Tính cấp thiết của đề tài Chất lượng dữ liệu ảnh viễn thám được đánh giá trên các mặt khác nhau như: kỹ thuật viễn thám, ứng dụng của viễn thám, kinh tế.. Dữ liệu ảnh viễn thám quang học
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
Trang 2BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
TIỂU BAN HƯỚNG DẪN 1 PGS TS TRẦN VÂN ANH 2 TS NGUYỄN XUÂN LÂM
HÀ NỘI - 2022
Trang 3LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học của riêng bản thân tôi Các số liệu, dữ liệu sử dụng trong luận án có nguồn gốc rõ ràng, đã công bố theo quy định Kết quả nghiên cứu trong luận án do tôi tự tìm hiểu, phân tích một cách trung thực, khách quan
Nghiên cứu sinh
Nguyễn Minh Ngọc
Trang 4LỜI CẢM ƠN
Luận án này được hoàn thành tại Bộ môn Đo ảnh và Viễn thám, Khoa Trắc địa – Bản đồ và Quản lý đất đai, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Trần Vân Anh và TS Nguyễn Xuân Lâm
Trong quá trình thực hiện nghiên cứu, nghiên cứu sinh đã nhận được sự giúp đỡ tận tình của các thầy, cô giáo trong Bộ môn Đo ảnh và Viễn thám, Khoa Trắc địa – Bản đồ và Quản lý đất đai, phòng Đào tạo Sau đại học, Lãnh đạo Nhà trường; của các đồng nghiệp tại Trung tâm Điều khiển và Khai thác vệ tinh nhỏ, Viện Công nghệ vũ trụ, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam; các đồng nghiệp tại Đài Viễn thám Trung ương, Phòng Khoa học và Hợp tác quốc tế, Cục Viễn thám quốc gia, Bộ Tài nguyên và Môi trường; cùng các chuyên gia và các nhà khoa học khác,…
Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất đến tất cả các thầy, cô giáo, các đồng nghiệp, lãnh đạo đơn vị, các nhà khoa học và gia đình đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để giúp đỡ tôi hoàn thành luận án này
Xin chân thành cảm ơn!
Trang 51 Tính cấp thiết của đề tài 1
2 Mục tiêu nghiên cứu 3
3 Nội dung nghiên cứu 3
4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4
5 Phương pháp nghiên cứu 4
6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 5
7 Những điểm mới của đề tài 5
8 Luận điểm bảo vệ 5
9 Kết cấu của luận án 6
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 7
1.1 Khái niệm về đánh giá chất lượng ảnh viễn thám quang học 7
1.1.1 Khái niệm chất lượng ảnh viễn thám quang học 7
1.1.2 Sự cần thiết phải đánh giá chất lượng ảnh viễn thám quang học 8
1.2 Các thông số thể hiện chất lượng ảnh viễn thám quang học 10
1.2.1 Thông số liên quan đến yếu tố không gian 11
1.2.2 Thông số liên quan đến yếu tố bức xạ 15
1.3 Tổng quan về đánh giá chất lượng ảnh viễn thám quang học 17
Trang 62.1.2 Chất lượng ảnh về mặt không gian 30
2.2 Thông số đánh giá chất lượng ảnh 33
2.2.1 Những thông số đại diện cho yếu tố bức xạ 33
2.2.2 Những thông số đại diện cho yếu tố không gian 35
2.2.3 Thông số phù hợp với Việt Nam 37
