Khảo sát độ chính xác của phương pháp pháp StereoSAR và InSAR trong thành lập DEM tại tỉnh Hòa Bình

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (874.11 KB, 10 trang )

(1)<div class='page_container' data-page=1>

KHẢO SÁT ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA PHƯƠNG PHÁP PHÁP STEREOSAR

VÀ INSAR TRONG THÀNH LẬP DEM TẠI TỈNH HỊA BÌNH

Trần Thanh Hà, Trường Đại học Mỏ - Địa Chất

Tóm tắt

Mơ hình số độ cao DEM có thể được tạo ra bằng phương pháp giao thoa (InSAR) và
phương pháp Stereo SAR từ những vị trí khác nhau của ảnh Radar độ mở tổng hợp (Synthetic
Aperture Radar - SAR). Trong đó, kỹ thuật StereoSAR sử dụng cặp ảnh lập thể được chụp từ
hai góc chụp khác nhau để nghiên cứu các đối tượng trên bề mặt đất. Còn kỹ thuật InSAR sử
dụng các thơng tin về pha của hình ảnh để trích xuất các thơng tin về bề mặt địa hình như:
chiều cao địa hình, biến dạng địa hình. Trong bài báo này, tác giả sẽ khảo sát độ chính xác của
cả hai phương pháp Stereo SAR và InSAR cho việc tạo DEM tại tỉnh Hịa Bình và dữ liệu thử
nghiệm là ảnh TerraSAR –X và ALOS/ PALSAR

Từ khóa: InSAR, StereoSAR, DEM.

Abstract

Digital Elevation models can be constructed by applying InSAR technique or Stereo
SAR within Radar images recorded from different views. The technique of Stereo SAR uses a
pair of stereo images acquired from 2 different views for surveying land surface, while the
InSAR uses phase information to extract terrain related data such as: elevation, or terrain
distortion. In this paper, we applied these two methods to generate DEMs and compared the
accuracy of each method. The study area is located in Hoa Binh Province, and data
are TerraSAR –X and ALOS/ PALSAR images.

Keywords: InSAR, Stereo SAR, DEM.
1. Giới thiệu

Hiện nay có hai kỹ thuật chính để tạo DEM khi sử dụng dữ liệu SAR, đó là SAR lập
thể (Stereo SAR) và SAR giao thoa (InSAR). Radar độ mở tổng hợp trong giao thoa

(Interferometric Synthetic Aperture Radar viết tắt là InSAR) đã trải qua sự phát triển mạnh mẽ
kể từ lần đầu tiên được đề xuất bởi [7]. Trong vòng ba thập kỷ, InSAR đã đạt được sự quan
tâm ngày càng tăng của các nhà nghiên cứu ở nhiều lĩnh vực do lợi thế thu nhập dữ liệu nhanh,
chính xác và khơng phụ thuộc vào thời tiết [25]. Kết quả, là nó đã trở thành một kỹ thuật ứng
dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực [8], như: theo dõi biến dạng bề mặt [17,12,21]; Theo dõi
dịng chảy chảy đại dương và sơng băng [14,23]; Nghiên cứu thủy văn [13].

</div>
(2)<div class='page_container' data-page=2>

sử dụng nhiều nhất trong viễn thám [4], ví dụ như; Sử dụng cho mục đích thành lập bản đồ,
nghiên cứu địa mạo dựa trên bản đồ dốc và bản đồ cảnh quan như một lớp quan trọng trong hệ
thông tin địa lý (GIS) để kết hợp các dữ liệu theo với các thông tin khác theo yêu cầu của từng
loại bản đồ.

