CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
2.1 Thiết bị thu nhận ảnh và chất lượng ảnh
Nguyên lý hoạt động của viễn thám quang học có thể được hiểu đơn giản là dựa trên bức xạ điện từ lan truyền từ đối tượng tới cảm biến viễn thám. Theo nguyên lý thu nhận ảnh viễn thám quang học, các yếu tố chính liên quan đến chất lượng dữ liệu ảnh viễn thám quang học là tín hiệu đầu vào bộ cảm biến, đặc tính của bộ cảm và chất lượng hệ thống quang học [51,85]. Bên cạnh đó là các yếu tố khác như khí quyển hay khả năng phản xạ của các đối tượng trên mặt đất (minh họa trong hình 2.1)
Hình 2.1. Nguyên lý thu nhận ảnh viễn thám[10]
Một hệ thống chụp ảnh lý tưởng có thể biểu diễn tất cả các điểm trong không gian lên mặt phẳng ảnh cũng dưới dạng điểm, và giữ được khoảng cách tương đối giữa các điểm trong mặt phẳng ảnh giống như trong không gian vật. Tức là về mặt không gian, ảnh là bản sao chính xác của đối tượng và chỉ khác về kích cỡ. Hơn nữa, ảnh cịn tái thể hiện trung thực phân bố cường độ tương đối trong không gian vật.
Tuy nhiên, một hệ thống chụp ảnh lý tưởng như vậy khơng tồn tại trong thực tế vì các quang sai của thành phần quang học cấu thành thiết bị chụp ảnh [16]. Các quang sai này có thể được chia thành hai loại là: quang sai màu (những quang sai phụ thuộc vào bước sóng), và quang sai đơn sắc (quang sai độc lập với bước sóng). Bên cạnh quang sai,
một hiện tượng nữa cũng ảnh hưởng đến chất lượng hình ảnh là hiện tượng nhiễu xạ. Kết quả của các hiện tượng này là hình ảnh của đối tượng trên ảnh khơng cịn chính xác nữa (xem hình 2.2)
Hình 2.2. Ảnh hưởng của hiện tượng quang sai và ảnh trên tiêu diện [10]
Sự xuất hiện của ảnh số đã thay thế cho ảnh tương tự và tái tạo lại hình ảnh đối tượng dựa vào năng lượng cảm biến thu nhận được. Trên cơ sở đó, các thuật tốn xử lý ảnh số được nghiên cứu và phát triển để giảm thiểu việc mất thông tin; hơn nữa, sự phát triển của các kỹ thuật xử lý dẫn đến sự phát triển của các tiêu chí đánh giá chất lượng ảnh. Để đánh giá và nâng cao chất lượng dữ liệu viễn thám, cần phải xem xét một số khía cạnh của hoạt động khi vệ tinh đang hoạt động trên quỹ đạo. Những khía cạnh đó có thể được chia thành hai loại: bức xạ và không gian.
2.1.1 Chất lượng ảnh về mặt bức xạ
Một thiết bị thu nhận ảnh có thể thu thập dữ liệu trong một dải chiếu sáng rộng với các mức độ khác nhau tùy theo vĩ độ và độ phản xạ của vật thể, có thể hơn 90% đối với tuyết cho đến vài phần trăm đối với mặt nước. Do đó, tùy theo mục đích mà các cảm biến được thiết kế để thu được những giá trị bức xạ nằm trong khoảng nhất định đã được đặt trước. Mức thấp hơn thường bị mặc định là giá trị không bức xạ, giá trị bức xạ tối đa mà có thể đo được là giá trị bão hòa [33].
Thước đo khả năng của cảm biến trong việc phân biệt thay đổi nhỏ nhất phản xạ/phát xạ phổ giữa các đối tượng khác nhau được gọi là độ phân giải bức xạ. Giá trị này được biểu diễn dưới dạng thay đổi nhiễu phản xạ phổ tương đương NEΔρ ( hoặc nhiệt NEΔT). Thông số được định nghĩa là sự thay đổi phản xạ (nhiệt độ) tạo nên tín hiệu đầu ra của cảm biến bằng với giá trị trung phương của nhiễu tại mức tín hiệu đó. Để có thể đo đạc được ở mức độ thiết bị, thường sử dụng bức xạ vi sai nhiễu tương đương NEΔL thay cho NEΔρ. Chúng có thể được định nghĩa là sự thay đổi bức xạ đầu vào của cảm biến, sẽ
tạo nên tín hiệu đầu ra thay đổi tương đương giá trị trung phương của nhiễu tại mức tín hiệu đó; và phụ thuộc vào số lượng các thơng số như tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR), mức độ bức xạ bão hịa, số bit lượng tử hóa. Nếu tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu và mức bão hịa được lựa chọn đúng, thì về nguyên tắc, đối với một bức xạ cụ thể cả hai có cùng giá trị NEΔL. Các hệ thống hiện nay đang được thiết kế với mức mã hóa 11bit trở lên. Với các hệ thống này, trừ khi chúng có SNR tương đương, khơng kéo theo độ phân giải bức xạ tốt hơn.
