Luận án tiến sĩ vật lý: Nghiên cứu, phát triển thuật toán kiểm định gián tiếp thiết bị chụp ảnh quang học trên vệ tinh nhỏ viễn thám

Thái Thị Bích Hồng

NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIEN THUẬT TOÁN

KIEM ĐỊNH GIÁN TIẾP THIẾT BỊ CHỤP ANH

QUANG HỌC TRÊN VỆ TINH NHỎ VIÊN THÁM

LUẬN ÁN TIEN SĨ VAT LÍ HỌC

Hà Nội - 2023

Thái Thị Bích Hồng

NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIEN THUẬT TOÁN

KIEM ĐỊNH GIÁN TIẾP THIET BỊ CHỤP ANH

QUANG HỌC TRÊN VỆ TINH NHỎ VIỄN THÁM

Chuyên ngành: Vật lí vô tuyến và điện tử

Mã số: 9440130.03

LUẬN ÁN TIEN SĨ VAT LÍ HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS.TS Vũ Anh Phi

2 TS Bùi Trọng Tuyên

Hà Nội - 2023

LỜI CAM ĐOAN

Luận án “Nghiên cứu, phát triển thuật toán kiêm định gián tiếp thiết bị

chụp ảnh quang học trên vệ tinh nhỏ viễn thám” được hoàn thành trên cơ sở

nghiên cứu lý thuyết và thực tiễn.

Tôi cam đoan rằng: những kết quả nghiên cứu được nêu trong luận án

này là của tôi và không sao chép từ bất kỳ tài liệu nào đã công bố, mọi tríchdẫn đều được dẫn nguồn theo đúng quy định của pháp luật về quyền tác giả.

Hà nội ngày tháng năm 2023

Nghiên cứu sinh

Thái Thị Bích Hồng

LỜI CẢM ƠN

Luận án này được hoàn thành tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên

-Đại học Quốc gia Hà Nội Trong quá trình nghiên cứu, tác giả đã nhận được

nhiều sự giúp đỡ quý báu của các thầy cô, các nhà khoa học, các đồng nghiệp,

bạn bẻ và gia đình.

Đề hoàn thành luận án này, tôi xin chân thành cảm ơn| PGS.TS Vũ Anh Phi

và TS Bùi Trọng Tuyên đã định hướng, hướng dẫn, giúp đỡ và tạo mọi điều

kiện thuận lợi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành Luận án.

Tôi xin gửi lời cám ơn chân thành đến Bộ môn Vật lý Vô tuyến, Khoa

Vat Ly, Phong Dao tạo Sau Đại học Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại

học Quốc gia Hà Nội đã tạo mọi điều kiện tốt nhất trong suốt thời gian học

tập và nghiên cứu, dé tôi hoàn thành luận án.

Tôi xin chân thành cảm ơn các cấp lãnh đạo, các đồng nghiệp thuộc

Viện Khoa học và Công nghệ - Bộ Công an, Viện Công nghệ vũ trụ - Viện

Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong

quá trình nghiên cứu, thu nghiệm và hoàn thiện các nội dung nghiên cứu củaluận án.

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, bạn bè và người thân đã luôn

quan tâm, động viên và giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu.

Xin tran trọng cảm ơn.

Hà nội ngày tháng năm 2023

Nghiên cứu sinh

Thái Thị Bích Hồng

MO ĐẦU 5<°SeE.E.AE714 0704402180 07744 07941082440 0041981p094E91 Tính cấp thiét cc.cccccscccssecsessessessessssssessessessessussussssssessessessessussueeseeseeseeses 9

2 Mục tiêu nghiÊn CUU - - <3 E 91991 9 ng ng ng gệc 10

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - + ©¿©2+s£+z£+zx+zxerxezed 10

4 Nội dung nghiên CỨU - «+1 TH TH nh ng tr II

5 Phương pháp nghiên CỨU - . 56 5 E1 E991 ESsEESsEEseeererseeseee 11

6.Y nghia khoa hoc va thuc tiễn của luận án -csssx+xsesecerece2 12

7 Luận điểm bảo vỆ .-: ccc:c2xtttEkttrtrtktrrtrttrrrrrrrrrrrirrrrrrree 12

8 Tính mới của luận án - + 22211111 EEE***£225EEEeeeeeezzsxeeee 13

9 Cầu trúc luận án -: ©++t22+++tt2EExvttEkttrttrttrrtrtrrrrrrrrrrrrrree 13

Chương 1 TONG QUAN VE VAN ĐÈ NGHIÊN CỨU 14

1.1 Kiểm định chat lượng thiết bị chụp ảnh viễn thám quang học 14

1.1.1 Chất lượng ảnh thể hiện chất lượng thiết bị chụp ảnh 14

1.12 Định nghĩa chất lượng ảnh viễn thám quang học . 15

1.1.3 Thông số chất lượng ảnh viễn thám quang học -s¿ 161.2 Khái niệm về phục hồi chất lượng ảnh viễn thám quang học 21

1.2.1 Các yếu tố anh hưởng đến chất lượng ảnh sec: 211.2.2 Phuc hồi chat lượng anh viễn thám quang hỌc -««- 24

1.3 Tổng quan về đánh giá, phục hồi chất lượng ảnh viễn thám quang hoc 25

1.3.1 Các nghiên CỨU Ở HWỚC HBOÀÏ cc BS htssieerrssssesee 251.3.2 Các nghiên CUU ONG HHƯỚC 55 cv sveese 29l7 14/1.).00889NNnnẺ8aẻẻaaaa 31

Chương 2 CƠ SỞ KHOA HỌC PHAT TRIEN THUẬT TOÁNKIEM ĐỊNH GIÁN TIẾP VÀ PHUC HOI CHAT LƯỢNG ANH

CUA HỆ THONG QUANG HỌC VỆ TINH NHỎ VIÊN THÁM 32

2.1 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

2.1.1 Cơ sở khoa học của viên thám quang NOC . -: :©-s-5s+ 322.1.2 Đặc điểm của hệ thong quang học trên vệ tỉnh nhỏ 38

2.1.3 Mô hình suy giảm chất lượng ảnh - 5e ©cecsecsrsxereerxee 402.2 Các thông số kiểm định chất lượng anh viễn thám quang học 43

2.2.1 Hàm truyền điêu biến ÌMTTF ¿5< eEềEkEEkEEEEEEEEEEerrrrrkerkee 43

2.2.2 Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu SINR -c-c cSEEEEEE+E+E+ErEerrrrrrreres 47

2.3 Phương pháp kiểm định gián tiẾp 2-2 2© 2+ 2+E++EE+Ex+rxerxerxeee 50

2.3.1 Phương pháp tinh toán ÌÍ TÌ acc cv vekrxeeeeeeeeererreererree 50

2.3.2 Phương pháp tính toán SÌNÌ - se kkskkikseksiesrkrsre 58

2.4 Phương pháp phục hồi chat lượng anh viễn thám quang học 612.4.1 Phương pháp ước tính hệ số mô hình tạo ảnh -. - 61

2.4.2 Phuong phap tiếp cận di truyén cho giải chập Wiener 63

2.4.3 Phương pháp bù) ÌVÍ TÌF - s ss xkkEvkEv vn re 65

2.5 Đề xuất phương pháp tính toán kiểm định gián tiếp hệ thống, phục hồi

chất lượng anh cho vệ tinh nhỏ viễn thấm ¿- - -kk+E+EsEeEeErkrkekekseereree 68

2.5.1 Đề xuất phương pháp tính toán kiểm định gián tiếp ó8

2.5.2 Dé xuất phương pháp tính toán phục hồi chat lượng ảnh 78

Tiểu kết CHWON 2 vocssesssssesssessessessessesssssssssessessessesssssssssessessesscsscsacsasssssssseseesess 83Chương 3 THU NGHIEM VA ĐÁNH GIA HIEU QUA TREN

\M2ÿh ):A 4/40) 279005107777 84

3.1 Đánh giá chất lượng hệ thống chụp ảnh quang học - 84

3.1.1 Đánh giá chất lượng qua tính toán MTP viceeccccceccescescesessesseeseeseees 843.1.2 Đánh giá chất lượng thông qua tinh toán SNR - 95

3.2 Phục hồi chất lượng ảnh VNREEDSat- ¿5-5252 z+Ecxerxerzes 97

3.2.1 Phục hôi chất lượng ảnh bị HIÒ - 5c 5eSt+E‡EeEeEeErrerkerxee 973.2.2 Phuc hôi chat lượng ảnh bị suy giảm VE bức xạ - 100Tiểu kết CHUONG 3 vsccsssssessessessessessssssessessessessesssssssssssssssssssssesscssesssssssscsseeseess 106

