CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
4.3 Đánh giá chất lượng ảnh VNREDSat-1 qua thông số MTF
4.3.1 Đánh giá chất lượng ảnh qua thông số MTF
Giá trị MTF được sử dụng để đánh giá độ sắc nét cũng như tương phản của dữ liệu ảnh. Trong quá trình hoạt động, giá trị này sẽ biến động theo chiều dọc và ngang với hướng bay của vệ tinh. Do đó cần thiết phải đánh giá giá trị này theo cả hai chiều.
Trong nghiên cứu, MTF được tính tốn thơng qua sử dụng hai bãi kiểm định là Buôn Ma Thuột của Việt Nam. Theo mỗi chiều, giá trị MTF cũng sẽ được tính tốn với việc chuyển đổi từ các ơ đen sang ô trắng và ngược lại. Đồng thời, trước mỗi thời điểm chụp ảnh đều tiến hành đo giá trị phản xạ tại bề mặt các mục tiêu sử dụng để đảm bảo giá trị giống như thiết kế. Đối với bãi kiểm định Salon de Provence của Pháp, mặc dù được nhiều hệ thống vệ tinh sử dụng để tính tốn, đánh giá chất lượng ảnh, tuy nhiên bãi kiểm định này nằm ở nước ngồi và cịn thuộc khu vực sân bay quốc phịng nên các cơng tác thu thập thơng tin liên quan khá phức tạp; mặc dù có dữ liệu ảnh chụp hàng năm, tuy nhiên do không thu thập được thơng tin đầy đủ về tình trạng bề mặt bãi thử nên nguồn dữ liệu này được sử dụng để tham khảo (kết quả xem thêm trong phụ lục 1)
Dữ liệu ảnh thu thập để tính tốn giá trị MTF được chụp vào đầu mùa khơ năm 2017 và 2018, và được liệt kê trong bảng 4.5 (xem hình 4.19, 4.20). Đến năm 2019, do điều kiện bề mặt sơn bãi kiểm định không đảm bảo được độ phản xạ theo thiết kế nên không sử dụng để đánh giá.
Bảng 4.5. Dữ liệu ảnh VNREDSat-1 chụp bãi thử tại Buôn Ma Thuột
STT Ngày chụp Góc chụp
Nghiêng ngang Nghiêng dọc
1 14/11/2017 8,8286° 17,4998°
Hình 4.19. Dữ liệu ảnh VNREDSat-1chụp khu vực bãi kiểm định tại thành phố Bn Ma Thuột ngày 14/11/2017
Hình 4.20. Dữ liệu ảnh VNREDSat-1chụp khu vực bãi kiểm định tại thành phố Buôn Ma Thuột ngày 02/11/2018
Đo đạc giá trị phản xạ bề mặt tại bãi kiểm định trước khi tiến hành thu nhận ảnh.
Để thuận lợi cho việc đo đạc và thống nhất, các ơ mẫu được gán tên như hình 4.21 dưới đây. Thời điểm đo đạc đều được diễn ra vào khoảng cuối tháng 9, đầu tháng 10 năm 2017, 2018, trước khoảng 04 tuần so với thời điểm chụp ảnh bãi kiểm định.
Hình 4.21. Vị trí các ơ mẫu đánh giá MTF(a) và SNR (b) được kiểm tra phản xạ bề mặt
Kết quả sau khi đo đạc chứng minh các ô mẫu đảm bảo giá trị phản xạ theo thiết kế, được thể hiện trong bảng 4.6 sau đây (chi tiết xem trong phụ lục 2)
Bảng 4.6. Giá trị phản xạ của ô mẫu ở bãi kiểm định tại Buôn Ma Thuột
Thời điểm đo MTF SNR A B C D 1 2 3 4 2017 0,048 0,5 0,05 0,5 0,9 0,4 0,23 0,02 2018 0,059 0,6 0,058 0,54 0,85 0,42 0,27 0,04 Giá trị thiết kế 0,05 0,5 0,05 0,5 0,4 0,3 0,2 0,13
Theo thời gian chất lượng của lớp sơn bề mặt bãi thử có suy giảm. Số liệu đo đạc cho thấy chất lượng phản xạ của các ô mẫu tuy có giảm một chút so với lúc đầu nhưng không ảnh hưởng tới chất lượng căn chỉnh của vệ tinh.
a. So sánh phương pháp tính tốn 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 tốn MTF bằng phương pháp cạnh nghiêng với thuật tốn 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.
