hệ thống SAR, từ lí thuyết đến mô hìnhthực hiện

MỤC LỤC MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU .2 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ RADAR 1.1 Định nghĩa radar 1.2 Nguyên lý .3 1.3 Sự phản xạ .4 1.4 Phân cực 1.5 Hiện tượng nhiễu sóng 1.6 Nhiễu .6 1.7 Bước sóng .6 CHƯƠNG KỸ THUẬT SAR 2.1 Giới thiệu 2.2 Ảnh vệ tinh SAR 10 Kĩ thuật SAR 11 2.4 Quy trình xử lí ảnh SAR 16 PHẦN KẾT LUẬN 22 TÀI LIỆU THAM KHẢO .23 1|Page PHẦN MỞ ĐẦU 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 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 mơ hình độ cao số (DEM) sử dụng phổ biến để thể địa hình Trong đề tài này, nhóm xin trình bày hệ thống SAR, từ lí thuyết đến mơ hình thực đưa đánh giá thông qua so sánh với ảnh vệ tinh Suốt khoảng thời gian thực đề tài, xin cảm ơn thầy PGS.TS Vũ Văn Yêm tận tình hướng dẫn, định hướng khuyết điểm đề tài Nhóm xin chân thành cảm ơn! 2|Page CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ RADAR 1.1 Định nghĩa radar Radar (Radio Detection and Ranging) có nghĩa dị tìm định vị sóng vơ tuyến hay Radio Angle Detection and Ranging - dị tìm định vị góc sóng vơ tuyến Đây hệ thống sử dụng để định vị đo khoảng cách lập đồ vật thể máy bay hay mưa Được sử dụng phổ biển hàng hải, hàng không quân 1.2 Nguyên lý Radar hoạt động tần sô vô tuyến siêu cao tần, có bước sóng siêu cực ngắn, dạng xung phát theo tần số lập xung định Nhờ vào ănten, sóng radar tập trung thành luồng hẹp phát vào khơng gian Trong q trình lan truyền, sóng radar gặp bất kỵ mục tiêu bị phản xạ trở lại Tín hiệu phản xạ trở lại chuyển sang tín hiệu điện Nhờ biết vận tốc sóng, thời gian sóng phản xạ trở lại nên biết khoảng cách từ máy phát đến mục tiêu Sóng radio dễ dàng tạo với cường độ thích hợp, phát lượng sóng cực nhỏ sau khuếch đại vài lần Vì radar thích hợp để định vị vật khoảng cách xa mà phản xạ khác âm hay ánh sáng yếu không đủ để định vị Tuy nhiên, sóng radio khơng truyền xa mơi trường nước, đó, mặt biển, người ta khơng dùng radar để định vị mà thay vào máy sonar dùng siêu âm Để đo khoảng cách, radar xung sử dụng nguyên lý sau: dùng sóng điện từ siêu cao tần (sóng radio) phát vào khơng gian dạng xung radio thu lại sóng phản xạ từ mục tiêu trở Cơng thức tính: đó: - D: khoảng cách từ radar đến mục tiêu - C: tốc độ truyền sóng (3*108 m/s) - t: thời gian truyền sóng (đi phản xạ trở về) Tính chất sóng radio:  Lan truyền khơng gian theo đường thẳng 3|Page  Tốc độ lan truyền không đổi: C = 3*108 m/s  Mang lượng lớn, gặp mục tiêu phản xạ trở Mô tả nguyên lý chung radar theo sơ đồ khối: Diễn giải: máy phát tạo xung điện từ siêu cao tần, qua chuyển mạch, tới anten, xạ vào không gian Xung radio gặp mục tiêu phản xạ trở về, qua mạch vào máy thu, qua khuếch đại sửa đổi tín hiệu cho ta tín hiệu quan sát hình 1.3 Sự phản xạ Đặc trưng vật lý cho khả mà vật phản xạ hay tán xạ sóng radio diện tích phản xạ hiệu dụng Sóng điện từ phản xạ (tán xạ) từ bề mặt nơi có thay đổi lớn số