Giải pháp lựa chọn phương pháp trộn ảnh đối với ảnh vệ tinh quang học độ phân giải cao (WorldView – 2)

Trong nội dung bài báo, trình bày kết quả nghiên cứu thử nghiệm các phương pháp trộn dữ liệu ảnh vệ tinh độ phân giải cao (WorldView - 2) và phân tích các chỉ số đánh giá chất lượng phổ trên ảnh sau khi trộn. Phương pháp trộn ảnh được nghiên cứu là: Phương pháp biến đổi hệ màu IHS cải tiến (Modified IHS); Phương pháp phân tích thành phần chính (PCA- Principal Component Analysis); Phương pháp nhân ảnh (Multiplicative); Phương pháp HPF (High Pass Filter); Phương pháp biến đổi Brovey.

Nghiên cứu GIẢI PHÁP LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP TRỘN ẢNH ĐỐI VỚI ẢNH VỆ TINH QUANG HỌC ĐỘ PHÂN GIẢI CAO (WorldView - 2) ThS ĐỖ THỊ HOÀI Viện Khoa học Đo đạc Bản đồ Tóm tắt: Trộn ảnh công nghệ kết hợp loại ảnh với để tạo loại ảnh mang nhiều thông tin để tăng cường khả phân tích - nhận biết đối tượng ảnh Việc trộn ảnh vệ tinh quang học tức kết hợp ảnh toàn sắc ảnh đa phổ nhằm tạo ảnh vừa có độ phân giải cao phổ (màu) ảnh đa phổ lại vừa có độ phân giải cao khơng gian ảnh tồn sắc Trong nội dung báo, tác giả trình bày kết nghiên cứu thử nghiệm phương pháp trộn liệu ảnh vệ tinh độ phân giải cao (WorldView 2) phân tích số đánh giá chất lượng phổ ảnh sau trộn Phương pháp trộn ảnh nghiên cứu là: Phương pháp biến đổi hệ màu IHS cải tiến (Modified IHS); Phương pháp phân tích thành phần (PCA- Principal Component Analysis); Phương pháp nhân ảnh (Multiplicative); Phương pháp HPF (High Pass Filter); Phương pháp biến đổi Brovey Đặt vấn đề Phương pháp trộn ảnh quang học Kỹ thuật viễn thám sử dụng để nghiên cứu đối tượng bề mặt Trái đất từ xa Tuy nhiên, loại tư liệu viễn thám nghiên cứu đối tượng vài đặc tính đối tượng bề mặt Trái đất phụ thuộc vào đặc điểm thu nhận tín hiệu cảm vệ tinh Bộ cảm quang học cho phép phân loại lớp phủ dựa vào đặc trưng phổ đối tượng ảnh Trên giới Việt Nam, có nghiên cứu khả trộn ảnh quang học [1], [2] Các nghiên cứu thử nghiệm liệu ảnh Landsat, Spot với mức xử lý khác Sau trộn phương pháp đánh giá chất lượng ảnh chủ yếu dựa phân tích mắt Do đó, nội dung báo, tác giả trình bày kết nghiên cứu thử nghiệm số đánh giá chất lượng phổ ảnh sau trộn lựa chọn phương pháp trộn tư liệu vệ tinh quang học độ phân giải cao Ngày nhận bài: 07/6/2016 22 2.1 Phương pháp trộn ảnh Phương pháp trộn ảnh nhằm kết hợp liệu nhiều cảm, nhiều thời điểm thông tin khác để tạo ảnh mang nhiều thông tin Mục đích việc trộn ảnh vệ tinh quang học khai thác nhiều thông tin nhằm tạo ảnh vừa có độ phân giải cao phổ (màu) ảnh đa phổ lại vừa có độ phân giải cao khơng gian ảnh tồn sắc Trong nội dung báo, tác giả thử nghiệm phương pháp trộn ảnh phương pháp chuyển đổi hệ màu RGB-IHS, phương pháp chuyển đổi Brovey, phương pháp phân tích thành phần (Principal Component Analysis - PCA) phương pháp nhân ảnh (Multiplicate) a Phương pháp