Tuy nhiên, hệ số phản hồi, nhƣ trên đã nói, đƣợc định nghĩa nhƣ tỷ số của năng lƣợng phản hồi trên năng lƣợng tới tính trên một đơn vị diện tích tham chiếu, trong khi đó năng lƣợng tới trong trƣờng hợp ảnh radar đƣợc phát đi từ máy phát tỷ lệ với diện tích trên mặt cắt vng góc với tia nhìn (mặt phẳng gamma) chứ khơng phải với diện tích đƣợc dọi chiếu trên bề mặt địa hình. Để hiệu chỉnh hệ số phản hồi, diện tích phản hồi cũng cần đƣợc xác định trên mặt cắt kể trên. Hai tam giác 𝑇1 𝑇00 − 𝑇10 − 𝑇01 và 𝑇2 𝑇11 − 𝑇10− 𝑇01 , do vậy cần đƣợc chiếu lên mặt phẳng gamma, ta thu đƣợc hai tam giác ký hiệu tƣơng ứng là 𝑃1 𝑃00 − 𝑃10 − 𝑃01 với các cạnh 𝑃00−01, 𝑃00−10, 𝑃01−10 và 𝑃2 𝑃11 − 𝑃10 − 𝑃01 , với các cạnh 𝑃11−01, 𝑃11−10 và 𝑃10−01. Tổng diện tích của hai tam giác ký hiệu bằng:
𝐴𝛾 𝐸, 𝑁 = 𝐴𝑃1 + 𝐴𝑃2 Và có thể tính theo cơng thức Heron bằng:
𝐴𝛾 𝐸, 𝑁 = 1. 1 − 𝑃00−01 . 1 − 𝑃00−10 . 1 − 𝑃01−10 +
Lƣu ý rằng các công thức (2.32), (2.33) xác định tọa độ trên ảnh của điểm trên mơ hình số độ cao cho ta các giá trị không phải là các số nguyên mà là các giá trị thập phân. Điều này có nghĩa là mỗi điểm trên mơ hình số độ cao không trùng hẳn với một điểm mà nằm giữa 4 điểm ảnh và diện tích mà ta vừa xác định đƣợc ở trên, do vậy cần đƣợc phân chia ra cho 4 điểm ảnh này. Từ đó Small đề xuất:
Trƣớc tiên ta ký hiệu tọa độ của 4 điểm xung quanh nhƣ sau: 𝐼𝑟0 = 𝑖𝑛𝑡 𝐼𝑟
𝐼𝑟1 = 𝐼𝑟0 + 1 𝐼𝑎0 = 𝑖𝑛𝑡 𝐼𝑎
𝐼𝑎1 = 𝐼𝑎0 + 1
Trong đó (int) là phép lấy giá trị nguyên của số thập phân.
Diện tích trên mặt phẳng tham chiếu của điểm trên mơ hình số độ cao đƣợc phân chia cho 4 điểm theo trọng số xác định từ khoảng cách tới chúng nhƣ sau: 𝑊𝑟 = 𝐼𝑟 − 𝐼𝑟0 𝑊𝑎 = 𝐼𝑎 − 𝐼𝑎0 𝑊𝑟𝑐 = 1 − 𝑊𝑟 𝑊𝑎𝑐 = 1 − 𝑊𝑎 𝐴𝐼𝑟0,𝐼𝑎0 𝐴𝐼𝑟1,𝐼𝑎0 𝐴𝐼𝑟0,𝐼𝑎1 𝐴𝐼𝑟1,𝐼𝑎1 ← 𝐴𝐼𝑟0,𝐼𝑎0 𝐴𝐼𝑟1,𝐼𝑎0 𝐴𝐼𝑟0,𝐼𝑎1 𝐴𝐼𝑟1,𝐼𝑎1 + 𝑊𝑟 𝑐. 𝑊𝑎𝑐 𝑊𝑟. 𝑊𝑎𝑐 𝑊𝑟𝑐. 𝑊𝑎 𝑊𝑟. 𝑊𝑎 . 𝐴𝛾 𝐸, 𝑁 (2.35) Nhƣ trên đã nói, sau khi duyệt qua tồn bộ các điểm trên mơ hình số độ cao của khu vực, mỗi phần tử của ma trận 𝐴𝛾 sẽ chứa giá trị hình chiếu trên bề mặt tham chiếu của tồn bộ diện tích có đóng góp năng lƣợng phản hồi cho điểm ảnh tƣơng ứng nên có thể sử dụng để hiệu chỉnh ảnh theo công thức tƣơng tự nhƣ công thức (2.12) ở trên:
𝛾𝑇0 𝑟, 𝑎 = 𝐾𝛾. 𝛽 0.𝐴𝛽
Trong đó 𝐾𝛾 là hệ số nhằm tính đến sự khác biệt giữa độ phân giải của ảnh và của mơ hình số độ cao.
