Đánh giá độ chính xác của mô hình số độ cao thành lập từ ảnh radar

bộ giáo dục đào tạo TRƯờNG ĐạI HọC Mỏ - ĐịA CHấT NGUYễN AN BìNH ĐáNH GIá Độ CHíNH XáC CủA MÔ HìNH Số Độ CAO THàNH LậP Từ ảNH RADAR luận văn thạc sĩ Kỹ THUậT Hà NộI - 2014 giáo dục đào tạo TRƯờNG ĐạI HọC Mỏ - ĐịA CHấT NGUYễN AN BìNH ĐáNH GIá Độ CHíNH XáC CủA MÔ HìNH Số Độ CAO THàNH LậP Từ ảNH RADAR Chuyên ngành: Bản đồ viễn thám hệ thông tin địa lý MÃ số: 60440214 luận văn thạc sĩ Kỹ THUậT ng-ời h-ớng dẫn khoa học: TS Trần Vân Anh Hà NộI - 2014 LI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc cơng bố cơng trình khác Tác giả Nguyễn An Bình LỜI CẢM ƠN Trƣớc tiên học viên xin gửi lời cảm ơn tới TS Trần Vân Anh, ngƣời hƣớng dẫn học viên hoàn thành luận văn Học viên xin gửi lời cảm ơn chân thành tới nhóm đề tài độc lập cấp nhà nƣớc “ Nghiên cứu sở khoa học đề xuất giải pháp dự báo lún mặt đất thành phố Hà Nội kỹ thuật ra-đa giao thoa” mã số: ĐTĐL.2012-T/28 Viện Địa chất – Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam cung cấp liệu tài liệu liên quan để tác giả hoàn thành luân văn Học viên xin gửi lời cảm ơn chân thành tới phịng Cơng nghệ Viễn thám,GIS GPS – Viện Công nghệ Vũ trụ – Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam cung cấp liệu tài liệu liên quan để tác giả hoàn thành luận văn Học viên xin gửi lời cảm ơn tới thầy cô khoa Trắc địa – trƣờng Đại học Mỏ Địa Chất Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi cho học viên thời gian học tập nghiên cứu hoàn thành luận văn Tác giả Nguyễn An Bình MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU 10 Tính cấp thiết đề tài 10 Mục tiêu nghiên cứu đề tài 11 Phƣơng pháp nghiên cứu đề tài 12 Phạm vi nghiên cứu đề tài 12 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 12 Cấu trúc luận văn 12 CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ VIỄN THÁM RADAR 14 1.1 Radar lịch sử phát triển viễn thám radar 14 1.2 So sánh viễn thám Radar với viễn thám dải phổ nhìn thấy hồng ngoại 15 1.3 Hợp phần hệ radar đơn giản 16 1.4 Các kênh phổ Radar 17 1.5 Một số khái niệm thƣờng dùng Radar 19 1.6 Các hệ thống Radar 23 1.7 Đặc điểm ảnh Radar nhìn xiên 28 1.8 Đặc tính truyền tín hiệu Radar 35 1.9 Tín hiệu sóng phản hồi Radar 36 1.10 Một số vệ tinh Radar giới 42 CHƢƠNG NGUYÊN LÝ CỦA INSAR 51 2.1 Nguyên lý InSAR 51 2.2 Đánh giá chất lƣợng cặp ảnh giao thoa 54 2.3 Những yếu tố ảnh hƣởng đến việc tạo InSAR 57 2.4 Thuật toán thành lập DEM từ kỹ thuật InSAR 60 CHƢƠNG THÀNH LẬP DEM TỪ CẶP ẢNH RADAR GIAO THOA VÀ ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC 66 3.1 Đặc điểm địa lí tự nhiên khu vực thực nghiệm 66 3.2 Dữ liệu sử dụng 68 3.3 Phƣơng pháp thực 70 3.4 So sánh kết đạt đƣợc 79 3.5 Một số nhận xét 82 