Đánh giá chất lượng ảnh viễn thám quang học của Việt Nam theo tiêu chuẩn SNR và MTF

Thiết bị thu nhận ảnh và chất lượng ảnh

Ví dụ khi nói độ phân giải của VNREDSat-1 Pan là 2,5m có nghĩa là chiếu hình của một phần tử cảm biến trên bề mặt đất thông qua hệ thống quang học của vệ tinh là 2,5m, vết của phần tử cảm biến trên mặt đất trên mặt đất phụ thuộc vào trường nhìn tức thời (IFOV) của thiết bị chụp ảnh. Tuy nhiên, cũng có thể phát hiện vật thể có độ tương phản cao nhỏ hơn IGFOV nếu biên độ tín hiệu của nó đủ lớn để ảnh hưởng đáng kể đến giá trị thang độ xám của điểm ảnh đó (ví dụ: con đường có chiều rộng nhỏ hơn nhiều so với 15 m nhưng vẫn có thể được nhìn thấy trên ảnh Landsat 8_OLI).

Thông số đánh giá chất lượng ảnh

Hai thông số này được áp dụng để hiệu chỉnh dữ liệu trước khi đánh giá tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR).  Hiệu chỉnh bức xạ tương đối: Quá trình định lượng sự thay đổi hồi đáp bức xạ trong mỗi bộ cảm so với nhau được gọi là hiệu chỉnh đo bức xạ tương đối. Trong tình huống lý tưởng, mỗi bộ cảm của hệ thống chụp ảnh phải cho cùng một đầu ra chính xác khi chúng được tiếp xúc với cùng một lượng bức xạ điện từ. Tuy nhiên, trạng thái lý tưởng không tồn tại do sự thay đổi nhỏ trong quá trình chế tạo, sự thay đổi về hệ số tăng ích và độ lệch điện tử, và sự khác biệt về quang phổ và hồi đáp tuyến tính. Do đó, mỗi bộ cảm trong một hệ thống hình ảnh mảng tuyến tính thể hiện các hành vi khác nhau, gây ra các hiện tượng sọc trong dữ liệu ảnh được chụp [53]. Để giải quyết các vấn đề nêu trên, nhiều phương pháp đã được sử dụng để loại bỏ yếu tố này ở mức cảm biến. Chúng có thể được phân thành hai loại: i) trên vệ tinh và ii) phương pháp dựa trên đối tượng trên bề mặt trái đất [69]. Trong trường hợp hệ thống thu nhận ảnh của vệ tinh viễn thám quang học, ngoài hệ thống quang học còn có hệ thống điện tử xử lý tín hiệu, đồng thời MTF còn chịu ảnh hưởng của các yếu tố khác như vận động của vệ tinh, hay sol khí khi chụp đối tượng trên bề mặt Trái đất, thậm chí do chính bản thân các cảm biến,.

Phương pháp đánh giá tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR)

Nguyên lý của viễn thám quang học là sử dụng năng lượng thu được từ các đối tượng để tạo ra dữ liệu ảnh, tuy nhiên, theo thời gian hiệu năng của các cảm biến sẽ bị thay đổi, do vậy nếu so sánh các kết quả đánh giá SNR với các dữ liệu ảnh khác nhau tức là có giá trị bức xạ khác nhau và thời điểm chụp khác nhau là chưa hợp lý và chưa thể đảm bảo tính khách quan cũng như phản ánh chính xác tình trạng của thiết bị chụp ảnh. Trên cơ sở đó, hiện nay có khá nhiều phương pháp đánh giá SNR được thực hiện như độ lệch chuẩn cục bộ, tương quan không gian và phổ, địa thống kê, biểu đồ bán phương sai, và mạng nơ-ron nhân tạo; hay các phương pháp thực nghiệm và chỉnh sửa như độ lệch chuẩn cục bộ chiết tách cạnh, chiết tách dạng sóng Gauss, tương quan chiết tách cạnh và kích thước không gian; hay dựa vào thiết bị trên vệ tinh [41].

Phương pháp đánh giá hàm truyền điều biến (MTF) .1 Phương pháp dựa trên bãi kiểm định

Phương pháp thứ hai để khắc phục việc lấy không đủ mẫu là kết hợp các ảnh với các vị trí khác nhau trên lưới lấy mẫu để tái tạo lại PSF được tăng tần số lấy mẫu, từ đó có thể tính được MTF không bị ảnh hưởng từ hiệu ứng răng cưa. Tuy nhiên việc áp dụng trực tiếp phương pháp độ phân giải hai chiều bị đánh giá là ước tính quá cao MTF do hiệu ứng nhiễu răng cưa, điều này đã được các nhà khoa học khác cảnh báo và xác nhận trong các nghiên cứu trước đây [47,45].

