Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu giải pháp nâng cao độ chính xác của mô hình số bề mặt được thành lập từ ảnh radar

Chia sẻ: Trần Văn Gan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:168

Thêm vào BST

Báo xấu

57
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài "Nghiên cứu giải pháp nâng cao độ chính xác của mô hình số bề mặt được thành lập từ ảnh radar" nhằm nghiên cứu cơ sở khoa học và các giải pháp nâng cao độ chính xác xây dựng DSM từ ảnh radar, phù hợp với điều kiện thực tế về tư liệu 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 giải pháp nâng cao độ chính xác của mô hình số bề mặt được thành lập từ ảnh radar

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT ----------------------------- TRẦN THANH HÀ NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA MÔ HÌNH SỐ BỀ MẶT ĐƯỢC THÀNH LẬP TỪ ẢNH RADAR LuËn ¸n tiÕn sÜ KỸ THUẬT Hà Nội, 2018
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT ----------------------------- TRẦN THANH HÀ NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA MÔ HÌNH SỐ BỀ MẶT ĐƯỢC THÀNH LẬP TỪ ẢNH RADAR Ngành : Kỹ thuật Trắc địa - Bản đồ Mã số: 9 52 05 03 LuËn ¸n tiÕn sÜ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS. Đào Ngọc Long 2. TS. Nguyễn Thị Mai Dung Hà Nội, 2018
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi; các số liệu, kết quả trong luận án trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào. Tác giả luận án Trần Thanh Hà
ii MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 7 1.1. Đặt vấn đề 7 1.2. Lịch sử phát triển của SAR 8 1.3. Tổng quan về các công trình nghiên cứu sử dụng phương pháp InSAR xây 9 dựng DSM 1.4. Đánh giá kết quả nghiên cứu đạt được trong và ngoài nước 20 1.5. Những vấn đề được phát triển trong luận án 21 Chƣơng 2: CƠ SỞ KHOA HỌC XÂY DỰNG MÔ HÌNH SỐ BỀ MẶT 22 (DSM) BẰNG ẢNH RADAR 2.1. Nguyên lý thu nhận ảnh radar 22 2.2. Hệ Radar nhìn xiên - SLAR 24 2.3. Radar độ mở tổng hợp - SAR 27 2.4. Các vệ tinh radar 29 2.5. Các tính chất đặc trưng của ảnh radar 34 2.6. Các phương pháp đo ảnh radar 35 2.7. Ứng dụng của viễn thám radar 40 2.8. Ứng dụng phương pháp Radar giao thoa - InSAR trong xây dựng mô hình 44 số bề mặt - DSM 2.9. Quy trình thành lập DSM bằng phương pháp Radar giao thoa - InSAR 51 Chƣơng 3: GIẢI PHÁP NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA DSM ĐƢỢC THÀNH LẬP BẰNG ẢNH RADAR 63 3.1. Giải pháp nâng cao độ chính xác của đồng đăng ký ảnh trong thành lập DSM 64 3.2. Giải pháp lọc nhiễu pha sử dụng phương pháp lọc nhiễu Goldstein tích 90 hợp kỹ thuật thích nghi láng giềng có trọng số Chƣơng 4: THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN 94 4.1. Khu vực nghiên cứu 94 4.2. Dữ liệu sử dụng 97 4.3. Xây dựng DSM-1 từ ảnh Sentinel-1A 102 4.4. Xây dựng DSM-2 bằng phần mềm SNAP kết hợp các giải pháp kỹ thuật đã 104 đề xuất 4.5. Đánh giá độ chính xác của DSM 119 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 134 NHỮNG CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA NCS 136 TÀI LIỆU THAM KHẢO 138 PHỤ LỤC KÈM THEO 155
iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ALOS Vệ tinh quan sát Trái Đất Advanced Land Observing Satellite DEM Mô hình số độ cao Digital Elevation Model DSM Mô hình số bề mặt Digital Surface Model ERS Vệ tinh tài nguyên châu Âu European Resource Satellite ESA Cơ quan Vũ trụ châu Âu The European Space Agency GPS Hệ thống đinh vị toàn cầu Global Positioning System InSAR Radar giao thoa Interferometry Synthetic Aperture Radar JERS-1 Vệ tinh Tài nguyên trái đất của Japanese Earth Resources Satellite -1 Nhật LiDAR LiDAR Light Detection and Ranging NASA Cục hàng không và vũ trụ National Aeronautics and Space Hoa Kỳ Administration PALSAR Ảnh radar độ mở tổng hợp với Phased Array type L-band Synthetic kênh L Aperture Radar RADAR Chụp ảnh radar Radio Detection and Ranging SAR Radar độ mở tổng hợp Synthetic Aperture Radar SLC Ảnh đơn nhìn Single Look Complex StereoSAR SAR lập thể Stereo Synthetic Aperture Radar STFT Biến đổi Fourier thời gian ngắn Short Time Fourier Transform WT Phép biến đổi Wavelet Wavelet Transform FFT Biến đổi Fourier nhanh Fast Fourier Transform CWT Biến đổi Wavelet liên tục Continous Wavelet Transform DWT Biến đổi Wavelet rời rạc Discrete Wavelet Transform MRA Phân tích đa phân giải Multi Resolution Analysis FT Biến đổi Fourier Fourier Transform
