CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
3.1 Quy trình hiệu chỉnh bức xạ
Mục tiêu của quá trình hiệu chỉnh bức xạ là nhằm chỉnh sửa các sai lệch và thu lại các dữ liệu hữu ích từ dữ liệu ảnh thơ. Sau q trình hiệu chỉnh bức xạ, dữ liệu ảnh phải tương ứng với mức bức xạ đầu vào trên mặt đất cho từng kênh phổ.
Do các điểm ảnh không giống hệt nhau về mức độ hồi đáp và độ lệch tín hiệu tối, nên các đặc tính này của điểm ảnh cần phải được đo đạc riêng biệt và thực hiện hiệu chỉnh bức xạ. Quá trình hiệu chỉnh bức xạ được thực hiện đối với tín hiệu tối và mức độ hồi đáp khơng đồng đều của điểm ảnh. Quy trình cụ thể được trình bày dưới đây.
3.1.1 Hiệu chỉnh tín hiệu tối (DS)
Dữ liệu ảnh mức 0 Tệp tin DS mới Giá trị ngưỡng DS So sánh Tệp tin DS cũ Dưới ngưỡng Trên ngưỡng Dữ liệu ảnh mức 1A Hình 3.2. Quy trình hiệu chỉnh DS a. Dữ liệu ảnh mức 0 Tệp tin hiệu chỉnh DS
Trên Trái đất, biển và đại dương là các bề mặt trải rộng ít phản xạ hơn. Tính đặc biệt này bao phủ tồn bộ dải quang phổ hồng ngoại sóng ngắn, hồng ngoại khả kiến và sóng ngắn. Hơn nữa, khơng có nguồn bức xạ gây nhiễu khi khu vực này đủ xa các bờ biển. Do đó, vào ban đêm, những khu vực như vậy là thích hợp nhất để tạo ra tín hiệu tối. Vì những lý do này, dữ liệu mức 0 để hiệu chỉnh tín hiệu tối thường được chụp ở các đại dương vào ban đêm, và cần tránh ngày trăng tròn.
b. Thống kê giá trị bức xạ của các điểm ảnh
Thống kê (giá trị trung bình và độ lệch chuẩn cho mỗi điểm ảnh) thường được thực hiện trên hơn 10.000 dòng (tức là 10.000 mẫu thời gian trên mỗi điểm ảnh), đủ lớn để tính tốn một thống kê có liên quan về tín hiệu tối (thường là 500 hoặc 1000 các mẫu được cho là đủ). Khi đó các giá trị trung bình tương ứng với tín hiệu tối và độ lệch chuẩn đặc trưng cho nhiễu tối.
Thống kê giá trị bức xạ các điểm ảnh
Loại bỏ giá trị xấu
c. Loại bỏ giá trị xấu
Giá trị trung bình của tín hiệu tối phải được đánh giá trong từng kênh phổ và đối với mỗi điểm ảnh đơn lẻ (tức là tính khơng đồng nhất của tín hiệu tối phải được đặc trưng), để hiệu chỉnh hình ảnh thơ từ tín hiệu này.
Thực tế khi chụp ảnh biển hay đại dương vào ban đêm gặp nguồn sáng lạ như tàu thuyền,… dẫn đến sai lệch kết quả. Do vậy cần lọc bỏ các hàng ảnh có dữ liệu “xấu” này, độ lệch tối đa so với giá trị trung bình thường được quy định theo mỗi thiết bị chụp ảnh, đối với VNREDSat-1, giá trị này là 7LSB.
d. Tệp tin DS mới
Tệp tin tín hiệu tối mới được tạo ra sau khi đã loại bỏ các giá trị xấu, gây ảnh hưởng đến chất lượng đánh giá.
e. So sánh giá trị DS
Tệp tin hiệu chỉnh mới được so sánh với tệp tin hiệu chỉnh cũ để tính tốn ra sai số giữa hai lần hiệu chỉnh ; sai số này được so sánh với ngưỡng tín hiệu tối mà nhà sản xuất thiết bị chụp ảnh đưa ra. Nếu sai số dưới ngưỡng thì có thể tiếp tục tính tốn SNR; trong trường hợp sai số vượt qua ngưỡng thì cần phải hiệu chỉnh lại.
