Xác định giá trị hàm truyền điều biến (MTF) phục vụ đánh giá chất lượng ảnh vệ tinh VNREDSat-1, sử dụng bãi thử cố định

Bài viết sử dụng phương pháp cạnh nghiêng đối với bãi thử nhân tạo cố định và dữ liệu ảnh VNREDSat-1 có độ phân giải không gian kênh toàn sắc là 2,5 m để thực hiện ước tính giá trị MTF.

Journal of Mining and Earth Sciences Vol 62, Issue (2021) 19 - 26 19 Estimation of Modulation Transfer Function (MTF) of VNREDSat-1 satellite for image quality assessment by using the permanent test site Ngoc Minh Nguyen 1,2,*, Anh Van Tran 2, Tuan Van Nghiem 3, Huy Xuan Chu 1, Thao Phuong Thi Do Space Technology Institute, Vietnam Academy of Science and Technology, Vietnam Faculty of Geomatics and Land Administration, Hanoi University of Mining and Geology, Vietnam Division of Science and International Relations, Department of National Remote Sensing, Vietnam ARTICLE INFO ABSTRACT Article history: Received 18th Sept 2020 Accepted 09th Jan 2021 Available online 28th Feb 2021 MTF is a factor in evaluating image quality with respect to the contrast and sharpness of the payload, thus directly related to spatial resolution Therefore, ensuring image quality is an important task, especially for small satellites with high spatial resolution This study uses the slantededge method for the artificial permanent test site and VNREDSat-1 image data with spatial resolution of panchromatic band as 2.5 m to make an MTF value estimate The MTF value during years of operation averages about 0.2 compared to the threshold as 0.08 (for the test site at Salon de Provence, France, the MTF value ranged from 0.16÷0.27 in across-track direction and 0.16÷0.25 in along-track direction; and at the Buon Ma Thuot test site, these values were 0.16÷0.23 and 0.20÷0.24, the reflectivity of these two test sites are similar), proving that image quality is guaranteed throughout the design life of the satellite; moreover, they are also the basis for Vietnam to finalize regulations on validation and calibration of optical satellite systems in the future when we have own test site Keywords: Image quality, MTF, Test site, VNREDSat-1 Copyright © 2021 Hanoi University of Mining and Geology All rights reserved _ *Corresponding author E - mail: nmngoc@sti.vast.vn DOI: 10.46326/JMES.2021.62(1).03 20 Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất Tập 62, Kỳ (2021) 19 - 26 Xác định giá trị hàm truyền điều biến (MTF) phục vụ đánh giá chất lượng ảnh vệ tinh VNREDSat-1, sử dụng bãi thử cố định Nguyễn Minh Ngọc 1,2,*, Trần Vân Anh 2, Nghiêm Văn Tuấn 3, Chu Xuân Huy 1, Đỗ Thị Phương Thảo Viện Công nghệ Vũ trụ,Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam, Việt Nam Khoa Trắc địa Quản lý đất đai, Trường đại học Mỏ - Địa chất Hà Nội, Việt Nam Phòng Khoa học Hợp tác quốc tế, Cục Viễn thám quốc gia, Việt Nam THƠNG TIN BÀI BÁO TĨM TẮT Q trình: Nhận 18/9/2020 Chấp nhận 09/01/2021 Đăng online 28/02/2021 MTF yếu tố để đánh giá chất lượng ảnh liên quan đến độ tương phản sắc nét thiết bị chụp ảnh, liên quan trực tiếp đến độ phân giải không gian Do vậy, việc đảm bảo chất lượng ảnh công tác quan trọng, đặc biệt vệ tinh nhỏ có độ phân giải không gian cao Nghiên cứu sử dụng phương pháp cạnh nghiêng bãi thử nhân tạo cố định liệu ảnh VNREDSat-1 có độ phân giải khơng gian kênh tồn sắc 2,5 m để thực ước tính giá trị MTF Giá trị MTF suốt năm hoạt động trung bình khoảng 