iv Danh môc c¸c b¶ng STT Nội dung Trang 1 Bảng 2.1. Phân loại các dải băng tần trong viễn thám radar 34 2 Bảng 4.1. Dữ liệu ảnh cho khu vực nghiên cứu 99 3 Bảng 4.2. Bảng thống kê sai số trung phương 103 4 Bảng 4.3. Dữ liệu biên độ của thành phần tần số thấp 106 Bảng 4.4. Bảng thống kê sai số của DSM tạo ra bằng các kích thước 5 cửa sổ khác nhau 108 6 Bảng 4.5. Dữ liệu biên độ của thành phần tần số thấp 109 Bảng 4.6. Bảng thống kê sai số của DSM tạo ra bằng các kích thước 7 cửa sổ khác nhau 110 Bảng 4.7. Bảng thống kê sai số của DSM tạo ra bằng các mắt lưới 8 khác nhau 114 Bảng 4.8. Đánh giá kết quả của các phép lọc khác nhau khu vực 9 Quảng Ninh 116 Bảng 4.9. Đánh giá kết quả của các phép lọc khác nhau khu vực 10 Ninh Thuận 118 Bảng 4.10. Bảng thống kê sai số của DSM tạo ra bằng các giải pháp 11 kỹ thuật kết hợp với phần mềm SNAP 119 Bảng 4.11. Số liệu đo các điểm kiểm tra trên các DSM của khu vực 12 Quảng Ninh 119 Bảng 4.12. Số liệu đo các điểm kiểm tra trên các DSM của khu vực 13 Ninh Thuận 124
v Danh môc c¸c h×nh vÏ vµ ¶nh STT Nội dung Trang 1 Hình 2.1. Nguyên lý chụp ảnh radar quét nghiêng 23 2 Hình 2.2. Bước sóng và tần số dùng trong viễn thám radar 24 3 Hình 2.3. Nguyên tắc hoạt động của một hệ SLAR 24 4 Hình 2.4 Nguyên lý hoạt động của một hệ SLAR 25 5 Hình 2.5. Độ phân giải theo hướng tầm của ảnh radar 26 6 Hình 2.6. Độ phân giải theo hướng phương vị của ảnh radar 27 7 Hình 2.7. Vệ tinh ERS-2 29 8 Hình 2.8. Vệ tinh ALOS -PALSAR 30 9 Hình 2.9. Vệ tinh TeraSAR-X 31 10 Hình 2.10. Chế độ chụp ảnh WV 32 11 Hình 2.11. Các chế độ chụp ảnh Sentinel -1 33 12 Hình 2.12. Vệ tinh Sentinel - 1 33 13 Hình 2.13 Nguyên lý lập thể của ảnh Radar 37 Hình 2.14. Các cấu hình lập thể của ảnh SAR trong trường hợp cùng phía 38 14 và khác phía 15 Hình 2.15. Bản đồ địa hình hồ Glacier 42 Hình 2.16. Ảnh Sentinel-1 nghiên cứu trượt lở ở Daguangbao 43 16 (Trung Quốc) Hình 2.17. Ảnh ALOS Palsal trong thành lập bản đồ sử dụng đất ở 17 Amazon 43 18 Hình 2.18. Sóng giao thoa 44 19 Hình 2.19. Vân giao thoa trên mặt đất từ hai nguồn sóng Radar SAR 45 20 Hình 2.20. Cường độ và pha 46 21 Hình 2.21. Cơ sở của InSAR 47 22 Hình 2.22. Hình học SAR với hai quỹ đạo Radar xác định 49 23 Hình 2.23. Quy trình thành lập DSM bằng phương pháp giao thoa 52 Hình 2.24. Mối quan hệ nghịch giữa giá trị tương quan và độ lệch chu n 24 của pha 58 25 Hình 3.1. Các bước trong quá trình đồng đăng ký ảnh SAR 65 26 Hình 3.2. Phép biến đổi Fourier trong thời gian ngắn (STFT) 67 27 Hình 3.3. Phép biến đổi wavelet 67
vi STT Nội dung Trang 28 Hình 3.4. Phân tích đa phân giải sử dụng biến đổi wavelet rời rạc 72 29 Hình 3.5. Sơ đồ biểu diễn một tầng biến đổi wavelet 2D 74 Hình 3.6. Các họ Wavelet (a) Haar (b) Daubechies4 (c) Coiflet1 (d) 75 30 Symlet2 (e) Meyer (f) Morlet (g) Mexican Hat 31 Hình 3.7. Tín hiệu và các thành phần của tín hiệu 80 32 Hình 3.8. Sự biến thiên của hệ số tự tương quan với khoảng cách 82 33 Hình 3.9. Lưu đồ thuật toán tự động xác định cửa sổ tối ưu 84 Hình 3.10. Cấu trúc hình kim tự tháp của phương pháp phân tích ảnh 34 bằng wavelet 86 35 Hình 3.11. Phân tích ảnh SAR bằng wavelet 87 36 Hình 3.12. Lưu đồ thuật toán chiết tách điểm đặc trưng 88 37 Hình 3.13. Lưu đồ thuật toán tự động đồng đăng ký ảnh 89 38 Hình 3.14. Lưu đồ thuật toán lọc nhiễu pha 92 39 Hình 4.1. Bản đồ hành chính tỉnh Quảng Ninh 96 40 Hình 4.2. Bản đồ hành chính tỉnh Ninh Thuận 97 41 Hình 4.3. Ảnh Sentinel - 1A khu vực Quảng Ninh 98 42 Hình 4.4. Ảnh Sentinel - 1A khu vực Ninh Thuận 98 43 Hình 4.5. Ảnh hàng không các khu vực nghiên cứu 100 Hình 4.6. DSM tạo ra từ tư liệu ảnh khu vực Quảng Ninh và Ninh 44 Thuận 101 45 Hình 4.7. Quy trình thành lập DSM bằng phương pháp giao thoa 102 46 Hình 4.8. Ảnh giao thoa 103 47 Hình 4.9. Ảnh DSM 103 Hình 4.10. Sự biến thiên của hệ số tự tương quan với khoảng cách 48 khu vực Quảng Ninh 105 Hình 4.11. Sự biến thiên của hệ số tự tương quan với khoảng cách 49 khu vực Ninh Thuận 105 Hình 4.12. Phân tích tự tương quan bằng wavelet khu vực Quảng 50 Ninh 106 51 Hình 4.13. Ảnh giao thoa với các kích thước của sổ khác nhau 107 Hình 4.14. Mô hình số bề mặt (DSM) với các kích thước của sổ 107 52 khác nhau 53 Hình 4.15. Phân tích tự tương quan bằng wavelet 108 54 Hình 4.16. Ảnh giao thoa với các kích thước của sổ khác nhau 109