f.Hiệu chỉnh DS
Dịng tối được hiệu chỉnh bằng cách cập nhật trực tiếp lên hệ thống thu nhận ảnh trên vệ tinh hoặc cập nhật vào hệ thống thu nhận ảnh tại các trạm mặt đất. Trong thực tế vận hành hiện nay, phương án cập nhật vào các trạm thu nhận ảnh được sử dụng nhiều hơn, vì lý do đảm bảo an tồn cho quả vệ tinh. Kết quả đồng thời của việc hiệu chỉnh là tệp tin hiệu chỉnh DS, được dùng để tạo ra tệp tin hiệu chỉnh bức xạ.
3.1.2 Hiệu chỉnh mức độ hồi đáp không đồng đều của điểm ảnh (PRNU)
PRNU bao gồm bản thân sự thay đổi mức hồi đáp từng điểm ảnh của cảm biến và của thành phần điện tử, quang học (như sự giảm bức xạ từ trung tâm đến cạnh xảy ra trong tiêu diện). Tương tự như tín hiệu tối, mục tiêu phần này là xác định đặc điểm của sự không đồng nhất này để hiệu chỉnh dữ liệu nhằm đưa ra sản phẩm tốt nhất có thể. Q trình hiệu chuẩn này cịn được gọi là cân bằng và bao gồm việc đánh giá mức hồi đáp của từng cảm biến so với mức hồi đáp trung bình trong trường nhìn.
Sự khơng đồng nhất thường được mơ tả bằng cách coi sự hồi đáp của điểm ảnh gồm ba phần chính là: thành phần tần số thấp, có liên quan đến phần quang học của hệ thống tạo ra sự giảm bức xạ "tự nhiên" từ tâm đến rìa của mặt phẳng tiêu điểm; đóng góp chuỗi
Tệp tin PRNU cũ
điện tử, quyết định giá trị độ xám đầu ra; và một thành phần tần số cao, do các thuộc tính của cảm biến.
Quy trình hiệu chỉnh mức độ hồi đáp khơng đồng đều của điểm ảnh được mơ tả như hình 3.3 dưới đây. Dữ liệu ảnh mức 0 Tệp tin PRNU mới Giá trị ngưỡng PRNU So sánh Trên ngưỡng Dưới ngưỡng Dữ liệu ảnh mức 1A Tệp tin hiệu chỉnh PRNU
Hình 3.3. Quy trình hiệu chỉnh PRNUa. Dữ liệu ảnh mức 0 a. Dữ liệu ảnh mức 0
Để đánh giá thông số mức độ hồi đáp không đồng đều của điểm ảnh (PRNU), dữ liệu ảnh được sử dụng là ảnh chụp trên khu vực có mức bức xạ đồng nhất. Trên bề mặt Trái đất những khu vực này thường là sa mạc hoặc núi băng. Trong nghiên cứu, dữ liệu ảnh chụp các sa mạc được sử dụng làm dữ liệu đầu vào, các khu vực này được coi là đồng nhất và bất biến về mặt phản xạ theo thời gian [26,35,41,36,68]
Tính giá trị trung bình của ảnh
Lọc
b. Tính giá trị trung bình của ảnh.
Do tín hiệu được tích hợp dọc the các cột để giá trị trung bình chỉ bị ảnh hưởng bởi điểm ảnh của mỗi hàng ảnh, nên giá trị trung bình của ảnh trong trường hợp này được tính theo các hàng ảnh.
c. Lọc
Để tín hiệu đầu ra chỉ cịn là ảnh hưởng của phần điện tử, các thành phần tần số thấp và tần số cao trong PRNU sẽ được lọc. Thành phần tần số thấp được lọc để loại trừ sự thay đổi chậm có thể có do hiệu ứng cảnh quan hoặc hướng trong trường nhìn. Từ tín hiệu thu được, suy ra thành phần tần số cao. Kết hợp với tần số thấp được xác định ngay từ trước khi phóng và giả định là ổn định theo thời gian với thành phần tần số cao tạo ra hệ số cân bằng.
