Sử dụng kết hợp giá trị cường độ và coherence của ảnh radar phân loại lớp phủ mặt đất khu vực thành phố hồ chí minh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
------------

VƯƠNG QUỐC VIỆT

SỬ DỤNG KẾT HỢP GIÁ TRỊ CƯỜNG ĐỘ VÀ COHERENCE
CỦA ẢNH RADAR PHÂN LOẠI LỚP PHỦ MẶT ĐẤT
KHU VỰC THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Chuyên ngành: BẢN ĐỒ, VIỄN THÁM VÀ HỆ THÔNG TIN ĐỊA LÝ
Mã số: 60440214

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 7 năm 2014


Cơng trình được hồn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Lê Văn Trung

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. Lâm Đạo Nguyên

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Trần Anh Tú

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP.HCM ngày
09 tháng 10 năm 2014.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. PGS. TS. Bùi Tá Long - Chủ tịch Hội đồng
2. TS. Vũ Xuân Cường - Thư ký Hội đồng

3. PGS. TS. Lê Văn Trung
4. TS. Lâm Đạo Nguyên
5. TS. Trần Anh Tú
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng khoa quản lý chuyên ngành
sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

Trưởng khoa Xây Dựng


i

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên:

Vương Quốc Việt ............................................. MSHV: 10100383

Ngày, tháng, năm sinh: 13-06-1986 .............................................. Nơi sinh: Tây Ninh
Chuyên ngành: Bản đồ, Viễn thám và Hệ thông tin địa lý ............. Mã số : 60440214
I. TÊN ĐỀ TÀI: Sử dụng kết hợp giá trị cường độ và coherence của ảnh radar
phân loại lớp phủ mặt đất khu vực Thành phố Hồ Chí Minh
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Thử nghiệm, kiểm tra, đánh giá kỹ thuật sử dụng kết hợp giá trị cường độ và giá trị
coherence của ảnh radar ENVISAT ASAR để phân loại lớp phủ mặt đất khu vực Thành

phố Hồ Chí Minh, bao gồm:
-

Khai thác giá trị cường độ của ảnh radar phân loại lớp phủ mặt đất.

-

Xây dựng quy trình tính giá trị coherence của ảnh radar.

-

Xây dựng quy trình và phân loại lớp phủ mặt đất sử dụng kết hợp giá trị cường
độ và giá trị coherence.

-

So sánh đánh giá hai kết quả phân loại.

III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : (Ghi theo trong QĐ giao đề tài) …………………….
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: (Ghi theo trong QĐ giao đề tài)……………
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên): PGS. TS Lê Văn Trung

Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 2014
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA….………

(Họ tên và chữ ký)


ii

LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian học tập và nghiên cứu, cuối cùng tơi cũng hồn thành đề tài
nghiên cứu “Sử dụng kết hợp giá trị cường độ và coherence của ảnh radar phân
loại lớp phủ mặt đất khu vực Thành phố Hồ Chí Minh”. Tơi xin chân thành cảm
ơn những cá nhân, tổ chức đã giúp đỡ, động viên tơi trong suốt q trình tơi thực
hiện đề tài luận văn này.
Trước tiên tôi xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy, phó giáo sư tiến sĩ Lê Văn
Trung, người đã hướng dẫn, định hướng nghiên cứu trong suốt thời gian tôi thực
hiện luận văn này.
Xin gởi lời cảm ơn đến quý Thầy Cô Trường đại học Bách Khoa TPHCM,
những người đã truyền đạt kiến thức và kinh nghiệm quý báu cho tôi trong thời gian
học cao học vừa qua.
Xin cảm ơn những thành viên thân yêu trong gia đình đã hết lịng quan tâm và
tạo điều kiện tốt nhất để tơi hồn thành luận văn này.
Xin cảm ơn các anh chị, bạn bè đồng nghiệp đang làm việc ở Trung tâm Địa
Tin học – đại học Quốc gia TPHCM đã giúp đỡ, tạo điều kiện để tơi hồn thành
luận văn.
Và cuối cùng, tôi xin cảm ơn những người bạn, những người đã yêu mến và
chia sẽ với tôi trong lúc tôi thực hiện luận văn này.


iii

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Phân loại lớp phủ mặt đất là một trong những ứng dụng quan trọng của viễn thám.

Tuy nhiên, đối với những khu vực nhiệt đới nóng ẩm, thường xuyên có mây che
phủ như Việt Nam, việc ứng dụng viễn thám quang học sẽ bị hạn chế. Do đó, viễn
thám radar được sử dụng như là một giải pháp để khắc phục những hạn chế này.
Viễn thám radar có khả năng thu nhận hình ảnh trong mọi điều kiện thời tiết và cả
ngày lẫn đêm. Hiện tại, việc ứng dụng ảnh vệ tinh radar để phân loại lớp phủ mặt
đất chủ yếu dựa trên việc khai thác giá trị cường độ của ảnh. Nhưng đối với những
khu vực đơ thị có cảnh quang phức tạp như Thành phố Hồ Chí Minh, nếu chỉ dựa
trên giá trị cường độ của ảnh radar để phân loại thì kết quả phân loại đạt độ chính
xác khơng cao. Vì vậy mục tiêu của nghiên cứu này là thử nghiệm, kiểm tra, đánh
giá kỹ thuật sử dụng kết hợp giá trị cường độ và giá trị coherence của ảnh radar
ENVISAT ASAR để phân loại lớp phủ mặt đất khu vực Thành phố Hồ Chí Minh.
Trong nghiên cứu này, kỹ thuật phân loại lớp phủ mặt đất dựa trên việc khai thác
giá trị cường độ, quy trình tính tốn giá trị coherence, kỹ thuật phân loại dựa trên
việc sử dụng kết hợp giá trị cường độ và giá trị coherence của ảnh radar cũng như
việc so sánh hai kết quả phân loại sẽ được trình bày. Kết quả nghiên cứu cho thấy,
các đối tượng đất trống, thực vật hàng năm, thực vật lâu năm bị phân loại nhầm
nghiêm trọng khi sử dụng kỹ thuật phân loại dựa trên việc khai thác giá trị cường
độ của ảnh, độ chính xác tồn cục và chỉ số Kappa tương ứng là 69.56% và 0.62.
Trong khi đó, kỹ thuật phân loại dựa trên việc sử dụng kết hợp giá trị cường độ và
giá trị coherence đạt độ chính xác toàn cục và chỉ số Kappa tương ứng là 83.38% và
0.79, đối tượng đất trống được phân loại tách biệt, kết quả phân loại nhầm giữa thực
vật hàng năm và thực vật lâu năm được cải thiện đáng kể. Vì vậy có thể kết luận
rằng, kỹ thuật sử dụng kết hợp giá trị cường độ và giá trị coherence của ảnh radar để
phân loại lớp phủ mặt đất là một kỹ thuật mới, kết quả phân loại đạt độ chính xác
cao kể cả đối với những khu vực có cảnh quan phức tạp.


