Nghiên cứu các phương pháp định chuẩn và tăng cường chất lượng ảnh radar

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-----------*-----------

NGUYỄN DOÃN TÙNG

NGHIÊN CỨU CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐỊNH CHUẨN VÀ
TĂNG CƢỜNG CHẤT LƢỢNG ẢNH RADAR

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

HÀ NỘI - 2019
1


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
--------------------

NGUYỄN DOÃN TÙNG

NGHIÊN CỨU CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐỊNH CHUẨN VÀ
TĂNG CƢỜNG CHẤT LƢỢNG ẢNH RADAR
Chuyên ngành: Bản đồ viễn thám và hệ thông tin địa lý
Mã số: 60440214

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. Lại Anh Khôi
PGS. TS Đinh Thị Bảo Hoa

Giáo viên hƣớng dẫn

TS. Lại Anh Khôi

Hà Nội - 2019
2


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất
kỳ công trình nghiên cứu nào khác.
Tôi chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình.

Hà Nội, ngày

tháng 9 năm 2019

Nguyễn Doãn Tùng

3


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành luận văn này, tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn chân
thành và sâu sắc nhất đến:
Phòng Sau Đại học cùng các quý thầy cô Khoa Địa lý đã truyền đạt cho
tôi những kiến thức quý báu trong quá trình học tập và tạo điều kiện giúp đỡ
tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn tốt nghiệp.
Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Tiến sĩ Lại Anh Khôi - Nghiên cứu
viên chính tại Viện Công nghệ Vũ Trụ/Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ
Việt Nam và PGS. TS Đinh Thị Bảo Hoa - Trƣởng bộ môn Bản đồ - Viễn

Thám/Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên/Đại học Quốc gia Hà Nội, những
ngƣời đã tận tình hƣớng dẫn, động viên, truyền đạt những kiến thức quý báu
giúp tôi hoàn thành luận văn này.
Tiếp theo tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến thủ trƣởng
Cục Bản đồ, Công ty TNHH MTV Trắc địa Bản đồ và Viện Công nghệ Vũ
trụ đã tạo điều kiện cho tôi nghiên cứu và cung cấp một số tài liệu giúp tôi
hoàn thành luận văn này.
Các bạn và tập thể lớp Cao học Bản đồ Viễn Thám và Hệ thông tin địa
lý khóa 2015-2017, Khoa Địa lý, đã giúp đỡ và động viên tôi trong suốt quá
trình học tập và làm luận văn.
Cuối cùng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến cha, mẹ, các anh chị em
và ngƣời thân trong gia đình, tôi xin chân thành cảm ơn vợ tôi, đã động viên,
hỗ trợ tôi trong suốt quá trình học tập và làm việc sau này!
Hà Nội, ngày

tháng 9 năm 2019

Nguyễn Doãn Tùng

4


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
CSA: Cơ quan Vũ trụ Canada
CSDL: Cơ sở dữ liệu
DN: Giá trị số của các điểm ảnh
JAXA: Cơ quan khai thác hàng không vũ trụ Nhật Bản
ESA: Cơ quan hàng không vũ trụ Châu Âu
InSAR: Radar khẩu độ tổng hợp giao thoa
NASA: Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Hoa Kỳ

ODA: Nguồn vỗn vay hỗ trợ tài chính từ các nƣớc phát triển cho các
nƣớc đang phát triển.
PASAL: Radar độ mở tổng hợp băng L
PRF: Tần số lặp lại xung
PRISM: thiết bị viễn thám toàn sắc cho lập bản đồ lập thể
SAR: Radar khẩu độ tổng hợp
SLAR: Hệ radar nhìn nghiêng
UAV: Máy bay không ngƣời lái
VNREDSat1: Vệ tinh quang học quan sát Trái Đất đầu tiên của Việt
Nam
VNSC: Trung tâm vệ tinh quốc gia

5


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .................................................................. 5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .......................................................................... 8
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ................................................................... 10
MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 11
1. Tính cấp thiết của đề tài .............................................................................. 11
2. Mục tiêu nghiên cứu .................................................................................... 12
3. Nhiệm vụ nghiên cứu .................................................................................. 12
4. Phạm vi nghiên cứu ..................................................................................... 13
5. Phƣơng pháp nghiên cứu ............................................................................. 13
6. Kết quả đạt đƣợc, ý nghĩa khoa học, thực tiễn............................................ 13
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LÝ TẠO ẢNH RADAR .......... 14
1.1 Khái niệm về viễn thám Radar .............................................................. 14
1.2 Tổng quan về kỹ thuật thu ảnh Radar .................................................... 15
1.3 Đặc điểm của ảnh Radar ........................................................................ 17