vii STT Nội dung Trang Hình 4.17. Mô hình số bề mặt (DSM) với các kích thước của sổ 109 55 khác nhau 56 Hình 4.18. Ảnh gốc và ảnh phân tích bằng wavelet khu vực Quảng Ninh 110 Hình 4.19. Ảnh gốc và ảnh phân tích bằng wavelet khu vực Ninh 57 Thuận 111 58 Hình 4.20. Điểm đặc trưng trên cặp ảnh SAR (khu vực Quảng Ninh) 111 59 Hình 4.21. Điểm đặc trưng trên cặp ảnh SAR (khu vực Ninh Thuận) 112 60 Hình 4.22. Điểm khớp phân bố theo lưới grid (khu vực Quảng Ninh) 112 61 Hình 4.23. Điểm khớp phân bố theo lưới grid (khu vực Ninh Thuận) 113 62 Hình 4.24. DSM (khu vực Quảng Ninh) 114 63 Hình 4.25. DSM (khu vực Ninh Thuận) 115 Hình 4.26. Ảnh giao thoa trước (a) và sau (b) lọc nhiễu khu vực 116 64 Quảng Ninh 65 Hình 4.27. Ảnh giao thoa sau lọc nhiễu khu vực Quảng Ninh 116 Hình 4.28. Ảnh giao thoa trước (a) và sau (b) lọc nhiễu khu vực 66 Ninh Thuận 117 67 Hình 4.29. Ảnh giao thoa sau lọc nhiễu khu vực Ninh Thuận 117 68 Hình 4.30. DSM khu vực nghiên cứu 119
-1- MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Mô hình số bề mặt (DSM - Digital Surface Model) là tập hợp dữ liệu số mô tả một phần của bề mặt Trái Đất trong không gian 3D. Hiện nay, DSM được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, như trong thành lập bản đồ địa hình, thành lập bản đồ 3D, được dùng trong nắn ảnh trực giao, lập kế hoạch phòng chống các tai biến thiên nhiên; lũ lụt, kiểm soát xói lở đất, phân tích tầm nhìn ở diện rộng, giám sát tài nguyên môi trường và trong nhiều ứng dụng khác. Phương pháp truyền thống đầu tiên được sử dụng để thành lập DSM là phương pháp đo vẽ trực tiếp ngoài thực địa. Để thực hiện việc thu thập thông tin của bề mặt, phương pháp đòi hỏi chi phí rất nhiều về thời gian và sức lao động ngoại nghiệp, thậm chí không thể thực hiện được ở nhiều khu vực khó khăn, phức tạp. Tiếp theo là phương pháp đo vẽ lập thể ảnh hàng không và ảnh vệ tinh, và gần đây nhất là ảnh chụp từ thiết bị bay không người lái (UAV). Đây là những phương pháp đo gián tiếp, phần nào đã khắc phục được các hạn chế nói trên của phương pháp đo trực tiếp, song chi phí cho sản xuất vẫn còn khá cao. Mặt khác phương pháp này cũng không thể thực hiện được ở những khu vực không chụp được ảnh quang học do ảnh hưởng của mù khí quyển, của thời tiết. Trong hơn hai thập niên trở lại đây, để xây dựng DSM, người ta sử dụng thêm hai phương pháp: thành lập DSM là từ ảnh Radar và từ dữ liệu bay quét LiDAR. Mỗi phương pháp đều có các ưu điểm và nhược điểm nhất định liên quan tới các khía cạnh như mức độ chi tiết, độ chính xác của DSM, khả năng thực hiện và chi phí thành lập. Với ưu điểm nổi trội của ảnh radar có độ phủ rộng trên bề mặt Trái Đất, chu kỳ lặp ngắn (hầu như có thể cung cấp tư liệu “tức thời”), chi phí mua tư liệu rẻ hơn nhiều so với các loại tư liệu viễn thám khác, thậm chí ảnh Sentinel, với độ phân giải cao, chu kỳ lặp 12 ngày được cấp miễn phí. Ảnh radar đã được nghiên cứu và ứng dụng để thành lập mô hình số bề mặt (Digital Surface Model - DSM) ngay từ những
-2- năm 1960, với sự ứng dụng các phương pháp xử lý chủ yếu như: phương pháp đo độ dốc (Clinometry/Radarclinometry), phương pháp đo radar lập thể (Stereoscopy/Radar hay Stereogrammetry/Radargrammetry), phương pháp radar giao thoa (Interferometry) và phương pháp đo radar phân cực (Polarimetry). Những phương pháp này thông thường được sử dụng để xử lý tư liệu của các hệ thống radar độ mở tổng hợp SAR (Synthetic Aperture Radar) nhằm xác định độ cao tương đối hoặc tuyệt đối của các đối tượng hoặc điểm độ cao trên bề mặt thực địa. Mặc dù mới xuất hiện, song phương pháp đo radar giao thoa (InSAR) đã được ứng dụng