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 84 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DEM – Digital Elevation Model – Mơ hình số độ cao DTM – Digital Terrain Model – Mơ hình số địa hình GIS – Geographic Information System – Hệ thống thơng tin địa lý GPS – Global Positioning System – Hệ thống định vị toàn cầu InSAR - Interferometry SAR – kỹ thuật giao thoa ảnh radar độ mở tổng hợp Radar – Radio Detection And Ranging – hệ thống tìm kiếm đo khoảng cách sóng radio RAR – Real Aperture Radar – Hệ Radar độ mở thực SAR – Synthetic Aperture Radar – Hệ Radar độ mở tổng hợp SLAR – Side Looking Airborne Radar – Hệ Radar nhìn xiên máy bay DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 :Các đặc tính chung Radar 16 Bảng 1.2 : So sánh Radar VIR 16 Bảng 1.3 : Bƣớc sóng tần số kênh phổ Radar 18 Bảng 1.4 : Các ứng kênh sóng Radar 19 Bảng 1.5 : Các yếu tố ảnh hƣởng đến tín hiệu sóng phản hồi Radar 37 Bảng 1.6: Độ gồ ghề số kênh Radar với góc tới 450 (theo Sabin,1997) 41 Bảng 1.7 : Các thiết bị đo chức nằng chúng ENVISAT-1 46 Bảng 1.8 : Các thông số mốt tạo ảnh vệ tinh Radarsat 48 Bảng 1.9 : Thông số vệ tinh TerraSAR – X 49 Bảng 1.10 : Đặc tính số vệ tinh Radar 50 Bảng 3.1 Thông số ảnh vệ tinh Radar TerraSAR – X 68 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Hệ thống Radar 14 Hình 1.2: Cấu trúc hệ Radar 17 Hình 1.3 : Bƣớc sóng sử dụng viễn thám 18 Hình 1.4 : Hƣớng tầm (ảnh trái) hƣớng phƣơng vị (ảnh phải) 20 Hình 1.5: Các đối tƣợng phân giải khác 21 Hình 1.6 : Độ phân giải phƣơng vị 22 Hình 1.7 : Nguyên tắc hoạt động hệ SLAR 23 Hình 1.8 : Nguyên lý hoạt động hệ SLAR : a – Truyền xung Radar; bkết tia phản hồi 24 Hình 1.9: Hình thức tạo nên Ăng-ten tổng hợp 25 Hình 1.10 : Độ phân giải hệ Radar độ mở tổng hợp 26 Hình 1.11 : Độ phân giải phƣơng vị hệ SAR 27 Hình 1.12 : Thay đổi độ phân giải theo tầm 29 Hình 1.13 : Sự khác đƣờng ảnh theo tầm mặt tầm xiên, độ dài xung A1,B1 C1 theo tầm xiên khác (theo Thomas M Lillesand Raph W Kiefer, 2000) 29 Hình 1.14: Hiện tƣợng co ngắn ảnh Radar 30 Hình 1.15: Hiện tƣợng biến dạng co ngắn ảnh Radar 30 Hình 1.16 : Các tƣợng biến dạng ảnh Radar địa hình gây 31 Hình 1.17: Hiện tƣợng co ngắn phía trƣớc 32 Hình 1.18 : Hiện tƣợng chồng đè ảnh Radar 33 Hình 1.19: Hiện tƣợng bóng ảnh Radar 33 Hình 1.20 : Thu ảnh Radar tạo ảnh từ hai hƣớng khác nhau(a) hai đƣờng bay khác (b) 34 Hình 1.21 : Nhiễu đốm 35 Hình 1.22 : Sự phân cực 36 Hình 1.23 : Các kiểu phân cực viễn thám Radar 36 Hình 1.24 : (a) Kênh X cho tín hiệu phản hồi phản hồi dạng phân tán (bề mặt gồ ghề) ; (b) tin hiệu phản hồi kênh L yếu, ảnh tối, bề mặt gần phẳng 38 Hình 1.25 : Ảnh Radar vùng núi Oachita kênh K phân cực HH (a) phân cực (HV) (Thomas M.Lilesand Ralph