1.3.1. Độ phân giải của ảnh RADAR ....................................................... 19
1.3.2. Ảnh hƣởng của yếu tố hình học ..................................................... 21
1.3.3. Tính chất bức xạ của ảnh RADAR ................................................ 24
1.3.4. Phân cực của ảnh RADAR ............................................................. 25
1.3.5. So sánh giữa ảnh radar và ảnh quang học ...................................... 26
1.4 Một số vệ tinh radar tiêu biểu ................................................................ 27
1.4.1. Radarsat - 2..................................................................................... 27
1.4.2.ALOS - 2 ......................................................................................... 30
1.4.3. RISAT -1 ........................................................................................ 33
1.4.4.Sentinel – 1 ...................................................................................... 34
CHƢƠNG 2: ĐỊNH CHUẨN VÀ TĂNG CƢỜNG CHẤT LƢỢNG ẢNH
RADAR ........................................................................................................... 38
2.1 Phƣơng trình radar ................................................................................. 38
2.2 Định chuẩn ảnh radar ............................................................................. 40
2.3 Hiệu chỉnh ảnh hƣởng của địa hình ....................................................... 42
2.3.1 Phƣơng pháp Terrain Normalization............................................... 42
2.3.2 Phƣơng pháp David Small .............................................................. 46

6


2.4 Lọc nhiễu ảnh radar ............................................................................... 52
2.4.1 Nguyên nhân gây nhiễu ảnh radar ................................................... 52
2.4.2 Các phép lọc chuyên dụng cho ảnh radar ....................................... 52
CHƢƠNG III: THỬ NGHIỆM, ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CÁC PHƢƠNG
PHÁP LỌC ĐỐI VỚI ẢNH RADARSAT KHU VỰC TỈNH THÁI BÌNH . 58
3.1. Khu vực nghiên cứu .............................................................................. 58
3.1.1 Vị trí, địa giới và phân chia hành chính .......................................... 58
3.1.2 Điều kiện tự nhiên ........................................................................... 58
3.2 Tƣ liệu sử dụng ...................................................................................... 61

3.3 Định chuẩn ............................................................................................. 62
3.4 Lọc nhiễu ............................................................................................... 65
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ......................................................................... 73
Tài liệu tham khảo ........................................................................................... 74

7


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Các kênh sóng của viễn thám RADAR .......................................... 15
Hình 1.2: Hệ thống viễn thám chủ động ......................................................... 16
Hình 1.3: Trƣờng điện từ phản xạ Es, trƣờng điện từ tới Ei ........................... 17
Hình 1.4: Mô hình radar khẩu độ tổng hợp thƣờng thấy Hanssen (2001) ...... 18
Hình 1.5: Quan sát 3D đã đƣợc đơn giản hóa thành 2 chiều trên ảnh SAR ... 19
Hình 1.6: Độ phân giải theo phƣơng vị (azimuth) .......................................... 20
Hình 1.7: Độ phân giải theo hƣớng bắn .......................................................... 21
Hình 1.8: Ảnh hƣởng hình học của ảnh RADAR ........................................... 22
Hình 1.9: Ảnh hƣởng hình học của ảnh RADAR (Elachi, 1989) ................... 23
Hình 1.10: Ảnh RADAR ảnh hƣởng bởi góc tới ........................................... 23
Hình 1.11: Ví dụ về ảnh RADAR ................................................................... 25
Hình 1.12: Phƣơng thức truyền sóng .............................................................. 26
Hình 1.13: Vệ tinh Radarsat - 2 ...................................................................... 27
Hình 1.14: Các chế độ thu ảnh của vệ tinh Radarsat – 2 ................................ 30
Hình 1.15: Vệ tinh ALOS - 2 .......................................................................... 31
Hình 1.16: So sánh cơ chế thu ảnh giữa ALOS và ALOS – 2 ........................ 32
Hình 1.17: Vệ tinh RISAT – 1 ........................................................................ 33
Hình 1.18: Vệ tinh Sentinel – 1....................................................................... 35
Hình 1.19: Các chế độ thu ảnh của vệ tinh Sentinel – 1 ................................. 37
Hình 2.1: Các mặt phẳng tham chiếu để xácđịnh hệ số phản xạ .................... 41
Hình 2.2: Tƣơng quan giữa radar và điểm mặt đất trong hệ tọa độ Địa tâm .. 43

