Xác định lún bề mặt địa hình khu vực hà nội bằng ảnh radar

bộ giáo dục đào tạo TRờng đại học mỏ - địa chất o0o NGUYỄN MINH HẢI XÁC ĐỊNH LÚN BỀ MẶT ĐỊA HÌNH KHU VC H NI BNG NH RADAR Luận văn thạc sÜ kinh tÕ Hµ néi - 2014 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình Tác giả luận văn Nguyễn Minh Hải MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC GIẢI THÍCH CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH DANH MỤC BẢNG BIỂU .10 MỞ ĐẦU 11 Tính cấp thiết đề tài 11 Mục tiêu nghiên cứu .13 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 13 Nội dung nghiên cứu 13 Phương pháp nghiên cứu 13 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 14 Cấu trúc luận văn .14 CHƯƠNG 1- TỔNG QUAN VỀ VIỄN THÁM RADAR 15 1.1 Radar lịch sử phát triển Radar 15 1.1.1 Giới thiệu Radar .15 1.1.2 Lịch sử phát triển viễn thám Radar 16 1.1.3 So sánh viễn thám Radar với viễn thám dải sóng nhìn thấy hồng ngoại (VIR) 17 1.1.4 Các kênh phổ sử dụng Radar ứng dụng 18 1.2 Hợp phần hệ Radar đơn giản 21 1.3 Hệ Radar nhìn xiên SLAR 21 1.3.1 Nguyên lý hoạt động SLAR 22 1.3.2 Thuật ngữ thường dùng hệ SLAR .23 1.3.3 Độ phân giải không gian 24 1.4 Hệ Radar mở thực RAR tổng hợp SAR 27 1.4.1 Hệ Radar mở thực RAR (Real Aperture Radar) 27 1.4.2 Hệ Radar tổng hợp SAR (Synthetic Aperture Radar) 28 1.5 Đặc tính ảnh Radar nhìn xiên 29 1.5.1 Biến dạng tỷ lệ ảnh theo tầm 29 1.5.2 Biến dạng hình học theo đặc tính địa hình 30 1.5.3 Thị sai ảnh (parallax) 31 1.5.4 Đốm ảnh (spectacle) 31 1.5.5 Sự thay đổi chiếu sáng ảnh Radar theo tầm 32 1.5.6 Đặc tính truyền tín hiệu Radar 32 1.6 Tín hiệu sóng phản hồi Radar 34 1.6.1 Phương trình Radar .34 1.6.2 Các yếu tố ảnh hưởng đặc tính hệ Radar 35 1.6.3 Các yếu tố địa hình 38 1.7 Các hệ thống Radar vệ tinh 42 1.7.1 Giới thiệu chung 42 1.7.2 Viễn thám Radar chủ động 43 1.7.3 Viễn thám Radar thụ động 53 CHƯƠNG 2- CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA INSAR .56 2.1 Nguyên lý InSAR 56 2.2 Đánh giá chất lượng cặp ảnh giao thoa 59 2.3 Những yếu tố ảnh hưởng đến việc tạo InSAR 61 2.3.1 Các nguồn nhiễu 61 2.3.2 Ảnh hưởng khí .63 2.4 Ứng dụng InSAR xây dựng mơ hình số địa hình 64 2.5 Ứng dụng InSAR để xác định biến dạng bề mặt địa hình 70 CHƯƠNG 3- ỨNG DỤNG KỸ THUẬT INSAR TRONG XÁC ĐỊNH LÚN BỀ MẶT ĐỊA HÌNH KHU VỰC HÀ NỘI 75 3.1 Đặc điểm tự nhiên khu vực thực nghiệm 75 3.1.1 Vị trí địa lý, địa hình .75 3.1.2 Mạng lưới thủy văn Hà Nội 76 3.1.3 Đặc điểm yếu tố khí tượng khu vực Hà Nội 78 3.2 Tài liệu sử dụng .79 3.3 Quy trình phần mềm xử lý ảnh SAR 80 3.3.1 Quy trình xử lý ảnh SAR 80 3.3.2 Phần mềm sử dụng 81 3.4 Phương pháp thực 81 3.4.1 Tính đường đáy .82 3.4.2 Tạo ảnh giao thoa 83 3.4.3 Lọc nhiễu .84 3.4.4 Loại bỏ pha phẳng 85 3.4.5 Giải mở pha 85 3.4.6 Tạo DEM (chuyển đổi pha thành cao