Chất lượng bức xạ của thiết bị thu nhận ảnh phụ thuộc chủ yếu vào độ phân giải bức xạ, độ chính xác hiệu chỉnh, và hàm truyền điều biến MTF. Độ phân giải là sự khác biệt nhỏ nhất giữa hai giá trị rời rạc có thể phân biệt được nhờ thiết bị đo. Tuy nhiên, độ phân giải cao không nhất thiết mang tới độ chính xác cao. Độ chính xác là thước đo sự tiệm cận giữa giá trị đo và giá trị thực tế.
Bên cạnh đó, sai số bức xạ cũng có nguyên nhân một phần từ MTF của hệ thống. Như đã đề cập ở trên, MTF làm giảm độ tương phản của đối tượng thực tế trên mặt phẳng ảnh. Vì vậy, giá trị bức xạ do thiết bị thu được sẽ không phản ánh giá trị thực tế của điểm ảnh do tín hiệu của các điểm ảnh xung quanh nó. Điều này dẫn đến vấn đề trong phân loại ảnh đa phổ, vì giá trị bức xạ đo được phụ thuộc vào nguồn gốc các điểm ảnh xung quanh.
Một nguồn khác của sai số bức xạ là khí quyển, vì khí quyển sẽ “phá hỏng” giá trị phản xạ thật của đối tượng trên đường tới thiết bị chụp ảnh. Tán xạ trong khí quyển sẽ được thêm vào giá trị bức xạ trên đường từ bề mặt trái đất đến cảm biến, và lần lượt làm giám độ tương phản cũng như thay đổi giá trị phản xạ thật. Hiệu ứng khí quyển của những điểm ảnh lân cận đối với giá trị bức xạ của một điểm ảnh cho trước cũng ảnh hưởng đến độ phân giải không gian và sinh ra sai số bức xạ [54]. Sai số bức xạ thường làm cho độ chính xác phân lại giảm; tuy nhiên, các hiệu ứng này có thể hiệu chỉnh được ở một mức độ nhất định bằng cách sử dụng mơ hình thích hợp.
2.1.2 Chất lượng ảnh về mặt không gian
Đặc điểm về mặt không gian khi thiết kế thiết bị chụp ảnh là độ rộng của cảnh ảnh và độ phân giải không gian. Mặc dù rất phổ thông nhưng khái niệm độ phân giải khơng gian để hiểu chính xác địi hỏi khá nhiều cơng phu và có thể được hiểu theo nhiều cách. Thực tế cho thấy do hiện tượng nhiễu xạ của ánh sáng mà một điểm khơng bao giờ cịn là một điểm trên tiêu diện nữa, mà nó sẽ có dạng một đĩa sáng ở trung tâm với các vòng tròn mờ hơn ở xung quanh (xem hình 2.3), với các cực tiểu tối ở giữa các vịng trịn. Do
Tách biệt Khơng tách biệt
đó, hiện tượng nhiễu xạ làm giới hạn khả năng của hệ thống chụp ảnh để tách biệt hai đối tượng liền kề nhau.
Hình 2.3. Hình ảnh của một điểm sáng trên tiêu diện
Áp dụng quy tắc Rayleigh, ảnh của hai đối tượng dạng điểm được phân biệt khi tâm cực đại của mơ hình nhiễu xạ của điểm này trùng khớp với cực tiểu đầu tiên của mơ hình nhiễu xạ của điểm kia (xem minh họa hình 2.4)
Hình 2.4. Giới hạn phân giải
Theo một cách chung nhất, độ phân giải không gian là “thước đo” khả năng của cảm biến khi ghi nhận hình của các đối tượng kề nhau mà có thể phân biệt được chúng trên ảnh. Khi các cảm biến quang điện sử dụng các cảm biến rời rạc/mảng cảm biến để chụp ảnh, độ phân giải không gian là chiếu hình của phần tử cảm biến lên bề mặt đất thơng qua hệ thống quang học. 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. Khi đó kích thước 2,5 x
2,5m là vùng nhỏ nhất mà tại đó bức xạ thu được là một phần riêng biệt. Vết này được gọi là trường nhìn tức thời hình học (xem hình 2.5), đó là kích thước hình học của ảnh được chiếu hình nhờ cảm biến lên mặt đất thơng qua hệ thống hình học. Nhưng khơng đảm bảo rằng tất cả các vết của kích thước 2,5 m có thể phân biệt được trong VNREDSat-1 Pan. 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).
Hình 2.5. Mối quan hệ của FOV, IFOV, IGFOV [51]
Sau khi đi qua hệ thống quang học, hình ảnh thu được sẽ bị giảm độ tương phản, và đại lượng đặc trưng cho sự suy giảm độ tương phản với tần số không gian là hàm truyền điều biến MTF.
Nếu chúng ta cần phân biệt hai đối tượng kề nhau, thì sẽ có sự khác biệt bức xạ từ chúng tại bước sóng quan sát, sự khác biệt đó được gọi là tương phản. Nếu giảm độ tương phản của vật thể trên ảnh thu được thấp đến mức ngưỡng có thể phát hiện của hệ thống xử lý, thì các đối tượng như vậy sẽ khơng phát hiện được. Do đó, các đối tượng nhỏ hơn có tương phản cao hơn có thể được phát hiện được hơn là các đối tượng lớn hơn có độ tương phản thấp hơn.