Để so sánh hai phương pháp, nghiên cứu sinh sử dụng hai dữ liệu ảnh đã nêu trên để tính tốn giá trị MTF theo phương pháp cạnh nghiêng, chiết tách cạnh theo phương pháp Canny. Kết quả thu được mô tả trong bảng 4.7 sau đây
Bảng 4.7. So sánh giá trị MTF tính theo phương pháp được đề xuất và của nhà sản xuất vệ tinh VNREDSat-1
Thời điểm Phương pháp MTF
Dọc hướng bay Ngang hướng bay
23/05/2013 Nhà sản xuất 0,17 0,19
Đề xuất 0,21 0,18
26/05/2013 Nhà sản xuất 0,19 0,22
Đề xuất 0,21 0,23
Giá trị MTF được tính tốn theo hai phương pháp khá tương đồng nhau, sự chênh lệch lớn nhất là vào thời điểm 23/5/2013 và theo chiều dọc hướng bay (giá trị chênh lệch là 0,4). Theo chiều ngang hướng bay và thời điểm 26/5/2013 thì sự chênh lệch là khơng lớn (giá trị chênh lệch khoảng 0,1-0,2).
b. Tính tốn giá trị MTF sử dụng bãi kiểm định tại Buôn Ma Thuột
Các tính tốn tại bãi kiểm định Bn Ma Thuột cũng sẽ được tiến hành theo chiều dọc và ngang hướng bay, và các trạng thái chuyển đổi đen sang trắng và trắng sang đen (so sánh thông số kỹ thuật của bãi thử tại Buôn Ma Thuột và tại Salon de Provence được mô tả trong phụ lục 4).
- Theo chiều dọc hướng bay, kết quả tính tốn thể hiện trong bảng 4.8, 4.9 sau đây.
Bảng 4.8. Kết quả tính tốn MTF dọc hướng bay (chuyển từ đen sang trắng)
Năm Chuyển từ ô đen sang ô trắng
Lấy mẫu ESF LSF MTF
2017
Bảng 4.9. Kết quả tính tốn MTF dọc hướng bay (chuyển từ trắng sang đen)
Năm Chuyển từ ô trắng sang ô đen
Lấy mẫu ESF LSF MTF
2017
2018
Kết quả tổng hợp các giá trị MTF theo chiều dọc hướng bay được tổng hợp trong bảng 4.10 dưới đây. Các giá trị thu được khá tốt và cao hơn giá trị ngưỡng thiết kế ban đầu là 0,08.
Bảng 4.10. Kết quả tính tốn MTF theo chiều dọc hướng bay
Ngày chụp MTF Chuyển từ ô đen sang ô trắng Chuyển từ ô trắng sang ơ đen Giá trị trung bình 14/11/2017 0.21 0.20 0.21 02/11/2018 0.19 0.20 0.20 đây
- Theo chiều ngang hướng bay, kết quả tính tốn thể hiện trong bảng 4.11, 4.12 sau
Bảng 4.11. Kết quả tính tốn MTF ngang hướng bay (chuyển từ đen sang trắng)
Năm Chuyển từ ô đen sang ô trắng
Lấy mẫu ESF LSF MTF
2018
Bảng 4.12. Kết quả tính tốn MTF ngang hướng bay (chuyển từ trắng sang đen)
Năm Chuyển từ ô trắng sang ô đen
Lấy mẫu ESF LSF MTF
2017
2018
Kết quả tổng hợp các giá trị MTF theo chiều dọc hướng bay được tổng hợp trong bảng 4.13 dưới đây. Các giá trị thu được khá tốt và cao hơn giá trị ngưỡng thiết kế ban đầu là 0,08.
