Kỹ thuật phân hoạch bốn thành phần mở rộng cho ảnh polsar với mô hình tán xạ bất đối xứng

Bài viết trình bày một kỹ thuật phân hoạch bốn thành phần cải tiến dựa trên tính phản xạ bất đối xứng. Các nghiên cứu trước đây vẫn còn một số tồn tại như các tòa nhà dọc theo hướng ra đa và đường giao thông phân hoạch chưa chính xác.

Kỹ thuật điều khiển & Điện tử KỸ THUẬT PHÂN HOẠCH BỐN THÀNH PHẦN MỞ RỘNG CHO ẢNH POLSAR VỚI MƠ HÌNH TÁN XẠ BẤT ĐỐI XỨNG Bùi Ngọc Thủy1*, Phạm Minh Nghĩa2, Nguyễn Cơng Đại2, Lê Vĩnh Hà3 Tóm tắt: Phân hoạch mục tiêu nhân tạo khu vực đô thị sử dụng ảnh PolSAR hướng nghiên cứu triển vọng liên quan đến cơng tác qui hoạch thị, giải phóng mặt bằng… Bài báo trình bày kỹ thuật phân hoạch bốn thành phần cải tiến dựa tính phản xạ bất đối xứng Các nghiên cứu trước số tồn tòa nhà dọc theo hướng đa đường giao thơng phân hoạch chưa xác Để khắc phục nhược điểm đưa thêm thành phần phản xạ bất đối xứng nhằm nâng cao độ xác cho nhận dạng mục tiêu nhân tạo Dữ liệu viễn thám hàng không ESAR sử dụng để đánh giá hiệu phương pháp đề xuất Kết thực nghiệm cho thấy phương pháp đề xuất cho độ xác cao phương pháp phân hoạch trước Từ khóa: Phân hoạch thành phần, Cơ chế tán xạ, Ma trận hiệp phương sai, Ra đa tổng hợp mặt mở phân cực MỞ ĐẦU Ra đa tổng hợp mặt mở phân cực PolSAR nhạy cảm với thay đổi cấu trúc hình học, góc định hướng đặc tính vật lý mục tiêu tán xạ bề mặt trái đất Các chế tán xạ vật lý chế tán xạ bề mặt từ bề mặt thô, chế tán xạ khối từ tán xạ tán coi trình tán xạ ngẫu nhiên từ đám mây ống trụ mỏng, chế tán xạ nhị diện từ thân - vùng rừng mặt đất - tòa nhà khu vực thị tất thu cách sử dụng kỹ thuật phân hoạch mục tiêu từ ảnh PolSAR Trong hai thập kỷ gần đây, có nhiều kỹ thuật phân hoạch giới thiệu chúng chia làm hai loại chính: Đầu tiên kỹ thuật phân hoạch theo trị riêng đề xuất Cloude [1]; Thứ hai kỹ thuật phân hoạch dựa mơ hình tán xạ theo kỹ thuật phân hoạch Freeman Durden (FDD) [2], FDD ma trận hiệp phương sai mơ hình hóa đóng góp ba chế tán xạ: Tán xạ bề mặt, tán xạ nhị diện tán xạ khối Tuy nhiên, thuật toán FDD dựa điều kiện phản xạ đối * * * xứng S HH S HV  , S HV SVV  Nhưng thực tế S HH S HV  0, * S HV SVV  , đó, Yamaguchi [3] mở rộng cho kỹ thuật phân hoạch ba thành phần kỹ thuật phân hoạch bốn thành phần bao gồm thành phần tán xạ xoắn ốc Phân hoạch dựa mơ hình Lee [4] có ba nhược điểm ảnh hưởng bù góc định hướng, mơ hình tán xạ khối biến đổi công suất âm điểm ảnh Tuy nhiên, trình bày Yamaguchi [3], xây dựng mơ hình tán xạ cho phù hợp với liệu nhận Ta thấy kỹ thuật phân hoạch thành phần Yamaguchi xây dựng giả thuyết Re(C12) = Re(C23) = Im(C12) = Im(C23) Theo giả thuyết Yamaguchi xác định công suất thành phần tán xạ xoắn ốc Tuy nhiên, thực tế C12 C23 không đảm bảo ảo chúng không Mặt khác, phần thực đạt giá trị lớn khu vực đô thị Do đó, mơ hình tán xạ Yamguchi khơng phù hợp với liệu Để phù hợp cho vùng thực vật, Arri Antropov xây dựng mơ hình tán xạ khối