Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu đánh giá chất lượng ảnh viễn thám quang học của Việt Nam

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:192

Thêm vào BST

Báo xấu

21
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của luận văn "Nghiên cứu đánh giá chất lượng ảnh viễn thám quang học của Việt Nam" nhằm đề xuất thông số để đánh giá chất lượng ảnh viễn thám quang học phù hợp với điều kiện của Việt Nam. Lựa chọn được phương pháp và đề xuất quy trình đánh giá chất lượng ảnh viễn thám quang học đối với điều kiện của Việt Nam.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu đánh giá chất lượng ảnh viễn thám quang học của Việt Nam

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