2.4 Lọc nhiễu ảnh radar
2.4.1 Nguyên nhân gây nhiễu ảnh radar
Nhiễu muối tiêu (speckle) là một trong những đặc điểm cố hữu luôn tồn tại trên ảnh radar. Nguyên nhân là do tính cố kết (coherence) của nguồn bức xạ sử dụng và sự xuất hiện của vô số vật tán xạ phân bố ngẫu nhiên trong phạm vi một phần tửảnh. Sự chênh lệch về khoảng cách giữa chúng đến radar dẫn tới sự lệch pha giữa các bức xạ phản hồi. Kết quả là bức xạ tổng hợp rất bất định, nên hai điểm ảnh liền kề mặc dù có thể thuộc cùng một loại hình lớp phủ nhƣng có giá trị rất khác nhau (hình 2.7).
Hình 21.7: Nguyên nhân nhiễu speckle trên ảnh radar
2.4.2 Các phép lọc chuyên dụng cho ảnh radar
Về nguyên tắc để xử lý nhiễu trên ảnh radar cũng có thể áp dụng các lọc thơng tần thấp thơng dụng nhƣ các lọc trung bình trƣợt hay trung vị, là những lọc đa năng độc lập với các mơ hình tốn học mơ tả nhiễu. Tuy nhiên do tính chất nghiêm trọng của nhiễu trên ảnh radar và căn cứ vào những đặc điểm riêng của chúng, nhiều lọc chuyên dụng đã đƣợc thiết kế để áp dụng riêng cho các ảnh radar. Dƣới đây ta sẽ xét cụ thể 1 số lọc đặc trƣng nhất thuộc nhóm này.
Lọc Frost
Lọc Frost sử dụng một ma trận trọng số không cố định mà thay đổi tùy thuộc vào các giá trị thống kê cục bộ của ảnh, đƣợc tính trong phạm vi mỗi cửa sổ bằng chính kích thƣớc của lọc và có tâm chính là điểm đích hiện xét. Nói một cách cụ thể hơn các phần tử của ma trận trọng số đƣợc tính nhƣ sau :
𝑊 = 𝑘𝛼𝑒−𝛼 𝑥,𝑦 Trong đó: k là hằng số
𝛼 =𝜎𝑧2
𝑍 2, tức tỉ số giữa phƣơng sai và giá trị trung bình cục bộ
của ảnh đƣợc tính trong của sổ kể trên;
𝑥, 𝑦 là khoảng cách giữa điểm ảnh tƣơng ứng với phần tử hiện tính tới tâm của cửa sổ.