Bảng 4.13. Kết quả tính tốn MTF theo chiều ngang hướng bay
Ngày chụp MTF Chuyển từ ô đen sang ô trắng Chuyển từ ơ trắng sang ơ đen Giá trị trung bình 14/11/2017 0.18 0.19 0.19 02/11/2018 0.24 0.20 0.22
Qua các bảng kết quả có thể thấy, cho đến thời điểm 2018, tức là sau 05 năm hoạt động theo tuổi thọ thiết kế, hệ thống vệ tinh VNREDSat-1 vẫn đảm bảo được chất lượng ảnh. Do các thời điểm sau 2018, bãi kiểm định tại Buôn Ma Thuột chưa đáp ứng được điều kiện về phản xạ tại các ơ mẫu nên chưa có những đánh giá chất lượng ảnh sử dụng bãi kiểm định này. Thay vào đó, vệ tinh VNREDSat-1 sử dụng bãi thử ở Salon de Provence, tại Pháp, để đánh giá chất lượng ảnh (xem phụ lục 1, phụ lục 4). Kết quả tính
tốn cho thấy, giá trị MTF của hệ thống thu nhận ảnh trên vệ tinh VNREDSat-1 vẫn trên ngưỡng yêu cầu, nhưng đã có dấu hiệu bắt đầu suy giảm, cụ thể như minh họa trong hình 4.22 dưới đây.
Hình 4.22: Giá trị MTF sau 8 năm hoạt động của vệ tinh VNREDSat-1
Với kết quả tính tốn MTF hàng năm từ khi vệ tinh được phóng lên quỹ đạo đến thời điểm đánh giá, nghiên cứu sinh đề xuất chu kỳ đánh giá hệ thống thu nhận ảnh trên vệ tinh viễn thám quang học là 2 lần/năm.
Các giá trị MTF được tính tốn tại bãi thử Bn Ma Thuột sẽ được so sánh với các giá trị được tính tốn tại bãi thử Salon de Provence tại cùng thời điểm là năm 2017 và 2018. Qua đó đánh giá khả năng sử dụng bãi thử của Việt Nam. Các kết quả so sánh được thể hiện trong bảng 4.14 dưới đây.
Bảng 4.14. So sánh với các kết quả tính tốn MTF tại bãi kiểm định Salon de Provence và Bn Ma Thuột
Thời điểm Vị trí bãi kiểm
định
Giá trị MTF
Dọc hướng bay Ngang hướng bay
2017 Buôn Ma Thuột 0.21 0.19
Salon de Provence 0.22 0.21
2018 Buôn Ma Thuột 0.20 0.22
Salon de Provence 0.23 0.23
Các giá trị MTF được tính tốn tại bãi kiểm định Buôn Ma Thuột và Salon de Provence khá tương đồng, sai lệch lớn nhất là 0,03 vào thời điểm 2018 theo chiều dọc hướng bay. Những thời điểm và hướng khác sai số chỉ là 0,01-0,02. Như vậy, bãi kiểm định Bn Ma Thuột hồn tồn có thể được sử dụng để đánh giá chất lượng ảnh viễn
thám quang học qua thông số MTF, tuy nhiên cần đảm bảo giá trị phản xạ của bề mặt bãi kiểm định.
Sự khác nhau giữa kết quả MTF khi sử dụng bãi kiểm định tại Bn Ma Thuột và tại Salon de Provence có thể được giải thích như sau: do dữ liệu đầu vào để tính tốn là dữ liệu ảnh mức 1A chưa thực hiện hiệu chỉnh khí quyển, do vậy điều kiện khí quyển tại hai khu vực có ảnh hưởng nhất định đến kết quả.
4.3.2 Đề xuất mức chất lượng ảnh qua thông số MTF
a. Đặc điểm điều kiện tự nhiên của Việt Nam ảnh hưởng đến chất lượng ảnh
Việt Nam nằm trong vành đai nội chí tuyến, quanh năm có nhiệt độ cao và độ ẩm lớn. Phía Bắc chịu ảnh hưởng của lục địa Trung Hoa nên ít nhiều mang tính khí hậu lục địa. Biển Đơng ảnh hưởng sâu sắc đến tính chất nhiệt đới gió mùa ẩm của đất liền. Khí hậu nhiệt đới gió mùa ẩm khơng thuần nhất trên tồn lãnh thổ Việt Nam, hình thành nên các miền và vùng khí hậu khác nhau rõ rệt. Khí hậu Việt Nam thay đổi theo mùa và theo vùng từ thấp lên cao, từ bắc vào nam và từ đông sang tây. Do chịu sự tác động mạnh của gió mùa đơng bắc nên nhiệt độ trung bình ở Việt Nam thấp hơn nhiệt độ trung bình nhiều nước khác cùng vĩ độ ở Châu Á.