độ) .86 3.4.7 Geocodeding 86 3.4.8 Xác định thay đổi bề mặt địa hình 86 3.5 Một số nhận xét .93 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 94 Kết luận 94 Kiến nghị 95 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ 96 TÀI LIỆU THAM KHẢO 97 PHỤ LỤC 99 GIẢI THÍCH CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ASAR Advanced Synthetic Aperture Radar AATSR Advanced Along Track Scanning Radiometer AMI Active Microwave Instrumentation DEM Digital Elevation Model DInSAR Differential Interferometri SAR GCP Ground Control Point InSAR Interferometry SAR NIR Cận hồng ngoại PRISM Pantromatic RS Instrument for Stereo Mapping RADAR Radio Detection and Ranging RAR Real Aperture Radar SAR Synthetic Aperture Radar SIR Shuttle Imaging Radar SLAR Side Looking Airborne Radar SLC Single Look Complex SRTM Shuttle Radar Terrain Mission UTM Universal Transfer Mercator VIR Visible InfraRed WGS World Geodetic System DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Bước sóng sử dụng viễn thám 19 Hình 1.2 Cấu trúc hệ Radar 21 Hình 1.3 Nguyên tắc hoạt động hệ SLAR (a)- Địa vật lượng phản hồi; (b)- Chuyển đổi tín hiệu sang cường độ tín hiệu theo thời gian 22 Hình 1.4 Nguyên lý hoạt động hệ SLAR 22 Hình 1.5 Minh họa số khái niệm dùng SLAR 23 Hình 1.6 Độ dài xung, độ rộng chùm, chùm vng hệ SLAR mở thực .24 Hình 1.7 Các đối tượng phân giải khác 25 Hình 1.8 Độ phân giải tầm xiên .25 Hình 1.9 Phân giải theo phương vị đo khoảng cách cung xác định độ rộng chùm theo góc Bθ anten góc β mặt đất 26 Hình 1.10 Xác định độ phân giải Radar độ mở tổng hợp 28 Hình 1.11 Thay đổi độ phân giải theo tầm 29 Hình 1.12 Sự khác đường ảnh theo tầm mặt tầm xiên, độ dài xung A1, B1 C1 theo tầm xiên khác (theo Thomas M Lillesand Raph W Kiefer, 2000) .30 Hình 1.13 Hiện tượng co ngắn (a) biến dạng co ngắn (b) ảnh Radar 30 Hình 1.14 Thu ảnh Radar tạo ảnh từ hai hướng khác (a) hai đường bay khác (b) .31 Hình 1.15 Nhiễu đốm spectacle .32 Hình 1.16 Các kiểu phân cực viễn thám Radar .33 Hình 1.17 (a)- kênh X (HH) nơng nghiệp cho tín hiệu phản hồi dạng phân tán (bề mặt gồ ghề); (b)- tín hiệu phản hồi mặt gần phẳng kênh L cho tín hiệu thu yếu, ảnh tối 36 Hình 18 Ảnh Radar vùng núi Oachita kênh K (a) - phân cực HH; (b) - phân cực HV (theo Thomas M Lillesand Ralph W Kiefer, 2000) 36 Hình1 19 Ảnh hưởng góc hạ địa hình ảnh Radar SAR nước Ý (theo Ravi P Gupta, 1992) 37 Hình 1.20 Góc hướng nhìn khác ảnh hưởng ảnh Radar, a- mặt địa hình dốc ; b- vị trí khác chụp ảnh Radar biểu diễn dạng mặt cắt; c- kết ảnh Radar (Theo Koopmans, 1983 b) 37 Hình 1.21 Sự thay đổi góc tới địa hình, hướng chùm anten khơng đổi; (a)- góc tới nhỏ, (b) - góc tới trung bình, (c)- góc tới lớn (khơng có tia phản hồi) 38 Hình 1.22 Tín hiệu sóng phản hồi bề mặt địa hình khác nhau: (a)- ảnh