W.Kiefer, 2000) 39 Hình 1.26 : Ảnh hƣởng góc hạ địa hình ảnh Radar SAR nƣớc Ý (Ravi P.Gupta, 1992) 39 Hình 1.27 : Sự thay đổi góc tới địa hình; (a) – góc tới nhỏ ; (b) – góc tới trung bình ; (c) – góc tới lớn (khơng có tia phản hồi) 40 Hnh 1.28 : Các kiểu tán xạ môi trƣờng điện môi khác 42 Hình 1.29 : Vệ tinh ERS – 44 Hình 1.30 : Vệ tinh ENVISAT-1 45 Hình 1.31: Vệ tinh Radarsat 47 Hình 1.32 : Các kiểu tạo ảnh vệ tinh Radarsat 48 Hình 1.33 : Vệ tinh TerraSAR - X 49 Hình 2.1 Sự cộng hƣởng (trái) triệt tiêu sóng (phải) 51 Hình 2.2 Vân giao thoa mặt đất từ hai nguồn sóng Radar 52 Hnh 2.3: Cƣờng độ pha 53 Hình 2.4: Pha giao thoa với tƣơng quan cao 56 Hình 2.5 : Pha giao thoa với tƣơng quan thấp 57 Hình 2.5: Cơ sở hình học kỹ thuật InSAR 61 Hình 2.6: Cơ sở hình học SAR gắn với quỹ đạo bay vệ tinh 64 Hình 3.1 : Địa phận hành khu vực Hà Nội 66 Hình 3.2 : Khu vực chụp ảnh 69 Hình 3.3 : Cặp ảnh TerraSAR-X sử dụng đề tài 70 Hình 3.4 : Sơ đồ quy trình thành lập DEM từ cặp ảnh SAR 72 Hình 3.5 : Kết tính tốn đƣờng đáy ảnh 73 Hình 3.6 : Ảnh tạo giao thoa 74 Hình 3.7 : Ảnh tƣơng quan 75 Hình 3.8 : Ảnh pha sau trình lọc 76 72 Ảnh TerraSAR-X Ảnh TerraSAR-X (Ảnh chính) (Ảnh phụ) Nhập cắt ảnh Ƣớc tính đƣờng đáy ảnh Tạo giao thoa Lọc nhiễu Loại bỏ pha phẳng Giải mở pha Geocoding tạo DEM Hình 3.4 : Sơ đồ quy trình thành lập DEM từ cặp ảnh SAR Việc ƣớc tính đƣờng đáy ảnh cung cấp thông tin giá trị đƣờng đáy ảnh thông số quỹ đạo cặp ảnh SAR Mặc dù thông tin không sử dụng cho việc xử lý sau nhƣng góp phần đánh giá tính khả thi cặp ảnh SAR nhƣ độ xác việc thành lập DEM.Hình 3.4 đƣa thơng số việc tính tốn đƣờng đáy ảnh 73 Hình 3.5 : Kết tính tốn đƣờng đáy ảnh Tạo giao thoa: Hai ảnh SAR đƣợc kết hợp với để tạo ảnh SAR giao thoa Ảnh giao thoa cung cấp thông tin chiều thứ ba (độ cao) vật thể đo dịch chuyển vật thể hai ảnh thu nhận Sau đăng ký ảnh, ảnh giao thoa phức đƣợc tạo phép nhân liên hợp pixel phức ảnh thứ với pixel phức tƣơng ứng ảnh thứ hai Cƣờng độ ảnh giao thoa đo lƣờng mức độ tƣơng quan chéo ảnh Trong trình này, mơ hình số độ cao tham khảo đƣợc đƣa vào nhằm phục vụ mục đích nắn ảnh Do chất chụp nghiêng từ phía nên ảnh Radar bị ảnh hƣởng làm sai lệch vị trí địa hình Do đó, học viên sử dụng mơ hình độ cao SRTM 90m tải miễn phí cơng cụ SARscape để tiến hành nắn ảnh 74 Hình 3.6 : Ảnh tạo giao thoa Lọc nhiễu nhằm giúp cho việc giải toán mở pha dễ dàng Đối với việc lọc nhiễu, cách dùng phép lọc cho toàn ảnh, phép lọc tƣơng tự nhƣ phép lọc trung bình nhằm làm giảm nhiễu ảnh 75 Việc làm phẳng pha áp dụng cho vùng có độ cao thay đổi đột ngột (ví dụ: khu vực vùng núi), lúc tần số đóng pha cao, việc thực mở pha trở nên khó khăn nhiều, nên việc làm phẳng pha loại trừ tần số pha bị