KET LUẬN VA KIEN NGHỊ -2- 5-5 5° 5< se ss£ssessesseescsees 107

Ket luận ¿- 2-2 ©s+SE‡2E2EE2E12E1271717171121121121111111111 111111111 107Kiến nghị 2-52 Ss SE E2 11211271117111121121121111 11.1111.1111 ee 108

DANH MỤC CÁC CÔNG TRINH KHOA HỌC CUA TÁC GIÁ

LIÊN QUAN DEN LUẬN ÁN s-s°-scsscssecssessersserserssersee 111

TÀI LIEU THAM KHAO ccccsssssssssssesssessesssesssssessnsssesesseseessssesesseeseesees 110

PHU LUC 1 : KET QUA PHUC HOI CHAT LUONG ANH BỊ MO

-1-PHU LUC 2: KET QUA -1-PHUC HOI CHAT LUONG ANH BI

SUY GIẢM VE BUC XẠ -2-©2£+E£2EE+EEEEEEEEEEEEEEEEE2E1221221 212cc

-5-PHU LUC 3: DANH SÁCH CÁC DU LIEU ĐÃ SỬ DỤNG PHU LUC 4: CÔNG CU HO TRỢ TÍNH TOÁN - - - scs+x+see+ -23-

-19-PHỤ LỤC 5: SO SÁNH KÉT QUÁ VỚI NGHIÊN CỨU TRƯỚC

TREN ANH VNRERDSATT-I - 2 2+E+EE+EE£EE£EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEkerkerkrred

-33-DANH MỤC CAC CHỮ VIET TAT

AVHRR Advanced Very High Resolution Radiometer

-Hệ thống chụp anh độ phân giải rất cao

AVIRIS Airborne Visible/InfraRed Imaging Spectrometer

-Thiết bi chụp anh hàng không kênh phổ nhìn thay/héng ngoại

BRDF Bidirectional Reflectance Distribution Function

-Ham phân bố phản xa hai chiều

CCD Charge Coupled Device - Cảm biến chuyên đôi hình ảnh

quang học sang tín hiệu điện (linh kiện tích điện kép)

CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor

-Chat bán dẫn oxit kim loại bổ sung

CPF Calibration Parameter File - Tép thông số hiệu chỉnh

CTF Contrast Transfer Function - Ham truyén tương phan

EFOV Efficient Field Of View - Trường nhìn hiệu qua

EIFOV Effective Instantaneous Field Of View

-Trường nhìn tức thời hiệu qua

ESA European Space Agency - Co quan Vii tru chau Au

ESF Edge Spread Function - Ham lan truyén canh

FOV Field Of View - Truong nhin

GSD Ground Sampling Distance - Khoang cach lay mẫu mặt đất

IFOV Instantaneous Field Of View - Trường nhìn tức thờiIGFOV Instantaneous Geometric Field Of View -

Trường nhìn hình học tức thời

IOT In Orbit Test - Kiểm tra khi vệ tinh mới vào quỹ đạo

ISO International Organization for Standardization

-Tô chức tiêu chuân thê giới

LSD Local Standard Deviation - Độ lệch chuẩn cục bộLSF Line Spread Function - Ham lan truyền đường

LSI Linear Shift Invariant - Dich chuyén tuyén tinh bat biénMTF Modulation Transfer Function - Ham truyén diéu bién

MTFA Module Transfer Function Area

-Khu vuc ham truyén diéu biénMS MultiSpectral - Da pho

MSS Multispectral Scanner System - Hệ thông chụp ảnh da phố

NASA National Aeronautics and Space Administration

-Co quan Hang không vũ trụ Hoa Ky

NEM Noise-Equivalent Modulation - Điều biến tương đương nhiễuNIR Near InfraRed - Cận hông ngoại

OLI Operational Land Imager - Thiết bị chụp ảnh bê mặt dat

OTF Optical Transfer Function - Ham truyén quang hoc

PAN Panchromatic - Toan sac

PSF Point Spread Function - Ham lan truyén diém

RAIFOV Radiometrically Accurate Instantaneous Field Of View Trường nhìn tức thời có bức xạ chính xác

-SD Standard Deviation - Đệ lệch chuân

SNR Signal to Noise Ratio - Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu

SPOT Satellite Pour l’Observation de la Terre

(Earth Observation Satellite) - Vé tinh quan sat Trai dat

SWIR Short Wave InfraRed - Hồng ngoại sóng ngắn

TDI Time Delay Intergration - Tích hợp thời gian trễ

TIR Thermal Infrared Sensor - Bộ cam hong ngoai nhiét

VNIR Visible and Near InfraRed - Nhìn thay và cận hông ngoại

VNREDSat-1 | Vietnam Nature Resources, Environment, Disaster

monitoring Satellite - Vé tinh nho Viét Nam quan sattài nguyên thiên nhiên, môi trường và thiên tai

WFE Wave-Front Error - Lỗi đầu song

DANH MỤC CÁC BANG

Bang 3.1 Dữ liệu ảnh dùng dé tính toán MTE : 2-¿cscs+5cs+2 S5Bang 3.2 Giá trị MTF theo chiều dọc hướng bay -5- 5552 S8Bảng 3.3 Giá trị MTF theo chiều ngang hướng bay -5¿5z52 91Bảng 3.4 Dữ liệu anh VNREDSat-1 chụp bãi kiểm định

tại Buôn Ma TThuỘt - G1 1 19 1n nh TH nu ng ng nh tr92

Bang 3.5 Kết quả tính toán MTF theo chiều dọc hướng bay 93Bang 3.6 Kết quả tính toán MTF theo chiều ngang hướng bay 95

Bảng 3.7 Kết quả tính toán SNR với ô mẫu ở bãi kiểm định

tại Buôn Ma ThuỘt - - - 5E E2 222221111111 111295301111 ng ng ven 96

Bang 3.8 So sánh kết qua SNR thực nghiệm và thiết kế - 97Bang 3.9 Dữ liệu VNREDSat-I,mức 1A chụp bãi kiểm định

IšY;] (00005148040 42:1 4Ö 100

Bảng 3.10 Giá trị các điểm ảnh sáng nhất tại ô mẫu trên bãi kiểm định

tai Salon de Provence ccccccccccccsssessscccccccsssssscessccccsssessceessscesessesssseeeseeeess 101

Bang 3.11 Số lượng ngày tính đến thời điểm chụp -5z-5- 103

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Thông số chất lượng ảnh viễn thám . -2- 2 52552 l6

Hình 2.1 Nguyên lý thu nhận ảnh viễn thám - 2-5 2s+=s+s+=+2 33

Hình 2.2 Mô tả cau hình của hệ thống quang học đơn giản 34Hình 2.3 Vị trí khâu độ dừng trong một hệ thong quang hoc thuc tỄ 35Hình 2.4 Ảnh hưởng của hiện tượng quang sai và ảnh trên tiêu diện 36

Hình 2.5 Thiết kế quang học trên VNREDSat-1 2- 2-55 s>sz+s238

Hình 2.6 Kích thước của vecto trạng thái x(m,n) +5 ++-+>+s+++x 42

Hình 2.7 Nguyên lý hàm lan truyền điểm -¿- ¿2 2 2+£2+s+£s+£szzeez 44Hình 2.8 Biên độ điều biến giảm từ đối tượng đến ảnh khi đi qua

hé thong quang HOC 8NNns - ÔỎ 45Hình 2.9 MTF giảm biên độ khi tăng tần số lẫy mẫu không gian 46Hình 2.11 Bãi kiểm định dạng cạnh -2- 22 52 ©2++cS+2zxv£x+zzxerxeerxee 51Hình 2.12 Bãi kiểm định dang xung - 2 25c E+EE+E+EzEerxersereee 54Hình 2.13 Bãi kiểm định dạng chu kỳ: (a) dạng ba thanh,

Hình 2.20 Vị trí ước tính các điểm ảnh ::cvvvcecvxvrrrrrrerrrrr 74

Hình 2.21 Cạnh thích hợp được lựa chọn - ¿+5 +++xs+cseexseseeres 74

Hình 2.22 Đường vuông góc với cạnh - ‹- + + + + *+*£+v+eeeeseereeeees 75

Hình 2.23 Hàm lan truyền cạnh 2-2-2 2E £E+E£2E£+EE+EE+EEerxerxerxeree 77

Hình 2.24 Hàm lan truyền đường o ccccecccssessessessssssessessessessessessusssessesseeseeseess 77

