Trong bài báo này, nhóm nghiên cứu xây dựng thành công quy trình ghép nối ảnh vệ tinh VNREDSat-1. Quy trình bao gồm các bước xác định vùng chồng phủ, chiết xuất đường tiếp biên, hiệu chỉnh phổ và ghép nối ảnh. Kết quả thực nghiệm là ảnh ghép của 22 tấm ảnh vệ tinh VNREDSat-1độ phân giải 2.5m khu vực tỉnh Phú Thọ.
Nghiên cứu - Ứng dụng KỸ THUẬT GHÉP NỐI ẢNH VỆ TINH VNREDSAT-1 NGUYỄN TRƯỜNG XUÂN(1), NGUYỄN THỊ MAI DUNG(1), TRẦN THỊ HẢI VÂN(1) LƯU VĂN DOANH(2), TRẦN QUỐC SỰ(2) Trường Đại học Mỏ - Địa chất Sở Tài nguyên Mơi trường Phú Thọ (1) (2) Tóm tắt: Kỹ thuật ghép ảnh vệ tinh định nghĩa kỹ thuật kết nối hai hay nhiều ảnh trực giao có chồng phủ Các yêu cầu kỹ thuật thực ghép nối ảnh bao gồm độ chồng phủ ảnh đầu vào, hệ thống tọa độ, kích thước điểm ảnh độ quay ảnh.Trong báo này, nhóm nghiên cứu xây dựng thành cơng quy trình ghép nối ảnh vệ tinh VNREDSat-1.Quy trình bao gồm bước xác định vùng chồng phủ, chiết xuất đường tiếp biên, hiệu chỉnh phổ ghép nối ảnh.Kết thực nghiệm ảnh ghép 22 ảnh vệ tinh VNREDSat-1độ phân giải 2.5m khu vực tỉnh Phú Thọ Mở đầu Kỹ thuật ghép ảnh trình nhóm hợp ảnh nhỏ riêng biệt thành ảnh lớn phủ trùm khu vực rộng lớn đường ghép nối ảnh gốc xử lý để đảm bảo cân mầu sắc ảnh Nhìn chung, trình ghép nối ảnh chia thành bốn giai đoạn sau: (1) Nắn chỉnh ảnh hệ thống tọa độ; (2) Xác định đường ghép biên; (3) Cân giá trị phổ; (4) Nhóm hợp ảnh liền kề Có nhiều cơng trình nghiên cứu kỹ thuật ghép nối ảnh công bố Fonseca and Mạnunath (1996), Zobrist (1993) thực nghiên cứu kỹ thuật hiệu chỉnh phổ hình học phần ghép biên ảnh Landsat thiết lập ảnh ghép nối Shiren (1989) phát triển thuật tốn tìm kiếm điểm vùng chồng phủ hai ảnh theo chiều ngang chiều dọc giúp làm giảm khác biệt vùng ghép biên Afek and Brand (1998) kết hợp thuật toán khớp nối đối tượng vào quy trình tự động tìm kiếm đường ghép biên, xây dựng lưới tam giác khu vực chồng phủ, hiệu chỉnh phổ nhằm thu ảnh ghép nối hoàn chỉnh Du (2001) xây dựng thuật tốn chuẩn hóa phổ nhằm tạo ảnh ghép chuẩn hóa phổ khu vực rộng lớn dựa ảnh nắn Landsat TM Tuy nhiên nhược điểm phương pháp bước trình ghép nối ảnh khơng thực tự động Victor (2005) đề xuất quy trình tự động ghép nối ảnh tự động nhằm giảm bớt tác nhân ảnh hưởng đến độ xác ảnh kết Trong báo, nhóm nghiên cứu tập trung tìm hiểu phương pháp cắt ghép ảnh vệ tinh có, tiến hành đánh giá, lựa chọn phương pháp phù hợp liệu ảnh vệ tinh VNREDSat-1 Kết tạo quy trình ghép nối ảnh vệ tinh VNREDSat-1 ảnh ghép VNREDSat-1 khu vực nghiên cứu – tỉnh Phú Thọ Ảnh ghép tuân thủ yêu cầu kỹ thuật ghép ảnh viễn thám Bộ Tài ngun Mơi trường Quy trình ghép nối ảnh vệ tinh VNREDSat-1 Với mục tiêu khảo sát khả ứng dụng liệu ảnh vệ tinh VNREDSat-1 quản lý tài nguyên thiên nhiên môi Ngày nhận bài: 10/5/2016, ngày chuyển phản biện: 18/5/2016, ngày chấp nhận phản biện: 08/6/2016, ngày chấp nhận đăng: 30/6/2016 tạp chí khoa học đo đạc đồ sè 29-9/2016 43 Nghiên cứu - Ứng dụng trường Dựa đánh giá tổng quan phương pháp ghép nối ảnh phát triển Trong chuyên đề nhóm nghiên cứu tập trung nghiên cứu phương pháp ghép nối ảnh vệ tinh đa phổ độ phân giải cao VNREDSat-1 Phương