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 khơng 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 vậy cho đến điểm ảnh 1 của hàng thứ N, tiếp đó đến điểm ảnh 2 của hàng 1, điểm ảnh 2 của hàng 2…và điểm ảnh 2 của hàng N cho đến hết. Quá trình này được thực hiện như hình 3.10 trong đó mỗi hàng được dịch đi Δx so với hàng ảnh kề trước nó.
Sau khi xác định được ESF, LSF sẽ được tính tốn bằng hàm vi phân như sau:
Đường cong ESF và LSF được minh họa trong hình 3.11 sau đây.
Hình 3.11. Ví dụ minh họa xác định ESF và LSFf.Tính tốn MTF f.Tính tốn MTF
MTF được xác định bằng cách sử dụng biến đổi Fourier đối với LSF. Đường cong MTF có dạng như trong hình 3.12.
Hình 3.12. Ví dụ minh họa đường cong MTFg. Đánh giá MTF g. Đánh giá MTF
Giá trị ngưỡng của MTF được nhà sản xuất cung cấp, được xác định trên cơ sở hệ thống quang học được thiết kế cho mỗi loại vệ tinh khác nhau. Đối với vệ tinh VNREDSat-1, giá trị MTF ngưỡng là 0,08. Nếu giá trị MTF tính tốn thấp hơn giá trị ngưỡng thì dữ liệu ảnh khơng đảm bảo chất lượng và không được đưa vào sử dụng. Nếu cao hơn giá trị ngưỡng thì dữ liệu được tiến hành sản xuất ảnh.
Mặc dù đảm bảo chất lượng theo thiết kế của hệ thống, tuy nhiên chất lượng ảnh có thể vẫn chưa đáp ứng được nhu cầu của người sử dụng. Căn cứ nhu cầu sử dụng và thông số kỹ thuật của dữ liệu ảnh, đề xuất các mức chất lượng tương ứng với giá trị MTF.
Hầu hết các hệ thống vệ tinh thực hiện đánh giá chất lượng ảnh thông qua các giá trị SNR, MTF mới chỉ dừng lại ở mức so sánh với thiết kế ban đầu mà chưa đề xuất mức chất lượng trên cơ sở nhu cầu của người dùng.
Quy trình đánh giá chất lượng theo nhu cầu sử dụng là một phần mới được đề xuất trong quy trình đánh giá chất lượng ảnh và được mơ tả trong hình 2.36 dưới đây, trong đó bao gồm các bước sau:
a. Dữ liệu ảnh cấp cho người dùng
Dữ liệu ảnh VNREDSat-1 có độ phân giải khơng gian tối đa là 2,5m đối với kênh tồn sắc và có khả năng tăng cường chất lượng ảnh bằng cách trộn dữ liệu toàn sắc và dữ liệu đa phổ (độ phân giải không gian 10m) để thu được dữ liệu ảnh có độ phân giải khơng gian cao (2,5m) và mang thêm thông tin về đối tượng được chụp ảnh.
b. Đánh giá phù hợp
Xuất phát từ nhu cầu thực tế sử dụng dữ liệu VNREDSat-1 trong việc thành lập, hiện chỉnh, xây dựng bản đồ chuyên đề,… ở các tỉ lệ 1:25.000, 1:50.000, đề xuất các mức đánh giá chất lượng dựa trên thông số MTF tương ứng như sau:
Giá trị MTF trong khoảng < 0,15: mức xấu, không nên sử dụng
Giá trị MTF trong khoảng 0,15-0,2: mức trung bình, nên sử dụng cho tỉ lệ 1:50.000 và nhỏ hơn
Giá trị MTF > 0,2: mức tốt, có thể sử dụng cho tỉ lệ 1:25.000 và nhỏ hơn
c. Tăng cường chất lượng MTF của ảnh
Trong trường hợp dữ liệu ảnh có giá trị MTF thấp hơn yêu câu, ví dụ giá trị MTF là 0,15 trong khi yêu cầu sử dụng là tỉ lệ 1:25.000 thì cần thực hiện công tác tăng cường chất lượng ảnh, để đảm bảo chất lượng dữ liệu đáp ứng yêu cầu.
