Ứng dụng tư liệu viễn thám Radar và quang học đánh giá nhanh ảnh hưởng lũ lụt đến lớp phủ mặt đất. Thử nghiệm tại Thừa Thiên Huế

mục lục
Danh mục các từ viết tắt..............................................................................3
danh mục hình vẽ và bảng biểu.................................................................4
phần mở đầu..........................................................................................................6
Chơng 1. cơ sở phơng pháp luận ứng dụng ảnh viễn thám
trong nghiên cứu ngập lụt.........................................................................11
1.1. Đặc điểm căn bản của ảnh Quang học.......................................................11
1.2. Các đặc tính căn bản của ảnh Radar.........................................................11
1.2.1. Cơ chế tán xạ của Radar...................................................................................12
1.2.2 Phân cực.............................................................................................................13
1.2.3 Đặc tính phản xạ của nớc trên ảnh Radar........................................................14

1.3. Khả năng thông tin của ảnh Quang học về lớp phủ mặt đất...................15
1.4. Khả năng thông tin của ảnh Radar chiết tách vùng ngập lụt..................17
1.5 Lợi ích kết hợp ảnh Quang học và ảnh Radar...........................................17
Chơng 2. xử lý ảnh rADAR............................................................................19
2.1 ảnh vệ tinh RADARSAT-1...........................................................................19
2.2 Định chuẩn ảnh RADARSAT......................................................................20
2.3 Xử lý nhiễu trên ảnh Radar.........................................................................24
2.3.1 Mô hình nhiễu....................................................................................................25
2.3.2 Nhóm phơng pháp lọc cục bộ (Adaptive Filter)................................................26
2.3.3 Lọc đa thời gian (Multitemporal Filter)............................................................29

2.4 Nắn chỉnh hình học ảnh Radar...................................................................32
2.4.1 Những biến dạng hình học cơ bản của ảnh Radar..........................................32
2.4.2 Phơng pháp nắn chỉnh hình học.......................................................................35

2.5 Chiết tách vùng ngập từ ảnh Radar............................................................38
Chơng 3. nghiên cứu quy trình tích hợp ảnh radar và ảnh
quang học để đánh giá ảnh hởng tình trạng ngập lụt đến
lớp phủ bề mặt....................................................................................................40

3.1. Nghiên cứu Quy trình tích hợp thông tin từ ảnh Radar và ảnh Quang
học.......................................................................................................................40
3.1.1. Sơ đồ quy trình..................................................................................................40
3.1.2. Mô tả quy trình..................................................................................................42

3.2 Nghiên cứu phơng pháp đánh giá ảnh hởng của ngập lụt tới các đối tợng
lớp phủ bề mặt....................................................................................................45
3.2.1 Hệ thống phân loại.............................................................................................45
3.2.2 Các chỉ tiêu đánh giá mức độ ngập...................................................................46


2

3.2.3 Lập bản đồ mức độ ảnh hởng............................................................................46

3.3. Thực nghiệm và đánh giá ảnh hởng tình trạng ngập lụt đến lớp phủ bề
mặt....................................................................................................................... 46
3.3.1 T liệu sử dụng.....................................................................................................46
3.3.2 Chiết tách thông tin lớp phủ mặt đất từ ảnh Quang học..................................47
3.3.3 Xử lý ảnh RADAR chiết tách thông tin vùng ngập lụt.....................................48
3.3.4 Chồng ghép thông tin Quang học và RADAR..................................................51

3.4 Phân tích đánh giá kết quả thực nghiệm....................................................55
Kết luận.................................................................................................................61
Kiến nghị................................................................................................................62
Tài liệu tham khảo..........................................................................................63
Phụ lục...................................................................................................................65


3

Danh mục các từ viết tắt
CDPF
CESBIO
CNES
dB
DEM
ENVI
EROS
ERS
IRS

Cơ quan Xử lý dữ liệu Canada.
Trung tâm nghiên cứu Sinh quyển trực thuộc Trung tâm
Nghiên cứu Không gian Pháp
Trung tâm nghiên cứu Không gian Pháp
Deci-Ben
Mô hình số độ cao
Phần mềm thơng mại xử lý ảnh viễn thám
Vệ tinh quan sát trái đất của Israel
Vệ tinh viễn thám của Châu Âu.
Vệ tinh viễn thám của ấn Độ

LANDSAT

V tinh ti nguyên ca M

MIKE-11

Mụ hỡnh tớnh toỏn thy vn, thy lc ca an Mch

NOAA
RADAR
RADARSAT
SAR

Vệ tinh nghiên cứu đại dơng và khí tợng của Mỹ
Thiết bị dò tìm và xác định khoảng cách bằng sóng Raio
Vệ tinh quan sát trái đất của Canada
Radar độ mở tổng hợp


4

danh mục hình vẽ và bảng biểu
A. Hình vẽ
Hình 1-1
Dải tần số hoạt động của Radar

13

Hình 1-2

Các bề mặt tán xạ của Radar

13

Hình 1-3

Các kiểu tán xạ trên các bề mặt khác nhau

14

Hình 1-4

Các kiểu tán xạ trong môi trờng điện môi khác nhau.

14

Hình 1-5

Các kiểu phân cực trong viễn thám Radar

14

Hình 1-6

Cơ chế tán xạ của bề mặt đối tợng trên ảnh Radar

15

Hình 1-7

Sự khác biệt trong tán xạ của nớc trên phân cực HH và VV

17

Hình 2-1

Các chế độ chụp ảnh của vệ tinh RADARSAT-1

21

Hình 2-2

Sự tạo thành nhiễu trên ảnh Radar

28

Hình 2-3

Mối tơng quan giữa độ lệch chuẩn và giá trị trung bình cục bộ

29

Hình 2-4

Hiện tợng co ngắn trên ảnh Radar

36

Hình 2-5

Hiện tợng biến dạng co ngắn trên ảnh Radar

37

Hình 2-6

Các hiện tợng biến dạng ảnh Radar do địa hình gây ra.