pháp ghép nối ảnh xây dựng dựa giả thiết sau: (1) Phương pháp áp dụng cho liệu ảnh vệ tinh VNREDSat-1 nắn trực giao tổ hợp mầu tự nhiên với độ phân giải 2.5m (pan-sharpened); (2) Hiệu chỉnh ảnh hưởng khí khơng xét đến; (3) Khơng có thay đổi nhiều khác khu vực chồng phủ ảnh liền kề A Tạo ảnh mặt nạ Trên ảnh vệ tinh trực giao, đa phổ, độ phân giải cao (2.5m) VNREDSat-1 tồn lỗi mầu sắc điểm ảnh dọc theo đường biên ảnh Các lỗi làm giảm chất lượng ảnh đầu trình ghép nối ảnh Do để loại bớt sai số này, cần thiết lập ảnh mặt nạ Ảnh mặt nạ có giá trị 1, giá trị loại bỏ thêm vào tương ứng Ảnh mặt nạ sử dụng thông tin hệ tọa độ, lưới chiếu, datum, kích thước điểm ảnh (pixel) điểm chung (tie points) Đồng thời loại bỏ vùng cụ thể liệu ảnh đầu vào cách sử dụng phép toán số học ảnh B Xác định tọa độ điểm ảnh Thông tin hệ tọa độ ảnh VNREDSat-1 sử dụng tính tốn khu vực chồng phủ liệu lân cận Các điểm góc ảnh sử dụng để tính tốn tọa độ cho toàn pixel ảnh Giả sử XUTM YUTM tọa độ đồ điểm ảnh có tọa độ (x,y) hệ tọa độ ảnh Ta có tọa độ đồ điểm ảnh ảnh VNREDSat-1 xác định theo cơng thức: 44 Hình 1: Quy trình ghép nối ảnh vệ tinh VNREDSat-1 Trong XUTMYUTM tọa độ góc bên trái ảnh C Xác định khu vực chồng phủ cặp ảnh liền kề Tính tốn khu vực chồng phủ liệu ảnh đầu vào dựa tọa độ điểm ảnh bước quan trọng thuật toán ghép nối ảnh Kết bước xác định vùng chồng phủ tạo sai lệch bước xử lý Đầu tiên liệu ảnh đầu vào xếp thành cặp ảnh lân cận Điều kiện để xác định cặp ảnh liền kề biểu diễn theo công thức sau: tạp chí khoa học đo đạc đồ số 29-9/2016 Nghiên cứu - Ứng dụng (2) Trong đó: Pairimage giá trị biểu diễn cặp ảnh liền kề; f1RGB(x, y) f2RGB(x, y) giá trị điểm ảnh hai cặp ảnh liền kề vị trí (x,y); Khi hai ảnh liền kề xác định, khu vực chồng phủ cặp ảnh liền kề tính tốn dựa so sánh tọa độ điểm ảnh Trong đó: GR , GG , GB ảnh gradient tương ứng với kênh sóng đỏ, xanh xanh lam; fR , fG , fB giá trị phản xạ điểm ảnh kênh ảnh RGB tương ứng; Trong Overlap image khu vực chồng phủ cặp ảnh liền kề Phần tiếp biên vùng chồng phủ cặp ảnh liền kề tính tốn xuất Nó đóng vai trò nguồn liệu đầu vào cho bước xác định đường tiếp biên (seamline) hai ảnh Tập điểm ảnh an(x,y) phân bố vùng chồng phủ Overlapimage(x,y) cặp ảnh lựa chọn nhằm xác định phần tiếp biên Subset Overlapimage(x,y) Ta có cơng thức: SubsetOverlapimage = {a1,a2,a3, an} (4) D Xác định đường tiếp biên Đường tiếp biên tính tốn theo hai bước, bao gồm: (1) Tạo ảnh gradient; (2) Tạo ảnh biên Ảnh gradient tạo dựa vào phép nhân chập ma trận kernels phần ảnh tiếp biên vừa xác định bước Trong chuyên đề này, thuật toán Sobel sử dụng để tính tốn ảnh gradient từ phần tiếp biên khu vực chồng phủ hai ảnh liền kề Ta có cơng thức (5) fR ma trận Kernel theo hướng x,y Ảnh tiếp biên tính tốn dựa ảnh gradient Thơng thường, ảnh gradient thường làm bật đường gờ, nhiên việc tính tốn đường tiếp biên cịn phụ thuộc nhiều yếu tố Ta có cơng thức xác định đường tiếp biên sau: (6) Đường tiếp biên xác định cách lựa chọn giá trị nhỏ điểm ảnh lân cận theo hướng i E Cân histogram Thuật toán cân histogram phương pháp đơn giản nhằm hiệu chỉnh khác biệt mầu sắc