iv

ABSTRACT

Land cover classification is one of the most important applications of remote
sensing. However, for the hot and humid tropical regions, there is often cloud cover
as Vietnam, the optical remote sensing applications are limited. Therefore, radar
remote sensing is used as a solution to overcome these limitations. Remote sensing
radar is capable of image acquisition in all weather conditions, day and night.
Currently, the application of satellite radar images to classify land cover is mainly
based on the exploitation of image intensity values. But for the urban areas have
complex landscape as Ho Chi Minh City, if only based on intensity values of radar
images for the classification, the classification results achieved non-high precision.
So the principle objective of this research is to investigate test, control, evaluate
technique using a combination of intensity value and coherence value of ENVISAT
ASAR radar images to classify land cover of Ho Chi Minh City area. In this study,
classification technique based on the exploitation of intensity values, coherence
value calculation process, classification technique based on the combined use of
intensity value and coherence value of radar images as well as the comparison of
two classification results will be presented. The study results showed that bare soil,
annual and perennial vegetation objects misclassified seriously when using
classification technique based on the exploitation of image intensity value, the
overall classification accuracy and Kappa coefficient are 69.56% and 0.62
respectively. Meanwhile, classification technique based on the combined use of
intensity value and coherence value achieved the overall classification accuracy and
Kappa coefficient is 83.38% and 0.79 respectively, bare soil object are classified
separately, resulting in misclassification between annual vegetation and perennial
vegetation are significantly improved. So it can be concluded that, classification
technique based on the combined use of intensity value and coherence value of
radar image to classify land cover is a new technique, classification results achieved
high accuracy even for areas with complex landscape.

v

MỤC LỤC

Đề mục

Trang

Nhiệm vụ luận văn thạc sĩ .......................................................................................i
Lời cảm ơn ............................................................................................................ ii
Tóm tắt luận văn................................................................................................... iii
Abstract .................................................................................................................iv
Mục lục ................................................................................................................... v
Danh sách hình ảnh ...............................................................................................ix
Danh sách bảng biểu .............................................................................................xi
Danh mục các từ viết tắt ...................................................................................... xii
CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU ........................................................................................ 1
1.1 Sự cần thiết của đề tài ..................................................................................... 1
1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước ......................... 2
1.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới ....................................................... 2
1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước ......................................................... 3
1.3 Mục tiêu của luận văn ..................................................................................... 5
1.4 Giới hạn của luận văn...................................................................................... 5
1.5 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận văn ...................................... 5
1.5.1 Ý nghĩa khoa học của luận văn ............................................................. 5
1.5.2 Ý nghĩa thực tiễn của luận văn .............................................................. 6
1.6 Cấu trúc của luận văn ..................................................................................... 6
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ VIỄN THÁM RADAR, KHU VỰC
NGHIÊN CỨU VÀ DỮ LIỆU ẢNH ENVISAT ASAR ....................................... 8
2.1 Giới thiệu tổng quan về viễn thám Radar ...................................................... 8

2.2 Nguyên lý ...................................................................................................... 10
2.3 Một số đặc điểm của viễn thám Radar .......................................................... 14
2.3.1 Độ phân giải không gian của ảnh Radar ............................................. 14


vi

2.3.1.1 Độ phân giải theo tầm ............................................................ 14
2.3.1.2 Độ phân giải phương vị .......................................................... 16
2.3.2 Đặc điểm hình học của ảnh Radar ...................................................... 17
2.3.2.1 Biến dạng tỷ lệ tầm xiên ....................................................... 18
2.3.2.2 Biến dạng do địa hình ............................................................ 18
2.3.3 Đặc điểm tương tác của sóng Radar và bề mặt vật thể ...................... 20
2.3.4 Đặc điểm của ảnh Radar .................................................................... 21
2.4 Tổng quan về khu vực nghiên cứu ................................................................ 22
2.4.1 Vị trí địa lý .......................................................................................... 22
2.4.2 Địa hình ............................................................................................... 23
2.4.3 Thủy văn.............................................................................................. 23
2.4.4 Khí hậu, thời tiết.................................................................................. 24
2.4.5 Kinh tế, xã hội ..................................................................................... 25
2.5 Nguồn dữ liệu nghiên cứu ............................................................................. 26
CHƯƠNG 3: KỸ THUẬT PHÂN LOẠI SỬ DỤNG GIÁ TRỊ CƯỜNG ĐỘ
CỦA ẢNH RADAR ............................................................................................ 28
3.1 Tạo ảnh đa góc nhìn ...................................................................................... 29
3.2 Đăng ký ảnh ................................................................................................. 29
3.2.1 Đăng ký dựa trên bộ điểm khống chế ................................................. 29
3.2.2 Đăng ký dựa trên sự phù hợp tương quan ........................................... 30
3.3 Lọc ảnh .......................................................................................................... 30
3.4 Địa tham chiếu ............................................................................................. 32
3.5 Hiệu chỉnh tán xạ .......................................................................................... 32

