f. Tính tốn MTF
MTF đƣợc xác định bằng cách sử dụng biến đổi Fourier đối với LSF. Đƣờng cong MTF có dạng nhƣ trong hình 3.12.
Hình 3.12. Ví dụ minh họa đường cong MTF g. Đánh giá MTF
Giá trị ngƣỡng của MTF đƣợc nhà sản xuất cung cấp, đƣợc xác định trên cơ sở hệ thống quang học đƣợc thiết kế cho mỗi loại vệ tinh khác nhau. Đối với vệ tinh VNREDSat-1, giá trị MTF ngƣỡng là 0,08. Nếu giá trị MTF tính tốn thấp hơn giá trị ngƣỡng thì dữ liệu ảnh khơng đảm bảo chất lƣợng và không đƣợc đƣa vào sử dụng. Nếu cao hơn giá trị ngƣỡng thì dữ liệu đƣợc tiến hành sản xuất ảnh.
3.4 Quy trình đánh giá chất lƣợng theo nhu cầu sử dụng
Mặc dù đảm bảo chất lƣợng theo thiết kế của hệ thống, tuy nhiên chất lƣợng ảnh có thể vẫn chƣa đáp ứng đƣợc nhu cầu của ngƣời sử dụng. Căn cứ nhu cầu sử dụng và thông số kỹ thuật của dữ liệu ảnh, đề xuất các mức chất lƣợng tƣơng ứng với giá trị MTF.
Hầu hết các hệ thống vệ tinh thực hiện đánh giá chất lƣợng ảnh thông qua các giá trị SNR, MTF mới chỉ dừng lại ở mức so sánh với thiết kế ban đầu mà chƣa đề xuất mức chất lƣợng trên cơ sở nhu cầu của ngƣời dùng.
Quy trình đánh giá chất lƣợng theo nhu cầu sử dụng là một phần mới đƣợc đề xuất trong quy trình đánh giá chất lƣợng ảnh và đƣợc mơ tả trong hình 2.36 dƣới đây, trong đó bao gồm các bƣớc sau:
a. Dữ liệu ảnh cấp cho người dùng
Dữ liệu ảnh VNREDSat-1 có độ phân giải không gian tối đa là 2,5m đối với kênh tồn sắc và có khả năng tăng cƣờng chất lƣợng ảnh bằng cách trộn dữ liệu toàn sắc và dữ liệu đa phổ (độ phân giải không gian 10m) để thu đƣợc dữ liệu ảnh có độ phân giải không gian cao (2,5m) và mang thêm thông tin về đối tƣợng đƣợc 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 lƣợng dựa trên thông số MTF tƣơng ứng nhƣ 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 trƣờng hợp dữ liệu ảnh có giá trị MTF thấp hơn u 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 cơng tác tăng cƣờng chất lƣợng ảnh, để đảm bảo chất lƣợng 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 cƣờng chất lƣợng ảnh có thể sử dụng phƣơng pháp nhân chập ngƣợc.
PSF của một hệ thống quang học có thể đƣợc mơ tả bởi một hàm PSF(u,v,x,y). Hàm 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 đƣợc 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
đƣờng bay, u và v là toạ độ của vật đƣợc chụp trong không gian vật tƣơng ứng. Thơng số đƣợc xác định bởi kích thƣớc 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, cƣờng 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 đƣợc xét càng có ít ảnh hƣởng lên điểm ảnh này. Một điểm ảnh thu đƣợc 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, phƣơng trình PSF ở trên có thể đƣợc viết lại dƣới dạng rời rạc. Theo hình trên, khi tính tốn mức bức xạ thu nhận đƣợc 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. đƣợc chuẩn hố bởi đáp ứng trung bình. PSF rời rạc trong khơng gian hai chiều có thể đƣợc viết lại thành [56]
Biểu diễn PSF dƣới dạng rời rạc trong không gian hai chiều dƣới dạng nhƣ trên, viết lại ma trận 3x3 trong phƣơng trình trên trở thành {PSFi,j()}, i,j = 1,2,3, mối quan hệ giữa mức bức xạ thu nhận đƣợc tại một điểm ảnh sau khi đã có ảnh hƣởng 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 lƣợt là số lƣợng điểm ảnh trên một hàng ảnh và số lƣợng hàng ảnh trên một cảnh ảnh.