chuyển đổi hệ màu RGB-IHS Ngy chp nhn ng: 17/6/2016 tạp chí khoa học đo đạc đồ số 28-6/2016 Nghiờn cu nh s nói chung ảnh vệ tinh nói riêng thể hệ màu R (đỏ) - G (xanh cây) - B (xanh lam) Khi hiển thị ảnh vệ tinh kênh ảnh gán cho màu định Hệ thống màu R-G-B sử dụng rộng rãi đồ họa máy tính đơn giản dễ sử dụng Tuy nhiên hệ thống màu R-G-B có nhược điểm màu hiển thị phụ thuộc vào thành phần, hệ thống hết sắc màu có tự nhiên Hệ thống màu HIS gồm ba thành phần: I (Intensity) cường độ màu, H (Hue) màu, S (Saturation) độ bão hòa màu Ưu điểm hệ thống thành phần cường độ màu độc lập với thành phần lại thể nhiều màu tự nhiên hệ thống RGB - Các bước thực sau: + Ảnh tổ hợp màu gốc RGB chuyển sang hệ màu HIS; + Thay thành phần I - cường độ màu kênh ảnh có độ phân giải cao; + Chuyển ngược tổ hợp HIS RGB Theo [4] việc tính chuyển GRB - HIS GRB thực theo công thức sau: (1) Trong đó: giá trị trung gian Công thức chuyển đổi HIS thành RGB là: (2) Phương pháp chuyển đổi hệ màu IHS phương pháp trộn ảnh nhất, ban đầu áp dụng để trộn ảnh đa phổ độ phân giải thấp với ảnh tồn sắc có độ phân giải cao, nhằm tăng cường độ phân giải màu sắc ảnh Tuy nhiên, nay, phương pháp chuyển đổi hệ màu IHS áp dụng cho ảnh quang học kết hợp với ảnh SAR b Phương pháp phân tích thành phần - PCA Đây phương pháp sử dụng tương đối rộng rãi việc xử lý ảnh Ảnh vệ tinh lập liệu đa kênh phổ điển hình có độ tương quan lớn hay có nhiều thơng tin trùng lặp từ PC1, PC2, PC3 …[4] Vì vậy, sử dụng phương pháp với mục đích: - Phương pháp PCA sử dụng để giảm số lượng kênh phổ mà giữ thông tin không bị thay đổi đáng kể; - Dựa sở kênh phổ gần có độ tương phản cao thơng tin lặp lại lớn; - Dựa thông số thống kê + Đầu tiên chuyển đổi ảnh đa phổ độ phân giải thấp (LRMIs) thành thành phần khơng tương quan với Ảnh thành phần có chứa thơng tin chung tất kênh ảnh sử dụng lúc nhập liệu vào PCA, thơng tin phổ với kênh ánh xạ tới thành phần khác + Sau giống phương pháp HIS, thành phần (PC1) thay ảnh toàn sắc độ phân giải cao (HRPIs) + Bước cuối tiến hành chuyển đổi PCA ngược trở lại để có ảnh đa phổ độ phân giải cao ( HRMIs - ảnh trộn) Việc chuyển đổi thực theo cơng thức sau: t¹p chÝ khoa häc đo đạc đồ số 28-6/2016 23 Nghiờn cu : Giá trị độ xám ảnh trộn (3) : Giá trị độ xám ảnh đa phổ kênh 1,2,…n DNPAN : Giá trị độ xám ảnh toàn sắc Trong v ma trận chuyển đổi: (4) (5) d Phương pháp nhân ảnh (Multiplicative method) Phương pháp nhân ảnh phương pháp trộn ảnh kết hợp hai liệu cách nhân pixel kênh ảnh k liệu đa phổ tương với pixel ảnh liệu toàn sắc Để bù đắp cho tăng cường độ sáng, thực bậc hai tập liệu kết Theo [6] Công thức phương pháp nhân ảnh sau: (7) Trong đó: PC1, PC2, PCn thành phần kênh ảnh 1,2,…n giá trị độ xám ảnh đa phổ độ phân giải thấp kênh 1,2,…n giá trị độ xám ảnh đa phổ độ phân giải cao kênh 1,2,…n c Phương pháp biến đổi Brovey Trong phương pháp trộn màu kênh ảnh tạo thông