Theo một cách chung nhất, độ phân giải không gian là “thƣớc đo” khả năng của cảm biến khi ghi nhận hình của các đối tƣợng kề nhau mà có thể phân biệt đƣợc 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 không gian là chiếu hình của phần tử cảm biến lên bề mặt đất thông 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 trƣờng nhìn tức thời (IFOV) của thiết bị chụp ảnh. Khi đó kích thƣớc 2,5 x
2,5m là vùng nhỏ nhất mà tại đó bức xạ thu đƣợc là một phần riêng biệt. Vết này đƣợc gọi là trƣờng nhìn tức thời hình học (xem hình 2.5), đó là kích thƣớc hình học của ảnh đƣợc chiếu hình nhờ cảm biến lên mặt đất thơng qua hệ thống hình học. Nhƣng khơng đảm bảo rằng tất cả các vết của kích thƣớc 2,5 m có thể phân biệt đƣợc trong VNREDSat-1 Pan. Tuy nhiên, cũng có thể phát hiện vật thể có độ tƣơng phản cao nhỏ hơn IGFOV nếu biên độ tín hiệu của nó đủ lớn để ảnh hƣởng đáng kể đến giá trị thang độ xám của điểm ảnh đó (ví dụ: con đƣờng có chiều rộng nhỏ hơn nhiều so với 15 m nhƣng vẫn có thể đƣợc 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 đƣợc sẽ bị giảm độ tƣơng phản, và đại lƣợng đặc trƣng cho sự suy giảm độ tƣơng phản với tần số không gian là hàm truyền điều biến MTF.
Nếu chúng ta cần phân biệt hai đối tƣợng kề nhau, thì sẽ có sự khác biệt bức xạ từ chúng tại bƣớc sóng quan sát, sự khác biệt đó đƣợc gọi là tƣơng phản. Nếu giảm độ tƣơng phản của vật thể trên ảnh thu đƣợc thấp đến mức ngƣỡng có thể phát hiện của hệ thống xử lý, thì các đối tƣợng nhƣ vậy sẽ khơng phát hiện đƣợc. Do đó, các đối tƣợng nhỏ hơn có tƣơng phản cao hơn có thể đƣợc phát hiện đƣợc hơn là các đối tƣợng lớn hơn có độ tƣơng phản thấp hơn.
2.2 Thơng số đánh giá chất lƣợng 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 lƣợng 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 lƣợng thơng tin có trong mỗi điểm ảnh, đƣợc biểu thị bằng đơn vị bit. Nói cách khác, độ phân giải bức xạ xác định độ nhạy đối với độ lớn của năng lƣợng điện từ đƣợc ghi lại bởi cảm biến và nó đƣợc quyết định trƣớc khi thiết kế hệ thống chụp ảnh.
Để hiểu hoạt động bức xạ của một hệ thống vệ tinh, cần hiểu đƣợc đặc trƣng 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 tƣơng 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 lƣợng, hồi đáp tuyến tính và độ nhạy phân cực đƣợc xác định rõ đặc điểm trƣớc khi phóng; thơng thƣờng, các thiết bị hiệu chỉnh chuyên dụng trên vệ tinh đƣợc sử dụng để đánh giá hai thông số này, trong khi các phƣơng pháp tiếp cận gián tiếp có thể khó khăn. Ví dụ, độ nhạy phân cực MODIS và Landsat 8 đã đƣợc 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): đƣợc định nghĩa là tỉ lệ giữa giá trị năng lƣợng tối đa của tín hiệu thu đƣợc và năng lƣợng nhiễu ảnh hƣởng đến độ chính xác của tín hiệu thu đƣợc. Nhiễu là một phần không thể tránh khỏi của bất kỳ thiết bị chụp ảnh nào; vệ tinh viễn thám cũng không ngoại lệ. Do đó, SNR của một vệ tinh viễn thám quang học bất kỳ cần đƣợc ƣớc tính để đánh giá chất lƣợng của sản phẩm dữ liệu đầu ra của hệ thống. Vì SNR thƣờng thay đổi theo mức tín hiệu, nó phải đƣợc báo cáo theo cách mà nó biểu thị rõ ràng chất lƣợng hình ảnh của cảm biến [53]. Ví dụ, SNR của hai hệ thống hình ảnh có thể đƣợc ƣớc 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 phƣơng pháp ƣớc tính SNR dựa trên hình ảnh Trái đất cũng đã đƣợc 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 đƣợc sử dụng sẽ là ảnh khu vực đồng nhất. Với bãi kiểm định tại thành phố Buôn Ma Thuột đƣợc đƣa vào sử dụng, đo đạc đƣợc mức độ
đồng nhất của ô mẫu; cùng việc chủ động về nguồn dữ liệu, thì việc tính tốn SNR là thực hiện đƣợc trong điều kiện nƣớc 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 nhƣ 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 ngƣời sử dụng dữ liệu viễn thám.