Hình 2.25 MTF tại tần số Nyquist cccccccccsessessssssessessessessessessesssssesseeseeseess 78

Hình 2.26 Lan truyền cường độ bức xa tại một điểm ảnh -.- 79

Hình 2.27 Mô tả phương pháp hồi quy tuyến tính 2 2 s2 s2 5+: 82

Hình 3.1 Giá tri MTF trong quá trình hoạt động từ khi được phóng 9]

Hình 3.2 Giá trị độ xám của điểm anh sáng nhất trên 6 mẫu 102Hình 3.3 Dữ liệu tại thời điểm tháng 7 hàng năm - 5552 102Hình 3.4 Hàm tuyến tính phục hồi chất lượng ảnh . -55- 103Hình 3.5 Ảnh phục hồi đã loại bỏ nhiễu (Dữ liệu VNREDSat-1, chụp

ngày 15/10/2019, ảnh trái: ảnh gốc, ảnh phải: anh đã bé sung giá trị bù) 104Hình 3.6 Ảnh phục hồi cung cấp nhiều thông tin hơn (Dữ liệu

VNREDSat-1, chụp ngày 25/4/2016, ảnh trái: ảnh gốc,

ảnh phải: ảnh đã bổ sung giá trị bù) - ¿2-55 2+ 2+Ee£E+E+EzErEerxersrreee 105

MỞ ĐẦU1 Tính cấp thiết

Vệ tinh nhỏ viễn thám đã và đang được nghiên cứu phát triển và ứng

dụng trên thế giới và Việt Nam Với độ phân giải không gian cao và tần suất

chụp ảnh nhanh, ảnh vệ tinh nhỏ viễn thám cung cấp các thông tin có giá tri

phục vụ công tác quản lý và giám sát tài nguyên thiên nhiên, môi trường,

quốc phòng-an ninh Trong quá trình hoạt động, dưới ảnh hưởng của cácyếu tố như: thay đôi tư thế, động lực học bay, tuổi thọ của thiết bị, bản thânhoạt động của hệ thống chụp ảnh bị suy giảm chất lượng và dẫn đến sản phẩm

đầu ra là chất lượng ảnh viễn thám quang học không còn giữ được như khi vệ

tinh mới phóng lên quỹ đạo.

Hệ thong chup anh trén vé tinh nho viễn thám được thiết kế có kíchthước phù hợp với vệ tinh nhỏ nhưng vẫn thu ảnh đảm bảo các yếu cầu về các

đặc trưng cơ bản cua ảnh vệ tinh cho các mục tiêu nghiên cứu, vi vậy hệ

thống này được thiết kế cũng phức tạp như hệ thống chụp ảnh trên các vệ tỉnh

lớn Tuy nhiên, đây cũng là một trong số những lý do khiến cho chất lượngthiết bị chụp ảnh trên vệ tỉnh nhỏ viễn thám dễ bị ảnh hưởng hơn so với cácthiết bị chụp ảnh trên vệ tinh lớn.

Thiết bị chụp ảnh trên vệ tinh viễn thám thường được kiểm định qua

ba giai đoạn: Giai đoạn một là trong phòng thí nghiệm dưới mặt đất, giai

đoạn hai là khi vệ tính mới phóng lên quỹ đạo và giai đoạn ba là trong quátrình hoạt động Trong giai đoạn vệ tinh mới phóng lên quỹ dao và qua

trình hoạt động, thường chỉ có các hệ thống thu ảnh trên vệ tinh lớn mới có

thiết bị đặc trưng gan trén vé tinh dé kiém dinh truc tiép Con cac vé tinhnhỏ thường sử dung phương pháp gián tiếp qua đữ liệu anh thu được từ hệthống đề đánh giá chất lượng hiện tại của hệ thống chụp ảnh.

Có nhiều thông số khác nhau được sử dụng để kiểm định chất lượng hệthong chup anh gian tiép qua đữ liệu anh, mỗi hệ thong vệ tinh lựa chon bộ

thông số khác nhau tùy vào thiết kế quả vệ tinh, hay điều kiện thực tế của đơnvị vận hành, khai thác hệ thống vệ tinh Mặc dù có nhiều thông số khác nhau,

nhưng có các nhóm thông số chính, đó là: bức xạ, không gian, phd, hinh hoc.Trong đó, nhóm thông số liên quan đến phổ cần có thiết bị trên vệ tinh dé

đánh giá trực tiếp; nhóm thống số liên quan đến hình học thường được hiệu

chỉnh trong quá trình xử lý dữ liệu anh qua các mô hình toán học Vì vậy, đề

tài sẽ chỉ tập trung nghiên cứu nhóm thông số không gian và bức xạ.

Sự suy giảm chất lượng thiết bị quang học sau thời gian hoạt động trênquỹ đạo dẫn đến chất lượng ảnh cũng thay đổi theo Với yêu cầu về độ chínhxác thông tin chiết xuất từ ảnh viễn thám ngày càng cao, suy giảm chất lượngảnh sẽ ảnh hưởng đến khả năng ứng dụng nguồn dữ liệu này vào nhiều lĩnh

vực và gây ra các hạn chế nhất định cho công tác khai thác dữ liệu ảnh Dođó, việc đánh giá chất lượng hệ thống chụp ảnh quang học và phục hồi chấtlượng ảnh về thời điểm khi vệ tinh mới phóng lên quỹ đạo là việc cần phảithực hiện đối với các hệ thống vệ tinh viễn thám quang học đang sử dụng Vìvậy, đề tài luận án “Nghiên cứu, phát triển thuật toán kiểm định gián tiếp thiết

bị chụp ảnh quang học của vệ tỉnh nhỏ viễn thám” là cần thiết, có ý nghĩa

khoa học và thực tiễn.

2 Mục tiêu nghiên cứu

Phát triển được thuật toán kiểm định gián tiếp hệ thống chụp ảnh quanghọc của vệ tinh nhỏ viễn thám, đồng thời phục hồi chất lượng ảnh về gần thời

điểm vệ tinh mới phóng lên quỹ đạo.

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu:

- Thông số đánh giá chất lượng hệ thống chụp ảnh quang học thông

qua dữ liệu ảnh;

- Chất lượng dữ liệu ảnh của hệ thong chụp ảnh quang học vệ tinh nhỏ.

10

3.2 Pham vi nghiên cứu:

- Hệ thong chụp ảnh vệ tinh nhỏ của Việt Nam - VNREDSat-1.

- Phương pháp và thuật toán (mô hình toán học) kiểm định gián tiếp hệthống chụp ảnh quang học và phục hồi chất lượng ảnh.

- Dữ liệu ảnh chụp các bãi kiểm định ảnh tại Salon de Provence - Phápvà tại Buôn Ma Thuột, Dak Lắk, Việt Nam.

4 Nội dung nghiên cứu

Đề thực hiện được mục tiêu nghiên cứu, đề tài luận án thực hiện các nội

dung nghiên cứu chính sau:

- Tổng quan các công trình nghiên cứu liên quan đến đề tài và xácđịnh hướng nghiên cứu của đề tài luận án.

- Cơ sở khoa học kiêm định gián tiếp và phục hồi chất lượng ảnh của

hệ thống chụp anh quang học vệ tinh nhỏ viễn thám.

- Nghiên cứu, đề xuất phương pháp và thuật toán kiểm định gián tiếphệ thống chụp ảnh quang học của vệ tinh nhỏ viễn thám và phục hồi chất

lượng ảnh vệ tinh.

- Thực nghiệm: đánh giá và phục hồi chất lượng ảnh vệ tinh nhỏ viễn

thám của Việt Nam VNREDSat-1.

5 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp thu thập dữ liệu thứ cấp: Thu thập các tài liệu, sách,báo, các công trình nghiên cứu đã công bố liên quan đến đề tài và tư liệu

ảnh vệ tinh VNREDSat-1.

- Phương pháp phân tích, tổng hợp và kế thừa: tông hợp, phân tích các

nghiên cứu trong và ngoài nước có liên quan đến nội dung luận án; tài liệu, sốliệu về các tham số của hệ thống thiết bị chụp ảnh quang học trên của trên vệ

tinh nhỏ, thé hiện chất lượng ảnh viễn thám quang học; kế thừa các kết quả

nghiên cứu đã có, thực tế vận hành và khai thác vệ tinh VNREDSat-1.