0,2 so với giá trị giới hạn 0,08 (đối với bãi thử Salon de Provence, Pháp, giá trị MTF dao động từ 0,16÷0,27 theo hướng vng góc với hướng bay vệ tinh 0,16÷0,25 theo dọc hướng bay; bãi thử Buôn Ma Thuột 0,16÷0,23 0,20÷0,24; độ phản xạ hai bãi thử tương đương nhau)đã chứng minh chất lượng ảnh đảm bảo suốt tuổi thọ thiết kế vệ tinh; nữa, chúng sở để Việt Nam hoàn thiện quy định kiểm định hiệu chỉnh hệ thống vệ tinh quang học tương lai có riêng bãi thử Từ khóa: Bãi thử, Chất lượng ảnh, MTF, VNREDSat-1 © 2021 Trường Đại học Mỏ - Địa chất Tất quyền bảo đảm Mở đầu Chất lượng ảnh yếu tố quan trọng đánh giá hiệu hoạt động hệ thống vệ tinh viễn thám quang học Các thông số mà người dùng thường gặp độ phân giải không gian, độ phân giải thời gian, độ phân giải _ *Tác giả liên hệ E - mail: nmngoc@sti.vast.vn DOI: 10.46326/JMES.2021.62(1).03 phổ, độ phân giải xạ Tuy nhiên thông số chưa thể tính trạng hoạt động thật thiết bị chụp ảnh vệ tinh Đối với vệ tinh nhỏ VNREDSat-1, giới hạn kích thước trọng lượng vệ tinh nên hệ thống quang học thiết kế với hệ gương phức tạp hơn, làm cho cấu trúc vật lý thiết bị chịu ảnh hưởng nhiều trình phóng hoạt động quỹ đạo Điều dẫn đến việc, chất lượng ảnh bị ảnh hưởng theo thời gian hoạt động vệ tinh Nguyễn Minh Ngọc nnk./Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 62(1), 19 - 26 Vệ tinh VNREDSat-1 Việt Nam phóng lên quỹ đạo từ năm 2013 tuổi thọ thiết kế năm Tuy nhiên, theo đánh giá kỹ thuật thực tế vận hành vệ tinh hoạt động tốt Để chứng minh điều này, cần xét đến chất lượng ảnh yếu tố định vệ tinh viễn thám Vệ tinh VNREDSat-1 thiết kế dựa dòng vệ tinh AstroSat100 Astrium, với thiết bị chụp ảnh quang học NAOMI-125, thiết bị chụp ảnh đa phổ độ phân giải cao, 2,5 m cho kênh toàn sắc (PAN) 10 m cho kênh đa phổ (MS) Trong thiết bị chụp ảnh NAOMI-125, hệ thống ống kính quang học thành phần quan trọng nhất, chế tạo dựa thiết kế Korsch Three-mirror Anastigmat để đảm bảo độ gọn nhẹ cung cấp chất lượng quang học tốt với ba gương phi cầu (https://directory eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/v -w-x-y-z/vnredsat-1) Trong q trình phóng chuyển trạng thái hoạt động từ khí khơng gian, q trình hoạt động quỹ đạo làm cho cấu trúc quang học thay đổi, làm ảnh bị mờ đi, khơng cịn sắc nét tương phản tốt ban đầu Hàm truyền điều biến (Modulation Transfer Function_MTF) mức độ hồi đáp hệ thống quang học theo đường hình sin với tần số khơng gian khác nhau, hay định nghĩa biến đổi Fourier hàm lan truyền điểm (Point Spread Function_PSF)(Glen D Boreman, 2001) MTF thông số quan trọng thường sử dụng đánh giá chất lượng ảnh thông qua đánh giá tình trạng hoạt động thiết bị chụp ảnh vệ tinh 21 tỉnh Đắk Lắk Trong đó, bãi thử Salon de Provence dùng để đánh giá chất lượng ảnh thời gian từ phóng lên tại; bãi thử Bn Ma Thuột dùng để so sánh kết kiểm tra chéo kết tính tốn, đồng thời chứng minh tính khả thi chất lượng bãi thử đưa vào sử dụng Các liệu thu thập sử dụng thể Bảng Bảng Dữ liệu sử dụng TT Thời gian chụp Salon de Provence Buôn Ma Thuột 10/7/2015 14/11/2017 25/4/2016 02/11/2018 7/8/2017 20/4/2018 25/7/2019 2.2 Phương pháp Phương pháp sử dụng phương pháp cạnh hay gọi phương pháp sống dao, phương pháp cạnh nghiêng Đây phương pháp sử dụng rộng rãi để ước tính MTF bãi thử phương pháp có cạnh nghiêng thiết kế có dạng Hình (Leger nnk., 2004; Philippe Blanc Lucien Wald, 2009; Francoise Viallefont-Robinet, Dominique Léger, 2010) Dữ liệu phương pháp 2.1 Dữ liệu Dữ liệu sử dụng nghiên cứu ảnh tồn sắc vệ tinh VNREDSat-1, có độ phân giải không gian 2,5 m chụp với góc nghiêng nhỏ (0,08)(Nghiem Van Tuan, 2017) Điều có nghĩa độ tương phản sắc nét liệu ảnh đảm bảo hay nói cách khác chất lượng ảnh suốt thời gian vừa qua hệ thống vệ tinh VNREDSat-1 ln tốt Bên cạnh thấy, việc lấy mẫu số lượng mẫu ảnh hưởng không nhỏ đến kết thu Giá trị MTF cao cửa sổ lấy mẫu nhỏ, số lượng điểm ảnh độ tương phản trắng đen ô cao Xét Bảng theo hướng vng góc với hướng bay, chuyển vùng từ đen sang trắng thời điểm 2015 giá trị MTF 0,19 với 30 điểm ảnh vùng mẫu, thời điểm 2018 có 25 điểm ảnh vùng mẫu giá trị MTF 0,27 Tại thời điểm 2018, hướng vng góc với hướng bay, chuyển từ vùng trắng sang đen, nhóm thực lấy 25 điểm ảnh vùng mẫu giá trị MTF tính 0,19, chênh lệch nhiều so với giá trị MTF 0,27 với 30 điểm ảnh vùng mẫu, chuyển vùng từ đen sang trắng Điểm hạn chế việc sử dụng bãi thử Salon de Provence thể kết ước tính MTF trên, việc khơng có thơng tin cụ thể phản xạ bề mặt bãi thử trước chụp ảnh để đánh giá chất lượng ảnh Vì vậy, cuối năm 2017 Viện Hàn lâm Khoa học Cơng nghệ Việt Nam hồn thiện đưa vào sử dụng bãi thử thành phố Buôn Ma Thuột, tỉnh Đắk Lắk Nhóm nghiên cứu tiến hành thu thập liệu ảnh hai thời điểm cuối năm 2017 2018 để tiến hành so sánh với kết bãi thử Salon de Provence thời điểm chụp ảnh sau tiến hành đo đạc, kiểm tra, đánh giá phản xạ bề mặt bãi thử, độ phản xạ đảm bảo theo thiết kế, cụ thể sau: phần trăm phản xạ ô màu đen năm 2017, 2018 0,06 0,065 so với thiết kế 0,05; ô màu trắng 0,57 0,56 so với thiết kế 0,6 (Nghiem Van Tuan, 2017) Các kết tính tốn MTF so sánh với bãi thử Salon de Provence, năm (Bảng 4) Sự chênh lệch lớn hai bãi thử, theo hướng vng góc với hướng bay lý giải ảnh hưởng chất lượng phản xạ bề mặt bãi thử, đồng thời ảnh hưởng phông bãi thử khác nhau: Buôn Ma Thuột phông sơn màu sáng tiến dần đến giá trị ô trắng theo thời gian ảnh hưởng thời tiết; Hình So sánh kết MTF thực tế ngưỡng cho phép Bảng So sánh giá trị MTF sử dụng bãi thử Salon de Provence Buôn Ma Thuột Thời điểm 2017 2018 Dọc theo hướng bay Salon de Provence Buôn Ma Thuột 0,22 0,24 0,23 0,20 Vng góc hướng bay Salon de Provence Bn Ma Thuột 0,21 0,18 0,23 0,16 Nguyễn Minh Ngọc nnk./Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 62(1), 19 - 26 25 Salon de Provence phông cỏ nên tối ảnh hưởng đến ô mẫu Các kết cho thấy, giá trị MTF ngưỡng cho phép (0,08) sử dụng bãi thử Bn Ma Thuột để ước tính Mặc dù giá trị theo hướng vng góc với hướng bay bãi thử Việt Nam có thấp so với bãi thử Pháp kết trung bình hai hướng tương đương (năm 2017 0,21, năm 2018 0,23 so với 0,18,) Điều chứng tỏ bãi thử Bn Ma Thuột hồn tồn đáp ứng u cầu phục vụ công tác kiêm tra chất lượng ảnh vệ tinh, khơng Việt Nam mà cịn nước khác Các kết thu góp phần hồn thiện thêm quy trình hoạt động hệ thống vệ tinh quan sát Trái đất đầy đủ; đồng thời sở để mở hướng nghiên cứu mô liệu ảnh vệ tinh tương lai với thông số thiết kế theo yêu cầu người sử dụng Kết luận Nguyễn Minh Ngọc - nghiên cứu phương pháp; thu thập, phân tích xử lý liệu; soạn thảo báo; viết thảo cuối cùng; Trần Vân Anh - nghiên cứu phương pháp; phân tích xử lý liệu; kiểm tra, biên tập báo; viết thảo cuối cùng; Nghiêm Văn Tuấn - nghiên cứu phương pháp, phân tích xử lý liệu; soạn thảo kiểm tra báo; Chu Xuân Huy - nghiên cứu phương pháp; phân tích xử