Việt Nam có thể được chia ra làm hai đới khí hậu lớn: (1) Miền Bắc (từ đèo Hải Vân trở ra) là khí hậu nhiệt đới gió mùa, với 4 mùa rõ rệt (xn-hạ-thu-đơng), chịu ảnh hưởng của gió mùa Đơng Bắc (từ lục địa châu Á tới) và gió mùa Đơng Nam, có độ ẩm cao. (2) Miền Nam (từ đèo Hải Vân trở vào) do ít chịu ảnh hưởng của gió mùa nên khí hậu nhiệt đới khá điều hịa, nóng quanh năm và chia thành hai mùa rõ rệt (mùa khô và mùa mưa) [8].
Đối với miền Bắc, mùa thu và mùa đơng là thời điểm độ ẩm trong khơng khí thấp, trong khi mùa xuân và mùa hạ có độ ẩm cao; tương tự như vậy đối với miền Nam, với độ ẩm trong khơng khí cao vào mùa mưa và thấp vào mùa khô. Điều này ảnh hưởng rõ rệt đến không chỉ việc chụp ảnh các khu vực này mà còn cả chất lượng ảnh thu được, vào các thời điểm độ ẩm cao, dữ liệu ảnh thu được không tốt bằng tại các thời điểm độ ẩm thấp, mặc dù cùng một thiết bị chụp ảnh có chất lượng như nhau.
b. Đề xuất mức chất lượng ảnh
Trong suốt thời gian hoạt động, vệ tinh VNREDSat-1 vẫn duy trì giá trị MTF trên ngưỡng cho phép, đảm bảo cung cấp dữ liệu ảnh đúng chất lượng như thiết kế ban đầu. Tuy nhiên, do đặc thù điều kiện khí hậu của Việt Nam, các dữ liệu ảnh thu được tại các
khu vực khác nhau cũng có sự khác biệt nhất định. Trong phụ lục 7 sẽ minh họa các đối tượng phổ biến được vệ tinh VNREDDat-1 chụp vào những thời điểm khác nhau theo các mùa của hai đới khí hậu ở nước ta: ở miền Bắc là bốn mùa: Xuân, Hạ, Thu, Đông; ở miền Nam là hai mùa: Mưa và Khô (danh sách cảnh ảnh được liệt kê trong phụ lục 3).
Các đối tượng như khu vực đô thị, nơi tập trung đông dân cư và có nhiều cơng trình xây dựng được phân biệt khá rõ ràng vào hầu hết các mùa trong năm trên cả nước. Tuy nhiên khu vực thành phố ven biển vào mùa mưa như dữ liệu ảnh cho chất lượng không bằng thời điểm khác ví dụ ảnh VNREDSat-1, thành phố Nha Trang chụp vào 26/12/2019.
Hình 4.23: Ảnh VNREDSat-1, thành phố Nha Trang, ngày 26/12/2019 và biểu đồ phân bố độ xám
Trên hình 4.23 thấy được dữ liệu ảnh có độ tương phản trung bình, khơng tách biệt rõ ràng các đối tượng. Biểu đồ phân bố độ xám khơng tập trung, có dải giá trị trải khá dài do sự đa dạng của các đối tượng. Do đó, chất lượng ảnh trong trường hợp này chỉ được đánh giá ở mức trung bình.
