TONG QUAN VE VAN ĐÈ NGHIÊN CỨU
Định nghĩa chất lượng ảnh viễn thám quang học
Chất lượng dữ liệu ảnh viễn thám được đánh giá trên các mặt khác nhau như: thông số kỹ thuật, khả năng ứng dụng, giá thành Tuy nhiên, yếu tố quyết định chất lượng đó là thông số kỹ thuật của dé liệu ảnh viễn thám.
Chất lượng ảnh viễn thám quang học là mức giá trị của bộ thông số dữ liệu ảnh viễn thám quang học đáp ứng yêu cầu thiết kế của thiết bị chụp ảnh [4].
Trong nghiên cứu này, chất lượng ảnh được xét tới là chất lượng ảnh thô và chất lượng ảnh phục hồi [43], cụ thể như sau:
- Chất lượng ảnh thô thu được mà không cần qua một quá trình xử lý nào (kể cả bức xạ hay hình học) ngoài trừ ảnh hưởng khi vệ tinh chụp ảnh. Điều này cũng liên quan đến sự khác nhau giữa yêu cầu chụp ảnh và khi thực hiện chụp trong thực tế.
- Chất lượng ảnh phục hồi thu được bằng cách sử dung các kiến thức về điều kiện thực tế khi chụp ảnh Các kiến thức này khả dụng sau khi thu và quá trình xử lý có thé tiến hành sau thu.
1.1.3 Thông số chất lượng ảnh viễn thám quang học
Sự phát triển của hệ thống thông số chất lượng ảnh bắt đầu với sự xuất hiện của ảnh số Sự xuất hiện của ảnh số đã thay thế cho ảnh tương tự và tái tạo lại hình ảnh đối tượng dựa vào năng lượng cảm biến thu nhận được Trên cơ sở đó, các thuật toán xử lý ảnh số được nghiên cứu và phát triển để giảm thiểu việc mất thông tin; hơn nữa, sự phát triển của các kỹ thuật xử lý dẫn đến sự phát triển của các tiêu chí đánh giá chất lượng ảnh. Đề đánh giá và phục hồi chất lượng dữ liệu viễn thám, cần phải xem xét một số khía cạnh của hoạt động khi vệ tinh đang hoạt động trên quỹ đạo Những khía cạnh đó có thé được chia thành bốn loại: bức xạ, không gian, phô và hình học Vì các kỹ thuật gián tiếp không pho bién cho phd, nén chat luong phổ sẽ không được xét đến trong nghiên cứu nay.
Chất lượng bức xạ, không gian và hình học cần được đánh giá và cải thiện định kỳ, vì môi trường không gian khắc nghiệt có thé làm giảm hiệu suất của thiết bị.
Tỉ lệ tín hiệu nhiễu Khoảng cách lấy mau mặt dat
Hiệu chỉnh bức xạ tuyệt đối Hàm truyền điều Không gian biến
Hiệu chỉnh bức xạ tương đôi Hiệu ứng răng cưa
Bức xạ Độ ồn định bức xạ Độ chính xác
Hồi đáp tuyến tính Độ chính xác trắc địa Độ nhạy phân cực
Hình 1.1 Thông số chất lượng ảnh viễn thám
Cơ sở khoa học của hoạt động của viễn thám quang học là dựa trên bức xạ điện từ lan truyền tới cảm biến viễn thám Hiệu suất của cảm biến viễn thám thê hiện qua các đặc tính đo bức xạ là: độ phân giải hoặc dải động bức xạ, độ chính xác của đại lượng đo bức xạ (phản xạ hoặc bức xạ) theo tỷ lệ tuyệt đối, hồi đáp đo bức xa thay đổi theo thời gian, tín hiệu có thé phân biệt khi có nhiễu, v.v.
Hoạt động bức xạ của một hệ thong vệ tinh viễn thám được đặc trưng bởi các tham số chính sau đây: (1) tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu; (2) hiệu chỉnh bức xạ tuyệt đối; (3) hiệu chỉnh bức xạ tương đối; (4) độ ôn định của bức xạ; (5) thành phần lạ; (6) hồi đáp tuyến tính; (7) độ nhạy phân cực [11] Trong số bảy thông số chất lượng, hồi đáp tuyến tính và độ nhạy phân cực được xác định rõ đặc điểm trước khi phóng; thông thường, các thiết bị hiệu chuẩn chuyên dụng trên vệ tinh được sử dụng dé đánh giá hai thông số này, trong khi các phương pháp tiếp cận gián tiếp có thé khó khăn [12] Ví dụ, độ nhạy phân cực MODIS và Landsat 8 đã được đo bang cách sử dụng nguồn sáng phân cực và bộ phân cực tam, có thé thay trong các nghiên cứu trước đây [14] Vì vậy sẽ không xét đến hai thông số này.
Thành phần lạ là tham số chưa được định nghĩa rõ ràng, phát sinh trong quá trình nén hình ảnh, truyền dữ liệu hoặc do các vấn đề kỹ thuật như thiết kế, độ bão hòa của bộ cảm và lỗi đơn vị xử lý trên bo mạch Do tính chất chưa rõ ràng này, nghiên cứu không xét đến tham số này.