Hình 2.3: Các tham số dùng trong hiệu chỉnh ảnh hƣởng của địa hình .......... 44
Hình 2.4: Tƣơng quan giữa ảnh và thực địa trên ảnh radar ........................... 46
Hình 2.5: Bóng trên dòng ảnh ......................................................................... 47
Hình 2.6: Mô phỏng bề mặt địa hình từ mô hình số độ cao ........................... 50
Hình 2.7: Nguyên nhân nhiễu speckle trên ảnh radar ..................................... 52
Hình 3.1: Trích đoạn tệp tin lutBeta.xml của ảnh Radarsat-2 ngày 25/6/2015
......................................................................................................................... 63
Hình 3.2: Ảnh Radarsat-2 ngày 25/6/2015 phân cực VH trƣớc định chuẩn... 64
Hình 3.3: Ảnh Radarsat-2 ngày 25/6/2015 phân cực VH sau định chuẩn ...... 64
Hình 3.4: Dao động giá trị các pixel trên 1 mặt cắt của ảnh trƣớc định chuẩn
......................................................................................................................... 65
Hình 3.5: Dao động giá trị các pixel trên 1 mặt cắt của ảnh sau định chuẩn .. 65
Hình 3.6: Ảnh Radarsat – 2 phân cực VH sau định chuẩn ............................. 67
Hình 3.7: Ảnh Radarsat – 2, phân cực VH sau lọc Frost ................................ 67

8


Hình 3.8: Ảnh Radarsat – 2, phân cực VH sau lọc Lee .................................. 68
Hình 3.9: Ảnh radarsat – 2, phân cực VH sau lọc Kuan ................................. 68
Hình 3.10: Ảnh radarsat – 2, phân cực VH sau lọc Local Sigma ................... 69
Hình 3.11: Ảnh radarsat – 2, phân cực VH sau lọc Bit Error ......................... 69
Hình 3.12: Ảnh radarsat – 2, phân cực VH sau lọc Gamma ........................... 70
Hình 3.13: Ảnh radarsat – 2, phân cực VH sau lọc Enhanced Frost .............. 70
Hình 3.14: Ảnh radarsat – 2, phân cực VH sau lọc Enhanced Lee ................ 71
Hình 3.15: Ảnh radarsat – 2, phân cực VH sau lọc Multitemporal ................ 71

9

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Các kênh sóng trong kỹ thuật radar ............................................... 14
Bảng 1.2: Các yếu tố ảnh hƣởng đến tín hiệu thu radar ................................. 24
Bảng 1.3: Đặc tính kỹ thuật vệ tinh Radarsat - 2 ........................................... 28
Bảng 1.4: Các chế độ thu ảnh của vệ tinh Radarsat - 2 .................................. 29
Bảng 1.5: Chỉ tiêu kỹ thuật của vệ tinh ALOS – 2......................................... 32
Bảng 1.6: Thông số kỹ thuật của vệ tinh RISAT – 1 ..................................... 33
Bảng 1.7: Các chế độ thu ảnh của vệ tinh RISAT – 1.................................... 34
Bảng 1.8: Thông số kỹ thuật các vệ tinh Sentinel - 1..................................... 36
Bảng 1.9: Các chế độ thu ảnh của Sentinel – 1 .............................................. 37
Bảng 3.10: Các giá trị thống kê tính trên mặt nƣớc ....................................... 72

10


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Những tiến bộ vƣợt bậc của khoa học hàng không, vũ trụ đã nâng cao
khả năng sử dụng dữ liệu viễn thám và các công nghệ đi kèm cho việc thu
thập và xử lý thông tin. Nhiều vệ tinh quan trắc Trái đất đã đƣợc phóng thành
công cung cấp nhiều hơn dữ liệu ảnh viễn thám với độ phân giải không gian
ngày càng cao, không chỉ có ảnh quang học mà còn sử dụng nhiều kỹ thuật
tiên tiến khác nhƣ Radar, laser... Viễn thám đa tầng (vệ tinh, hàng không và
thiết bị không ngƣời lái UAV) đƣợc sử dụng đã làm phong phú thêm nguồn
dữ liệu viễn thám.
Trên thế giới cũng đã có nhiều công trình nghiên cứu khoa học và ứng
dụng có giá trị đi theo hƣớng khai thác thông tin từ việc tích hợp nhiều nguồn
ảnh viễn thám đa độ phân giải, đa thời gian để cập nhật CSDL nền địa lý
chung, trong đó phải kể đến các quốc gia sở hữu và vận hành hệ thống vệ tinh
viễn thám quan trắc Trái đất nhƣ Mỹ, Nga, Pháp, Nhật Bản, Thái Lan... Riêng