11

- Phương pháp xử lý ảnh: Sử dụng các kỹ thuật xử lý ảnh viễn thám

quang học dé tăng cường và nâng cao chất lượng ảnh phục vụ cho công tác

thực nghiệm trong luận án.

- Phương pháp mô hình hóa: Đề tim ra sự biểu diễn phù hợp nhất,chính xác nhất cho quá trình tạo ảnh của thiết bị quang học Các nội dung môphỏng gồm: mô phỏng quang sai quang học, mô phỏng quá trình tạo ảnh qua

các thiết bị quang hoc, Phương pháp này hỗ trợ lựa chọn các mô hình,thuật toán phù hop dé đạt được kết quả nghiên cứu của luận án.

- Phương pháp chuyên gia: Tô chức hội thảo, xin ý kiến của cácchuyên gia, các nhà khoa hoc, về các van đề trong nội dung nghiên cứu của

luận án.

- Phương pháp thực nghiệm: Thực nghiệm lựa chọn, lập trình phần

mềm và đánh giá hiệu quả của phương pháp và mô hình toán học đề xuất áp

dụng kiểm định hệ thống, phục hồi dữ liệu ảnh vệ tinh nhỏ viễn thám

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

- Y nghĩa khoa học: Đóng góp cơ sở khoa học trong việc kiểm định

chất lượng hệ thống chụp ảnh quang học vệ tinh nhỏ viễn thám; ứng dụngthuật toán phục hồi chất lượng ảnh viễn thám quang học của vệ tinh nhỏ vềgần thời điểm khi vệ tinh được đưa lên quỹ đạo.

- Ý nghĩa thực tiễn: Các kết quả nghiên cứu có thể được ứng dụng

trong xử lý ảnh viễn thám quang học của Việt Nam.

7 Luận điểm bảo vệ

Luận điểm 1: Chất lượng của thiết bị chụp ảnh quang học trên vệ tinhnhỏ viễn thám được kiểm định gián tiếp qua thông số MTF (chất lượng không

gian) và ty lệ tín hiệu trên nhiễu SNR (chất lượng bức xạ) là phù hợp và đảmbảo độ chính xác Hai thông số này được tính toán qua dữ liệu anh bãi kiểmđịnh được thu trực tiếp từ hệ thống.

12

Luận điển 2: Chất lượng ảnh được phục hồi về gần thời điểm vệ tinhmới phóng lên quỹ đạo dựa trên kết quả kiểm định thiết bị chụp ảnh là khả thiđối với hệ thống vệ tinh nhỏ viễn thám.

8 Tính mới của luận án

- - Đề xuất phương pháp, thuật toán với việc lựa chọn hai thông số MTF,SNR để gián tiếp kiểm định chất lượng hệ thống chụp ảnh quang học vệ tỉnhnhỏ viễn thám, và phục hồi chất lượng ảnh về gần thời điểm khi vệ tinh mới

phóng lên quỹ đạo.

- Phục hồi được chất lượng ảnh của hệ thống vệ tinh nhỏ viễn thámVNREDSat-1 dựa trên các kết quả kiểm định chất lượng thiết bị chụp ảnh quahai thông số MTF, SNR.

9 Cấu trúc luận án

Ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo và phần phụ lục, luậnán có bố cục 3 chương:

Chương 1 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu.

Chương 2 Cơ sở khoa học phát triển thuật toán kiểm định gián tiếp vàphục hồi chất lượng ảnh của hệ thống quang học vệ tinh nhỏ viễn thám.

Chương 3 Thử nghiệm và đánh giá hiệu quả trên vệ tinh VNREDSat-1.

13

Chương 1 TONG QUAN VE VAN ĐÈ NGHIÊN CUU

1.1 Kiểm định chất lượng thiết bị chụp ảnh viễn thám quang học

1.1.1 Chất lượng ảnh thể hiện chất lượng thiết bị chụp ảnh

Trước khi phóng vệ tinh quan sát Trái đất, các thông số của thiết bịchụp ảnh như: do bức xạ, hình hoc, không gian và quang phổ thường đượckiểm tra, đánh giá và hiệu chỉnh Tuy nhiên, điều kiện hoạt động khắc nghiệtngoài không gian cùng với quá trình phóng lên quỹ đạo dẫn đến suy giảm chấtlượng của các thiết bị trên vệ tinh, đặc biệt thiết bị chụp ảnh vốn có cấu trúc

phức tạp với độ chính xác cao.

Việc suy giảm có thể chấp nhận được trong một giới hạn cho phép, và

điều quan trọng là phải xác định tình trạng hoạt động thực tế của thiết bị chụpảnh trên vệ tinh trong điều kiện không tiếp xúc trực tiếp với thiết bị.

Công tác đánh giá thiết bị chụp ảnh viễn thám có thể được chia thành

ba giai đoạn chính: giai đoạn trước khi phóng vệ tinh lên quỹ đạo, giai đoạnkhi vệ tinh mới phóng lên quỹ đạo và giai đoạn định kỳ khi vệ tinh hoạt động

trên quỹ đạo [40]

Giai đoạn thứ nhất chủ yếu tập trung vào xác định các giá trị hiệu chỉnh

tuyệt đôi, các tham số phô và hình học của hệ thong chụp ảnh, ngoài ra còn cócác tham số ảnh hưởng của nhiệt độ đối với các thiết bị, kết cấu cơ khí của

chính hệ thống chụp ảnh đó [44].

Giai đoạn thứ hai, khi vệ tinh mới phóng lên quỹ đạo: Ngay sau khi vệ

tinh được phóng và hoạt động ồn định trên quỹ đạo, công tác đánh giá chấtlượng ảnh được thực hiện nham mục đích hiệu chỉnh sự khác biệt của các

tham số trước khi phóng và khi hoạt động trong môi trường thực tế [44].

Giai đoạn thứ ba là đánh giá định kỳ: Khi vệ tính đi vào vận hành và

khai thác, công tác này phải được tiễn hành thường xuyên và liên tục dé theo

dõi cũng như hiệu chỉnh các tham số của bộ cảm biến nham đảm bảo chất

lượng ảnh sau khi được thu nhận và xử lý tại trạm mặt đất.

14

Tuy nhiên, hai giai đoạn đầu được tiến hành bởi nhà cung cấp thiết bị

và được tiến hành trong thời gian ngắn; giai đoạn thứ ba là giai đoạn đượcthực hiện bởi đơn vị vận hành hệ thống vệ tinh viễn thám và được tiến hành

thường xuyên và liên tục trong suốt thời gian sông của vệ tinh [10, 41].

Hệ thống vệ tinh nhỏ không thể sửa chữa, mang theo nhiều hệ thong lênkhông gian nên không thé nâng cấp thiết bị mà phải dùng các phương phápthuật toán để cải thiện và phục hoi chất lượng ảnh so với ban đầu Việc này cóý nghĩa rất lớn trong đánh giá chất lượng thiết bị chụp ảnh, đồng thời đánh giáđược giá trị của ảnh tại thời điểm chụp.

Sau khi vệ tinh được đưa lên quỹ đạo, không thể trực tiếp đánh giá hệ

thống này mà phải sử dụng phương pháp gián tiếp, thông qua san pham củahệ thống là dữ liệu ảnh viễn thám quang học dé đánh giá Do vậy việc đánhgiá chất lượng thiết bị chụp ảnh chuyên thành đánh giá chất lượng dữ liệu

ảnh viễn thám.

1.1.2 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 quyếtđịnh 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 ảnhthô 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 thựchiện chụp trong thực tế.

- Chất lượng ảnh phục hồi thu được bằng cách sử dung các kiến thứcvề 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.

15

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 xuấthiện 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 giảmthiểu 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 xétmột 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 cảithiện 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 datHiệu chỉnh bức xạ

tuyệt đối Hàm truyền điềuKhông gian

a Bức xạ

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 trưngbởi các tham số chính sau đây: (1) tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu; (2) hiệu chỉnh bứcxạ 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 bảythông số chất lượng, hồi đáp tuyến tính và độ nhạy phân cực được xác định rõđặc 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 phươngpháp tiếp cận gián tiếp có thé khó khăn [12] Ví dụ, độ nhạy phân cực MODISvà Landsat 8 đã được đo bang cách sử dụng nguồn sáng phân cực và bộ phâncực tam, có thé thay trong các nghiên cứu trước đây [14] Vì vậy sẽ không xét

đến hai thông số này.