2.3 Phương pháp đánh giá tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) 44
2.3.1 Nguồn dữ liệu 45
2.3.2 Phương pháp tính toán 47
2.4 Phương pháp đánh giá hàm truyền điều biến (MTF) 49
2.4.1 Phương pháp dựa trên bãi kiểm định 49
2.4.2 Phương pháp độ phân giải kép 53
2.4.3 Phương pháp dựa trên thiết bị đặc trưng 53
2.5 Phương pháp đánh giá chất lượng ảnh thích hợp với điều kiện của Việt Nam 54
2.5.1 Điều kiện thực tế của Việt Nam 54
3.1.1 Hiệu chỉnh tín hiệu tối (DS) 64
3.1.2 Hiệu chỉnh mức độ hồi đáp không đồng đều của điểm ảnh (PRNU) 66
3.2 Quy trình đánh giá chất lượng ảnh qua thông số SNR 68
3.3 Quy trình đánh giá chất lượng ảnh qua thông số MTF 70
3.4 Quy trình đánh giá chất lượng theo nhu cầu sử dụng 76
3.5 Bãi kiểm định phục vụ công tác đánh giá chất lượng ảnh 79
3.5.1 Bãi kiểm định cố định 79
3.5.2 Bãi kiểm định di động 80
3.5.3 Tiêu chí lựa chọn bãi kiểm định 82
3.6 Tiểu kết chương 3 84
Trang 7CHƯƠNG 4 THỰC NGHIỆM: ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ẢNH VIỄN THÁM
VNREDSAT-1 CỦA VIỆT NAM 86
4.1 Hiệu chỉnh bức xạ 86
4.1.1 Hiệu chỉnh DS 86
4.1.2 Hiệu chỉnh PRNU 93
4.2 Đánh giá chất lượng ảnh VNREDSat-1 qua thông số SNR 99
4.3 Đánh giá chất lượng ảnh VNREDSat-1 qua thông số MTF 101
4.3.1 Đánh giá chất lượng ảnh qua thông số MTF 101
4.3.2 Đề xuất mức chất lượng ảnh qua thông số MTF 108
4.4 Tiểu kết chương 4 113
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 114
TÀI LIỆU THAM KHẢO 116
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ 125
PHỤ LỤC 1: TÍNH TOÁN MTF CHO VNREDSAT-1 SỬ DỤNG BÃI KIỂM ĐỊNH TẠI SALON DE PROVENCE 126
PHỤ LỤC 2: KẾT QUẢ ĐO PHẢN XẠ BỀ MẶT Ô MẪU TẠI BÃI KIỂM ĐỊNH BUÔN MA THUỘT 133
PHỤ LỤC 3: DỮ LIỆU ẢNH VNREDSAT-1 ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU 141
PHỤ LỤC 4: SO SÁNH BÃI KIỂM ĐỊNH TẠI SALON DE PROVENCE (PHÁP) VÀ BUÔN MA THUỘT, ĐẮK LẮK (VIỆT NAM) 144
Trang 8DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
AVHRR Advanced Very High Resolution Radiometer
Hệ thống chụp ảnh độ phân giải rất cao
AVIRIS Airborne Visible/InfraRed Imaging Spectrometer
Thiết bị chụp ảnh hàng không kênh phổ nhìn thấy/hồng ngoại BRDF Bidirectional Reflectance Distribution
Function
Hàm phân bố phản xạ hai chiều
quang học sang tín hiệu điện (linh kiện tích điện kép)
Semiconductor
Chất bán dẫn oxit kim loại bổ sung
EIFOV Effective Instantaneous Field Of View Trường nhìn tức thời hiệu quả
IFOV Instantaneous Field Of View Trường nhìn tức thời IGFOV Instantaneous Geometric Field Of
View
Trường nhìn hình học tức thời
Standardization
Tổ chức tiêu chuẩn thế giới
thiết bị
trang thiết bị
Trang 9MTF Modulation Transfer Function Hàm truyền điều biến
MTFA Module Transfer Function Area Khu vực hàm truyền điều biến
PRNU Pixel Response Non-Uniformity Hồi đáp bức xạ không đồng đều của điểm ảnh