đối với lĩnh vực quân sự, ở mỗi nƣớc đều có những nghiên cứu cơ bản và
chuyên sâu nhƣng do có những qui định, nguyên tắc phải tuân thủ khác nhau
nên việc công bố kết quả thƣờng rất hạn chế, rất khó cho đơn vị bên ngoài
tiếp cận.
Đƣợc du nhập vào Việt Nam từ những năm 80 của Thế kỷ trƣớc, tuy
nhiên công nghệ viễn thám lại phát triển chƣa đồng bộ. Ở nhiều Bộ, Ngành
đều đã có đơn vị, bộ phận với những cán bộ kỹ thuật làm công tác chuyên
môn liên quan tới viễn thám nhƣng do chƣa có sự thống nhất về mục tiêu, các
qui định nên còn bị chồng chéo về công việc, ít có sự trao đổi, giao lƣu học
thuật. Từ năm 2013, việc phóng thành công và vận hành hiệu quả vệ tinh
quan trắc Trái đất VNREDSat-1 đã thực sự đi vào lịch sử của ngành Viễn
thám Việt Nam. Lần đầu tiên chúng ta có thể chủ động trong việc điều khiển,
đặt lệnh chụp cho bất kỳ vị trí nào trên bề mặt Trái đất, không chỉ riêng trong
lãnh thổ mà còn có thể hỗ trợ thu thập thông tin, đánh giá tình hình ngoài lãnh
thổ. Đồng thời, sự kiện trên đã mở ra hàng loạt hƣớng nghiên cứu ứng dụng,
khai thác hiệu quả tƣ liệu viễn thám phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau
của nền kinh tế quốc dân và phục vụ nhiệm vụ quốc phòng, bảo vệ vững chắc
11


Tổ quốc trong tình hình mới.
Tuy nhiên, do những hạn chế nhất định của kỹ thuật viễn thám quang
học là phụ thuộc quá nhiều vào thời tiết trong khi đất nƣớc chúng ta với điều
kiện khí hậu nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa nên gặp những khó khăn
không nhỏ trong việc thu nhận, xử lý nguồn tƣ liệu này. Nhận thức rõ điều
này, Chính phủ đã giao cho Trung tâm Vệ tinh quốc gia (VNSC) thuộc Viện
Hàn lâm KHCN Việt Nam triển khai dự án thiết kế và đƣa lên quĩ đạo vệ tinh
viễn thám quan trắc Trái đất sử dụng kỹ thuật Radar với tên gọi LOTUSat-1
bằng nguồn vốn ODA của Nhật Bản. Do tuổi thọ mỗi quả vệ tinh viễn thám
thƣờng chỉ kéo dài khoảng 5-7 năm, để có thể nắm bắt, làm chủ công nghệ và

ứng dụng ngay sản phẩm của vệ tinh LOTUSat-1 thì những nghiên cứu khoa
học, lý thuyết cơ bản phải đi trƣớc một bƣớc và phải đƣợc thực hiện một cách
hệ thống, bài bản.
Xuất phát từ nhu cầu thực tế và đƣợc sự đồng ý của Khoa Địa lý,
Trƣờng Đại học khoa học tự nhiên/ Đại học quốc gia Hà Nội, em tiến hành
nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu các phương pháp định chuẩn và tăng
cường chất lượng ảnh Radar” nhằm khai thác hiệu quả dữ liệu Radar
phục vụ cho các mục đích nghiên cứu chuyên ngành.
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Nghiên cứu nguyên lý tạo ảnh Radar, các phƣơng pháp định chuẩn,
hiệu chỉnh bức xạ và lọc ảnh radar
- Thử nghiệm, đánh giá hiệu quả của các phƣơng pháp lọc trên một loại
ảnh Radar cụ thể
3. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Do những đặc điểm riêng của ảnh Radar nên để xử lý, cần những kỹ
thuật riêng biệt. Đề tài của học viên tập trung nghiên cứu một số kỹ thuật hiệu
chỉnh, tăng cƣờng chất lƣợng ảnh Radar.
- Lựa chọn dữ liệu ảnh RadarSat để thử nghiệm, đánh giá hiệu quả của
các phƣơng pháp lọc.