Kỹ thuật StereoSAR là một sự thay thế quan trọng cho việc tạo DEM [1]. Sự khác biệt
của hai kỹ thuật này là ở chỗ, nếu như InSAR dựa vào pha của tín hiệu để xác định độ cao
[10,18], Stereo SAR sử dụng ảnh biên độ (giá trị DN) từ cặp ảnh SAR để xác định độ cao.
Trong những năm 1960, phương pháp đo vẽ lập thể lần đầu tiên được ứng dụng cho ảnh radar
để tận dụng các ưu thế của ảnh radar với khả năng thu ảnh cả ban ngày cũng như ban đêm và
không phụ thuộc vào các điều kiện thời tiết. Theo đó, “StereoSAR” được định nghĩa như là
một công nghệ nhằm chiết tách các thơng tin hình học của bề mặt thực địa từ ảnh radar.
Phương pháp này cho phép quan sát và đo đạc trong không gian 3 chiều dựa trên nguyên lý
đồng thời quan sát hai tấm ảnh được chụp từ các góc chụp khác nhau của cùng một đối tượng
hay một bề mặt. Để khắc phục nhược điểm của InSAR cùng với việc phóng vệ tinh Radarsat
năm 1995 thì ảnh SAR lập thể đã được nghiên cứu nhiều hơn, cho nên các nhà khoa học đã
ứng dụng kỹ thuật SAR lập thể cho việc khai thác các thông tin địa hình cũng như thành lập
DEM [16]. Một trong những lợi thế của Stereo SAR là ít bị ảnh hưởng bởi khí quyển vì
phương pháp này sử dụng giá trị biên độ ( thị sai) để tính độ cao của đối tượng.

2. Cơ sở lý thuyết của phương pháp

2.1 Tạo DEM bằng phương pháp StereoSAR

Phương pháp SAR lập thể là một phương pháp cho phép quan sát và đo đạc
trong không gian 3 chiều dựa trên nguyên lý đồng thời quan sát hai tấm ảnh
được chụp từ các góc chụp khác nhau của cùng một đối tượng hay một bề mặt. Các nhà nghiên
cứu đã xác định một số cấu hình quan trắc lập thể đặc thù cho phép tạo ra các giá trị thị sai
giống như trong phương pháp đo ảnh quang học mà nhờ đó các giá trị độ cao có thể được đo
đạc trên các máy vẽ lập thể truyền thống. Hai cấu hình cặp ảnh lập thể radar phổ biến nhất là
cùng phía (same-side) và khác phía (opposite-side) được định nghĩa dựa trên vị trí tương đối
của radar so với khu vực đo vẽ trong trường hợp hai đường bay. Cấu hình cùng phía bao gồm
một cặp lập thể được tạo thành bởi hai ảnh tăng dần hoặc hai ảnh giảm dần. Trong khi cấu hình
khác phía cung cấp các góc thị sai, do đó mối quan hệ hình học tốt hơn dẫn đến thơng tin địa
hình chính xác hơn [22].

Trong hình 1, S1 và S2 là các vị trí di chuyển của các vệ tinh với khoảng cách nghiêng

</div>
(3)<div class='page_container' data-page=3>

cao của các đối tượng địa hình. Các tham cơ bản số trong phương pháp lập thể là thị sai và góc
hội tụ:

- Thị sai p của một điểm quan sát liên hệ trực tiếp và tỷ lệ với độ cao h của
điểm đó.

- Góc hội tụ ∆θv = θv1 − θv2 được xác định bởi góc giao hội của hai tia ngắm, góc hội
tụ sẽ tăng theo chiều dài đường đáy cơ sở Bs và có ảnh hưởng đến chất lượng cũng như độ
chính xác của việc khơi phục mơ hình. Để quan sát lập thể tối ưu góc Δθ càng lớn càng tốt
[22].

Hình 1. Nguyên lý lập thể của ảnh Radar [20].
Quy trình thành tạo DEM bằng phương pháp Stereo SAR

Hình 2 Quy trình thành lập DEM bằng phương pháp StereoSAR

2.2 Tạo DEM bằng phương pháp InSAR

Phương pháp đo ảnh giao thoa được biết đến như là một phương pháp để thành lập mơ hình

Ảnh chính Ảnh phụ

Đăng ký
Tạo giao thoa

Mở pha

Chuyển đổ độ cao pha
sang độ cao địa hình

</div>
(4)<div class='page_container' data-page=4>

số bề mặt và đo biến dạng địa hình với độ chính xác cao. Vì hệ thống SAR có thể tạo ra được sản
phẩm được gọi là ảnh “single look complex” trên đó lưu giữ những thông tin về pha và thông
tin cường độ của tín hiệu tán xạ ngược. Những thơng tin này có thể được khai thác sử dụng cho
thành lập mơ hình số địa hình hoặc tìm kiếm sự thay đổi hoặc biến dạng của địa hình. Để thu
nhận những thơng tin này dựa trên tính chất tương quan (coherence) của ảnh SAR bằng cách kết
hợp các ảnh phức (complex images) được thu nhận bởi hai anten tại hai vị trí khác nhau
(single-pass interferometry) hoặc của cùng một anten tại hai thời điểm khác nhau (repeat-pass
interferometry).