hai ảnh Phương pháp xây dựng dựa phương trình đường thẳng Thơng thường, ảnh tổ hợp mầu thực bao gồm ba phương trình đường thẳng tương ứng với ba kênh ảnh đỏ, xanh, xanh lam F Ảnh ghép nối t¹p chÝ khoa học đo đạc đồ số 29-9/2016 45 Nghiờn cứu - Ứng dụng Ảnh vệ tinh ghi nhận hình ảnh khu vực chụp ảnh thời điểm khác cho kết ảnh biểu diễn khác Nếu thời gian ghi nhận hình ảnh cảnh ảnh ngắn khác biệt ảnh không đáng kể Kỹ thuật ghép ảnh định nghĩa kỹ thuật kết nối ảnh tự nhiên dựa hai ảnh liền kề Gọi Seamline (x,y) giá trị điểm ảnh tọa độ (x,y) vùng đệm bên trái cách Seamline (x,y) khoảng cách 100pixels biểu diễn ROIseamline (x,y) Tại vùng chồng phủ hai ảnh liền kề Overlapimage (x,y), f1image (x,y) biểu diễn giá trị điểm ảnh vùng chồng phủ Overlap1image (x,y), f2image (x,y) biểu diễn giá trị điểm ảnh vùng chồng phủ Overlap2image (x,y) Ảnh ghép nối thiết lập dựa công thức sau: tốn Các thơng tin điểm khống chế ảnh kích thước pixel ảnh sử dụng để xác định tọa độ điểm ảnh Khu vực chồng phủ cặp ảnh xác định cách so sánh tọa độ điểm ảnh hai ảnh liền kề Nếu điểm tọa độ trùng vùng ảnh chứa điểm xác định vùng chồng phủ hai ảnh liền kề Đường tiếp biên vùng chồng phủ hai ảnh liền kề xác định cách thiết lập ảnh gradient ảnh tiếp biên theo công thức (5) (6) Ảnh gradient tính tốn dựa giá trị phổ điểm ảnh thuật toán Sobel Ảnh tiếp biên xác định dựa việc tính tốn ảnh gradient Thuật toán cân histogram áp dụng nhằm làm giảm khác biệt vùng chồng phủ ảnh liền kề Phương trình đường thẳng y = ax + b tính tốn từ vùng chồng phủ xác định Kết thực nghiệm Trong chuyên đề nhóm tác giả sử dụng 22 ảnh VNREDSat-1 phủ trùm toàn khu vực tỉnh Phú Thọ nguồn liệu đầu vào quy trình cắt ghép ảnh nắn đề xuất Tất ảnh nắn trực giao (hệ tọa độ VN2000) thực pan-sharpened để thu liệu ảnh có kênh phổ có độ phân giải cao 2.5 mét Ảnh mặt nạ với hai giá trị thiết lập cho ảnh liệu nhằm loại bỏ sai số mép ảnh Để tính tốn vùng chồng phủ hai ảnh liền kề, tọa độ điểm ảnh liệu ảnh VNREDSat-1 tính 46 Hình 2: Kết xác định đường tiếp biên ảnh VNREDSat-1 Bước cuối quy trình ghép nối ảnh dựa đường tiếp biên xác định Hình thể kết t¹p chÝ khoa học đo đạc đồ số 29-9/2016 Nghiờn cu - Ứng dụng trình cắt ghép ảnh vệ tinh VNREDSat-1 khu vực tỉnh Phú Thọ Độ xác ảnh ghép xác định theo tiêu chí sau: (1) Sai số phổ dựa tính tốn thống kê giá trị độ xám pixel ảnh; (2) Sai số hình học dựatrên việc xác định cặp điểm ảnh tên hai ảnh nắn trực giao Hình biểu diễn biểu đồ giá trị độ xám (histogram) kết tính tốn thống kê giá trị trung bình độ lệch chuẩn dựa giá trị độ xám pixel ảnh đơn ảnh ghép Kết luận Dựa việc tổng hợp, phân tích đánh giá phương pháp ghép nối ảnh vệ tinh, nhóm nghiên cứu xây dựng thành cơng quy trình ghép nối ảnh vệ tinh VNREDSat-1 với yêu cầu tăng cường khả hiển thị chất lượng ảnh ghép Nâng cao hiệu chất lượng quy trình ghép nối ảnh thực cách sử dụng liệu ảnh nắn trực giao pan-sharpened VNREDSat-1 2.5m Ngoài để giảm bớt khác biệt mầu sắc ảnh liền kề liệu ảnh đầu vào ghi nhận thời điểm khác nhau, thuật toán ghép ảnh kết hợp với thuật toán xử lý ảnh khắc phục vấn đề tạo ảnh kết thể mầu sắc tự nhiên Bài báo