hưởng cảm/hình học địa hình ảnh SLR (theo Lewis, 1976); (b)- tín hiệu phản hồi sóng radar bề mặt khác 39 Hình 1.23 Bề mặt gồ ghề tưởng tượng biến đổi độ cao Biến đổi độ cao ngẫu nhiên đặt bề mặt điều hòa phẳng 40 Hình 1.24 Kênh X kênh L phản xạ từ mặt địa hình có độ gồ ghề thay đổi 40 Hình 1.25 Các kiểu tán xạ môi trường điện môi khác 41 Hình 1.26 Tán xạ khối, (a)- tia tới truyền qua sau tán xạ vật liệu không đồng chất; (b)- tán phản xạ thể tích mơi trường 42 Hình 1.27 Ảnh vệ tinh SIR-B Radar Mt Shasta CA kênh L đó: (a)-góc tới 600; (b)- góc tới 300 (theo liệu theo Thomas M Lillesand Ralph W Kiefer, 2000) .45 Hình 1.28 Ảnh stereo tạo nên từ ảnh SIR-B, Mt Shasta CA (theo liệu Thomas M Lillesand Ralph W Kiefer, 2000) 45 Hình 1.29 Ảnh Radar lấy từ kênh L (HH), L (HV) L (HH+ HV) chụp vùng sông Misouri gần Glasgow (theo Thomas M.Lillesand Ralph W.Kiefer, 2000) sở liệu NASA/JPL) 46 Hình 1.30 Ảnh Radar Anmaz- kênh S, chụp vùng Madison, WI tiệm cận 47 Hình 1.31 Ảnh radar ERS-1 vùng Eo biển Gibraltar Sóng theo chiều từ trái sang phải từ Atlantic sang Địa Trung Hải (ESA/ERS-1) 48 Hình 1.32 Ảnh radar JERS- vùng núi Fuji lân cận theo (NASDA, 1992) 49 Hình 1.33 Các kiểu tạo ảnh Radarsat- 51 Hình 1.34 Phối cảnh ảnh Radar vệ tinh Magellan, chụp Sapas Mons, Kim (NASA/JPL/Caltech) 54 Hình 1.35 So sánh khoảng phổ viễn thám nhiệt so với viễn thám radar thụ động (Phỏng theo Thomas M Lillesand Raph W Kiefer, 2000) 54 Hình Sự lệch pha, cộng hưởng triệt tiêu 57 Hình 2 Vân giao thoa mặt đất từ hai nguồn sóng Radar SAR 57 Hình Cường độ pha 58 Hình Hình ảnh pha giao thoa với tương quan cao (a) tương quan thấp (b)61 Hình Cơ sở InSAR 65 Hình Hình học SAR với hai quỹ đạo Radar xác định .68 Hình Biểu diễn hình học biến đổi địa hình 70 Hình Nguyên lý phương pháp InSAR giao thoa vi phân Three- pass 73 Hình Bản đồ hành khu vực Hà Nội 75 Hình Mạng lưới thuỷ văn Hà Nội .77 Hình 3 Các bước xử lý InSAR xác định thay đổi bề mặt địa hình 81 Hình Một số thơng số cặp ảnh ngày 10/04/2012 30/04/2012 .82 Hình Cặp ảnh giao thoa địa hình (10/04/2012 26/06/2012) 83 Hình Cặp ảnh giao thoa (10/04/2012 30/04/2013) có chứa địa hình biến dạng địa hình 84 Hình File *_fint trình lọc nhiễu 85 Hình Ảnh sau giải mở pha 86 Hình 9.Chọn điểm khống chế 87 Hình 10 Giá trị sai số sau Refinement and Reflattening 87 Hình 11 Kết biến dạng địa hình xác định từ ảnh SAR cặp ảnh 10/04/2012; 26/06/2012 30/04/2013 88 Hình 12 Kết xác định lún bề mặt địa hình khu vực Hà Nội 89 Hình 13 Đồ thị phổ theo trục X trục Y 90 Hình 14 Hiển thị giá trị min, max, trung bình độ lệch chuẩn 90 Hình 15 Khu thị Đại Kim lún 16 mm năm 2012- 2013 91 Hình 16 Khu thị Đồng Tàu lún 14 mm năm 2012- 2013 91 Hình 17 Kết xác định lún bề mặt địa hình khu vực Hà Nội (2012- 2013) 92 10 