Nghiên cứu phương pháp hiệu chỉnh bức xạ đối với ảnh vệ tinh viễn thám phục vụ giám sát tài nguyên và môi trường

Bài viết Nghiên cứu phương pháp hiệu chỉnh bức xạ đối với ảnh vệ tinh viễn thám phục vụ giám sát tài nguyên và môi trường trình bày kết quả thực nghiệm hiệu chỉnh bức xạ ảnh vệ tinh Landsat TM năm 2017 cho khu vực huyện Lộc Bình (Lạng Sơn).

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP HIỆU CHỈNH BỨC XẠ ĐỐI VỚI ẢNH VỆ TINH VIỄN THÁM PHỤC VỤ GIÁM SÁT TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG Nguyễn Ngọc Hồng Trường Đại học Tài ngun Mơi trường Hà Nội Tóm tắt Ảnh vệ tinh viễn thám sau được thu nhận tồn tại nhiều sai số Các sai số của ảnh viễn thám làm sai lệch giá trị phổ Hiệu chỉnh xạ ảnh vệ tinh viễn thám toán cần thiết Nghiên cứu trình bày kết thực nghiệm hiệu chỉnh xạ ảnh vệ tinh Landsat TM năm 2017 cho khu vực huyện Lộc Bình (Lạng Sơn) Nghiên cứu trước tiên hiệu chỉnh ảnh hưởng cảm, sau hiệu chỉnh ảnh hưởng khí ảnh vệ tinh Landsat Kết nghiên cứu cho thấy: (i) Ảnh sau hiệu chỉnh có hệ số phản xạ cao so với ảnh trước hiệu chỉnh; (ii) Đường cong phản xạ phổ thực nghiệm (của thực vật nước) ảnh sau hiệu chỉnh tuân theo xu hướng đường cong phản xạ phổ lý thuyết Từ khóa: Ảnh vệ tinh; Hiệu chỉnh xạ; Tài nguyên môi trường; Viễn thám Abstract Research on methods of radiometric correction for satellite images to service for monitoring resources and environment Remote sensing satellite images after being acquired have many errors The errors of the remote sensing images distort the spectral value Radiometric correction of of remote sensing satellite images is a necessary problem The study presents experimental results of satellite image radiometric correction of Landsat TM in 2017 in Loc Binh district (Lang Son) The study first corrects the effect of the sensor and then corrects for the effects of the atmosphere on the Landsat satellite images The research results show that: (i) The image after correction has a higher reflectance than the image before correction; (ii) The reflectance curve of the experimental spectrum (of plants and water) of the image after correction follow the trend of the theoretical spectral reflectance curve Keywords: Remote sensing images; Radiometric correction; Environmental resources; Remote sensing Đặt vấn đề Ảnh viễn thám sau được thu nhận từ vệ tinh thông thường vẫn tồn tại nhiều sai số Sai số của ảnh viễn thám là những yếu tố làm sai lệch giá trị phổ hoặc đặc điểm hình học của ảnh [1] Do vậy, để có thể sử dụng các bài toán cụ thể, một yêu cầu bắt buộc là phải tiền xử lý ảnh viễn thám Có loại sai số của ảnh viễn thám, bao gồm sai số về phổ liên quan đến độ xám của các pixel ảnh và sai số về hình học (Geometric error) - liên quan đến hình dạng ảnh Sai số về phổ thường xuất phát từ các nguyên nhân ảnh hưởng của bầu khí quyển, tán xạ lượng (Hiệu ứng Rayleigh, hiệu ứng Mie), lỗi của cảm [2] Việc hiệu chỉnh các sai số về phổ thường được thực hiện bởi nhà cung cấp ảnh ở giai đoạn tiền xử lý Chất lượng ảnh vệ tinh thường bị ảnh hưởng cảm, địa hình khí tán xạ, phản xạ, xạ hấp thụ Trong trình thu nhận ảnh vệ tinh, lượng xạ điện từ bị ảnh hưởng cảm đặt vệ tinh bị suy giảm tán xạ ánh sáng sol khí (Cát, bụi, khói, CO2,…) hấp thụ nước