phần kết nghiên cứu đề tài KHCN – VT12-15 Qua báo nhóm nghiên cứu gửi lời cảm ơn tới Ban Chương trình Khoa học Cơng nghệ Vũ trụ 2012 – 2015 định hướng hỗ trợ quý báu suốt thời gian nghiên cứu.m Hình 3: Ảnh ghép VNREDSat-1 độ phân giải 2.5m khu vực tỉnh Phú Thọ tạp chí khoa học đo đạc đồ số 29-9/2016 47 Nghiên cứu - Ứng dụng Kênh Kênh Kênh Ảnh Mean 87.310345 134.149425 108.816092 Stdev 3.434809 3.272609 4.789836 Ảnh Ảnh ghép Mean Stdev Mean Stdev 76.634146 2.669037 73.282609 2.875918 115.365854 121.978261 116.392157 2.961208 93.426829 4.548858 100.250000 5.540312 Hình 4: Biểu đồ giá trị độ xám pixel vùng chồng phủ ảnh VNREDSat-1 Tài liệu tham khảo [1] Antropov, O.; Rauste, Y.; Lonnqvist, A.; Hame, T PolSAR Mosaic Normalization for Improved Land-Cover Mapping IEEE Geosci Remote Sens Lett 2012, 9, 1074–1078 [2] Collings, S.; Caccetta, P.; Campbell, N.; Wu, X Techniques for BRDF correction of hyperspectral mosaics IEEE Trans Geosci Remote Sens 2010, 48, 3733–3746 [3] Du,Y.; Cihlar,J.; Beaubien,J.; Latifovic,R Radiometricnormalization,com- positing,andquality control for satellite high resolution image mosaics over large areas IEEE Trans Geosci Remote Sens 2001, 39, 623–634 [4] Gonzalez, R.C.; Woods, R.E Digital Image Processing; Addison-Wesley Publishing Company: Boston, MA, USA, 1992; pp 173–182 [5] Pan, J.; Wang, M.; Li, D.; Li, J Automatic generation of seamline network using area Voronoi diagrams with overlap IEEE Trans Geosci Remote Sens 2009, 47, 1737–1744.m Summary VNREDSat-1 satellite image mosaicking procedure Nguyen Truong Xuan, Nguyen Thi Mai Dung,Tran Hai Van, Hanoi University of Mining and Geology Luu Van Doanh, Tran Quoc Su, Phu Tho Environment and Natural Resources Department This paper developed and implemented satellite image mosaicking procedures to produce seamless and smooth mosaics from sequences of satellite images The procedure employs algorithms for overlapping region definition, seam line extraction, radiometric adjustment, and composition of overlap image Results of the experimentation on mosaicking geo-referenced VNREDSAT-1 satellite images with 2.5m resolution show that using ortho-rectified and geo-referenced images as input data supports for the overlapping image extraction step The seam line selection and histogram matching algorithmsfacilitate creating globally smooth and qualitative mosaics The procedure developed in this paper creates an efficient solution for producing reliable mosaic images.m 48 tạp chí khoa học đo đạc đồ số 29-9/2016 ... hình ảnh khu vực chụp ảnh thời điểm khác cho kết ảnh biểu diễn khác Nếu thời gian ghi nhận hình ảnh cảnh ảnh ngắn khác biệt ảnh khơng đáng kể Kỹ thuật ghép ảnh định nghĩa kỹ thuật kết nối ảnh. .. độ xám pixel ảnh đơn ảnh ghép Kết luận Dựa việc tổng hợp, phân tích đánh giá phương pháp ghép nối ảnh vệ tinh, nhóm nghiên cứu xây dựng thành cơng quy trình ghép nối ảnh vệ tinh VNREDSat-1 với... phương pháp ghép nối ảnh phát triển Trong chuyên đề nhóm nghiên cứu tập trung nghiên cứu phương pháp ghép nối ảnh vệ tinh đa phổ độ phân giải cao VNREDSat-1 Phương pháp ghép nối ảnh xây dựng