thích nghi [5] mơ hình tán xạ khối tổng quát [6] Vấn đề công suất âm Arri [5] đề cập giải cách hạn chế công suất thành phần tán xạ khối Mặc dù, thực góc bù định hướng, chí giảm thiểu thành phần phân cực chéo, việc đánh giá vượt mức cơng suất tán xạ khối nghiêm trọng khu vực đô thị với góc định hướng lớn phương pháp Mục đích báo để giải vấn đề Theo phương pháp đề xuất tỉ lệ 104 B N Thủy, …, L V Hà, “Kỹ thuật phân hoạch bốn thành phần … tán xạ bất đối xứng.” Nghiên cứu khoa học công nghệ cảnh báo nhầm bỏ sót mục tiêu giảm đáng kể Điểm phương pháp đề xuất đưa phương pháp phân hoạch mục tiêu bốn thành phần phổ biến Trong phương pháp đề xuất, chúng tơi sử dụng thuật tốn thích nghi để xác định tham số ma trận hiệp phương sai tán xạ khối tán xạ bất đối xứng Hiệu phương pháp đề xuất minh chứng với liệu PolSAR thu từ hệ thống viễn thám hàng khơng E-SAR Bài báo có cấu trúc sau: Trong phần 2-Kỹ thuật phân hoạch Yamaguchi giới thiệu ngắn gọn hạn chế khu vực đô thị Phần 3-Phương pháp phân hoạch đề xuất Phần Kết thực nghiệm phân tích kết trình bày phần báo Cuối kết luận hướng phát triển tương lai KỸ THUẬT PHÂN HOẠCH YAMAGUCHI Kỹ thuật phân hoạch bốn thành phần Yamaguchi [3] giới thiệu vào năm 2005 Trong phương pháp này, ông bổ sung thêm thành phần tán xạ xoắn ốc Các thông tin thu địa hình từ hệ thống PolSAR thơng qua phép đo ma trận tán xạ phức 2x2 [S] Trường hợp tán xạ ngược môi trường tương hỗ, theo định lý tương hỗ, véc tơ mục tiêu k có dạng sau [3]  k L   S HH S HV SVV  T (1) Trong đó: T biểu thị cho chuyển vị ma trận Ma trận hiệp phương sai hình thành từ véc tơ mục tiêu có dạng [3] Ta dễ dàng thấy điều kiện tán xạ không đối * * xứng S HH S HV  0, S HV SVV  tương ứng với C12  C23  Mơ hình phân hoạch Yamaguchi thể sau: C  fsCs  fd Cd  fvCv  fcCh   j 1       8 2   (2) Pd  P Ps    Pv   j 2   0 0   0 0  0  c  j  15   1  *       *  2 3 2*    1    1 Trong đó: Ps, Pd, Pv, Pc thành phần công suất xác định tương ứng với chế tán xạ bề mặt, nhị diện, tán xạ khối tán xạ xoắn ốc Công suất bốn thành phần tán xạ xác định sau:  Ps  f s   ;  Pd  fd   2 ; Pv  fv ; Pc  fc Pt  Ps  Pd  Pv  Pc  SHH  SHV  SVV (3) Thành phần tán xạ xoắn ốc đề xuất để mơ tả q trình tán xạ đối xứng phản xạ không đối xứng cấu trúc phức tạp mục tiêu nhân tạo Tuy nhiên, nhược điểm không sử dụng hết liệu quan sát có ma trận C công suất âm nhiều điểm ảnh vượt mức cơng suất khu vực thị, ngồi ma trận tán xạ khối Yamaguchi điểm ảnh số điểm ảnh Điều gây độ ổn định thuật toán PHƯƠNG PHÁP PHÂN HOẠCH ĐỀ XUẤT 3.1 Các thành phần tán xạ Thành phần tán xạ khối thành phần tán xạ khuếch tán trực tiếp từ tầng tán Theo lý thuyết tán xạ sóng, q trình tán xạ từ tầng tán mơ hình hóa q trình tán xạ ngẫu nhiên từ đám mây ống trụ mỏng Tuy nhiên, vùng tự nhiên, Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 53, 02 - 2018 105 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử nơi mà cấu trúc thẳng đứng dường chiếm ưu hơn, tán xạ từ thân