37

Hình 2-7

Hiện tợng co ngắn phía trớc

38

Hình 2-8

Hiện tợng chồng đè trên ảnh Radar

39

Hình 2-9

Hiện tợng bóng trên ảnh Radar

39

Hình 2-10

ảnh hởng của chênh cao địa hình tới vị trí điểm trên thực địa

43

Hình 3-1

ảnh Radarsat trớc khi lọc

55

Hình 3-2

ảnh Radarsat sau khi sử dụng phép lọc đa thời gian

56

Hình 3-3

ảnh Radarsat sau khi đợc lọc tiếp theo phơng pháp lọc Lee

56

Hình 3-4

ảnh Radarsat sau khi đợc lọc tiếp theo phơng pháp lọc Frost

57

Hình 3-5

Hiện trạng ngập tại thời điểm lũ ngày 06/11/1999

58


5

Hình 3-6

Hiện trạng khi lũ rút ngày 15/11/1999

58

Hình 3-7

Kết quả phân loại lớp phủ bề mặt từ ảnh Landsat ngày
02/06/2001

59

Hình 3-8

Mức độ ngập tại thời điểm lũ ngày 06/11/1999

60

Hình 3-9

Mức độ rút của lũ tại thời điểm 15/11/1999

60

Hình 3-10

Bản đồ mức độ thiệt hại do ngập tại thời điểm lũ 06/11/1999

66

B. Bảng biểu
Bảng 2-1

Các sản phẩm ảnh Radarsat-1

22

Bảng 2-2

Nguyên lý phân bố của Radiometric Data Record

23

Bảng 3-1

Mức độ ảnh hởng của các đối tợng do lũ gây ra

65

Biểu đồ 3-1

Diện tích của các đối tợng tại thời điểm không có lũ

61

Biểu đồ 3-2

Số liệu diện tích mặt nớc

62

Biểu đồ 3-3

Diện tích của các đối tợng bị ngập ngày 06/11/1999

63

Biểu đồ 3-4

Biểu đồ thể hiện mức độ ảnh hởng theo diện tích của các đối tợng khi xảy ra lũ

63


6

phần mở đầu
Tính cấp thiết của luận văn
Lũ, Lụt là những thiên tai có nguồn gốc khí hậu. Thủy, hoả, đạo, tặc là bốn
loại tai ơng mà từ ngàn đời xa đã đợc ông cha ta coi là tai họa nguy hiểm nhất đe
dọa con ngời, trong đó thủy tai đợc xếp hạng hàng đầu. Trong những thập kỷ gần
đây, lũ lụt ngày càng nhiều đã gây ra những thiệt hại rất nặng nề không chỉ trên lãnh
thổ Việt Nam và còn ở nhiều nớc trên thế giới nh Tây Âu (1998, 2000), Bangladesh
(2001), Trung Quốc (1998), ... Lịch sử nớc ta không ghi lại đầy đủ những số liệu về
các trận lụt lớn trong các thế kỷ trớc, nhng chúng ta cũng biết nhiều về trận lụt dẫn
đến nạn đói chết hơn hai triệu ngời năm 1945 và trận lũ lịch sử năm 1971 gây vỡ đê
làm ngập lụt nghiêm trọng nhiều tỉnh ở đồng bằng Bắc Bộ. Tại miền Trung, lũ lụt
nghiêm trọng trên diện rộng đã xảy ra năm 1964 tại các tỉnh từ Quảng Bình vào Phú
Yên; lũ lịch sử làm vỡ đê gây ngập lụt lớn trên sông Cả, La năm 1978, năm 1998,

1999, lũ lụt lịch sử liên tiếp trên các sông thuộc các tỉnh từ Quảng Bình đến Khánh
Hòa gây thiệt hại nghiêm trọng về ngời và tài sản. Và liên tiếp tháng 10, 11 năm
2007 vừa qua nhân dân miền Trung lại phải liên tiếp hứng chịu một trận lụt với quy
mô lớn hơn hẳn trận lụt lịch sử năm 1999 gây thiệt hại nặng nề cả ngời và của. Ước
tính khoảng hơn 200 ngời chết, hàng trăm ngời bị mất tích, thiệt hại về tài sản
khoảng 9509 tỉ đồng (theo />Đã có nhiều dự án, đề tài nghiên cứu khoa học cả trong và ngoài nớc về lũ lụt
và các biện pháp phòng tránh. Có thể kể ra một số các đề tài dự án đã đợc thực hiện
trong nớc nh:
Đề tài 1: " Điều tra nghiên cứu và cảnh báo ngập lụt phục vụ phòng tránh
thiên tai ở các lu vực sông Miền Trung" do Viện Khí tợng Thủy văn thực hiện năm
1999 -2002.
Phơng pháp thực hiện: Sử dụng số liệu thực đo và điều tra bổ sung sau đó sử
dụng mô hình DEM để xây dựng bản đồ ngập.
Đề tài 2: " Nghiên cứu cơ sở khoa học cho các giải pháp tổng thể dự báo
phòng tránh ngập lụt ở các tỉnh Miền Trung"" do Viện Địa lý, Trung tâm Khoa học
tự nhiên và Công nghệ Quốc gia thực hiện năm 2000 -2004.
Phơng pháp thực hiện: Sử dụng số liệu thực đo và điều tra bổ sung.
Đề tài 3: " Nghiên cứu xây dựng tập bản đồ ngập lụt tỉnh Thừa Thiên Huế
" do Viện Địa lý, Trung tâm Khoa học tự nhiên và Công nghệ Quốc gia thực hiện
năm 1999-2001.
Phơng pháp thực hiện: Sử dụng số liệu thực đo và điều tra bổ sung.


7

Đề tài 4: " Xây dựng bản đồ phân vùng ngập lụt và phơng án cảnh báo nguy
cơ ngập lụt hạ lu sông Hơng, sông Bồ tỉnh Thừa Thiên Huế" do Đài Khí tợng Thủy
văn Khu vực Trung Trung Bộ thực hiện năm 1999-2001.
Phơng pháp thực hiện: Sử dụng số liệu thực đo và điều tra bổ sung có kết hợp
với mô hình số độ cao để lập bản đồ ngập.

Và một số nghiên cứu của các nớc trên thế giới nh:
Bangladesh đã xây dựng thành công hệ thống giám sát và cảnh báo ngập lụt
trên cơ sở sử dụng mô hình thuỷ văn và thuỷ lực MIKE-11 (của Đan Mạch) dới sự
trợ giúp của UNDP/WMO kết hợp với sử dụng t liệu viễn thám GMS, NOAA-12 và
NOAA-14. Hệ thống giám sát và cảnh báo ngập lụt này đợc áp dụng cho vùng lãnh
thổ rộng 82000 km2, trên đoạn dài 7270 km sông, 195 nhánh, sử dụng 30 trạm giám
sát.
Trung quốc đã xây dựng hệ thống giám sát và cảnh báo ngập lụt trên cơ sở sử
dụng t liệu viễn thám FY-II, OLR, GPCP, ERS-II, SSM/I.
ấn Độ bắt đầu xây dựng hệ thống giám sát và cảnh báo ngập lụt từ năm 1959
cho lu vực sông Hằng. Hiện nay ở ấn độ có 145 trung tâm dự báo, 500 trạm khí tợng, 350 trạm thuỷ văn phục vụ cho vùng lu vực rộng 240000 km2, sử dụng khả
năng thông tin của các t liệu ảnh vệ tinh IRS, TM Landsat-5, ERS, Radarsat.
Một số nớc thuộc Châu Phi sử dụng mô hình thuỷ văn FEWS NET kết hợp
với hệ thống thông tin địa lý GIS để xây dựng hệ thống giám sát và cảnh báo ngập
lụt cho 5600 vùng hạ lu với sự trợ giúp xây dựng của tổ chức USGS/EROS.
Nhìn chung, cách thức tiếp cận và thực hiện của các đề tài trong nớc chủ yếu
dựa trên cơ sở của phơng pháp truyền thống là sử dụng số liệu thực đo và điều tra
thực địa bổ sung rồi kết hợp với mô hình số độ cao để chiết tách vết lũ. Các kết quả
thu đợc hầu hết chỉ là bản đồ ngập lụt, bản đồ hiện trạng lũ ở các chu kỳ khác nhau,
cha có những số liệu chi tiết về vùng ngập và đánh giá nhanh những ảnh hởng và
thiệt hại mà lũ lụt gây ra. Còn những đề tài ở nớc ngoài đã ứng dụng công nghệ viễn
thám để nghiên cứu rất nhiều, song chủ yếu tập trung vào xây dựng các mô hình
thủy văn, thủy lực để giám sát và cảnh báo ngập lụt mà cũng cha đa ra số liệu cụ thể
và những đánh giá nhanh về tình trạng ngập lụt.
Nhằm tận dụng khả năng u việt của công nghệ viễn thám, đặc biệt là viễn
thám Radar mang lại, luận văn sẽ đề cập cụ thể hơn về phân tích lũ lụt dựa vào t liệu
SAR và t liệu quang học để đa ra phơng pháp đánh giá nhanh về mức độ ảnh hởng
và thiệt hại do lũ lụt nhằm bổ sung phần cha đợc rõ ràng của những đề tài trong nớc
đã nêu ở trên và những đề tài nghiên cứu của nớc ngoài cha đề cập tới.
Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn

8

Mục tiêu:
ứng dụng t liệu Radar và t liệu Quang học để đánh giá nhanh mức độ ảnh hởng của lũ lụt lên lớp phủ mặt đất.
Nhiệm vụ:
- Tổng quan về phơng pháp tiền xử lý dữ liệu Radarsat
- Xử lý dữ liệu Radarsat để chiết tách thông tin vùng ngập lũ
- Xử lý dữ liệu Landsat để chiết tách thông tin về lớp phủ bề mặt
- Tích hợp GIS để phân tích đánh giá mức độ ảnh hởng lên từng đối tợng cụ
thể thuộc lớp phủ bề mặt
Tính mới của luận văn
ứng dụng công nghệ Viễn thám và GIS để đa ra báo cáo nhanh về hiện trạng
và mức độ ảnh hởng của lũ lên các đối tợng chính thuộc lớp phủ bề mặt.
Vùng nghiên cứu:
Căn cứ vào mức độ thiệt hại thì lũ lụt xảy ra ở miền Trung là ác liệt và nguy
hiểm nhất. Chủ yếu đây là dạng lũ quét, lũ lên nhanh, rút nhanh, tốc độ lớn, chảy
mạnh, ngập dài ngày ở các đồng bằng nhỏ hẹp ven biển (khi thời gian lũ trùng với
lúc thuỷ triều lên) mà nơi đây lại chính là các trung tâm dân c và có kinh tế phát
triển của miền Trung, nên hậu quả mà lũ lụt gây ra cho các tỉnh miền Trung là
không nhỏ cả về ngời và của. Chính vì nguyên nhân nêu trên tác giả quyết định chọn
Thừa Thiên Huế là khu vực nghiên cứu mà cụ thể là Thành phố Huế.
1. Đặc điểm điều kiện tự nhiên
Vùng nghiên cứu có tọa độ từ vĩ tuyến 16 020 B đến 17015 B và từ kinh tuyến
107005 Đ đến 108015 Đ, bao gồm hai lu vực của 4 con sông. Sông Hơng là con
sông lớn nhất của tỉnh Thừa Thiên Huế, nằm từ vĩ tuyến 16 000 B đến 16045 B và từ
kinh tuyến 107000 Đ đến 108015 Đ, phía tây của nó là dãy Trờng Sơn, phía Bắc là
núi Bạch Mã, phía Nam nằm tiếp giáp thành phố Đà Nẵng và phía đông giáp biển
Đông.

Sự phân bố dòng chảy bất qui tắc phù hợp với sự phân bố ma rào. Mùa lũ kéo
dài từ tháng 10 đến tháng 12 và lợng nớc chiếm từ 50 đến 80% tổng số lợng nớc
hàng năm, có sự dao động mạnh giữa các năm. Lợng nớc vào mùa lũ trong một năm
có nhiều trận lũ có thể gấp ba lần so với các năm có ít trận lũ hơn. ở trạm thuỷ văn
Thờng Nhật, lu lợng dòng chảy dao động từ 18.5 l/skm2 (mùa khô) tới 228 l/skm2
(mùa lũ).


9

Vùng bờ biển của tỉnh Thừa Thiên Huế bị chi phối bởi hệ thống phá. Phá
chính là phá Tam Giang. Phá này chạy dọc bờ biển Huế, có diện tích 22000 ha. Phía
đông, phá bị ngăn tách với biển bởi các cồn cát với hai khe, Thuận An và Từ Hiền.
ở phía tây của phá là các cánh đồng lúa và cửa sông. Đây là vùng có thắng cảnh và
tài nguyên sinh học. Dân c đã c trú ở đây khai thác các tài nguyên sinh học của phá
và làm nông nghiệp. Vì độ dốc nhỏ và lợng nớc dâng cao từ sông và do ma, vùng
này có khả năng lũ lớn. Các dải đá ngầm ở ven biển với độ cao lên tới 20m cũng gây
khó khăn cho nớc chảy tự do trong trờng hợp lũ nghiêm trọng, làm vùng này giống
nh một cái hồ lớn.
2. Đặc điểm kinh tế xã hội
Thừa Thiên Huế nằm trên trục giao thông quan trọng xuyên Bắc-Nam, trục
hành lang Đông-Tây nối Thái Lan - Lào - Việt Nam theo đờng 9. Thừa Thiên Huế ở
vào vị trí trung độ của cả nớc, nằm giữa thành phố Hà Nội và thành phố Hồ Chí
Minh là hai trung tâm lớn của hai vùng kinh tế phát triển nhất nớc ta, là nơi giao
thoa giữa điều kiện tự nhiên - kinh tế - xã hội của cả hai miền Nam - Bắc. Thừa
Thiên Huế là một trong những trung tâm văn hoá, du lịch, trung tâm giáo dục đào
tạo, y tế lớn của cả nớc và là cực phát triển kinh tế quan trọng của vùng kinh tế trọng
điểm miền Trung.
Bờ biển của tỉnh dài 120 km, có cảng Thuận An và vịnh Chân Mây với độ sâu
18 - 20m đủ điều kiện xây dựng cảng nớc sâu với công suất lớn, có cảng hàng

không Phú Bài nằm trên đờng quốc lộ 1A và đờng sắt xuyên Việt chạy dọc theo tỉnh,
có 81 km biên giới với Lào.
Vị trí địa lý nh trên đã tạo điều kiện thuận lợi cho Thừa Thiên Huế phát triển
sản xuất hàng hoá và mở rộng giao lu kinh tế - xã hội với các tỉnh trong cả nớc và
quốc tế.
3. Tổng hợp thông tin bão, lũ lụt ở Thừa Thiên Huế năm 1999.
Theo Trung tâm Khí tợng Thủy văn quốc gia thống kê thì thiên tai lũ lụt ở
miền Trung nói chung và Thừa Thiên Huế nói riêng là ác liệt và nguy hiểm nhất, chủ
yếu là dạng lũ quét, lũ lên nhanh rút nhanh. Còn nhớ trận lũ lụt lịch sử xảy ra năm
1999 tại miền Trung là do ma nhiều, tập trung trong một khoảng thời gian ngắn, gây
ra lũ lụt đột ngột ở các vùng núi thuộc tỉnh Quảng Ngãi và lũ lớn trên các lu vực
sông từ Thừa Thiên - Huế đến Khánh Hòa. Đặc biệt, có các trận lũ lớn trên các sông
của tỉnh Quảng Ngãi. Mức nớc lũ trên hầu hết các sông đạt mức đỉnh và trên mức
báo động III. Nhất là ở tỉnh Quảng Ngãi, xảy ra lũ lịch sử trên sông Trà Khúc. Trên
các sông ở Bình Định, Quảng Nam và Thừa Thiên - Huế, có lũ lớn trên mức báo