lý liệu; thu thập quản lý liệu; Đỗ Thị Phương Thảo - xử lý số liệu; soạn thảo biên tập báo Giá trị trung bình MTF suốt năm hoạt động khoảng 0,2 chứng minh chất lượng ảnh vệ tinh VNREDSat-1 đảm bảo thời điểm tính tốn Việc xác định cửa sổ lấy mẫu cần phải sử dụng tối đa số lượng điểm ảnh có thể, nhằm thể tồn tình trạng hoạt động thiết bị chụp ảnh thông qua MTF; đồng thời, điểm ảnh nên có giá trị đồng nhiều Tuy nhiên, việc chưa thu thập thông tin tỉ lệ phản xạ bãi thử trước chụp ảnh ảnh hưởng phần đến tính khách quan kết Mặc dù giá trị tính tốn có biên độ biến động lớn hai bãi thử (từ 0,16 đến 0,27) giá trị thấp cao nhiều so với giá trị ngưỡng Do vậy, biến động không ảnh hưởng đến chất lượng ảnh Biến động giá trị hai ngun gây ảnh hưởng khí thân bãi thử Trong ảnh hưởng khí hiệu chỉnh nâng cao độ xác việc lựa chọn mơ hình thích hợp; thân bãi thử độ phản xạ bề mặt bãi thử, thông số phụ thuộc vào cơng tác trì, bảo dưỡng đơn vị quản lý quản lý bãi thử Phương pháp bãi thử cạnh sử dụng phương pháp ứng dụng rộng rãi nhiều nơi cho nhiều loại vệ tinh khác Mặc dù có nhiều phương pháp để ước tính MTF vệ tinh có độ phân giải khơng gian cao phương pháp tối ưu nhất, đặc biệt Việt Nam, xây dựng bãi thử dạng cạnh thành phố Buôn Ma Thuột Lời cảm ơn Nghiên cứu nhận hỗ trợ từ Viện Công nghệ vũ trụ, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam; Đài Viễn thám Trung ương, Cục Viễn thám quốc gia, Bộ Tài nguyên Mơi trường Đóng góp tác giả Tài liệu tham khảo Francoise Viallefont-Robinet, Dominique Léger, (2010) Improvement of the edge method for on-orbit MTF measurement Optics Express Vol.18, No.4, 3531-3545 Glen D Boreman, (2001) Modulation Transfer Function in Optical and Electro-Optical Systems Published by SPIE-The International Society for Optical Engineering USA, 123 pages https://directory.eoportal.org/web/eoportal/sat ellite-missions/v-w-x-y-z/vnredsat-1 Léger, D., Viallefont, F., Déliot, P., Valorge, C., (2004) On-orbit MTF assessment of satellite cameras, In Stanley A.Morain & Amelia M Budge (Editors) ISPRS Book Series-Volume Proceedings of the International Workshop on Radiometric and Geometric Calibraiton Postlauch Calibration of Satellite Sensors, 2-5 December 2003, Gulfport, Mississippi, USA, 67-77 26 Nguyễn Minh Ngọc nnk./Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 62(1), 19 - 26 Nghiêm Văn Tuấn, (2017) Nghiên cứu phương pháp kiểm định hiệu chỉnh chất lượng ảnh viễn thám quang học Việt Nam Đề tài cấp Tài ngun Mơi trường, thuộc chương trình Khoa học Công nghệ cấp Bộ, mã số TNMT2016.08.02 Philippe Blanc, Lucien Wald, (2009) A review of earth-viewing methods for in-flight assessement of modulation transfer function and noise of optical spaceborne sensors Working paper HAL archives-ouvertes  ... học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất Tập 62, Kỳ (2021) 19 - 26 Xác định giá trị hàm truyền điều biến (MTF) phục vụ đánh giá chất lượng ảnh vệ tinh VNREDSat-1, sử dụng bãi thử cố định Nguyễn Minh Ngọc 1,2,*,... nhiên, theo đánh giá kỹ thuật thực tế vận hành vệ tinh hoạt động tốt Để chứng minh điều này, cần xét đến chất lượng ảnh yếu tố định vệ tinh viễn thám Vệ tinh VNREDSat-1 thiết kế dựa dòng vệ tinh AstroSat100... không ảnh hưởng đến chất lượng ảnh Biến động giá trị hai nguyên gây ảnh hưởng khí thân bãi thử Trong ảnh hưởng khí hiệu chỉnh nâng cao độ xác việc lựa chọn mơ hình thích hợp; thân bãi thử độ