cây, cành tán biểu diễn theo hàm phân bố góc khơng Trong báo sử dụng mô hình tán xạ khối tham chiếu Cthamchieu đề xuất Atropov [6] mơ hình tán xạ khối thích nghi Cv(, ) trình bày Arri [5] Như vậy, ma trận hiệp phương sai thành phần tán xạ khối biểu diễn thông qua hai tham số: góc định hướng trung bình θ, mức độ phân bố ngẫu nhiên σ Khi ma trận hiệp phương sai thành phần tán xạ khối sau: (4) Cv  ,    C   p   C   q   C        Trong đó, p   q   đa thức bậc sáu theo đối số σ, ma trận C , C C trình bày Arri [5] Ma trận hiệp phương sai thành phần tán xạ khối xác định cách thay đổi giá trị σ θ dải [5] cho Cv  ,  có dạng gần với ma trận Cthamchieu Ma trận tán xạ khối xác định theo điều kiện tối ưu (5) Hình 1(a) thể lưu đồ thuật toán xác định ma trận tán xạ khối cho phương pháp đề xuất : Cv  ,    Cthamchieu (5) Tán xạ bất đối xứng thường gây mục tiêu có cấu trúc phức tạp tòa nhà, đường giao thơng, cầu đường… Do mơ hình tốn học xác tương ứng với mơ hình tán xạ khối bất đối xứng đề xuất có dạng tổng quát sau: C asym  2    2 *  *    2 * 2 2 *    2     (6) Ở   tỷ số hệ số tán xạ ngược HH HV để tương ứng với hệ số tán xạ ngược hệ số tán xạ ngược VV Ta thấy tán xạ bất đối xứng bao gồm tán xạ xoắn ốc Khi  = ρ = ± j, mơ hình tán xạ bất đối xứng Casym trở thành mơ hình tán xạ xoắn ốc Ch [1] 3.2 Mơ hình phân hoạch đề xuất C  fsCs  fd Cd  fvCv  fasymCh          P P P  s  0 0  d  0 0  d 1   *  1   *         Trong    a  * e d*  e b f*  2 d  Pasym  f  2 *   c   *  2* 2 2*    (7) 2        1;   a  b  c; Pasym thành phần công suất tán xạ bất đối xứng a  f phần tử mơ hình tán xạ khối Sau xác định ma trận hiệp phương sai cho thành phần tán xạ khối [7] [8], từ (7) lưu đồ thuật tốn Hình 1(b) ta biểu diễn lại sau: C  fv Cv  ,   fs Cs   fd Cd   fasym Casym  106 (8) B N Thủy, …, L V Hà, “Kỹ thuật phân hoạch bốn thành phần … tán xạ bất đối xứng.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Pvb Pasym  2   P Pe asym C12  v   *   P P f asym C23  v  2   C22  Từ ta có: (9) Lưu đồ thuật tốn: (a) (b) Hình a) Xác định tán xạ khối mở rộng, b) Lưu đồ thuật toán phân hoạch đề xuất Trong phương pháp đề xuất ta cho công suất tán xạ thành phần tán xạ nhị diện tỷ lệ với công suất tổng theo hệ số  đó, với ≤  ≤ nghĩa là: Pd   Pt  1 (10) Pt  C11  C22  C33  Ps  Pd  Pv  Pasym Với Pt tổng công suất thành phần tán xạ Ta thấy  biểu thị cho tính chủ đạo thành phần tán xạ nhị diện Khi   thành phần tán xạ bất đối xứng đóng vai trò chủ đạo (trong khu vực thị) Khi   thành phần tán xạ bất đối xứng nhỏ (trong khu vực tự nhiên) Ta có: Ps  Pd  Pv  Pt  Pasym  Pt 1    P Kết hợp (9, 10 11) ta tính : C22  b Pv  asym    Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 53, 02 - 2018 (11) (12) 107 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Khi  =1 Pv = C22  Pasym  (13)  Giải hệ phương trình (9, 10, 12) ta có : *   C22 2C23   C22 * 2C23 ;   C12  C22 (14) So với phương pháp phân hoạch bốn thành phần Yamaguchi, phương