điện môi hay số nghịch từ Có nghĩa chất rắn khơng khí hay chân không, thay đổi định mật độ nguyên tử vật thể với môi trường ngồi, phản xạ sóng radar Điều đặc biệt với vật liệu dẫn điện kim loại hay sợi cacbon, làm cho radar đặc biệt thích hợp để định vị máy bay hay tàu thuyền Các vật liệu hấp thụ radar, gồm có chất có điện trở có từ tính, dùng thiết bị quân để giảm phản xạ radar, giúp cho chúng khó bị phát radar Phương pháp kỹ thuật sóng vơ tuyến tương đương với việc sơn vật thể màu tối sóng ánh sáng Sóng radar tán xạ theo nhiều cách phụ thuộc vào tỷ lệ kích thước vật thể tán xạ với bước sóng sóng radio hình dạng vật Nếu bước sóng ngắn nhiều so với kích thước vật, tia sóng dội lại tương tự tia sáng phản chiếu gương Nếu bước sóng lớn so với kích thước vật, vật thể bị phân 4|Page cực, giống ăngten phân cực Điều miêu tả tượng tán xạ Rayleigh (một hiệu ứng làm bầu trời có màu xanh lam) Khi tia có cường độ có tượng cộng hưởng Bước sóng radar ngắn độ phân giải hình ảnh radar rõ Tuy nhiên sóng radar ngắn cần nguồn lượng cao định hướng, chúng dễ bị hấp thụ vật thể nhỏ (như mưa sương mù ), không dễ dàng xa sóng có bước sóng dài Các radar hệ dùng sóng có bước sóng lớn mục tiêu nhận tia phản hồi có độ phân giải thấp đến mức không nhận diện được, trái lại hệ thống đại sử dụng sóng ngắn (vài xentimét hay ngắn hơn) họa lại hình ảnh vật nhỏ bát cơm hay nhỏ Sóng radio phản xạ từ bề mặt cong hay có góc cạnh, tương tự tia sáng phản chiếu từ gương cầu Ví dụ, tia sóng radio ngắn, hai bề mặt tạo góc 90° có khả phản chiếu mạnh Cấu trúc bao gồm mặt phẳng gặp góc, góc hình hộp vng, ln phản chiếu tia tới trực tiếp trở lại nguồn Thiết kế áp dụng cho vật phản chiếu góc dùng làm vật phản chiếu với mục đích làm vật khó tìm trở nên dễ dàng định dạng, thường tìm thấy tàu để tăng dị tìm tình cứu nạn giảm va chạm Cùng lý đó, để tránh việc bị phát hiện, người ta làm cho bề mặt có độ cong thích hợp để giảm góc tránh bề mặt góc vng góc với hướng định vị Các thiết kế kiểu thường dẫn đến hình dạng kỳ lạ máy bay tàng hình Các thận trọng khơng hồn tồn loại bỏ phản xạ gây nhiễu xạ, đặc biệt với bước sóng dài Để giảm tín hiệu phản xạ, máy bay tàng hình tung thêm mảnh kim loại dẫn điện có chiều dài nửa bước sóng, gọi miếng nhiễu xạ, có tính phản xạ cao không trực tiếp phản hồi lượng trở lại nguồn 1.4 Phân cực Sự phân cực thể hướng dao động sóng; với sóng điện từ, mặt phẳng phân cực mặt phẳng chứa vector dao động từ trường Radar sử dụng sóng radio phân cực ngang, phân cực dọc, phân cực tròn tùy theo ứng dụng cụ thể để định vị tốt loại phản xạ Ví dụ, phân cực trịn dùng để làm giảm thiểu độ nhiễu xạ tạo mưa Sóng phản xạ bị phân cực phẳng thường cho biết 5|Page sóng dội lại từ bề mặt kim loại, giúp radar tìm kiếm vượt trở ngại mưa Các sóng radar có tính phân cực ngẫu nhiên thường cho biết bề mặt phản xạ đất đá, sử dụng radar cho tàu bè 1.5 Hiện tượng nhiễu sóng Hệ thống radar phải vượt qua số nguồn sóng khác để tập trung mục tiêu thật