12


4. Phạm vi nghiên cứu
- Tổng quan về nguyên lý tạo ảnh Radar
- Các phƣơng pháp định chuẩn, hiệu chỉnh ảnh hƣởng của địa hình trên
ảnh Radar
- Các phép lọc nhằm tăng cƣờng chất lƣợng ảnh Radar
- Thử nghiệm, đánh giá hiệu quả các phƣơng pháp lọc đối với ảnh
Radarsat -2 khu vực tỉnh Thái Bình

5. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Phƣơng pháp nghiên cứu tài liệu: thu thập các tài liệu, báo cáo kết
quả nghiên cứu của các đề tài có liên quan trong và ngoài nƣớc để làm cơ sở
trong quá trình xây dựng cơ sở phƣơng pháp luận và thực tiễn thực hiện đề
tài.
- Phƣơng pháp chuyên gia: tranh thủ kiến thức, ý kiến đóng góp của
các chuyên gia về các lĩnh vực chuyên sâu về viễn thám phục vụ hoàn thiện
các nội dung nghiên cứu của đề tài.
- Phƣơng pháp Viễn thám: nghiên cứu đặc điểm, nguyên lý của ảnh
Radar. Tập trung các kỹ thuật chuyên dụng để xử lý ảnh Radar. Nghiên cứu
các phƣơng pháp hiệu chỉnh ảnh Radar. Cắn cứ vào các kết quả nghiên cứu,
tiến hành xử lý ảnh RADARSAT.
6. Kết quả đạt đƣợc, ý nghĩa khoa học, thực tiễn
- Nắm vững nguyên lý tạo ảnh radar, đặc điểm ảnh radar và các phƣơng
pháp chuyên dụng xử lý tăng cƣờng chất lƣợng ảnh radar.
- Làm rõ thuật toán, ý nghĩa của các phép lọc, thử nghiệm, đánh giá
hiệu quả của chúng, đƣa ra đƣợc khuyến cáo trong việc lựa chọn phƣơng pháp
lọc tối ƣu.

13


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LÝ TẠO ẢNH RADAR

1.1 Khái niệm về viễn thám Radar
RADAR đƣợc viết tắt từ cụm từ Radio Detection And Ranging, tức hệ
thống phát hiện và đo đạc khoảng cách bằng sóng radio. Thuâ ̣t ngƣ̃ vố n di ̃ ban
đầ u để chỉ các hê ̣ thố ng radar quân sƣ̣ dùng dò tim
̀ , theo dõi máy bay hay tàu
thuyề n. Ảnh radar trên thực tế đƣợc thu bởi các radar tạo ảnh (imaging radar)

tuy khác xa các radar kể trên nhƣng vẫn hoa ̣t đô ̣ng dƣ̣a trên cùng nguyên l ý là
phát đi các xung điện từ rồi thu về các sóng phản hồi để phát hiện đối tƣợng
và xác định vị trí của chúng dựa trên khoảng cách từ chúng đến radar đo bằng
thời gian trễ giƣ̃a thời điể m phát và thời điể m thu . Khác với các ảnh quang
học, mà nhƣ ta đã biết, thƣờng đƣợc thu ở các dải sóng: khả kiến (0,5-0,7µm),
hồng ngoại gần (0,7-1,1µm) hay hồng ngoại nhiệt (3-5µm và 10-12µm), ảnh
radar thƣờng đƣợc thu ở dải sóng từ 0,75cm đến 1m. Trong kỹ thuật radar dải
sóng này thƣờng đƣợc chia thành các kênh với ký hiệu nhƣ sau (bảng 1):
Bảng 1.1: Các kênh sóng trong kỹ thuật radar
Kênh

Dải tần

Bước sóng

P

300MHz – 1GHz

100-30cm

L

1-2 GHz

30-15cm

S

2-4 GHz

15-7,5cm

C

4-8 GHz

7,5-3,75cm

X

8-12,5 GHz

3,75-2,4cm

Ku

12,5-18 GHz

2,4-1,67cm

K

18-26,5 GHz

1,67-1,1cm

Ka

26,5-40 GHz

1,1-0,75cm

Lƣu ý: Giữa tần số f tính theo MHz và bƣớc sóng λ tính theo m liên hệ
với nhau bởi công thức f = 300/λ