Những khu vực dân cư thưa thớt hơn như các vùng nông thôn, chất lượng ảnh cũng khá tốt do độ tương phản giữa nhà ở và lớp phủ thực vật xung quanh. Tuy nhiên vào mùa xuân ở phía Bắc, độ ẩm trong khơng khí cao nên độ tương phản giữa các đối tượng thấp, dẫn đến chất lượng ảnh kém hơn, ví dụ dữ liệu ảnh VNREDSat-1, khu vực xã Đức Trung, Đức Thọ, Hà Tĩnh, chụp ngày 22/03/2019.
Hình 4.24: Ảnh VNREDSat-1, xã Đức Trung, Đức Thọ, Hà Tĩnh, ngày 22/03/2019 và biểu đồ phân bố độ xám
Dữ liệu ảnh này được đánh giá ở mức trung bình vì đây là dữ liệu ảnh có độ tương phản thấp, không tách biệt rõ ràng các đối tượng. Biểu đồ phân bố độ xám của dữ liệu tập trung, có dải giá trị ngắn (111-176) mặc dù trên ảnh loại đối tượng khá phong phú.
Các khu vực dân cư tập trung đơng, có nhiều đối tượng xây dựng khác nhau, với thời điểm chụp thích hợp sẽ cung cấp đầy đủ thông tin, phản ánh đúng chất lượng hoạt động của thiết bị thu nhận ảnh trên vệ tinh, ví dụ như ảnh VNREDSat-1 chụp khu vực Bình Đại, Bến Tre vào ngày 24/12/2019, tức là vào mùa khơ tại đây.
Hình 4.25: Ảnh VNREDSat-1, Khu vực Bình Đại, Bến Tre, ngày 24/12/2019 và biểu đồ phân bố độ xám
Với biểu đồ phân bố giá trị độ xám tập trung, có dải giá trị dài, phản ánh đầy đủ thông tin các đối tượng đa dạng trên ảnh, và dữ liệu ảnh có độ tương phản tốt, tách biệt rõ các đối tượng; dữ liệu ảnh này được đánh giá ở mức tốt.
Những khu vực đồng nhất như đồng ruộng hay rừng núi, mặc dù độ tương phản giữa các đối tượng tương đối thấp, nhưng trong nhiều trường hợp vẫn phân biệt được các đối tượng. Nhưng vào thời điểm mùa xuân ở miền Bắc, chất lượng ảnh kém hơn, ví dụ dữ
liệu ảnh VNREDSat-1 khu vực huyện Mường Lát, Thanh Hóa, chụp ngày 18/4/2019; hay cánh đồng tại huyện Đức Thọ, Hà Tĩnh, chụp ngày 22/03/2019.
Hình 4.26: Ảnh VNREDSat-1, khu vực Mường Lát, Thanh Hóa, ngày 18/04/2019 và biểu đồ phân bố độ xám
Dữ liệu ảnh tại thời điểm này chụp đối tượng rừng có độ tương phản thấp, khó phân biệt các đối tượng; biểu đồ phân bố độ xám tập trung, nhưng dải tập trung khá lớn và dải giá trị trên toàn biểu đồ là ngắn (51-106). Vì vậy, dữ liệu này chỉ được đánh giá ở mức trung bình.
Trên cơ sở phân tích các dữ liệu ảnh đã thu thập được cho hai khu vực khí hậu lớn và vào tất cả các mùa trong năm, nghiên cứu sinh đề xuất các mức chất lượng ảnh như sau:
- Chất lượng tốt: dữ liệu ảnh có độ tương phản tốt, tách biệt rõ ràng giữa các đối tượng, biểu đồ phân bố độ xám có dải giá trị dài, tập trung, phản ánh đầy đủ, chi tiết đối tượng trên ảnh, giá trị MTF trên 0,2;
- Chất lượng trung bình: dữ liệu ảnh có độ tương phản trung bình, có khả năng tách biệt các dạng đối tượng khác nhau trên ảnh, biểu đồ phân bố độ xám có khoảng giá trị tập trung khá lớn (khoảng 40% dải giá trị) , giá trị MTF khoảng 0,15 - 0,2;
- Chất lượng xấu: dữ liệu ảnh có độ tương phản kém, khơng tách biệt được các dạng đối tượng khác nhau trên ảnh, biểu đồ phân bố độ xám có dải giá trị ngắn, các giá trị trải dài