Ứng dụng kỹ thuật insar để xây dựng mô hình số độ cao

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT NGUYỄN BÁ DUY ỨNG DỤNG KỸ THUẬT INSAR ĐỂ XÂY DỰNG MƠ HÌNH SỐ ĐỘ CAO LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Hà Nội – 2010 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT NGUYỄN BÁ DUY ỨNG DỤNG KỸ THUẬT INSAR ĐỂ XÂY DỰNG MƠ HÌNH SỐ ĐỘ CAO Chun ngành: Kỹ thuật Trắc địa Mã số: 60.52.85 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Nguyễn Trường Xuân Hà Nội – 2010 -1- LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả luận văn Nguyễn Bá Duy -2- MỤC LỤC Trang Trang bìa phụ…… ……… Lời cam đoan…… ……… Mục lục…… ……… Danh mục thuật ngữ, chữ viết tắt……………………………… Danh mục bảng, biểu…… ……… Danh mục hình vẽ, đồ thị…… …… MỞ ĐẦU……………………………………………………………… 11 Chƣơng VIỄN THÁM RADAR………………………………………………… 16 1.1 Radar lịch sử phát triển Radar……………………………… 17 1.1.1 Giới thiệu chung viễn thám Radar……………………………… 17 1.1.2 Tóm tắt lịch sử phát triển viễn thám Radar………………… 18 1.1.3 So sánh viễn thám Radar với viễn thám dải phổ nhìn thấy hồng ngoại (VIR)……………………………………………………… 19 1.1.4 Các kênh phổ sử dụng viễn thám Radar …………………… 20 1.1.5 Tín hiệu sóng phản hồi Radar 21 1.1.6 Hợp phần hệ thống Radar đơn giản……………………… 23 1.1.7 Một số ứng dụng viễn thám Radar…………………………… 24 1.2 Hệ Radar nhìn xiên SLAR……………………………………… 25 1.2.1 Nguyên lý hoạt động SLAR………………………………… 25 1.2.2 Thuật ngữ thường dùng hệ SLAR………………… 27 1.2.3 Độ phân giải không gian………………………………………… 27 -3- 1.3 Hệ Radar mở thực RAR hệ tổng hợp SAR……………………… 32 1.3.1 Hệ Radar mở thực RAR 32 1.3.2 Hệ Radar tổng hợp SAR (Synthetic Aperture Radar)…………… 32 1.4 Đặc tính ảnh Radar 33 1.4.1 Biến dạng tỷ lệ ảnh theo tầm 34 1.4.2 Dịch chuyển địa hình 35 1.4.3 Thị sai ảnh (parallax) 37 1.4.4 Đốm ảnh (speckle) 38 1.4.5 Sự thay đổi chiếu sáng ảnh Radar theo tầm 39 1.4.6 Đặc tính truyền tín hiệu Radar 39 Chƣơng VIỄN THÁM RADAR TỪ VỆ TINH………………………………… 41 2.1 Giới thiệu chung…………………………………………………… 41 2.2 Radar SEASAT-1…………………………………………………… 42 2.3 Thu nhận ảnh Radar từ tàu thoi SIR…………………………… 42 2.4 Vệ tinh ALMAZ-1……………………………………………… 45 2.5 Vệ tinh ERS-1, ERS-2 ENVISAT-1………………………… 46 2.6 Vệ tinh JERS-1 ALOS…………………………………………… 49 2.7 Vệ tinh RADARSAT……………………………………………… 51 2.8 Vệ tinh LIGHTSAR………………………………………………… 54 2.9 Vệ tinh TERRASAR-X 55 2.10 Tóm tắt Radar vệ tinh………………………………………… 57 Chƣơng CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA KỸ THUẬT INSAR…………………… 59 3.1 Giới thiệu chung…………………………………………………… 59 3.2 Nguyên lý Radar cửa mở thực 61 3.3 Nguyên lý Radar cửa mở tổng hợp (SAR) 64 -4- 3.4 Các khái niệm Sar giao thoa 67 3.4.1 Đường đáy (Baseline) 67 3.4.2 Pha 68 3.4.3 Ảnh giao thoa 69 3.4.4 Tương quan ảnh 70 3.4.5 Mơ hình số độ cao (DEM) 71 3.5 Thuật toán thành lập DEM từ kỹ thuật INSAR 72 Chƣơng ỨNG DỤNG KỸ THUẬT INSAR