3.6 Phân loại lớp phủ mặt đất .............................................................................. 33
CHƯƠNG 4: KỸ THUẬT PHÂN LOẠI SỬ DỤNG KẾT HỢP GIÁ TRỊ
CƯỜNG ĐỘ VÀ GIÁ TRỊ COHERENCE CỦA ẢNH RADAR ....................... 37
4.1 Kỹ thuật InSAR ............................................................................................. 38
4.1.1 Một số khái niệm của kỹ thuật InSAR ................................................ 38
4.1.1.1 Hình học thu nhận ảnh SAR .................................................. 38
4.1.1.2 Đường đáy giữa hai ảnh SAR ................................................ 38


vii

4.1.1.3 Pha của ảnh SAR .................................................................... 40
4.1.1.4 Điều kiện giao thoa ................................................................ 41
4.1.1.5 Ảnh giao thoa và giá trị coherence......................................... 41
4.1.2 Mơ hình tốn kỹ thuật InSAR ............................................................. 42
4.1.2.1 Mơ hình sóng điện từ ............................................................. 42
4.1.2.2 Mơ hình SAR giao thoa - InSAR ........................................... 44
4.2 Quy trình tạo ảnh coherence từ hai ảnh radar ............................................... 48
4.2.1 Đánh giá đường đáy ............................................................................ 49
4.2.2 Đăng ký ảnh ........................................................................................ 50
4.2.3 Tạo ảnh giao thoa ................................................................................ 50
4.2.4 Làm phẳng ảnh giao thoa .................................................................... 50
4.2.5 Lọc nhiễu ảnh ...................................................................................... 51
4.2.6 Tạo ảnh coherence............................................................................... 51
4.3 Kỹ thuật kết hợp giá trị cường độ và giá trị coherence của ảnh radar để phân
loại lớp phủ mặt đất .............................................................................................. 52
4.3.1 Xử lý giao thoa và tạo ảnh coherence của cặp ảnh SAR .................... 54
4.3.2 Xử lý ảnh trung bình tán xạ ngược và ảnh hiệu số tán xạ ngược........ 54
4.3.3 Tổ hợp màu, chiết tách thông tin và phân loại lớp phủ mặt đất .......... 54
4.3.3.1 Tổ hợp màu ............................................................................ 54

4.3.3.2 Chiết tách thông tin ................................................................ 55
4.3.3.3 Phân loại lớp phủ mặt đất....................................................... 55
CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ PHÂN LOẠI .............................................................. 56
5.1 Kết quả phân loại sử dụng giá trị cường độ của ảnh ENVISAT ASAR ....... 56
5.1.1 Tạo ảnh đa góc nhìn ............................................................................ 56
5.1.2 Đăng ký ảnh ........................................................................................ 57
5.1.3 Lọc ảnh ................................................................................................ 58
5.1.4 Địa tham chiếu ảnh ASAR .................................................................. 58
5.1.5 Hiệu chuẩn tán xạ ................................................................................ 60
5.1.6 Phân loại lớp phủ mặt đất .................................................................... 60
5.1.6.1 Ảnh tổ hợp màu giả của khu vực nghiên cứu ........................ 60


viii

5.1.6.2 Chiết tách đặc trưng tán xạ ngược các đối tượng lớp phủ ..... 61
5.1.6.3 Kết quả phân loại lớp phủ mặt đất ......................................... 63
5.2 Kết quả phân loại sử dụng kết hợp giá trị cường độ và giá trị coherence của
ảnh ENVISAT ASAR .......................................................................................... 64
5.2.1 Xử lý giao thoa .................................................................................... 64
5.2.2 Tạo ảnh coherence............................................................................... 70
5.2.3 Ảnh tổ hợp màu giả ............................................................................. 73
5.2.4 Chiết tách đặc trưng của các đối tượng lớp phủ mặt đất ..................... 73
5.2.5 Kết quả phân loại lớp phủ mặt đất ...................................................... 76
5.3 So sánh kết quả phân loại .............................................................................. 77
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN .................................................................................. 79
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 82


ix

DANH SÁCH HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Ảnh ERS-2 tổ hợp màu .......................................................................... 3
Hình 1.2 Biến đổi theo thời gian của hệ số tán xạ ngược σo của dữ liệu ảnh
trong các vùng lúa ba vụ ........................................................................................ 4
Hình 2.1 Hệ thống viễn thám radar và khả năng xuyên thấu qua mây, mưa ........ 9
Hình 2.2 Ngun lí viễn thám radar .................................................................... 10
Hình 2.3 Các yếu tố của thu nhận ảnh radar ....................................................... 12
Hình 2.4 Nguyên lý hoạt động của SAR ............................................................. 14
Hình 2.5 Độ phân giải ngang tuyến .................................................................... 15
Hình 2.6 Bề rộng của dãy quét trên mặt đất ........................................................ 16
Hình 2.7 Biến dạng tỷ lệ tầm xiên ....................................................................... 18
Hình 2.8 Ảnh radar trước và sau khi hiệu chỉnh biến dạng tầm xiên ................. 18
Hình 2.9 Hiện tượng foreshortening trên ảnh radar ............................................ 19
Hình 2.10 Hiện tượng layover trên ảnh radar ..................................................... 20
Hình 2.11 Bóng râm của vùng đồi núi ................................................................ 20
Hình 2.12 Sự khác biệt giữa ảnh quang học và ảnh radar................................... 21
Hình 2.13 Ảnh radar trước và sau khi lọc nhiễu ................................................. 22
Hình 2.14 Vị trí thành phố Hồ Chí Minh ............................................................ 23
Hình 2.15 Vệ tinh ENVISAT .............................................................................. 26
Hình 3.1 Quy trình phân loại lớp phủ mặt đất sử dụng giá trị cường độ đa thời
gian của ảnh vệ tinh radar .................................................................................... 28
Hình 3.2 Hiện tượng “muối và tiêu” trên ảnh radar ............................................ 31
Hình 3.3 Vùng mẫu tương ứng trên ảnh Envisat ASAR và ảnh Google Earth ... 36
Hình 4.1 Sự khác nhau giữa ảnh radar SAR và ảnh quang học trong hình học
thu ảnh .................................................................................................................. 38
Hình 4.2 Mơ tả đường đáy .................................................................................. 39
Hình 4.3 Các thành phần của đường đáy ............................................................ 39
Hình 4.4 Độ lệch pha trên ảnh SAR .................................................................... 40
Hình 4.5 Ảnh giao thoa radar .............................................................................. 41