Các phƣơng pháp hiệu chỉnh tuyệt đối đƣợc phân thành hai loại là: phƣơng pháp trên vệ tinh và phƣơng pháp gián tiếp [21,70]. Hiệu chỉnh bức xạ tuyệt đối trên vệ tinh đƣợc thực hiện dựa vào các thiết bị hiệu chỉnh nhƣ 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]. Phƣơng pháp đƣợc sử dụng trong nghiên cứu là phƣơng 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 đƣợc áp dụng để hiệu chỉnh dữ liệu trƣớc khi đánh giá tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR)
Hiệu chỉnh bức xạ tƣơng đối: Quá trình định lƣợng sự thay đổi hồi đáp bức xạ trong mỗi bộ cảm so với nhau đƣợc gọi là hiệu chỉnh đo bức xạ tƣơng đối. Trong tình huống lý tƣởng, mỗi bộ cảm của hệ thống chụp ảnh phải cho cùng một đầu ra chính xác khi chúng đƣợc tiếp xúc với cùng một lƣợng bức xạ điện từ. Tuy nhiên, trạng thái lý tƣởng 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 tƣợng sọc trong dữ liệu ảnh đƣợc chụp [53].
Để giải quyết các vấn đề nêu trên, nhiều phƣơng pháp đã đƣợc sử dụng để loại bỏ yếu tố này ở mức cảm biến. Chúng có thể đƣợc phân thành hai loại: i) trên vệ tinh và ii) phƣơng pháp dựa trên đối tƣợng trên bề mặt trái đất [69].
Độ ổn định bức xạ: Độ ổn định đo bức xạ của một thiết bị chụp ảnh là thƣớc đo hồi đáp bức xạ của thiết bị đó thay đổi nhƣ thế nào theo thời gian. Đây là một trong những thơng số chất lƣợng 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 đƣợc theo dõi là: (i) ngắn hạn và (ii) dài hạn [69]. Độ ổn định ngắn hạn đƣợc 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 đƣợc gọi là sự ổn định trong hồi đáp bức xạ ngoài quỹ đạo đơn. Sự ổn định bức xạ dài hạn thƣờng đƣợc 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 đƣợc thiết kế không hƣớng Mặt trăng để chụp ảnh. DS, PRNU là các thông số đƣợc đánh giá bao gồm trong tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR).
Thành phần lạ: là tham số chƣa đƣợc định nghĩa tiêu chuẩn rõ ràng, nó có thể đƣợc 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 đƣợc 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 chƣa rõ ràng nên tham số này cũng sẽ chƣa đƣợc xét đến trong nghiên cứu.
2.2.2 Những thông số đại diện cho yếu tố không gian
Chất lƣợng 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 đƣợc thể hiện dƣới dạng hàm truyền điều biến (MTF), khoảng cách lấy mẫu mặt đất (GSD), hiệu ứng răng cƣa [53]. GSD mô tả khoảng cách giữa các tâm điểm ảnh liền kề và MTF cung cấp thông tin về lƣợng mờ phát sinh do hoạt động không lý tƣởng 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 lƣợng chi tiết mà một hình ảnh có thể cung cấp [48]. Do đó, ƣớc tính GSD và MTF là cần thiết để đánh giá chất lƣợng không gian của sản phẩm dữ liệu viễn thám. Hiện tƣợng răng cƣa phát sinh do tốc độ lấy mẫu không đủ, không thể ghi lại các đặc điểm cảnh tần số cao. Chúng xuất hiện dƣới dạng các mẫu trong hình ảnh khơng chỉ làm giảm chất lƣợng hình ảnh của hình ảnh mà cịn làm giảm độ chính xác của dữ liệu đƣợc cảm nhận từ xa. Vì những lý do đó, việc phát hiện và loại bỏ răng cƣa là điều cần thiết trong hình ảnh vệ tinh [73,79].