- Độ 6n định bức xạ: là thước đo sự thay đổi hồi đáp bức xạ của thiết bị theo thời gian Hiệu suất ôn định bức xạ của cảm biến trên quỹ đạo được thé hiện theo hai loại 6n là: (i) ngắn hạn và (ii) dai hạn [30] Sự ổn định ngắn hạn có thể được gọi là sự ôn định của bức xạ hồi đáp trong một quỹ đạo duy nhất Sự ồn định bức xạ dai hạn thường được theo dõi băng cách sử dụng các quan sát thiết bị hiệu chỉnh trên vệ tinh, mặt trăng và các bãi kiểm định bất biến [32, 54, 24].
- Hiệu chỉnh bức xạ tương đối: là quá trình định lượng sự thay đổi hồi đáp bức xạ trong mỗi bộ cảm so với nhau Trong điều kiện lý tưởng, bộ cảm của mỗi hệ thống chụp ảnh phải cho cùng một giá trị đầu ra chính xác sau khi có cùng một lượng bức xạ điện từ đầu vào Quá trình phóng, bức xạ cực tím và suy giảm thời gian là một vài trong số các yếu tố có thé gây ra sự không đồng nhất trong hồi đáp của bộ cảm khi vệ tinh đang hoạt động trên quỹ dao.
Nhiều phương pháp đã được sử dụng dé loại bỏ những yếu tố này cấp cảm biến Chúng có thể được phân thành hai loại: i) trên vệ tinh và ii) phương pháp dựa trên hiện trường trái đất Các thiết bị hiệu chuẩn trên vệ tinh, chăng hạn như đèn hoặc tấm khuếch tán, được sử dụng trong một số hệ thong viễn thám như một nguồn bức xạ đồng nhất dé xác định đặc tính không đồng nhất giữa bộ cảm với bộ cảm [30] Trong trường hợp không có thiết bị hiệu chuẩn trên tàu hoặc như một phương pháp đề theo dõi sự xuống cấp của thiết bị trên tàu, các phương pháp dựa trên hình ảnh Trái đất được sử dụng để định lượng sự thay đổi phan ứng giữa bộ cảm với bộ cảm.
- Hiệu chỉnh bức xạ tuyệt đối: là quá trình chuyển đổi giá trị độ xám
(DN) sang các đơn vị vật lý như giá trị bức xạ Quá trình này cho phép so sánh giữa các phép đo từ các cảm biến khác nhau Đã có những kỹ thuật hiệu chỉnh tuyệt đối sau khi phóng đã được phát triển trong nhiều thập kỷ qua; chúng có thé được phân thành loại là: phương pháp trên vệ tinh và phương pháp gián tiếp [30] Kỹ thuật hiệu chỉnh bức xạ tuyệt đối trên vệ tinh dựa vào các thiết bị hiệu chỉnh như đèn Hiệu chỉnh tuyệt đối gián tiếp sử dụng dữ liệu ảnh bề mặt Trái đất, quan sát mặt trăng, hình ảnh các đám mây dày đặc, v.v. Một vài phương pháp hiệu chuẩn tuyệt đối gián tiếp được sử dụng rộng rãi là:
Mô hình bãi kiểm định giả bất biến tuyệt đối (APICS) và / hoặc Mô hình bãi kiểm định giả bất biến mở rộng (ExPAC), mô hình mạng hiệu chỉnh bức xạ (RadCalNet) / các bãi kiểm định được trang bị, hiệu chuẩn chéo, hiệu chỉnh gián tiếp dựa trên phản xạ truyền thống (TRBVC), hiệu chuẩn tuyệt đối dựa
18 trên quan sát mặt trăng, mây đối lưu sâu Phương pháp được sử dụng trong nghiên cứu này là phương pháp gián tiếp, sử dụng các bãi kiểm định giả bất biến tuyệt đối với các thông số là tín hiệu tối (DS) và hồi đáp không đồng nhất của điểm ảnh (PRNU) Hai thông số này được áp dụng dé hiệu chỉnh dữ liệu trước khi đánh giá tỉ lệ tín hiệu nhiễu (SNR)
Tổng quan về đánh giá, phục hồi chất lượng ảnh viễn thám quang hoc
1.3.1 Các nghiên cứu ở nước ngoài a Những nghiên cứu về đánh giá chất lượng ảnh
Các nghiên cứu trên thế giới về đánh giá chất lượng ảnh thường được thực hiện ở một sô dạng như đánh giá và hiệu chỉnh bức xạ ảnh, đánh giá và
25 hiệu chỉnh hình học ảnh, Về phương pháp, hiện nay có nhiều phương pháp đánh giá như sử dụng vật chuẩn, pháp đánh giá chéo Tuy nhiên, phương pháp đánh giá chéo chỉ thích hợp với việc đánh giá phô và đánh giá độ đồng nhất của anh Dé đánh giá độ mờ và GSD cần phải sử dụng vật chuẩn dé so sánh các giá trị này đo được trên ảnh và đo được trên vật chuẩn [10].