qua việc cộng, trừ, nhân, chia kênh ảnh màu với ảnh độ phân giải cao, sau tổ hợp kênh lại để đạt kết cuối Có nhiều cơng thức khác nhiều tác giả đề xuất Một phương pháp hiệu phổ biến biến đổi Brovey Phương pháp biến đổi Brovey sử dụng thuật toán kết hợp màu sắc ảnh với liệu phân giải cao thể theo công thức sau: (6) Trong đó: MSk(i,j) pixel hàng i cột j kênh k ảnh đa phổ; Pan(i,j) pixel hàng i cột j ảnh toàn sắc e Phương pháp trộn ảnh HPF Phương pháp trộn ảnh HPF lần giới thiệu Schowengerdt (1980) phương pháp để làm tăng độ phân giải không gian cho liệu ảnh Landsat MSS Phương pháp HPF bao gồm bổ sung chi tiết khơng gian lấy từ ảnh tồn sắc độ phân giải cao PAN vào ảnh đa phổ độ phân giải thấp MS Thông tin tần số cao xác định cách lọc thơng tin ảnh tồn sắc với lọc High Pass, thông qua điểm ảnh trung bình đơn giản cửa sổ Ví dụ, lọc sử dụng theo cơng thức (8) (8) Trong ú: 24 tạp chí khoa học đo đạc đồ số 28-6/2016 Nghiờn cu dng đơn giản nhất, ma trận lọc High Pass xác định giá trị “-1” tất vị trí trừ vị trí trung tâm High Pass lọc tính trung bình theo cửa sổ xung quanh điểm ảnh kênh toàn sắc Các thành phần tần số cao chồng lên hình ảnh tồn sắc Ngồi ra, kết chia cho hai để bù đắp việc tăng giá trị độ sáng Kỹ thuật cải thiện độ phân giải không gian cho liệu ảnh tổ hợp kênh ảnh riêng lẻ Theo [6] công thức xác định theo (8): (9) - Theo [3], Bias độ lệch giá trị trung bình ảnh gốc ảnh sau trộn Chất lượng tốt có giá trị gần 0: (10) Trong đó: MSmean, fusedmean giá trị trung bình tương ứng ảnh đa phổ ảnh trộn tính theo cơng thức: - STD độ lệch chuẩn tính kênh ảnh xác định theo cơng thức: Trong đó: MSk: Pixel kênh ảnh đa phổ; PHPF: Ảnh lọc tần số cao 2.2 Các số đánh giá chất lượng phổ ảnh sau trộn Chất lượng ảnh sau trộn nhận từ phương pháp trình bày mục 2.1 đánh giá dựa thông tin phổ trước sau trộn Phương pháp đánh giá chất lượng phổ ảnh sau trộn phân tích thơng qua phương pháp: (1) So sánh chất lượng mắt với ảnh trước trộn; (2) Phân tích vào histogram; (3) Phân tích số đánh giá chất lượng phổ Phương pháp đánh giá dựa vào việc so sánh chất lượng mắt mang tính cảm quan, phụ thuộc vào kiến thức chuyên gia [8] Phương pháp dựa vào phân tích histogram sử dụng trộn ảnh đa phổ ảnh toàn sắc có chiều dài bước sóng có độ tương quan lớn kênh [9] Do đó, tác giả đề xuất phương pháp thử nghiệm đánh giá chất lượng ảnh sau trộn dựa vào số đánh giá chất lượng phổ Trong tài liệu nghiên cứu[3], [9], đề xuất sử dụng số thống kê để đánh giá chất lượng phổ ảnh sau trộn bao gồm số Bias, số chênh lệch Entropy (H), số ERGAS (Relative dimensionless global error in synthesis) (11) - Theo [8], số chênh lệch Entropy: Sự khác biệt entropy ảnh gốc ảnh trộn (12) Trong đó: xác suất xảy giá trị i - Theo [8], số ERGAS (Relative dimensionless global error in synthesis) đề xuất Wald (2000) số đặc trưng cho chất lượng trình trộn ảnh dựa sai số trung bình chuẩn