Trong những năm gần đây, kỹ thuật SAR giao thoa (Synthetic Aperture Radar Interferometry - InSAR) đã được xem như một trong những kỹ thuật hiệu quả hỗ trợ cho việc xây dựng và cập nhật dữ liệu của GIS. Dữ liệu độ cao số trong GIS thường lưu trữ theo các dạng mô hình độ cao số (DEM) và được sử dụng khá phổ biến để thể hiện địa hình.
TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 9, SỐ11 -2006 ỨNG DỤNG KỸ THUẬT INSAR TRONG XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐỘ CAO SỐ (DEM) Hồ Tống Minh Định, Lê Văn Trung Trường Đại học Bách khoa, ĐHQG-HCM (Bài nhận ngày 04 tháng 06 năm 2005, hoàn chỉnh sửa chữa ngày 29 tháng 10 năm 2006) TÓM TẮT: Trong năm gần đây, kỹ thuật SAR giao thoa (Synthetic Aperture Radar Interferometry - InSAR) xem kỹ thuật hiệu hỗ trợ cho việc xây dựng cập nhật liệu GIS Dữ liệu độ cao số GIS thường lưu trữ theo dạng mô hình độ cao số (DEM) sử dụng phổ biến để thể địa hình Bài báo nhằm giới thiệu khả ứng dụng kỹ thuật InSAR xây dựng DEM minh họa kết qủa thực nghiệm đạt lưu vực sông Kôn – Hà Thanh thuộc tỉnh Bình Định Độ xác mơ hình độ cao số (DEM) tạo kỹ thuật InSAR so sánh với phương pháp tạo DEM khác (DEM nhận từ cặp ảnh lập thể SPOT hay ASTER) GIỚI THIỆU Cùng với nghiên cứu phát triển phổ biến ứng dụng Viễn thám Hệ thống thông tin địa lý (GIS - Geographical Information Systems), việc cung cấp cập nhật liệu cho ứng dụng GIS nhu cầu cấp thiết Mơ hình độ cao số DEM (Digital Elevation Model) thường quản lý GIS dạng cấu trúc liệu raster, cho phép thể đơn giản, phân tích hiệu tương thích với liệu viễn thám Trong hình thức này, DEM thể mảng giá trị cung cấp độ cao bề mặt địa hình, độ xác giá trị thể phụ thuộc vào nguồn liệu sử dụng phương pháp để tạo DEM Theo phương pháp truyền thống, DEM xây dựng chủ yếu dựa đường đồng mức các đồ số hóa kỹ thuật quan sát lập thể ảnh hàng không hay từ liệu khảo sát địa hình thu trực tiếp từ việc khảo sát thực địa khu vực tương đối nhỏ Trong năm gần đây, radar độ tổng hợp SAR (Synthetic Aperture Radar) phát triển mạnh với ưu cho phép thu ảnh có độ phân giải cao từ hai ảnh thu kỹ thuật SAR, xây dựng DEM dựa việc sử dụng thông tin pha tín hiệu radar Nếu có hai ảnh SAR thu nhận từ vị trí khác vệ tinh phủ vùng diện tích mặt đất, giá trị pha tín hiệu rada cho ảnh thứ đem trừ gía trị pha cho ảnh thứ hai để có độ lệch pha ảnh SAR Ảnh tạo chứa độ lệch pha gọi ảnh giao thoa Giá trị lại (độ lệch pha) cho ảnh kết hợp với thơng tin quỹ đạo để xác định độ cao pixel ảnh Kỹ thuật dựa độ lệch pha tín hiệu radar để tính tốn xử lý ảnh gọi kỹ thuật InSAR (giao thoa SAR - SAR interferometry) Ứng dụng kỹ thuật InSAR xây dựng DEM đưa lần Graham năm 1974 kỹ thuật Zebker Goldstein ứng dụng cho liệu thu từ cảm SAR đặt máy bay vào năm 1986 Sau đó, kỹ thuật tiếp tục phát triển Li Goldstein (1990), Rodriguez Martin (1992), Zebker (1994)… Các ảnh nhận từ vệ tinh ERS-1 ERS-2, RADARSAT, JERS-1, ENVISAT cho phép sử dụng kỹ thuật InSAR để xây dựng DEM Trong báo này, muốn đề cập đến nội dung kỹ thuật InSAR ứng dụng thực nghiệm khu vực đặc trưng thuộc tỉnh Bình Định Trang 35 Science & Technology Development, Vol 9, No.11- 2006 KHU VỰC NGHIÊN CỨU Lưu vực sông Kôn - Hà Thanh thuộc tỉnh Bình Định, tỉnh duyên hải Nam Trung Bộ Việt Nam, cách TP.HCM 644km 1060km từ Hà Nội Đây khu vực thường xuyên bị ảnh hưởng trực tiếp lũ lụt, có nhiều mơ hình lũ nghiên cứu nhằm giám sát, giảm