Trong nghiên cứu đánh giá và hiệu chỉnh ảnh Landsat8 OLI_ TIR [39], các tác giả đã sử dụng phương pháp đánh giá chéo giữa anh Landsat 8 va
Landsat 7 trên khu vực Lybia Kết quả này đã cho thấy, giá trị bức xạ trên ảnh Landsat 8 và Landsat 7 tại các điểm chọn mẫu có độ sai khác khoảng 3%.
Một kết quả nghiên cứu khác có liên quan đến nội dung này là các công bố về đánh giá và hiệu chỉnh bức xạ anh Aster Trong nghiên cứu, các tác giả đã cung cấp một cách tóm tắt nhưng đầy đủ về những vấn đề đặt ra và cách giải quyết việc nhiễu xạ giữa 2 kênh ảnh VNIR và SWIR [9].
Hệ thống vệ tinh SPOT được đánh giá chất lượng ảnh qua thông số
SNR, MTE Trong đó, giá trị SNR được phân biệt nhiễu thành hàng và cột; nhiễu của ảnh sẽ là sự kết hợp theo hàm tổng bậc 2 của nhiễu hàng và nhiễu cột, SPOT sử dụng các cảnh ảnh một khu vực đồng nhất như sa mạc hay băng tuyết; kết hợp với các mô hình nhiễu [36].
Kỹ sư trưởng về thiết bị chụp ảnh của DigitalGlobe, Paul W Scot, đã đánh giá MTF của vệ tinh Quickbird và thấy rằng khi lấy mẫu sử dụng nội suy song tuyến cho các giá trị MTF thấp hơn và nội suy Sinc 8 điểm cho các giá trị MTF cao hơn, giá trị MTF trung bình tại tần số Nyquist theo cả hướng dọc và ngang với hướng bay đều đạt yêu cầu kỹ thuật là >0.1.
Các vệ tinh độ phân giải không gian cao thường tập trung đánh giá
MTF, giá trị cơ bản đặc trưng cho thiết kế hệ thống chụp anh va đảm bao chất lượng dit liệu được quan tâm nhất trong viễn thám của loại anh này Dé đánh giá MTF của dữ liệu Orbview-3, các nhà nghiên cứu đã sử dụng thuật toán
“gờ” với các bãi kiểm định được kẻ ô đen trang va cạnh cua các toa nhà cao tang có độ phan xạ cao[49]
Hệ thống vệ tinh Sentinel-2 của Châu Âu cũng được đánh giá theo chu kỳ hàng năm ở các mức dé liệu 1A, 2A, trong đó mức 1A được đánh giá bằng các chỉ số như SNR, MTF, mức độ hồi đáp của điểm ảnh, cân bằng bức xạ, bức xạ gián tiếp tuyệt d6i, [21]
Vệ tinh Landsat 7 được tác gia Jame C Storey thực hiện ước tính giá trị
MTF bang cach su dung cay cầu ở hồ Pontchartrain Causeway, bang Luouisiana, Hoa Kỳ như là bãi kiểm định dạng xung Kết quả thu được chỉ ra sự suy giảm hiệu suất MTF sau hai năm hoạt động và kết quả này là nằm trong dự đoán [52].
Tác giả M Estribaeu và P Magna đã sử dụng phương pháp ước tính
Sử dụng MTF cạnh nghiêng chỉ phù hợp với một cảnh cố định để ước tính MTF cho cảm biến CMOS và so sánh kết quả với vật chuẩn hình sin Mặc dù phương pháp này được tiêu chuẩn ISO 12233 thiết kế để ước tính MTF cho hầu hết các thiết bị chụp ảnh chỉ với một ảnh chụp, nhưng nhược điểm của nó là góc chụp phải nhỏ hơn 10°, tiêu chuẩn đề xuất là 5°; điều này không đơn giản trong thực tế chụp ảnh của hệ thống vệ tinh, đặc biệt là các hệ thống vệ tinh nhỏ có ưu điểm lớn nhất là tính linh hoạt cao.
Bên cạnh thuật toán “gờ”, một số tác giả đã đưa ra các phương pháp khác dé tính ước tinh MTF như sử dụng thuật toán mờ dé ước tính MTF đối với các vệ tinh có độ phân giải cao của tác giả Wu Zhaocong và cộng sự [56].
Trong nghiên cứu, các tác giả đã thiết lập hai thuộc tính cua MTF và các thuộc tính bức xạ là: Nyquist, MTF 0.5, entropy, đỉnh tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu, sai khác trung bình, cường độ cạnh, gradient trung bình, độ tương phan và khoảng cách lay mẫu mặt đất Day là một phương pháp khá khả quan dé so sánh chất lượng giữa hai hệ thống chụp ảnh, tuy nhiên việc đánh giá nảy là tương đối vì phụ thuộc vào việc lựa chọn yêu tô nào là chính.