10

động III. Lũ gây ra ngập lụt trên diện rộng. Chi tiết về lũ và ngập lụt ở các tỉnh Thừa
Thiên Huế nh sau:
ở Huế, ma rất lớn có nơi trên 2000 mm trong vòng 6 ngày từ 1 đến 6 tháng
11. Lũ lên rất nhanh, với cờng suất có khi tới 1m nớc trong trong 1 giờ, biên độ lũ
lớn 4-5 m, thậm chí 8-10 m ở thợng nguồn sông Hơng, sông Bồ, gây ra lũ quét ở
một số nơi. Hơn 90% các khu dân c, kể cả vùng gò đồi bị ngập chìm trong nớc lũ tới
1-4 m trong 4 -9 ngày. Thành phố Huế bị ngập rất nặng nề, hấu hết nhà cửa, đờng
phố chìm trong biển nớc mênh mông, giao thông liên lạc bị ngừng trệ. Đặc biệt, nớc
lũ sông Hơng đã phá vỡ phá Tam Giang, cửa biển Thuận An bị đổi dòng, tạo thành 5
cửa mới, chia cắt và cô lập vùng biển, ảnh hởng nghiêm trọng đến môi trờng sinh
thái vùng phá Tam Giang và vùng cầu Hai. Tại hai cửa mới Hoà Duân và T Hiền

rộng tới 500-600 m, lũ đã cuốn trôi các hộ dân với toàn bộ nhà cửa, tài sản. Cụ thể
40 xã ở huyện Hơng Trà, Quảng Điền, Phú Vang, Hơng Thuỷ và Phú Lộc và Thành
phố Huế bị ngập lụt nghiêm trọng: 54000 căn nhà bị nhấn chìm trong nớc, một vài
địa phơng của Phú Lộc chịu ảnh hởng khi lũ lên đột ngột với 76 căn nhà ngập
khoảng 1.5m (trong đó có 4 căn nhà bị cuốn trôi) và buộc phải di chuyển.
Cấu trúc của luận văn
Cấu trúc luận văn bao gồm: Phần mở đầu, Nội dung chính của luận văn, Phần
kết luận, Kiến nghị, Tài liệu tham khảo và Các phụ lục. Trong đó, nội dung chính
của luận văn gồm 3 chơng:
Chơng 1: Cơ sở phơng pháp luận ứng dụng ảnh viễn thám trong nghiên cứu
ngập lụt.
Chơng 2: Xử lý ảnh RADAR
Chơng 3: Nghiên cứu quy trình tích hợp ảnh Radar và ảnh Quang học để
đánh giá ảnh hởng tình trạng ngập lụt tới hiện trạng lớp phủ.


11

Chơng 1. cơ sở phơng pháp luận ứng dụng ảnh viễn thám
trong nghiên cứu ngập lụt
1.1. Đặc điểm căn bản của ảnh Quang học
Một trong những u điểm cơ bản của ảnh vệ tinh quang học là đợc thu nhận ở
vùng sóng nhìn thấy và cận hồng ngoại nên rất phù hợp với cảm nhận trực giác của
con ngời( vì mắt ngời cũng có thể coi là một bộ xử lý hình ảnh ở vùng sóng nhìn
thấy). Do đó, rất thuận lợi cho việc phân tích, giải đoán, chiết tách các thông tin.
Hình ảnh các đối tợng trên ảnh quang học thờng là rõ ràng, sắc nét, ít nhiễu, dễ giải
đoán, nhận dạng. Đây là một đặc tính u việt hơn hẳn ảnh Radar. Ngoài ra ảnh quang
học còn có một số đặc điểm sau:
- Độ phủ rộng: Với ảnh Landsat phạm vi của khả năng thu nhận lên tới
180x180 km. Điều này có lợi cho việc nghiên cứu đối tợng bề mặt trên diện rộng.

- Khả năng chụp lặp cao: khả năng này cho phép thực hiện các nghiên cứu
mang tính đa thời gian. Với ảnh Landsat thì chu kỳ lặp quỹ đạo lặp lại là 16 ngày,
nhng ngày nay với các loại vệ tinh mới có thể chủ động điều khiển bộ cảm thì
khoảng thời gian chụp lặp chỉ sau 3-4 ngày.
- Độ phân giải phổ lớn: ảnh quang học có thể phản ánh thông tin từ dải sóng
nhìn thấy đến vùng hồng ngoại xa(hay còn gọi là hồng ngoại nhiệt). Đặc điểm này
đặc biệt quan trọng trong phơng pháp xử lý số, có thể phân loại tự động các lớp đối
tợng nhờ dựa vào đặc tính phản xạ phổ của đối tợng, do đặc tính hóa học của mỗi
loại đối tợng là khác nhau nên sự hấp thụ hay bức xạ là khác nhau. Đây là một đặc
trng cơ bản của viễn thám bị động.
1.2. Các đặc tính căn bản của ảnh Radar
RADAR đợc viết tắt từ cụm từ tiếng Anh RAdio Detection And Ranging (Dò
tìm và xác định khoảng cách bằng sóng radio) hoạt động trong dải sóng rộng từ
band siêu cao tần đến band radio (bớc sóng từ vài milimét đến 1 mét).

Hình 1-1: Dải tần số hoạt động của Radar
Radar hoạt động trên nguyên tắc truyền tín hiệu sóng điện từ đến đối tợng và
thu nhận phản hồi từ đối tợng. Năng lợng phản hồi thu nhận sẽ đợc khuếch đại và
phân tích để xác định vị trí, các đặc tính điện từ và cấu hình bề mặt của đối tợng.


12

Radar sử dụng nguồn năng lợng riêng, vì vậy hoạt động không phụ thuộc vào nguồn
sáng tự nhiên và độc lập với thời tiết.
1.2.1. Cơ chế tán xạ của Radar
Cơ chế tán xạ là một đặc trng hết sức quan trọng của ảnh Radar, nó phản ánh
sự tơng tác giữa sóng Radar với bề mặt đối tợng và đóng vai trò quyết định trong
việc tạo ảnh Radar. Dới đây là một số hình minh họa bề mặt và cơ chế tán xạ của
Radar:

Hình 1-2 : Các bề mặt tán xạ của Radar
Tùy thuộc vào đặc điểm của các đối tợng trên bề mặt mà năng lợng tán xạ có
thể là tán xạ bề mặt, tán xạ khối, đa tán xạ hoặc tổng hợp của các loại tán xạ trên.
Đặc tính tán xạ ngợc phụ thuộc vào độ gồ ghề của bề mặt, đặc trng điện môi của
môi trờng (độ ẩm), góc tới của chùm tia và độ dài bớc sóng Radar đợc sử dụng.

Hình 1-3: Các kiẻu tán xạ trên các bề mặt khác nhau
Qua hình 1-3, ta có thể thấy độ gồ ghề của bề mặt (tùy thuộc vào bớc sóng)
ảnh hởng đến các kiểu tán xạ.


13

Hình 1-4: Các kiểu tán xạ trong môi trờng điện môi khác nhau
Với hình 1-4 ta cũng có thể thấy hằng số điện môi của môi trờng cũng ảnh hởng đến cờng độ tán xạ.
1.2.2 Phân cực

Hình 1-5: Các kiểu phân cực trong viễn thám Radar
Sử dụng sóng radar phân cực để thu ảnh là một trong những tính chất cơ bản
của hệ thống chụp ảnh radar. Sóng điện từ truyền đi trong không gian theo mặt
phẳng thẳng đứng (Vertical -V) hoặc nằm ngang (Horizontal - H), do đó hệ thống
chụp ảnh radar cũng có khả năng phát ra và thu nhận năng lợng sóng radar theo phơng thẳng đứng (V) hoặc nằm ngang (H).
Trong viễn thám Radar, phân cực đợc chia làm 2 loại:
a. Phân cực giống nhau:
Ăng ten phát ra sóng radar phân cực theo phơng nào thì sẽ nhận lại năng lợng
phản hồi theo phân cực đó. Cụ thể là:
VV - phát phân cực thẳng đứng, thu phân cực thẳng đứng
HH - phát phân cực ngang, thu phân cực ngang
b. Phân cực chéo (cross polarization):

Ăng ten phát ra sóng radar phân cực theo một phơng và nhận lại năng lợng
phản hồi phân cực theo phơng khác. Cụ thể là:
HV - phát phân cực ngang, thu phân cực đứng
VH - phát phân cực đứng, thu phân cực ngang
Sử dụng radar phân cực rất có ích trong việc theo dõi các lớp phủ bề mặt, vì
mỗi loại đối tợng có thể nhạy cảm với một loại sóng có phân cực nhất định.