d. Tệp tin PRNU mới
Tệp tin PRNU mới được tạo ra sau khi thực hiện các phép lọc, và tái tạo lại giá trị PRNU của thiết bị thu nhận ảnh.
e. So sánh giá trị PRNU
Để đánh giá chất lượng phổ của thiết bị thu nhận ảnh, giá trị PRNU sau khi tích hợp được so sánh với tệp giá trị PRNU chuẩn, được ghi trong tập định dạng CPF do nhà sản xuất thiết bị quang học trên vệ tinh cung cấp hoặc tệp giá trị PRNU được tính tốn trong chu kỳ đánh giá trước. Nếu giá trị sai số dưới ngưỡng nhà sản xuất đưa ra thì có thể thực hiện tính tốn SNR; nếu giá trị sai số trên ngưỡng thì cần thực hiện hiệu chỉnh.
f.Hiệu chỉnh PRNU
Tương tự như trong trường hợp hiệu chỉnh dịng tối, việc hiệu chỉnh PRNU cũng có thể tiến hành theo hai trường hợp: (1) đưa lên vệ tinh và (2) đưa vào trạm xử lý ảnh mặt đất. Và phương án thích hợp cho điều kiện Việt Nam hiện nay là đưa vào trạm xử lý ảnh mặt đất để đảm bảo an toàn cho hệ thống vệ tinh VNREDSat-1. Đồng thời kết quả này cũng sẽ xuất ra tệp tin hiệu chỉnh PRNU.
Kết quả của quá trình hiệu chỉnh bức xạ là tệp tin hiệu chỉnh bức xạ được tổng hợp từ tệp tin hiệu chỉnh DS và tệp tin hiệu chỉnh PRNU.
3.2 Quy trình đánh giá chất lượng ảnh qua thông số SNR
Đây là công đoạn đầu tiên trong đánh giá chất lượng ảnh viễn thám quang học để đảm bảo chất lượng dữ liệu đầu vào cho các công đoạn đánh giá tiếp theo
Dữ liệu ảnh mức 1A
Giá trị SNR
Giá trị ngưỡng SNR
Đánh giá SNR Không đạt Không sử dụng Đạt
Dữ liệu ảnh mức 1A (bãi kiểm định) Tính tốn
Lấy mẫu
Trong giai đoạn này, dữ liệu mức 0 được sử dụng để đánh giá chất lượng ảnh qua thơng số tín hiệu tối DS, và mức độ hồi đáp không đồng đều của điểm ảnh PRNU, và hiệu chỉnh hai thông số này (nếu cần); sau đó sử dụng dữ liệu chụp các khu vực đồng nhất (các bãi kiểm định nhân tạo, hoặc tự nhiên) để tính tốn giá trị SNR và so sánh với giá trị thiết kế ban đầu đã đặt ra cho mỗi hệ thống vệ tinh viễn thám quang học (đối với VNREDSat-1 là SNR > 100 [31])
Quy trình Đánh giá chất lượng ảnh qua thông số SNR được mô tả cụ thể trong hình
3.4 dưới đây.
Hình 3.4. Quy trình đánh giá SNRa. Dữ liệu ảnh mức 1A a. Dữ liệu ảnh mức 1A
Sau khi loại bỏ sai số bức xạ thô nhờ tệp tin hiệu chỉnh bức xạ, dữ liệu ảnh mức 1A tại các khu vực đồng nhất trên bề mặt Trái đất được sử dụng để đánh giá SNR. Trong nghiên cứu, dữ liệu ảnh mức 1A chụp bãi kiểm định tại thành phố Buôn Ma Thuột sẽ được thu thập và sử dụng.
b. Lấy mẫu
Các ô mẫu được lấy là các ô màu đồng nhất trên bãi kiểm định gồm có ơ màu trắng và ơ màu đen tại khu vực đánh giá MTF, và các ô trên dải thang độ xám để đánh giá SNR.
c. Tính tốn
Theo định nghĩa, tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu được xác định bằng giá trị trung bình của tín hiệu μsig chia cho độ lệch trung bình của nền ảnh σbg [36].