Đối với ảnh viễn thám quang học, do ảnh đƣợc chụp từ khoảng cách rất xa, giới hạn phân biệt của một thiết bị quang học đƣợc tính nhƣ 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) đƣợc tính bởi:
Do mẫu vật đƣợc chụp g(u,v) có thể có độ phân giải không gian nằm trong hoặc nằm ngoài giới hạn phân biệt của hệ thống thu nhận ảnh, phƣơng trình trên đƣợc xấp xỉ theo công thức nhân chập ngƣợc trong phƣơng trình 2.36 nhƣ sau:
Đối với một cảnh ảnh vệ tinh, mỗi hàng ảnh có thể chứa đến hàng ngàn điểm ảnh, một cảnh ảnh có thể chứa đến hàng chục ngàn hàng ảnh, số lƣợng phép tính phải tính theo phƣơng trình trên là rất lớn.
Tiêu chí sử dụng Đánh giá phù hợp Tăng cường chất lượng MTF của ảnh Không đạt Đạt Dữ liệu ảnh cấp cho người dùng Dữ liệu ảnh thỏa mãn yêu cầu
Hình 3.14. Quy trình đánh giá chất lượng theo nhu cầu sử dụng 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 nhƣ các tiêu chí của ngƣời dùng.
3.5 Bãi kiểm định phục vụ công tác đánh giá chất lƣợng 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 lƣới, 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 đƣợc lựa chọn cần định danh thông qua các thông tin nhƣ 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
công tác kiểm định. Tuy nhiên, đối với mỗi loại bãi kiểm định khác nhau lại cần đáp ứng những yêu cầu khác nhau [95,35,71,14]. Tổng hợp các điều kiện cần thiết đối với các bãi kiểm định đƣợc thể hiện trong bảng 3.2 dƣới 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
Thông tin lý luận X X
Khí hậu khu vực X X X X
Phƣơng 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
Tƣ liệu tham khảo X X X X
Bên cạnh đó, các bãi kiểm định cần cung cấp các thông tin khác nhau nhƣ:
- Kiến thức hiểu biết khoa học thông thƣờng. Một bộ các bãi kiểm định thƣờng đƣợc lấy từ một cộng đồng kiểm định, các bãi này thƣờng đƣợc sử dụng rộng rãi và thƣờng đƣợc 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 đƣợc trên mạng ví dụ nhƣ: 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 đƣợc triển khai cho mục đích kiểm định và hiệu chỉnh chất lƣợng ảnh viễn thám quang học [63]. Trên thế giới có nhiều vật chuẩn nhân tạo di động khác nhau đã đƣợc 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 thƣờng có ba loại vật chuẩn nhân tạo di động tiêu chuẩn đƣợc sản xuất bằng cách vẽ trên bạt.
a. Bãi kiểm định sơn đen trắng
Dạng vật chuẩn này có một số kiểu nhƣ dạng hình quạt với bán kính khoảng từ 10- 30m, với các rẻ quạt đƣợc 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 đƣợc thiết kế với bán kính là 15m, khoảng chia giữa các rẻ quạt với góc 3° và đƣợc 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 đƣợc sơn thành các ô 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).
Hình 3.17. Vật chuẩn di động dạng thang độ xám
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 đƣợc 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 hƣởng của sol khí và ảnh hƣởng của hơi nƣớc trong khí quyển, các bãi kiểm định thƣờng đƣợc đặt ở các khu vực có độ cao lớn, cách xa đại dƣơng, cách xa đô thị và khu công nghiệp (giảm thiểu sol khí do hoạt động của con ngƣời). Để giảm thiểu ảnh hƣởng do mây, bãi kiểm định nên đƣợc đặt tại vùng có độ ẩm thấp, khơ cằn. Xác suất có mây thấp đồng nghĩa với việc hiệu suất chụp ảnh sẽ đƣợc nâng cao. Bên cạnh đó là ảnh hƣởng của lƣợng mƣa, 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 hƣởng 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 nhƣ sa mạc, thì các đụn cát đƣợc phân loại là dạng tuyến vì chúng có độ dài khá lớn, thậm chí lên đến hàng chục km.
Bãi kiểm định cần phải đồng nhất không gian cao, điều này liên quan đến kích thƣớc điểm ảnh, để giảm thiểu ảnh hƣởng của tỉ lệ dữ liệu bức xạ đến kích thƣớc bên trong vậy chuẩn. Giá trị ngƣỡng đồng nhất không gian thƣờng 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 đƣợc khi các thuộc tính này đƣợc 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 hƣởng nhất định đến việc lựa chọn bãi kiểm định, nhƣng 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 đƣờng bộ hay thuyền.
Các tiêu chí lựa chọn bãi kiểm định có thể đƣợc tổng hợp trong bảng 3.3 dƣới 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, hƣớng LES LNSE Loại mặt nƣớc Loại nƣớc 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
Sự thay đổi
phổ Thay đổi phổ Sự khác nhau về mức độ phản xạ phổ LES 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 Nƣớc giàu oxy – mục tiêu ổn định Mức phản xạ bề mặt Nồng độ và biến động chlorophyll Độ đục SES SNES Từ trƣờng Không đẳng hƣớng Mẫu BRDF Tỉ số Albedo đen/trắng Chỉ thị thực vật Phân loại bề mặt LES LNSE Không đẳng hƣớng Đo đạc BDRF SES SNES Độ phủ mây Chụp ảnh mẫu Độ phủ mây
LES LNSE SES SNES Lƣợng mƣa Thay đổi tình
trạng bề mặt Lƣợng mƣa LES
LNSE
Sol khí
Đặc tính của aerosol
Độ dày quang học aerosol Số mũ Kiểu khí quyển LNSE SNES Hấp thụ hơi nƣớc Hàm lƣợng hơi nƣớc LNSE SNES Hấp thụ
Ozone Hấp thụ ozone Hàm lƣợng ozone LNSE
SNES
3.6 Tiểu kết chƣơng 3
Trên cơ sở phƣơng pháp tính tốn SNR, MTF, nghiên cứu sinh đề xuất quy trình đánh giá chất lƣợng ảnh viễn thám quang học của Việt Nam, có xét đến nhu cầu sử dụng ảnh của ngƣời dùng. Quy trình đánh giá chất lƣợng ảnh tổng thể này đƣợc mô tả nhƣ trong hình 3.1.
Việc hiệu chỉnh bức xạ đƣợc thực hiện qua hai thông số DS và PRNU trƣớc khi tính tốn SNR theo quy trình đề xuất. Trong đó quy trình hiệu chỉnh tín hiệu tối DS đƣợc mơ
tả trong hình 3.2, quy trình hiệu chỉnh mức độ hồi đáp không đồng đều của điểm ảnh đƣợc mơ tả trong hình 3.3.
Để đảm bảo phản ánh khách quan nhất tình trạng thực tế của thiết bị chụp ảnh dữ liệu ảnh mức 0 sẽ đƣợc sử dụng để thực hiện hiệu chỉnh DS và PRNU. Kết quả thu đƣợc là hai tệp dữ liệu hiệu chỉnh DS và PRNU, và chúng đƣợc tổng hợp thành tệp tin hiệu chỉnh bức xạ, tệp tin này dùng để hiệu chỉnh ảnh mức 0 và đƣa ra mức 1A, đảm bảo tính đồng nhất của dữ liệu trƣớc khi tính tốn SNR và MTF.