Hình 4.6 Ảnh coherence trong SAR giao thoa.................................................... 42


x

Hình 4.7 Mơ tả sóng điện từ và sự phân cực....................................................... 43
Hình 4.8 Sự thay đổi của điện trường theo thời gian .......................................... 43
Hình 4.9 Mơ hình hình học cho một hệ thống SAR giao thoa ............................ 45
Hình 4.10 Chênh lệch khi thu ảnh ....................................................................... 47
Hình 4.11 Quy trình xử lý tạo ảnh coherence ..................................................... 49
Hình 4.12 Ảnh giao thoa trước và sau khi làm phẳng ........................................ 50
Hình 4.13 Ảnh giao thoa sau khi làm phẳng pha và lọc nhiễu ........................... 51
Hình 4.14 Quy trình kết hợp giá trị cường độ và giá trị coherence phân loại
lớp phủ mặt đất ..................................................................................................... 53
Hình 5.1 Ảnh ASAR 2 dạng đơn góc nhìn và đa góc nhìn ................................. 56
Hình 5.2 Kết qua đăng ký ảnh ............................................................................. 57
Hình 5.3 Ảnh ASAR 1 trước và sau khi lọc multi-channel ................................ 58
Hình 5.4 Ảnh ASAR 1 trước khi địa tham chiếu ................................................ 59
Hình 5.5 Ảnh ASAR 1 sau khi địa tham chiếu ................................................... 59
Hình 5.6 Hiệu chuẩn tán xạ của ảnh ASAR 2 ..................................................... 60
Hình 5.7 Ảnh ASAR 2 khu vực nghiên cứu ....................................................... 61
Hình 5.8 Đặc trưng tán xạ của các loại lớp phủ mặt đất ..................................... 62
Hình 5.9 Kết quả phân loại lớp phủ mặt đất dựa trên giá trị cường độ đa thời
gian của ảnh ENVISAT ASAR ............................................................................ 63
Hình 5.10 Ảnh giao thoa trước khi làm phẳng .................................................... 65
Hình 5.11 Chồng lớp ảnh giao thoa trước khi làm phẳng với ảnh cường độ ...... 66
Hình 5.12 Ảnh giao thoa sau khi làm phẳng ....................................................... 67
Hình 5.13 Chồng lớp ảnh giao thoa sau khi làm phẳng với ảnh cường độ ......... 68
Hình 5.14 Ảnh giao thoa sau khi làm phẳng và lọc nhiễu .................................. 69
Hình 5.15 Chồng lớp ảnh giao thoa với ảnh cường độ ...................................... .70

Hình 5.16 Ảnh thể hiện giá trị coherence trước khi địa tham chiếu ................... 71
Hình 5.17 Ảnh thể hiện giá trị coherence sau khi địa tham chiếu ...................... 72
Hình 5.18 Ảnh tổ hợp màu giả ............................................................................ 74
Hình 5.19 Đặc trưng tán xạ và giá trị coherence của các loại lớp phủ ............... 75
Hình 5.20 Kết quả phân loại lớp phủ mặt đất sử dụng kết hợp giá trị cường độ


xi

và giá trị coherence của ảnh ENVISAT ASAR ................................................... 76
DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 3.1 Mối liên hệ giữa số lượng điểm khống chế, bậc của đa thức và
phương trình nắn chỉnh ........................................................................................ 30
Bảng 5.1 Ma trận sai số phân loại ....................................................................... 64
Bảng 5.2 Sai số thực hiện và sai số bỏ sót .......................................................... 64
Bảng 5.3 Ma trận sai số phân loại ....................................................................... 77
Bảng 5.4 Sai số thực hiện và sai số bỏ sót .......................................................... 77


xii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
ASAR

Radar khẩu độ tổng hợp cải tiến (Advanced Synthetic Aperture Radar)

ASAR 1

Ảnh vệ tinh radar ENVISAT ASAR thu nhận ngày 11-08-2009

ASAR 2

Ảnh vệ tinh radar ENVISAT ASAR thu nhận ngày 15-09-2009

DEM

Mơ hình độ cao số (Digital Elevation Model)

ENVISAT

Vệ tinh môi trường (Environmental Satellite)

ERS

Vệ tinh viễn thám Châu Âu (European Remote-Sensing Satellite)

ESA

Cơ quan không gian Châu Âu (European Space Agency)

InSAR

Kỹ thuật SAR giao thoa (Interferometry Synthetic Aperture Radar)

Radar

Kỹ thuật dị tìm và định vị bằng sóng vô tuyến (Radio Detection and
Ranging)

RAR

Radar khẩu độ thực (Real Aperture Radar)

SAR

Radar khẩu độ tổng hợp (Synthetic Aperture Radar)