THÀNH LẬP DEM 78 4.1 Giới thiệu chung khu vực nghiên cứu 78 4.1 Vị trí địa lý 78 4.1.2 Tài liệu sử dụng 80 4.1.3 Phần mềm xử lý 82 4.2 Quy trình xử lý ảnh SAR 83 4.2.1 Sơ đồ quy trình…………………………………………………… 83 4.2.2 Phương pháp thực hiện…………………………………………… 83 4.2.3 Đăng ký ảnh …………………………………………………… 84 4.2.4 Tạo ảnh giao thoa………………………………………………… 85 4.2.4.1 Tạo ảnh giao thoa ……………………………………………… 85 4.2.4.2 Lọc nhiễu……………………………………………………… 86 4.2.4.3 Làm phẳng pha ………………………………………………… 87 4.2.5 Giải mở pha ……………………………………………………… 88 4.2.6 Chuyển đổi pha thành độ cao…………………………………… 89 4.2.7 Geocoding ảnh…………………………………………………… 89 4.3 Đánh giá kết thực nghiệm 90 4.3.1 So sánh DEM INSAR với DEM từ BĐĐH DEM SRTM 90 4.3.2 So sánh DEM khu vực đồng đồi núi thấp 91 -5- 4.3.3 So sánh DEM khu vực đồi núi cao 96 4.3.4 Một số nhận xét 101 KẾT LUẬN 103 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ 105 TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………….…… 106 -6- DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Viết đầy đủ Russian: Алмаз - "Diamond" Advanced Land Observing Satellite Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer AVNIR Advanced Visible and Near Infrared Radiometer DEM Digital Elevation Model DGPS Differential Global Positioning System DINSAR Differential SAR Interferometry DORIS Delft Object-oriented Radar Interferometric Software ENVISAT ENVIronmental SATellite ERS-1 Earth Resources Satellite-1 ERS-2 Earth Resources Satellite-2 GPS Global Positioning System INSAR SAR Interferometry JERS Japanese Earth Resources Satellite LIGHTSAR Light Synthetic Aperture Radar NASDA National Space Development Agency PALSAR Phased Array type L-band Synthetic Aperture Radar PRISM Panchromatic Remote-sensing Instrument for Stereo Mapping RADAR RAdio Detection and Ranging RADARSAT RAdio Detection and Ranging Satellite RAR Real Aperture Radar RSI Radarsat International SAR Synthetic-Aperture Radar SEASAT Sea Satellite SIR Shuttle Imaging Radar SLAR Side-Looking Airborne Radar SPOT Satellite Pour l'Observation de la Terre SRTM Shuttle Radar Topography Mission VIR Visible and InfraRed ALMAZ ALOS ASTER -7- DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1: Các đặc tính chung sóng Radar ………………………… 19 Bảng 1.2: So sánh Radar VIR 20 Bảng 1.3: Bước sóng sử dụng viễn thám Radar ………………… 21 Bảng 1.4: Các yếu tố ảnh hưởng đến tín hiệu thu Radar …………… 22 Bảng 1.5: Các ứng dụng viễn thám Radar theo kênh sóng …… 24 Bảng 2.1: Các thông số kỹ thuật vệ tinh Radar SEASAT-1 SIR …………………………………………………………………… 45 Bảng 2.2: Các thông số mode tạo ảnh vệ tinh RADARSAT 53 Bảng 2.3: Đặc tính số vệ tinh Radar tổng hợp ………………… 58 Bảng 2.4: Đặc tính số vệ tinh Radar tổng hợp 58 Bảng 4.1: Một số thơng số cặp ảnh SAR sử dụng 80 -8- DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1: Hệ thống Viễn thám