Các sóng làm nhiễu bắt nguồn từ nguồn bên bên ngoài, gồm chủ động bị động Khả vượt qua sóng khơng mong đợi định nghĩa tỉ số tín hiệu nhiễu (signal-to-noise ratio hay SNR) Trong môi trường nhiễu, tỉ số SNR lớn, hệ thống radar dễ định vị vật 1.6 Nhiễu Sóng nhiễu ln phát kèm theo tín hiệu từ nội nguồn sóng, thường gây thiết kế điện tử khơng thực đồng sử dụng linh kiện điện tử chưa tối ưu Nhiễu chủ yếu xuất sóng dội nhận từ đầu thu vào thời điểm thật khơng có sóng radar nhận Vì thế, hầu hết nhiễu xuất đầu thu nỗ lực để giảm thiểu yếu tố tập trung thiết kế đầu thu Để lượng hóa độ nhiễu, người ta đưa số nhiễu, tỷ số cường độ sóng nhiễu thu đầu nhận so với đầu nhận lý tưởng Chỉ số cần giảm thiểu 1.7 Bước sóng Tên Dải tần số Bước sóng Ghi hệ thống radar ven biển, đường chân HF 3–30 MHz 10–100 m trời,over-the-horizon radar (OTH), VHF 30–300 MHz 1–10 m P < 300 MHz >1m UHF 300–1000 MHz 0.3–1 m L 1–2 GHz 15–30 cm S 2–4 GHz 7.5–15 cm 'high frequency' phạm vi dài, xâm nhập, xâm nhập mặt đất, 'very high frequency' HF + VHF cảng báo sớm tên lửa đạn đạo, 'ultra high frequency' kiểm sốt khơng lưu giám sát, 'long' kiểm sốt khơng lưu, tầm xa thời tiết, radar hàng hải, 'short' 6|Page truyền hình vệ tinh, X S, C 4–8 GHz 3.75–7.5 cm kiêm dân quân sự, thời tiết, theo dõi tầm xa radar dẫn hướng tên lửa, radar biển, thời tiết, đồ giám sát mặt đất; Mỹ thu hẹp phạm vi 10,525 GHz ± X 8–12 GHz 2.5–3.75 cm 25 MHz sử dụng cho radar sân bay; theo dõi phạm vi ngắn Đặt tên X band tần số bí mật Ku 12–18 GHz 1.67–2.5 cm TC2 Độ phân giải cao, sử dụng cho thu vệ tinh Từ Kurz Đức, có nghĩa 'ngắn'; hạn chế sử dụng hấp thụ nước, Ku Ka sử dụng thay cho giám sát K-band K 18–24 GHz 1.11–1.67 cm sử dụng để phát đám mây, khí tượng học, cảnh sát để phát người lái xe tốc độ Súng radar K-band hoạt động 24,150 ± 0,100 GHz lập đồ, tầm ngắn, giám sát sân bay; tần số K (thêm 'a') Ka 24–40 GHz 0.75–1.11 cm ảnh radar, sử dụng để kích hoạt máy ảnh mà chụp ảnh biển số xe ô tô chạy đèn đỏ, hoạt động 34,300 ± mm 40–300 GHz 1.0–7.5 mm V 40–75 GHz 4.0–7.5 mm W 75–110 GHz 2.7–4.0 mm 0,100 GHz Millimetre band, Các dải tần số phụ thuộc vào kích thước ống dẫn sóng hấp thụ mạnh ơxy khí quyển, tiếng vang 60 GHz Được sử dụng cảm biến hình ảnh cho xe thử nghiệm tự động, 7|Page độ phân giải cao quan sát khí tượng, hình ảnh 8|Page CHƯƠNG KỸ THUẬT SAR 2.1 Giới thiệu Viễn thám radar hệ thống chủ động, cảm chủ động phát thu nhận lượng tán xạ ngược vùng sóng siêu cao tần Viễn thám radar hoạt động với hệ thống anten cố định lắp đặt máy bay vệ tinh viễn thám Nguyên tắc hoạt động hệ thống mô tả hình Do việc thu nhận liệu ảnh radar theo phương xiên, ảnh radar có số đặc trưng hình học riêng biệt: đặc trưng biến dạng tỷ lệ ảnh chụp nghiêng, đặc trưng xê dịch vị trí điểm ảnh chênh cao địa hình, thị sai ảnh, đốm ảnh, biến đổi độ sáng ảnh Độ phân giải ảnh radar đặc trưng độ phân giải phương vị (độ phân giải dọc theo hướng bay – Azimuth) độ phân giải theo hướng thu phát