14

1.2.3 Đặc tính phản xạ của nớc trên ảnh Radar
Cơ chế phản xạ của các đối tợng trên ảnh Radar đợc thể hiện theo hình dới
đây:

Hình 1-6: Cơ chế tán xạ của bề mặt đối tợng trên ảnh Radar
Độ gồ ghề của bề mặt là yếu tố quyết định sự tơng tác giữa sóng radar với bề
mặt và do đó cũng đóng vai trò cơ bản ảnh hởng đến độ sáng tối của đối tợng trên
ảnh.
Độ gồ ghề của bề mặt đợc quan niệm nh là sự chênh lệch về độ cao trung
bình của các địa vật trên bề mặt đó và thờng có giá trị đợc tính bằng đơn vị cỡ cm.
Tuy nhiên bề mặt đợc gọi là gồ ghề hay phẳng phụ thuộc vào độ dài bớc sóng và góc
tới của các chùm tia radar. Tiêu chuẩn để bề mặt đợc coi là gồ ghề hay nhẵn đợc xác
định theo công thức của Rayleigh nh sau :

H =


8 cos( )

(1)

Trong đó:
H: giới hạn để xác định bề mặt là nhẵn hay gồ ghề.

: chiều dài bớc sóng
: góc tới của chùm tia Radar
Nếu bề mặt có chiều cao trung bình >H thì sẽ đợc coi là gồ ghề còn ngợc lại
sẽ đợc coi là mặt phẳng.
Có thể tính cho ảnh Radarsat làm ví dụ, với góc tới khoảng 25 0 và chiều dài
bớc sóng là 5.6 cm thì có H = 0.77 cm. Có nghĩa là với bề mặt có độ biến động về


15

độ cao là lớn hơn 0.77 cm thì sẽ đợc coi là gồ ghề còn nhỏ hơn 0.77 cm thì đợc coi
là bề mặt nhẵn.
Trên thực tế, khi không có gió và sóng to thì bề mặt nớc tơng ứng với bề mặt
nhẵn, do đó trên ảnh Radar vùng ngập sẽ xuất hiện với màu đen trái ngợc với tông
màu sáng hơn ở bề mặt gồ ghề xung quanh. Sử dụng ảnh Radar phân cực, nhất là
phân cực ngang (HH) cũng có thể cho phép tách biệt các vùng nớc tốt hơn so với
phân cực thẳng đứng (VV).

Hình 1-7: Sự khác biệt trong tán xạ của nớc trên phân cực HH và VV
1.3. Khả năng thông tin của ảnh Quang học về lớp phủ mặt đất
ảnh quang học chụp bề mặt trái đất nhờ năng lợng mặt trời và các thiết bị
chụp ảnh sử dụng thấu kính quang học, hệ thống chụp ảnh này đợc gọi là hệ thống
thụ động. Ngày nay với sự tiến bộ nhanh chóng của khoa học công nghệ, t liệu vệ
tinh đã và đang đợc ứng dụng rộng rãi trong công tác theo dõi, giám sát tài nguyên
thiên nhiên và bảo vệ môi trờng đặc biệt là trong việc theo dõi diễn biến lớp phủ và
hiện trạng sử dụng đất.

Nguyên tắc cơ bản để phân biệt các đối tợng lớp phủ mặt đất trên ảnh vệ tinh
là dựa vào sự khác biệt về đặc tính phản xạ của chúng trên các kênh phổ. Hình 1-8
dới đây thể hiện đặc tính phản xạ của các thành phần đất, nớc và thực vật trên ảnh vệ
tinh.


16

Hình 1-8: Đặc tính phản xạ của đất, nớc và thực vật
Những u thế cơ bản của ảnh vệ tinh có thể kể ra là:
- Cung cấp thông tin khách quan, đồng nhất trên khu vực phủ trùm lớn
(Landsat 180km x180km, SPOT, ASTER 60km x 60 km) cho phép tiến hành theo
dõi giám sát trên những khu vực rộng lớn cùng một lúc.
- Cung cấp thông tin đa dạng trên nhiều kênh phổ khác nhau cho phép nghiên
cứu các đặc điểm của đối tợng từ nhiều góc độ phản xạ phổ khác nhau.
- Cung cấp các loại ảnh có độ phân giải khác nhau đo đó cho phép nghiên
cứu bề mặt ở những mức độ chi tiết hoặc khái quát khác nhau. Ví dụ nh các loại ảnh
độ phân giải siêu cao nh SPOT 5, IKONOS, QuickBird để nghiên cứu chi tiết, hoặc
các loại ảnh có độ phân giải thấp nhng tần suất chụp lặp cao, diện tích phủ trùm lớn
nh MODIS, MERIS cho phép cung cấp các thông tin khái quát ở mức vùng hay khu
vực.
- Khả năng chụp lặp lại hay còn gọi là độ phân giải thời gian. Do đặc điểm
quĩ đạo của vệ tinh nên cứ sau một khoảng thời gian nhất định lại có thể chụp lặp lại
đợc vị trí trên mặt đất. Sử dụng các ảnh vệ tinh chụp tại các thời điểm khác nhau sẽ
cho phép theo dõi diễn biến của các sự vật hiện tợng diễn ra trên mặt đất, ví dụ nh
quá trình sinh trởng của cây trồng, lúa, màu.
- Các dữ liệu đợc thu nhận ở dạng số nên tận dụng đợc sức mạnh xử lý của
máy tính và có thể dễ dàng tích hợp với các hệ thống thông tin nh hệ thống thông tin
địa lý (GIS).
Do những đặc tính hết sức u việt kể trên ảnh vệ tinh đã trở thành một công cụ

không thể thiếu đợc trong công tác theo dõi giám sát tài nguyên thiên nhiên và môi
trờng nói chung và việc chiết tách các thông tin lớp phủ nói riêng, nhất là ở những
vùng khó tiếp cận nh các vùng núi cao, biên giới, hải đảo.