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1 Các đặc tính chung Radar 17 Bảng So sánh Radar VIR 18 Bảng Bước sóng tần số sóng dùng viễn thám Radar 19 Bảng Các ứng dụng kênh sóng Radar 20 Bảng Các yếu tố ảnh hưởng đến tín hiệu thu Radar 35 Bảng Độ gồ ghề số kênh Radar với góc tới 450 (Theo Sabin, 1997) 41 Bảng Các thông số kỹ thuật vệ tinh Radar Seasat- SIR .44 Bảng Các thông số kiểu tạo ảnh vệ tinh Radarsat- 51 Bảng Đặc tính số vệ tinh Radar tổng hợp 52 Bảng Dữ liệu sử dụng thực nghiệm 80 91 Hình 15 Khu thị Đại Kim lún 16 mm năm 2012- 2013 Hình 16 Khu đô thị Đồng Tàu lún 14 mm năm 2012- 2013 92 Hình 17 Kết xác định lún bề mặt địa hình khu vực Hà Nội (2012- 2013) 93 3.5 Một số nhận xét Từ tài liệu tham khảo lún bề mặt địa hình khu vực Hà Nội kết thực nghiệm, tác giả có số nhận xét sau: Sau q trình tiến hành thực nghiệm kết hợp cặp ảnh để tạo giao thoa xác định lún bề mặt địa hình, tác giả thấy ảnh chụp ngày 10/04/2012; 26/06/2012; 30/04/2013 vệ tinh TerraSAR- X đạt yêu cầu Nhìn chung, bề mặt địa hình khu vực Hà Nội có xuất biến dạng khoảng thời gian từ năm 2012 đến năm 2013 (lún -41mm/năm, trồi +31mm/năm) Các cơng trình nghiên cứu trước khu vực thực nghiệm chủ yếu sử dụng tư liệu ảnh Radar vệ tinh ALOS PALSAR ENVISAT cho thấy ưu điểm kỹ thuật InSAR xác định biến dạng bề mặt địa hình Từ kết nghiên cứu phần thực nghiệm thấy sử dụng ảnh Radar kênh X cho việc xác định biến dạng bề mặt địa hình Kênh X với bước sóng từ 2,4- 3,8 cm kỹ thuật InSAR dễ bị tương quan ảnh sử dụng để tính tốn, cần phải lựa chọn cặp ảnh gần giống điều kiện (khí quyển, thời gian, ) 94 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Kỹ thuật InSAR kỹ thuật đột phá lĩnh vực công nghệ viễn thám mở kỹ thuật đại cho việc xác định biến dạng bề mặt địa hình Tuy nhiên, kỹ thuật khó nên q trình xử lý địi hỏi độ xác cao Kết việc xác định lún bề mặt địa hình xây dựng từ cặp ảnh SAR giao thoa phụ thuộc vào tính tương quan ảnh Trong cặp ảnh, khu vực có tương quan tốt cho kết có chất lượng tốt so với khu vực có tương quan thấp Kết ban đầu đạt cho thấy sử dụng kênh X vệ tinh Radar cho việc xác định lún bề mặt địa hình Tuy nhiên, mức độ xác kết phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác cảm biến SAR thu nhận, khoảng cách đường đáy, tương quan cặp ảnh, thuật toán cho toán giải mở pha,… Đặc biệt, toán mở pha cần giải cách xác địi hỏi điểm khống chế đo đạc trực tiếp thực địa Những kết bước đầu đạt Đề tài hy vọng góp phần đáng kể ứng dụng kỹ thuật vấn đề cần lưu ý xác định lún bề mặt địa hình từ cặp ảnh Radar giao thoa bước khớp ảnh giải pha mang tính định Xác định lún bề mặt địa hình ứng dụng cặp ảnh Radar giao thoa, quan trọng ứng dụng khác việc quan trắc phát biến dạng bề mặt địa lún đất, hoạt động núi lửa, chuyển động băng trôi, thành lập DEM với độ phân