Tuy nhiên, trong các bài toán xử lý ảnh, nhất là đối với dữ liệu ảnh có độ tương phản cao, nhiều hệ thống xử lý ảnh đồng nhất nền ảnh với màu đen tuyệt đối, từ đó đưa giá trị độ lệch trung bình nền ảnh σbg về 0, dẫn đến đưa giá trị SNR lên lớn vơ cùng. Do đó, trong trường hợp này, định nghĩa SNR được đổi thành tỉ số giữa giá trị trung bình của tín hiệu μsig chia cho độ lệch chuẩn của tín hiệu σsig (theo cơng thức 2.7)
d. Đánh giá SNR
Sau khi tính tốn giá trị SNR cho các kênh ảnh và so sánh với giá trị thiết kế ban đầu, nếu cao hơn thì có thể sản xuất ra sản phẩm ảnh mức 1A tại khu vực chụp các bãi kiểm định để phục vụ bước đánh giá tiếp theo, trong trường hợp nếu giá trị SNR vẫn thấp hơn giá trị thiết kế thì khơng sử dụng dữ liệu.
3.3 Quy trình đánh giá chất lượng ảnh qua thông số MTF
Sau khi chất lượng ảnh đảm bảo chất lượng theo yêu cầu về SNR, dữ liệu ảnh được đánh giá chất lượng qua thông số MTF, Tương tự như thông số SNR, mỗi hệ thống vệ tinh viễn thám quang học có một giá trị ngưỡng MTF khác nhau (đối với VNREDSat-1, giá trị ngưỡng MTF của hệ thống chụp ảnh là 0,08). Nếu giá trị tính tốn lớn hơn giá trị ngưỡng thì dữ liệu ảnh đạt chất lượng và có thể đưa vào sử dụng; nếu giá trị tính tốn thấp hơn giá trị ngưỡng thì dữ liệu ảnh khơng sử dụng được. Quy trình đánh giá MTF được mơ tả như hình 3.5 dưới đây.
Giá trị ngưỡng MTF
Dữ liệu ảnh
mức 1A (bãi kiểm định)
Đánh giá MTF Không đạt Khơng sử dụng
Đạt
Dữ liệu ảnh cấp cho người dùng Tính tốn MTF Xác định LSF Xác định ESF Chiết tách cạnh Lấy mẫu Hình 3.5. Quy trình đánh giá MTF a. Dữ liệu ảnh mức 1A (bãi kiểm định)
Dữ liệu mức 1A sau đánh giá SNR đạt yêu cầu để đảm bảo tính đồng nhất của các ơ mẫu đen trắng sẽ được dùng làm dữ liệu đầu vào cho việc đánh giá MTF.
Các dữ liệu để đánh giá thông số MTF được sử dụng trong nghiên cứu là dữ liệu VNREDSat-1, mức 1A, chụp bãi kiểm định tại Bn Ma Thuột, tỉnh Đắk Lắk, Việt Nam. Ngồi ra các dữ liệu khu vực bãi kiểm định Salon de Provence, cộng hịa Pháp [60] để đánh giá q trình hoạt động của vệ tinh, dữ liệu được thu thập liên tục từ năm 2015 đến nay. Bãi kiểm định Bn Ma Thuột chỉ có dữ liệu hai thời điểm là 2017 và 2018. Các dữ liệu này được liệt kê trong bảng 3.1 dưới đây.