17

1.4. Khả năng thông tin của ảnh Radar chiết tách vùng ngập lụt
Do đầu thu ảnh Radar đợc thiết kế trong dải tần rộng (với bớc sóng từ 1cm1m), ở mỗi loại ảnh khác nhau thì có bớc sóng cụ thể khác nhau, vì thế so với ảnh
quang học ở dải nhìn thấy và hồng ngoại thì ảnh Radar có nhiều đặc tính u việt hơn.
Với bớc sóng dài, ảnh Radar có thể thu đợc trong mọi điều kiện thời tiết nh mây,
mù, bụi khí quyển và cả những trận ma nặng hạt. Do ở bớc sóng dài ảnh Radar
không còn bị ảnh hởng bởi tán xạ khí quyển nh ảnh quang học nên nó cho phép xác
định đợc năng lợng bớc sóng trong mọi điều kiện thời tiết và môi trờng vì thế ảnh
Radar có thể đợc thu tại bất kỳ thời điểm nào mà không phải quan tâm tới thời tiết.
Bên cạnh đó, với đặc điểm là viễn thám chủ động nên cơ chế tạo ảnh của Radar
hoàn toàn không phụ thuộc vào nguồn bức xạ năng lợng mặt trời do đó ảnh Radar có
thể thu đợc cả ngày lẫn đêm. Hơn nữa, theo cơ chế tán xạ của nớc (nh đã trình bày ở
1.2.3) thì đối tợng nớc thờng có màu đen nên có thể nhận dạng và tách biệt đợc vùng
ngập rõ ràng. Vì vậy, ảnh Radar mang lại thông tin thật sự hữu ích khi ứng dụng để
nghiên cứu ngập lụt.
Chỉ với hai đặc tính u việt là có thể thu ảnh trong mọi điều kiện thời tiết và
ngày cũng nh đêm đã phần nào nói lên tầm quan trọng khi ứng dụng ảnh Radar để
giám sát thiên tai, thảm họa đặc biệt là lũ lụt tại đúng thời điểm xảy, vì lũ thờng đi
kèm với mây và ma lớn. Đây là một đặc tính vô cùng thuận lợi mà ảnh quang học
không thể đáp ứng đợc. Chính vì thế ảnh Radar là tài liệu không thể thiếu trong
nghiên cứu và giám sát lũ lụt.
1.5 Lợi ích kết hợp ảnh Quang học và ảnh Radar
Nh đã đề cập ở trên, với u điểm của ảnh quang học là khả năng mang lại
thông tin khá chi tiết về bề mặt lớp phủ, còn với ảnh Radar là khả năng mang lại

thông tin về tình trạng ngập lụt ngay tại thời điểm xảy ra lũ lụt. Do đó, đề tài này đề
cập đến khả năng kết hợp giữa hai loại t liệu SAR và Quang học để nghiên cứu tác
động của ngập lụt đến lớp phủ mặt đất. Dựa trên các đặc điểm kỹ thuật của các loại
ảnh Quang học và SAR đã nghiên cứu, đa ra quy trình thích hợp để sử dụng kết hợp
hai loại t liệu có bản chất vật lý thu nhận hình ảnh khác nhau này. Đối với ảnh
Quang học, áp dụng công nghệ phân loại có giám định để chiết tách thông tin về lớp
phủ trớc và sau trận lụt. ảnh SAR đợc xử lý theo một kỹ thuật chuyên dụng để chiết
tách thông tin về diện tích ngập lụt. Các thông tin đã chiết tách sẽ đợc tích hợp trong
hệ thống thông tin địa lý để xác định diện tích của các đối tợng thuộc lớp phủ bề
mặt. Tuỳ theo đối tợng và khả năng chịu ngập của chúng sẽ áp dụng tiêu chí phù hợp
để đánh giá mức độ ảnh hởng bởi ngập lụt đối với bề mặt lớp phủ. Kết quả nghiên
cứu này có thể đợc áp dụng để xử lý nhanh các t liệu viễn thám về các trận lụt và


18

đánh giá tác động của chúng đến một số đối tợng quan trọng thuộc lớp phủ mặt đất
để đề ra các biện pháp ứng cứu và khắc phục.


19

Chơng 2. xử lý ảnh rADAR
2.1 ảnh vệ tinh RADARSAT-1
RADARSAT-1 là vệ tinh quan sát trái đất tiên tiến đợc Cơ quan Hàng không
Vũ trụ Canada phóng lên quỹ đạo 4/11/1995 với mục đích giám sát sự thay đổi của
môi trờng nhằm hỗ trợ sử dụng hợp lý các nguồn tài nguyên thiên nhiên.
RADARSAT sử dụng tần số ở dải băng C (5.3GHz) với chế độ đơn phân cực
HH, độ rộng dải quét có thể lên tới 500km. ảnh RADARSAT có độ phân giải từ 10100m với độ phủ của cảnh ảnh có thể từ 35-500km và góc tới có thể nhỏ hơn 20 0
đến lớn hơn 500.

RADARSAT có 7 chế độ thu ảnh cho độ phân giải và độ phủ khác nhau:

Hỡnh 2-1: Cỏc ch chp nh ca v tinh RADARSAT 1
Các chế độ chụp ảnh của vệ tinh RadarSat đợc liệt kê trong bảng 1 dới đây:


20

Chế độ
chụp
Chế độ
chuẩn
Dải rộng
Độ phân
giải cao
Scansar
(Hẹp)
Scansar
(rộng)
Mở rộng
(cao)
Mở rộng
(thấp)

Số chùm tia
Độ phủ
(Thẳng đứng)
phát ra
7
250 km

Độ phủ >10%
3
250 km
Độ phủ >10%
5
500 km
Độ phủ >10%
250 km và
400 km
250 km
6
500 km
Độ phủ >3%
125 km

Độ rộng
dải quét

Độ phân
giải (Range)

Độ phân giải
(Azimuth)

Góc tới

100 km

25 m

28 m

20 -49o

28 m

20 -45o

9m

150 km
50 km

W1: 35 m
W2: 27 m
W3: 23m
8-9 m

300 km
500 km;
440km
75 km

50 m

5m

100 m

100 m

35 -49o
20 -40o
32-46o
20 -50o

25 m

28 m

50 -60o

75 km

25 m

28 m

10 -20o

Bảng 2-1: Các sản phẩm ảnh Radarsat-1
2.2 Định chuẩn ảnh RADARSAT
Trong các hệ thống Radar chủ động, tín hiệu thu đợc là tín hiệu phản hồi từ
các đối tợng mặt đất trở lại máy thu bức xạ phát đi từ một máy phát đặt cùng và thờng sử dụng chung ăngten với máy thu. Do vậy, tín hiệu phản hồi này không chỉ phụ
thuộc vào hệ số phản hồi, đặc trng riêng cho mỗi đối tợng nghiên cứu (và hớng thu
nhận) mà còn phụ thuộc vào các thông số kỹ thuật của hệ thống radar. Từ tín hiệu
thu đợc, để có đợc những bức ảnh có ý nghĩa phải trải qua một quá trình tiền xử lý
phức tạp dựa trên các thông số kỹ thuật của hệ thống Radar.
Bài toán định chuẩn ảnh đợc đặt ra với mục đích chuyển các giá trị pixel trên
ảnh thành các giá trị hệ số phản hồi (backscatter coefficient), đặc trng riêng cho mỗi

đối tợng nghiên cứu, độc lập với hệ thống radar cũng nh hệ thống khôi phục ảnh ở
trạm thu. Giữa hai đại lợng này, về mặt nguyên tắc phải có mối tơng quan tỉ lệ đơn
giản. Tuy nhiên trên thực tế vấn đề này trở nên phức tạp hơn do các giá trị pixel của
ảnh radar vẫn còn chứa một số sai số cha loại trừ hết trong quá trình tiền xử lý.
Việc chuyển đổi giá trị xám độ của ảnh Radarsat sang giá trị độ sáng 0 và
giá trị hệ số tán xạ ngợc 0 đòi hỏi phải tính chuyển lại giá trị đầu ra "scaling".
Công đoạn này đợc thực hiện trong suốt quá trình xử lý ảnh. Mỗi pixel đầu ra đợc đa
ra bởi một (hoặc hai) giá trị số (DN) thể hiện độ lớn của pixel thu đợc. Giá trị
"scaling" đợc đa ra trong quá trình xử lý mô tả ở phần Radiometric Data Record của
Leader file.
a. Chuyển đổi sang giá trị độ sáng 0


21

Giá trị scaling đợc tra ở bảng LUT trong mục Radiometric Data Record:
Trờng 12 đến 531 ở phần Radiometric Data cung cấp đầy đủ thông tin về giá
trị scaling gain và giá trị offset cũng đợc đa ra trong suốt quá trình xử lý.
Radiometric Data Record là một phần trong cấu trúc của SAR Leader file dành cho
sản phẩm "single beam" còn SAR Trailer File của sản phẩm ScanSAR. Nguyên lý
phân bố của trờng đợc miêu tả dới bảng sau:
Field
Mnemo
nic
12

Bytes
table_des

Format

37-60

Descripti
on
A24

Designator OUTPUT$SCALING$$..

