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 khơng 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.
2.2 Thông số đánh giá chất lượng ảnh
2.2.1 Những thông số đại diện cho yếu tố bức xạ
Nguyên lý hoạt động của viễn thám quang học là dựa trên bức xạ điện từ lan truyền tới cảm biến viễn thám. Một khía cạnh về hiệu suất của cảm biến viễn thám là các đặc tính đo bức xạ, bao gồm: độ phân giải hoặc dải động bức xạ, độ chính xác của đại lượng đo bức xạ (phản xạ hoặc bức xạ) theo tỷ lệ tuyệt đối, hồi đáp bức xạ thay đổi theo thời gian, tín hiệu có thể phân biệt khi có nhiễu, v.v. Độ phân giải bức xạ đề cập đến lượng thơng tin có trong mỗi điểm ảnh, được biểu thị bằng đơn vị bit. Nói cách khác, độ phân giải bức xạ xác định độ nhạy đối với độ lớn của năng lượng điện từ được ghi lại bởi cảm biến và nó được quyết định trước khi thiết kế hệ thống chụp ảnh.
Để hiểu hoạt động bức xạ của một hệ thống vệ tinh, cần hiểu được đặc trưng của tập hợp các tham số chính sau đây: tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu; hiệu chỉnh bức xạ tuyệt đối; hiệu chỉnh bức xạ tương đối; độ ổn định của bức xạ; thành phần lạ; hồi đáp tuyến tính; độ nhạy phân cực [53]. Trong số bảy thông số chất lượng, hồi đáp tuyến tính và độ nhạy phân cực được xác định rõ đặc điểm trước khi phóng; thơng thường, các thiết bị hiệu chỉnh chuyên dụng trên vệ tinh được sử dụng để đánh giá hai thông số này, trong khi các phương pháp tiếp cận gián tiếp có thể khó khăn. Ví dụ, độ nhạy phân cực MODIS và Landsat 8 đã được đo bằng cách sử dụng nguồn sáng phân cực và bộ phân cực tấm [99,55]. Vì vậy nghiên cứu sẽ khơng xét đến hai thơng số này.
Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR): được định nghĩa là tỉ lệ giữa giá trị năng lượng tối đa của tín hiệu thu được và năng lượng nhiễu ảnh hưởng đến độ chính xác của tín hiệu thu được. Nhiễu là một phần không thể tránh khỏi của bất kỳ thiết bị chụp ảnh nào; vệ tinh viễn thám cũng khơng ngoại lệ. Do đó, SNR của một vệ tinh viễn thám quang học bất kỳ cần được ước tính để đánh giá chất lượng của sản phẩm dữ liệu đầu ra của hệ thống. Vì SNR thường thay đổi theo mức tín hiệu, nó phải được báo cáo theo cách mà nó biểu thị rõ ràng chất lượng hình ảnh của cảm biến [53]. Ví dụ, SNR của hai hệ thống hình ảnh có thể được ước tính trong cùng điều kiện chiếu sáng, tức là cùng mức độ bức xạ, điều này sẽ cho phép so sánh SNR của vệ tinh này với vệ tinh khác. Trong những năm qua, nhiều phương pháp ước tính SNR dựa trên hình ảnh Trái đất cũng đã được phát triển cho các cảm biến viễn thám. Trong nghiên cứu, với điều kiện của Việt Nam, đây là thông số đại diện cho yếu tố bức xạ, và dữ liệu được sử dụng sẽ là ảnh khu vực đồng nhất. Với bãi kiểm định tại thành phố Buôn Ma Thuột được đưa vào sử dụng, đo đạc được mức độ
đồng nhất của ô mẫu; cùng việc chủ động về nguồn dữ liệu, thì việc tính tốn SNR là thực hiện được trong điều kiện nước ta hiện nay.
Hiệu chỉnh bức xạ tuyệt đối: Hiệu chỉnh bức xạ tuyệt đối cho phép chuyển đổi giá trị độ xám (DN) sang các đơn vị vật lý như giá trị bức xạ. Vì các DN từ các cảm biến khác nhau khơng có mối quan hệ có ý nghĩa, nên việc chuyển đổi các DN ảnh thành các bức xạ phổ là rất quan trọng trong viễn thám, vì nó cho phép so sánh giữa các phép đo từ các cảm biến khác nhau. Do đó, hiệu chỉnh đo bức xạ tuyệt đối là điều cần thiết đối với cộng đồng người sử dụng dữ liệu viễn thám.
Các phương pháp hiệu chỉnh tuyệt đối được phân thành hai loại là: phương pháp trên vệ tinh và phương pháp gián tiếp [21,70]. Hiệu chỉnh bức xạ tuyệt đối trên vệ tinh được thực hiện dựa vào các thiết bị hiệu chỉnh như đèn. Hiệu chỉnh tuyệt đối gián tiếp sử dụng dữ liệu ảnh bề mặt Trái đất, quan sát mặt trăng, hình ảnh các đám mây dày đặc, v.v. [53]. Phương pháp được sử dụng trong nghiên cứu là phương pháp gián tiếp, sử dụng các bãi kiểm định giả bất biến tuyệt đối với các thơng số là tín hiệu tối (DS) và hồi đáp không đồng nhất của điểm ảnh (PRNU). Hai thông số này được áp dụng để hiệu chỉnh dữ liệu trước khi đánh giá tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR)
Hiệu chỉnh bức xạ tương đối: Quá trình định lượng sự thay đổi hồi đáp bức xạ trong mỗi bộ cảm so với nhau được gọi là hiệu chỉnh đo bức xạ tương đối. Trong tình huống lý tưởng, mỗi bộ cảm của hệ thống chụp ảnh phải cho cùng một đầu ra chính xác khi chúng được tiếp xúc với cùng một lượng bức xạ điện từ. Tuy nhiên, trạng thái lý tưởng không tồn tại do sự thay đổi nhỏ trong quá trình chế tạo, sự thay đổi về hệ số tăng ích và độ lệch điện tử, và sự khác biệt về quang phổ và hồi đáp tuyến tính. Do đó, mỗi bộ cảm trong một hệ thống hình ảnh mảng tuyến tính thể hiện các hành vi khác nhau, gây ra các hiện tượng sọc trong dữ liệu ảnh được chụp [53].
Để giải quyết các vấn đề nêu trên, nhiều phương pháp đã được sử dụng để loại bỏ yếu tố này ở mức cảm biến. Chúng có thể được phân thành hai loại: i) trên vệ tinh và ii) phương pháp dựa trên đối tượng trên bề mặt trái đất [69].
Độ ổn định bức xạ: Độ ổn định đo bức xạ của một thiết bị chụp ảnh là thước đo hồi đáp bức xạ của thiết bị đó thay đổi như thế nào theo thời gian. Đây là một trong những thơng số chất lượng quan trọng, vì đo bức xạ sự ổn định của một cơng cụ hình ảnh xác định khả năng phát hiện của sự thay đổi rất nhỏ trên bề mặt Trái đất.
Để đánh giá hiệu suất ổn định bức xạ của cảm biến trên quỹ đạo, hai loại ổn định bức xạ khác nhau đã được theo dõi là: (i) ngắn hạn và (ii) dài hạn [69]. Độ ổn định ngắn hạn được đánh giá bằng cách khai thác các thiết bị hiệu chỉnh trên bo mạch, đặc biệt là đèn kích thích. Sự ổn định dài hạn có thể được gọi là sự ổn định trong hồi đáp bức xạ ngoài quỹ đạo đơn. Sự ổn định bức xạ dài hạn thường được theo dõi bằng cách sử dụng các quan sát thiết bị hiệu chỉnh trên vệ tinh, mặt trăng và các bãi kiểm định giả bất biến [70].