Các tác gia Jin Li, Fei Xing, Ting Sun, Zheng You đã dé xuất một phương pháp ước tính MTF của ảnh SPOTS và Quickbirds gồm 5 bước, ước tính MTF bằng cách đạo hàm và biến đổi Fuorier [37] Phương pháp này được các tác giả cũng hy vọng phương pháp nay có thé là một tham chiếu dé đánh giá MTF trong tương lai Đặc điểm nổi bật của phương pháp này là việc sử dụng một phần ảnh khác biệt được chiết tách trong cảnh ảnh dé đánh giá mà không sử dụng các vật chuẩn Điều này đòi hỏi việc lựa chọn ảnh dưới khung cần chính xác và dam bảo độ đủ tương phản dé có thé tiến hành các bước tiếp theo.
Nhóm tác giả Christophe Latry, Vincent Despringre, Christophe
Phương pháp bình phương nhỏ nhất được Valorge (2005) sử dụng nhằm ước tính tỷ lệ giữa MTF của ảnh độ phân giải thấp và MTF của ảnh độ phân giải cao Phương pháp này được kỳ vọng có thể áp dụng thành công cho các hệ thống vệ tinh độ phân giải cao trong tương lai như Quickbirds, IKONOS, SPOT5, PLEIASDES-HR.
Phương pháp đồng dư pha được sử dụng để phát hiện các cạnh và góc của hình ảnh Sau khi phát hiện được các cạnh quan trọng, hàm trải rộng cạnh (ESF) được ước tính bằng phương pháp cạnh nghiêng Để giải mã tín hiệu hình ảnh bị suy giảm, thuật toán khôi phục hình ảnh dựa trên tổng biến thiên (TV) được sử dụng kết hợp với MTF ước tính từ ESF.
Cơ sở khoa học kiểm định gián tiếp và phục hồi chất lượng ảnh viễn thám quang hỌC .- :-:- 2 ++St2x+S++E+2EEE£EEEEEEEEEEEEeEkerkerkrrrrerrerreree 32 1 Cơ sở khoa học của viên thám quang NOC . -: :©-s-5s+ 32 2 Đặc điểm của hệ thong quang học trên vệ tỉnh nhỏ
2.1.1 Cơ sở khoa học của viễn thám quang học
Công nghệ viễn thám hoạt động dựa trên nguyên lý rằng các vật thể khác nhau có đặc điểm phản xạ hoặc bức xạ sóng điện từ riêng biệt tùy thuộc vào điều kiện Những đặc điểm này được ghi lại bằng các thiết bị viễn cảm hoặc chụp ảnh, tạo thành nguồn dữ liệu viễn thám.
Sóng điện từ được phản xạ hoặc được bức xạ từ vật thể là nguồn tư liệu chủ yếu trong viễn thám Tinh chất của vật thé có thé được xác định thông qua các năng lượng bức xạ hoặc phản xạ từ vật thể Đây là một công nghệ nhằm xác định và nhận biết đối tượng hoặc các điều kiện môi trường thông qua những đặc trưng riêng về phản xạ và bức xạ (minh họa trong hình 2.1)
Khí quyển ảnh số Đối tượng trên mặt đất
Hình 2.1 Nguyên lý thu nhận ảnh viễn thám
Dé hiểu rõ mối quan hệ giữa thiết bị chụp ảnh và chất lượng ảnh, đầu tiên cần phải hiểu nguyên lý và giới hạn của hệ thống chụp ảnh Một hệ thống chụp ảnh lý tưởng có thé biểu diễn tat cả các điểm trong không gian lên mặt phẳng ảnh cũng dưới dạng điểm, và giữ được khoảng cách tương đối giữa các điểm trong mặt phang ảnh giống như trong không gian vật Tức là về mặt hình học, ảnh là bản sao chính xác của đối tượng và chỉ khác về kích cỡ Hơn nữa, ảnh còn tái thé hiện trung thực phân bố cường độ tương đối trong không gian vật Tuy nhiên, một hệ thống chụp ảnh lý tưởng như vậy không tôn tại trong thực tế vì các quang sai của thành phần quang học cấu thành thiết bị chụp ảnh [19].
Một thấu kính đơn giản trên thiết bị chụp ảnh sẽ bao gồm hai gương cầu ghép với nhau Quang trục của các thành phần quang học khúc xạ hay phản xạ là một đường thắng ảo trùng khớp với trục đối xứng của bề mặt.
Trong các thành phần thấu kính, quang trục là một đường thăng đi qua các tâm của các bề mặt cong của thấu kính, và cũng được xem như là trục chính Các ống kính chụp ảnh thường có một số thấu kính đơn giản Trong các trường hợp đó, quang trục là một đường thăng được tạo thành nhờ sự trùng khớp của các trục chính của một loạt các thành phần quang học Các tia sáng gan va song song voi quang truc (tia đồng trục) hội tụ tạo một điểm trên quang trục, và điểm đó được gọi là tiêu điểm Mặt phăng vuông góc với trục quang học và đi quan tiêu điểm được gọi là tiêu diện (hình 2.2).