14


Hình 1.1: Các kênh sóng của viễn thám RADAR
Không giống nhƣ hệ thống quang học, hệ thống radar có ƣu thế hoạt
động đƣợc trong mọi điều kiện thời tiết do sử dụng sóng radio có khả năng
xuyên mây và cung cấp ảnh với các pixel ghi lại các đặc điểm về điện, hình
học của bề mặt phản xạ trong đƣờng ngắm của vệ tinh.
Các radar tạo ảnh đƣợc chia thành 2 nhóm:
SLAR: Side looking Airborne Radar, hệ thống radar nhìn sƣờn đƣợc
phát triển trong chiến tranh thế giới thứ II.
SAR: Synthetic Aperture Radar, hệ thống Radar khẩu độ tổng hợp đƣợc
phát triển từ năm 1950.
1.2 Tổng quan về kỹ thuật thu ảnh Radar
Kỹ thuật radar đƣợc phát triển từ thế kỷ 20 cho khả năng xác định các
tham số vật lý của các đối tƣợng thông qua khả năng phản xạ của chúng đối
với sóng siêu cao.
Hệ thống RADAR phát ra những xung năng lƣợng vi sóng theo một
hƣớng quan tâm rồi ghi lại cƣờng độ của những xung phản hồi lại (hay vọng
lại) từ các đối tƣợng, trong trƣờng nhìn của thiết bị.

15

Hình 1.2: Hệ thống viễn thám chủ động
Nếu ta gọi trƣờng điện từ phản xạ là Es và trƣờng điện từ tới là Ei, ta có
mối quan hệ giữa trƣờng điện từ phản xạ và trƣờng điện từ tới, ma trận phản
xạ chứa thông tin tự nhiên và tính chất của đối tƣợng.

Trong đó:

h,v: Phân cực ngang, phân cực dọc
Ei: Trƣờng điện từ nghiêng truyền tới
Es: Trƣờng điện từ phản xạ (Backscattered)
[S]: Ma trận tán xạ (Scattering matrix)

[S] độc lập với trạng thái phân cực của sóng tới và độc lập với
tần số, tính chất hình học của bộ tán xạ

16


Ei
Es

Hình 1.3: Trường điện từ phản xạ Es, trường điện từ tới Ei
Trong lĩnh vực RADAR, kỹ thuật InSAR bắt đầu đƣợc sử dụng từ cuối
thế kỷ 20 và InSAR đã trở thành một kỹ thuật viễn thám không thể thiếu khi
nghiên cứu các lĩnh vực địa vật lý khác nhau đặc biệt là các hiện tƣợng biến
đổi tự nhiên. Goldstein et al. (1993) và Massonnet (1993) đã ứng dụng InSAR
để thành lập bản đồ biến động bề mặt của dòng băng tại Nam Cực. Công nghệ
InSAR thông thƣờng sử dụng 02 ảnh thu với cùng tƣ thế từ 2 lần vệ tinh bay
qua (2-pass). Có một sự tƣơng đồng giữa công nghệ SAR giao thoa với
phƣơng pháp lập thể, đặc biệt dùng để phát hiện sự thay đổi của bề mặt trái

đất (Hanssen, 2001; Simons nnk, 2007), Rich man 1971 và Zisk, 1972 giới
thiệu nguyên lý InSAR trong công tác nghiên cứu trái đất từ xa. Goldstein và
Zebker (1987) đã cải tiến phƣơng pháp InSAR bằng cách phát triển kỹ thuật
mới gọi là giao thoa “along-track” (dọc tuyến), nó có khả năng phát hiện các
chuyển động của bề mặt từ các dữ liệu SAR với thời gian khác nhau. Phần lớn
ứng dụng của công nghệ InSAR trong lĩnh vực địa vật lý đƣợc bắt đầu với
việc phóng các vệ tinh ERS-1 và ERS-2 của ESA-European Space Agency.
Vệ tinh ERS-1 đã kết thúc sứ mệnh vào 10-3-2000 và ERS-2 đã dừng
hoạt động vào 5-9-2011.
1.3 Đặc điểm của ảnh Radar
Thiết bị SAR thƣờng đƣợc đặt trên máy bay hoặc vệ tinh liên tục phát ra
các xung ngắn với tần suất lặp (PRF) xác định trong một búp sóng hẹp vuông

17


góc với hƣớng bay (Hình 1.4). Do các đối tƣợng ở gần ăng ten (tầm gần) phản
xạ lại trƣớc các đối tƣợng ở xa, kết quả là ta thu đƣợc một seria các tán xạ
ngƣợc để tạo nên một chiều của ảnh. Chiều thứ hai của ảnh đƣợc tạo ra từ các
xung phát kế tiếp dọc theo hƣớng bay của vật mang. Độ phân giải của ảnh dọc
theo hƣớng quét đƣợc quyết định bởi độ dài thời gian của xung phát trong khi
độ phân giải theo hƣớng dọc tuyến bay đƣợc quyết định bởi độ mở của ăng
ten theo hƣớng này.