Để hiểu rõ hơn về nguyên lí thu nhận ảnh SAR, mơ hình hình học của kỹ thuật InSAR
được mơ tả ở hình 2.4. Hai ăngten S1 và S2 ở điều kiện lí tưởng song song với tuyến bay cách

nhau một khoảng là đường đáy B. khoảng cách nghiêng giao giữa ăngten s1 với một điểm
tưởng tượng trên mặt đất là r1 và r2 là khoảng cách nghiêng của ăngten s2 với mặt đất tại
điểm đó. Với góc nhìn là θ, góc tạo bởi đường đáy và đường nằm ngang α, và chiều cao bay
chụp H, mơ hình hình học của InSAR được cố định.

Hình 3 Nguyên lý hình học ảnh giao thoa

Việc kết hợp hai ảnh phức có cùng điều kiện hình học sẽ tạo nên một loại ảnh mới gọi
là ảnh giao thoa (interferogram), tuy nhiên điều kiện tiên quyết là phải có ảnh của hai thời kỳ
được chụp trong những điều kiện khí tượng gần như tương ứng với nhau. Ảnh này có các vân
giao thoa (hình 3) chứa đầy đủ thơng tin về cơ sở hình học tương đối. Hai ảnh này sẽ được
đưa vào xử lý để tạo giao thoa hay còn gọi là xác định sự lệch pha. Pha đo được của vân giao
thoa hay độ lệch pha của các tín hiệu thu bởi ăng ten tỷ lệ với độ chênh lệch về khoảng cách
giữa điểm địa vật tới các vị trí của ăng ten bằng biểu thức (4) như sau:

(1)
Trong đó: Φ Độ lệch pha đo được (radian);

λ Độ dài bước sóng (m);

</div>
(5)<div class='page_container' data-page=5>

ăng ten, độ chênh lệch về khoảng cách δr được [11] tính bằng phương trình (2) như sau:
(2) Với, h = H – r cos θ (3)

Trong đó: h Độ cao của điểm địa vật so với hệ tọa độ tham chiếu (m);
 H Độ cao của ăng ten chủ so với hệ tọa độ tham chiếu (m);
 r Khoảng cách nghiêng từ ăng ten đến điểm địa vật (m);
 θ Góc nhìn (radian).

Kết hợp các phương trình (1), (2) và (3), độ cao của điểm địa vật có
thể được tính dựa trên các tham số về quỹ đạo và độ lệnh pha. Tuy nhiên, do giá
trị của độ lệch pha chỉ đo được phần thập phân của chu kỳ 2π (-π < < π). Nên
giá trị tuyệt đối của độ lệch pha cần phải được thêm vào phần giá trị nguyên để
tính tốn.

Quy trình thành lập DEM bằng phương pháp giao thoa

Hình 4 Quy trình thành lập DEM bằng phương pháp InSAR
3 Kết quả thử nghiệm

3.1 Dữ liệu thử nghiệm

Khu vực thử nghiệm được thực hiện tại tỉnh Hòa Bình, Việt Nam. Dữ liệu sử dụng
trong khu thực nghiệm là ảnh ALOS kênh L và ảnh TerraSAR kênh X.