Trong nghiên cứu sẽ sử dụng các bãi kiểm định giả bất biến là các khu vực sa mạc và thông số sử dụng là hồi đáp không đồng nhất của điểm ảnh (PRNU), và tín hiệu tối (DS) vì hệ thống VNREDSat-1 được thiết kế không hướng Mặt trăng để chụp ảnh. DS, PRNU là các thông số được đánh giá bao gồm trong tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR).
Thành phần lạ: là tham số chưa được định nghĩa tiêu chuẩn rõ ràng, nó có thể được định nghĩa là 'cấu trúc nhân tạo thể hiện sự nhiễu loạn có cấu trúc của tín hiệu' [111]. Ảnh thành phần lạ có thể được tạo ra từ các vấn đề thiết kế, độ bão hòa của bộ cảm và lỗi đơn vị xử lý trên bo mạch. Nó cũng có thể phát sinh trong q trình nén hình ảnh và truyền dữ liệu. Do tính chưa rõ ràng nên tham số này cũng sẽ chưa được xét đến trong nghiên cứu.
2.2.2 Những thông số đại diện cho yếu tố không gian
Chất lượng về mặt không gian của hệ thống vệ tinh viễn thám phụ thuộc vào một số khía cạnh của hệ thống chụp ảnh. Hiệu suất khơng gian có thể được thể hiện dưới dạng hàm truyền điều biến (MTF), khoảng cách lấy mẫu mặt đất (GSD), hiệu ứng răng cưa [53]. GSD mô tả khoảng cách giữa các tâm điểm ảnh liền kề và MTF cung cấp thông tin về lượng mờ phát sinh do hoạt động không lý tưởng của các thành phần trong hệ thống chụp ảnh. Hai tham số này xác định độ phân giải không gian của hệ thống viễn thám. Độ phân giải không gian là một trong những thông số quan trọng nhất đối với ứng dụng viễn thám vì nó xác định lượng chi tiết mà một hình ảnh có thể cung cấp [48]. Do đó, ước tính GSD và MTF là cần thiết để đánh giá chất lượng không gian của sản phẩm dữ liệu viễn thám. Hiện tượng răng cưa phát sinh do tốc độ lấy mẫu không đủ, không thể ghi lại các đặc điểm cảnh tần số cao. Chúng xuất hiện dưới dạng các mẫu trong hình ảnh khơng chỉ làm giảm chất lượng hình ảnh của hình ảnh mà cịn làm giảm độ chính xác của dữ liệu được cảm nhận từ xa. Vì những lý do đó, việc phát hiện và loại bỏ răng cưa là điều cần thiết trong hình ảnh vệ tinh [73,79].
Hàm truyền điều biến (MTF): là chỉ số đặc trưng cho sự suy giảm độ tương phản với tần số khơng gian. Giá trị MTF thường được ước tính trước khi phóng vệ tinh viễn thám; tuy nhiên, rung lắc trong q trình phóng, chuyển đổi từ khơng khí sang chân khơng, trạng thái nhiệt thay đổi của cảm biến hoặc thay đổi về đặc tính vật liệu theo thời gian có thể thay đổi giá trị MTF của cảm biến [25]. Do đó, ước tính MTF là cần thiết trong khi hệ thống hình ảnh đang hoạt động trên quỹ đạo. Trong những năm qua, nhiều phương pháp ước tính MTF đã được phát triển và chúng có thể được chia thành các phương pháp dựa trên mục tiêu nhân tạo (do con người tạo ra) hoặc dựa trên mục tiêu tự nhiên. Đây là thông số đại diện cho yếu tố không gian để đánh giá chất lượng ảnh viễn thám quang học trong nhiên cứu này; đồng thời trong nghiên cứu sẽ sử dụng các mục tiêu nhân tạo (bãi kiểm định nhân tạo) để đánh giá thông số này.