Nhƣ vậy, ở những vùng ảnh tƣơng đối đồng nhất ta có α tiến tới 0 và e- α׀x,y׀ tiến tới 1. Do vậy khoảng cách |x,y| đóng vai trị khơng đáng kể, các phần tử của ma trận trọng số gần nhƣ bằng nhau. Lọc Frost hoạt động nhƣ một lọc trung bình trƣợt và có tác dụng làm mịn ảnh. Trong khi đó ở những vùng ảnh có độ tƣơng phản lớn tức những vùng trên danh giới giữa các đối tƣợng hay có các đối tƣợng dạng tuyến chạy qua, phƣơng sai của ảnh sẽ lớn kéo theoα cũng lớn. Các giá trị trọng số sẽ suy giảm rất nhanh theo sự gia tăng của khoảng cách |x,y|. Lọc Frost trong trƣờng hợp này lại hoạt động nhƣ một lọc thơng tần cao và có tác dụng làm nổi rõ các đƣờng biên cũng nhƣ các đối tƣợng dạng tuyến.
Lọc Lee
Trong trƣờng hợp lọc Lee Các giá trị trên ảnh ra đƣợc xác định bằng biểu thức :
𝑥𝑜𝑢𝑡 = 𝑋 + 𝑘 𝑧 − 𝑋
= 𝑍 + 𝑘 𝑧 − 𝑍 (2.37) với 𝑘 = 𝜎𝑥2 𝑋 2𝜎𝑣 + 𝜎𝑥2
và 𝜎𝑥2 =𝜎𝑧2+𝑍 2
𝜎𝑣2+1 − 𝑋 2 Trong đó:
𝑥𝑜𝑢𝑡 – là giá trị ảnh ra
z– là giá trị điểm ảnh vào
𝑍 giá trị trung bình của Z trong cửa sổ lọc
𝑋 giá trị trung bình của cƣờng độ tín hiệu trong cửa sổ lọc 𝜎𝑥– phƣơng sai của ảnh trong cửa sổ lọc
𝜎𝑣– phƣơng sai của nhiễu trong cửa sổ lọc
Các giá trị thống kê ở đây cũng đều là các giá trị cục bộ đƣợc tính trong phạm vi các cửa sổ lọc nhƣ trong trƣờng hợp trên. Ở những vùng ảnh đồng nhất ta có 𝜎𝑥→ 0 và k → 0 nên 𝑥𝑜𝑢𝑡→ X tức 𝑥𝑜𝑢𝑡 tiến tới giá trị trung bình trong cửa sổ. Ngƣợc lại ở những vùng ảnh có độ tƣơng phản cao 𝜎𝑥sẽ lớn hơn so với 𝑋 2𝜎𝑣, ta có k → 1 và𝑥𝑜𝑢𝑡 ≈ 𝑋 , nghĩa là có xu hƣớng giữ nguyên giá trị trên ảnh gốc.
Lọc Kuan
Tƣơng tự nhƣ lọc Lee, lọc Kuan cũng tính riêng các pixel trên ảnh ra sử dụng cùng công thức nhƣ lọc Lee nhƣng với hệ số k đƣợc tính theo cơng
thức :
𝑘 = 1−𝐶𝑣2 𝐶𝑋2
1+𝐶𝑣2 (2.38)
Trong đó 𝐶𝑍 và 𝐶𝑣 là các hệ số dao động tức tỷ số giữa độ lệch chuẩn trên giá trị trung bình của ảnh (tính trong cửa sổ lọc) và của nhiễu.
Lọc Sigma
Lọc Sigma dựa trên tính chất của phân bố chuẩn mà theo đó một đại lƣợng ngẫu nhiên có phân bố chuẩn sẽ xuất hiện với giá trị nằm trong khoảng 2 lần độ lệch chuẩn về 2 phía của giá trị trung bình với xác suất bằng 95,5%. Lọc này sau khi tính tốn các giá trị thống kê cục bộ trong cửa sổ lọc, sẽ loại bỏ các pixel nằm ngoài khoảng kể trên và giá trị pixel của ảnh ra đƣợc gán
bằng giá trị trung bình của các pixel cịn lại. Nhƣ vậy, đối với những vùng ảnh đồng nhất đa số các pixel trong cửa sổ sẽ đƣợc sử dụng trong q trình tính tốn các giá trị trung bình, lọc Sigma trong trƣờng hợp này cũng hoạt động nhƣ một lọc trung bình trƣợt. Trong khi ở những vùng có sự dao động lớn của giá trị độ xám trên ảnh, chỉ một số ít các pixel đƣợc sử dụng và kết quả là lọc lại có khuynh hƣớng bảo toàn giá trị ban đầu trên ảnh gốc.