Hình 2.2 Mô tả cấu hình của hệ thong quang học đơn giản
Tiêu cự là thông số cơ bản của một hệ thống chụp ảnh, được định nghĩa là tỉ lệ của ảnh, tức là kích cỡ của một đối tượng trên mặt phăng ảnh so với kích cỡ thật của đối tượng (đồng thời cũng phụ thuộc vào khoảng cách giữa đối tượng và hệ thống chụp ảnh) Điểm giao nhau giữa các mặt phăng chính với trục quang học được gọi là điểm chính Lúc này, tiêu cự của hệ thống và khoảng cách giữa điểm chính và tiêu điểm Tuy nhiên, việc xác định chính xác mặt phăng chính trong một hệ thống đa thấu kính là không đơn giản Tiêu cự có thé đo đạc chính xác từ sự dịch chuyển của ảnh trên tiêu diện, khi tia đồng trục bị nghiêng một góc nhỏ Nếu x là độ lệch của điểm ảnh trên tiêu diện với một góc nghiêng của tia tới trên các thấu kính quan một góc đ, thì tiêu cự sẽ được xác định bằng công thức 2.1 sau đây [10] f= tan ỉ (2.1) x
Tất cả các hệ thống quang học đều có một khẩu độ dừng tại một điểm nao đó trong hệ thống, tại đó giới hạn số lượng ánh sáng tới khu vực chụp ảnh Do khẩu độ dừng điều khiển lượng ánh sáng từ đối tượng đến cảm biến. Trong hệ thống thấu kính đa thành phần khâu độ dừng thường ở giữa một vài thành phần thấu kính (hình 2.3a) l ‘= ẽ Ny | \ \ \ \ \ M
Hình 2.3 Vị trí khẩu độ dừng trong một hệ thong quang hoc thực tế Ảnh của khẩu độ dừng khi nhìn từ một điểm trên trục quang học từ không gian vật được gọi là đồng tử vào Tương tự ảnh của khâu độ dừng khi nhìn từ không gian ảnh được gọi là đồng tử ra Trong các thấu kính đơn giản hay các kính viễn vọng đơn giản như Newtonian, khẩu độ vào rõ ràng cho phép các tia sáng tự hình thành đồng tử vào (hình 2.3b)
Ngay cả với hệ thống quang học lý tưởng, một điểm cũng sẽ không bao giờ là một điểm trên ảnh do nhiễu xạ Hệ thống quang học thực tế còn có thêm quang sai, chia thành hai loại: quang sai cấu tạo và quang sai ngoài trục.
- Những quang sai phụ thuộc vào bước sóng (quang sai màu)
- Những quang sai độc lập với bước sóng (quang sai đơn sắc)
Hệ thống quang học được thiết kế sao cho ảnh hưởng của quang sai là nhỏ nhất Điều này có thể thực hiện được bằng cách sử dụng các vật liệu làm thấu kính khác nhau, độ cong hay thậm chí là sử dụng các hình dạng mặt khác nhau (mặt phi cầu).
Bên cạnh quang sai, một hiện tượng nữa cũng ảnh hưởng đến chất lượng hình ảnh là hiện tượng nhiễu xạ Kết quả của các hiện tượng này là hình ảnh của đối tượng trên ảnh không còn chính xác nữa (xem hình 2.4).
Hình 2.4 Anh hưởng của hiện tượng quang sai va ảnh trên tiêu diện
Sự xuất hiện của ảnh số đã thay thế cho ảnh tương tự và tái tạo lại hình ảnh đối tượng dựa vào năng lượng cảm biến thu nhận được Trên cơ sở đó, các thuật toán xử lý ảnh số được nghiên cứu và phát triển dé giảm thiểu việc mắt thông tin; hơn nữa, sự phát triển của các kỹ thuật xử lý dẫn đến sự phát triển của các tiêu chí đánh giá chất lượng ảnh Để đánh giá và nâng cao chất lượng dữ liệu viễn thám, cần phải xem xét một số khía cạnh của hoạt động khi vệ tinh đang hoạt động trên quỹ đạo.
Khả năng sử dụng tốt nhất của bất ky thiét bi chup anh nao phu thudc vào sự hiểu biết các đặc tính hoạt động của chúng đến đâu Rất nhiều thiết bị chụp ảnh của các hệ thống quan sát Trái đất không được xác định rõ ràng và chúng kém hơn rât nhiêu so với thực tê theo nhiêu cách Do đó cân phải chỉ rõ
36 thông số tối ưu của thiết bị chụp ảnh và hiểu rõ tiềm năng của chúng và so sánh chúng giữa các vệ tinh khác nhau [10].