Phương pháp đánh giá chất lượng ảnh thích hợp với điều kiện của Việt Nam .1 Điều kiện thực tế của Việt Nam

Hiện nay, viện Công nghệ vũ trụ có công cụ đánh giá chất lượng ảnh VNREDSat-1 được phát triển trên phần mềm MATLAB, được sử dụng để đánh giá thông số DS, PRNU; bên cạnh đó, nhóm nghiên cứu của tác giả Nghiêm Văn Tuấn, Cục Viễn thám quốc gia cũng đã phát triển công cụ đánh giá chất lượng ảnh viễn thám quang học trên nền tảng mã nguồn mở, được sử dụng để đánh giá các thông số DS, PRNU, SNR, MTF, dải động bức xạ, độ phân giải không gian, và hiệu chỉnh thông số DS, PRNU trong trường hợp cần thiết. Để tính toán MTF, có nhiều phương pháp được đưa ra từ việc dựa trên các thuật toán như độ phân giải kép, hay dựa vào các thiết bị đặc trưng trên vệ tinh, cho đến sử dụng các bãi kiểm định trên mặt đất; với sự phát triển như hiện nay, đã xuất hiện một số nghiên cứu tính toán MTF sử dụng phương pháp học máy nhưng vấn đề còn hạn chế chính là bộ mẫu cần thiết để triển khai rộng rãi phương án này.

Quy trình hiệu chỉnh bức xạ

Sự không đồng nhất thường được mô tả bằng cách coi sự hồi đáp của điểm ảnh gồm ba phần chính là: thành phần tần số thấp, có liên quan đến phần quang học của hệ thống tạo ra sự giảm bức xạ "tự nhiên" từ tâm đến rìa của mặt phẳng tiêu điểm; đóng góp chuỗi. Để đánh giá chất lượng phổ của thiết bị thu nhận ảnh, giá trị PRNU sau khi tích hợp được so sánh với tệp giá trị PRNU chuẩn, được ghi trong tập định dạng CPF do nhà sản xuất thiết bị quang học trên vệ tinh cung cấp hoặc tệp giá trị PRNU được tính toán trong chu kỳ đánh giá trước.

Quy trình đánh giá chất lượng ảnh qua thông số SNR

Tuy nhiên, trong các bài toán xử lý ảnh, nhất là đối với dữ liệu ảnh có độ tương phản cao, nhiều hệ thống xử lý ảnh đồng nhất nền ảnh với màu đen tuyệt đối, từ đó đưa giá trị độ lệch trung bình nền ảnh σbg về 0, dẫn đến đưa giá trị SNR lên lớn vô cùng. Sau khi tính toán giá trị SNR cho các kênh ảnh và so sánh với giá trị thiết kế ban đầu, nếu cao hơn thì có thể sản xuất ra sản phẩm ảnh mức 1A tại khu vực chụp các bãi kiểm định để phục vụ bước đánh giá tiếp theo, trong trường hợp nếu giá trị SNR vẫn thấp hơn giá trị thiết kế thì không sử dụng dữ liệu.

Quy trình đánh giá chất lượng ảnh qua thông số MTF

Dữ liệu ảnh mức 1A (bãi kiểm định). Dữ liệu mức 1A sau đánh giá SNR đạt yêu cầu để đảm bảo tính đồng nhất của các ô mẫu đen trắng sẽ được dùng làm dữ liệu đầu vào cho việc đánh giá MTF. Các dữ liệu để đánh giá thông số MTF được sử dụng trong nghiên cứu là dữ liệu VNREDSat-1, mức 1A, chụp bãi kiểm định tại Buôn Ma Thuột, tỉnh Đắk Lắk, Việt Nam. Ngoài ra các dữ liệu khu vực bãi kiểm định Salon de Provence, cộng hòa Pháp [60] để đánh giá quá trình hoạt động của vệ tinh, dữ liệu được thu thập liên tục từ năm 2015 đến nay. Các dữ liệu này được liệt kê trong bảng 3.1 dưới đây. Giá trị ngưỡng MTF. kiểm định). Dữ liệu ảnh VNREDSat-1 có độ phân giải không gian tối đa là 2,5m đối với kênh toàn sắc và có khả năng tăng cường chất lượng ảnh bằng cách trộn dữ liệu toàn sắc và dữ liệu đa phổ (độ phân giải không gian 10m) để thu được dữ liệu ảnh có độ phân giải không gian cao (2,5m) và mang thêm thông tin về đối tượng được chụp ảnh.