Ảnh chính Ảnh phụ

Đăng ký ảnh

Tạo giao thoa

Mở pha

Chọn điểm khống chế

</div>
(6)<div class='page_container' data-page=6>

Bảng 1 Các thông số của dữ liệu thực nghiệm

Sensor Ngày chụp Thời gian chụp Độ phân giải

(m)

ALOS 07/01/2016 54.0" 25

ALOS 22/02/2016 60.0" 25

TerraSAR 3/9/2016 6.44'' 25

TerraSAR 26/7/2016 6.34'' 25

Hình 5 Cặp ảnh vệ tinh TerraSAR-X

Hình 6 Cặp ảnh ALOS/PALSAR

Hình 7 Mơ hình số độ cao tạo

</div>
(7)<div class='page_container' data-page=7>

Hình 9 Sơ đồ điểm kiểm tra
trên DEM lập thể

STT Tọa độ độ cao (m)

Chênh cao

Điểm mặt đất Mơ hình số độ cao

1 148.54 150.10 1.56

2 286.00 288.90 2.90

3 155.05 157.11 2.06

4 246.72 248.67 1.95

5 305.56 307.24 1.68

6 234.67 236.03 1.36

7 156.78 159.36 2.58

8 105.34 108.24 2.90

9 231.32 233.51 2.19

10 152.23 153.69 1.46

11 123.71 125.82 2.11

12 142.41 143.93 1.52

13 104.62 106.48 1.86

14 98.34 99.63 1.29

15 109.31 111.47 2.16

Bảng 2 Tọa độ các điểm kiểm tra trên DEM
lập thể

Hình 10 Sơ đồ điểm kiểm tra trên
DEM tạo bằng InSAR

STT Tọa độ độ cao (m)

Chênh cao
Điểm mặt đất Mơ hình số độ cao

1 1247.39 1252.34 4.95

2 290.95 292.08 1.13

3 312.66 315.04 2.38

4 401.45 403.59 2.14

5 270.38 272.12 1.74

6 1045.09 1048.74 3.65

7 183.75 185.26 1.51

8 222.29 224.42 2.13

9 435.49 438.81 3.32

10 105.6 106.43 0.83

11 84.75 85.19 0.44

12 120.52 121.23 0.71

13 752.14 756.48 4.34

14 99.96 101.03 1.07

15 370.98 372.87 1.89

Bảng 3 Tọa độ các điểm kiểm tra trên DEM giao thoa

Nhận xét

</div>
(8)<div class='page_container' data-page=8>

ở những vùng núi cao ảnh có độ tương quan kém hơn nên các điểm kiểm tra tại những vùng
này có độ chênh cao lớn. Tuy nhiên ở vùng đồng bằng và trung du thì phương pháp InSAR
lại tỏ ra hiệu quả hơn và cho độ chính xác tốt hơn phương pháp Radargrammetry.

Kết Luận

Với những lý thuyết đã nêu ở trên và quá trình xây dựng DEM tác giả muốn khẳng
định rằng sử dụng ảnh Radar hồn tồn có thể xây dựng được DEM có độ chính xác cao.
Tuy nhiên tại những khu vực vùng núi, tác giả cũng khuyến cáo rằng nên sử dụng ảnh chụp
theo phương pháp Radargrammetry để xậy dựng DEM vì phương pháp này có độ chính xác
cao hơn. Cịn đối với khu vực trung du và miền núi, tác giả cũng khuyến cáo nên sử dụng
phương pháp InSAR để thành lập DEM vì phương pháp này cho độ chính xác rất cao nhất
là khu vực đồng bằng.

Tài liệu tham khảo

[1] Chen, P.H., and Dowman, I.J, A weighted least squares solution for space intersection
of spaceborne stereo SAR data. IEEE transactions on geoscience and remote sensing, 
39(2): 233-240, 2001.

[2] Crosetto, M, Calibration and validation of SAR interferometry for DEM generation.
ISPRS Journal of Photogrammetry & Remote Sensing, 57(3): 213- 227, 2002.

[3] Ferretti, A., Prati, C., and Rocca, F., Multibaseline InSAR DEM reconstruction: The
wavelet approach. IEEE Transactions on Geoscience & Remote Sensing, 37(2): 705-715, 
1999

[4] Gen, R, “Quality assessment of SAR interferometric data”, PhD. Dissertation: Hannover 
University, Germany, 141p, 1998.