Hình 1.4: Mô hình radar khẩu độ tổng hợp thường thấy Hanssen (2001)
Bƣớc đầu tiên của quy trình xử lý dữ liệu SAR là tạo ảnh Single Look
Complex (SLC) “ảnh phức nhìn đơn” thể hiện bằng ma trận 2D chứa các số
phức ghi lại biên độ và pha của tín hiệu tán xạ từ các vật thể trên mặt đất,
đƣợc xác định bởi hƣớng và tầm của hệ thống SAR.

18


Do không phụ thuộc vào điều kiện chiếu sáng nên hệ thống SAR cho
phép thu ảnh khi di chuyển theo cả hai hƣớng: Ascending (đi lên) và
Descending (đi xuống). Kế hợp giữa hai ảnh Ascending và Descending (thu
từ hai phía) cho phép tránh đƣợc vấn đề về bóng, chồng phủ và có một cách
nhìn hoàn thiện về khu vực nghiên cứu đồng thời cho khả năng dựng mô hình
3D.

Hình 1.5: Quan sát 3D đã được đơn giản hóa thành 2 chiều trên ảnh SAR
Hình trên biểu thị một lát cắt địa hình (profile) theo hƣớng vuông góc
với hƣớng bay, hƣớng radar di chuyển là hƣớng đi vào trong tờ giấy. Đồ thị
đƣợc cắt bởi các đƣờng có khoảng cách cố định, thể hiện độ phân giải theo
tầm (range), bằng ∆ρ=c/2∆fbw, với c là vận tốc ánh sáng (2.9979 x 105 km/s)
và ∆fbw độ rộng của xung phát (beamwidth).
1.3.1. Độ phân giải của ảnh RADAR
Đối với ảnh radar, độ phân giải đƣợc xác định theo 2 hƣớng:
-Độ phân giải theo phƣơng vị
-Độ phân giải theo hƣớng ngắm
19


Độ phân giải phương vị - Azimuth resolution (Ra): là chiều rộng của
địa hình nằm lọt trong phạm vi búp sóng của radar tính theo hƣớng phƣơng vị
và đƣợc tính bằng công thức:
𝑅𝑎 =
Trong đó:

𝜆𝑆

𝐿

(1)

S - khoảng cách từ ăng ten đến điểm đích
L - độ dài ăng ten

λ- Bƣớc sóng của tia radar

Hình 1.6: Độ phân giải theo phương vị (azimuth)
Độ phân giải theo hướng ngắm (Range resolution) là khả năng phân
cách hai đối tƣợng không gian nằm gần nhau theo hƣớng ngắm. Điều này đạt
đƣợc khi tín hiệu phản hồi của tất cả các phần trên hai vật đƣợc thu nhận bởi
ăng ten sẽ phải phân cách nhau.
Độ phân giải theo hƣớng ngắm đƣợc tính bằng công thức:
𝑅𝑟 =

𝜏𝑐
2 cos 𝛾

20


Rr: Độ phân giải theo hƣớng ngắm
c: là vận tốc ánh sáng
γ: là góc tới.

: là độ dài thời gian của xung phát.

Hình 1.7: Độ phân giải theo hướng bắn

1.3.2. Ảnh hưởng của yếu tố hình học
Do đặc điểm trong cơ chế hoạt động của mình, ảnh RADAR thƣờng bị
ảnh hƣởng bởi các hiệu ứng hình học đặc trƣng nhƣ: ForeShortening, Layover
và Shadowing
ForeShortening: Là hiện tƣợng hình ảnh của các sƣờn dốc hƣớng về phía
radar bị co ngắn nhƣ trên hình 1.8. Nguyên nhân là do radar phân biệt đối
tƣợng theo độ trễ của tín hiệu phản hồi hay theo khoảng cách xiên từ radar
đến đối tƣợng, trong khi đó do sự chênh cao của địa hình khoảng cách từ
radar đến điểm b sẽ bị rút ngắn so với đến điểm đáy.
21