SLAR

Radar hàng không quan sát một bên (Side Looking Airborne Radar)

SLC

Ảnh radar dạng phức đơn góc nhìn (Single Look Complex)

TP. HCM

Thành phố Hồ Chí Minh


1

CHƯƠNG 1:
MỞ ĐẦU
1.1 Sự cần thiết của đề tài
Viễn thám ngày càng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: nông lâm nghiệp (thành lập các bản đồ thực phủ, giám sát sâu bệnh, dự báo cháy rừng,
giám sát sự phục hồi sau khi xảy ra cháy rừng ...) , ngư nghiệp (thành lập bản đồ
nuôi trồng thủy sản, ứng dụng viễn thám phục vụ đánh bắt xa bờ...), quản lý đô thị
(giám sát biến động đất đô thị, đánh giá mức độ bê tơng hóa bề mặt...)... Trong đó,
đặc biệt phải kể đến là việc ứng dụng viễn thám trong giám sát biến đổi khí hậu và

ứng phó với các thảm họa thiên nhiên (xây dựng các bản đồ ngập lụt, vùng ngập
úng, ngập mặn do nước biển dâng cao, ứng dụng viễn thám trong hệ thống cảnh báo
sống thần, dự báo thời tiết...). Đối với các ứng dụng này chúng ta có thể sử dụng
ảnh viễn thám quang học để thực hiện, tuy nhiên dữ liệu ảnh vệ tinh thu nhận theo
nguyên tắc quang học có nhược điểm là chịu sự ảnh hưởng mạnh mẽ của điều kiện
khí quyển, thời tiết, và chỉ có thể thu nhận hình ảnh khi có sự chiếu sáng của mặt
trời. Đặc biệt, Việt Nam là một nước nhiệt đới nóng ẩm, thường xuyên có mây che
phủ nên việc ứng dụng viễn thám quang học sẽ bị hạn chế. Vì thế, để khắc phục
những hạn chế này, viễn thám radar là một giải pháp. Viễn thám radar có khả năng
thu nhận ảnh trong mọi điều kiện thời tiết, có thể thu nhận thông tin cả ban ngày lẫn
ban đêm, không phụ thuộc vào điều kiện chiếu sáng của mặt trời... Ảnh vệ tinh
radar chứa đựng hai thành phần, đó là thành phần pha và thành phần cường độ.
Trong đó, giá trị pha có thể được sử dụng để thành lập mơ hình độ cao số, đánh giá
hiện trạng trượt lở, quan trắc biến dạng bề mặt đất…, giá trị cường độ có thể được
sử dụng để phân loại, giám sát, đánh giá biến động lớp phủ mặt đất như biến động
thực phủ, không gian đô thị…. Tuy nhiên, do mỗi vệ tinh viễn thám radar chỉ thu
nhận hình ảnh trên một bước sóng duy nhất nên việc chỉ sử dụng duy nhất giá trị
cường độ của ảnh để ứng dụng vào việc phân loại, giám sát, đánh giá biến động lớp
phủ mặt đất sẽ cho kết quả với độ chính xác khơng cao, đặc biệt đối những khu vực
có cảnh quan biến đổi phức tạp như các khu vực đô thị [1]. Đây là một trong những
yếu tố chủ yếu làm hạn chế việc ứng dụng ảnh viễn thám radar trong các hoạt động
Chương 1


2

phân loại, giám sát, đánh giá biến động lớp phủ mặt đất hiện nay. Vì vậy, để khắc
phục nhược điểm này, việc kết hợp giữa giá trị cường độ và giá trị coherence (được
tính tốn dựa trên giá trị pha) của ảnh radar là một giải pháp. Do đó, nếu kết quả
phân loại dựa trên việc kết hợp giữa giá trị cường độ và coherence của ảnh radar là

tốt thì nó sẽ là một minh chứng cho khả năng kết hợp hiệu quả giữa giá trị cường độ
và giá trị coherence của ảnh radar trong việc phân loại lớp phủ mặt đất. Từ đó góp
phần thúc đẩy việc ứng dụng viễn thám radar trong phân loại, giám sát, đánh giá
biến động lớp phủ mặt đất. Kết quả phân loại lớp phủ mặt đất thu được từ đề tài có
thể được sử dụng cho nhiều mục đích khác như quy hoạch, giám sát, đánh giá biến
động không gian đô thị, xu hướng phát triển đô thị, đánh giá biến động thực phủ,
phân tích ảnh hưởng của q trình đơ thị hóa đến hiện tượng sụt lún bề mặt đất của
khu vực….
1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước
1.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới:
Thơng tin về lớp phủ mặt đất là một trong những thông tin quan trọng trong công
tác quản lý và qui hoạch, vì vậy nhiều nghiên cứu ứng dụng viễn thám để phân loại
lớp phủ mặt đất đã được thực hiện trong đó có viễn thám radar. Phần lớn các nghiên
cứu trước đây sử dụng giá trị tán xạ ngược (được tính từ giá trị cường độ) đa thời
gian, đa phân cực của ảnh vệ tinh radar SAR để phân loại như Ban và Howarth đã
sử dụng ảnh SAR để phân loại cây trồng [2], Skriver và nhóm nghiên cứu đã sử
dụng ảnh SAR đa phân cực, đa thời gian để thành lập bản đồ lớp phủ mặt đất [3],
hay Minchella và nhóm nghiên cứu đã sử dụng ảnh SAR đa thời gian để giám sát sự
phục hồi thảm thực vật của khu vực rừng bị cháy ở Mediterranean - Ý [4]…
Một số hướng nghiên cứu như kết hợp nhiều loại ảnh SAR với nhau hay kết hợp
giữa ảnh SAR với ảnh quang học nhằm tăng cường độ chính xác của kết quả phân
loại lớp phủ mặt đất cũng đã được hình thành, chẳng hạn như: Shupe và Marsh đã
sử dụng kết hợp giữa ảnh SAR ERS-1 và ảnh vệ tinh quang học Landsat để phân
loại thực phủ ở khu vực sa mạc rộng lớn Sonaran nằm giữa Mỹ và Mexico [5], Park
đã kết hợp ảnh SAR của 3 vệ tinh ERS-2, JERS-1, RADASAT-1 để phân loại lớp
phủ mặt đất ở khu vực Nonsan của Hàn Quốc [6]…
Chương 1