rộng rãi trong tạo DSM. Đây là một kỹ thuật hứa hẹn sẽ giải quyết một số vấn đề khó khăn trong một khu vực nghiên cứu đòi hỏi độ chính xác, hiệu quả kinh tế cao, thuận tiện với mọi điều kiện thời tiết. Chất lượng của DSM được xây dựng bằng phương pháp InSAR chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố. Một trong những yếu tố ảnh hưởng đó, là tác động của khí quyển đối với góc chụp ảnh, đường đáy ảnh (baseline) và kỹ thuật xử lý. Ảnh hưởng của các yếu tố này sẽ làm vị trí các pixel bị xê dịch, gây khó khăn trong quá trình khớp ảnh. Hai là sự khác nhau về thời gian thu nhận, tạo ra sự không tương quan giữa hai ảnh, và sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình khớp hai ảnh với nhau để tạo ảnh giao thoa, rồi vấn đề lọc nhiễu pha để mở pha... Do đó, để nâng cao chất lượng của sản phẩm DSM thì nhất thiết phải nâng cao chất lượng của ảnh giao thoa trong phương pháp InSAR. Trên thế giới có nhiều nhà khoa học đã nghiên cứu, đề xuất các giải pháp giảm thiểu các sai số gây ra trong các công đoạn của qui trình xử lý ảnh trong phương pháp InSAR, bao gồm: đồng đăng ký (co-registration), tạo ảnh giao thoa (interferogram generation), lọc nhiễu pha, giải pha (phase unwrapping) và chuyển đổi tọa độ, hiệu chỉnh hình học (geocoding). Ở Việt Nam, hiện nay đã có một số công bố khoa học về nghiên cứu cơ sở khoa học và đề xuất giải pháp dự báo lún mặt đất thành phố Hà Nội bằng kỹ thuật radar giao thoa, kết quả xây dựng DEM từ thành lập tư liệu ảnh ERS, nghiên cứu ứng dụng ảnh vệ tinh RADAR độ phân giải cao trong thành lập mô hình số độ cao
-3- và kiểm kê đảo, ứng dụng phương pháp InSAR vi phân trong quan trắc lún đất do khai thác nước ngầm, nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật radar giao thoa trong xác định sự thay đổi bề mặt địa bằng kỹ thuật radar giao thoa từ ảnh TeraSAR X…Nhưng trong hầu hết các công bố khoa học đó, mới chỉ đề cập đến khả năng ứng dụng của viễn thám radar chứ chưa có các giải pháp giảm thiểu ảnh hưởng của các sai số gây ra trong các công đoạn của qui trình xử lý ảnh trong phương pháp InSAR nhằm nâng cao độ chính xác của sản phẩm. Vì vậy độ chính xác đạt được của sản phẩm chưa cao. Từ năm 2014, hệ thống vệ tinh Sentinel đã đi vào hoạt động, với chu kỳ lặp ngắn, diện tích phủ trùm lớn, ảnh có độ phân giải cao, được cung cấp miễn phí, đã mở khả năng sử dụng loại tư liệu này để xây dựng DSM có độ chính xác cao, chi phí sản xuất thấp, và có thể đáp ứng rất kịp thời cho người sử dụng. Do vậy hướng nghiên cứu về qui trình xử lý, về các giải pháp nâng cao độ chính xác xây dựng DSM bằng tư liệu viễn thám radar nói chung, tư liệu Sentinel nói riêng phù hợp với điều kiện thực tế tại Việt Nam là cần thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn ứng dụng cao. 2. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu cơ sở khoa học và các giải pháp nâng cao độ chính xác xây dựng DSM từ ảnh radar, phù hợp với điều kiện thực tế về tư liệu của Việt Nam. 3. Đối tượng nghiên cứu - Ảnh radar, quy trình thành lập DSM và các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của DSM, được xây dựng bằng ảnh radar theo phương pháp radar giao thoa - InSAR. - Thuật toán biến đổi wavelet, khả năng sử dụng của nó để nâng cao độ chính xác của DSM, được xây dựng từ ảnh radar theo phương pháp InSAR. - Ph p lọc nhiễu oldstein và thích nghi làng giềng trong lọc nhiễu pha giao thoa. 4. Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu qui trình xây dựng DSM, những yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của DSM và các giải pháp nâng cao độ chính xác của DSM, trên cơ sở ứng dụng