hóa kênh ảnh sau trộn Tăng số ERGAS đồng nghĩa với suy giảm hình ảnh trình trộn ảnh Chỉ số ERGAS tính sau: (13) Trong đó: dh/dl tỷ số kích thước pixel ảnh tồn sắc ảnh đa phổ N số lượng kênh ảnh RMSE bình phương sai số tính theo cơng thức sau: (14) Kết thử nghiệm t¹p chÝ khoa học đo đạc đồ số 28-6/2016 25 Nghiờn cứu Dữ liệu thử nghiệm ảnh WorldView - Đặc điểm tư liệu thử nghiệm thể (xem bảng 1) a Phân tích kết trộn ảnh quan sát trực tiếp Kết thử nghiệm phương pháp trộn ảnh thể hiện: (xem hình 1) (a) Ảnh gốc đa phổ trước trộn với tổ hợp màu (4:3:2); (b) Ảnh gốc toàn sắc; (c) Ảnh sau trộn theo phương pháp PCA (d) Ảnh sau trộn theo phương pháp nhân ảnh; (e) Ảnh sau trộn theo phương pháp IHS cải tiến; (f) Ảnh sau trộn theo phương pháp Brovey; (g) Ảnh sau trộn theo phương pháp HPF Tác giả so sánh đồ thị histogram ảnh trước sau trộn ảnh theo phương pháp trình bày (xem hình 2) (a) Histogram ảnh gốc đa phổ gốc; (b) Histogram ảnh sau trộn theo phương pháp PCA; (c) Histogram ảnh sau trộn theo phương pháp nhân ảnh; (d) Histogram ảnh sau trộn theo phương pháp Brovey; (e) Histogram ảnh sau trộn theo phương pháp IHS cải tiến; (f) Ảnh sau trộn theo phương pháp HPF Trong (hình 2-d) ta thấy phương pháp Brovey sau trộn nhỏ (xấp xỉ 0) Do phân tích Histogram khơng thể đồ thị lên c Phân tích dựa số đánh giá chất lượng phổ Chất lượng phổ phương pháp trộn ảnh so với ảnh gốc thể qua bảng (xem bảng 2) Qua kết thể (hình 1), (hình 2) (bảng 2), ta thấy phương pháp trộn ảnh theo phương pháp phương pháp IHS 26 cải tiến cho kết tốt với số đánh giá chất lượng phổ tốt so với phương pháp khác Phương pháp chuyển đổi hệ màu HIS cải tiến cho hình ảnh màu sắc tương tự ảnh gốc Đồ thị histogram phương pháp chuyển đổi hệ màu HIS cải tiến có dạng tương quan với đồ thị Histogram ảnh gốc Đặc biệt số ERGAS phương pháp chuyển đổi hệ màu HIS cải tiến nhỏ 8.0397, chênh lệch giá trị Bias 0.6541, số chênh lệch Entropy 0.1476 Phương pháp nhân ảnh Multiplicative cho chất lượng phổ với giá trị ERGAS 25328.7 Kết luận Phương pháp trộn liệu ảnh đóng vai trị quan trọng ứng dụng viễn thám, cung cấp nhiều thơng tin phân tích riêng dạng tư liệu Qua kết phân tích quan sát trực tiếp thông qua số đánh giá chất lượng phổ ảnh sau trộn, tác giả lựa chọn phương pháp trộn ảnh theo phương pháp chuyển đổi hệ màu HIS cải tiến Các số đánh giá chất lượng tương quan ảnh sau trộn ảnh rõ phương pháp chuyển đổi hệ màu HIS cải tiến cho kết tốt nhất.m Tài liệu tham khảo [1] Chu Hải Tùng (2008), Nghiên cứu khả ứng dụng ảnh vệ tinh Radar quang học để thành lập số thông tin lớp phủ mặt đất, Đề tài cấp Bộ, Bộ Tài nguyên Môi trường [2] Nguyen Van Trung, Jung-Hyun Choi, Joong-Sun Won (2010) Fusion of ALOS PALSAR and ASTER data for landcover classification at Tonle Sap floodplain, Cambodia Proc SPIE Asia-Pacific Remote Sensing, Vol 7858 [3] Acerbi, F.W., Clevers, J.G.P.W., and Schaepman, M.E., 