đóng Hình 3.7 : Ảnh tƣơng quan 76 Hình 3.8 : Ảnh pha sau trình lọc Để thành lập đƣợc DEM, kỹ thuật giải pha (phase unwrapping) cần đƣợc tiến hành, bƣớc khó khăn bƣớc mang tính định đến độ xác mơ hình DEM đƣợc thành lập phƣơng pháp InSAR Để tính đƣợc toạ độ độ cao cho điểm ảnh tồn pha tín hiệu phải đƣợc tính tốn cách xác Tuy nhiên, giá trị pha đo đƣợc ảnh xác định đƣợc phần thập phân pha, phần nguyên pha không trực tiếp đo đƣợc Để làm đƣợc 77 điều này, pha điểm ảnh cần đƣợc giải - kỹ thuật giải pha Hiện nay, có hai thuật tốn thƣờng đƣợc áp dụng để tính giá trị phần nguyên pha cho điểm ảnh, thuật tốn sử dụng ngun tắc số bình phƣơng nhỏ thuật tốn Branch Cut (BC) Hình 3.9 : Ảnh sau giải mở pha Trƣớc thực tính tốn độ cao tạo DEM, cần phải thực tính tốn hiệu chỉnh quỹ đạo bay Để thực công đoạn phải sử dụng tới điểm 78 khống chế mặt đất Cũng giống nhƣ với ảnh quang học, điểm khống chế ảnh phải đƣợc chọn điểm ảnh rõ nét đồ xác định đƣợc tọa độ cách xác ngồi thực địa đồ Các điểm khơng chế ảnh đo đạc ngồi thực địa công nghệ GPS xác định đồ tỉ lệ lớn tỉ lệ sản phầm ảnh cuối Thêm đặc điểm ảnh vệ tinh Radar chứa nhiều nhiễu hình ảnh đối tƣợng ảnh Radar bị ảnh hƣởng nhiều góc tới, độ gồ ghề bề mặt, hƣớng chụp ảnh nên việc xác định điểm khống chế có hình ảnh rõ nét ảnh Radar khó khăn Ở đây, khơng có điều kiện đo đạc ngồi thực địa, nên điểm khống chế đƣợc lấy từ điểm địa vật rõ nét ảnh 79 Hình 3.10 : DEM đƣợc thành lập từ cặp ảnh SAR 3.4 So sánh kết đạt đƣợc 3.4.1 So sánh DEM InSAR với DEM nội suy từ đồ địa hình Để đánh giá độ xác DEM đƣợc thành lập từ cặp ảnh SAR giao thoa, học viên so sánh chúng với DEM đƣợc xây dựng từ đồ số địa hình tỷ lệ 1: 50.000 số mặt cắt địa hình khu vực nghiên cứu Từ đồ số địa 80 hình, học viên sử dụng phần mềm AcrGIS 10.1 để nội suy thành lập DEM với hệ quy chiếu hệ tọa độ UTM WGS84 DEM nội suy có độ phân giải với DEM InSAR (30 m) Sử dụng cơng cụ tính tốn ArcGIS, sau hai DEM đƣợc đƣa vào xử lý tính tốn để so sánh 95 Hình 3.11 : So sánh DEM nội suy từ đồ địa hình DEM InSAR Ở hình 3.11, đồ thị mặt cắt DEM nội suy “điều hoà” đồ thị DEM InSAR lại “biến động” Điều lý giải DEM nội suy khu vực đồng có độ xác khơng cao (do không đủ mật độ điểm độ cao để nội suy) DEM InSAR phản ánh trung thực đặc trƣng bề mặt khu vực, nhiên độ xác độ cao tuyệt đối cần phải có khảo sát kỹ đƣa kết luận 3.4.2 So sánh số điểm độ cao DEM InSAR với điểm khống chế mặt đất Để đánh giá độ xác DEM đƣợc thành lập từ cặp ảnh SAR, học viên tiến hành so sánh giá trị độ cao DEM InSAR với số điểm không chế mặt đất 81 Hình 3.12 : So sánh số điểm độ cao DEM InSAR với điểm khống chế mặt đất Kết hình 3.12 cho thấy độ lệch trung bình khoảng 13m (so với độ cao trung bình điểm khơng chế mặt đất 