Dữ liệu thô được thu nhận tại trạm mặt đất có chứa một lượng sai số/độ lệch chuẩn do cảm biến, thiết bị mang, ảnh hưởng khí quyên và hệ thống truyền phát dữ liệu Do đó, cần phải tái tạo các cảnh ảnh bị biến dạng dé thu được cảnh ảnh nguyên thủy ban đầu Người dùng thường quan tâm đến vị trí các điểm ảnh trong hệ tọa độ địa lý nào đó, chức năng của việc tham chiếu tọa độ là chuyền đổi tọa độ của các anh thu được về một hệ tọa độ cụ thê Đối với người dùng cuối, các sản phẩm ảnh được cung cấp cho họ phải thể hiện trung thực các thuộc tính hình học cũng như bức xạ như trên thực tế Chất lượng sản phẩm ảnh được tạo ra phụ thuộc vào hoạt động của cảm biến và các mô hình khác nhau dùng dé hiệu chỉnh, tham chiếu tọa độ, Hầu hết các công đoạn xử lý ra sản phẩm ảnh đều tập trung vào các mô hình để hiệu chỉnh được thực hiện sau khi thu dữ liệu mà chưa xét đến các hoạt động của cảm biến hay chính xác hơn là thiết bị chụp ảnh trên vệ tinh.
Để xác định và đặc trưng các đối tượng trên bề mặt Trái Đất, người dùng quan tâm đến độ chính xác của dữ liệu ảnh thu được Điều này phụ thuộc vào khả năng của cảm biến viễn thám trong việc phân biệt các giá trị bức xạ/phản xạ của các đối tượng thông qua các kênh phổ Tuy nhiên, không có bộ thông số kỹ thuật tối ưu chung cho tất cả các cảm biến, mà tùy thuộc vào từng nghiên cứu cụ thể Ngay cả khi xác định được các thông số lý tưởng (như độ phân giải không gian, số lượng kênh phổ, độ rộng kênh phổ và tỷ lệ tín hiệu/nhiễu), việc kết hợp chúng trong một hệ thống cảm biến vẫn là vấn đề phức tạp do mối liên quan chặt chẽ giữa các thông số này và các yêu cầu kỹ thuật của cảm biến.
2.1.2 Đặc điểm của hệ thông quang học trên vệ tỉnh nhỏ
Đánh giá chất lượng hệ thống chụp ảnh quang học
3.1.1 Đánh giá chất lượng qua tính toán MTF a Dữ liệu sử dụng
Dữ liệu thu thập được là ảnh VNREDSat-1 mức 1A được chụp tại khu vực bãi kiểm định SalondeProvence, công hòa Pháp Trong đó dữ liệu ảnh toàn sắc được dùng dé tính toán MTF, dữ liệu ảnh đa phô được dùng dé tính toán giá trị phản xạ của từng kênh phổ Thông tin cụ thé về dữ liệu được mô tả trong bảng 3.1.
Bảng 3.1 Dữ liệu ảnh dùng để tính toán MTF
STT Ngày chụp Loại ảnh Mức xử lý
7 24/06/2021 Toan sac 1A b Kết quả tính toán
Do dữ liệu ảnh thu được là ma trận hai chiều nên giá trị MTF cũng sẽ thay đổi theo cả hai chiều tương ứng là: dọc hướng bay và vuông góc với hướng bay, vì vậy giá trị MTF được tính toán cũng theo hai hướng này Đồng thời, tại bãi kiểm định dạng cạnh có hai dạng chuyên trạng thái là: từ trắng sang đen và từ đen sang trắng nên cũng cần phải thực hiện tính toán cho hai quá trình chuyền trạng thái này Kết quả cụ thể được mô tả sau đây.
- Doc theo hướng bay của vệ tinh o Chuyén đổi trạng thái từ den sang trắng
Chuyển trang thái từ đen sang trang Lay mau ESF LSF
Row 0 Row 0 ° 300 sứ Row 1 08 Row1
80 Row 0 Row 0 ° oe Row 1 08 —— Row1 g0 Row 2 5 - Row 2
, Row 3 -đồ cs ° 5 10 15 20 a a ao a vu 0 200 400 600 800 1000 pixel pial meycle/pixel o 10
2 100 Row3 ~20 ch 00 oo 25 50 75 100 125 20 25 0 5 10 5B 20 2 0 200 400 600 800 1000 pixel meycle/pixel
1 —w- Average Lo —— Average ° 350 100 Row 0 Row 0
? 100 Row 2 -ao À Row 3 bờ oo oo 25 50 75 100 125 oath ọ 3 10 5 20 25 ° 5 10 5 2 2 0 200 400 600 800 1000 pixel pixel meycle/pixel p 100 ~x- Average 10 ‘Average ° Row 0 Row 0
66235078 10.0 135 ọ s 10 15 20 25 0 5 10 15 20 25 0 200 400 600 800 1000 pixel pixel meycle/pixel o Chuyén đổi trạng thái từ trang sang den
Chuyén trang thai tir trang sang den
Nam Lay mau ESF LSF MTF average == Average Row 0 —— Rowe
0 5 10 15 20 xel 0 200 400 600 800 1000 pixel lở meycle/pixel
\ 6 Row 2 Row 2 oo 25 50 75 100 125 S88, aM - Row 3 o6 RoW 3
~100 00 ° 5 10 15 20 8 lu 8 20 0 200 400 600 800 1000 pixel on mcycle/pixel o 2 4 6 8 10
0.0 oo 25 50 75 100 125 20 25 ° 5 aig "Ô AI 200 400 600 800 1000 p mcycle/pixel
II rr es ọ 3 10 5 20 20 0 200 400 600 800 1000 pixel meycle/pixel
„ 10 15 20 200 400 600 800 1000 o 2 4 6 8 10 % ằ 20 a 2 ixel - Ra Pi meycle/pixel
Trong quá trình hoạt động, vệ tinh VNREDSat-1 duy trì giá trị MTF đồng đều, vượt ngưỡng thiết kế ban đầu là 0,08 Điều này thể hiện vệ tinh có khả năng chụp ảnh rõ nét, đáp ứng nhu cầu thu thập dữ liệu từ xa trong nhiều ứng dụng khác nhau.