pháp phân hoạch đề xuất sử dụng chế tán xạ bất đối xứng Vì vậy, mơ hình đề xuất áp dụng cho khu vực đô thị khu vực có phân bố cấu trúc tự nhiên KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Để tăng tính thuyết phục cho phương pháp đề xuất, so sánh kỹ thuật phân hoạch kinh điển bốn thành phần Yamaguchi [3], mà nhà khoa học giới thường sử dụng để so sánh kết phân hoạch (a) (b) Hình (a) Ảnh quang học GoogleEarth (b) Ảnh màu hệ số tương quan  Hiệu thuật toán đề xuất đánh giá dựa liệu nhận từ hệ thống vệ tinh E-SAR khu vực Oberpfaffenhofen Đức Ảnh quang học khu vực quan sát nhận từ phần mềm GoogleEarth hình 2(a) dùng để kiểm nghiệm thực tế kết phân hoạch đề xuất Kích thước liệu quan sát 1300x1200 Khu vực quan sát hỗn hợp gồm: khu sân bay, khu đô thị, đất nông nghiệp khu vực rừng Hệ số tương quan  hình 2(b) thể phân bố hệ số  [0, 1] khu vực rừng, đất nông nghiệp khu vực thị Q trình thực nghiệm xây dựng môi trường Matlab ENVI Hiệu phương pháp đề xuất đánh giá dựa so sánh với phương pháp phân hoạch bốn thành phần Yamaguchi Từ kết so sánh ta đánh giá cách xác với chế tán xạ nhị diện chiếm ưu khu vực đô thị, tán xạ khối chiếm ưu khu vực rừng Trong vùng đô thị, thành phần tán xạ nhị diện tán xạ xoắn ốc xác định từ phân hoạch đề xuất hình 3(a) cho thấy mức độ quan sát rõ so với kỹ thuật phân hoạch Yamaguchi hình 3(b) Trong hình 3(b) nhiều điểm ảnh khu vực thị màu xanh cây, đó, dẫn đến giải đốn xác định nhầm mục tiêu Nguyên nhân tồn nhiều điểm ảnh có thành phần cơng suất âm phân hoạch Yamaguchi [3] Kế tiếp, chúng tơi phân tích vùng nhỏ để so sánh hiệu hai phương pháp Tại vị trí A, B C hình 3(b) chúng tơi phóng to để phân tích thể 108 B N Thủy, …, L V Hà, “Kỹ thuật phân hoạch bốn thành phần … tán xạ bất đối xứng.” Nghiên cứu khoa học công nghệ hình 3(c)-(e) màu xanh coi khu vực rừng thực tế khu vực thị Chính nhận dạng xác định nhầm mục tiêu Tại vị trí A B hình 3(a) phương pháp đề xuất cải thiện đáng kể khắc phục hạn chế phân hoạch Yamaguchi Từ kết hình ảnh so sánh thể hình 3(f)-(h) ta thấy khu vực thị có màu đỏ tía cải thiện tốt so với hình 3(c)-(e) phân hoạch Yamaguchi Từ kết phân hoạch đề xuất cho thấy nhận dạng xác định xác mục tiêu nhân tạo so với kỹ thuật phân hoạch Yamaguchi (c) (d) (e) (a) (b) (f) (g) (h) Hình (a) Ảnh đa hợp bốn thành phần tán xạ phân hoạch đề xuất (b) Ảnh đa hợp bốn thành phần tán xạ phân hoạch Yamaguchi, vùng nhỏ so sánh (c)-(e) kết phân hoạch Yamaguchi, (f)-(h) kết phân hoạch đề xuất Hình 4(a)-(c) trình bày kết phương pháp đề xuất hình 4(d)-(f) trình bày kết kỹ thuật phân hoạch Yamaguchi So sánh hình 4(a) (d) ta thấy hai phương pháp chế tán xạ khối chiếm ưu thành phần tán xạ trực tiếp nhị diện hình 4(a) chiếm 58% hình 4(d) chiếm 48% cơng suất tổng Điều hợp lý khu vực rừng bao gồm tán dạng vòm gồm nhiều vật tán xạ định hướng ngẫu nhiên làm giảm tán xạ nhị diện tán xạ bề mặt (a) (d) Rừng Tán xạ nhị diện Tán xạ bất đối xứng (b) (e) Đất nông nghiệp