Instantaneous Field Of View
Trường nhìn tức thời có bức xạ chính xác
thiết bị
có trang thiết bị
SPOT Satellite Pour l’Observation de la Terre
Vệ tinh quan sát Trái đất của Pháp
VNREDSat-1 Vietnam Nature Resources, Environment, Disaster monitoring Satellite
Vệ tinh nhỏ Việt Nam quan sát tài nguyên thiên nhiên, môi trường và thiên tai
Trang 10DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1 Minh họa một ví dụ về mẫu được dùng để ước tính MTF 11
Hình 1.2 Các biến dạng hình học: bản đồ phẳng (b), sai lệch quang học âm (a) và sai lệch quang học dương (c) 13
Hình 1.3 Ảnh hưởng của các góc nghiêng đến ảnh thu được [33] 13
Hình 1.4 Dạng sai lệch do chuyển động của Trái đất 14
Hình 1.5 Khoảng cách lấy mẫu mặt đất và trường nhìn tức thời 14
Hình 1.6 Độ rộng dải chụp ảnh 15
Hình 2.1 Nguyên lý thu nhận ảnh viễn thám[10] 28
Hình 2.2 Ảnh hưởng của hiện tượng quang sai và ảnh trên tiêu diện [10] 29
Hình 2.3 Hình ảnh của một điểm sáng trên tiêu diện 31
Hình 2.4 Giới hạn phân giải 31
Hình 2.5 Mối quan hệ của FOV, IFOV, IGFOV [51] 32
Hình 2.6 Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu [10] 38
Hình 2.7 Biểu đồ phân bố độ xám của ảnh không có nhiễu (a) và có nhiễu (b) 39
Hình 2.8 Nguyên tắc hàm lan truyền điểm[20] 40
Hình 2.9 Biên độ điều biến giảm từ đối tượng đến ảnh khi qua hệ thống quang học[20] 41Hình 2.10 MTF giảm biên độ khi tăng tần số không gian[20] 41
Hình 2.11 MTF hệ thống là tích của nhiều MTF thành phần[20] 42
Hình 2.12 Biểu đồ phân bố độ xám của ảnh không mờ (a) và ảnh mờ (b) 43
Hình 2.13 Các hệ thống quang học với đường cong MTF khác nhau[20] 43
Hình 2.14 Ảnh của các hệ thống quang học với đường cong MTF khác nhau 44
Hình 2.15 Bãi kiểm định cạnh dùng để ước tính MTF 50
Hình 2.16 Mẫu bãi kiểm định dạng xung 51
Hình 2.17 Mẫu mục tiêu tuần hoàn: (a) mẫu ba thanh, (b) mẫu ngôi sao Siemens 52
Hình 2.18 Thiết kế bãi kiểm định tại thành phố Buôn Ma Thuột, Đắk Lắk 55
Hình 2.19 Ô mẫu để đánh giá SNR 57
Hình 2.20 Mối quan hệ giữa ESF, LSF và MTF 59
Hình 2.21 Ví dụ lọc bỏ giá trị không phải cực đại 60
Hình 2.22 Ví dụ minh họa về ngưỡng lọc 61
Hình 3.1 Quy trình đánh giá chất lượng ảnh tổng thể 63
Trang 11Hình 3.2 Quy trình hiệu chỉnh DS 65
Hình 3.3 Quy trình hiệu chỉnh PRNU 67
Hình 3.4 Quy trình đánh giá SNR 69
Hình 3.5 Quy trình đánh giá MTF 71
Hình 3.6 Hướng của cạnh trong hệ quy chiếu ảnh phục vụ tính MTF 72
Hình 3.7 Lưới lấy mẫu ảnh 72
Hình 3.8 Lấy mẫu để đánh giá MTF 73
Hình 3.9 Minh họa kết quả chiết tách cạnh 73
Hình 3.10 Nguyên tắc lấy mẫu một chiều xác định ESF 74
Hình 3.11 Ví dụ minh họa xác định ESF và LSF 75
Hình 3.12 Ví dụ minh họa đường cong MTF 75
Hình 3.13 Lan truyền cường độ bức xạ tại một điểm ảnh 77
Hình 3.14 Quy trình đánh giá chất lượng theo nhu cầu sử dụng 79