Bản chất của quá trình tạo ảnh hình học qua các hệ thống quang học là nhân chập hàm lan truyền điểm ảnh, và giá trị MTF là giá trị tuyệt đối của biến đổi Fourier của hàm làn truyền điểm PSF, nên để tăng cường chất lượng ảnh có thể sử dụng phương pháp nhân chập ngược.
này sẽ chuyển một mảng đầu vào g(u,v) trong không gian vật thành mảng đầu ra R(x,y) trong không gian ảnh [49]
Với đa phần các hệ thống quang học, hàm PSF có để được xấp xỉ gần đúng bởi hàm Gaussian đối xứng trịn [1]
Trong đó x và y là toạ độ của điểm ảnh trong không gian ảnh ngang và dọc theo đường bay, u và v là toạ độ của vật được chụp trong không gian vật tương ứng. Thơng số
được xác định bởi kích thước điểm ảnh. Hồi đáp chuẩn hóa
Hình 3.13. Lan truyền cường độ bức xạ tại một điểm ảnh
Trên hình 3.13 cho thấy, cường độ bức xạ tại một điểm ảnh thu nhận bởi hệ quang học chụp ảnh là một hàm chồng chập của nhiều điểm ảnh lân cận. Các điểm ảnh càng xa điểm ảnh được xét càng có ít ảnh hưởng lên điểm ảnh này. Một điểm ảnh thu được một tín hiệu hồn hảo khi tín hiệu của điểm ảnh này chỉ do bức xạ chiếu đến đúng vật mà nó chụp sinh ra.
Do một hệ thống chụp ảnh bao gồm cả hệ thống quang học và đầu thu là một hệ thống rời rạc, với phần tử thu nhận ảnh nhỏ nhất là một điểm ảnh, phương trình PSF ở trên có thể được viết lại dưới dạng rời rạc. Theo hình trên, khi tính tốn mức bức xạ thu nhận được tại một điểm ảnh, chỉ xét mức bức xạ tại điểm ảnh đó và một vài đóng góp bức xạ từ các điểm ảnh lân cận. Gọi là đáp ứng tích phân của đầu thu đối với bức xạ từ điểm ảnh đang xét và các điểm ảnh lân cận. được chuẩn hố bởi đáp ứng trung bình. PSF rời rạc trong khơng gian hai chiều có thể được viết lại thành [56]
lại ma trận 3x3 trong phương trình trên trở thành {PSFi,j()}, i,j = 1,2,3, mối quan hệ giữa mức bức xạ thu nhận được tại một điểm ảnh sau khi đã có ảnh hưởng từ PSF tại mỗi điểm ảnh (p,l) (ngoại trừ các điểm ảnh tại rìa ảnh) là [94]
với p = 2,....,M-1 và l = 2,...,N-1, trong đó M và N lần lượt là số lượng điểm ảnh trên một hàng ảnh và số lượng hàng ảnh trên một cảnh ảnh.
Đối với ảnh viễn thám quang học, do ảnh được chụp từ khoảng cách rất xa, giới hạn phân biệt của một thiết bị quang học được tính như sau:
fcutoff = D/F (3.9)
Theo đó, đóng góp của một điểm ảnh thứ i vào điểm ảnh thứ j trong khơng gian ảnh (x,y) được tính bởi:
Do mẫu vật được chụp g(u,v) có thể có độ phân giải khơng gian nằm trong hoặc nằm ngồi giới hạn phân biệt của hệ thống thu nhận ảnh, phương trình trên được xấp xỉ theo cơng thức nhân chập ngược trong phương trình 2.36 như sau:
một cảnh ảnh có thể chứa đến hàng chục ngàn hàng ảnh, số lượng phép tính phải tính theo phương trình trên là rất lớn.
Dữ liệu ảnh cấp cho người dùng
Đạt
Dữ liệu ảnh thỏa mãn yêu cầu
Hình 3.14. Quy trình đánh giá chất lượng theo nhu cầu sử dụngd. Dữ liệu ảnh thoả mãn yêu cầu d. Dữ liệu ảnh thoả mãn yêu cầu
Đây là dữ liệu ảnh đáp ứng yêu cầu kỹ thuật của hệ thống chụp ảnh cũng như các tiêu chí của người dùng.