Radar 18 Hình 1.2: Bước sóng sử dụng viễn thám…………………………… 21 Hình 1.3: Cấu trúc hệ thống Radar……………………… 23 Hình 1.4: Hệ Radar nhìn xiên 25 Hình 1.5: Các yếu tố hình học hệ SLAR ………………………… 25 Hình 1.6: Nguyên lý hoạt động hệ SLAR 26 Hình 1.7: Minh họa số khái niệm dùng SLAR 27 Hình 1.8: Độ dài xung, độ rộng chùm, chùm vng hệ SLAR…… 28 Hình 1.9: Minh họa đối tượng có độ phân giải khác nhau……… 29 Hình 1.10: Độ phân giải theo tầm 29 Hình 1.11: Phân giải theo phương vị đo khoảng cách cung xác định độ rộng chùm theo góc B anten, góc  mặt đất… 30 Hình 1.12: Xác định độ phân giải Radar độ mở tổng hợp 33 Hình 1.13: Thay đổi độ phân giải theo tầm xiên 34 Hình 1.14: Sự khác đường ảnh theo tầm mặt tầm xiên, độ dài xung A1, B1 C1 theo tầm xiên khác 35 Hình 1.15: Hiệu ứng địa hình ảnh Radar 36 Hình 1.16: Dịch chuyển địa hình ảnh Radar ngược với ảnh máy bay vệ tinh quét đa phổ 36 Hình 1.17: Thu ảnh Radar lập thể từ hai hướng khác 37 Hình 1.18: Nhiễu speckle ảnh Radar 38 Hình 1.19: Khử nhiễu speckle ảnh Radar 39 Hình 2.1: Ảnh Radar SIR-A, Saudi, Arabia, Kênh L, 10/1981 42 Hình 2.2: Ảnh vệ tinh SIR-B Radar Mt Shasta CA kênh L 43 - 92 - Hình 4.10 Hình ảnh DEM Bản đồ mặt cắt Hình 4.11 Mặt cắt dọc tương ứng DEM Bản đồ - 93 - Hình 4.12 Hình ảnh DEM INSAR mặt cắt Hình 4.13 Mặt cắt dọc tương ứng DEM INSAR - 94 - Hình 4.14 Hình ảnh DEM SRTM mặt cắt Hình 4.15 Mặt cắt dọc tương ứng DEM SRTM - 95 - Kết so sánh mặt cắt tương ứng ( a ) DEM Bản Đồ DEM INSAR, MH = (m) ( b ) DEM Bản Đồ DEM SRTM, MH = (m) ( c ) DEM INSAR DEM SRTM, MH = (m) - 96 - ( d ) DEM Bản Đồ, DEM INSAR DEM SRTM Hình 4.16 So sánh DEM khu vực đồng đồi núi thấp Tại mặt cắt khu vực đồi đồng bằng, kết so sánh cho thấy, giá trị độ cao DEM INSAR DEM SRTM nhìn chung lớn so với DEM Bản Đồ Giá trị chênh lệch độ cao trung bình DEM INSAR DEM Bản Đồ m, giá trị chênh lệch độ cao trung bình DEM SRTM DEM Bản Đồ m, Giá trị độ cao cặp tư liệu DEM tương ứng, độ chênh cao trung bình so sánh DEM với mơ tả hình 4.16 Tại số vị trí có giá trị độ cao trùng 4.3.3 So sánh DEM khu vực đồi núi cao Chúng ta tiến hành việc lập mặt cắt dọc theo khu vực mô hình DEM (DEM nội suy từ Bản đồ, DEM làm từ kỹ thuật INSAR, DEM từ SRTM) Chúng ta có kết - 97 - Hình 4.17 Hình ảnh DEM Bản đồ mặt cắt Hình 4.18 Mặt cắt dọc tương ứng DEM Bản đồ - 98 - Hình 4.19 Hình ảnh DEM INSAR mặt cắt Hình 4.20 Mặt cắt dọc tương ứng DEM INSAR - 99 - H Hình 4.21 Hình ảnh DEM SRTM mặt cắt Hình 4.22 Mặt cắt dọc tương ứng DEM SRTM - 100 - ( a ) DEM Bản Đồ DEM INSAR, MH =18 (m) ( b ) DEM Bản Đồ DEM SRTM, MH = 26 (m) ( c ) DEM INSAR DEM SRTM, MH = (m) - 101 - ( d ) DEM Bản Đồ, DEM INSAR DEM SRTM Hình 4.23 So sánh DEM khu vực đồi núi cao Tại mặt cắt khu vực đồi núi cao, kết so sánh cho thấy, giá trị độ cao DEM INSAR DEM SRTM nhìn chung lớn so với DEM Bản Đồ Giá trị chênh lệch độ cao trung bình