Hình 4.1 Bản đồ hành chính tỉnh Quảng Ninh
4.4.1 Giải pháp nâng cao độ chính xác của đồng đăng ký ảnh
4.4.1.1 Phân tích ảnh SAR xác định kích thước cửa sổ tối ưu
Dựa trên ảnh SAR, hệ số tự tương quan đã được tính tốn đối với khu thực nghiệm Quảng Ninh và khu thực nghiệm ở Ninh Thuận. Từ đường cong mô tả sự biến thiên của tự tương quan với khoảng cách pixel ở hai khu vực, nhận thấy rằng đối với khu vực Quảng Ninh hệ số tự tương quan giảm khi khoảng cách tăng từ 0 đến 120 pixel, còn đối với đường cong tại khu vực Ninh Thuận thì đường cong giảm khi khoảng cách tăng từ 0 đến 90 pixel. Sau khoảng cách 120 và 90 pixel thì tín hiệu dần ổn định, Do đó, để phát hiện khoảng đột biến của tín hiệu thì ứng dụng biến đổi wavelet là cần thiết.
Hình 4.11. Sự biến thiên của hệ số tự tƣơng quan với khoảng cách khu vực Quảng Ninh
Hình 4.12. Sự biến thiên của hệ số tự tƣơng quan với khoảng cách khu vực Ninh Thuận
Tín hiệu tự tương quan được phân tích phân tích thành hai thành phần bao gồm thành phần tần số thấp và thành phần tần số cao. Thành phần tần số thấp là a4 còn các thành phần tần số cao là d1, d2, d3 và d4. a4 phản ánh xu hướng của tín hiệu
cịn d4 phản ảnh tính cục bộ của tín hiệu. NCS sẽ thực hiện phân tích ảnh SAR đối với từng khu vực thực nghiệm là Quảng Ninh và Ninh Thuận.
Khu thực nghiệm Quảng Ninh
Khi ảnh SAR được phân tích như hình 4.13, cho thấy nhiều điểm ở đó có sự thay đổi đột biến về cường độ, tuy nhiên các bước nhảy tại vị trí 49, 65, 81 được chọn để đánh giá bởi tại các điểm này sự thay đổi là lớn. Sau điểm 81, giá trị cường độ của thành phần tần số thấp thay đổi rất ít và gần như khơng đổi. Tương ứng với mỗi bước nhảy này là giá trị biên độ thay đổi từ 0.026, 0.0152, 0.0075 đến 0.005. Khi khoảng cách là 0 thì tồn bộ biên độ tương ứng là 0.026. Tỷ lệ biên độ được định nghĩa là tỷ lệ giữa biên độ trong mỗi điểm nhảy với toàn bộ biên độ. Trong mỗi bước nhảy tỷ lệ biên độ được thể hiện ở bảng 4.3. Từ thay đổi giá trị của biên độ, nhận thấy rằng biên độ của tín hiệu ngày càng nhỏ đi khi khoảng cách tăng, khi khoảng cách là 49 biên độ dao động từ 0.026 đến 0.0152, như vậy khoảng dao động của biên độ là 0.0108, tỷ lệ biên độ là 58.462% còn tỷ lệ biên độ dao động là 41.538%, khi khoảng cách là 65 thì tỷ lệ biên độ dao động là 29.615%, khoảng cách là 81 thì tỷ lệ biên độ dao động là 9.615%, và kết quả được thể hiện trong bảng 4.3.
Bảng 4.3. Dữ liệu biên độ của thành phần tần số thấp Khoảng cách giữa các bƣớc nhảy Tỷ lệ biên độ (%) Tỷ lệ biên độ dao động (%) 49 58.462 41.538 65 28.846 29.615 81 19.231 9.615
Từ dữ liệu về giá trị của biên độ được thể hiện trong bảng 4.3 có thể nhận thấy rằng khi khoảng cách lớn hơn 81 thì tỷ lệ biên độ cũng như tỷ lệ biên độ dao động hầu như khơng thay đổi. Điều này phản ánh các đặc tính cơ bản của tín hiệu ban đầu và chức năng tự tương quan. Nó cho thấy quan hệ tự tương quan hầu như không thay đổi ở điểm nhảy 81. Từ hình 4.13 cũng nhận thấy rằng biên độ của thành phần tần số cao thay đổi rất lớn ở khoảng cách gần, nhưng khi khoảng cách là 81pixel tương ứng bước nhảy 81 thì biên độ dần ổn định và hầu như khơng thay đổi. Điều này thể hiện sự biến thiên cục bộ của tín hiệu. Do đó kích thước 81*81 có thể là kích thước cửa sổ tối ưu cho khớp điểm. Tuy nhiên để kết quả đáng tin cậy hơn các kích thước cửa sổ 49*49, 65*65, 81*81 sẽ được khảo sát.
Theo như phân tích ở trên kích thước cửa sổ 81*81 có thể là kích thước cửa sổ tối ưu. Tuy nhiên, các kích thước của số khác như 49*49,65*65, 81*81, sẽ được khảo sát để xét ảnh hưởng kích thước cửa sổ đến độ chính xác của giao thoa.
a) Kích thước cửa sổ 49*49 b) Kích thước cửa sổ 65*65 c) Kích thước cửa sổ 81*81
Sản phẩm cuối cùng của quá trình xử lý InSAR là DSM, để đánh giá độ chính xác của DSM đối với từng kích thước cửa sổ khác nhau, NCS đã tính sai số trung phương độ cao giữa các bề mặt DSM với DSM-0. Nếu sai số trung phương độ cao thấp thì kích thước cửa sổ tốt, cịn sai số trung phương độ cao lớn chứng tỏ kích thước cửa số chưa phải là tối ưu. Đối với kích thước cửa sổ 49*49, sai số trung phương độ cao là ± 10.31m, nhưng hình ảnh DSM cịn vẫn rất nhiều chỗ chưa nội suy được. Kích thước cửa sổ 65*65 thì sai số trung phương độ cao là ± 8.10m cho kết quả tốt hơn cả về sai số trung phương độ cao so với kích thước cửa sổ 49*49. Riêng kích thước cửa sổ 81*81 lại cho hình ảnh DSM được tạo ra tốt nhất đồng thời sai số trung phương độ cao cũng cho kết quả tối ưu nhất là ± 7.82m. a) Kích thước cửa sổ 49*49 b) Kích thước cửa sổ 65*65 c) Kích thước cửa sổ 81*81
Hình 4.15. Mơ hình số bề mặt (DSM) với các kích thƣớc của sổ khác nhau Bảng 4.4. Bảng thống kê sai số trung phƣơng độ cao của DSM
tạo ra bằng các kích thƣớc cửa sổ khác nhau
Kích thƣớc cửa sổ (pixel) Ảnh DSM Sai số trung phƣơng độ cao (m)
49*49 Hình 4.15a ±10.31
65*65 Hình 4.15b ±8.10
81*81 Hình 4.15c ±7.82
Từ các kết quả thực nghiệm, chúng ta thấy rằng kích thước cửa sổ 81*81 cho kết quả giao thoa và DSM tốt nhất. Vì vậy 81*81 là kích thước cửa sổ tối ưu phù hợp cho quá trình khớp điểm ảnh đặc trưng.
Khu thực nghiệm Ninh Thuận
Tương tự như khu vực Quảng Ninh ảnh SAR được phân tích như hình 4.16. Tuy nhiên ở đây chỉ có hai khoảng đột biến tương ứng với hai bước nhảy là 49, 65, hai vị trí này được chọn để đánh giá bởi tại các điểm này sự thay đổi là lớn. Sau điểm 65, giá trị cường độ của thành phần tần số thấp thay đổi rất ít và gần như không đổi. Tương ứng với mỗi bước nhảy này là giá trị biên độ thay đổi từ 0.15 đến 0.09 đối với bước nhảy là 49, và 0.05 đối với bước nhảy là 65. Khi khoảng cách là 0 thì tồn bộ biên độ tương ứng là 0.15. Kết quả được thể hiện trong bảng 4.5 .
Hình 4.16. Phân tích tự tƣơng quan bằng wavelet
Bảng 4.5. Dữ liệu biên độ của thành phần tần số thấp Khoảng cách giữa các bƣớc nhảy Tỷ lệ biên độ (%) Tỷ lệ biên độ dao động (%) 49 60.0 40.0 65 33.33 26.667
Và kết quả ta có ảnh giao thoa và DSM của khu vực Ninh Thuận như sau:
a) Kích thước cửa sổ 49*49 b)Kích thước cửa sổ 65*65
Hình 4.17. Ảnh giao thoa với các kích thƣớc của sổ khác nhau
a) Kích thước cửa sổ 49*49 b) Kích thước cửa sổ 65*65
Hình 4.18. Mơ hình số bề mặt (DSM) với các kích thƣớc của sổ khác nhau Bảng 4.6. Bảng thống kê sai số trung phƣơng độ cao của DSM
tạo ra bằng các kích thƣớc cửa sổ khác nhau
Kích thƣớc cửa sổ (pixel) Ảnh DSM Sai số trung phƣơng độ cao (m)
49*49 Hình 4.18a ± 10.86
65*65 Hình 4.18b ± 8.64
Từ các kết quả thực nghiệm, chúng ta thấy rằng kích thước cửa sổ 65*65 cho kết quả giao thoa và DSM tốt nhất. Vì vậy kích thước cửa sổ 65*65 là kích thước cửa sổ tối ưu phù hợp cho quá trình khớp điểm ảnh đặc trưng.
Qua khảo sát thực nghiệm chúng ta nhận thấy rằng, cùng một dữ liệu sử dụng nhưng đối với từng loại địa hình khác nhau thì kích thước cửa sổ tối ưu cũng khác nhau. Điều này đã khằng định tính đúng đắn của phương pháp và thuật toán sử dụng.
4.4.1.2 Tự động chiết tách điểm đặc trưng và khớp điểm
Chiết tách điểm đặc trƣng
Tự động phân tích ảnh là cơ sở để thực hiện các phân tích tiếp theo. Ảnh SAR được tự động phân tích bằng wavelet đa phân giải trong wavelet db1 là phù hợp nhất vì db1 có thể phát hiện ra điểm đột biến của tín hiệu. Ảnh SAR của khu vực Quảng Ninh và Ninh Thuận sẽ được phân tích thành 4 tầng, mỗi tầng gồm 4 ảnh nhỏ đại diện cho các đặc tính của ảnh theo các hướng đứng, hướng ngang, đường chéo và ảnh xấp xỉ được thể hiện trong hình 4.19 và 4.20.
Ảnh chính Ảnh phân tích wavelet
Hình 4.19. Ảnh gốc và ảnh phân tích bằng wavelet khu vực Quảng Ninh
Ảnh chính Ảnh phân tích wavelet
Khi ảnh SAR được tự động phân tích thì điểm đặc trưng được chọn ở mức thấp nhất (ảnh xấp xỉ) bằng modul wavelet cực đại. Đối với mỗi điểm ảnh mỗi giá trị gradient có thể được tính theo các giá trị gradient thành phần theo hướng x và y. Sau đó, giá trị ngưỡng được chọn để chiết xuất điểm đặc trưng, trong phần thực nghiệm giá trị ngưỡng được xác định là 2, kết quả thể hiện trong hình 4.21 và 4.22..
Ảnh chính Ảnh phụ
Hình 4.21. Điểm đặc trƣng trên cặp ảnh SAR (khu vực Quảng Ninh)
Hình 4.22. Điểm đặc trƣng trên cặp ảnh SAR (khu vực Ninh Thuận)
Đối với các phương pháp trước đây, điểm khớp thường phân bố theo lưới ô vuông grid với khoảng cách giữa các mắt lưới tùy chọn. Do đó, để đánh giá độ chính xác của các điểm khớp chọn theo lưới grid và các điểm khớp là những điểm
đặc trưng ảnh hưởng đến chất lượng InSAR cũng như độ chính xác của DSM thì số điểm được chọn như nhau trên cùng ảnh SAR gốc. Sự phân bố các điểm mắt lưới theo lưới grid thể hiện trong hình 4.23, 4.24 của khu vực Quảng Ninh và Ninh Thuận.
Hình 4.23. Điểm khớp phân bố theo lƣới grid (khu vực Quảng Ninh)
Hình 4.24. Điểm khớp phân bố theo lƣới grid (khu vực Ninh Thuận)
Từ hình 4.21, 4.22, nhận thấy rằng tất cả các điểm khớp được phân bố đều trên ảnh và nhiều điểm đặc trưng được đặt ở lưng núi và đều là những địa vật rõ nét. Cịn trong hình 4.23 và 4.24 các điểm được phân bố với khoảng cách nhất định. Nhưng trực quan cũng thấy có một số điểm tuy là điểm đặc trưng nhưng cũng có rất
nhiều điểm thì khơng phải, điều này thể hiện rõ nhất trong hình 4.23 có nhiều điểm rơi vào vị trí hồ.
Khi các điểm đặc trưng được chọn bước tiếp theo là khớp điểm. Việc khớp điểm đặc trưng được thực hiện trong tầng phân tích LL của phép biến đổi wavelet từ mức thấp nhất đến mức cao và các điểm này được khớp với nhau dựa trên hệ số tương quan chéo.
Khớp điểm điểm đặc trƣng
Hệ số tương quan chéo được sử dụng như một tham số để đánh giá độ chính xác của quá trình khớp điểm và được tính theo cơng thức (3.21) và công thức (3.22). Điểm nào khớp với hệ số tương quan chéo lớn nhất thể hiện rằng tâm các pixel của hai cửa sổ là tương đồng. Và thuật tốn được trình bày trong chương 3, kết quả thể hiện trong hình 4.25, 4.26 và bảng 4.7.
a) DSM với các điểm mắt lưới b) DSM với điểm đặc trưng
Hình 4.25. DSM khu vực Quảng Ninh
a) DSM với các điểm mắt lưới b) DSM với điểm đặc trưng
Bảng 4.7. Bảng thống kê sai số trung phƣơng độ cao của DSM tạo ra bằng các mắt lƣới khác nhau
Khu vực thực nghiệm Tạo DSM từ các điểm mắt lƣới grid Tạo DSM từ các điểm đặc trƣng
Sai số trung phƣơng độ cao (m)
Sai số trung phƣơng độ cao (m)
Quảng Ninh ±7.61 ±4.08
Ninh Thuận ±8.33 ±4.35
Từ ảnh 4.7, nhận thấy rằng DSM được tạo ra từ mắt lưới grid ở khu vực Quảng Ninh có sai số trung phương độ cao đạt ±7.61m còn DSM tạo ra từ các điểm đặc trưng có sai số trung phương độ cao đạt ±4.08m. Nguyên nhân dẫn đến khoảng chênh lệch này là do một điểm mắt lưới tham gia tạo DSM không phải là điểm đặc trưng nên kết quả tìm và khớp điểm khơng cao. Tương tự đối với khu vực Ninh Thuận ngoài sự sai khác xảy ra ở khu vực núi cao cịn xảy ra tại khu vực đồng bằng vì các điểm chọn theo lưới grid lại rơi vào vùng hồ nên DSM được tạo ra từ mắt lưới grid có sai số trung phương độ cao đạt ±8.33m còn DSM tạo ra từ các điểm đặc trưng có sai số trung phương độ cao đạt ±4.35m.
Qua đánh giá kết quả DSM đạt được, khẳng định rằng sử dụng phép biến đổi wavelet trong phân tích ảnh SAR đã nâng cao được độ chính xác của DSM, sai số trung phương độ cao cải thiện được ±3m, độ tin cậy của phương pháp đã được chứng minh.