2006 The assessment tạp chí khoa học đo đạc đồ số 28-6/2016 Nghiờn cu Bng 1: Tng hợp liệu thử nghiệm Giờ, ngày chụp 010h38’/7/07/2010 Mức độ phủ mây ~0% Điều kiện thời tiết Nắng mạnh, tạo bóng đối tượng rõ Mức độ xử lý Tiền trực ảnh - OrthoReady Standard, mức độ 2A hiệu chỉnh xạ Độ phân giải Kênh toàn sắc: 0.46m Kênh đa phổ: 1.84m Khuôn dạng ảnh GEOTIFF không nén, 11 Bit Hệ tọa độ tạm thời “RPC” Geographic Lat/Lon –WGS84 Độ lớn cảnh ảnh toàn sắc Số hàng: 34418 Số cột: 25960 Độ lớn cảnh ảnh đa phổ Số hàng:8820 Số cột: 6295 Hình 1: Kết phương pháp trộn ảnh Bảng 2: Chỉ số đánh giá chất lượng phổ phương pháp trộn ảnh Phương pháp Bias H (x) ERGAS PCA 1.0127 0.0053 21.1194 Multiplicative 341.408 0.0040 25328.7 Modif HIS 0.6541 0.1476 8.0397 HPF 0.3922 0.1970 9.2486 Brovey 55.3270 0.0056 1153.3 Hình 2: Phân tích đồ thị Histogram phương pháp trộn ảnh of multi-sensor image fusion using wavelet transform for mapping the Brazalian Savana International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, 8, 278–288 [4] C Pohl C, (1999), Toll and methods for fusion of image of diferent spatial resolution, International Archives of photogrametry and remote Sensing, Vol.32, pat 7-4-3 W6, valadolid Spain 3-4 June [5] C Pohl & J L Van Genderen (1998), Review article: Multisensor image fusion in remote sensing: concepts, methods and applications, International journal remote sensing, Vol 19, No 5, pp.823-854 [6] Firouz Abdullah Al-Wassai, N.V Kalyankar, Ali A Al-Zuky (2011) Arithmetic and Frequency Filtering Methods of Pixel-Based Image Fusion Techniques Journal-ref: International Journal of Advanced Research in Computer Science ]7] Yuhendra Yusuf, Josaphat Tetuko Sri Sumantyo, Hiroaki Kuze (2013), Spectral information analysis of image fusion data for remote sensing applications, Geocarto International, Vol 28, No 4, 291-310 [8] Shi, W., et al., 2005 Wavelet-based image fusion and quality assessment International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, 6, 241–251 [9] Yuhendra Yusuf, Josaphat Tetuko Sri Sumantyo, Hiroaki Kuze (2013), Spectral information analysis of image fusion data for remote sensing applications, Geocarto International, Vol 28, No 4, 291-310.m (Xem tip trang 33) tạp chí khoa học đo đạc đồ số 28-6/2016 27 ... RGB là: (2) Phương pháp chuyển đổi hệ màu IHS phương pháp trộn ảnh nhất, ban đầu áp dụng để trộn ảnh đa phổ độ phân giải thấp với ảnh toàn sắc có độ phân giải cao, nhằm tăng cường độ phân giải màu... trộn theo phương pháp PCA (d) Ảnh sau trộn theo phương pháp nhân ảnh; (e) Ảnh sau trộn theo phương pháp IHS cải tiến; (f) Ảnh sau trộn theo phương pháp Brovey; (g) Ảnh sau trộn theo phương pháp HPF... 1,2,…n giá trị độ xám ảnh đa phổ độ phân giải thấp kênh 1,2,…n giá trị độ xám ảnh đa phổ độ phân giải cao kênh 1,2,…n c Phương pháp biến đổi Brovey Trong phương pháp trộn màu kênh ảnh tạo thông