- Thành phan lạ: là tham số chưa được định nghĩa rõ ràng, được phát

sinh trong quá trình nén hình ảnh và truyền dữ liệu, hay các vấn đề kỹ thuật

khác như thiết kế, độ bão hòa của bộ cảm và lỗi đơn vị xử lý trên bo mạch

[30] Do chưa rõ ràng nên nghiên cứu không xét đến tham số này.

- Độ 6n định bức xạ: là thước đo sự thay đổi hồi đáp bức xạ của thiếtbị theo thời gian Hiệu suất ôn định bức xạ của cảm biến trên quỹ đạo đượcthé 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 duynhất 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].

17

- Hiệu chỉnh bức xạ tương đối: là quá trình định lượng sự thay đổi hồiđáp 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 khôngđồng 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 nhấtgiữa 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 trêntàu, 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 vàocác thiết bị hiệu chỉnh như đèn Hiệu chỉnh tuyệt đối gián tiếp sử dụng dữ liệuảnh 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 bãikiểm 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 chỉnhgián 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 trongnghiên 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)

- Ti lệ tín hiệu nhiễu (SNR): là tỷ số của tín hiệu với độ biến thiênngẫu nhiên trong tín hiệu được gọi là 'nhiễu' của hệ thống SNR là một chi sốđánh giá chất lượng hình ảnh và được sử dụng để đánh giá hiệu suất đo bức

xạ của một hệ thống chụp anh Nhiễu là một phần không thé tránh khỏi củabất kỳ thiết bị chụp ảnh nào; vệ tinh viễn thám cũng không ngoại lệ Do đó,

SNR của một vệ tinh viễn thám quang học bất kỳ cần được ước tính dé đánh

giá chất lượng của dữ liệu đầu ra của hệ thống Trong những năm qua, nhiềuphương pháp ước tính SNR dựa trên hình ảnh Trái đất cũng đã được phát triển

cho các cảm biến viễn thám Trong nghiên cứu này, phương pháp được sửdụng sẽ là khu vực đồng nhất.

b Không gian

Về mặt không gian, chất lượng hệ thống chụp ảnh được thé hiện dướicác thông số: khoảng cách lấy mẫu mặt đất (GSD), hàm truyền điều biến

(MTF), hiệu ứng răng cưa, và hiện tượng bóng mờ [15] GSD là khoảng cách

giữa các tâm điểm ảnh liền kề và MTF cung cấp thông tin về mức độ mờ do

hoạt động không lý tưởng của các thành phần trong hệ thống chụp ảnh Haitham số này xác định độ phân giải không gian của hệ thống chụp ảnh [30].

- Hàm truyền điều biến (MTF): là chi số đánh giá chất lượng hình anh

theo không gian đo độ sắc nét của hình ảnh được tạo ra bởi hệ thống hình ảnhtuyến tính, bất biến [13] Trong những năm qua, nhiều phương pháp ước tính

MTF đã được phát triển và chúng có thé được chia thành các phương pháp

dựa trên mục tiêu nhân tạo (do con người tạo ra) hoặc dựa trên mục tiêu tự

nhiên Nghiên cứu này sẽ sử dụng các mục tiêu nhân tạo (bãi kiểm định nhântạo) dé đánh giá thông số này.

19

- Hiệu ứng răng cưa: phát sinh do lấy mẫu thiếu trong quá trìnhchuyền đổi dữ liệu dạng tương tự sang dạng số và qua trình tái chia mẫu Dođó, dé đảm bảo dit liệu chất lượng cao từ vệ tinh quan sát Trái đất, hiệu ứngrăng cưa cần được loại bỏ trước khi cung cấp dir liệu cho người dùng Việcxuất hiện hiệu ứng răng cưa không chỉ phụ thuộc vào đối tượng của cảnh mà

còn phụ thuộc vào MTF cảm biến [30, 13] Vi lý do này, phương pháp ước

tinh MTF sử dụng bãi kiểm định nhân tạo dạng cạnh Heaviside dé loại trừ

hiệu ứng răng cưa.

- Khoảng cách lấy mẫu mặt đất (GSD): là khoảng cách giữa tâm cácpixel liền kề trong một ảnh Day là một trong những chỉ số không gian phôbiến nhất của cảm biến viễn thám, vì nó thể hiện độ phân giải không gian của

hệ thống chụp ảnh [29] Nếu độ cao của vệ tinh hoặc bat ky thông số nào khác

không được biết, thì GSD có thé được ước tính từ một hình anh bang cach sudụng khoảng cách đã biết giữa hai điểm trên mat dat Số lượng pixel giữa haiđiểm được tính, và tỷ lệ khoảng cách giữa hai điểm và số lượng pixel sẽ ước

tính ra GSD Giá tri này được hiệu chỉnh băng các thuật toán tái chia mẫutrong quá trình hiệu chỉnh hình học Vì vậy, nghiên cứu sẽ không đề cập đếnthông số này.

c Hình học

Trong viễn thám, vấn đề hình học đề cập đến độ chính xác hình họcđược do bằng độ chính xác đăng ký và độ chính xác vi trí dia lý, còn được

gọi là độ chính xác trắc địa và đăng ký bản đồ [43] Thông thường, hai loại

độ chính xác đăng ký của hệ thống hình ảnh quan sát trái đất được chia

thành: độ chính xác đăng ký kênh với kênh và ảnh với ảnh Độ chính xác của

vị trí địa lý cung cấp thông tin về hiệu suất hình học của vệ tỉnh trên quỹ

đạo Đăng ký bản đồ được gọi là độ chính xác hình học, là độ lệch vi trí dođược giữa một vi trí thực tẾ trong mặt đất với vị trí đó trong hình ảnh vệ tinhđã hiệu chỉnh vị trí địa lý Độ chính xác hình học cao được yêu cầu trong

20

nhiều ứng dụng, chăng hạn như phát hiện thay đối, tổng hop va phân loại dữliệu đa cảm biến [43] Do đó, việc hiệu chỉnh hình học trên quỹ đạo là cần

thiết để thu được quan sát viễn thám chất lượng cao về mặt hình học Tuy

vậy, yêu tố này được loại trừ khá tốt trong quá trình hiệu chỉnh hình học

trước khi đưa dữ liệu vào ứng dụng Do đó, vẫn đề này sẽ không được đề

cập trong nghiên cứu.

- Độ chính xác đăng ký : Độ chính xác đăng ký của một hệ thong hình

ảnh trong không gian đề cập đến sự gần gũi của việc đăng ký pixel hình ảnh

trong kênh phổ và đa thời gian Đăng ky sai kênh phổ và anh với ảnh tạo racác vấn đề đáng kể trong việc phát hiện thay đổi, hợp nhất không gian - thờigian, độ chính xác của phân loại, v.v Tác động của việc đăng ký sai kênh phétrong các sản phẩm dữ liệu khoa học tại các khu vực không đồng nhất cao hơn

so với mục tiêu đồng nhất về không gian [43].

- Độ chính xác trắc địa: Độ chính xác trắc địa thường được gọi là tỷ lệ

tuyệt đối, và nó là thước đo độ chính xác vị trí địa lý của dữ liệu hình ảnhđược tạo ra bởi hệ thong chụp ảnh của vệ tinh [43, 29] Độ chính xác của vi trí

địa lý chỉ định hiệu suất hình học của hệ thong vệ tinh hoạt động trên quỹ đạovà nó được đo bằng cách sử dụng điểm khống chế mặt đất (GCP) có độ chính

quyền và đặc tính đo bức xạ của cảnh được chụp Các yếu tố khác, như đường

truyền xuống hoặc vận tốc và độ cao của vật mang, là duy nhất đối với các vật

mang đó Đối với một vệ tinh viễn thám quang học, các yếu tố ảnh hưởng đến

chất lượng hình ảnh bao gồm các yếu tố sau [10]:

21

- Kích thước vật lý: Kích thước vật lý của hệ thống giới hạn tiềm năngcủa mọi hệ thống con của vệ tỉnh: nguồn cấp; thông tin liên lạc; hệ thốnghướng dẫn, điều hướng và điều khiển kiểm soát việc chỉ hướng và 6n định vậtmang cũng như theo dõi vị trí vệ tinh; và quan trọng nhất là thiết bị chụp ảnh.

Về thiết bị chụp ảnh, kích thước của vệ tinh ảnh hưởng đến cả hệ thống quanghọc và cảm biến được chọn Hệ thong quang hoc bi gidi han dang kề nhất bởikích thước của khẩu độ và độ dai tiêu cự Kích thước của vệ tinh cung cấpmột giới han vật ly cứng cho đường kính khẩu độ Điều này cũng tương tự đối

với cảm biến; một cảm biến nhỏ hơn là cần thiết để phù hợp với các hạn chếcủa vệ tinh nhưng sẽ làm hạn chế trường quan sát của hệ thống.