Hình 3.15 Vật chuẩn di động dạng rẻ quạt 81
Hình 3.16 Vật chuẩn di động dạng cột (trái) và dạng ô vuông (phải) 81
Hình 3.17 Vật chuẩn di động dạng thang độ xám 82
Hình 3.18 Vật chuẩn di động đa màu sắc 82
Hình 4.1 Vị trí và dữ liệu ảnh VNREDSat-1 để đánh giá DS 87
Hình 4.2 Biểu đồ hiển thị giá trị tín hiệu tối của VNREDSat-1 87
Hình 4.3 Sự khác biệt của giá trị tín hiệu tối 89
Hình 4.4 Sai số lớn nhất của giá trị tín hiệu tối giữa hai thời điểm đánh giá 89
Hình 4.5 Kết quả hiệu chỉnh dòng tối trên kênh PAN của ảnh VNREDSat-1 90
Hình 4.6 Kết quả hiệu chỉnh dòng tối trên kênh B1 (blue) của ảnh VNREDSat-1 91
Hình 4.7 Kết quả hiệu chỉnh dòng tối trên kênh B2 (green) của ảnh VNREDSat-1 91
Hình 4.8 Kết quả hiệu chỉnh dòng tối kênh B3 (red) của ảnh VNREDSat-1 92
Hình 4.9 Kết quả hiệu chỉnh dòng tối kênh B4 (NIR) của ảnh VNREDSat-1 92
Hình 4.10 Vị trí sa mạc Algeria (a) và Lybia (b) để đánh giá PRNU 94
Hình 4.11 Kết quả tính toán PRNU 95
Hình 4.12 Kết quả so sánh PRNU giữa hai kỳ đánh giá 96
Hình 4.13 Sai số bất thường của PRNU giữa hai kỳ đánh giá 96
Hình 4.14 Kết quả hiệu chỉnh PRNU trên kênh PAN của ảnh VNREDSat-1 97
Hình 4.15 Kết quả hiệu chỉnh PRNU kênh B1 (blue) của ảnh VNREDSat-1 97
Trang 12Hình 4.16 Kết quả hiệu chỉnh PRNU kênh B2 (green) của ảnh VNREDSat-1 98Hình 4.17 Kết quả hiệu chỉnh PRNU kênh B3 (red) của ảnh VNREDSat-1 98Hình 4.18 Kết quả hiệu chỉnh PRNU kênh B4 (NIR) của ảnh VNREDSat-1 99Hình 4.19 Dữ liệu ảnh VNREDSat-1chụp khu vực bãi kiểm định tại thành phố Buôn Ma Thuột ngày 14/11/2017 102Hình 4.20 Dữ liệu ảnh VNREDSat-1chụp khu vực bãi kiểm định tại thành phố Buôn Ma Thuột ngày 02/11/2018 102Hình 4.21 Vị trí các ô mẫu đánh giá MTF(a) và SNR (b) được kiểm tra phản xạ bề mặt 103Hình 4.22: Giá trị MTF sau 8 năm hoạt động của vệ tinh VNREDSat-1 107Hình 4.23: Ảnh VNREDSat-1, thành phố Nha Trang, ngày 26/12/2019 và biểu đồ phân bố độ xám 109Hình 4.24: Ảnh VNREDSat-1, xã Đức Trung, Đức Thọ, Hà Tĩnh, ngày 22/03/2019 và biểu đồ phân bố độ xám 110Hình 4.25: Ảnh VNREDSat-1, Khu vực Bình Đại, Bến Tre, ngày 24/12/2019 và biểu đồ phân bố độ xám 110Hình 4.26: Ảnh VNREDSat-1, khu vực Mường Lát, Thanh Hóa, ngày 18/04/2019 và biểu đồ phân bố độ xám 111
Trang 13DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1 Dữ liệu được sử dụng để đánh giá MTF 72
Bảng 3.2 Thông tin yêu cầu mô tả đối với mỗi bãi kiểm định 80
Bảng 3.3 Một số tiêu chí lựa chọn bãi kiểm định 83
Bảng 4.1 Dữ liệu ảnh VNREDSat-1 để đánh giá DS 87
Bảng 4.2 Dữ liệu ảnh VNREDSat-1 để đánh giá PRNU 94
Bảng 4.3 Kết quả tính toán SNR sử dụng bãi kiểm định tại Buôn Ma Thuột 99
Bảng 4.4 So sánh kết quả SNR thực nghiệm và thiết kế 100
Bảng 4.5 Dữ liệu ảnh VNREDSat-1 chụp bãi thử tại Buôn Ma Thuột 101
Bảng 4.6 Giá trị phản xạ của ô mẫu ở bãi kiểm định tại Buôn Ma Thuột 103