DEM INSAR DEM Bản Đồ 18 m, giá trị chênh lệch độ cao trung bình DEM SRTM DEM Bản Đồ 26 m, Giá trị độ cao cặp tư liệu DEM tương ứng, độ chênh cao trung bình so sánh DEM với mơ tả hình 4.23 số vị trí có giá trị độ cao trùng 4.3.4 Một số nhận xét Từ kết so sánh, đánh giá phần 4.3.2 4.3.3 rút số nhận xét sau: Từ hình 4.23 cho thấy, khu vực núi mặt cắt hai DEM trùng Ở hình 4.16 (khu vực đồng bằng), đường biểu diễn mặt cắt DEM Bản đồ “điều hồ” đường biểu diễn mặt cắt DEM INSAR DEM SRTM lại “biến động” Điều lý giải DEM nội suy khu vực đồng có độ xác khơng cao (do khơng đủ mật độ điểm độ cao để nội suy) DEM - 102 - INSAR DEM SRTM phản ánh trung thực đặc trưng bề mặt khu vực, nhiên độ xác độ cao tuyệt đối cần phải có khảo sát kỹ đưa kết luận Trên DEM INSAR có số chỗ bị lỗi, khu vực tương quan hai ảnh (coherence), nguyên nhân khuất núi điều kiện thời tiết không tương đồng hai lần nhận ảnh Giá trị độ cao DEM INSAR DEM SRTM tương đồng, lệch Tại số vị trí DEM SRTM sát với DEM Bản đồ DEM INSAR Tuy nhiên cần có khảo sát kỹ để đánh giá độ xác DEM SRTM - 103 - KẾT LUẬN Trên sở nghiên cứu lý thuyết kết thực nghiệm đề tài “Ứng dụng kỹ thuật InSAR xây dựng mơ hình số độ cao” , tác giả rút số kết luận sau: Nhìn chung giá trị độ cao DEM thành lập từ đồ bé so với DEM thành lập từ cặp ảnh SAR DEM SRTM, cá biệt số khu vực giá trị độ cao liệu DEM gần Sở dĩ DEM thành lập phương pháp InSAR thực chất mơ hình số địa hình (DTM – Digital Terrain Model), khơng phải 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 rừng cây, nhà cửa… Tại đỉnh núi, nơi mà có thực phủ độ cao DEM INSAR DEM nội suy giống nhau, có nhiều chỗ trùng khớp Những chỗ dị thường độ cao (có chênh lệch lớn độ cao hai DEM) lỗi trình xây dựng DEM INSAR DEM INSAR khu vực đồi núi cao có độ lệch trung bình so với DEM nội suy từ đồ địa hình tỷ lệ 1/50.000 18 m, khu vực đồng đồi núi thấp m Ở khu vực có địa hình thấp (dưới 35 m) khó đánh giá độ xác DEM INSAR sử dụng đồ tỷ lệ 1/50.000, đường bình độ thấp có giá trị 20 m, cịn lại có chấm ghi độ cao, mật độ điểm khơng đủ dày để nội suy, nên DEM nội suy khu vực khơng đảm bảo độ xác Trong trường 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) - 104 - Kỹ thuật INSAR kỹ thuật đột phá lĩnh vực công nghệ viễn thám mở kỹ thuật đại cho việc xây dựng DEM Tuy nhiên, kỹ thuật khó nên q trình xử lý địi hỏi độ xác cao, từ bước đăng ký ảnh Kết ban đầu đạt cho thấy độ xác DEM tạo từ cặp ảnh SAR đạt độ xác cao khu vực miền núi khu vực đồng 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 Việc nghiên cứu sử dụng phần mềm mã nguồn mở DORIS đem lại hiệu kinh tế kỹ thuật cao Về mặt kinh tế, phần mềm DORIS nhỏ gọn, khơng địi hỏi máy tính có cấu hình cao, hồn tồn miễn phí so với phần mềm quyền đắt tiền khác GAMMA, SARSCAPE, ERDAS, EarthView,…về mặt kỹ thuật, phần mềm dễ sử dụng hoàn toàn mã nguồn mở