Lọc Bit Error
Lọc Bit Error đƣợc thiết kế để loại bỏ các điểm ảnh bị lỗi và hoạt động theo nguyên tắc sau:
Lựa chọn các giới hạn trên (max) và dƣới (min) của các điểm ảnh đƣợc cho là hợp lệ ;
Tính giá trị trung bình (M1), phƣơng sai (σ) của tất cả các điểm ảnh hợp lệ trong cửa sổ lọc, và giá trị trung bình (M2) của các điểm ảnh hợp lệ không kể điểm ảnh ở tâm cửa sổ lọc ;
Nếu 𝑀2 − 𝑀1 > 𝐶𝜎 và 𝑀2 − 𝑀1 > 𝑇, trong đó C và T là các tham số tùy chọn, điểm ảnh ở tâm cửa sổ lọc bị coi là lỗi và đƣợc thay bằng
M2 (tức giá trị trung bình của các điểm ảnh hợp lệ trong cửa sổ lọc
không kể điểm ảnh ở tâm bị coi là lỗi); ngƣợc lại điểm ảnh đƣợc giữ nguyên giá trị ban đầu.
Lọc Gamma MAP
Lọc Gamma MAP hoạt động trên nguyên tắc tƣơng tự nhƣ lọc Li, nghĩa là cũng đƣa ra một tiêu chuẩn để đánh giá tính chất cục bộ của ảnh trong khu vực rồi trên cơ sở đó quyết định sử dụng các lọc thích hợp. Tiêu chuẩn đƣợc dùng trong trƣờng hợp này là tỷ số giữa độ lệch chuẩn và giá trị trung bình :
𝐶𝑉 = 𝜎𝑖𝑚𝑎𝑔𝑒 𝑋 𝑖𝑚𝑎𝑔𝑒
- Nếu CV nhỏ hơn 1 giá trị ngƣỡng dƣới, vùng ảnh đƣợc coi là đồng nhất và lọc đƣợc sử dụng sẽ là lọc trung bình để loại nhiễu.
- Nếu CV lớn hơn giá trị ngƣỡng trên, vùng ảnh trong cửa sổ lọc đƣợc
coi là có chứa các đối tƣợng dạng điểm chứ không phải nhiễu nên giá trị của chúng đƣợc giữ nguyên.
- Nếu CV nằm trong khoảng giữa hai giá trị ngƣỡng trên và ngƣỡng dƣới, vùng ảnh trong cửa sổ lọc có khả năng chứa ranh giới giữa 2 đối tƣợng ta sẽ phải vận dụng các phƣơng pháp xác định hƣớng của đƣờng biên để vận dụng 1 lọc thích hợp làm nổi rõ đƣờng biên. Đây chính là khâu phức tạp nhất của lọc này, nó địi hỏi thời gian tính tốn khá lớn và là cái giá phải trả cho tính chặt chẽ trong hoạt động của loại lọc này.