3.5 Bãi kiểm định phục vụ công tác đánh giá chất lượng ảnh
3.5.1 Bãi kiểm định cố định
Tùy theo mục đích, mức độ chính xác, độ ổn định của thiết bị thu nhận ảnh và sản phẩm ảnh đầu ra của các hệ thống vệ tinh mà có thể lựa chọn các bãi kiểm định đơn lẻ hay thành mạng lưới, dạng tự nhiên hay nhân tạo. Trên cơ sở đó, có thể chia các bãi kiểm định cố định thành các dạng sau [35,23]
- LES (Land Equipped Site): Bãi kiểm định trên đất liền có trang thiết bị - SES (Sea Equipped Site): Bãi kiểm định trên biển có trang thiết bị
- LNES (Land Non Equipped Site): Bãi kiểm định trên đất liền khơng có thiết bị - SNES (Sea Non Equipped Site): Bãi kiểm định trên biển khơng có trang thiết bị Một bãi kiểm định được lựa chọn cần định danh thông qua các thông tin như sau: - Tên
- Tọa độ (kinh độ và vĩ độ) - Quốc gia
Một bãi kiểm định cần đáp ứng một số thông tin cơ bản nhất định để đảm bảo tiêu chuẩn cho mục đích kiểm định, đồng thời cũng có thể đáp ứng cho nhiều mục đích trong
những yêu cầu khác nhau [95,35,71,14]. Tổng hợp các điều kiện cần thiết đối với các bãi kiểm định được thể hiện trong bảng 3.2 dưới đây [35]
Bảng 3.2. Thông tin yêu cầu mô tả đối với mỗi bãi kiểm định
Yêu cầu LES SES LNES SNES
Vị trí vật chuẩn X X X X
Thơng tin lý luận X X
Khí hậu khu vực X X X X
Phương pháp kiểm định X X
Thiết bị đo đạc tại vật chuẩn X X
Độ chính xác đo đạc X X
Sử dụng vật chuẩn X X X X
Kế hoạch lấy mẫu X
Thông tin liên hệ X X X X
Các dữ liệu sẵn có X X X X
Tư liệu tham khảo X X X X
Bên cạnh đó, các bãi kiểm định cần cung cấp các thơng tin khác nhau như:
- Kiến thức hiểu biết khoa học thông thường. Một bộ các bãi kiểm định thường được lấy từ một cộng đồng kiểm định, các bãi này thường được sử dụng rộng rãi và thường được chú ý nhờ vào đặc tính cụ thể của chúng.
- Các ấn phẩm/báo cáo kỹ thuật: các ấn phẩm tham khảo là một nguồn thông tin liên quan quan trọng
- Thông tin web: Việc sử dụng các bãi kiểm định này có thể tìm được trên mạng ví dụ như: CEOS, NCAVEO, USGS,…
3.5.2 Bãi kiểm định di động
Bãi kiểm định di động nhân tạo là các mục tiêu tham chiếu tiêu chuẩn phổ biến nhất. Loại mục tiêu (vật chuẩn) di động sở hữu lợi thế về độ chính xác, tính đồng nhất và tính linh hoạt cao khi được triển khai cho mục đích kiểm định và hiệu chỉnh chất lượng ảnh viễn thám quang học [63]. Trên thế giới có nhiều vật chuẩn nhân tạo di động khác nhau đã được phát triển nhằm kiểm định radiometric, đặc tính khơng gian và quang phổ của các cảm biến viễn thám quang học trong khơng khí. Thơng thường có ba loại vật chuẩn nhân tạo di động tiêu chuẩn được sản xuất bằng cách vẽ trên bạt.
Dạng vật chuẩn này có một số kiểu như dạng hình quạt với bán kính khoảng từ 10- 30m, với các rẻ quạt được sơn đen trắng xen kẽ và các phân đoạn nhỏ giữa các rẻ quạt với góc khoảng 1-5°, tùy theo mục đích và độ phân giải của ảnh cần kiểm định; dạng kẻ thành cột song song, mỗi cột chia thành các thang đen-trắng, dạng ơ vng kiểu bàn cờ vua …[35]
Hình 3.15 là ví dụ về vật chuẩn di động dạng rẻ quạt của Trung Quốc. Vật chuẩn này được thiết kế với bán kính là 15m, khoảng chia giữa các rẻ quạt với góc 3° và được sơn hai màu đen, trắng xen kẽ nhau [63]
Hình 3.15. Vật chuẩn di động dạng rẻ quạt
Hình 3.16 là ví dụ về vật chuẩn di động dạng hàng kẻ và dạng ơ vng bàn cờ vua.
Hình 3.16. Vật chuẩn di động dạng cột (trái) và dạng ô vuông (phải) b. Bãi kiểm định dạng thang độ xám
Bãi kiểm định dạng thang tỷ lệ màu xám được sơn thành các ơ theo cấp độ xám khác nhau, có khả năng phản xạ với các mức khác nhau là 5%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%,… (Hình 3.17).
Bãi kiểm định đa màu sắc nhằm đánh giá phổ của ảnh viễn thám. Hình 3.18 ví dụ vật chuẩn di động đa màu sắc được ghép từ nhiều tấm vải bạt sơn các màu khác nhau.
Hình 3.18. Vật chuẩn di động đa màu sắc
3.5.3 Tiêu chí lựa chọn bãi kiểm định
Để giảm thiểu ảnh hưởng của sol khí và ảnh hưởng của hơi nước trong khí quyển, các bãi kiểm định thường được đặt ở các khu vực có độ cao lớn, cách xa đại dương, cách xa đô thị và khu công nghiệp (giảm thiểu sol khí do hoạt động của con người). Để giảm thiểu ảnh hưởng do mây, bãi kiểm định nên được đặt tại vùng có độ ẩm thấp, khơ cằn. Xác suất có mây thấp đồng nghĩa với việc hiệu suất chụp ảnh sẽ được nâng cao. Bên cạnh đó là ảnh hưởng của lượng mưa, sự thay đổi này dẫn đến độ ẩm đất thay đổi và vì thế cũng thay đổi phản xạ bề mặt của bãi kiểm định.