Bảng 4.7 So sánh giá trị MTF tính theo phương pháp được đề xuất và của nhà sản xuất vệ tinh VNREDSat-1 104
Bảng 4.8 Kết quả tính toán MTF dọc hướng bay (chuyển từ đen sang trắng) 104
Bảng 4.9 Kết quả tính toán MTF dọc hướng bay (chuyển từ trắng sang đen) 105
Bảng 4.10 Kết quả tính toán MTF theo chiều dọc hướng bay 105
Bảng 4.11 Kết quả tính toán MTF ngang hướng bay (chuyển từ đen sang trắng) 105
Bảng 4.12 Kết quả tính toán MTF ngang hướng bay (chuyển từ trắng sang đen) 106
Bảng 4.13 Kết quả tính toán MTF theo chiều ngang hướng bay 106
Bảng 4.14 So sánh với các kết quả tính toán MTF tại bãi kiểm định Salon de Provence và Buôn Ma Thuột 107
Bảng 4.15 Đề xuất mức chất lượng ảnh 113
Trang 14MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết của đề tài
Chất lượng dữ liệu ảnh viễn thám được đánh giá trên các mặt khác nhau như: kỹ thuật viễn thám, ứng dụng của viễn thám, kinh tế Những khía cạnh đó đều dựa trên các thông số kỹ thuật của dữ liệu ảnh hay nói cách khác là chất lượng ảnh về mặt kỹ thuật viễn thám
Dữ liệu ảnh viễn thám quang học mà người dùng tiếp cận được hầu hết ở mức 1A, 2A hay cao hơn nữa; đồng thời, các nhà cung cấp thường định hướng chỉ tiêu chất lượng ảnh dựa trên khái niệm về các loại độ phân giải Do đó, dữ liệu ở mức thấp hơn như mức 0 ít được quan tâm
Như vậy, đối với các dữ liệu trước mức 2A như mức 1A hay trước đó là mức 0 thì có được đánh giá không và đánh giá như thế nào? Đây là một bài toán thường được giải bởi nhà sản xuất hoặc đơn vị quản lý hệ thống vệ tinh viễn thám Các giá trị để đánh giá thường liên quan trực tiếp đến các mô hình quang học, điện tử, cơ khí, động lực học,… của toàn bộ quả vệ tinh Vì lý do bảo mật, các mô hình này thường không được công bố; hơn thế nữa đối với mỗi thế hệ vệ tinh khác nhau các mô hình này cũng không giống nhau hoàn toàn thậm chí là ngay cả trong một thế hệ nhưng mỗi quả vệ tinh cũng có đặc thù riêng
Để đánh giá chất lượng ảnh có rất nhiều thông số và được chia thành hai nhóm như sau: nhóm liên quan đến yếu tố không gian có hàm truyền điều biến, sai số vị trí, độ méo ảnh, khoảng cách lấy mẫu góc, khoảng cách lấy mẫu mặt đất, chất lượng định hướng, độ rộng dải chụp và nhóm liên quan đến yếu tố bức xạ có tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu, tín hiệu tối, hồi đáp bức xạ không đồng đều của điểm ảnh, dải động bức xạ,… [18,52,16]
Mặc dù có nhiều thông số nhưng ảnh hưởng của chúng đến chất lượng ảnh không phải là như nhau; đồng thời cũng không phải thông số nào mà đơn vị quản lý hệ thống vệ tinh có thể chủ động đánh giá được Vì vậy cần xác định rõ những thông số nào đặc trưng cho chất lượng ảnh và có thể thực hiện công tác đánh giá; đồng thời cũng chỉ ra được tình trạng hoạt động của thiết bị chụp ảnh trên vệ tinh