thiểu thiên tai Dữ liệu DEM liệu quan trọng cung cấp liệu cần thiết cho mơ hình Hình Khu vực nghiên cứu Dữ liệu sử dụng ảnh ERS-1 (Earth Resources Satellite-1) ERS-2 cung cấp Cơ quan không gian Châu âu (ESA), hai vệ tinh phóng vào quỹ đạo tháng 07/1991 04/1995 Mỗi scence ảnh bao phủ khu vực có bề rộng 100 km2 với độ phân giải 30m Hai vệ tinh hổ trợ cho việc thu ảnh khu vực cách ngày Đây ưu điểm bật so với ảnh nhận từ hệ thống vệ tinh khác tương quan hai ảnh thu khu vực lớn, tạo điều kiện tốt cho ứng dụng giao thoa SAR Hình thể hai ảnh ERS SAR SLC (Single Look Complex) khu vực nghiên cứu a SAR SLC (ERS-1: 12 – 04 -1996) b SAR SLC (ERS–2: 13 -04 -1996) Hình Hai ảnh ERS SAR SLC (B = 117m) Trang 36 TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 9, SỐ11 -2006 Để so sánh độ xác DEM nhận từ kỹ thuật INSAR, liệu DEM xây dựng từ đồ địa hình sử dụng để so sánh Đồng thời đánh giá độ xác liệu DEM ảnh ASTER so với DEM tạo từ kỹ thuật InSAR KỸ THUẬT INSAR Để bắt đầu xử lý theo kỹ thuật InSAR, cần chọn hai ảnh SAR thích hợp Cơ sở để lựa chọn ảnh chủ yếu dựa chiều dài đường đáy – khoảng cách hai anten thu ảnh khoảng thời gian thu nhận hai ảnh Chiều dài đường đáy chọn phụ thuộc vào ứng dụng độ phân giải liệu Ví dụ, với ảnh ERS-1 & 2, đường đáy 150m – 300m dùng cho ứng dụng địa hình, 30m - 50m cho ứng dụng phát biến đổi bề mặt, khoảng 5m cho nghiên cứu chuyển động bề mặt biến dạng lớp vỏ trái đất, chuyển động địa chất, chuyển động băng trôi,… Mặt khác, khoảng thời gian thu nhận hai ảnh phải không qúa lớn nhằm tránh bất tương quan mặt thời gian Sau chọn xong ảnh, chồng hai ảnh lên tính độ lệch pha Hình Cấu hình hình học InSAR Độ lệch pha φ hai ảnh bao phủ yếu tố bề mặt Li Goldstein [1990] tính sau: φ= 4π (δ r ) λ = 4π ( Bh sin θ − Bv cos θ ) λ (1) Trong đó: λ bước sóng cảm SAR, δr độ lệch khoảng cách Bh, Bv hai thành phần theo phương đứng phương ngang đường đáy θ góc nhìn Dựa δr độ lệch khoảng cách; θ góc nhìn thay đổi dọc theo ảnh độ lệch pha hai vị trí cảm thu, cao độ điểm (pixel) tính theo phương trình sau: Δh = λ r sin θ Δφ 4π B (2) Trong đó: r khoảng cách từ anten S1 đến điểm tính, B đường đáy Dựa vào phương trình quan hệ này, cao độ tính cho pixel ảnh để tạo DEM Trang 37 Science & Technology Development, Vol 9, No.11- 2006 SLC SLC Đăng ký ảnh Giải mở pha Tạo ảnh giao thoa Lọc nhiễu Làm phẳng pha Tạo DEM Geocoding Hình Qui trình xử lý kỹ thuật InSAR Trình tự kỹ thuật InSAR gồm bước sau đây: Bước 1: Đăng ký ảnh Thực chồng lên vùng phủ chung hai ảnh thu nhận từ hai anten cảm SAR Dữ liệu ảnh cần cho bước xử lý ảnh SAR SLC, SLC liệu ảnh phức bao gồm hai band: band chứa thông tin biên độ band chứa thông tin pha Đăng ký ảnh thực theo hai bước: đăng ký sơ với độ xác pixel đăng ký xác với độ xác khoảng 1/8 pixel Bước 2: Tạo ảnh giao thoa Hai ảnh SAR kết hợp tạo ảnh SAR giao thoa để cung cấp thông tin chiều thứ ba (độ cao) vật thể đo dịch chuyển vật thể hai ảnh thu nhận Sau đăng ký, ảnh giao thoa phức tạo phép nhân liên hợp pixel phức ảnh thứ với pixel phức tương ứng ảnh thứ hai Cường độ ảnh giao thoa đo lường mức độ tương quan chéo ảnh Thực lọc nhiễu làm phẳng pha cho ảnh giao thoa nhằm giúp cho việc giải toán mở pha dễ dàng Thực giảm nhiễu cách dùng phép lọc cho toàn ảnh, phép lọc tương tự phép lọc trung bình, ngoại trừ chúng dùng cho hàm phức thay biên độ Ở vùng có độ cao thay đổi đột ngột (khu vực núi) tần