tín hiệu (độ phân giải ngang với hướng bay – Range) Độ phân giải theo hướng thu phát tín hiệu khả phân cách đối tượng không gian nằm gần theo hướng tầm Nó xác định chiều dài xung lượng sóng radar truyền góc nhìn (góc tới) Trong đó: R(x) độ phân giải theo hướng thu phát tín hiệu, τ thời gian cho độ dài xung, θd góc hạ Độ phân giải theo phương vị phụ thuộc vào chiều dài anten Anten dài hơn, bước sóng ngắn độ phân giải cao Ví dụ, để đạt độ phân giải theo phương vĩ 10 m với dải băng C (bước sóng λ = 5.6 cm) từ vệ tinh có độ cao 800 km chiều dài anten đòi hỏi phải km, điều 9|Page Để khắc phục nhược điểm hay để nâng cao độ xác việc thu nhận ảnh có độ phân giải cao, người ta sử dụng hệ thống radar độ mở tổng hợp (SAR - Synthetic Aperture Radar) Trong hệ thống Radar, SAR thường sử dụng lĩnh vực viễn thám Radar độ tổng hợp (SAR - Synthetic Aperture Radar) kỹ thuật cho phép thu ảnh với độ phân giải cao từ anten nhỏ, kỹ thuật thể tiến vượt bậc xử lý tín hiệu số SAR hệ thống thu ảnh gi lại thông tin pha cường độ tín hiệu sóng phản xạ tất đối tượng nằm độ phân giải pixel tương ứng mặt đất Thông tin ảnh SAR bao gồm ma trận thể giá trị tổng hợp (giá trị phức), chúng gồm thành phần biên độ A pha Ф Biên độ cung cấp thông tin mức độ gồ ghề bề mặt đối tượng phản xạ, pha bao gồm phần xung tán xạ phần truyền qua chứa đựng thông tin hữu ích bề mặt hướng đường truyền xung Nếu có hai ảnh SAR phủ vùng diện tích khác chút vị trí thu nhận, giá trị pha ảnh đem trừ giá trị pha ảnh để có độ lệch pha ảnh SAR Ảnh chứa độ lệch pha gọi ảnh giao thoa Giá trị lại độ lệch pha từ ảnh so với ảnh Kỹ thuật dựa độ lệch pha để tính tốn gọi kỹ thuật SAR giao thoa (SAR - SAR interferometry) Kỹ thuật dựa việc loại bỏ khoảng giao thoa trùng hai ảnh giao thoa để tạo khoảng giao thoa cuối thể thay đổi bề mặt gọi kỹ thuật SAR vi phân Các vệ tinh SAR bao gồm vệ tinh ERS-1 ERS-2, RADARSAT, JERS-1, ALOS, ENVISAT, 2.2 Ảnh vệ tinh SAR 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 khoảng 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 10 | P a g e đươc khu vực lớn, tạo điều kiện tốt cho ứng dụng giao thoa SAR Dữ liệu thử nghiệm thứ hai sử dụng ảnh ENVISAT, vệ tinh thám sát trái đất lớn so với hệ trước, phóng vào qũy đạo năm 2002 Vệ tinh mang gồm 10 cảm biến quang học rada, nhằm tiếp tục sứ mệnh thám sát bề mặt trái đất, khí quyển, đại dương băng trơi phục vụ giám sát môi trường quản lý tài nguyên thiên nhiên Các cảm biến cung cấp liệu hữu ích đáp ứng nhu cầu cho nghiên cứu khoa học ứng dụng thương mại ASAR (Advanced Synthetic Aperture Radar) cảm biến SAR lớn nhất, hoạt động tần số C-band, thiết kế nhằm thay cho ERS-2 Tuy nhiên, khả độ bao phủ, góc nhìn, phân cực kiểu vận hành cải tiến đáng kể so với ERS-2 Envisat có qũy đạo đồng mặt trời, độ cao bay 800 km, chu kỳ lặp 35 ngày Các mục tiêu Envisat ASAR:  Cung cấp tiếp khả thám sát mặt đất sứ mệnh ERS  Cải tiến sứ mệnh ERS, tập trung cho sứ mệnh nghiên cứu đại dương băng trôi  Mở rộng nhiều tham số thám sát, phục vụ cho nhu cầu nghiên cứu tham số tác động mơi trường  Tạo đóng góp quan trọng cho nghiên cứu mơi trường, tập trung lĩnh vực hóa khí quyễn đại dương Kĩ thuật SAR Kỹ thuật SAR cơng nghệ xử lý tín hiệu liên kết hai ảnh ghi nhận hai thời điểm khác khu vực để tạo thành pha giao thoa Pha giao thoa bao gồm pha địa hình, pha tham chiếu pha biến động Vì để xác định biến đổi địa hình ta cần phải tìm cách để tách riêng pha biến động Có số phương pháp để tách riêng pha biến động (hay gọi pha dịch chuyển địa hình) ví dụ phương pháp Two-pass, 11 | P a g e Three-pass hay Four-pass Phương pháp Two-pass sử dụng DEM cặp ảnh giao thoa (thời điểm trước biến động thời điểm sau biến động), phương pháp Threepass phương pháp sử dụng ảnh thời kỳ khác có hai ảnh tạo thành cặp giao thoa dùng để tạo DEM, phương pháp Fourpass sử dụng ảnh thời điểm khác Trong phần thực nghiệm sử dụng phương pháp SAR vi phân Three-pass Radar giao thoa (SAR) kỹ thuật xử lý tín hiệu số từ ảnh SAR (hoặc nhiều hơn) chụp khu vực thời điểm khác SAR hoạt động dựa nguyên tắc chiết tách độ lệch pha hai ảnh chụp khu vực vị trí khác để xác định chênh lệch độ dài đường truyền sóng radar Sự chênh lệch độ dài đường truyền sóng radar có liên quan đến thơng số quan trọng độ cao địa hình, biến dạng bề mặt trái đất nhiễu khí (Goldstein et al., 1988) Hình minh họa cấu trúc hình học kỹ thuật SAR Hai hệ thống radar S1 (Master) S2 (Slave) chủ động phát sóng xuống khu vực mặt đất B khoảng cách anten hay gọi đường đáy (Baseline), θ góc tới (góc nhìn), r1 r2 cự ly nghiêng từ anten tới điểm P mặt đất α góc tạo đường đáy đường chân trời Nếu khơng có biến dạng bề mặt xảy 12 | P a g e hai hệ thống thu nhận ảnh radar, giá trị pha ghi nhận Ф1 Ф2 ảnh chụp từ hai hệ thống radar điểm P xem tương đương với tổng thành phần khác Trong đó: đại lượng gây chậm (trễ) pha khoảng cách đường truyền 2r1 2r2 từ cảm biến S1 S2 đến mục tiêu P mặt đất phản xạ ngược lại Фatm1 Фatm2 đại lượng hiệu chỉnh pha thay đổi điều kiện khí hai lần nhận ảnh  Фscat1 Фscat2 hệ số tán xạ tương tác sóng radar với thành phần tán xạ phức tạp bề mặt  Hệ số nhiễu phụ Фnoise Giả sử hai ảnh chụp điều kiện khí sóng phản xạ ngược trở lại đối tượng mặt đất nhau, Фatm1 = Фatm2 Фscat1 = Фscat2, giá trị pha giao thoa viết sau: Trong δr độ lệch thay đổi theo phương xiên (Light of sight - LOS) r1 r2 Áp dụng định luật cosin cho tam giác S1S2P, có: Từ phương trình (5), ta có: 13 | P a g e Với r1 + r2 ≈ 2r1 r1>> B, từ phương trình (6) có phương trình gần sau: Khi đó, phương trình (4) trở thành: Đạo hàm phần pha theo r ta được: Từ công thức ta thấy độ lệch pha phụ thuộc vào yếu tố: thành phần vng góc đường đáy B B   cos( )   đạo hàm góc tới theo r (  / r ), đường đáy trực giao ln thay đổi theo độ xiên góc tới ảnh SAR khác Sự thay đổi góc tới thường tăng lên với độ nghiêng hướng quét,  / r >0 Tuy nhiên, độ dốc địa hình lớn góc tới, việc tăng góc tới khơng tạo độ nghiêng hướng quét (Price and Sandwell, 1998) Để thấy mối quan hệ pha giao thoa với địa hình, xem xét điểm P0 nằm vị trí phương với điểm P mặt elipxoit tham chiếu Áp dụng định luật 14 | P a g e cosin cho tam giác S1PO Hình , góc tới θ cho điểm P mặt đất biểu diễn sau: Trong hình trên, r khoảng cách nghiêng từ cảm biến S1 đến điểm P, H khoảng cách từ cảm biến S1 đến tâm trái đất x khoảng cách từ điểm P đến tâm trái đất, x0 bán kính trái đất elipxoit tham chiếu, θ0 góc tới Khi đó, sử dụng định luận cosin tìm ra: Sử dụng công thức (11) (8), tính pha giao thoa  theo điểm P0, gọi pha phẳng (flat earth phase) sau: Khoảng cách thực tế x ln lớn bán kính elipsoid tham chiếu x0, độ lệch x x0 cung cấp giá trị độ cao hình học Pha ảnh hưởng địa hình thực tế ф(x) triển khai theo dãy số Taylor theo x0: Số hạng thứ pha phẳng cho phương trình (12), giá trị số hạng thứ hai nhận từ phương trình (8) (10) Từ phương trình (8), có: Và từ phương trình (10), có: Thay phương trình (15) (16) vào phương trình (14), có độ cao h từ elipsoid tham chiếu: 15 | P a g e 2.4 Quy trình xử lí ảnh SAR Để tiến hành xử lý theo kỹ thuật SAR, cần phải có hai ảnh SAR có độ tương quan tốt Căn để lựa chọn ảnh thích hợp chủ yếu dựa chiều dài đường đáy (khoảng cách hai ăng ten chụp ảnh khoảng thời gian hai lần chụp), điều kiện thời tiết Chiều dài đường đáy chọn phụ thuộc vào ứng dụng độ phân giải liệu Chẳng hạn, ảnh ERS-1 ERS-2, chiều dài đường đáy từ 150 m - 300 m thích hợp cho việc xây dựng mơ hình số độ cao; từ 30 m - 50 m phù hợp cho ứng dụng phát biến dạng bề mặt khoảng m phù hợp cho nghiên cứu chuyển động bề mặt biến dạng lớp vá trái đất, chuyển động địa chất, chuyển động băng trôi,… Mặt khác, khoảng thời gian thu nhận hai ảnh không lớn nhằm tránh tương quan Trong kỹ thuật này, ảnh coi ảnh chủ (ảnh Master), ảnh lại ảnh phụ thuộc (ảnh Slave) Quy trình công nghệ thành lập DEM từ cặp ảnh radar giao thoa thể hình trên, trình tự bước thực tiến hành sau: Bước 1: Đăng ký ảnh Mục đích việc đăng ký ảnh tìm điểm ảnh tên ảnh radar (Master Slave) 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 16 | P a g e 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, lọc bỏ pha phẳng nhiễu, tạo ảnh tương quan Sau tiến hành đăng ký ảnh, ta sử dụng thành phần pha cặp ảnh Sar để tạo ảnh giao thoa Pha giao thoa tạo ngồi pha chênh cao địa hình cịn có pha ảnh hưởng nhiễu pha độ cong trái đất, cần lọc, loại bỏ ảnh hưởng Việc tính tốn độ tương quan hai ảnh nhằm xác định đối tượng hai ảnh có bị thay đổi khoảng thời gian định hay khơng Từ đưa giới hạn độ lệch pha ảnh để đảm bảo độ xác cho việc giải mở pha sau 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 17 | P a g e độ ảnh giao thoa đo lường mức độ tương quan chéo ảnh 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 Đây bước then chốt, giúp xác định số chu kỳ bị trình tạo pha giao thoa 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 18 | P a g e bị then chốt cho nghiên cứu biến dạng, thành lập mơ hình độ cao số, thành lập đồ địa hình,… Nhiều thuật tốn 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 SAR ToolKit sử dụng thuật toán này) Bước 4: Tạo DEM Geocoding Sau xác định số chu kỳ bị đi, kết hợp với giá trị pha giao thoa thông số khác cạnh đáy ảnh B, bước sóng λ góc tới để tính 19 | P a g e độ cao cho điểm, từ xây dựng DEM DEM thành lập có độ cao so với mặt Elipsoid, phải sử dụng mơ hình dị thưởng độ cao EGM96 để tính chuyển độ cao so với mặt Geoid 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 Để đánh giá độ xác DEM thành lập từ cặp ảnh radar giao thoa, tác giả có sử dụng DEM thành lập từ cặp ảnh lập thể hàng không (DEM nội suy tự động biên tập trạm đo ảnh số Intergraph) Hình ảnh 2D 3D DEM thể Hình Hai mặt cắt khu vực đồng khu vực đồi núi sử dụng để đánh giá chất lượng DEM SAR (Bảng 2) Kết cho thấy độ xác DEM SAR đạt độ xác cao khu vực đồi núi đồng Tuy nhiên, khu vực đồi núi khác biệt DEM SAR DEM lập thể lớn khu vực đồng bằng, điều giải thích chất lượng DEM SAR phụ thuộc vào giá trị tương quan ảnh, khu vực có tương 20 | P a g e quan tốt cho DEM có chất lượng tốt so với khu vực có tương quan thấp Khu vực đồng có tương quan cao yếu tố bề mặt thay đổi (nhà cửa, đường xá, ), khu vực đồi núi có tương quan thấp yếu tố bề mặt chủ yếu thực phủ (rừng), chênh cao địa hình lớn, khuất núi Ngồi ra, độ xác kết phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác cảm biến thu nhận ảnh, 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 21 | P a g e PHẦN KẾT LUẬN 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 (địi hỏi độ xác đến 1/10 pixel) Chất lượng DEM 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 DEM có chất lượng tốt so với khu vực có tương quan thấp Kết 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 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 thoa tán xạ cố định), kỹ thuật Sar Tomography… Do khoảng thời gian kiến thức cịn hạn hẹp, nhóm có phần hạn chế với đề tài Mong thầy nhóm đóng góp ý kiến để đề tài thêm hồn thiện Nhóm xin chân thành cảm ơn! 22 | P a g e 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) [6] Lê Văn Trung, Hồ Tống Minh Định Văn Công Quốc Anh The Ability of Application of ERS SAR images in Generating DEM using InSAR technique The 16th APEC Workshop on Ocean Models and Information System for the APEC Region (2005) 23 | P a g e ... cao số (DEM) sử dụng phổ biến để thể địa hình Trong đề tài này, nhóm xin trình bày hệ thống SAR, từ lí thuyết đến mơ hình thực đưa đánh giá thông qua so sánh với ảnh vệ tinh Suốt khoảng thời gian... từ anten tới điểm P mặt đất α góc tạo đường đáy đường chân trời Nếu khơng có biến dạng bề mặt xảy 12 | P a g e hai hệ thống thu nhận ảnh radar, giá trị pha ghi nhận Ф1 Ф2 ảnh chụp từ hai hệ thống. .. diễn sau: Trong hình trên, r khoảng cách nghiêng từ cảm biến S1 đến điểm P, H khoảng cách từ cảm biến S1 đến tâm trái đất x khoảng cách từ điểm P đến tâm trái đất, x0 bán kính trái đất elipxoit