Bề mặt của các bãi kiểm định hầu hết là bằng phẳng, ít chịu ảnh hưởng của độ dốc. Điều này rất quan trọng nếu có nhiều thiết bị chụp thực hiện kiểm định chéo có các kênh phổ với mức độ nhạy khác nhau. Đối với loại bãi kiểm định tự nhiên như sa mạc, thì các đụn cát được phân loại là dạng tuyến vì chúng có độ dài khá lớn, thậm chí lên đến hàng chục km.
thước điểm ảnh, để giảm thiểu ảnh hưởng của tỉ lệ dữ liệu bức xạ đến kích thước bên trong vậy chuẩn. Giá trị ngưỡng đồng nhất không gian thường là 3% [35]. Thuộc tính bề mặt của bãi kiểm định là bất biến theo thời gian. Nếu khơng, độ chính xác sẽ chỉ đạt được khi các thuộc tính này được đo cho mỗi kiểm định. Điều này tức là trên bề mặt bãi kiểm định nên khơng có hoặc rất ít thực vật.
Ngồi ra, các thơng tin liên quan đến hậu cần cũng ảnh hưởng nhất định đến việc lựa chọn bãi kiểm định, nhưng chủ yếu là đến hai loại bãi kiểm định là LES và SES. Mục đích chính của yêu cầu này là tạo điều kiện tiếp xúc bãi kiểm định một cách dễ dàng bằng đường bộ hay thuyền.
Các tiêu chí lựa chọn bãi kiểm định có thể được tổng hợp trong bảng 3.3 dưới đây [35]
Bảng 3.3. Một số tiêu chí lựa chọn bãi kiểm định
Tên Tiêu chí Thơng số Loại bãi kiểm
định
Địa hình
Độ cao Giảm thiểu tán
xạ sol khí Độ cao LES LNSE Hình thái địa hình Bằng phẳng Độ dốc, hướng LES LNSE Loại mặt
nước Loại nước
Đặc tính vật lý, sinh học và quang học Độ sâu SES SNSE Hậu cần Khả năng tiếp cận Khoảng cách đến thành thị LES Khả năng phục vụ Khoảng cách đến bờ biển Hỗ trợ hậu cần thuận tiện An toàn cho thợ lặn và thuyền nhỏ hoạt động SES Khí hậu Đồng nhất khơng gian Kích cỡ Cỡ, bề mặt LES LNSE SES SNSE Đồng nhất không gian Sự khác nhau của phản xạ bề mặt trên vật mẫu Gradient ngang thấp Mức phản xạ bề mặt Giảm thiểu nhiễu do khí quyển Mức phản xạ bề mặt LES LNSE Phản xạ mạnh ở kênh Blue Mức phản xạ bề mặt SES SNES
phổ phản xạ phổ LNSE Tính chất bất biến của quang phổ và bức xạ Sự bất biến của tính chất quang phổ và bức xạ
Đa thời gian của: BRDF Albedo Chỉ thị thực vật Phân loại bề mặt LES LNSE
Nước giàu oxy – mục tiêu ổn định Mức phản xạ bề mặt Nồng độ và biến động chlorophyll Độ đục SES SNES Từ trường Không đẳng hướng Mẫu BRDF Tỉ số Albedo đen/trắng Chỉ thị thực vật Phân loại bề mặt LES LNSE Không đẳng hướng Đo đạc BDRF SES SNES
Độ phủ mây Chụp ảnh mẫu Độ phủ mây
LES LNSE SES SNES Lượng mưa Thay đổi tình
trạng bề mặt Lượng mưa LES LNSE Sol khí Đặc tính của aerosol
Độ dày quang học aerosol Số mũ
Kiểu khí quyển
LNSE SNES Hấp thụ hơi
nước Hàm lượng hơi nước
LNSE SNES Hấp thụ
Ozone Hấp thụ ozone Hàm lượng ozone
LNSE SNES
3.6 Tiểu kết chương 3
Trên cơ sở phương pháp tính tốn SNR, MTF, nghiên cứu sinh đề xuất quy trình đánh giá chất lượng ảnh viễn thám quang học của Việt Nam, có xét đến nhu cầu sử dụng ảnh của người dùng. Quy trình đánh giá chất lượng ảnh tổng thể này được mô tả như trong hình 3.1.
Việc hiệu chỉnh bức xạ được thực hiện qua hai thơng số DS và PRNU trước khi tính