1.2.2 Thông số liên quan đến yếu tố bức xạ
a. Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR)
Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu SNR là một trong các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng ảnh viễn thám quang học; và đây là thông số đặc trưng cho nhiễu bức xạ. Nhiễu ảnh định lượng bức xạ khác nhau tại một mức độ bức xạ cho trước nào đó đối với một khu vực đồng nhất.
Tùy theo bộ cảm biến của hệ thống chụp ảnh là dạng mảng hay ma trận mà chịu các ảnh hưởng nhiễu khác nhau. Nếu bộ cảm biến là dạng mảng thì các nguồn nhiễu của ảnh đến từ hai nguồn tách biệt đó là nhiễu thiết bị chụp và nhiễu do chuẩn hóa. Nếu bộ cảm biến là ma trận thì mỗi cảm biến phải chịu nhiễu từ bản thân nó; do có một vài bước chuẩn hóa để cân bằng tín hiệu giữa các cảm biến nên độ nhiễu được giả định giống như nhiễu chuẩn hóa [18].
b. Tín hiệu tối (DS)
Tín hiệu tối là độ chuyển dịch bức xạ cố định được đo đạc khi khơng có bức xạ vào đầu thu. Giá trị trung bình của tín hiệu tối phải được đánh giá trên từng kênh phổ và đối với từng điểm ảnh để hiệu chỉnh ảnh thô cho giá trị này [33,67]. Công tác đánh giá
thường được thực hiện nhằm phục vụ cho việc hiệu chỉnh này thực hiện đầu tiên trên dữ liệu thu được. Tín hiệu tối này thường bao gồm cả giá trị nhiễu.
c. Hồi đáp bức xạ không đồng đều của điểm ảnh (PRNU)
Khả năng đáp ứng bức xạ không đồng nhất của từng điểm ảnh bao gồm sự khác nhau giữa chính các cảm biến trên bộ cảm khi đáp ứng tín hiệu, khơng những vậy cịn do sự phân bố các điện tử và quang tử trên bề mặt cảm biến khi có tín hiệu[109,33].
Tương tự như giá trị DS, PRNU cũng được đánh giá và sử dụng để hiệu chỉnh dữ liệu ảnh trước khi sản xuất; q trình này cịn được gọi là q trình cân bằng, và bao gồm việc đánh giá khả năng đáp ứng giữa các cảm biến, cũng như đáp ứng trung bình trong tồn bộ trường nhìn của vệ tinh.
d. Dải động bức xạ
Dải động bức xạ hay dải động là một dải biên độ thể hiện mức độ chênh lệch giữa vùng sáng nhất và vùng tối nhất của cảnh mà máy ảnh ghi nhận được, nó thể hiện độ bão hịa của ảnh [51,67]. Khi thiết bị chụp ảnh bị lão hóa, có thể khơng thu được tín hiệu của vùng sáng nhất hoặc tối nhất, lúc này ảnh đã đạt đến ngưỡng bão hịa, khơng phân biêt được các tín hiệu có giá trị. Do vậy đây cũng là một yếu tố trong việc đánh giá thiết bị chụp ảnh thông qua dữ liệu ảnh.
Mặc dù có nhiều thơng số chỉ tiêu chất lượng, nhưng ảnh hưởng của chúng đến chất lượng ảnh được đưa vào phục vụ người dùng là khác nhau. Mặt khác, một số thơng số rất khó khăn trong việc đánh giá. Vì vậy cần xác định rõ những thơng số nào có ảnh hưởng lớn nhất đến chất lượng ảnh và có thể đánh giá được một cách chủ động.
Trong điều kiện thực tế hiện nay của Việt Nam, không phải thông số nào nêu trên cũng có khả năng đánh giá được hoặc một số thơng số không nhất thiết phải đánh giá. Các thơng số đó gồm:
- Độ méo ảnh: để đánh giá được thơng số này cần phải có mơ hình thiết kế mơ phỏng hệ thống quang học như trên vệ tinh mới có thể đánh giá được. Trong điều kiện hiện nay, những mơ hình như trên là chưa có và rất khó để xây dựng. Do vậy thông số này trong nghiên cứu sẽ khơng xét đến.
- Khoảng cách lấy mẫu góc: Tương tự như đối với độ méo ảnh, để đánh giá thơng số Khoảng cách lấy mẫu góc cũng cần phải có mơ hình thiết kế mơ phỏng hệ thống. Do vậy trong nghiên cứu cũng không đề cập đến thông số này.
- Chất lượng định hướng: đối với thơng số này, để đánh giá được địi hỏi phải có khung cơ học và khung mẫu thử thiết bị mơ phỏng tính tốn độ chính xác khi hoạt động. Đối với Việt Nam hiện nay, thiết bị này chưa có nên khơng thể tiến hành đánh giá được.