Tán xạ trực tiếp (c) (f) Đô thị Tán xạ khối Hình Biểu đồ tròn bốn thành phần tán xạ khu vực khảo sát (a)-(c) phương pháp phân hoạch đề xuất (d)-(f) kỹ thuật phân hoạch Yamaguchi Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 53, 02 - 2018 109 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Tương tự, hình 4(b) (e) ta thấy chế tán xạ trực tiếp chiếm ưu khu vực đất nông nghiệp chiếm 56% công suất tổng thành phần tán xạ khối giảm mạnh từ 58% xuống 19% khu vực trồng nhiều nơng nghiệp Trong hình 4(c) (f) khu vực đô thị, tỷ lệ phần trăm công suất tán xạ xoắn ốc khu vực thị thuật tốn đề xuất 20% cao nhiều so với phân hoạch Yamaguchi 12%, mặt khác thành phần tán xạ khối phương pháp đề xuất giảm từ 19% xuống 10%, tương tự thành phần tán xạ trực tiếp giảm mạnh từ 56% xuống 42% Trong phân hoạch Yamaguchi khu vực đô thị tán xạ xoắn ốc thường thành phần tán xạ chủ đạo có cơng suất lớn chiếm 12% so với cơng suất tổng, thành phần tán xạ khối thường có cơng suất nhỏ lại chiếm 35% ngun nhân dẫn đến việc giải đốn xác định nhầm mục tiêu Như vậy, thuật toán đề xuất thêm vào thành phần tán xạ bất đối xứng, cho thấy kết hình ảnh cải thiện đáng kể việc giải đoán xác định mục tiêu xác phân hoạch Yamaguchi KẾT LUẬN Bài báo trình bày phương pháp phân hoạch bốn thành phần tán xạ mở rộng sử dụng liệu ảnh PolSAR Từ kết phương pháp đề xuất, ta thấy khu vực rừng biểu diễn màu xanh cây, khu vực đô thị có màu đỏ, nghĩa tán xạ nhị diện tán xạ xoắn ốc chiếm ưu Do đó, kết phương pháp đề xuất phù hợp với chế tán xạ thực sử dụng để nhận dạng phân loại địa hình cách hiệu Phương pháp đề xuất đưa thành phần tán xạ bất đối xứng vào nhằm khắc phục nhược điểm phân hoạch Yamaguchi giải đoán, ước lượng, phân loại địa hình mục tiêu Từ kết quả, so sánh phân tích phương pháp đề xuất cho thấy cải thiện tốt phương pháp phân hoạch bốn thành phần Yamaguchi Mặc dù, phương pháp đề xuất nhược điểm khu rừng nằm góc bên phải hình 3(a) chưa hồn tồn màu xanh góc bên trái hình 3(a) thành phần tán xạ bất đối xứng vượt mức công suất Phạm vi ứng dụng phương pháp đề xuất sử dụng qui hoạch đô thị, nhận dạng mục tiêu, dự báo động đất… Trong tương lai, tiếp tục nghiên cứu cải thiện thêm hy vọng cho kết tốt nhằm mục đích nâng cao hiệu cho phương pháp đề xuất TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] S R Cloude and E Pottier, “An entropy based classification scheme for land applications of polarimetric SAR,” IEEE Trans Geosci Remote Sens., vol 35, no 1, pp 68–78, Jan 1997 [2] A Freeman and S L Durden, “A three-component scattering model for polarimetric SAR data,” IEEE Trans Geosci Remote Sens., vol 36, no 3, pp 963–973, May 1998 [3] Y Yamaguchi et al., “Four-component scattering model for polarimetric SAR image decomposition,” IEEE Trans Geosci Remote Sens., vol 43, no 8, pp 1699–1706, Aug 2005 [4] J S Lee, T L Ainsworth, and Y Wang, “Recent advances in scattering model-based decompositions: An overview,” in