- Thiết kế thiết bị chụp ảnh: Kích thước vật lý đưa ra các giới hạn cứngcho các thành phân thiết bị chụp ảnh, nhưng trong các giới hạn này, thiết kế

cụ thể ảnh hưởng đến chất lượng hình ảnh Dé vượt qua giới hạn vật lý đượcđặt trên tiêu cự, có thé sử dụng thiết kế hai gương như hệ thống Cassegrainhoặc Gregorian dé cung cấp tiêu cự hiệu dụng dài hon trong cùng một không

gian Điều này sẽ ảnh hưởng đến cả FOV và khoảng cách mẫu mặt đất (GSD)

của hệ thống, hạn chế FOV nhưng cung cấp GSD thấp hơn Thiết kế vật lý

của cảm biến, số lượng pixel và kích thước pixel, sẽ ảnh hưởng đến cấu trúccủa hình ảnh thông qua FOV và GSD, tương ứng Chất lượng của cảm biến,cụ thể là hiệu suất lượng tử và nhiễu, sẽ ảnh hưởng đến tỷ lệ tín hiệu trênnhiễu (SNR) có thể đạt được Hiệu suất lượng tử tốt hơn có nghĩa là nhiều

quang tử thu thập được sẽ được chuyển thành tín hiệu điện tử Cấu trúc vật lýđược tính ở kích thước điểm ảnh và số lượng điểm ảnh trong dữ liệu ảnh Cácthuật ngữ nhiễu khác nhau có thể được thêm vào vào đữ liệu ảnh sau khi nóđược tạo ra dé hiểu sự Suy giảm chất lượng hình ảnh Một khía cạnh khác của

cảm biến có thé ảnh hưởng đến chat lượng hình anh là thời gian tích hợp đượcsử dụng khi chụp ảnh Điều này ảnh hưởng đến lượng tín hiệu được thu thập,do đó SNR có thể thay đổi và vết mờ có thê xuất hiện trong ảnh.

22

- Độ ồn định của quả vệ tỉnh: sự ôn định của quả vệ tinh đề cập đến độ

chính xác chỉ hướng và độ rung của vệ tinh Độ chính xác chỉ hướng của vệ

tinh phụ thuộc vào hệ thống con kiểm soát và xác định tư thế Một vệ tinh tiêuchuẩn có thé có hệ thống ồn định ba trục đầy đủ tính năng, đảm bảo tư thế vệtỉnh ổn định nhất khi chụp ảnh Bên cạnh đó là rung động tần số cao của vệtinh do nhiều nguồn khác nhau gây ra, bao gồm cả chuyển động của vệ tinh

khi nó quay quanh va rung động của các bộ phận vệ tinh đang hoạt động.

Rung giật xảy ra ngẫu nhiên theo mọi hướng Vì rung giật phụ thuộc vào thiết

kế vệ tinh, nên có thé được nhà thiết kế vệ tinh kiểm soát ở một mức độ nàođó, nhưng một số rung giật là không thê tránh khỏi.

- Đường truyền: Hệ thông thông tin liên lạc ảnh hưởng đến chất lượnghình ảnh thông qua khả năng đường truyền xuống của vệ tinh Quy mô lớn,hình anh chất lượng cao là các tệp kỹ thuật số lớn và các vệ tinh chỉ có thé kếtnối xuống các trạm mặt đất nhất định tại một số thời điểm nhất định và ở tốc

độ bị giới hạn bởi thiết bị truyền của chính chúng Dé truyền dữ liệu đã thu

thập xuống mặt đất, một tệp hình ảnh có thể cần được nén hoặc xử ly trướctrên vệ tinh, một trong hai tệp này có thê khiến một số dữ liệu gốc không thểkhôi phục được Điều này sẽ làm giảm chất lượng hình ảnh khi nhận trên mặtđất Mặc dù điều này không ảnh hưởng đến chất lượng ảnh nhận được trênmặt đất, nhưng hệ thống đang được xem xét trong công việc này sẽ sử dụng

xử lý trên vệ tính.

- Quỹ đạo: quỹ đạo của vệ tinh không chỉ xác định các phan của Tráiđất, mà còn xác định độ cao và vận tốc của vệ tinh Độ cao ảnh hưởng trựctiếp đến trường nhìn và khoảng cách lay mẫu mặt đất mà hệ thống có thé đạt

được; độ cao càng thấp, trường nhìn và khoảng cách lay mẫu mặt Vận tốcảnh hưởng đến vết mờ do chuyên động có trong hình ảnh cuối cùng Ngoàiviệc được tính bang số lượng điểm ảnh mờ có trong anh, ảnh hưởng của vếtmờ có thé được mô hình hóa như một yếu tố đóng góp vào MTF hệ thống.

23

- Khí quyển: Đây là yếu tô mà nhà thiết kế không kiểm soát được,nhưng nó góp phần vào chất lượng hình ảnh theo một số cách Hiệu ứng dễ

hiểu nhất là mây che, có thé che khuất hoàn toàn các phan của hình ảnh hoặc

chỉ đơn giản là làm giảm độ tương phản rõ ràng tùy thuộc vào loại mây che

phủ Các tác động khác đều liên quan đến thành phần của khí quyền: sựtruyền qua khí quyền va sự tán xạ của các hạt Sự truyền qua khí quyền là một

phép do sự hap thụ quang phổ của các phân tử cấu thành trong khí quyền Sự

tán xạ của các hạt trong khí quyền ảnh hưởng đến chất lượng hình ảnh chủyếu bằng cách thêm nhiễu xung quanh vào hình ảnh Nếu không có các phépđo khí quyền chỉ tiết, các hiệu ứng truyền và tán xạ không thể được mô hìnhhóa hoàn toàn chính xác, tuy nhiên các giá trị khí quyền tiêu chuẩn hoặc trung

bình được sử dụng dựa trên khu vực và thời gian trong năm Những hiệu ứng

này có thê được loại trừ bằng cách sử dụng các mô hình hiệu chỉnh khí quyền.

- Moi trường vũ tru: Các tác động của môi trường không gian không

rõ ràng ngay lập tức trong một hệ thong chup anh Tất cả các hệ thống vệ tinh

đều tiếp xúc với môi trường hạt tích điện gần Trái đất khi chúng quay quanhquỹ đạo Theo thời gian, hai tác động chính biéu hiện: các hạt có thé tương tácvới các vật liệu trong hệ thống và làm giảm hiệu suất, và lực cản của khíquyên có thể làm suy giảm quỹ đạo độ cao thấp Các tác động hủy hoại của

môi trường rất khó dự đoán và các nhà thiết kế vệ tinh có thể đưa các vật liệu

cứng hoặc chịu bức xạ vào thiết kế, vì vậy những tác động này thường khôngđược xét đến Tùy thuộc vào quỹ đạo và diện tích bề mặt của vệ tinh, lực can

của khí quyền cũng có thé là một van đề Hiệu ứng này rõ rệt hơn ở độ cao

quỹ đạo thấp hơn 500 km và đối với tàu vũ trụ có diện tích bề mặt lớn.

1.2.2 Phục hồi chất lượng ảnh viễn thám quang học

Ảnh thu được từ vệ tinh bị suy giảm chất lượng do nhiều tác động nhưkhí hậu, thời tiết và một số yếu tố khác [43,10, 29, 38] Trong xử lý ảnh vệ tinh,

ảnh nhận được từ vệ tinh chứa một lượng lớn dữ liệu để xử lý hoặc phân tíchthêm Dữ liệu ảnh vệ tinh thường được chụp trong nhiều tình huống khác nhau.

24

Theo một nghĩa nào đó, mỗi hình ảnh vệ tinh được chụp là một phiên bản

bị giảm chất lượng của cảnh Các nguồn suy giảm có thê bị mờ, nhiễu răng cưavà nhiễu loạn khí quyên, thường có các hiệu ứng ảnh hưởng về bản chất của nó.Tuy nhiên, hình ảnh thu được luôn đại diện cho một phiên bản đã xuống cấp củacảnh sốc do những khiếm khuyết trong quá trình chụp và thu nhận.

Khi sản xuất ảnh viễn thám, một số yếu tố sẽ ảnh hưởng đến ảnh, nhưnhiễu loạn khí quyền, quang sai trong hệ thống quang học và chuyển động

tương đối giữa máy ảnh và mặt đất, một / tất cả các yếu tố đó sẽ gây ra hiện

tượng mờ trong ảnh.