Bang 3.2 Giá trị MTF theo chiều dọc hướng bay
Ngày chụp Chuyén từ đen sang trắng
Chuyển từ trang sang đen
- Vuông góc (ngang) với hướng bay của vệ tinh o Chuyên đổi trang thái từ den sang trang
Năm Chuyển trạng thái từ đen sang trang
350 rane ” = Average 10 == Average i %seex ơ" enone
10 1s 20 H : H5 = AR 0 200 400 600 800 1000 pixel pixel meycle/pixe!
Row 3 -20 V2 = oo Sasa, § 5 4 Đề 20 9 2 mn 5 an 0 200 400 600 800 1000 piel mel meycle/pixel
300 3 —- Row i ca howl i Row 2 h x 25 hows
Fi Row 0 - Row 0 ° 300 80 ay Row 1 08 ~~ Row 1 hà - Row 2 H NON
2019 200 cae merge Bas i Row 0 20 2 ° 150 Hị —— Row 02
; , o Chuyên đôi trang thái từ trắng sang den
Chuyên trạng thái từ trắng sang đen z z
Lây mầu ESF LSF MTF ° An: Average 10 —= Average
2015 |: ao ae Average go ` E Row 0 2
9 5 10 15 20 25 § 5 0 = ae a 200 400 600 800 1000 pixel La meycle/pixel ° 350 20 —x~ Average x0) —— Average
= Row 0 s Row 0 ° wows 087 - — Row 1 ° bí
00 25 50 75 10.0 125 25 0 200 400 600 800 1000 25 meycle/pixel sso = Average 10 == Average
20 —— RoW0 : Row 0 ° 300 ° ~ Row 2 os] ; Row 1 Row 2 5 Row 2
300 ae ~ Average +91 xả —— Average ° CN ° - Row0 ⁄ ——- Row
Kết quả tổng hợp các gid tri MTF theo chiều ngang hướng bay với việc lay mẫu khi chuyền trạng thái từ đen sang trang và ngược lại được thé hiện trong bang 3.3 Trong đó có thé thay giá trị thấp nhất là 0,17 vào thời điểm
Năm 2017, khi chuyển từ trạng thái trang sang đen và năm 2021 khi chuyển từ trạng thái đen sang trắng, giá trị MTF vẫn cao hơn ngưỡng 0,08 Giá trị MTF cao nhất được ghi nhận vào thời điểm đó.
2021 với việc chuyên trạng thái từ trắng sang đen.
Bảng 3.3 Giá tri MTF theo chiều ngang hướng bay
Ngày chụp Chuyén từ đen Chuyén từ trăng Giá trị sang trắng sang đen trung bình
Trong quá trình hoạt động, giá trị MTF của hệ thống vệ tinh VNREDSat-
1 vẫn luôn đảm bảo cao hơn ngưỡng cho phép Các giá trị MTF tính toán được thể hiện và so sánh với giá trị ngưỡng trong hình minh họa 3.1.
Hình 3.1 Giá trị MTF trong quá trình hoạt động từ khi được phóng
Bên cạnh đó , nghiên cứu sinh cũng đã tiến hành tính toán MTF thông qua sử dụng bãi kiểm định là Buôn Ma Thuột của Việt Nam Dữ liệu ảnh thu thập dé tính toán giá trị MTF được chụp vào đầu mùa khô năm 2017 và 2018, và được liệt kê trong bảng 3.4.
Bang 3.4 Dữ liệu ảnh VNREDSat-1 chụp bãi kiểm định tại Buôn Ma Thuột
STT Ngày chụp Ảnh bãi kiểm định
Các tính toán tại bãi kiểm định Buôn Ma Thuột cũng sẽ được tiến hành theo chiều dọc và ngang hướng bay, và các trạng thái chuyển đổi đen sang trang và trắng sang đen.
- Theo chiều dọc hướng bay, kết quả tính toán thể hiện trong bảng sau đây.
Ni Chuyén trang thai tir den sang trang am —=
Lay mau ESF LSF MTF
256) 40 Row 3 Bos | Row 3 o 2 4 6 8 10 | lý tm ẹ 2 Ụ \ ó j \
200 x $04 - Average 01 Kee gE b ed 3 ˆ ủ ~ Row 0 ị 3 aa Row 1 20 Ls LÍ 02 SS
Năm Chuyén trạng thái từ trắng sang đen
Lay mau ESE LSF MTF z x
350 40 == Average ko, —= Average ° === Row0 - Row 0
0 2 4 6 8 10 0 5 10 15 20 20 0 200 400 600 800 1000 pixel mcycle/pixel ° -x- Average 10 == Average 350
Kết quả tổng hợp các giá tri MTF theo chiều dọc hướng bay được tổng hợp trong bảng 3.5 dưới đây Các giá trị thu được khá tốt và cao hơn giá trị ngưỡng thiết kế ban đầu là 0,08.