12m) Điều giải thích DEM InSAR thực chất mơ hình số bề mặt thể giá trị độ cao địa vật thể giá trị độ cao bề mặt địa hình Trong điểm khống chế mặt đất thể giá trị độ cao bề mặt địa hình Khoảng chênh giá trị độ cao địa vật Để thấy rõ mức độ tƣơng quan giá trị độ cao điểm không chế mặt đất với giá trị độ cao số điểm DEM InSAR, học viên tiến hành lập hàm tƣơng quan hai giá trị độ cao Trên hình 3.13 thấy hệ số xác định R2 = 0.7089 Hệ số xác định R2 dùng để đo mức độ phù hợp hàm tƣơng quan Miền xác định R2 :0 ≤ R2 ≤ Nếu R2  hàm phù hợp Nếu R2  hàm khơng phù hợp 82 Độ cao DEM InSAR 40 35 30 25 20 15 10 0 10 15 20 25 Độ cao điểm khống chế y = 0.8341x + 15.825 R² = 0.7089 Hình 3.13 : Hàm tƣơng quan giá trị độ cao điểm khống chế mặt đất giá trị điểm độ cao DEM InSAR 3.5 Một số nhận xét Từ kết so sánh, đánh giá phần 3.4.1 3.4.2 học viên có số nhận xét nhƣ sau: Nhìn chung, khu vực thành lập DEM khu vực đồng nên DEM đƣợc thành lập pháp InSAR có độ lệch trung bình so với DEM nội suy từ đồ địa hình tỷ lệ 1/50.000 13m Sở dĩ nhƣ DEM đƣợc thành lập phƣơng pháp InSAR thực chất mơ hình số bề mặt (DSM – Digital Surface Model), mơ hình số độ cao (DEM – Digital Elevation Model), tức ln chênh so với độ cao thật khoảng chiều cao địa vật phủ mặt đất nhƣ rừng cây, nhà cửa… Mặt khác, khu vực thành lập DEM khu vực có địa hình thấp (dƣới 35 m) khó đánh giá độ xác DEM InSAR sử dụng đồ tỷ lệ 1/50.000, đƣờng bình độ thấp có giá trị 20 m, cịn lại có chấm điểm độ cao, mật độ điểm không đủ dày để nội suy, nên DEM nội suy khu vực không đảm bảo độ xác Trong trƣờng 83 hợp này, để đánh giá độ xác DEM InSAR, tốt nên sử dụng điểm khống chế trắc địa, DEM nội suy từ đồ địa hình có tỷ lệ lớn (1/10.000 1/25.000) 84 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kỹ thuật InSAR kỹ thuật lĩnh vực viễn thám mở kỹ thuật đại cho việc xây dựng DEM Tuy nhiên kỹ thuật khó nên q trình xử lý địi hỏi phải có độ xác cao Chất lƣợng DEM xây dựng từ cặp ảnh SAR dựa kỹ thuật InSAR phụ thuộc vào tính tƣơng quan ảnh Trong cặp ảnh, khu vực có tƣơng quan tốt cho DEM có chất lƣợng tốt khu vực có tƣơng quan thấp Độ xác kết phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhƣ cảm biến SAR thu nhận, khoảng cách đƣờng đáy, tƣơng quan cặp ảnh, thuật toán cho toán giải mở pha Đặc biệt, toán giải mở pha cần đƣợc giải cách xác địi hỏi điểm khống chế đƣợc đo đạc trực tiếp thực địa Những kết bƣớc đầu đạt đƣợc đề tài hy vọng góp phần đáng kể ứng dụng kỹ thuật vấn đề cần lƣu ý xây dựng DEM từ cặp ảnh radar giao thoathì bƣớc khớp ảnh giải pha mang tính định Xây dựng mơ hình số độ cao DEM ứng dụng cặp ảnh radar giao thoa, quan trọng ứng dụng chúng việc quan trắc phát biến dạng bề mặt địa hình nhƣ lún đất, hoạt động núi