Hình 1.8: Ảnh hưởng hình học của ảnh RADAR
Layover: là hiện tƣợng khi hình ảnh đối tƣợng đƣợc ghi lại trên ảnh
RADAR bị đảo ngƣợc ab thành b’a’ khi khoảng cách từ radar đến đỉnh dốc
(điểm b) ngắn hơn từ radar đến chân dốc (điểm a).
Shadowing: là khi tia RADAR tới không thể chạm tới đối tƣợng nhƣ vậy
sẽ không có hình ảnh của đối tƣợng đƣợc thể hiện trên ảnh (đối tƣợng nhƣ bị
che khuất).
Hình ảnh dƣới đây sẽ cho một cách nhìn rõ nét hơn về ảnh hƣởng và
hiệu ứng hình ảnh của ảnh RADAR. A’B’ chính là hình ảnh của AB trong
mặt phẳng SlantRange.

22


Hình 1.9: Ảnh hưởng hình học của ảnh RADAR (Elachi, 1989)

a.
X - band, HH polarization

look direction

b.
s

X - band, HH polarization

look direction

Hình 1.10: Ảnh RADAR ảnh hưởng bởi góc tới

23


Tín hiệu thu đƣợc của radar phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau,
nhƣng có thể nhóm chúng vào hai loại: các yếu tố thuộc hệ radar và các yếu
tố về địa hình (bảng 1.2).
Bảng 1.2: Các yếu tố ảnh hƣởng đến tín hiệu thu radar
Nhóm

Biến chính

Biến phụ

Bƣớc sóng
Phân cực của chùm
Các yếu tố hệ
thống

Các yếu tố địa
hình

Góc hạ
Hƣớng nhìn (góc
nhìn)

Hƣớng nhìn, hƣớng cấu trúc chung
của địa hình

Tầm xiên

Độ cao, góc hạ, và địa hình

Góc tới cục bộ

Địa hình, hƣớng nhìn, góc hạ, độ
cao bay

Độ ghồ ghề của bề
mặt

Đặc tính của vật chất, bƣớc sóng
của radar, góc hạ

Hằng số điện môi

Đá gốc, độ ẩm, thực vật

Hệ số tán xạ khối

Độ đồng nhất, biến thiên điện môi,
bƣớc sóng radar, phân cực của
chùm

1.3.3. Tính chất bức xạ của ảnh RADAR
Trƣớc hết ta thấy ảnh RADAR đầu tiên giống nhƣ một bức ảnh quang
học đen trắng bình thƣờng, tuy nhiên do khả năng phản hồi của vật thể đối với
sóng radar phụ thuộc vào hình thái bề mặt và tính chất điện của chúng nên giá
trị xám độ trên ảnh radar đƣơc quyết định chủ yếu bởi đặc điểm hình học và
hằng số điện môi của đối tƣợng. Ngoài ra do tính đơn sắc của bức xạ sử dụng
nên ảnh RADAR thƣờng có hiệu ứng lốm đốm hay còn gọi là hiệu ứng muối
tiêu mà thuật ngữ tiếng Anh gọi là speckle.
Ở mức xử lý thấp nhất ảnh radar thƣờng đƣợc gọi là ảnh Single Look
Complex (SLC), trên đó các pixel đƣợc biểu thị bằng các số phức, phần thực
chứa giá trị biên độ, phần ảo chứa giá trị pha của tín hiệu thu đƣợc. Do vẫn

24


giữ đƣợc giá trị pha của tín hiệu nên ảnh ở dạng này thƣờng đƣợc sử dụng cho
mục đích tạo ảnh giao thoa. Ở các mức xử lý cao hơn các pixel ảnh đƣợc đƣa
về dạng số thực chứa giá trị cƣờng độ của tín hiệu tức giá trị bình phƣơng của
biên độ tín hiệu.

Hình 1.11: Ví dụ về ảnh RADAR
1.3.4. Phân cực của ảnh RADAR
Radar là hệ thống chủ động nên khi phát và thu sóng điện từ ngƣời ta có
thể ứng dụng các kiểu phân cực khác nhau nhằm cải thiện thêm thông tin thu
nhận. Tùy thuộc vào phân cực của bức xạ phát và thu, ngƣời ta phân ra các

chế độ phân cực sau:
Phân cực giống nhau:
VV - phát phân cực đứng, thu phân cực đứng
HH - phát phân cực ngang, thu phân cực ngang
Phân cực chéo:
HV - phát phân cực ngang, thu phân cực đứng
VH - phát phân cực đứng, thu phân cực ngang

25