Do có nhiều thông số để đánh giá chất lượng ảnh nên mỗi hệ thống vệ tinh viễn thám quang học có bộ thông số khác nhau để đánh giá chất lượng ảnh, hai thông số xuất hiện thường xuyên trong các bộ thông số đó là: tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu, được viết tắt là
Trang 15SNR (Signal to Noise Ratio), và hàm truyền điều biến, được viết tắt là MTF (Modulation Transfer Function)
Trong điều kiện của Việt Nam vẫn còn thiếu phòng thí nghiệm, các thiết bị hỗ trợ, mới có bãi kiểm định được xây dựng tại thành phố Buôn Ma Thuột, tỉnh Đắk Lắk, được đưa vào sử dụng từ 2017, và các bãi kiểm định tự nhiên trên thế giới; nghiên cứu sinh đề xuất lựa chọn hai thông số MTF và SNR để đánh giá chất lượng ảnh Đây là hai thông số không chỉ thể hiện được chất lượng ảnh, mà còn tính toán được với điều kiện có các bãi kiểm định như đã nêu trên Do đó hai thông số này thích hợp với để đánh giá chất lượng ảnh viễn thám quang học của Việt Nam với thực trạng hiện nay
Điều kiện hoạt động khắc nghiệt ngoài không gian cùng với quá trình phóng lên quỹ đạo dẫn đến suy giảm chất lượng của các thiết bị trên vệ tinh, đặc biệt thiết bị thu nhận ảnh vốn có cấu trúc phức tạp với độ chính xác cao Tuy nhiên, việc suy giảm có thể chấp nhận được trong một giới hạn cho phép nào đó, và điều quan trọng là cần phải xác định được tình trạng hoạt động thực tế của thiết bị chụp ảnh trên vệ tinh trong điều kiện không tiếp xúc trực tiếp được với thiết bị Do vậy, ngay từ khi các vệ tinh viễn thám được đưa vào sử dụng, các nhà khoa học đã nghiên cứu, đề xuất nhiều phương pháp để đánh giá chất lượng của hệ thống chụp ảnh trên vệ tinh, và phương pháp đánh giá gián tiếp sử dụng dữ liệu ảnh là hướng tiếp cận được áp dụng rộng rãi [53,33,79]
Dữ liệu ảnh thu được của các hệ thống vệ tinh viễn thám quang học là rất lớn, nhưng không phải bất kỳ dữ liệu ảnh nào cũng có thể được sử dụng để đánh giá chất lượng ảnh mà chúng cần đáp ứng được các tiêu chí riêng Ví dụ đối với thông số SNR thì các dữ liệu ảnh cần có các khu vực đồng nhất hay có thể tổ hợp được thành vùng đồng nhất; với thông số MTF thì các dữ liệu ảnh cần có chuỗi các vật thể với tần số không gian khác nhau và cùng giá trị phản xạ Trong viễn thám, việc có thể tìm được các khu vực đồng nhất để đánh giá thông số SNR là khả thi; tuy nhiên để đánh giá thông số MTF thì cần có những khu vực đặc thù, và hầu hết là được chuẩn bị trước, các khu vực đó thường được gọi là bãi kiểm định
Ngoài ra cũng có một số phương pháp đánh giá MTF khác không dùng dữ liệu ảnh các bãi kiểm định nhưng không được sử dụng rộng rãi, vì yêu cầu dữ liệu đầu vào quá khắt khe như phương pháp độ phân giải kép, hay không còn phù hợp với xu hướng phát triển của ảnh viễn thám quang học như phương pháp khung toán tổng quát; hay do hướng