nên người xử lý hồn tồn can thiệp mức độ cho phép để phục vụ công việc xử lý ảnh Những kết bước đầu đạt đề tài hy vọng góp phần đáng kể ứng dụng kỹ thuật vấn đề cần lưu ý xây dựng DEM từ cặp ảnh Radar giao thoa bước 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 lún đất, hoạt động núi lửa, chuyển động băng trôi,… kỹ thuật DInSAR (kỹ thuật giao thoa vi phân), kỹ thuật PSInSAR (giao thao tán xạ cố định) , kỹ thuật Sar Tomography - 105 - DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ Nguyễn Bá Duy (02/2007), “Khảo sát độ xác mơ hình số độ cao thành lập công nghệ ảnh số”, Tạp chí Địa số 1, trang 19 24 Trần Hồng Hạnh, Nguyễn Bá Duy (04/2009), “Khảo sát phương pháp xử lý nhiễu ảnh radar tiến hành thực nghiệm ảnh TerraSAR-X độ phân giải 1,25 m”, Tạp chí Khoa học kỹ thuật Mỏ - Địa chất số 26, trang 94 - 100 Ba Duy Nguyen, Dinh Ho Tong Minh, Francesco Sarti, Steffen Dransfeld Ramon Hanssen (19/10/2009-22/10/2009), “Measuring Land Subsidence in Hanoi City by Means of Radar Interferometry Technique”, 7th FIG Regional Conference - Spatial Data Serving People: Land Governance and the Environment – Building the Capacity - Hanoi Vietnam, TS 5D – Monitoring Using Vision Technologies Nguyễn Bá Duy, Tạ Thị Thu Hường (3/2010) “Tìm hiểu nguyên lý khả ứng dụng kỹ thuật InSar theo dõi chuyển dịch mặt đất”, Tạp chí Khoa học Đo Đạc Bản đồ, số 3, trang 51-54 - 106 - TÀI LIỆU THAM KHẢO 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 Anh, T.V (2006), Synthetic Aperture Radar Interferometry for DEM generation and subsidence detection over Hanoi city, Vietnam PhD’s Thesis Costantini, M (1998), A Novel PhaseUnwrapping Method Based on Network Programming, IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing Curlander, J C., and 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 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 Kampes, B (1999), DORIS User’s manual & Technical documentation, Delft University of Technology 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 Price, E.J and Sandwell, D.T (1998), Phase gradient approach to stacking interferograms Journal of Geophysical Research, 103 (B12), pp 30183 - 30204 ... cao số nói riêng ứng dụng lĩnh vực khác nói chung Tuy nhiên nghiên cứu ứng dụng bước đầu Do đó, việc nghiên cứu với đề tài” Ứng dụng kỹ thuật Insar xây dựng mơ hình số độ cao DEM” để đánh giá kỹ. .. xác số chu kỳ bị then chốt cho nghiên cứu biến dạng, thành lập mơ hình độ cao số, thành lập đồ địa hình, … Ở Việt Nam chúng ta, có số quan nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật việc xây dựng mô hình độ cao. .. ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT NGUYỄN BÁ DUY ỨNG DỤNG KỸ THUẬT INSAR ĐỂ XÂY DỰNG MƠ HÌNH SỐ ĐỘ CAO Chun ngành: Kỹ thuật Trắc địa Mã số: 60.52.85 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS