Nghiên cứu phương pháp lọc nhiễu dữ liệu ảnh SAR trong phát hiện vết dầu trên biển
MỤC LỤC
Đặc điểm tín hiệu siêu cao tần thu nhận trên biển 1. Cấu trúc bề mặt biển
Khi gió thổi trên biển sẽ tạo ra một luồng không khí hỗn loạn đầu tiên tạo nên các sóng ngắn trên bề mặt biển có bước sóng cm thông qua áp lực ma sát. Sóng biển sẽ phát triển đến khi năng lượng gió cân bằng với năng lượng triệt tiêu bởi sóng, nhiễu loạn không khí và độ nhớt của nước biển.
CƠ SỞ KHOA HỌC PHƯƠNG PHÁP PHÁT HIỆN VẾT DẦU TRÊN BIỂN TỪ ẢNH SAR
Cơ sở khoa học của quá trình phát hiện vết dầu trên biển bằng tư liệu viễn thám siêu cao tần
Ngoài những nguyên nhân gây ô nhiễm dầu đã được xác định như sự cố nổ giàn khoan khai thác dầu, tai nạn do tàu trở dầu… thì theo thống kê của Cơ quan vũ trụ Châu Âu (European Space Agency – 1998) có tới 45% các vụ ô nhiễm dầu xuất phát từ việc xả dầu trái phép của các tầu vận tải trên biển. Đồng thời, việc nghiên cứu xây dựng phương pháp phát hiện vết dầu do việc xúc xả trái phép của các tàu di chuyển trên biển cũng là nội dung nghiên cứu chính của đồ án. Phương pháp nhận dạng và phân biệt giữa vết dầu và các vết nhiễu trên ảnh siêu cao tần có ý nghĩa quyết định khả năng tự động hóa cũng như độ chính xác của phương pháp quan trắc vết dầu trên biển bằng tư liệu ảnh SAR.
Theo nghiên cứu của Cơ quan hàng khụng vũ trụ Chõu Âu thỡ cỏc vệt dầu tràn khụng rừ nguyờn nhõn trờn biển chủ yếu là việc xả dầu trái phép của tàu lưu thông trên biển, chiếm 45% trong các nguồn ô nhiễm dầu trên biển. Tuy nhiên, việc phân tích vết dầu trên ảnh SAR gặp nhiều khó khăn do ảnh hưởng của các điều kiện khí tượng trên biển, đặc tính vật lý, hóa học của vết dầu, thời gian tồn tại của vết dầu trên biển và các vết nhiễu. Ngoài ra, đặc điểm thu tín hiệu của vệ tinh siêu cao tần, kỹ thuật và mức xử lý ảnh tại các trạm thu ảnh vệ tinh cũng có ảnh hưởng đến chất lượng ảnh và khả năng phát hiện vết dầu trên tư liệu.
Những ảnh hưởng trong quá trình phát hiện vết dầu trên biển từ tư liệu ảnh SAR
Ngoài ra, để làm mịn các nhiễu trên ảnh sau khi đã xử lý có thể sử dụng các thuật toán lọc tư liệu ảnh như thuật toán không thích ứng (non-adaptive filter) như Mean (Hình 2 .15), thuật toán Median và các thuật toán lọc thích ứng (adaptive filter) như thuật toán Lee, Kuan, Gamma…Tuy nhiên, đối với việc phát hiện vết dầu trên biển từ tư liệu ảnh SAR đòi hỏi cần xác định được các hình dạng vết dầu dạng mảng và đảm bảo giữ nguyên đường biên của vết dầu trong quá trình xử lý. Xét trên một ảnh thì độ đen cũng như độ tương phản của vết đen với các vùng xung quanh không những phụ thuộc vào đặc tính của bản thân vết đen mà còn phụ thuộc vào yếu tố trong quá trình thu nhận tín hiệu của vệ tinh siêu cao tần như sự khác biệt về chiều dài bước sóng, đặc điểm phân cực và góc tới của tín hiệu sóng siêu cao tần. Để nõng cao được kết quả phân loại đòi hỏi cần xác định được các chỉ số đặc trưng liên quan đến các vết đen trên ảnh SAR như tốc độ gió hiện thời trên bề mặt biển, đặc trưng vật lý của vết đen, thông số hình dạng và vị trí của các vết đen trên ảnh để loại bỏ được các yếu tố nhiễu trong quá trình phân loại.
Chế độ chụp của tư liệu ảnh SAR phục vụ cho việc giám sát và phát hiện sớm ô nhiễm dầu trên biển thường là chế độ chụp diện rộng như tư liệu ERS -1,2 chế độ chụp PRI, tư liệu Radarsat với chế độ chụp ScanSAR Wide, tư liệu Envisat ASAR chế độ chụp WS hoặc WSM và tư liệu ALOS PALSAR với chế độ chụp ScanSAR (Bảng 2 .4). Ngoài ra, tư liệu ảnh SAR cũng cần được xử lý qua các bước như hiệu chỉnh ảnh hưởng của góc tới tín hiệu vệ tinh, xử lý qua nhiều look để loại bỏ ảnh hưởng của nhiễu hạt tiêu và cần đưa về một hệ tọa độ xác định để thuận lợi cho việc tích hợp các dữ liệu thông tin bổ trợ khác như đường bờ, trường sóng, trường gió trên biển…. Năng lượng tán xạ phản hồi chịu sự tác động bởi đặc tính thu nhận tín hiệu của vệ tinh siêu cao tần, dao động của các sóng trên bề mặt biển, hằng số điện môi của nước biển, các tương tác giữa các sóng và dòng chảy trên biển… Ngoài ra độ chính xác của kết quả phân tích vết dầu trên biển bằng tư liệu ảnh SAR chịu ảnh hưởng lớn của tốc độ gió trên bề mặt biển, ảnh hưởng của các vết nhiễu trên biển, đặc điểm của tư liệu viễn thám siêu cao tần, điều kiện khí tượng trên bề mặt biển và đặc tính lý hóa của vết dầu.
PHƯƠNG PHÁP LỌC NHIỄU DỮ LIỆU ẢNH SAR
Phương pháp lọc nhiễu
Khi tất cả các hệ số A,B,..,I bằng 1, P sẽ bằng với tổng số pixel trong cửa sổ, T sẽ là 0 và khi đó giá trị mới của pixel trung tâm sẽ là giá trị trung bình cộng, phép lọc này được gọi là lọc trung bình cộng. Lọc tần số thấp cho ra những dữ liệu ảnh có tần số thấp hơn một ngưỡng được xác định, có thể áp dụng để loại bỏ tần số cao, nhiễu, trong khi lọc tần số cao được sử dụng để loại bỏ các loại nhiễu trong vùng tần số thấp. Trong thực tế có một số toán tử lọc được xác định trước với mục đích tạo ra một số hiệu ứng như tăng cường đường biên, làm sắc nét, làm mịn ảnh..Trong một số phần mềm các toán tử này được chia thành hai nhóm.
Mục đích của bộ lọc này là nhấn mạnh các đối tượng không gian có có tần xuất thấp làm thay đổi mức độ sáng của vùng có diện tích lớn (đất nông nghiệp, diện tích nước ) và giảm các đối tượng có tần suất cao (chi tiết cục bộ). Phép lọc trung bình gắn giá trị số của một pixel bất kỳ DNij bằng việc trung bình hóa các pixel ảnh xung quanh pixel đó theo cửa số động còn được gọi là phép cuốn. Nếu tồn tại hai điều kiện này thì giá trị của pixel tâm ảnh sẽ được gắn do người xử lý bằng không hay gắn gía trị trung bình của tất cả giá trị khuôn mẫu nằm trong khoảng độ lệch.
Nhiễu hạt tiêu trên ảnh SAR
Trong cả hai trường hợp, chúng tôi sẽ phải xác định các thông số bề mặt được sử dụng và xác định ảnh hưởng của các nhiễu đốm trên bề mặt ảnh và do đó tối ưu kết quả đánh giá. Các yếu tố phân tán được lan truyền một cách ngẫu nhiên trên bề mặt (hoặc tán xạ khối trong trường hợp của thực vật, tuyết và đất rất khô) xác định bởi xung tương ứng của bộ cảm biến (hoặc thẩm thấu sóng trong trường hợp tán xạ khối). Điều này sẽ cho phép chúng ta mô tả thống kê một số biến (ví dụ, phản xạ radar, độ dài, sự khác biệt về pha, phân cực hoặc tỷ số kênh, hiệp phương sai phân cực hoặc ma trận Stokes, vv) được sử dụng trong công việc này.
Trong công nghệ này, nhiều ảnh radar cho một vùng được tạo nên bằng việc sử dụng các phần khác nhau của radar tổng hợp, kết quả giống như trung bình hóa ảnh và kết quả là các ảnh được tạo nên có độ mịn hơn. Im = giá trị cường độ trung bình trong cửa sổ lọc S = độ lệch tiêu chuẩn của cường độ trong cửa sổ lọc Trong công thức trên, Cu là hệ số biến đổi nhiễu ước lượng, Ci là hệ số biến đổi ảnh, W là hàm trọng số. Qui chuẩn k=0 giảm ước tính R bởi giá trị trung bình, có thể và nên được áp dụng cho bất kỳ bộ lọc thích ứng bằng cách sử dụng thống kê địa phương với bất cứ giá trị của các yếu tố biến thể thực nghiệm gần kề hệ số nhiễu đốm.
THỬ NGHIỆM LỌC NHIỄU DỮ LIỆU ẢNH SAR
Cơ sở dữ liệu thử nghiệm
Bộ sản phẩm của ERDAS bao gồm các thiết bị phần cứng, phần mềm trong lĩnh vực ảnh địa không gian như đo đạc, xử lý, xây dựng và hiển thị mô hình 3 chiều, lưu trữ và chia sẻ dữ liệu… Hiện ERDAS bổ sung thêm rất nhiều sản phẩm với nhiều tính năng mới tăng cường khả năng xử lý, lưu trữ, hiển thị và phân tích dữ liệu địa không gian. Trong đó modul ERDAS Imagine là Bộ phần mềm chuyên dụng cho xử lý ảnh địa không gian, cho phép khai thác và chiết tách thông tin dễ dàng từ tư liệu ảnh như một chuyên gia thực thụ, không đòi hỏi phải có kinh nghiệm hay trình độ chuyên môn sâu. Để phân tích ảnh hưởng của phương pháp lọc nhiễu trên ảnh SAR tới kết quả phân tích của vết dầu trên biển từ tư liệu ảnh SAR, em tiến hành thử nghiệm phân ngưỡng vết dầu trên ảnh sau khi lọc nhiễu.
Giao diện công cụ Modeler trên phần mềm ERDAS Imagine Sử dụng các công cụ trong Modeler để xây dựng mô hình phân ngưỡng tổng thể trên ảnh SAR sau khi lọc nhiễu và được thể hiện trên Hình 4 .38. Tuy nhiên, độ tin cậy trong phân tích vết dầu trên biển từ tư liệu ảnh SAR chịu ảnh hưởng nhiều vào tốc độ gió trên bề mặt biển, góc tới của tín hiệu của vệ tinh siêu cao tần và đặc tính lý hóa của vết dầu. Phương pháp lọc nhiễu trên tư liệu ảnh SAR phục vụ cho việc phát hiện vết dầu trên biển cần phải loại bỏ được đặc điểm nhiễu hạt tiêu trên ảnh SAR, đồng thời giữ nguyên được hình dạng của vết dầu, không làm mờ đường biên của vết dầu.