Một ảnh hưởng khác bên cạnh độ mờ là nhiễu, ảnh hưởng đến bat kỳhình anh nào được chụp Nhiễu có thé xảy ra bởi phương tiện tao ra hình anh(hiệu ứng hấp thụ hoặc phân tán ngẫu nhiên), bởi phương tiện ghi (nhiễu cảm

biến), do sai số trong phép đo gây ra bởi độ chính xác hạn chế của hệ thốngthu nhận và lưu trữ kỹ thuật số lượng tử hóa dữ liệu Những thay đổi đột ngột

về nhiệt độ khí quyên, nhiễu động bên ngoài và không thu nhận được các cảm

biến trái đất, là những nguyên nhân khác tạo thêm các loại nhiễu khác nhau

vào các hình ảnh thu được [34].

Như vậy phục hôi chất lượng ảnh viễn thám được hiểu là sự loại bỏnhững ảnh hưởng gây ra hiện tượng mo, nhiễu nhằm mang lại thông tintương tự nhất với thiết bị chụp ảnh thu được khi vệ tỉnh mới phóng lên quỹđạo Cần phân biệt rõ phục hồi chất lượng ảnh được đề cập đến ở đây khác

với việc tăng cường chất lượng ảnh thường được thực hiện khi chiết tách

thông tin từ ảnh viễn thám.

1.3 Tổng quan về đánh giá, phục hồi chất lượng ảnh viễn thám quang học

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 phápđánh giá như sử dụng vật chuẩn, pháp đánh giá chéo Tuy nhiên, phương phápđánh giá chéo chỉ thích hợp với việc đánh giá phô và đánh giá độ đồng nhấtcủa 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 côngbố về đánh giá và hiệu chỉnh bức xạ anh Aster Trong nghiên cứu, các tác giảđã cung cấp một cách tóm tắt nhưng đầy đủ về những vấn đề đặt ra và cáchgiải 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 nhiễucột, 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].

Tác giả Paul W Scot Kỹ sư trưởng về thiết bị chụp ảnh củaDigitalGlobe cũng đã đánh giá MTF của vệ tinh Quickbirds và chỉ ra rang,khi lay mẫu sử dụng nội suy song tuyến cho các giá tri MTF thấp hon, và sửdụng nội suy 8-Point Sinc cho giá trị MTF cao hơn Kết quả thu được chothay giá trị trung bình của MTF tại tần số Nyquist theo cả hai hướng doc và

ngang với hướng bay đều đảm bảo yêu cầu kỹ thuật là >0.1 [49].

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 chấtlượng 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

26

“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 chukỳ 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 rasự 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

MTF nhanh chỉ trên một cảnh ảnh dé ước tính MTF cho cảm biến CMOS và so

sánh kết quả với việc sử dụng vật chuẩn hình sin [22] Mặc dù phương phápcạnh nghiêng theo tiêu chuẩn ISO 12233 được thiết kế dé ước tinh MTF chohầu hết các thiết bị chụp ảnh và chỉ cần chụp một ảnh, nhưng điểm yếu của nólà góc chụp cần phải nhỏ hơn 10° và tiêu chuẩn dé xuất là 5° [22, 56]; điều này

không đơn giản trong thực tế chụp ảnh của các hệ thống vệ tinh, đặc biệt là cáchệ thống vệ tinh nhỏ vốn có ưu điểm mạnh nhất là tính linh hoạt cao.

Bên cạnh thuật toán “gờ”, một số tác giả đã đưa ra các phương phápkhác 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 chấtlượng 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.

27

Các tác gia Jin Li, Fei Xing, Ting Sun, Zheng You đã dé xuất mộtphương pháp ước tính MTF của ảnh SPOTS và Quickbirds gồm 5 bước, ướctính MTF bằng cách đạo hàm và biến đổi Fuorier [37] Phương pháp nàyđược các tác giả cũng hy vọng phương pháp nay có thé là một tham chiếu déđánh 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 đánhgiá mà không sử dụng các vật chuẩn Điều này đòi hỏi việc lựa chọn ảnhdưới 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

Valorge [35] sử dụng phương pháp bình phương nhỏ nhất, gồm một quy trìnhlặp, khi quá trình này hội tụ thì sử dụng phép biển đổi Fuorier của bộ lọc chập

đưa ra ước tính tỉ lệ giữa MTF của anh độ phân giải thấp va MTF của anh độphân giải cao Nhóm tác giả cũng cho rằng, phương pháp này có thé áp dụngthành công cho các hệ thống vệ tinh độ phân giải cao như Quickbirds,

IKONOS, SPOT5, PLEIASDES-HR trong tương lai, tuy nhiên vẫn cần thờigian để kiểm nghiệm.

b Những nghiên cứu về phục hoi chất lượng ảnh

Phương pháp đồng dư pha được nhóm nghiên cứu của Xiaopeng Shaosử dụng để phát hiện các cạnh và góc của hình ảnh trước tiên, sau đó là cáccạnh quan trọng, được sử dụng để ước tính hàm trải rộng cạnh (ESF) bằng

phương pháp cạnh nghiêng, được chọn từ các tính năng trên thông qua một

phép đo phát hiện đường nhất định Thuật toán khôi phục hình ảnh dựa trên

tổng biến thé (TV) được giới thiệu dé giải mã tín hiệu hình anh bị suy giảm

với MTF ước tính có được từ ESF [50].

Nhóm nghiên cứu của Fouad Aouinti sử dụng phương pháp khôi phục

hình ảnh được gọi là giải mã Wiener can thiệp dé ước tính từ hình ảnh bị suygiảm một hình ảnh gần với hình ảnh gốc nhất có thể Hiệu quả của phương

28

pháp này đòi hỏi kiến thức về mật độ phổ công suất của hình ảnh gốc hiếmkhi có thé tiếp cận được, do đó chỉ có thé ước lượng các giá trị gần đúng cóthé ảnh hưởng đến chất lượng hình ảnh được khôi phục [8].

Tác giả Shilpa Suresh và cộng sự đã dùng một khung nâng cao chất

lượng chủ yếu tập trung vào việc nâng cao độ tương phản của ảnh viễn thám

vệ tinh Một số ảnh viễn thám vệ tinh đã được thử nghiệm dé so sánh tính

hiệu quả của phương pháp đề xuất so với các phương pháp khác như NIQMC,

BIQME, MICHELSON, DE, EME và PIXDIST cùng với so sánh kết quảđịnh tính Các kết quả chỉ ra việc nâng cao hình ảnh thu được khi sử dụng

phương pháp được đề xuất là tốt hơn so với các phương pháp so sánh [53].

1.3.2 Các nghiên cứu trong nước

Hầu hết các nghiên cứu về chất lượng ảnh quang học nói chung, ảnh

quang quang học viễn thám nói riêng ở nước ta mới ở mức xử lý, tăng cường

chất lượng ảnh phục vụ cho công tác chiết tách thông tin từ đữ liệu ảnh viễnthám quang học, như nghiên cứu của tác giả Lương Chính Kế [3] đã thực hiệnnăm 2011 đã thực hiện hiệu chỉnh, chuẩn hóa bức xạ phổ ảnh viễn thám

quang học đa thời gian và kỹ thuật trộn ảnh nhằm nâng cao độ tin cậy và độ

chính xác phân loại ảnh.

Tác giả Chu Hải Tùng [6] đã nghiên cứu xử lý tăng cường chất lượng

ảnh VNREDSat-1, nhưng nội dung tập trung vào phương pháp mô hình hóa

và nắn chỉnh hình học, phương pháp xử lý dan màu phổ phục vụ cắt ghép ảnh,các thuật toán, chuyền đổi trên các kênh ảnh dé làm nỗi bật các yếu tố trên bềmặt trái đất.

Tác giả Nguyễn Văn Hùng [2] đã nghiên cứu đề xuất biện pháp quản lýchất lượng các loại ảnh viễn thám đang được sử dụng phổ biến hiện nay.

Trong đó cũng đã đề cập đến vấn đề quản lý chất lượng ảnh bao gồm cả độsắc nét về hình ảnh, độ tương phản; tuy nhiên các đặc điểm này lại được thử

nghiệm trên sản phâm ảnh mức 3A, 3B, và cũng chưa có công cụ đê đánh giá.