trình truyền qua tầng khí [1 - 3], việc hiệu Hội thảo Quốc gia 2022 277 chỉnh ảnh hưởng ảnh vệ tinh quang học điều cần thiết để đảm bảo chất lượng ứng dụng thực tế [4, 5] Nghiên cứu sử dụng ảnh vệ tinh hiệu chỉnh mức L1TP nên nghiên cứu này, trình bày kết thực nghiệm hiệu chỉnh xạ ảnh vệ tinh Landsat cho khu vực huyện Lộc Bình (Lạng Sơn) Phương pháp nghiên cứu 2.1 Hiệu chỉnh ảnh hưởng cảm Bước đầu tiên hiệu chỉnh bức xạ ảnh LANDSAT TM là việc chuyển đổi giá trị số nguyên của ảnh sang giá trị thực của bức xạ điện từ Việc hiệu chỉnh này giúp tăng cường chất lượng ảnh cũng giảm thiểu sự khác biệt ghép các cảnh ảnh khác Thông thường, phương pháp xác định giá trị bức xạ phổ được cung cấp bởi nhà sản xuất ảnh Đối với các thế hệ ảnh LANDSAT thu nhận từ các bộ cảm biến khác nhau, phương pháp xác định giá trị bức xạ phổ là khác Đối với ảnh vệ tinh LANDSAT TM, việc chuyển đổi từ giá trị số nguyên sang giá trị bức xạ với ảnh được thực hiện sau [4 - 9]: (1) Trong đó: Lλ: Giá trị bức xạ phổ; Grescale, Brescale: Hệ số chuyển đổi được cung cấp file metadata ảnh LANDSAT TM 2.2 Hiệu chỉnh ảnh hưởng khí Trong trình thu nhận ảnh vệ tinh, lượng xạ điện từ bị suy giảm tán xạ ánh sáng sol khí (Cát, bụi, khói, CO2,…) hấp thụ nước trình truyền qua tầng khí Việc hiệu chỉnh ảnh hưởng khí để nâng cao chất lượng ảnh vệ tinh thực nhiều thuật toán DOS, COST, ATCOR, 6S FLAASH Trong mơ hình FLAASH (Fast Line - of - sight Atmospheric Analysis of Hypercubes) dựa sở mơ hình truyền xạ khí nên hiệu chỉnh ảnh hưởng tán xạ lẫn hấp thụ sóng điện từ Trong mơ hình FLAASH, giá trị xạ điện từ đỉnh khí ảnh Landsat TM OLI, , xác định theo công thức sau [9]: (2) Trong đó: ρ: Giá trị phản xạ phổ bề mặt đất; ρe: Giá trị phản xạ phổ trung bình thân pixel pixel xung quanh; S: Suất phản chiếu khí quyển; : Giá trị xạ điện từ bị tán xạ trở lại khí thu nhận cảm; A B: Các hệ số phụ thuộc vào điều kiện khí điều kiện hình học Các giá trị A, B, S xác định biết rõ mơ hình khí sử dụng MODTRAN4 Khi đó, giá trị phản xạ phổ trung bình khơng gian, , xác định theo công thức sau: (3) 278 Hội thảo Quốc gia 2022 Kết thảo luận Hình thể kết sau hiệu chỉnh ảnh hưởng cảm ảnh vệ tinh Landsat Các thông số hiệu chỉnh lấy file METADATA cung cấp Cục Điều tra địa chất Hoa Kỳ [10] Trước hiệu chỉnh Sau hiệu chỉnh Hình 1: Ảnh Landsat TM chụp ngày 06/12/2017 trước sau hiệu chỉnh ảnh hưởng khí Kết hiệu chỉnh khí hình vẽ Đối với nước: Ảnh sau hiệu chỉnh có hệ số phản xạ cao so với ảnh trước hiệu chỉnh, nước sơng có hệ số phản xạ cao 0,19 so với 0,3; Nước ao, hồ có hệ số phản xạ cao tương ứng 0,16 0,2 Do ảnh hưởng khí nên hệ số phản xạ sóng điện từ nước ao, hồ dải sóng xanh lam (khoảng 0,145) gần tương đương dải sóng xanh (0,147) ảnh chưa hiệu chỉnh khí Sau hiệu chỉnh đường cong phản xạ phổ thực nghiệm nước ao hồ tuân theo xu hướng đường cong lý thuyết: Hệ số phản xạ sóng điện từ dải xanh lam thấp (khoảng 0,16), tăng lên đỉnh dải xanh (gần 0,2) giảm mạnh dải cận hồng ngoại (xấp xỉ 0) Sau hiệu chỉnh Trước hiệu chỉnh Hình 2: Đường cong phản xạ phổ thực vật ảnh Landsat TM trước sau hiệu chỉnh ảnh hưởng khí Hội thảo Quốc gia 2022 279 Sau hiệu chỉnh Trước hiệu chỉnh Hình 3: Đường cong phản xạ phổ nước sông ảnh Landsat TM trước sau hiệu chỉnh ảnh hưởng khí Trước