Proc IEEE Int Geosci Remote Sens Symp., 2011, pp 9–12 [5] M Arri, J VanZyl, and Y Kim, “Adaptive model-based decomposition of polarimetric SAR covariance matrices,” IEEE Trans Geosci Remote Sens Lett., vol 49, no 3, pp 1104-1113, Mar 2011 110 B N Thủy, …, L V Hà, “Kỹ thuật phân hoạch bốn thành phần … tán xạ bất đối xứng.” Nghiên cứu khoa học công nghệ [6] Oleg Atropov, Rauste and Tuomas Hame “Volume Scatterring Modeling in PolSAR Decompositions: Study of ALOS PALSAR Data Over Boreal Forest” IEEE Transaction on Geoscience and Remote Sensing, 2011, vol 49, no 10, pp 3838-3848 [7] S W Chen and M Sato, “Tsunami damage investigation of build-up areas using multi-terporal spaceborne full polarimetric SAR images,” IEEE Trans Geosci Remote Sens., vol 51, no 4, pp 1985-1997, Apr 2013 [8] S W Chen, X S Wang, Y Z Li, and M Sato, “Adaptive model-based polarimetric decomposition using PolInSAR coherence,” IEEE Trans Geosci Remote Sens., vol 52, no 1, pp 1705–1718, Mar 2014 ABSTRACT EXTENDED FOUR-COMPONENT DECOMPOSITION FOR POLSAR IMAGE WITH ASYMMETRIC SCATTERING COMPONENT The decomposition of artificial targets in urban areas using the PolSAR image is a promising prospect related to urban planning, land clearance, etc In the paper, an improved four-component decomposition technique base on asymmetric reflectivity is presented Previous studies still have some disadvantages such as buildings along the direction of the radar and inaccurate traffic decomposition In order to overcome these disadvantages we include an asymmetric reflex component to improve the accuracy of artificial target identification Aerospace ESAR data is used to evaluate the effectiveness of the proposed method The empirical results show that the proposed method improves accuracy level significantly in comparision with the previous decomposition methods Keywords: Four-component decomposition, Scattering mechanism, Covariance matrix, Polarimetric synthetic aperture radar (POLSAR) Nhận ngày 22 tháng 11 năm 2017 Hoàn thiện ngày 21 tháng 12 năm 2017 Chấp nhận đăng ngày 26 tháng 02 năm 2018 Địa chỉ: Viện Điện tử - Viện Khoa học Công nghệ quân sự; Khoa Vô tuyến Điện tử - Học viện Kỹ thuật quân sự; Viện Ra đa - Viện Khoa học Cơng nghệ qn * Email: thuybn78@gmail.com Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 53, 02 - 2018 111 ... để tương ứng với hệ số tán xạ ngược hệ số tán xạ ngược VV Ta thấy tán xạ bất đối xứng bao gồm tán xạ xoắn ốc Khi  = ρ = ± j, mơ hình tán xạ bất đối xứng Casym trở thành mơ hình tán xạ xoắn ốc... nhân tạo so với kỹ thuật phân hoạch Yamaguchi (c) (d) (e) (a) (b) (f) (g) (h) Hình (a) Ảnh đa hợp bốn thành phần tán xạ phân hoạch đề xuất (b) Ảnh đa hợp bốn thành phần tán xạ phân hoạch Yamaguchi,... giảm tán xạ nhị diện tán xạ bề mặt (a) (d) Rừng Tán xạ nhị diện Tán xạ bất đối xứng (b) (e) Đất nông nghiệp Tán xạ trực tiếp (c) (f) Đô thị Tán xạ khối Hình Biểu đồ tròn bốn thành phần tán xạ khu