29

Tác giả Đặng Trường Giang [1] đã có nghiên cứu đánh giá chất lượngphổ của dữ liệu viễn thám Pleiades, SPOT6/7, VNREDSat-1, Sentinel-2,

Landsat-8; nhưng dữ liệu được đánh giá là dữ liệu viễn thám đã xử lý mức

3A, 3B Đồng thời nghiên cứu chỉ tập trung vào đánh giá công tác xử lý phố,

ghép ảnh của quá trình sản xuất bình đô ảnh vệ tinh.

Tác giả Nghiêm Văn Tuấn và cộng sự [5] đã đề xuất các thông số cần

kiểm định chất lượng ảnh viễn thám quang hoc của Việt Nam, là MTF, GSD,

SNR, DS, PRNU, dải động bức xạ, mức độ bão hòa Đồng thời, các tác giả đã

đề xuất hiệu chỉnh hai thông số bức xạ là DS và PRNU Kết quả thu đượccũng giống như hau hết các nghiên cứu khác trên thế giới đó là chỉ đánh giáchất lượng ảnh của hệ thống VNREDSat-1 so với tiêu chuẩn thiết kế được nha

sản xuất đưa ra.

Tác giả Nguyễn Minh Ngoc đã đánh giá chất lượng ảnh VNREDSat-1thông qua hàm truyền điều biến MTF và tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu SNR với các

dữ liệu chụp bãi kiểm định ảnh tại Salon de Provence và Buôn Ma Thuột déchỉ ra sự ôn định của chất lượng ảnh trong suốt thời gian hoạt động của vệtinh đến thời điểm 2019 [4] Trong đó, tác giả đã đề xuất sử dụng phươngpháp chiết tách cạnh Canny dé tính toán MTF, thích hợp cho xu hướng độphân giải bức xạ ngày càng cao ở đữ liệu viễn thám quang học Thông sốSNR được tính toán theo phương pháp độ lệch chuẩn cục bộ Với điều kiện

hiện nay của Việt Nam, đây là phương pháp khả thi và đảm bảo độ chính xác

cũng như tin cậy Tuy nhiên, tác giả tập trung vào việc đề xuất thuật toán để

đánh giá giá trị MTF và SNR, và tăng cường chất lượng anh dé đáp ứng nhucầu sử dụng thực tế Việc phục hồi chất lượng anh con chưa đề cập tới.

30

Tiểu kết chương 1

Chat lượng ảnh quang học viễn thám có thé được đánh giá qua nhiềuthông số khác nhau như: MTF, khoảng cách lay mẫu mặt dat, độ rộng dảichụp, SNR dải động bức xạ, mức độ bão hòa Trong đó, hai thông số MTF và

SNR được sử dụng nhiều nhất.

Các công bố về đánh giá chất lượng ảnh trên thế giới đều mới dừng ởviệc so sánh chất lượng ảnh so với thiết kế ban đầu của nhà sản xuất, hoặcnghiên cứu, phát triển thuật toán, chưa thực hiện phục hồi chất lượng ảnh từ

kết quả đánh giá Những công bố về phục hồi chất lượng ảnh còn chưa đề cậpđến và cũng chưa dựa trên các kết quả đánh giá chất lượng.

Tại Việt Nam, mới có một số ít nghiên cứu về đánh giá chất lượng ảnh

và nâng cao chất lượng ảnh nhằm chiết tách thông tin tốt hơn, chưa đề cậpđến việc kiểm định gián tiếp hệ thống chụp ảnh quang học viễn thám trong

quá trình sử dụng và chưa có nhiều nghiên cứu về phục hồi chất lượng ảnh.

Vì vậy, trong đề tài luận án, nghiên cứu sinh sẽ nghiên cứu phương

pháp kiểm định gián tiếp thiết bị chụp ảnh quang học của vệ tinh nhỏ viễn

thám và phục hồi chất lượng ảnh về gần thời điểm khi vệ tinh mới phóng lên

quỹ đạo Kết quả của nghiên cứu này sẽ góp phần làm sáng tỏ về mặt cơ sởkhoa học, về thực tiễn ở nước ta khi sử dụng ảnh vệ tinh nhỏ viễn thám như

VNREDSat-lvà các vệ tinh nhỏ khác sẽ được phóng lên trong những năm

tiếp theo.

31

Chương 2 CƠ SO KHOA HỌC PHÁT TRIEN THUẬT TOÁN

KIEM ĐỊNH GIÁN TIẾP VÀ PHUC HOI CHAT LƯỢNG ANH

CUA HE THONG QUANG HOC VE TINH NHỎ VIỄN THÁM

Trên cơ sở phân tích tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về đánh

giá và phục hồi chất lượng ảnh viễn thám quang học, nghiên cứu sinh tập

trung vào nguyên lý hoạt động của hệ thống chụp ảnh viễn thám và thông sốđại diện cho chất lượng thiết bị chụp anh là hàm truyền điều biến MTF và tỉ lệ

tín hiệu trên nhiễu SNR.

Nguyên nhân chính dẫn tới sự suy giảm chất lượng là do thời gian hoạt

động ngoài vũ trụ làm hệ thong chụp anh bi mờ, và chịu ảnh hưởng của cácnguồn nhiễu từ bản thân thiết bị cũng như môi trường xung quang.

Do đó, trong chương này trình bày đặc điểm của thiết bị chụp ảnh trênvệ tinh nhỏ cũng như cơ sở khoa học, và việc phát triển thuật toán kiểm định

gián tiếp, và phục hồi chất lượng ảnh của hệ thong vệ tinh nhỏ viễn thám.

2.1 Cơ sở khoa học kiểm định gián tiếp và phục hồi chất lượng ảnh viễn

thám quang học

2.1.1 Cơ sở khoa học của viễn thám quang học

Cơ sở khoa học của công nghệ viễn thám dựa trên bản chất vật lý trongtự nhiên là các vật thê (đối tượng) trong những điều kiện khác nhau thì khả

năng phản xạ hoặc bức xạ của sóng điện từ sẽ có những đặc trưng riêng Từ

đó, nguồn tư liệu viễn thám được hình thành như là kết quả thu nhận nănglượng phản xạ hoặc bức xạ các sóng điện từ của các đối tượng băng các thiếtbị gọi là bộ viễn cảm hay bộ cảm hoặc băng các thiết bị chụp ảnh.

Sóng điện từ được phản xạ hoặc được bức xạ từ vật thể là nguồn tư liệuchủ 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 nghệnhằm 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)

32

Bộ cảm PnChuyển đổisố

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 thốngchụp ảnh lý tưởng có thé biểu diễn tat cả các điểm trong không gian lên mặtphẳng 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 khônggian 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.

33

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 cáctrường 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 sánggan va song song voi quang truc (tia đồng trục) hội tụ tạo một điểm trênquang 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).

Tiêu điểm

Tia sang

“= Quang trục

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 vớikích cỡ thật của đối tượng (đồng thời cũng phụ thuộc vào khoảng cách giữađối tượng và hệ thống chụp ảnh) Điểm giao nhau giữa các mặt phăng chínhvới 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 chínhxác mặt phăng chính trong một hệ thống đa thấu kính là không đơn giản Tiêucự 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 tiêudiện với một góc nghiêng của tia tới trên các thấu kính quan một góc đ, thìtiêu cự sẽ được xác định bằng công thức 2.1 sau đây [10]

f= tan Ø (2.1)

34

Tất cả các hệ thống quang học đều có một khẩu độ dừng tại một điểmnao đó trong hệ thống, tại đó giới hạn số lượng ánh sáng tới khu vực chụpảnh 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 vàithành phần thấu kính (hình 2.3a)

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 từkhông gian vật được gọi là đồng tử vào Tương tự ảnh của khâu độ dừng khinhìn từ không gian ảnh được gọi là đồng tử ra Trong các thấu kính đơn giảnhay các kính viễn vọng đơn giản như Newtonian, khẩu độ vào rõ ràng chophép các tia sáng tự hình thành đồng tử vào (hình 2.3b)

Ngay cả với hệ thống quang học lý tưởng, một điểm cũng không bao giờlà một điểm trên ảnh do hiệu ứng nhiễu xạ Ngoài ra, một hệ thống quang học

thực tê có các quang sai khác, và chúng có thê được chia vào hai loại như sau:

35

- 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 lànhỏ nhất Điều này có thể thực hiện được bằng cách sử dụng các vật liệu làmthấu kính khác nhau, độ cong hay thậm chí là sử dụng các hình dạng mặt khácnhau (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 hìnhảnh 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 việcmắt 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 chấtlượng 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 bịchụp 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