Hiệu ứng răng cưa: là một loại thành phần khơng gian lạ và có thể trở nên rõ ràng do tỷ lệ lấy mẫu thấp. Hiệu ứng này có thể phát sinh do lấy mẫu thiếu trong quá trình chuyển đổi tương tự sang số và tái chia mẫu. Việc lấy mẫu không đủ sẽ không thu được nội dung cảnh tần số cao: kết quả là các mẫu lặp lại, chẳng hạn như răng cưa trên các đặc điểm đường, cấu trúc mỏng và các cạnh, trở nên nổi bật gần các thành phần tần số cao [22]. Những mẫu lặp đi lặp lại này được gọi là răng cưa thành phần lạ, làm giảm chất lượng hình ảnh và điều này ảnh hưởng đến mọi ứng dụng tiếp theo sử dụng dữ liệu ảnh. Do đó, để đảm bảo dữ liệu chất lượng cao từ vệ tinh quan sát Trái đất, răng cưa không gian cần được phát hiện và loại bỏ trước khi cung cấp dữ liệu cho người dùng. Việc xuất hiện răng cưa không chỉ phụ thuộc vào nội dung khơng gian của cảnh mà cịn phụ thuộc vào MTF cảm biến [27]. Vì lý do này, phương pháp ước tính MTF sử dụng bãi kiểm định nhân tạo dạng cạnh để loại trừ hiệu ứng răng cưa.
Khoảng cách lấy mẫu mặt đất (GSD): là khoảng cách từ trung tâm đến trung tâm giữa các pixel liền kề trong một hình ảnh. Nó là một trong những chỉ số chất lượng không gian phổ biến nhất của cảm biến viễn thám, vì nó định lượng độ phân giải khơng gian của hệ thống hình ảnh. GSD cung cấp thơng tin về các đối tượng có thể phát hiện được trong hình ảnh [101]. GSD có thể được ước tính từ một hình ảnh bằng cách sử dụng khoảng cách đã biết giữa hai điểm trên mặt đất. Số lượng pixel giữa hai điểm nên được tính, và tỷ lệ khoảng cách giữa hai điểm và số lượng pixel sẽ đưa ra giá trị GSD ước tính [42]. Mặc dù có thể dễ dàng đánh giá được thông số này, nhưng lại không thể hiệu chỉnh được trên thiết bị chụp ảnh, mà chúng sẽ được hiệu chỉnh bằng các thuật toán tái chia mẫu trong
quá trình hiệu chỉnh hình học. Vì vậy, trong nghiên cứu sẽ không đề cập đến thông số này.
2.2.3 Thông số phù hợp với Việt Nam
Dựa vào việc phân tích các thơng số đại diện cho yếu tố khơng gian và bức xạ ở trên, nghiên cứu sinh đề xuất sử dụng hai thông số là MTF và SNR để đánh giá chất lượng ảnh trong điều kiện của Việt Nam hiện nay. Những phân tích cụ thể về điều kiện của Việt Nam được đề cập trong phần 2.5 sau đây.
a. Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR)
Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu là thuật ngữ để thể hiện tỉ lệ giữa giá trị năng lượng tối đa của tín hiệu thu được và năng lượng nhiễu ảnh hưởng đến độ chính xác của tín hiệu thu được (minh họa trong hình 2.6). Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu được sử dụng để đánh giá chất lượng của các hệ thống thu nhận tín hiệu. Trong trường hợp hệ thống chụp ảnh trên vệ tinh, năng lượng thu được là giá trị bức xạ từ vật được chụp ảnh và nhiễu là mức năng lượng thu được trên ảnh không tương ứng với mức bức xạ của vật được chụp.
SNR là một trong các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng ảnh, và nó đặc trưng cho giá trị nhiễu xạ [51]. Và tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu SNR được định nghĩa theo cơng thức sau:
Trong đó m là giá trị trung bình của giá trị bức xạ đối với một khu vực đồng nhất
σ là độ lệch chuẩn của các giá trị đó.
Nếu hệ thống chụp ảnh thực hiện quét các đường ảnh bằng các mảng cảm biến CCD, thì nhiễu trong ảnh là sự kết hợp của hai nguồn tách biệt, bao gồm:
Nhiễu theo cột, hay còn được gọi là nhiễu thiết bị: nguyên nhân là do dao động