Bảng 3.5 Kết quả tính toán MTE theo chiều dọc hướng bay
Chuyến từ den sang trắng
Chuyển từ trang sang đen
- Theo chiều ngang hướng bay, kết quả tính toán thé hiện sau đây
Chuyển trang thái từ đen sang trang lọ > tet 5â:E ằỡ ESE MTF
300 Row 2 5 ~ Row 2 so — Rows Ỹ Re
2 150 Rows 9 02 Row 2 pcr - Row 3 -20 res,
2 „ == ROW2 tỆ7 eens 100 | AHR ree st! - Row 3 Song = 00
Chuyên trạng thái từ trắng sang đen z 7
Lây mầu ESE LSF MTF ° 1m ~x- Average 10 —— Average ° - Row 0 ~ Row 0
KP mm | | lf ` -—- Row 0 — mg 300 piety - Row 1 o
250 Row 3 £ 06 - Row 3 ạ -40 § oo 2s sh 75 we us| |g 8 Ễ
Kết quả tổng hợp các giá trị MTF theo chiều dọc hướng bay được trình bày trong Bảng 3.6 Các giá trị thu được ở mức khá tốt và đều cao hơn giá trị ngưỡng thiết kế ban đầu là 0,08.
Bảng 3.6 Kết quả tính toán MTF theo chiều ngang hướng bay
Ngày chụp Chuyén từ đen Chuyén từ trắng Giá trị trung sang trắng sang đen bình
Tính đến năm 2018, tức là sau 5 năm hoạt động theo tuổi thọ thiết kế, hệ thống vệ tinh VNREDSat-1 vẫn đảm bảo được chất lượng ảnh chụp Tuy nhiên, sau thời điểm này, bãi kiểm định tại Buôn Ma Thuột không còn hoạt động, nên không có số liệu đánh giá chất lượng ảnh trong các năm tiếp theo.
Ma Thuột chưa đáp ứng được điều kiện về phản xạ tại các ô mẫu nên chưa có những đánh giá chất lượng ảnh sử dụng bãi kiểm định này.
Như vậy, đến thời điểm vệ tinh hết tuôi thọ thiết kế (2018) hay đến thời điểm đánh giá (2021) giá trị MTF vẫn trên ngưỡng khuyến cáo (0,08) mà nhà sản xuất đưa ra Điều này chứng minh độ mờ của hệ thống chụp ảnh vẫn tốt, đảm bảo chat lượng sản phẩm ảnh sắc nét.
Các kết quả thu được khá tương tự với nghiên cứu trên dữ liệu ảnh VNREDSat-1 của tác giả trước (chi tiết xem trong phụ lục 5)
3.1.2 Đánh giá chất lượng thông qua tính toán SNR
Giá trị SNR được tính toán từ các 6 mẫu tại bãi kiểm định ở thành phố Buôn Ma Thuột Do những ô mẫu để đánh giá SNR trên bãi kiểm định tại Buôn Ma Thuột có kích thước là 20m x20m, chỉ đảm bảo số lượng mẫu dé đánh giá giá tri SNR của kênh toàn sắc (có độ phân giải không gian là 2,5m) nên chỉ có thé thực hiện đánh giá kênh này Các kết quả thu được thé hiện trong bảng 3.7.
Bảng 3.7 Kết quả tính toán SNR với ô mẫu ở bãi kiểm định tại Buôn Ma Thuột
So sánh với thời điểm IOT giá trị SNR của dữ liệu VNREDSat-1 van đảm bảo yêu cầu thiết kế ban đầu Đồng thời, kết quả thu được cũng chỉ ra rằng điều kiện của bãi kiểm định tại Buôn Ma Thuột hoàn toàn đáp ứng được yêu cầu và giá trị SNR khá tương đồng với thời điểm IOT tại kênh toàn sắc
Bảng 3.8 So sánh kết quả SNR thực nghiệm và thiết kế
Thực nghiệm : Kênh IOT Yêu cau
Như vậy đến thời điểm kết thúc 5 năm hoạt động theo thiết kế, vệ tinh VNREDSat-1 vẫn đảm bảo chất lượng về mặt bức xạ, nhiễu sản phẩm ảnh đầu ra của hệ thống chụp ảnh vẫn chưa xuống quá ngưỡng giới hạn.
Các giá trị SNR thu được và kết luận này tương tự như kết quả nghiên cứu đã công bố trước đây cho dữ liệu ảnh VNREDSat-1, cho thấy độ tin cậy và tính khả dụng của phương pháp đề xuất.
3.2 Phục hồi chất lượng ảnh VNREDSat-1
3.2.1 Phục hôi chất lượng ảnh bị mờ