[5] Goldstein, R. M. and Werner, C. L, “Radar interferogram filtering for geophysical
applications”, Geophysical Research Letters, 25(21): 4035-4038, 1998.

[6] Goldstein, R.M.and Zebker, H.A, “Satellite radar interferometry:two-dimensiona phase
unwrapping, Radio Science., 23:713, 1988.

[7] Gram, L. C, “Sythetic interferometer Radar for Topographic Mapping”, Proceedingsof
the IEEE, 62: 763-768, 1974.

</div>
(9)<div class='page_container' data-page=9>

[9] Kaupp, V. H., Bridges, L. C., Pisaruck, M. A., MacDonald, H. C., and Waite, W. P,
Simulation of spaceborne stereo radar imagery: Experimental result. IEEE transaction of 
geoscience and remote sensing, GE-21(3): 400-405, 1983.

[10] Kyaruzi, J. K, Quality assessment of DEM from radargrammetry data. International 
institute for geo-information science and Earth observation enschede, The Netherlands, 
master of science, 2005.

[11] Li, F. K. and Goldstein, R. M, "Studies of Multibaseline Spaceborne Interferometric
Synthetic Aperture Radar", IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, vol.
28, no. 1, pp. 88-97, 1990.

[12] Liu, G. X, “Mapping of Earth Deformations with Satellite SAR Interferometry: A Study of
Its Accuracy and Reliability Performances”, PhD dissertation: The Hong Kong Polytechnic
University, Hong Kong, China, 229p, 2003.

[13] Ludwing, R., Lampart, G. and Mauser, W, “The determination of hydrological model

parameters from airborne interferometric SAR-data”,Journal of Remote Sensing, 2609-2611,
1998.

[14] Mattar, K.E., Vachon, P.W., Geudtner D., Gray, A.L., Cumming, I.G. and Brubman, M,,
“Validation of Alpine glacier velocity measurements using ERS tadem-mission SAR
data”,IEEE Transaction on Geoscience and Remote Sensing,36 (3): 974-984, 1998.

[15] Mercer, J. B, SAR technologies for topographic mapping. Photogrammetric Week 
‘95’, 117-126, 1995.

[16] Paillou, P., and Gelautz, M, Relief reconstruction from SAR stereo pairs: the “Optimal
Gradient” matching method. IEEE transactions on Geoscience and Remote Sensing. 37(4): 
2099-2107, 1999.

[17] Rosen, PA., Hensley, S., Zebker, H.A., Webb, F.H.and Fielding, E. J, “Surface
deformation and coherence measurements of Kilauea Volcano, Hawai, from SIR-C radar
interferometry”, Journal of Geophysical Research, 101: 23109-23125,1996.

[18] Sansosti, E, A simple and exact solution for the interferometric and stereo SAR
geolocation problem. IEEE transactions on Geoscience and Remote Sensing, 42(8): 
1625-1634, 2004.

[19] Schanda, E, A radargrammetry experiment in a mountain region. International 
Journal of Remote Sensing, 6(7): 1113-1124, 1985.

</div>
(10)<div class='page_container' data-page=10>

[21] Tobita, M.,S. Fujiwara, Ozawa, S. and Rosen, P. A, “Deformation of the 1995 North
Sakhalin earthquake detected by JERS – 1/SAR interferometry”, Earth Planets Space, 50: 
313-335, 1998.

[22] Toutin, T., and Gray, L, State-of-the-art of elevation extraction from satellite SAR

data. ISPRS Journal of Photogrammetry & Remote Sensing, 55: 13-33, 2000.

[23] Wegmuller, U.and Werner, C, “Retrieval of vegetation parameters with SAR
interferometry”, IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 35: 18-24, 1997.
[24] Zebker, H. A., Rosen,P.A., Goldstein, R.M., Gabriel,A. and Werner, C.L, “On the
derivation of coseismic displacement fields using differential radar interferometry”: The
Landers earthquake, Journal of Geophysical Research, 99 (B10): 19617-19634, 1994a.

[25] Yang, Q.Y.and Wang, C, “Registration of InSAR complex images and interogram
enhancement”, Journal of Remote Sensing (in Chinese), 3 (2):122-131, 1999.

</div>