13

n_samp

61-68

I8

Number of look up table samples, generally = 512

14
15
16-527
529

samp_type
samp_inc
lookup_tab
noise_scale

69-84
85-88

89-8265
8285-8300

A16
I4
512E16.7
F16.7

Designator GAIN$$$$$$$.
Increment between table entries in range pixels
Output scaling LUT values Ai - linear values
Thermal noise reference level (dB)

531

offset

8317-8332

E16.7

Scaling offset A3 - linear, set to 0 for SLC products

Bảng 2-2: Nguyên lý phân bố của Radiometric Data Record
Giá trị scaling đầu tiên chứa trong trờng 16 (từ byte 89 đến 104) của bảng
LUT là giá trị A0, đặc trng cho pixel ở dải biên gần nhất. Giá trị scaling kế tiếp từ
byte 105 đến 120 trong bảng LUT là giá trị A 1, đại diện cho pixel ở dải biên tiếp
theo (xa dần so với phơng thẳng đứng của vệ tinh). Nó đợc định vị ở pixel thứ N nào
đó tính từ biên gần, ở đó N= samp_inc, là giá trị số nguyên trong trờng 15. Bảng 22, scaling có giá trị 2xN pixel tính từ biên gần nhất. Tổng số scaling trong bảng là
512 giá trị. Bảng khoảng cách giữa các pixel, samp_inc đợc chọn với số nguyên gần

đúng nhất, kể cả ở biên xa nhất có thể của ảnh đã đợc xử lý.
Chuyển đổi sang giá trị độ sáng với sản phẩm SGF . Nếu giá trị DN j là giá trị
số thì nó đặc trng cho độ lớn của pixel j th bắt đầu từ hàng đầu tiên của dữ liệu ảnh
thu đợc, khi đó giá trị độ sáng của ảnh radar 0 tơng ứng với từng pixel sẽ đợc
chuyển đổi theo công thức:

0j = 10xlog10[(DNj2 + A3)/A2j] dB

(2)

Trong đó:
A2j : giá trị scaling của pixel jth
A3 : giá trị offset cố định, đợc lấy trực tiếp từ trờng 531 ở phần Radiometric
Data Record.
Nội suy từ bảng LUT để tìm giá trị A2j
ở cấu trúc của CDPF, dữ liệu dùng để nội suy cho từng pixel trong bảng LUT
luôn đợc cung cấp theo chiều tăng của khoảng cách và các giá trị đó đợc sắp xếp
theo thứ tự từ Tây sang Đông. Với trờng hợp vệ tinh đi lên mà hớng quét ở bên phải


22

thì bảng LUT sẽ ghi giá trị scaling gain đầu tiên ở biên gần nhất trớc (có nghĩa là giá
trị scaling gain đầu tiên sẽ là A0 còn giá trị cuối cùng sẽ là A511), còn với hớng quét ở
bên trái thì giá trị A511 lại đợc ghi ở vị trí đầu tiên (do giá A0 đợc quy định là giá trị
biên gần với hớng chuyển động của vệ tinh nhất). Trong trờng hợp vệ tinh đi xuống
thì ngợc lại, có nghĩa là với hớng quét bên trái thì giá trị A0 là giá trị đầu tiên còn với
hớng quét bên phải thì A511 mới là giá trị scaling gain đầu tiên của bảng LUT.
Bảng LUT do CDPF cung cấp bao gồm 512 giá trị scaling gain dùng để nội
suy nhằm tính chuyển các giá trị DN trên ảnh Radarsat thành giá trị tán xạ ban đầu

tính theo dB. Do chỉ dùng 512 giá trị để nội suy cho tất cả pixel trên 1 ảnh nên
những giá trị này đợc chia thành 511 khoảng (hay còn gọi là bớc nhảy từ A0 A1,
A1 A2 đến A510 A511). Các giá trị đợc biểu thị là Ai, trong đó i nằm trong
khoảng từ 0 đến (n_samp - 1), giá trị n_samp đợc đặt là 512 trong tất cả các sản
phẩm CDPF hiện hành. Do đó, i=0 ữ 511. Sự sắp xếp của pixel trên ảnh đặc trng
bởi j, trong đó jth là pixel ở hàng đầu tiên, j = 0 ữ (n_data_pixel-1), ở đó
n_data_pixel là số pixel trong 1 hàng, đợc cung cấp ở trờng 10 trong phần Processed
Data Record. Giá trị scaling A2 đợc tìm bằng cách nội suy tuyến tính theo từng bớc
nhảy giữa 2 giá trị kề nhau trong bảng LUT. Với những trờng hợp mà pixel ở gần
với biên xa nhất và ở hàng cuối vợt ra ngoài bớc nhảy A510 A511 cuối cùng thì
giá trị A2j sẽ đợc ngoại suy theo hai giá trị cuối là A510 và A511 của bảng LUT.
Với biên gần:
Với sản phẩm theo dải gần trớc bao gồm cả sản phẩm SCANSAR, tra theo
thứ tự của bảng LUT, iL và iU (dới và trên, tơng ứng với 1 bớc nhảy nh đã đề cập ở
trên) phù hợp với jth theo:
iL = floor(j/samp_inc)
iU = ceil(j/samp_inc)
ở đó: samp_inc tăng dần giữa bảng LUT, trong trờng 15 ở mục Radiometric
Data Record. Từ bảng LUT lấy giá trị gain Ai L và AiU theo đúng thứ tự. Việc nội suy
giá trị A2j đợc tìm theo công thức:
A2j = AiL +[(Aiu - AiL) * ((j/samp_inc) - iL) ]
(3)
Công thức (3) phù hợp với sự sắp xếp của các pixel và j =
samp_inc*(n_samp-1).
Để tìm A2j mà ở đó j > samp_inc*(n_samp-1), cần thiết phải ngoại suy từ
bảng LUT dựa vào hai giá trị cuối cùng là A510 và A511. Khi đó giá trị A2j
đợc
ngoại suy theo công thức:
A2j = A511 +[(A511 - A510) * ((j/samp_inc) -511) ]
(4)

Với biên xa:


23

Với sản phẩm mà j = 0 là pixel ở vị trí xa nhất trong hàng, giá trị trên cùng và
giá trị dới cùng trong bảng LUT đặc trng bởi jth và đợc tính theo công thức:
iL = floor[(n_data_pixel-j-1)/samp_inc]
iU = ceil[(n_data_pixel-j-1)/samp_inc]
ở đó: samp_inc là giá trị tăng dần trong bảng LUT, lấy đợc từ trờng 15 trong
phần Radiometric Data Record. Hai giá trị Ai L và AiU đợc tra trong bảng LUT theo
đúng thứ tự, khi đó A2j đợc tính theo công thức:
A2j = AiL +[(AiU - AiL) * {((n_data_pixel -1 -j)/samp_inc) - iL}] (5)
Công thức (5) dùng cho tất cả các pixel đợc sắp xếp theo thứ tự từ dới lên, khi
đó:
j = n_data_pixel - samp_inc*(n_samp -1) -1
Để tìm giá trị A2j mà ở đó j < n_data_pixel - samp_inc*(n_samp -1) -1, cần
thiết phải ngoại suy theo bảng LUT dựa vào hai giá trị A510 và A511 và đợc tính theo
công thức:
A2j = A511 +[(A511 - A510) * (((n_data_pixel -1 - j)/samp_inc) -511) ] (6)
b. Chuyển đổi sang hệ số tán xạ ngợc 0
Cuối cùng, ta tính đợc giá trị hệ số tán xạ ngợc 0 dựa vào mối liên hệ với
giá trị độ sáng 0 theo công thức sau:


0
j

= 0j + 10*log10(sinIj)

(dB)

(7)

ở đó: ij là góc tới tại pixel j th. Công thức giả thuyết rằng trái đất là bề mặt
cong trơn mà ở đó mực nớc biển là nh nhau.
Việc tính toán chi tiết góc tới đợc trình bày dới đây:
Tính bán kính trái đất (r) và độ cao của vệ tinh (h)
Từ bảng CEOS Data Set Summary Record ta tra đợc:
- Bán trục lớn của ellipsoid là: ellip_maj = 6378.14 km
- Bán trục nhỏ của ellipsoid là: ellip_maj = 6356.755 km
- Vĩ độ của vệ tinh:
plat_lat = 45.901
deg
Từ bảng CEOS Processing Parameter Record
= 7.167055 . 106 m
eph_orb_data
r = ellip min

1 + tan 2 ( platlat .


)
180

ellip min

+ tan 2 ( platlat.
)
2

ellipmaj
180
2

.103

từ đó độ cao quỹ đạo h đợc tính:
h= -r
Tính chuyển khoảng cách nghiêng sang khoảng cách ngang

(8)

(9)


24

Dựa vào 6 hệ số SRGR ở phần Processing Parameter Record để tính chuyển:
- Hệ số thứ 1: SRGR coeff=a, a = 8.4087600.105
- Hệ số thứ 2: SRGR coeff=b, b = 3.3333325.10-1
- Hệ số thứ 3: SRGR coeff=c, c = 6.0235465.10-7
- Hệ số thứ 4: SRGR coeff=d, d = -2.4054597.10-13
- Hệ số thứ 5: SRGR coeff=e, e = -1.1672899.10-19
- Hệ số thứ 6: SRGR coeff=f, f =1.9135056.10-25
Từ CEOS Data Set Summary Record:
Tra đợc khoảng cách giữa 2 pixel liền kề nhau là: pix_spacing = 12.5m
Với sản phẩm SGF, pixel đợc đặc trng bởi j, ở đó j đợc tính từ vị trí thứ nhất
của hàng đầu tiên, nằm trong khoảng: j =( 0...(n_data_pixel-1)).
Với sản phẩm mà pixel đợc sắp xếp theo biên gần trớc, khoảng cách nghiêng
của pixel thứ j đợc tính nh sau:

RSj = a + j.dRg.b + (j.dRg)2 .c + (j.dRg)3 .d + (j.dRg)4 .e + (j.dRg)5 .f
(10)
ở đó:
RSj : Khoảng cách nghiêng
dRg: khoảng cách ngang giữa 2 pixel liền kề (dRg = pix_spacing = 12.5m)
Tính góc tới của từng pixel
Góc tới của pixel thứ j đợc tính theo công thức:

(

h 2 ( RS j ) 2 + 2.r.h
I j = arccos
2.RS j .r


)





(11)

Từ đó, ta có thể dễ dàng tính chuyển đợc giá trị DN trên ảnh radar thành giá
trị hệ số phản xạ ngợc, một giá trị đầu vào cần thiết để thực hiện các quá trình tiền
xử lý tiếp theo.
2.3 Xử lý nhiễu trên ảnh Radar
Nhiễu là hiện tợng phổ biến và là đặc trng của hệ thống chụp ảnh radar (với
bớc sóng cỡ mm đến 1m). Giống nh ánh sáng Laser, sóng radar phát ra đợc truyền
theo pha và tơng tác rất ít trên đờng đi tới các đối tợng trên bề mặt. Sau khi tơng tác

với các đối tợng trên bề mặt, các sóng này không còn cùng pha nữa. Nguyên nhân là
do khoảng cách từ các đối tợng trên bề mặt đến bộ thu phát tín hiệu là khác nhau,
hoặc là do sự khác biệt giữa tín hiệu tán xạ đơn và tán xạ nhiều lần.
Khi không cùng pha, các sóng radar có thể tơng tác và tạo ra các điểm ảnh
(Pixel) sáng và tối và đợc gọi là nhiễu. Để sử dụng ảnh một cách có hiệu quả thì cần
phải làm giảm các pixel nhiễu này. Tuy nhiên, các thuật toán dùng để làm giảm
nhiễu thì cũng thờng làm biến đổi các thông tin trên ảnh.


25

Hình 2-2: Sự tạo thành nhiễu trên ảnh Radar
Đối với ngời sử dụng, đây là một trở ngại lớn trong khi phân tích giải đoán
ảnh. Vấn đề xử lý nhiễu do vậy đã tập trung đợc sự chú ý của nhiều nhà nghiên cứu.
Hàng loạt các phép lọc đợc thiết kế chuyên dụng cho ảnh radar đã ra đời và hiện nay
thờng đợc cung cấp trong các module xử lý ảnh radar của các phần mềm xử lý ảnh
thơng mại. Trong đó phải kể tới các phơng pháp lọc nh Frost, Lee, Sigma, Li,
Gamma Map v.v... Nhìn chung, đa số các lọc này đều hoạt động trên nguyên tắc dựa
vào tính chất cục bộ của vùng ảnh nằm trong cửa sổ lọc tại mỗi vị trí để xây dựng
các ma trận lọc thích hợp sao cho tại những vị trí đợc xác định là có nhiễu, lọc phải
mang tính chất của phơng pháp lọc thông tần thấp (low passed filter) để loại nhiễu,
ngợc lại, tại những vị trí phát hiện đợc các chi tiết nhỏ hay có chi tiết dạng tuyến
chạy qua, nó phải bảo tồn hoặc thậm chí hoạt động nh một lọc tần số cao (hight
passed filter) để làm nổi rõ các chi tiết đó. Riêng lọc Lee lại dựa vào mô hình nhiễu
thực nghiệm để tách riêng nhiễu ra khỏi tín hiệu hữu ích qua đó loại bỏ nhiễu. Dới
đây là bản chất và thuật toán cụ thể của các phơng pháp lọc này.

2.3.1 Mô hình nhiễu
Hình dới đây biểu diễn mối tơng quan thực nghiệm giữa độ lệch chuẩn và giá
trị trung bình cục bộ trên ảnh radar đo trên những vùng ảnh đồng nhất khác nhau.

Nh vậy, giá trị trung bình có thể đợc coi nh mức tín hiệu hữu ích, còn độ lệch chuẩn
đặc trng cho mức nhiễu. Đồ thị cho ta thấy rõ mức nhiễu tỷ lệ với cờng độ tín hiệu
đo đợc trên ảnh, do vậy ta có:
Z = X.V
(12)
Trong đó:
Z : Số đo trên ảnh
X : Cờng độ tín hiệu hữu ích
V : Nhiễu