- Độ rộng dải chụp: về mặt kỹ thuật, độ rộng giải chụp hồn tồn có thể đánh giá được, tuy nhiên về mặt kinh tế rất tốn kém. Mặt khác đối với ảnh vệ tinh, thông số này không phải là một yếu tố quá quan trọng và ảnh hưởng quá nhiều đến chất lượng ảnh.
- Dải động bức xạ: thơng số này có thể đánh giá được bằng việc sử dụng những mục tiêu có độ trắng tuyệt đối, tuy nhiên tại Việt Nam hiện nay chưa có điều kiện để đánh giá thông số này.
- Khoảng cách lấy mẫu mặt đất: Đây là thông số thường được xem tương đương với độ phân giải không gian của dữ liệu ảnh viễn thám quang học, và cơng tác hiệu chỉnh hình học sẽ đảm bảo thông số này đáp ứng yêu cầu thiết kế của hệ thống thu nhận ảnh. Do đó, trong nghiên cứu sẽ khơng xét đến thông số này.
Sau khi đưa bãi kiểm định nhân tạo tại thành phố Buôn Ma Thuột, tỉnh Đắk Lắk, vào sử dụng từ năm 2017, Việt Nam hồn tồn có thể chủ động đánh giá được thông số SNR, MTF. Kết hợp với những bãi kiểm định tự nhiên được công nhận và sử dụng trên thế giới như các khu vực Đại Tây Dương, Thái Bình Dương,... các sa mạc tại Lybia, Angeria, Ả-rập,... thông số DS và PRNU cũng hoàn toàn thực hiện đánh giá được.
1.3 Tổng quan về đánh giá chất lượng ảnh viễn thám quang học
1.3.1 Trên thế giới
Trên thế giới, hiện có nhiều quốc gia, vùng lãnh thổ tự phóng vệ tinh viễn thám như Mỹ, Nga, Cơ quan vũ trụ Châu Âu, Trung Quốc, Nhật Bản, Ấn Độ. Đối với các quốc gia và vùng lãnh thổ này, song song với việc vận hành và khai thác vệ tinh viễn thám, công tác đánh giá chất lượng ảnh viễn thám luôn được chú trọng. Liên quan đến cơng tác này, có rất nhiều các nghiên cứu đã được công bố. Trên thế giới, việc đánh giá chất lượng ảnh thường được thực hiện ở một số dạng như đánh giá và hiệu chỉnh bức xạ ảnh, đánh giá và hiệu chỉnh hình học ảnh,…Về phương pháp, hiện nay có nhiều phương pháp đánh giá như sử dụng vật chuẩn để đánh giá; sử dụng phương pháp đánh giá chéo. Tuy nhiên, phương pháp đánh giá chéo chỉ thích hợp với việc đánh giá phổ và đánh giá độ đồng nhất của ảnh. Để đánh giá độ tương phản và GSD cần phải sử dụng vật chuẩn để so sánh các giá trị này đo được trên ảnh và đo được trên vật chuẩn [15].
Đối với đánh giá giá trị bức xạ ảnh, hiện nay có rất nhiều nghiên cứu liên quan đến nội dung này, trong đó gần đây nhất phải kể đến các cơng trình nghiên cứu đánh giá và hiệu chỉnh ảnh Landsat8 OLI_TIR [72]. Trong nghiên cứu, các tác giả đã sử dụng phương pháp đánh giá chéo giữa ảnh Landsat 8 và Landsat 7 trên khu vực Lybia. Kết quả này đã cho thấy, giá trị bức xạ trên ảnh Landsat 8 và Landsat 7 tại các điểm chọn mẫu có độ sai khác khoảng 3%. Một kết quả nghiên cứu khác có liên quan đến nội dung này là các công bố về đánh giá và hiệu chỉnh bức xạ ảnh Aster [9]. Trong nghiên cứu, các tác giả đã cung cấp một cách tóm tắt nhưng đầy đủ về những vấn đề đặt ra và cách giải quyết việc nhiễu xạ giữa 2 kênh ảnh VNIR và SWIR.
Việc đánh giá độ tương phản ảnh rất quan trọng đối với các ảnh quang học độ phân giải cao, đặc biệt là siêu cao như Quickbird, Woldview-2,…Các tác giả đã đưa ra công thức hiệu chỉnh giá trị tương phản của 8 kênh ảnh của Worldview-2 [96] dựa trên mối quan hệ phi tuyến tính giữa bộ cảm biến và các giá trị phản xạ thu được tại 7 điểm kiểm tra thực địa.
