tiêu.
Truyền biểu thị khả năng của hệ thống hình ảnh ghi lại những thay đổi này trên hình ảnh,
nghĩa là, để truyền những thay đổi này từ mục tiêu sang hình ảnh. Do mục tiêu đƣợc thiết
kế rõ ràng với tần số khơng gian q tốt để ghi lại trên hình ảnh, nên một vài tần số (tần
số cao ở các khoảng cách gần nhất) khơng thể chụp đƣợc. Sau đó, hàm hiển thị mức độ
mà hình ảnh ghi lại các tần số cụ thể (xem minh họa hình 1.1)
Hình 1.1. Minh họa một ví dụ về mẫu được dùng để ước tính MTF
Theo Boreman [20], MTF là mức độ hồi đáp của hệ thống quang học theo các
đƣờng hình sin với các tần số không gian khác nhau. Khi phân tích hệ thống quang học
về mặt tần số, coi dữ liệu đầu vào của hệ thống chụp ảnh là sóng hình sin, khơng phải là
các điểm.
Theo ESA [18], MTF là mô đun của biến đổi Fourier của hàm lan truyền điểm
(PSF).
12
Trong đó, PSF tƣơng ứng với xung đáp ứng của hệ thống ảnh quang học khi hoạt
động, ít nhất ở vị trí xấp xỉ đầu tiên, giống nhƣ bộ lọc thơng tần thấp tuyến tính, bộ lọc
này đƣợc mơ tả hồn tồn bởi các xung đáp ứng của chính nó; fx, fy lần lƣợt là biến đổi
Fourier theo hai chiều của không gian ảnh.
Theo các tác giả James B. Campbell và Randolph H. Wynne [51] MTF ghi lại hồi
đáp của hệ thống tới mục tiêu với các yếu tố có tần số không gian khác nhau (các mục
tiêu đƣợc sử dụng để ƣớc tính MTF đƣợc giãn cách với các khoảng khác nhau). Thơng
thƣờng, mục tiêu đƣợc hình thành từ các thanh có độ dài bằng nhau cách nhau trên nền
trắng theo các khoảng thời gian tạo ra sự thay đổi hình sin về mật độ hình ảnh dọc theo
trục của mục tiêu.
Theo tác giả Ronald và các cộng sự [85] MTF có thể đƣợc mơ tả nhƣ sự giảm
tƣơng phản do một hàm của tần số không gian. MTF có thể đƣợc chia thành: MTF sol khí
và MTF nhiễu. Các hệ thống hình ảnh thƣờng có thể đƣợc coi là các dịch chuyển tuyến
tính bất biến (LSI), trong đó LSI đƣợc định nghĩa là có các thuộc tính:
Trong đó, a và b là hằng số nhân và c và d là các hằng số chuyển. f(x) và g(x) là
các hàm của biến độc lập x, và L biểu thị tốn tử LSI.
Mặc dù có khá nhiều các cách tiếp cận khác nhau, nhƣng MTF đƣợc định nghĩa là
đại lƣợng đặc trƣng cho sự suy giảm độ tƣơng phản với tần số không gian trong hệ thống
quang học.
b. Độ méo ảnh
Thông số này chủ yếu liên quan đến sai số do các đặc điểm của đầu thu, đó là sự
biến dạng về mặt quang học, vị trí giữa vệ tinh và Trái đất, tốc độ ảnh khơng tuyến tính
[33].
Sự sai lệch về mặt quang học phụ thuộc chủ yếu vào các đầu thu và các phƣơng
thức chụp ảnh (hình 1.2).
Tỉ lệ vị trí giữa vệ tinh và Trái đất: là tỉ lệ giữa các khoảng cách theo phƣơng
thẳng đứng với phƣơng ngang.