Hàm truyền điều biến (MTF): là chỉ số đặc trƣng cho sự suy giảm độ tƣơng phản với tần số không gian. Giá trị MTF thƣờng đƣợc ƣớc tính trƣớc khi phóng vệ tinh viễn thám; tuy nhiên, rung lắc trong q trình phóng, chuyển đổi từ khơng khí sang chân không, 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, ƣớc tính MTF là cần thiết trong khi hệ thống hình ảnh đang hoạt động trên quỹ đạo. Trong những năm qua, nhiều phƣơng pháp ƣớc tính MTF đã đƣợc phát triển và chúng có thể đƣợc chia thành các phƣơng pháp dựa trên mục tiêu nhân tạo (do con ngƣời tạo ra) hoặc dựa trên mục tiêu tự nhiên. Đây là thông số đại diện cho yếu tố không gian để đánh giá chất lƣợng 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 cƣa: là một loại thành phần không 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 tƣơng tự sang số và tái chia mẫu. Việc lấy mẫu không đủ sẽ không thu đƣợc nội dung cảnh tần số cao: kết quả là các mẫu lặp lại, chẳng hạn nhƣ răng cƣa trên các đặc điểm đƣờng, 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 đƣợc gọi là răng cƣa thành phần lạ, làm giảm chất lƣợng hình ảnh và điều này ảnh hƣởng đến mọi ứng dụng tiếp theo sử dụng dữ liệu ảnh. Do đó, để đảm bảo dữ liệu chất lƣợng cao từ vệ tinh quan sát Trái đất, răng cƣa không gian cần đƣợc phát hiện và loại bỏ trƣớc khi cung cấp dữ liệu cho ngƣời dùng. Việc xuất hiện răng cƣa không chỉ phụ thuộc vào nội dung khơng gian của cảnh mà cịn phụ thuộc vào MTF cảm biến [27]. Vì lý do này, phƣơng pháp ƣớc tính MTF sử dụng bãi kiểm định nhân tạo dạng cạnh để loại trừ hiệu ứng răng cƣa.
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 lƣợng không gian phổ biến nhất của cảm biến viễn thám, vì nó định lƣợng độ phân giải khơng gian của hệ thống hình ảnh. GSD cung cấp thơng tin về các đối tƣợng có thể phát hiện đƣợc trong hình ảnh [101]. GSD có thể đƣợc ƣớc tính từ một hình ảnh bằng cách sử dụng khoảng cách đã biết giữa hai điểm trên mặt đất. Số lƣợng pixel giữa hai điểm nên đƣợc tính, và tỷ lệ khoảng cách giữa hai điểm và số lƣợng pixel sẽ đƣa ra giá trị GSD ƣớc tính [42]. Mặc dù có thể dễ dàng đánh giá đƣợc thơng số này, nhƣng lại không thể hiệu chỉnh đƣợc trên thiết bị chụp ảnh, mà chúng sẽ đƣợc 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 không gian và bức xạ ở trên, nghiên cứu sinh đề xuất sử dụng hai thông số là MTF và SNR để đánh giá chất lƣợng ảnh trong điều kiện của Việt Nam hiện nay. Những phân tích cụ thể về điều kiện của Việt Nam đƣợc 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 lƣợng tối đa của tín hiệu thu đƣợc và năng lƣợng nhiễu ảnh hƣởng đến độ chính xác của tín hiệu thu đƣợc (minh họa trong hình 2.6). Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu đƣợc sử dụng để đánh giá chất lƣợng của các hệ thống thu nhận tín hiệu. Trong trƣờng hợp hệ thống chụp ảnh trên vệ tinh, năng lƣợng thu đƣợc là giá trị bức xạ từ vật đƣợc chụp ảnh và nhiễu là mức năng lƣợng thu đƣợc trên ảnh không tƣơng ứng với mức bức xạ của vật đƣợc chụp.
SNR là một trong các yếu tố ảnh hƣởng đến chất lƣợng ảnh, và nó đặc trƣng cho giá trị nhiễu xạ [51]. Và tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu SNR đƣợc định nghĩa theo công 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 đƣờng 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 đƣợc gọi là nhiễu thiết bị: nguyên nhân là do dao động