a- Truyền một xung Radar chỉ trường sóng tại khoảng thời gian từ 1-17, b Kết quả tia phản hồ
2.9.1. Đồng đăng ký ảnh
Đồng đăng ký ảnh là quá trình chuyển đổi hai ảnh SAR về chung một hệ quy chiếu. Có hai cách: một là đưa cả hai ảnh về chung hệ quy chiếu mặt đất; hoặc là quy đổi ảnh này về hệ quy chiếu của ảnh kia. Đối với phương pháp InSAR, thông thường người ta sử dụng cách thứ hai.
Đồng đăng ký ảnh được thực hiện theo hai bước: đăng ký sơ bộ với độ chính xác cỡ 1 pixel và đăng ký chính xác với độ chính xác khoảng 1/10 pixel.
Giả sử rằng tất cả các pixel được xác định trên mặt phẳng ảnh chứa thông tin pha cho các đối tượng cần xét. Tiếp theo, cần thực hiện chồng lên nhau theo vùng phủ chung của hai ảnh thu nhận từ hai ăng ten, đây là mục đích của bước đồng đăng ký ảnh. Các hệ thống giao thoa dùng hai ăng ten cùng ở trên một vật mang như hệ thống radar máy bay, thì việc đăng ký ảnh rất đơn giản và chính xác. Từ hình học
thu nhận ảnh, việc đăng ký ảnh được tính tốn mà khơng cần dùng tới dữ liệu ảnh. Trong khi đó, với các hệ thống thu nhận tại hai thời điểm khác nhau thì việc đăng ký ảnh trở nên phức tạp hơn. Vì hình học thu nhận ảnh khơng được xác định một cách chính xác, chúng ta phải dùng tới dữ liệu ảnh để giúp chúng ta thực hiện được đồng đăng ký ảnh.
Bộ xử lý cho các hệ thống thu ở hai thời điểm khác nhau thường chia làm hai bước: đồng đăng ký sơ bộ với độ chính xác cỡ 1 pixel và đồng đăng ký chính xác với độ chính xác nhỏ hơn 1 pixel. Đồng đăng ký sơ bộ là xê dịch một trong hai ảnh SAR một khoảng để hai ảnh chồng lên nhau, q trình này cho độ chính xác đến một hoặc hai pixel.
Đồng đăng ký sơ bộ được thực hiện bằng cách dùng một cửa sổ có kích thước xác định để tính sự tương quan của hai ảnh. Chúng ta sẽ bắt đầu từ một điểm trong cửa sổ này ở cả hai ảnh và tìm sự tương quan giữa chúng. Để thực hiện bước này, thì một trong hai ảnh SAR sẽ được chọn làm ảnh tham chiếu hay cịn gọi là ảnh chính cịn ảnh kia được gọi là ảnh phụ. Trong q trình này, chỉ có ảnh phụ được xê dịch.
Để xác định khoảng xê dịch giữa hai ảnh SAR thì dựa vào hệ số tương quan chéo để tính khoảng xê dịch. Trong trường hợp này, một tập hợp các điểm khớp cần được chọn, những điểm này phải có trên hai ảnh. Do ảnh SAR được thu nhận ở dải sóng siêu cao tần nên ảnh thường bị nhiễu và rất khó chọn điểm. Thay vào đó, một tập hợp các điểm được thiết kế theo lưới ô vuông grid được chọn trên ảnh chính với khoảng cách mắt lưới tùy chọn, và nhiệm vụ là tìm những điểm khớp tương ứng trên ảnh phụ.
Hệ số tương quan chéo được chọn là tham số để đánh giá sự phù hợp giữa các điểm. Quá trình này dựa trên ngun tắc là: một cửa sổ có kích thước cố định sẽ
được chọn trên ảnh chính với điểm khớp là điểm ở giữa của cửa sổ này. Trên ảnh phụ cũng có cửa sổ với kích thước tương ứng, cửa sổ này sẽ chạy theo hàng từ trái qua phải từ trên xuống dưới. Khi cửa sổ trên ảnh phụ được dịch chuyển có rất nhiều những điểm được tìm thấy, nhưng chỉ điểm mà có hệ số tương quan chéo cao nhất
được chọn. Với hai ảnh phức SAR có các pixel tương ứng là p1 và p2 thì giá trị tương quan chéo của hai ảnh SAR được [13] xác định như sau:
* * 2 2 * 1 1 * 2 1 p p E p p E p p E (2.23)
Trong đó: p1 và p2 là các pixel tương ứng trên hai ảnh phức SAR E […] là kỳ vọng toán; * 1 p và * 2 p là liên hợp phức của p1, p2; γ là hệ số tương quan chéo
Giá trị γ luôn ở giữa 0 và 1, γ nhỏ có nghĩa là sự tương quan chéo thấp, cịn γ cao thì tương quan chéo giữa hai ảnh tốt và rất tốt cho quá trình đồng đăng ký.
Sau khi tọa độ của các cặp điểm được tính tốn thì sẽ xác định được khoảng chênh tọa độ giữa hai điểm theo hướng tầm và phương vị. Và giá trị này chính là khoảng xê dịch cần dịch chuyển ảnh phụ so với ảnh chính theo hướng tầm và phương vị.
Tuy nhiên, đăng ký sơ bộ thường chưa đạt yêu cầu cho việc tạo ảnh giao thoa vì bản chất của hàm pha trên mỗi ảnh. Thông thường tạo ảnh từ các tín hiệu thu nhận ảnh, yêu cầu các hàm pha trên cả hai hướng ngang dọc cần phải được lượng tử hóa. Lượng tử hóa nghĩa là chúng ta sẽ chuyển các hàm liên tục thành các hàm có giá trị rời rạc. Nghĩa là độ phân giải của biên độ bị giới hạn ở kích thước các pixel, các hàm pha có thể được rời rạc hóa với độ chính xác cao hơn. Vì các hàm pha cung cấp thông tin độ cao nên cần đăng ký chúng càng chính xác càng tốt. Việc này đuợc thực hiện ở bước đăng ký chính xác.
Đăng ký chính xác được thực hiện bằng cách từ khoảng lệch của đăng ký sơ bộ và tìm các mẫu trên các hàm pha sao cho tạo ra được một ảnh giao thoa tốt nhất. Khi ảnh giao thoa tốt nhất tìm được, thì khoảng lệch nhỏ hơn 1 pixel được xác định. Để thực hiện chúng ta cần xây dựng độ phân giải cao hơn cho hàm pha từ dữ liệu ảnh.
Tiếp theo là quá trình chuyển đổi hệ tọa độ ảnh phụ về cùng hệ tọa độ với ảnh chính, cần thiết lập mối quan hệ giữa hai ảnh. Trong InSAR, hàm đa thức được sử dụng làm mơ hình tính chuyển tọa độ giữa hai ảnh. Phương pháp sử dụng hàm đa
thức là một trong những phương pháp cơ bản được áp dụng rộng rãi trong việc chuyển đổi tọa độ của ảnh phụ về hệ tọa độ của ảnh chính. Tùy vào từng trường hợp mà có thể áp dụng đa thức bậc 1 hoặc bậc 2, bậc 3 hoặc cao hơn. Dạng tổng quát của hàm đa thức bậc 3 được biểu diễn theo công thức dưới đây [2]:
39 9 2 8 2 7 3 6 2 5 4 2 3 2 1 0 a x a y a x a xy a y a x a x y a xy a y a u 3 9 2 8 2 7 3 6 2 5 4 2 3 2 1 0 bx b y b x b xy b y b x b x y b xy b y b v (2.24)
Trong đó (u,v) và (x,y) - là tọa độ của điểm ảnh tương ứng trên ảnh phụ và ảnh chính; ai, bi - là các hệ số của đa thức.
Hiện nay, trong các phần mềm thương mại mại như: ASF (Alaska SAR Facility), công cụ SAR và Leica ERDAS IMAGINE thì việc đồng đăng ký được thực hiện hoàn toàn tự động và không cần phải chọn các điểm đặc trưng trên ảnh chính và ảnh phụ, thay vào đó là chúng được phân bố tự động theo lưới ơ vng (lưới grid). Do đó, q trình này thường có độ tương quan khơng cao, vì:
- Thứ nhất là khi chọn điểm theo mắt lưới của ơ vng (grid) thì sẽ có những điểm có giá trị tương quan cao nếu điểm đó chính là điểm đặc trưng của ảnh, nhưng cũng sẽ tồn tại những điểm có tương quan thấp do không phải là các điểm đặc trưng, nên độ chính xác của q trình đồng đăng ký ảnh SAR sẽ không cao. Điều này sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của DSM.
- Thứ hai là quá trình tìm và khớp điểm chỉ sử dụng một kích thước cửa sổ cố định. Như vậy, nếu kích thước cửa sổ quá lớn sẽ phát sinh nhiều điểm khớp giả, q trình tính sẽ tốn thời gian, nếu kích thước cửa sổ q nhỏ thì khó nhận biết điểm khớp, do đó kết quả khớp sẽ ảnh hưởng đến độ chính xác của q trình đồng đăng ký.
Như vậy, bài tốn đặt ra là để có được mơ hình số bề mặt (DSM) tốt nhất thì cần thiết phải nâng cao độ chính xác của q trình đồng đăng ký ảnh. Đồng nghĩa với việc phải tìm được kích thước cửa sổ tối ưu và những điểm khớp phải là những điểm đặc trưng trên ảnh. Do đó, một giải pháp tự động xác định cửa sổ tối ưu và chiết xuất các điểm đặc trưng trên ảnh SAR là rất cần thiết trong phương pháp InSAR. Phương pháp được đề xuất sẽ được giới thiệu trong chương 3.