-4- phương pháp biến đổi tín hiệu wavelet trong phân tích tín hiệu, phương pháp oldstein để lọc nhiễu pha. - Tư liệu ảnh sử dụng làm thực nghiệm là tư liệu ảnh vệ tinh Setinel - 1A của các khu vực: Quảng Ninh và Ninh Thuận. 5. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu cơ sở khoa học tạo DSM bằng ảnh radar và những yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của nó - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của ph p biến đổi wavelet và khả năng sử dụng để phân tích tín hiệu trong các công đoạn của qui trình thành lập DSM bằng ảnh radar theo phương pháp InSAR. - Nghiên cứu phương pháp lọc nhiễu oldstein và oldstein cục bộ, trên cơ sở đó đưa ra phương pháp lọc nhiễu oldstein tích hợp kỹ thuật thích nghi láng giềng có trọng số, để nâng cao độ chính xác của DSM. - Xây dựng chương trình thử nghiệm tự động đồng đăng ký ảnh, chương trình lọc nhiễu để nâng cao độ chính xác của DSM được thành lập từ tư liệu ảnh Sentinel bằng phương pháp InSAR. 6. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp thu thập thông tin: tiến hành thu thập và tổng hợp tài liệu khoa học đã công bố trên các Tạp chí, Kỷ yếu Hội thảo, Báo cáo tổng kết các đề tài NCKH. Đồng thời thu thập ảnh Sentinel - 1A, các số liệu, tư liệu có liên quan đến các khu vực thực nghiệm. - Phương pháp phân tích, tổng hợp các tài liệu bao gồm các bài báo khoa học đã công bố trên thế giới và trong nước, các kết quả nghiên cứu đã đạt được để nâng cao chất lượng của DSM và các modul phần mềm tạo DSM từ tư liệu ảnh SAR. Từ đó nghiên cứu giải pháp nâng cao chất lượng của DSM được thành lập bằng ảnh radar phù hợp và có tính khả thi cao trong điều kiện hiện nay tại Việt Nam. - Kỹ thuật lập trình và ứng dụng công nghệ tin học trong xây dựng chương trình thực hiện quá trình tự động đồng đăng ký ảnh và lọc nhiễu pha giao thoa , thực hiện thực nghiệm kiểm chứng.
-5- 7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 7.1. Ý nghĩa khoa học của luận án óp phần hoàn thiện các ứng dụng của ph p biến đổi wavelet trong xử lý và phân tích tín hiệu, ứng dụng phương pháp lọc nhiễu pha oldstein trong qui trình thành lập DSM từ ảnh radar. 7.2. Ý nghĩa thực tiễn của luận án Cung cấp những đánh giá đầy đủ về cơ sở khoa học cũng như kết quả nghiên cứu thử nghiệm của giải pháp nâng cao độ chính xác của DSM được thành lập bằng ảnh Sentinel - 1A kênh C trong điều kiện Việt Nam. 8. Những luận điểm bảo vệ Luận điểm 1: Với tín hiệu siêu cao tần sử dụng trong viễn thám radar, ph p biến đổi xấp xỉ sóng nhỏ (wavelet) là phù hợp trong việc chọn và khớp các điểm đặc trưng, phục vụ cho đồng đăng ký ảnh trong qui trình thành lập DSM bằng phương pháp InSAR. Luận điểm 2: Phương pháp lọc nhiễu oldstein tích hợp kỹ thuật thích nghi láng giềng có trọng số, là tối ưu trong lọc nhiễu pha giao thoa để nâng cao độ chính xác của DSM. 9. Những điểm mới của luận án 9.1. Áp dụng thành công phương pháp biến đổi xấp xỉ sóng nhỏ (wavelet) để xử lý ảnh radar trong chọn kích thước cửa sổ khớp ảnh, chiết xuất và khớp các điểm đặc trưng trên ảnh radar, qua đó nâng cao độ chính xác xây dựng DSM từ tư liệu viễn thám siêu cao tần. 9.2. Đề xuất phương pháp lọc nhiễu oldstein tích hợp kỹ thuật thích nghi láng giềng có trọng số để lọc nhiễu pha giao thoa nhằm nâng cao độ chính xác của DSM. 10. Khối lượng và kết cấu luận án Kết cấu luận án bao gồm các phần chính như sau: Mở đầu. Chương 1. Tổng quan về tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước Chương 2. Cơ sở khoa học xây dựng mô hình số bề mặt (DSM) bằng ảnh radar
-6- Chương 3. Giải pháp nâng cao độ chính xác của DSM được thành lập bằng ảnh radar Chương 4. Thực nghiệm và thảo luận Kết luận và kiến nghị. Tài liệu tham khảo. 11. Nơi thực hiện đề tài Luận án này được hoàn thành tại Bộ môn Đo ảnh và Viễn thám, Khoa Trắc địa - Bản đồ và Quản lý đất đai, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, dưới sự hướng dẫn khoa học của TS Đào Ngọc Long và TS Nguyễn Thị Mai Dung. Trong quá trình thực hiện nghiên cứu, tác giả luôn nhận được sự giúp đỡ của các thầy, cô giáo trong Bộ môn Đo ảnh và Viễn thám, trong Khoa Trắc địa - Bản đồ và Quản lý đất đai, phòng Đào tạo Sau đại học, Lãnh đạo Nhà trường, Viện Khoa học Đo đạc và Bản đồ, Cục Viễn thám quốc gia, Cục Bản đồ Bộ Tổng tham mưu… Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất đến tất cả các thầy, cô giáo, đặc biệt là TS Đào Ngọc Long và TS Nguyễn Thị Mai Dung, các nhà khoa học, đồng nghiệp và người thân đã tận tình giúp đỡ, đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất để tác giả hoàn thành luận án này.