3

Hiện nay, một hướng nghiên cứu mới nhằm tăng cường độ chính xác của kết quả
phân loại lớp phủ mặt đất đó là kết hợp giữa giá trị cường độ và giá trị coherence
của ảnh vệ tinh radar SAR đang được hình thành. Hiện tại, chỉ mới có một vài
nghiên cứu ứng dụng giá trị cường độ và giá trị Coherence của ảnh SAR để phân
loại lớp phủ mặt đất như: Srivastava đã sử dụng kết hợp giá trị pha và giá trị cường
độ của ảnh SAR giúp tăng độ nhạy đối với các ứng dụng trong lâm nghiệp [7] hay
Vyjayanthi và nhóm nghiên cứu đã sử dụng kết hợp giá trị pha và giá trị cường độ
của ảnh SAR để phân loại lớp phủ mặt đất ở khu vực rừng Chattisgard, miền trung
Ấn Độ [8]…Dựa trên kết quả của một số nghiên cứu đã thực hiện, bước đầu cho
thấy rằng đây là một kỹ thuật phân loại lớp phủ mặt đất đạt độ chính xác cao. Tuy
nhiên, đây là một kỹ thuật mới, việc ứng dụng kỹ thuật này để phân loại chưa nhiều.
Do đó cần ứng dụng kỹ thuật này để phân loại lớp phủ mặt đất nhiều hơn, từ đó mới
có thể đưa ra kết luận chính xác, cụ thể hơn về kỹ thuật này.
1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước:
Hiện tại ở nước ta, việc ứng dụng viễn thám để phân loại lớp phủ mặt đất chủ yếu là
sử dụng các ảnh vệ tinh quang học như Landsat, Quickbird, Spot..., chưa có nhiều
đề tài nghiên cứu ứng dụng ảnh vệ tinh radar để phân loại lớp phủ mặt đất. Một
trong những người đi tiên phong trong việc nghiên cứu ứng dụng giá trị cường độ
ảnh vệ tinh radar đầu tiên ở Việt Nam, đó là Tiến sĩ Lâm Đạo Nguyên – hiện là
Giám đốc Trung tâm Ứng dụng Công nghệ Vũ trụ miền Nam Việt Nam - với đề tài
nghiên cứu ứng dụng ảnh vệ tinh radar ERS-2 đa thời gian để giám sát sự tăng
trưởng của cây lúa [9][10]. Trong đề tài này, các ảnh vệ tinh radar ERS được thu
nhận ở các thời điểm khác nhau được sử dụng để tổ hợp màu (hình 1.1) và phân tích
sự biến đổi hệ số tán xạ ngược σo của các vùng lúa theo thời gian (hình 1.2).

Chương 1


4

Hình 1.1 Ảnh ERS-2 tổ hợp màu (RGB: 21/12/97, 25/01/98, 01/03/98)

Hình 1.2 Biến đổi theo thời gian của hệ số tán xạ ngược σo của dữ liệu ảnh
trong các vùng lúa ba vụ
Chương 1


5

Có thể nói rằng, việc nghiên cứu ứng dụng viễn thám radar chỉ mới xuất hiện ở
nước ta gần đây và chưa có nhiều đề tài nghiên cứu. Kết hợp giá trị cường độ và giá
trị coherence của ảnh radar trong phân loại lớp phủ mặt đất để tăng cường độ chính
xác của kết quả phân loại lớp phủ mặt đất là một hướng nghiên cứu mới của thế
giới, hiện tại ở nước ta chưa có đề tài nghiên cứu nào đi theo hướng này.
1.3 Mục tiêu của luận văn
Mục tiêu chung: nghiên cứu thử nghiệm, kiểm tra và đánh giá kỹ thuật kết hợp giá
trị cường độ và giá trị coherence của ảnh radar ENVISAT ASAR để phân loại lớp
phủ mặt đất cho khu vực Thành phố Hồ Chí Minh.
Mục tiêu cụ thể:
- Khai thác giá trị cường độ của ảnh radar để phân loại lớp phủ mặt đất.
- Xây dựng quy trình tính tốn giá trị coherence của ảnh radar.
- Xây dựng quy trình và phân loại lớp phủ mặt đất sử dụng kết hợp giá trị
cường độ và giá trị coherence của ảnh radar.
- So sánh, đánh giá hai kết quả phân loại.
1.4 Giới hạn của luận văn
Do thời gian thực hiện luận văn có giới hạn nên chỉ tập trung tìm hiểu cơ sở lý
thuyết, tính tốn coherence của ảnh radar thơng qua một phương pháp tính, việc so
sánh, đánh giá các phương pháp tính giá trị coherence khác nhau không được đề cập
trong phạm vi luận văn này.