Nhà sản xuất vệ tinh SPOT đã thực hiện đánh giá chất lượng ảnh qua thơng số SNR, MTF. Trong đó, giá trị SNR được phân biệt nhiễu thành hàng và cột; nhiễu của ảnh sẽ là sự kết hợp theo hàm tổng bậc 2 của nhiễu hàng và nhiễu cột, và thường được tính trên một ma trận 50x50 điểm ảnh. SPOT sử dụng các cảnh ảnh một khu vực đồng nhất như sa mạc hay băng tuyết; kết hợp với các mơ hình nhiễu [62]. Các kết quả thu được tương ứng với các đo đạc trên vệ tinh mà nhà sản xuất đã tiến hành. Đối với hệ thống vệ tinh SPOT5, thuật toán “gờ” được áp dụng để đánh giá độ sắc nét của ảnh cho kênh toàn sắc và dùng bãi kiểm định tại Salon de Provence. Kết quả cũng chỉ ra sự suy giảm trên HRG2 làm cho giá trị MTF tăng [38]. Điều này đã giúp cho SPOT hiệu chỉnh kịp thời vào tháng 4/2011.
Đối với hệ thống vệ tinh QuickBirds, tác giả Paul W. Scott_Kỹ sư trưởng về thiết bị chụp ảnh của DigitalGlobe cũng đã đánh giá MTF dựa trên 16 cảnh ảnh khác nhau chụp trong vòng gần 2 năm (từ 12/5/2001-02/3/2003) và thuật toán “gờ” với các vật chuẩn được sơn trên mặt đất để thực hiện [90]. Tác giả đã chỉ ra rằng, khi lấy mẫu, nếu sử dụng nội suy song tuyến cho các giá trị MTF thấp hơn; nếu sử dụng nội suy 8-Point Sinc thì giá trị MTF cao hơn. Các giá trị MTF kết quả sẽ rất khác nhau phụ thuộc vào việc tái chia mẫu khoảng cách lấy mẫu mặt đất và khoảng cách lấy mẫu tự nhiên. Kết quả thu được cho thấy giá trị trung bình của MTF tại tần số Nyquist theo cả hai hướng dọc và
ngang với hướng bay đều đạt yêu cầu kỹ thuật đề ra là >0.1. Điều này chứng tỏ vệ tinh vẫn đang hoạt động tốt và theo đúng thiết kế ban đầu; các kết quả này phù hợp theo thời gian và trên tồn trường nhìn của vệ tinh.
Hầu hết các vệ tinh độ phân giải cao đều tập trung đánh giá MTF_giá trị cơ bản đặc trưng cho thiết kế hệ thống chụp ảnh và chất lượng hệ thống hình học thường dùng trong viễn thám. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng thuật toán “gờ” với các ảnh chụp khu vực bãi kiểm định được kẻ ô đen trắng và dùng cạnh của các tịa nhà cao tầng có độ phản xạ cao để đánh giá MTF của dữ liệu Orbview-3 [56]. Giá trị MTF được tính tốn trên sản phẩm ảnh cơ bản của hệ thống với mức độ mã hóa 11bit, đồng thời cũng được tính trên các ảnh được tăng cường chất lượng (pan-sharpenend) và khơng tăng cường chất lượng. Đồng thời cũng tính theo hai hướng dọc và ngang với hướng bay của vệ tinh. Tác giả cũng cho rằng MTF chỉ là một phần trong toàn bộ chất lượng ảnh của hệ thống và nó cần được kết hợp với SNR và độ chính xác bức xạ. Đồng thời các kết quả của nghiên cứu cũng cần phải so sánh với các cảm biến khác.