Bãi kiểm định phục vụ công tác đánh giá chất lượng ảnh .1 Bãi kiểm định cố định

Dạng vật chuẩn này có một số kiểu như dạng hình quạt với bán kính khoảng từ 10- 30m, với các rẻ quạt được sơn đen trắng xen kẽ và các phân đoạn nhỏ giữa các rẻ quạt với góc khoảng 1-5°, tùy theo mục đích và độ phân giải của ảnh cần kiểm định; dạng kẻ thành cột song song, mỗi cột chia thành các thang đen-trắng, dạng ô vuông kiểu bàn cờ vua …[35]. Để giảm thiểu ảnh hưởng của sol khí và ảnh hưởng của hơi nước trong khí quyển, các bãi kiểm định thường được đặt ở các khu vực có độ cao lớn, cách xa đại dương, cách xa đô thị và khu công nghiệp (giảm thiểu sol khí do hoạt động của con người).

Hiệu chỉnh bức xạ .1 Hiệu chỉnh DS

Đây là vị trí đã được lựa chọn và sử dụng để đánh giá tín hiệu tối cho nhiều loại vệ tinh viễn thám độ phân giải cao và siêu cao như SPOT6/7, Kompsat,… [37,41] mà nhà sản xuất đã khuyến cáo; tại thời điểm chụp, khu vực không bị ảnh hưởng bởi bất kỳ nguồn sáng. Bộ cảm biến trên vệ tinh được cấu thành từ rất nhiều các cảm biến khác nhau, mặc dù theo thiết kế chúng hoạt động giống hệt nhau; tuy nhiên trong quá trình sản xuất cũng như hoạt động mỗi cảm biến có sự lão hóa và suy giảm khác nhau, điều này dẫn đến việc đáp ứng tín hiệu thu được cũng không giống nhau.

Đánh giá chất lượng ảnh VNREDSat-1 qua thông số SNR

Trước khi dữ liệu được sử dụng để tính toán giá trị SNR đã được hiệu chỉnh DS và PRNU giúp cho tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu được cải thiện đáng kể, do vậy nghiên cứu sinh đề xuất phân chia chất lượng ảnh theo giá trị SNR với hai mức tốt và xấu, với ngưỡng phân chia là giá trị thiết kế ban đầu (SNR=100). Khu vực có nhiều đối tượng đa dạng, không đồng nhất với nhiều cấu trúc khác nhau như khu đô thị lớn thì khó phát hiện hơn , nhưng khu vực đô thị nhỏ hơn như các thị xã, thị trấn có độ đồng nhất khá cao do cấu trỳc nhà tương tự nhau, khụng cú cỏc tũa nhà lớn, bị ảnh hưởng khỏ rừ rệt (xem chi tiết trong phụ lục 6).

Đánh giá chất lượng ảnh VNREDSat-1 qua thông số MTF .1 Đánh giá chất lượng ảnh qua thông số MTF

So sánh phương pháp tính toán MTF đề xuất và của nhà sản xuất VNREDSat-1 Ngay sau khi vệ tinh VNREDSat-1 được đưa lên quỹ đạo, nhà sản xuất vệ tinh đã thực hiện tính toán MTF bằng phương pháp cạnh nghiêng với thuật toán tuyến tính để chiết tách cạnh từ bãi kiểm định tại Salon de Provence vào hai thời điểm 23/5/2013 và 26/5/2013. Đặc biệt là khu vực dân cư nông thôn, các công trình xây dựng thấp, có độ cao tương đương nhau thì độ sắc nét có ảnh hưởng rất lớn đến việc thu thập thông tin chi tiết trong khu vực như ảnh chụp thị xã Giá Rai, tỉnh Bạc Liêu ngày 29/12/2019, mặc dù thời điểm chụp ảnh là mùa khô nhưng với giá trị MTF là 0,2 thì mới có thể tách biệt được những khu dân cư, trong khi giá trị MTF là 0,15 thì phát hiện được các khu dân cư lớn, giá trị MTF là 0,1 chỉ phát hiện đó là khu vực dân cư và những công trình có cấu trúc đặc thù như sân vận động mới có thể xác nhận chính xác (xem minh họa trong phụ lục 6).

Tiểu kết chương 4