số bị đóng pha cao Thơng thường, tần số đóng cao khó thực mở pha Do cần phải có bước thực làm giảm tần số đóng – làm phẳng pha (phase flattening) Làm phẳng pha loại trừ tần số pha bị đóng gây chất thu nhận ảnh SAR Bước 3: Giải mở pha Ưu điểm giao thoa SAR nghiên cứu ứng dụng kết qủa xác phương pháp giải toán mở pha Khi giao thoa làm số nguyên lần chu kỳ giá trị pha đo được, nên việc hồi phục xác số chu kỳ bị then chốt cho nghiên cứu biến dạng, thành lập mô hình độ cao số, thành lập đồ địa hình,… Trang 38 TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 9, SỐ11 -2006 Nhiều thuật toán đưa để giải vấn đề hồi phục lại giá trị pha, phương pháp phổ biến để giải toán mở pha bao gồm: cực tiểu nhỏ nhất, theo toán mạng, theo đường (Path-following) năm 1998 Costantini biến đổi toán mở pha thành toán mạng cực tiểu hóa tồn cục Trong mơ hình mạng Costantini, vịng xoay theo kim đồng hồ tính tổng giá trị pha gradien 2x2 pixel xung quanh mô tả node Node tương ứng với phần dư dương âm đánh dấu tương ứng + - Hai node kề nối tạo thành arc Bài tốn tối ưu hóa cách dùng phương pháp cực tiểu chi phí dịng mạng (MCF – Minimum Cost Flow) để xác định ràng buộc cho phép đạt lời giải pha xác (phần mềm InSAR ToolKit sử dụng thuật toán này) a Ảnh giao thoa với pha bị đóng (−π , π ] b Ảnh sau giải mở pha Hình Lời giải tốn mở pha Việc chọn thuật tốn thích hợp cho khu vực nghiên cứu thực [1], thuật toán theo đường thuật toán tối ưu Một chương trình thiết kế thực thuật toán phục vụ cho nghiên cứu Bước 4: Tạo DEM Geocoding Sau giải mở pha, chuyển đổi giá trị pha thành giá trị độ cao để thành lập DEM Cuối cùng, DEM tạo chuyển từ hệ tọa độ SAR thành hệ tọa độ WGS84, múi chiếu 49 để so sánh với liệu DEM ảnh ASTER KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Hai ảnh ERS-1&2 cung cấp có định dạng ceos cấp độ 0, sử dụng xử lý PulSAR để tạo hai ảnh SLC Theo qui trình kỹ thuật InSAR phần mềm InSAR ToolKit để tạo ảnh DEM Sử dụng chương trình PUT [1] để giải tốn mở pha Hình 6.a thể DEM xây dựng từ đồ địa hình, hình 6.c thể kết DEM đạt kỹ thuật InSAR, DEM ảnh ASTER thể hình 6.d a Reference DEM b Coherence image Trang 39 Science & Technology Development, Vol 9, No.11- 2006 c InSAR DEM d ASTER DEM Hình Kết DEM Để đánh giá độ xác đạt được, số vị trí cao độ khu vực đồng đồi núi kiểm tra cách so sánh với DEM đồ địa hình Hình 7a So sánh cao độ DEM ASTER, DEM INSAR Hình 7.a cho thấy khu vực đồng cao độ thay đổi thấp, liệu DEM từ ảnh ASTER lệch trung bình so với DEM đồ 16.1m, với DEM từ kỹ thuật InSAR 2.8m Mối tương quan InSAR DEM DEM đồ lớn Giữa DEM đồ DEM ASTER có khoảng lệch lớn, làm chất lượng DEM ASTER nhiều so với DEM InSAR Sai số trung phương RMS (Root Mean Square Error) DEM InSAR mặt cắt 5.6m Tiến hành so sánh số vị trí mặt cắt khác, sai số trung phương RMS DEM InSAR đạt 1.9m – 6.5m Hình 7b So sánh cao độ DEM ASTER, DEM INSAR Tại khu vực đồi núi hình 7.b, cao độ thay đổi lớn, cao độ cao khoảng 650m Trên liệu DEM InSAR tạo được, độ lệch trung bình so với DEM đồ khoảng 16.6m (RMS = Trang 40 TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 9, SỐ11 -2006 12.1m) Trên liệu DEM ASTER, độ lệch trung bình so với DEM đồ khoảng 18.1m Hai kết tương đối nhau, giá trị cao độ InSAR DEM cao so với DEM ASTER Tại số vị trí mặt cắt khác, sai số trung phương RMS DEM InSAR đạt 10.1m – 19.4m KẾT LUẬN Kỹ thuật INSAR mở khả quan trọng cho việc