Lọc Enhance Frost
Đƣợc cải tiến từ lọc Frost, bằng cách chia ra 3 trƣờng hợp :
Nếu 𝐶𝑋 ≤ 𝐶𝑣 điểm ảnh ra đƣợc lấy bằng giá trị trung bình trong cửa sổ lọc ;
Nếu 𝐶𝑣 ≤ 𝐶𝑋 ≤ 𝐶𝑚𝑎𝑥 điểm ảnh ra đƣợc tính áp dụng lọc Frost ; Nếu 𝐶𝑋 ≥ 𝐶𝑚𝑎𝑥 điểm ảnh ra đƣợc lấy bằng giá trị ban đầu. Trong đó 𝐶𝑚𝑎𝑥 là các tham số tự chọn ;
Lọc Enhanced Lee
Đƣợc cải tiến từ lọc Lee tƣơng tự nhƣ đối với lọc Frost:
Nếu 𝐶𝑋 ≤ 𝐶𝑣 điểm ảnh ra đƣợc lấy bằng giá trị trung bình trong cửa sổ lọc ;
Nếu 𝐶𝑣 ≤ 𝐶𝑋 ≤ 𝐶𝑚𝑎𝑥 điểm ảnh ra đƣợc tính theo cơng thức của lọc Lee nhƣng với 𝑘 = 𝑒𝑥𝑝 −𝑙 𝐶𝑋 − 𝐶𝑣 𝐶𝑚𝑎𝑥 − 𝐶𝑋 trong đó 𝐶𝑚𝑎𝑥 và l là các tham số tự chọn ;
Nếu 𝐶𝑋 ≥ 𝐶𝑚𝑎𝑥 điểm ảnh ra đƣợc lấy bằng giá trị ban đầu.
Lọc Multitemporal
thƣớc tùy chọn) khơng có sự biến động lớn nên tỷ số giữa giá trị mỗi điểm ảnh và giá trị trung bình của tất cả các điểm ảnh trong cửa sổ lọc lẽ ra không thay đổi theo thời gian. Do vậy thực hiện biến đổi ảnh nhằm đạt tới yêu cầu này. Giá trị điểm ảnh ra đƣợc tính theo cơng thức :
𝐽𝑘 𝑥, 𝑦 = 𝐸 𝐼𝑘 𝑁 𝐼𝑖 𝑥,𝑦 𝐸 𝐼𝑖 𝑁 𝑖=1 (2.39)
Trong đó 𝐽𝑘 𝑥, 𝑦 là giá trị điểm ảnh ra ở vị trí 𝑥, 𝑦 trên ảnh k,
𝐼𝑖 𝑥, 𝑦 là giá trị điểm ảnh vào ở cùng vị trí trên ảnh i, 𝐸 𝐼𝑘 và 𝐸 𝐼𝑖 là các giá trị trung bình của tất cả các điểm ảnh trong cửa sổ lọc có tâm tại vị trí 𝑥, 𝑦 của các ảnh vào k và i, N là số lƣợngảnhđa thời gian sử dụng.
CHƢƠNG III: THỬ NGHIỆM, ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CÁC PHƢƠNG PHÁP LỌC ĐỐI VỚI ẢNH RADARSAT KHU VỰC TỈNH THÁI BÌNH
3.1. Khu vực nghiên cứu
3.1.1 Vị trí, địa giới và phân chia hành chính
Thái Bình là một tỉnh đồng bằng ven biển, nằm ở phía nam vùng châu thổ sông Hồng và là một trong những “vựa lúa” của Đồng bằng Bắc Bộ. Phía Đơng giáp vịnh Bắc Bộ, phía Tây và Nam giáp Nam Định, Hà Nam, phía Bắc giáp Hƣơng Yên, Hải Dƣơng và Hải Phịng. Thái Bình nằm ở tọa độ từ 20o17’ đến 20o49’ vĩ độ Bắc và từ 106o06’ đến 106o39’ kinh độ Đông. Từ Tây sang Đông dài 54 km, từ Bắc xuống Nam dài 49km.
Diện tích tự nhiên của Thái Bình là 1.586,3 km2. Dân số của Thái Bình là 1791.510 nghìn ngƣời , hầu hết là ngƣời Kinh, trong đó có trên 6,6 vạn ngƣời theo đạo Thiên chúa. Mật độ dân số ở đây là 1175 ngƣời/km2, vào loại lớn nhất nƣớc. Thái Bình đứng thứ 52 về diện tích và thứ 10 về dân số trong 63 tỉnh, thành phố của cả nƣớc.