Đối với hệ thống vệ tinh Sentinel-2 của Châu Âu, công tác đánh giá được thực hiện theo chu kỳ hàng năm ở các mức dữ liệu 1A, 2A, trong đó mức 1A được đánh giá trên các chỉ số như SNR, MTF, mức độ hồi đáp của điểm ảnh, cân bằng bức xạ, bức xạ gián tiếp tuyệt đối,…[67]
Để đánh giá SNR, nhóm nghiên cứu đã đo đạc và phân tích theo hai chu kỳ thời gian và với hai phương pháp khác nhau. Đối với dữ liệu hàng tháng SNR được đo đạc sử dụng các cảnh ảnh có khuếch tán mặt trời và tín hiệu tối; đối với các dữ liệu hàng 6 tháng, SNR sẽ được đo đạc trên các bề mặt đồng nhất và các ảnh tín hiệu tối sử dụng các vật chuẩn tự nhiên như sa mạc, đảo Greenland hay Nam Cực. Các dữ liệu đầu vào cho công tác đánh giá SNR là các ảnh tối, ảnh có khuếch tán mặt trời, các vật chuẩn đồng nhất, và các hệ số có liên quan như hiệu chỉnh tia sáng lạc, góc tới, mức độ sáng,… Giá trị bức xạ trên ảnh được kết hợp với dữ liệu tín hiệu tối và được sử dụng để đưa ra hệ số trong mơ hình nhiễu, sau đó sẽ đưa ra giá trị SNR. Phương pháp này chủ yếu sử dụng các vật chuẩn tự nhiên, những khu vực được coi là bề mặt Lambert (bề mặt khuếch tán lý tưởng)
Đối với MTF, Sentinel-2 sẽ được ước tính giá trị MTF theo hàng năm. Phương pháp được sử dụng ở đây là phương pháp đo đạc xung hồi đáp qua vật chuẩn dạng cạnh (ví dụ như ranh giới đất/nước) hoặc vật chuẩn dạng xung (ví dụ như cầu). Phương pháp
vật chuẩn dạng cạnh sử dụng việc chuyển trạng thái giữa bề mặt tối và sáng, các vật chuẩn dạng cạnh tương ứng với cạnh Heaviside độ tương phản cao. Phương pháp này sử dụng các vật chuẩn nhân tao với bề mặt được sơn sáng tối; hay các vật chuẩn tự nhiên như các cánh đồng, nơi đỗ xe, cạnh chuyển đổi giữa mặt đất/nhà, nước/băng,…[67] Phương pháp vật chuẩn xung sử dụng một vùng sáng được bao quanh bởi một vùng tối khác. Các vật chuẩn này thường được sơn trên các bề mặt bê tơng hay các tấm vải đen trắng cụ thể nào đó; chúng cũng có thể là các đối tượng nhân tạo như các cây cầu, hay sọc trắng trên đường băng.
Đối với vệ tinh Hyperion Các nhà nghiên cứu đã dùng thuật tốn “gờ” để tính tốn LSF, sau đó giá trị MTF được xác định từ biến đổi Fuorier của LSF [76]. Cảnh ảnh được sử dụng là ảnh chụp cây cầu giữa vịnh ở Destin, Florida với chiều rộng 13,02 mét. Giá trị MTF thu được tại tần số Nyquist là trong khoảng 0,39-0,42 trong khi giá trị trước khi phóng lên quỹ đạo là 0,42. Như vậy tức là hệ thống chụp ảnh trên vệ tinh vẫn hoạt động tốt, đảm bảo yêu cầu kỹ thuật theo đúng thiết kế.
Tương tự như với vệ tinh Hyperion, vệ tinh Landsat7 cũng đã từng được ước tính giá trị MTF sử dụng một cây cầu ở hồ Pontchartrain Causeway, bang Luouisiana, Hoa Kỳ do tác giả Jame C. Storey của trung tâm dữ liệu EROS, Cơ quan Khảo sát Địa chất Hoa kỳ thực hiện [98]. Mặc dù khi công bố, kết quả thu được mới đánh giá được hai năm đầu hoạt động của vệ tinh nhưng các kết quả cũng chỉ ra sự suy giảm hiệu suất MTF là hịan tồn dự đốn được. Sự thống nhất giữa mơ hình trước khi phóng, các phép đo từ dữ liệu ảnh và độ ổn định tương đối của các phép đo đó trên các kênh phổ, cho thấy việc ước tính MTF đang mang lại hiệu quả thực tế rõ ràng và phương pháp nghiên cứu này cung cấp một phương tiện giám sát hiệu quả hoạt động của vệ tinh Landsat-7 ETM+.
Các tác giả ở Thái Lan cho rằng có nhiều phương pháp để ước tính MTF cho các vệ tinh như: phương pháp xung lực, phương pháp hình sin, phương pháp sống dao, phương pháp xung, nhưng đối với vệ tinh có độ phân giải cao thì phương pháp sống dao với các mục tiêu cạnh là hợp lý nhất, đây cũng là phương pháp mà vệ tinh SPOT5, ALOS PRISM, Kompsat-2,... đã từng sử dụng [77]. Do đó, họ cũng áp dụng phương pháp này với bãi kiểm định ở Salon de Provence, Pháp để ước tính giá trị MTF của vệ tinh THEOS. Họ cũng cho rằng các bãi kiểm định nhân tạo với các vật chuẩn được thiết kế với kích thước, màu sắc,... cho trước là cần thiết và bắt buộc để đánh giá chất lượng thiết bị chụp ảnh thông qua dữ liệu ảnh. Tuy nhiên, nghiên cứu này lại tập trung vào việc lý
giải cho kích thước, hướng của vật chuẩn để ước tính MTF mà khơng cơng bố kết quả ước tính.
Ngay từ những năm đầu khi dữ liệu viễn thám cịn chưa phổ biến nhiều, cơng tác đánh giá chất lượng ảnh đã được quan tâm nghiên cứu và đã có nhiều đề xuất được đưa ra. Để có thể sử dụng tốt nhất dữ liệu AVIRIS, NASA đã đề xuất phương pháp đánh giá SNR theo phương pháp địa thống kê [29]_đây là một phương pháp mới so với các