Trong luận văn này, các đối tượng lớp phủ mặt đất được phân làm 5 loại là: cơng
trình nhân tạo, mặt nước, thực vật lâu năm, thực vật hàng năm và đất trống.
1.5 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận văn
1.5.1 Ý nghĩa khoa học của luận văn
Việc nghiên cứu sử dụng giá trị cường độ của ảnh radar để phân loại lớp phủ mặt
đất đã được thực hiện rất nhiều, tuy nhiên do một số hạn chế của ảnh radar, độ
chính xác của kết quả phân loại chỉ dựa vào giá trị cường độ là chưa cao đối với
những khu vực phức tạp. Trong phạm vi luận văn này, để nâng cao độ chính xác

Chương 1


6

phân loại, phương pháp phân loại kết hợp giữa giá trị cường độ và giá trị coherence
của ảnh radar được sử dụng. Do đó, đề tài hồn thành sẽ có những đóng góp sau:
- Xây dựng được quy trình tính giá trị coherence của ảnh radar.
- Xây dựng được quy trình kết hợp giữa giá trị cường độ và giá trị coherence
của ảnh radar trong việc phân loại lớp phủ mặt đất.
- Minh chứng cho khả năng kết hợp giữa giá trị cường độ và giá trị coherence
của ảnh radar trong việc phân loại lớp phủ mặt đất, đồng thời cho thấy kết
quả phân loại dựa trên việc kết hợp giữa giá trị cường độ và giá trị coherence
có thể đạt độ chính xác cao ngay cả những khu vực có cảnh quan tương đối
phức tạp.
1.5.2 Ý nghĩa thực tiễn của luận văn
Phân loại lớp phủ mặt đất là một trong những ứng dụng quan trọng của viễn thám.
Ảnh vệ tinh radar có ưu điểm nổi bật đó là có thể thu nhận cả ngày lẫn đêm và trong
mọi điều kiện thời tiết. Tuy nhiên, việc nghiên cứu ứng dụng ảnh radar trong phân
loại lớp phủ mặt đất còn hạn chế do độ chính xác phân loại chưa cao, đặc biệt đối
với những khu vực có cảnh quan phức tạp. Vì vậy nếu kết quả phân loại đạt độ

chính xác cao, nó sẽ góp phần thúc đẩy việc ứng dụng ảnh vệ tinh radar trong
nghiên cứu phân loại lớp phủ mặt đất.
Thông qua luận văn này, kết quả phân loại lớp phủ mặt đất có thể được sử dụng
trong quy hoạch, đánh giá biến động không gian đô thị, xu hướng phát triển đô thị,
đánh giá biến động thực phủ, phân tích ảnh hưởng của q trình đơ thị hóa đến hiện
tượng sụt lún bề mặt đất của khu vực …
1.6 Cấu trúc của luận văn
Luận văn gồm sáu chương. Chương một trình bày sự cần thiết của đề tài, tổng quan
tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước, mục tiêu, giới hạn và ý nghĩa của đề tài.
Chương hai trình bày cơ sở lý thuyết về viễn thám radar, khu vực nghiên cứu và dữ
liệu sử dụng trong đề tài. Chương ba mô tả kỹ thuật phân loại lớp phủ mặt đất sử
dụng giá trị cường độ của ảnh cặp ASAR. Chương bốn mô tả kỹ thuật phân loại lớp
phủ mặt đất sử dụng kết hợp giá trị cường độ và giá trị coherence của ảnh cặp
ASAR. Chương năm trình bày kết quả phân loại thơng qua hai kỹ thuật được trình
Chương 1


7

bày ở chương ba và chương bốn, so sánh kết quả phân loại. Chương sáu trình bày
kết luận và kiến nghị.

Chương 1


8

CHƯƠNG 2:
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ VIỄN THÁM RADAR, KHU VỰC NGHIÊN CỨU
VÀ DỮ LIỆU ẢNH ENVISAT ASAR

2.1. Giới thiệu tổng quan về viễn thám radar
Viễn thám radar, còn gọi là viễn thám siêu cao tần, sử dụng bức xạ siêu cao tần với
bước sóng từ một cho đến vài chục centimet cho phép quan sát vật thể trong mọi
thời điểm trong ngày và không bị ảnh hưởng bởi các điều kiện thời tiết như mây hay
mưa. Đồng thời, bước sóng được sử dụng trong thu ảnh radar thường được xác định
trước nên cho phép so sánh chính xác năng lượng phát và năng lượng phản xạ để
tách thông tin chi tiết hơn khi phân tích các đặc trưng của bề mặt đất.
Radar (Radio Detection and Ranging): kỹ thuật dò tìm và định vị bằng sóng vơ
tuyến. Việc thu ảnh radar đầu tiên được sử dụng trong chiến tranh thế giới thứ
hai với sự phát triển của chương trình PPI (the Plan Position Indicator) hỗ trợ việc
ném bom vào ban đêm. Sau thế chiến thứ hai, hệ thống SLAR (Side-Looking
Airborne Radar) được phát triển cho sự khảo sát địa hình. Trong kỹ thuật này, hệ
thống SLAR quét thành một dải trên địa hình song song với đường bay và tín hiệu
được ghi nhận lại ở trên phim dựa trên radar khẩu độ thực. Nhược điểm của loại
này là cần độ dài tín hiệu giả để đạt độ phân giải phương vị cao. Tuy nhiên, vấn đề
này được Bộ Quốc phòng Mỹ cải thiện vào năm 1950 bằng sự phát triển của SAR.
SAR cũng là thiết bị quan sát một bên, nhưng cho phép xử lý tín hiệu tốt hơn để có
độ phân giải phương vị cao hơn hệ thống SLAR.
Cơng dụng hữu ích của hệ thống radar máy bay đã được thể hiện qua các dự án
quan trọng trong việc thành lập bản đồ tài nguyên trái đất tỷ lệ lớn ở các vùng
nhiệt đới như Radam (Brazil), Proradam (Colombia), Nirad (Nigeria) từ đầu thập
niên 70. Đến năm 1978, công dụng của radar vệ tinh mới được biết đến qua vệ tinh
Seasat của NASA. Các cuộc thử nghiệm tiếp tục được thực hiện với SIR-A và
SIR-B tương ứng các năm 1981 và 1984. Vệ tinh radar với sứ mệnh quan sát mặt
đất dài hạn được bắt đầu với vệ tinh ALIMAZ-1 (1987), ALIMAZ-2 (1991) của
USSR (Nga), vệ tinh ERS-1 (1991) của Cơ quan khơng gian Châu Âu (ESA). Sau
đó hàng loạt vệ tinh viễn thám radar đã được phóng lên như ERS-2 (1995),
Chương 2