lửa, chuyển động băng trôi,… kỹ thuật DInSAR (kỹ thuật giao thoa vi phân) Hy vọng thời gian tới, học viên tiếp tục nghiên cứu để hồn thiện cơng nghệ nhằm đáp ứng nhiệm vụ nghiên cứu thực tiễn nhƣ phát sụt lún đất, trƣợt lở đất 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO Trần Vân Anh (2011), Bài giảng viễn thám siêu cao tần, Đại học Mỏ Địa Chất Hà Nội Trần Vân Anh (2011), 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 Hồ Tống Minh Định, Lê Văn Trung (2006), Ứng dụng kỹ thuật InSAR xây dựng mơ hình độ cao số (DEM), Tạp chí phát triển KH&CN Trần Tuấn Ngọc, Trần Tuấn Đạt , Radar giao thoa để thành lập mơ hình số độ cao (DEM), Trung tâm viễn thám quốc gia Nhà xuất bản đồ (2002), Atlas thông tin địa lý thành phố Hà Nội, Đề án hợp tác KHCN CNRS (Pháp) Trung tâm KHTNCNQG Anh, T.V (2006), Synthetic Aperture Radar Interferometry for DEM generation and subsidence detection over Hanoi city, Vietnam PhD’s Thesis Costantini (1998), M., A Novel PhaseUnwrapping Method Based on Network Programming, IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing Curlander, J C, R N McDonough (1991), Synthetic Aperture Radar: Systems and Signal Processing,John Wiley, New York Elachi, C (1987), Introduction to the physics and techniques of Remote Sensing, New York, John Wiley and Sons, pp 409 10 Goldstein, R.M., Zenker, H.A and Werner, C.L (1988), Satellite Radar Interferometry: Two-dimensional phase unwrapping, Radio Science 23 (4), pp 713 – 720 11 Kampes, B (1999), DORIS User’s manual & Technical documentation, Delft University of Technology 12 Masumoto, S., and T V Anh and V Raghavan (2004), DEM generation from SAR Image-An Experiment in Kagoshima Region, South Japan, Department of Geosciences, Osaka City University 86 13 Price, E.J and Sandwell (1998), D.T Phase gradient approach to stacking interferograms, Journal of Geophysical Research, 103 (B12), pp 30183 – 30204 14 Zebker, H A., and Y Lu (1998), Phase Unwrapping Algorithms for Radar Interferometry: Residue-Cut, Least-Squares, and Synthesis Algorithms, Journal of the Optical Society of America A ...bộ giáo dục đào tạo TRƯờNG ĐạI HọC Mỏ - ĐịA CHấT NGUYễN AN BìNH ĐáNH GIá Độ CHíNH XáC CủA MÔ HìNH Số Độ CAO THàNH LậP Từ ảNH RADAR Chuyên ngành: Bản đồ viễn thám hệ thông tin địa lý MÃ số: 60440214... Thành lập DEM khu vực nghiên cứu từ cặp ảnh Radar  Đánh giá so sánh độ xác DEM thành lập từ ảnh Radar Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Ý nghĩa khoa học : Góp phần khẳng định khả ứng dụng ảnh Radar. .. tế Tiếp cận vấn đề trên, khẳng định việc chọn lựa đề tài: ? ?Đánh giá độ xác mơ hình số độ cao DEM thành lập từ ảnh radar? ?? xuất phát từ yêu cầu thực tế, có ý nghĩa khoa học thực tiễn Mục tiêu nghiên