xây dựng DEM Kết ban đầu đạt cho thấy độ xác DEM tạo từ ảnh SAR đạt từ 2m-7m khu vực đồng 10m-20m khu vực đồi núi Tuy nhiên, thành công kỹ thuật phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác cảm SAR thu nhận, đường đáy, tuơng quan, lời giải toán mở pha… Đặc biệt, toán mở pha cần giải cách xác yêu cầu đặt đòi hỏi phần mềm xử lý cần có nhiều giải pháp lựa chọn cho tốn Bài báo kết thực nghiệm khu vực sơng Kơn-Hà Thanh, tỉnh Bình Định, kết đạt hy vọng góp phần đáng kể bước đầu ứng dụng kỹ thuật vấn đề cần lưu ý sử dụng phần mềm xử lý cho việc giải toán mở pha tiếp tục giải để nâng cao độ xác thành lập DEM APPLICATION OF THE INSAR TECHNOLOGY FOR GENERATING DEM Ho Tong Minh Dinh, Le Van Trung University of Technology, VNU-HCM ABSTRACT: In recent years, the Synthetic Aperture Radar Interferometry (InSAR) technique has been considered as an efficienty method in creating or updating GIS data Digital Elevation Data referred to as Digital Elevation Models (DEMs) are digital representations of the sharpe of the earth’s surface DEMs derived from survey data are accurate but they are very expensive and time-consuming This paper introduces the ability of application of InSAR technique to generate a DEM and shows the result of experiment in Kon – Ha Thanh river in Binh Dinh province The accuracy of DEM derived from InSAR technique is evaluated in comparison with other methods (DEM is derived from the stereoscopic images of SPOT or ASTER) TÀI LIỆU THAM KHẢO [1].Hồ Tống Minh Định, Ứng dụng kỹ thuật InSAR xây dựng mơ hình độ cao số (DEM), Luận văn thạc sĩ, Trường Đại Học Bách Khoa Tp HCM, (2005) [2].Buckley, S., and Paul Rossen and Patricia Persaud, ROI_PAC Documentation – Repeat Orbit Interferometry Package, Caltech Jet Propulsion Laboratory, (2000) [3].Carande, R E., Overview and Future of Synthetic Aperture Radar Technology, Vexcel Corporation, (2000) [4].Costantini, M., A Novel PhaseUnwrapping Method Based on Network Programming, IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, (1998) [5].Curlander, J C., and R N McDonough, Synthetic Aperture Radar: Systems and Signal Processing, Wiley, New York, (1991) Trang 41 Science & Technology Development, Vol 9, No.11- 2006 [6].Kampes, B., DORIS User’s manual & Technical documentation, Delft University of Technology, (1999) [7].Masumoto, S., and T V Anh and V Raghavan, DEM generation form SAR Image-An Experiment in Kagoshima Region, South Japan, Department of Geosciences, Osaka City University, (2004) [8].Smith, A., Pulsar/InSAR ToolKit User’s Guide, Phoenix Systems, UK, (1999) [9].Zebker, H A., and Y Lu, Phase Unwrapping Algorithms for Radar Interferometry: Residue-Cut, Least-Squares, and Synthesis Algorithms, Journal of the Optical Society of America A, (1998) Trang 42 ... SỐ11 -2006 Để so sánh độ xác DEM nhận từ kỹ thuật INSAR, liệu DEM xây dựng từ đồ địa hình sử dụng để so sánh Đồng thời đánh giá độ xác liệu DEM ảnh ASTER so với DEM tạo từ kỹ thuật InSAR KỸ THUẬT... qui trình kỹ thuật InSAR phần mềm InSAR ToolKit để tạo ảnh DEM Sử dụng chương trình PUT [1] để giải tốn mở pha Hình 6.a thể DEM xây dựng từ đồ địa hình, hình 6.c thể kết DEM đạt kỹ thuật InSAR, ... so sánh số vị trí mặt cắt khác, sai số trung phương RMS DEM InSAR đạt 1.9m – 6.5m Hình 7b So sánh cao độ DEM ASTER, DEM INSAR Tại khu vực đồi núi hình 7.b, cao độ thay đổi lớn, cao độ cao khoảng