Bảng 3.1. Dữ liệu được sử dụng để đánh giá MTF
STT Ngày chụp Vị trí
1 10/7/2015 Bãi kiểm định Salon de Provence 2 25/4/2016 Bãi kiểm định Salon de Provence 3 07/8/2017 Bãi kiểm định Salon de Provence 4 20/4/2018 Bãi kiểm định Salon de Provence 5 25/7/2019 Bãi kiểm định Salon de Provence 6 24/6/2020 Bãi kiểm định Salon de Provence 7 15/6/2021 Bãi kiểm định Salon de Provence 8 14/11/2017 Bãi kiểm định Buôn Ma Thuột 9 02/11/2018 Bãi kiểm định Buôn Ma Thuột
b. Lấy mẫu
Vùng ảnh được lấy để làm dữ liệu cho q trình tính tốn MTF là vùng ảnh có chứa một cạnh tương phản giữa hai ô màu đen và trắng, được đặt nghiêng một góc α so với các trục x và y của ảnh (xem hình 3.6). Giá trị của góc α đối với bãi kiểm định tại Salon de Provence là 14,9° [37] và bãi kiểm định tại Buôn Ma Thuột là 15°.
Hình 3.6. Hướng của cạnh trong hệ quy chiếu ảnh phục vụ tính MTF
Khoảng cách lấy mẫu được chọn theo sơ đồ trong hình 3.7 sau đây:
Hàng ảnh 1
2 3 4
Lưới lấy mẫu ảnh Lưới lấy mẫu chuẩn
Khoảng cách lấy mẫu đến điểm ảnh lân cận được cho bởi giá trị p. Khoảng cách lấy mẫu đơn vị theo hai trục x và y là bằng nhau (do trong trường hợp vệ tinh quang học quan sát trái đất hoạt động theo chế độ chổi đẩy nên độ phân giải theo hai trục là tương đương nhau). Giá trị của mỗi điểm ảnh trong hàng điểm ảnh sẽ đại diện cho hàm lan truyền cạnh ESF được lấy mẫu theo khoảng cách p. Từ một hàng ảnh sang hàng ảnh kế tiếp sẽ bị dịch một khoảng Δx do ảnh khu vực cạnh được chụp nghiêng góc so với đường bay của vệ tinh. Giá trị Δx được tính theo cơng thức dưới đây [30]:
Số lượng hàng ảnh trung bình lấy trong một cạnh được cho bởi:
Như vậy số hàng ảnh được sử dụng để lấy mẫu đối với bãi kiểm định Buôn Ma Thuột sẽ lần lượt là 3,732 hàng ảnh. Như vậy mỗi cảnh ảnh tại bãi kiểm định, số hàng ảnh được lấy mẫu là 4 hàng, các điểm ảnh được lấy đảm bảo tính đồng nhất và không bị ảnh hưởng do nhiễu từ các điểm ảnh ở rìa của ơ mẫu. Các hướng lấy mẫu được mơ tả cụ thể như hình 3.8 sau đây:
Hình 3.8. Lấy mẫu để đánh giá MTFc. Chiết tách cạnh c. Chiết tách cạnh
Đối với các bãi thử dạng cạnh như sử dụng trong nghiên cứu, phương pháp chiết tách cạnh từ vùng mẫu được sử dụng là phương pháp Canny [75,45] như đã trình bày trong mục 2.5.4, kết quả thu được đối với một vùng mẫu như hình 3.9 dưới đây:
d. Xác định ESF
Một nhóm N hàng ảnh liên tiếp được sử dụng để tái tạo lại hàm lan truyền cạnh ESF, với N được xác định sao cho tổng độ dịch cạnh từ hàng thứ nhất đến hàng thứ N có giá trị tương đương với kích thước biểu diễn của một điểm ảnh trên thực tế theo chiều x hoặc chiều y. Do độ dịch của cạnh tương ứng với giá trị kích thước một điểm ảnh biểu diễn trên thực thế có thể tương ứng với một số không nguyên hàng ảnh, số hàng ảnh được lấy theo điều kiện của cơng thức [56]:
Do đó cần xác định số N là số hàng ảnh sẽ sử dụng. Sau đó N hàng ảnh sẽ được lấy mẫu chồng chập để tái tạo lại hàm lan truyền cạnh ESF. Quá trình chồng chập được thực hiện theo cách: điểm ảnh 1 của hàng 1 được kế tiếp bởi điểm ảnh 1 của hàng 2, cứ như