hiệu chỉnh Sau hiệu chỉnh Hình 4: Đường cong phản xạ phổ nước ao hồ ảnh Landsat TM trước sau hiệu chỉnh ảnh hưởng khí Kết luận Nghiên cứu trình bày kết thực nghiệm hiệu chỉnh xạ ảnh vệ tinh Landsat TM năm 2017 khu vực huyện Lộc Bình (Lạng Sơn) Kết nghiên cứu cho thấy: (i) Ảnh sau hiệu chỉnh có hệ số phản xạ cao so với ảnh trước hiệu chỉnh, (ii) Đường cong phản xạ phổ thực nghiệm (của thực vật nước) ảnh sau hiệu chỉnh tuân theo xu hướng đường cong phản xạ phổ lý thuyết Nghiên cứu thêm lần chứng minh, chất lượng ảnh vệ tinh thường bị ảnh hưởng cảm, địa hình khí tán xạ, phản xạ, xạ hấp thụ Do việc hiệu chỉnh ảnh hưởng ảnh vệ tinh quang học điều cần thiết để đảm bảo chất lượng ứng dụng thực tế TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Chander, G., & Markham, B (2003) Revised Landsat-5 TM radiometric calibration procedures and postcalibration dynamic ranges. IEEE Transactions on geoscience and remote sensing, 41(11), 2674 - 2677 [2] Chander, Gyanesh, Brian L Markham and Julia A Barsi (2007) Revised Landsat-5 thematic mapper radiometric calibration IEEE Geoscience and remote sensing letters 4.3 (2007): 490 - 494 [3] Chander, Gyanesh, Brian L Markham and Dennis L Helder (2009) Summary of current radiometric calibration coefficients for Landsat MSS, TM, ETM+ and EO-1 ALI sensors Remote sensing of environment 113.5 (2009): 893 - 903 [4] Markham, Brian, Julia Barsi, Geir Kvaran, Lawrence Ong, Edward Kaita, Stuart Biggar, Jeffrey 280 Hội thảo Quốc gia 2022 Czapla-Myers, Nischal Mishra and Dennis Helder (2014) Landsat-8 operational land imager radiometric calibration and stability. Remote Sensing 6, no 12 (2014): 12275 - 12308 [5] Montanaro, Matthew, Allen Lunsford, Zelalem Tesfaye, Brian Wenny and Dennis Reuter (2014) Radiometric calibration methodology of the Landsat thermal infrared sensor. Remote Sensing 6, no (2014): 8803 - 8821 [6] Montanaro, M., Lunsford, A., Tesfaye, Z., Wenny, B., & Reuter, D (2014) Radiometric calibration methodology of the Landsat thermal infrared sensor. Remote Sensing, 6(9), 8803 - 8821 [7] Thorne, K., Markharn, B., Barker, P S., & Biggar, S J P E (1997) Radiometric calibration of Landsat. Photogrammetric Engineering & Remote Sensing, 63(7), 853 - 858 [8] Thome, K J (2001) Absolute radiometric calibration of Landsat ETM+ using the reflectance - based method. Remote Sensing of Environment 78.1-2 (2001): 27 - 38 [9] Wukelic, G E., et al (1989) Radiometric calibration of Landsat Thematic Mapper thermal band. Remote sensing of environment 28 (1989): 339 - 347 [10] https://www.usgs.gov/ BBT nhận bài: 30/9/2022; Chấp nhận đăng: 31/10/2022 Hội thảo Quốc gia 2022 281 ... trước sau hiệu chỉnh ảnh hưởng khí Kết hiệu chỉnh khí hình vẽ Đối với nước: Ảnh sau hiệu chỉnh có hệ số phản xạ cao so với ảnh trước hiệu chỉnh, nước sơng có hệ số phản xạ cao 0,19 so với 0,3;... luận Nghiên cứu trình bày kết thực nghiệm hiệu chỉnh xạ ảnh vệ tinh Landsat TM năm 2017 khu vực huyện Lộc Bình (Lạng Sơn) Kết nghiên cứu cho thấy: (i) Ảnh sau hiệu chỉnh có hệ số phản xạ cao so với. .. cong phản xạ phổ nước sông ảnh Landsat TM trước sau hiệu chỉnh ảnh hưởng khí Trước hiệu chỉnh Sau hiệu chỉnh Hình 4: Đường cong phản xạ phổ nước ao hồ ảnh Landsat TM trước sau hiệu chỉnh ảnh hưởng