9

RADARSAT-1 (1995), ENVISAT-ASAR (2002), ALOS-PALSAR (2006)… chứng
tỏ sự phát triển mạnh mẽ của lĩnh vực viễn thám radar, nó cung cấp nguồn dữ liệu
phong phú và tạo ra những cơ hội mới cho các nghiên cứu ứng dụng.
Nhìn chung viễn thám radar có những ưu điểm như sau:
- Thu nhận ảnh trong mọi điều kiện thời tiết
- Hoạt động cả ngày lẫn đêm, không phụ thuộc chiếu sáng của mặt trời.
- Khơng chịu tác động của yếu tố khí quyển (phân tích đa thời gian)
- Nhạy với các đặc trưng điện môi (hàm lượng nước, sinh khối, băng)
- Nhạy với bề mặt ghồ ghề (tốc độ gió ở bề mặt đại dương).
- Đo khoảng cách chính xác (bằng kỹ thuật giao thoa).
- Nhạy với các vật thể nhân tạo.
- Nhạy với cấu trúc đối tượng (khi sử dụng phân cực).
- Xuyên thấu lớp bên dưới bề mặt.
Nhược điểm của viễn thám radar:
- Tương tác phức tạp (khó hiểu, q trình xử lý phức tạp).
- Ảnh hưởng của vệt lóm đóm – speckle (khó giải đốn bằng mắt).
- Ảnh hưởng bởi địa hình.
- Ảnh hưởng bởi độ gồ ghề bề mặt.

Hình 2.1 Hệ thống viễn thám radar và khả năng xuyên thấu qua mây, mưa

Chương 2


10

2.2. Nguyên lý
Nguyên lý cơ bản của việc chụp ảnh radar là vệ tinh phát ra bức xạ điện từ đến

bề mặt trái đất và bộ cảm ghi nhận lại số lượng xung điện và độ trễ thời gian của
năng lượng tán xạ ngược. Các thơng tin này do sóng điện từ mang theo, được xác
định bởi: hướng lan truyền, biên độ, bước sóng, độ phân cực và pha của sóng siêu
cao tần.
Mối quan hệ giữa tần số f và bước sóng  được xác định theo cơng thức

f 

c



(2.1)

Trong đó:

f : Tần số của sóng radar (số chu kỳ trong một giây) - đơn vị: Hz
c : Vận tốc lan truyền sóng trong chân khơng ( c  3 x 108) - đơn vị: m/s

 : Bước sóng - đơn vị: m
Các thiết bị chủ yếu của một hệ thống chụp ảnh radar bao gồm: Bộ phát sóng, bộ
thu, anten thu phát sóng, và hệ thống điện tử để xử lý và thu nhận dữ liệu.
Trên hình, bộ phát tạo ra các xung ngắn với năng lượng cao (A) trong những
khoảng thời gian nhất định mà được anten hội tụ thành chùm tia (B). Sóng được
phát tỏa ra trên bề mặt đất chếch một góc theo hướng chuyển động của vệ tinh.
Anten thu nhận xung phản xạ hay tán xạ trở lại từ các vật thể trong vùng phủ sóng
của chùm tia (C). Bằng cách đo lường độ lệch thời gian giữa lúc sóng phát đi và
nhận sóng phản xạ trở lại từ các đối tượng khác nhau, biết được khoảng cách đến
các đối tượng thì vị trí của chúng sẽ được xác định. Khi vệ tinh chuyển động về
phía trước, thu nhận và phản xạ sóng siêu cao tần sẽ xây dựng nên hình ảnh hai

chiều của bề mặt đất.

Hình 2.2 Ngun lí viễn thám radar
Chương 2


11

Viễn thám radar tạo được một ảnh radar với giá trị của mỗi pixel được xác định bởi
mức độ tín hiệu phản xạ từ một vị trí tương ứng trên thực địa. Khi năng lượng sóng
điện từ khơng bị biến đổi trên đường truyền thì giá trị số của ảnh thường được tạo ra
bằng cách lấy căn bậc hai năng lượng tín hiệu phản xạ. Về mặt kỹ thuật, việc vận
hành radar có thể được phân tích được về phương diện năng lượng của tín hiệu
phản xạ. Năng lượng nhận được từ mỗi xung radar truyền đi có thể được thể
hiện dưới dạng các thông số vật lý của radar và phép chiếu hình học thơng qua
phương trình radar.

Pr 

G 2  2  p t  

4   3  R 4

(2.2)

Trong đó:
Pr : Năng lượng sóng phản xạ được thu bởi bộ thu
G : Khả năng thu nhận của anten

pt : Năng lượng sóng được anten phát ra

 : Bước sóng của sóng radar
 : Hàm số đặc trưng của vật thể và kích thước của vùng phủ sóng radar

R : Khoảng cách từ bộ thu đến vật thể
Phương trình trên cho thấy 3 thơng số chính ảnh hưởng đến năng lượng phản xạ
nhận được bởi bộ thu. Đó là:
 Đặc điểm kỹ thuật của hệ thống radar: bước sóng được chọn, cơng suất
phát sóng và loại anten được chế tạo.
 Vùng quét ảnh radar: kích thước của vùng phủ sóng radar, bề rộng chùm
tia, góc tới và khoảng cách từ anten đến vật thể.
 Đặc điểm của vật thể: mức độ gồ ghề của bề mặt, chất liệu, lồi lõm của địa
hình và phương chiếu của sóng vơ tuyến

Chương 2