-7- CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Đặt vấn đề Trong nghiên cứu bề mặt Trái đất hiện nay dữ liệu bản đồ mô hình số bề mặt (DSM) thể hiện được những ưu điểm vượt trội về sự mô phỏng tổng quan chân thực nhất về bề mặt Trái đất, nó được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực phục vụ cho công tác điều tra, khảo sát, phát triển kinh tế đất nước cũng như chủ quyền và an ninh quốc phòng. Đặc biệt với những diễn biến cực đoan của biến đổi khí hậu, yêu cầu về sử dụng các sản phẩm dữ liệu địa hình dưới dạng mô hình số phải có độ chính xác cao, đáp ứng nhanh và kịp thời. Cùng với đó là nhu cầu về sử dụng dữ liệu địa hình như là một lượng thông tin không thể thiếu trong xây dựng cơ sở dữ liệu của Hệ thông tin địa lý (GIS), phục vụ cho các nghiên cứu biến dạng sụt lún của bề mặt địa hình; xác định nhanh các vùng ngập lụt do mưa bão, vùng ngập lụt ven bờ do nước biển dâng do biến đổi khí hậu, trong thành lập bản đồ địa hình, bản đồ chuyên đề ở những khu vực thiếu ảnh viễn thám quang học, trong các công đoạn thành lập bản đồ và ứng dụng cho khảo sát, phân tích địa hình, thiết kế, quy hoạch... Để xây dựng DSM của một phần bề mặt Trái Đất trên một diện rộng, với chi phí thấp và trong khoảng thời gian ngắn nhất thì các phương pháp sử dụng tư liệu viễn thám tỏ rõ hiệu quả hơn cả, đặc biệt là sử dụng tư liệu của viễn thám radar - viễn thám siêu cao tần. Viễn thám Radar (Viễn thám siêu cao tần) là phương pháp viễn thám chủ động hoạt động trong dải siêu cao tần của quang phổ sóng điện từ. Viễn thám Radar sử dụng nguồn năng lượng riêng không phụ thuộc vào ánh sáng mặt trời, và sóng điện từ có bước sóng dài. Vì thế, nó có khả năng hoạt động cả ban ngày và ban đêm cũng như trong mọi điều kiện thời tiết mà không chịu ảnh hưởng của các hiện tượng tự nhiên như mây, mưa. RADAR là từ viết tắt của cụm từ Radio Detection And Ranging, với nguyên lý hoạt động dựa trên sự lan truyền của sóng điện từ trong không gian, bản chất là
-8- một thiết bị đo khoảng cách hoạt động trong phần vi sóng của phổ điện từ, có bước sóng từ 1mm đến 1m. Tư liệu ảnh Radar đã được sử dụng nhiều trong các lĩnh vực điều tra cơ bản, giám sát tài nguyên và môi trường trên bề mặt trái đất. Bên cạnh đó, viễn thám Radar cũng cho khả năng xác định độ cao của các điểm trên bề mặt trái đất. Người ta đã sử dụng ảnh Radar để xây dựng mô hình số bề mặt bằng phương pháp giao thoa để nghiên cứu và xác định sự sụt lún của bề mặt Trái đất, xác định nhanh các vùng ngập lụt do thiên tai, do biến đổi khí hậu, thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ trung bình và nhỏ. 1.2. Lịch sử phát triển của SAR Khái niệm về Radar độ mở tổng hợp - Synthetic Aperture Radar (SAR) là do Carl Wiley của Tổng công ty Máy bay Goodyear năm 1951 [132] khởi nguồn. Tại trường Đại học Illinois, một nhóm các nhà khoa học đã tiến hành nghiên cứu những thí nghiệm đầu tiên vào năm 1953; sau đó, quân đội Hoa Kỳ đưa dự án Wolverine về chủ đề này đến Đại học Michigan. Đây là khởi đầu của một loạt các hoạt động đóng góp vào sự phát triển của kỹ thuật SAR [42]. Từ cuối năm 1960, NASA đã bắt đầu tài trợ cho sự phát triển của hệ thống SAR cho các ứng dụng về dân sự. Jet Propulsion Laboratory (JPL) đã phát triển cho NASA một bộ cảm biến SAR band-L. Bộ cảm biến này đã được cài đặt trên tên lửa vào năm 1962 trong các thí nghiệm thực hiện tại các trang web thử nghiệm tên lửa New Mexico. Cảm biến này là cảm biến cuối cùng được cài đặt trên máy bay NASA CV-990 vào năm 1966 và sau đó lại được nâng cấp bởi JPL [42,55]. Viện