giải cao,… kỹ thuật InSAR, DInSAR (kỹ thuật giao thoa vi phân), PSInSAR Hy vọng thời gian tới, tác giả tiếp tục nghiên cứu để hồn thiện cơng nghệ nhằm đáp ứng nhiệm vụ nghiên cứu thực tiễn phát sụt lún đất, trượt lở đất 95 Việc xác định nhanh lún bề mặt địa hình khu vực khác cho phép nhà nghiên cứu, quan quản lý đưa giải pháp tìm nguyên nhân thay đổi bề mặt địa hình Kiến nghị - Cần khai thác sử dụng loại tư liệu viễn thám khác, đặc biệt kênh khác Radar nghiên cứu biến dạng bề mặt địa hình, trượt lở - Mở rộng nghiên cứu tiếp kỹ thuật InSAR, DInSAR, PSInSAR để nâng cao độ xác - Liên tục cập nhật tài liệu tư liệu để theo dõi tình trạng lún bề mặt địa hình khu vực Hà Nội 96 DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ Trần Vân Anh, Nguyễn Minh Hải (2012), báo “Nghiên cứu giải pháp chia sẻ liệu địa lý phần mềm mã nguồn mở Geoserver”, Tuyển tập báo cáo Hội nghị Khoa học lần thứ 20, Trường Đại học Mỏ- Địa chất Trần Xuân Trường, Nguyễn Minh Hải, Phạm Xuân Trường, Nguyễn Như Hùng (2012), báo “Nghiên cứu xây dựng chương trình giám sát nhiễm khơng khí từ liệu ảnh vệ tinh”, Tuyển tập báo cáo Hội nghị Khoa học lần thứ 20, Trường Đại học Mỏ- Địa chất Trần Vân Anh, Nguyễn Minh Hải (2012), báo “Ứng dụng giải pháp mã nguồn mở geoserver openlayer xây dựng chia sẻ liệu địa lý”, Tuyển tập báo cáo Hội thảo khoa học quốc tế “Công nghệ địa tin học quản lý sở hạ tầng”, Trường Đại học Giao thông vận tải Tham gia đề tài cấp sở năm 2012 “Nghiên cứu tích hợp cơng nghệ webgis mã nguồn mở geoserver với openlayer việc xây dựng trang web chia sẻ liệu tài nguyên môi trường”, TS Trần Vân Anh làm chủ nhiệm đề tài Tham gia đề tài cấp sở năm 2013 “Nghiên cứu xây dựng thuật tốn chương trình giám sát độ đất từ liệu ảnh vệ tinh”, TS Trần Xuân Trường làm chủ nhiệm đề tài Nguyễn Minh Hải, Trần Vân Anh, Trần Thanh Hà, Trần Đình Trí, Nguyễn An Bình, Đỗ Thị Hồi (2014), báo “Nghiên cứu ảnh hưởng khí đến sóng radar tạo giao thoa cho cặp ảnh radar”, Tạp chí Tài Nguyên & Môi trường 97 TÀI LIỆU THAM KHẢO Trần Vân Anh (2007), Spatial Distribution of Subsidence in Hanoi Detected by JERS-1 SAR Interferometry, Journal of GeoInformatics, Vol 18, No.1, pp.3-13 Trần Vân Anh (2008), Nghiên cứu ứng dụng Envisat ASAR WSM cho việc xác định nhanh vùng ngập lụt, Hội nghị khoa học Mỏ địa chất lần thứ 18 Trần Vân Anh (2013), Bài giảng viễn thám siêu cao tần, Đại học Mỏ- Địa chất Bamler, R and Just, D (1993), Phase statistics and decorrelation in SAR interferometry, Proceedings of IGARSS’93, Japan, pp 980-984 Nguyễn Văn Đài (2002), Giáo trình sở viễn thám, Đại học quốc gia Hà Nội Hồ Tống Minh Định (2005), Ứng dụng kỹ thuật InSAR xây dựng mơ hình độ cao số (DEM), Luận văn thạc sĩ, Trường Đại Học Bách Khoa Tp HCM Ghiglia, D C and Pritt, M D (1998), Two-Dimensional