Thái Bình ngày nay gồm 1 thành phố (Thái Bình) với 10 phƣờng, 7 huyện (Quỳnh Phụ, Hƣng Hà, Đông Hƣng, Vũ Thƣ, Kiến Xƣơng, Tiền Hải, Thái Thụy), 9 thị trấn: Quỳnh Côi (Quỳnh Phụ), Hƣng Hà, Đông Hƣng, Vũ Thƣ, Kiến Xƣơng, Tiền Hải, Diêm Điền (Thái Thụy), 267 xã của 7 huyện và thành phố (riêng thành phố Thái Bình có 7 xã).
3.1.2 Điều kiện tự nhiên Địa hình: Địa hình:
Thái Bình là một tỉnh khơng có núi rừng, địa hình nhìn chung bằng phẳng, thấp dần từ Bắc xuống Nam, nhƣng ở từng khu vực lại có nơi đất trũng hay gị cao hơn so với địa hình chung, độ cao so với mặt biển là từ 1 đến 2 mét. Vùng có độ cao trên 2 mét chiếm diện tích nhỏ. Đất đai của Thái Bình là đất bồi tụ màu mỡ và là điều kiện thuận lợi để phát triển cả trồng trọt lẫn chăn nuôi.
Địa hình đồng bằng ở Thái Bình có 3 kiểu: đồng bằng tích tụ cao, đồng bằng tích tụ thấp và đồng bằng duyên hải.
- Đồng bằng tích tụ cao Kiến Xƣơng, Vũ Thƣ chủ yếu trải ra giữa sông Hồng và sơng Trà Lý và mới đƣợc hình thành. Đất thấp, phần lớn có độ cao
dƣới 1m, xen kẽ với các dải cồn cao 1-2m. Do đó nếu khơng có đê (đê biển và đê sơng) thì hàng ngày vẫn bị ngập khi triều cƣờng.
- Đồng bằng tích tụ thấp Quỳnh Côi là kiểu đồng bằng tích tụ phù xa mới, thấp, phát triển ở những nơi ít đƣợc bồi đắp phù sa do bản thân con sơng chảy qua có ít phù sa, hoặc ở vào nơi tiếp giáp giữa hai lƣu vực nên nƣớc sơng đến đó đã giảm lƣợng phù sa.
- Đồng bằng duyên hải Tiền Hải, Thái Thụy là vùng châu thổ sông Hồng rõ rệt. Đất mặn chiếm đa số diện tích, sau đó đến đất cát trên các dải cồn và cuối cùng là đất phèn. Đất đai chủ yếu đƣợc sử dụng làm ruộng hai vụ, ven biển có đồng cói và rừng ngập mặn, đã xuất hiện ruộng muối, nhƣng không nhiều. Đặc biệt là sau khi phát hiện nguồn khí đốt, bộ mặt Tiền Hải đã có nhiều thay đổi.
Các bãi cát và cồn cát trên biển chủ yếu phân bố ở rìa phía đơng, đơng nam hoặc đơng bắc. Các cồn nổi là cồn Đen, cồn Thủ, cồn Vành. Để cố định các cồn cát (không cho cát bay, cát di động vào phía trong, lấp cạn các đầm ni thủy hải sản), lấy gỗ làm vật liệu xây dựng, lấy củi làm nhiên liệu, đồng thời tạo cảnh quan tƣơi đẹp cho vùng biển, nông dân đã trồng các rừng cây phịng hộ.
Khí hậu
Khí hậu Thái Bình về cơ bản là nhiệt đới ẩm gió mùa. Bức xạ mặt trời lớn tạo nên nền nhiệt độ cao. Nhiệt độ trung bình trong năm là 23-24oC. Số giờ nắng trong năm từ 1600 đến 1800 giờ. Lƣợng mƣa từ 1400 đến 1800mm. Tuy nằm trong vùng khí hậu gió mùa, nhƣng do ở vị trí ven biển nên khí hậu