nghiên cứu môi trường Michigan (ERIM) và JPL đã phối hợp thực hiện các nghiên cứu thử nghiệm Apollo Lunar Sounder, và đã thành công khi thăm dò Mặt Trăng vào năm 1972 trên tàu Apollo 17 [42,55]. Vào năm 1978 lần đầu tiên trên vũ trụ (vệ tinh Seasat - USA) sử dụng SAR và tiếp tục với việc sử dụng SIR - Radar tạo ra ảnh trên tàu con thoi (Shuttle Imaging Radar). Đầu năm 1991 có 3 vệ tinh mang thiết bị Radar được phóng thành công lên vũ trụ. Đó là Almaz-1 với bộ cảm biến S-band của Liên Xô (cũ), ERS-1 của cơ quan Vũ trụ châu Âu ESA, và JERS-1 với bộ cảm biến kênh L của Nhật
-9- Bản. Năm 1995, Radarsat với bộ cảm biến C-band của Canada đã được phóng lên vũ trụ thành công [55]. Việc khai thác các thông tin địa hình sử dụng kỹ thuật Radar giao thoa độ mở tổng hợp (InSAR) được chứng minh lần đầu tiên bởi Graham, 1974 [51]. Với tư liệu sử dụng là ảnh độ phân giải cao khu vực Puerto Rico có hướng nghiêng và góc lệch khoảng 250 đến 450. Ông đã chỉ ra rằng kỹ thuật InSAR với nguyên lý cạnh sườn (side-looking) có thể sử dụng để phục vụ cho thành lập bản đồ địa hình vì hai lý do: - Độ phân giải của ảnh SAR có thể phân biệt được các đối tượng trên bề mặt địa hình cần biểu thị lên bản đồ. - Những điểm đo được bằng phương pháp InSAR có thể mô tả được độ cao và dáng của bề mặt địa hình. Có thể nói rằng, trong những năm 1990, công nghệ vũ trụ đã đạt được những thành công lớn với việc đẩy nhanh ứng dụng của viễn thám Radar cho các nghiên cứu khoa học và ứng dụng. Sang đến đầu thể kỷ XXI đã có một số vệ tinh Radar có độ phân giải cao được phóng lên quỹ đạo chuyên phục vụ giám sát tài nguyên và biến động lớp phủ trái đất ở mức độ chi tiết hơn đó là ALOS PALSAR của Nhật (2006), ERS-1 (1993), ERS-2 (1995), Envisat (2002) của Châu Âu, TeraSAR X của Đức (2007). Cosmo-Skymed (2010), ALOS PALSAR-2, Sentinel-1… 1.3. Tổng quan về các công trình nghiên cứu sử dụng phƣơng pháp InSAR xây dựng DSM 1.3.1. Trên thế giới Trong những năm gần đây, với sự phát triển của viễn thám Radar thì việc tạo DSM tự động đã trở thành một phần quan trọng của các nghiên cứu. Nhiều kỹ thuật tạo DSM đã được phát triển, trong đó phương pháp Radar giao thoa (InSAR) là phương pháp đang được nghiên cứu nhiều nhất để tạo DSM phục vụ cho nghiên cứu sạt lở, giám sát hoạt động của núi lửa và theo dõi dịch chuyển bề mặt. Các nghiên cứu tập trung chủ yếu vào dữ liệu cũng như quy trình tạo DSM và các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của nó, có thể kể là các nghiên cứu của [45,89,90,91,92,93,94,105,106,107]. Trong công bố khoa học của Sefercik [106],
- 10 - tác giả đã nghiên cứu tạo DSM từ dữ liệu TerraSAR-X với sai số trung phương về độ cao đạt được là ± 8.25m. Trong các công trình khoa học tiếp theo của mình vào năm 2011, Sefercik cũng nghiên cứu tạo DSM từ các dữ liệu SRTM kênh C và X, và dữ liệu ASTER GDEM. Kết quả DSM tạo từ ảnh liệu SRTM kênh C có sai số trung phương về độ cao đạt ± 10.69m, từ dữ liệu SRTM kênh X đạt ± 6.59m, từ dữ liệu ASTER GDEM đạt ± 9.83m. Từ các kết quả trên, Sefercik đã kết luận rằng chất lượng của DSM phụ thuộc vào kỹ thuật tạo giao thoa, đặc điểm địa hình của khu vực nghiên cứu và khoảng cách giữa các mắt lưới để tạo DSM. Nikolakopoulos [92], đã thành lập DSM từ các dữ liệu khác nhau như: TerraSAR-X, Sentinel -1 chụp cùng khu vực và tiến hành so sánh đánh giá. Kết quả, DSM tạo từ ảnh TerraSAR-X cho sai số trung phương đạt ±12.35m, và Sentinel - sai số trung phương ±14.47m. Qua các nghiên cứu, các tác giả kết luận rằng: kỹ thuật tạo giao thoa ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng của ảnh giao thoa cũng như sản phẩm cuối cùng là DSM. Độ chính xác của chúng phụ thuộc vào các yếu tố như: ảnh hưởng bởi khí quyển, sự không tương quan về đường đáy ảnh, sự không tương quan giữa hai ảnh. Do vậy để nâng cao độ chính xác của DSM, cần tập trung cải thiện chất lượng của ảnh giao thoa. Hiện nay có rất nhiều các công trình khoa học nghiên cứu để cải thiện chất lượng của giao thoa cũng như cải thiện chất lượng của DSM như: Ảnh hưởng của khí quyển Chúng ta biết rằng, điều kiện khí quyển không đồng nhất sẽ ảnh hưởng đến việc ghi nhận ảnh ở những thời điểm khác nhau. Sự lan truyền sóng điện từ trong điều kiện khí quyển khác nhau, làm cho khoảng cách tính được từ vệ tinh tới mặt đất sẽ khác nhau, do thời gian trễ gây ra, khi sóng được truyền trong sự nhiễu loạn của tầng đối lưu và tầng điện ly. Sự không đồng nhất trong khí quyển sẽ tạo ra nhiễu cho pha kết quả và nó sẽ làm giảm chất lượng của ảnh giao thoa. Rất nhiều phương pháp đã được nghiên cứu để giảm ảnh hưởng của khí quyển đến chất lượng giao thoa như nghiên cứu của Hanssen [55, 139]. Theo Hanssen [55], bằng việc sử dụng các tư liệu radar chụp ở các khu vực khác nhau, đã chứng minh được rằng sự biến đổi của nhiệt độ và áp suất dẫn đến
- 11 - biến dạng giao thoa ít hơn nhiều so với độ ẩm trong không khí. Cũng với một chứng minh khác của giáo sư Zebker thì độ ẩm trong khí quyển sẽ ảnh hưởng đến từng loại sóng radar có bước sóng khác nhau ở mức độ khác nhau. Đối với những sóng Radar có bước sóng ngắn từ 3 cm trở xuống thì độ ẩm sẽ ảnh hưởng nhiều đến xung truyền, giao thoa có thể bị nhiễu. Bước sóng từ 6 cm trở lên gần như ít bị ảnh hưởng bởi hơi nước trong khí quyển. Còn trong nghiên cứu của Yun [136] đã sử dụng bóng thám không kết hợp phương pháp GPS để đo độ ẩm và giảm thiểu sai số này. Tuy nhiên việc đo đạc này cũng không thể làm hết cho nhiều vùng ở trên ảnh được, nên việc sử dụng thêm dữ liệu thời tiết đo ở các trạm mặt đất cũng là một giải pháp được đưa ra. Đối với phần ảnh hưởng bởi độ ẩm ở tầng điện ly, thì việc sử dụng cặp ảnh chụp cùng ở một điều kiện thời tiết như nhau là một giải pháp hữu hiệu, để giảm thiểu sai số do tầng điện ly gây ra. Ngoài ra rất nhiều phương pháp cũng được nghiên cứu để làm giảm ảnh hưởng của khí quyển đến chất lượng của InSAR, như các nghiên cứu của Li và Ding [70] và Ding [35]. Trong đó, đã khẳng định ảnh hưởng khí quyển là một trong những hạn chế của phương pháp radar giao thoa - InSAR, nó có gây ra sai lệch trên ±10 cm đối với đo biến dạng bề mặt và lên đến ±100m đối với tạo DEM so với DEM được thành lập từ bản đồ địa hình. Vì vậy việc nghiên cứu ảnh hưởng của khí quyển là rất cần thiết để phát huy được ứng dụng của InSAR trong thành lập bản đồ địa hình. Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng tín hiệu khí quyển trong bản đồ giao thoa SAR là không đẳng hướng và không phân bố theo luật phân bố chuẩn Gauss, phổ của tín hiệu khí quyển tuân theo luật lũy thừa với số mũ gần bằng -8/3. Trong nghiên cứu của Jung [59], đã sử dụng dữ liệu vệ tinh từ các vệ tinh MODIS và MERIS để làm giảm ảnh hưởng của khí quyển và kết quả giảm được từ 20% đến 40%. Tuy nhiên trong các nghiên cứu này mới chỉ phục vụ cho khu vực cụ thể, chưa có tính đại diện nên vẫn cần phải nghiên cứu để phát triển phương pháp sao cho hiệu quả hơn. Nhìn chung những ảnh hưởng do khí quyển gây ra là những sai số không thể tránh khỏi. Nếu muốn giảm thiểu chúng cần phải thu thập đầy đủ thông tin về khí quyển tại thời điểm chụp ở nhiều khu vực khác nhau trên ảnh.