Phase Unwrapping, Theory, Algorithms, and Software, John Wiley & Sons, Inc., New York, USA, 493p Trang web: http://mrs.eecs.umich.edu/sensors.html Price, E J and Sandwell, D T, (1998), Phase gradient approach to stacking interferograms, Journal of Geophysical Research, 103 (B12), pp 30183-30204 10 Lee, J S., Hoppel, K W., Mango, S A and Miller, A R (1994), Intensity and phase statistics of multilook polarimetric and interferometric SAR imagery, IEEE Transactions on Aerospace and Electronic System, 32(5), pp 1017- 1028 11 Phạm Vọng Thành (2011), Giáo trình sở viễn thám, Đại học Mỏ- Địa chất 12 Zebker, H A and Goldstein, R M (1986), Topographic mapping from interferometric synthetic aperture Radar observations, Journal of Geophysical Research, 91(B5), pp 4993-4999 13 Zebker, H A and Villasenor, J (1992), Decorrelation in interferometric Radar echoes, IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 139(2), pp 88-97 98 14 Zebker, H A., Werner, C L., Rosen, P L and Hensley, S (1994), Accuracy of topographic maps derived from ERS-1 interferometric Radar, IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 32, pp 823-836 15 Zebker, H A., Rosen, P A., Goldstein, R M., Gabriel, A and Werner, C L (1994), On the derivation of coseismic displacement fields using differential Radar interferometry: The Landers earthquake, Journal of Geophysical Research, 99(B), pp.19617-1963 16 Zebker, H.A., Rosen, P.A and Hensley, S (1997), Atmospheric effects in interferometric synthetic aperture Radar surface deformation and topographic maps, Journal of Geophysical Research, 102(B4), pp.7547-7563 99 PHỤ LỤC 100 Hình Cặp ảnh 10/04/2012 11/09/2012 bị lỗi khơng tạo giao thoa 101 Hình Cặp ảnh 21/04/2012 30/04/2013 bị lỗi Refinement and Reflattening Hình Kết xác định lún bề mặt địa hình khu vực Hà Nội năm 2012- 2013 Google Earth 102 Hình Kết xác định lún bề mặt địa hình năm 2011- 2012 từ ảnh Radar vệ tinh COSMO- SkyMed 103 Hình Lún bề mặt địa hình năm 2011- 2012 (COSMO- SkyMed) năm 20122013 (TerraSAR- X) 104 Hình Lún bề mặt địa hình năm 2011- 2012 (COSMO- SkyMed) năm 20122013 (TerraSAR- X) 105 Hình 7: Kết xác định biến dạng bề mặt địa hình khu vực Hà Nội (2012- 2013) ... dụng InSAR để xác định biến dạng bề mặt địa hình 70 CHƯƠNG 3- ỨNG DỤNG KỸ THUẬT INSAR TRONG XÁC ĐỊNH LÚN BỀ MẶT ĐỊA HÌNH KHU VỰC HÀ NỘI 75 3.1 Đặc điểm tự nhiên khu vực thực nghiệm... 91 Hình 16 Khu đô thị Đồng Tàu lún 14 mm năm 2012- 2013 91 Hình 17 Kết xác định lún bề mặt địa hình khu vực Hà Nội (2012- 2013) 92 10 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1 Các đặc tính chung Radar. .. đạo Radar xác định .68 Hình Biểu diễn hình học biến đổi địa hình 70 Hình Nguyên lý phương pháp InSAR giao thoa vi phân Three- pass 73 Hình Bản đồ hành khu vực Hà Nội 75 Hình