CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
3.1 Quy trình hiệu chỉnh bức xạ
Mục tiêu của quá trình hiệu chỉnh bức xạ là nhằm chỉnh sửa các sai lệch và thu lại các dữ liệu hữu ích từ dữ liệu ảnh thơ. Sau quá trình hiệu chỉnh bức xạ, dữ liệu ảnh phải tƣơng ứng với mức bức xạ đầu vào trên mặt đất cho từng kênh phổ.
Do các điểm ảnh không giống hệt nhau về mức độ hồi đáp và độ lệch tín hiệu tối, nên các đặc tính này của điểm ảnh cần phải đƣợc đo đạc riêng biệt và thực hiện hiệu chỉnh bức xạ. Quá trình hiệu chỉnh bức xạ đƣợc thực hiện đối với tín hiệu tối và mức độ hồi đáp không đồng đều của điểm ảnh. Quy trình cụ thể đƣợc trình bày dƣới đây.
3.1.1 Hiệu chỉnh tín hiệu tối (DS)
Dữ liệu ảnh mức 0 Thống kê giá trị bức xạ các điểm ảnh Tệp tin DS cũ Loại bỏ giá trị xấu
Hiệu chỉnh DS Tệp tin DS mới Giá trị ngưỡng DS Dưới ngưỡng Trên ngưỡng So sánh Dữ liệu ảnh mức 1A Tệp tin hiệu chỉnh DS Hình 3.2. Quy trình hiệu chỉnh DS a. Dữ liệu ảnh mức 0
Trên Trái đất, biển và đại dƣơng là các bề mặt trải rộng ít phản xạ hơn. Tính đặc biệt này bao phủ tồn bộ dải quang phổ hồng ngoại sóng ngắn, hồng ngoại khả kiến và sóng ngắn. Hơn nữa, khơng có nguồn bức xạ gây nhiễu khi khu vực này đủ xa các bờ biển. Do đó, vào ban đêm, những khu vực nhƣ vậy là thích hợp nhất để tạo ra tín hiệu tối. Vì những lý do này, dữ liệu mức 0 để hiệu chỉnh tín hiệu tối thƣờng đƣợc chụp ở các đại dƣơng vào ban đêm, và cần tránh ngày trăng tròn.
b. Thống kê giá trị bức xạ của các điểm ảnh
Thống kê (giá trị trung bình và độ lệch chuẩn cho mỗi điểm ảnh) thƣờng đƣợc thực hiện trên hơn 10.000 dòng (tức là 10.000 mẫu thời gian trên mỗi điểm ảnh), đủ lớn để tính tốn một thống kê có liên quan về tín hiệu tối (thƣờng là 500 hoặc 1000 các mẫu đƣợc cho là đủ). Khi đó các giá trị trung bình tƣơng ứng với tín hiệu tối và độ lệch chuẩn đặc trƣng cho nhiễu tối.
c. Loại bỏ giá trị xấu
Giá trị trung bình của tín hiệu tối phải đƣợc đánh giá trong từng kênh phổ và đối với mỗi điểm ảnh đơn lẻ (tức là tính khơng đồng nhất của tín hiệu tối phải đƣợc đặc trƣng), để hiệu chỉnh hình ảnh thơ từ tín hiệu này.
Thực tế khi chụp ảnh biển hay đại dƣơng vào ban đêm gặp nguồn sáng lạ nhƣ tàu thuyền,… dẫn đến sai lệch kết quả. Do vậy cần lọc bỏ các hàng ảnh có dữ liệu “xấu” này, độ lệch tối đa so với giá trị trung bình thƣờng đƣợc quy định theo mỗi thiết bị chụp ảnh, đối với VNREDSat-1, giá trị này là 7LSB.
d. Tệp tin DS mới
Tệp tin tín hiệu tối mới đƣợc tạo ra sau khi đã loại bỏ các giá trị xấu, gây ảnh hƣởng đến chất lƣợng đánh giá.
e. So sánh giá trị DS
Tệp tin hiệu chỉnh mới đƣợc so sánh với tệp tin hiệu chỉnh cũ để tính tốn ra sai số giữa hai lần hiệu chỉnh ; sai số này đƣợc so sánh với ngƣỡng tín hiệu tối mà nhà sản xuất thiết bị chụp ảnh đƣa ra. Nếu sai số dƣới ngƣỡng thì có thể tiếp tục tính tốn SNR; trong trƣờng hợp sai số vƣợt qua ngƣỡng thì cần phải hiệu chỉnh lại.
f. Hiệu chỉnh DS
Dòng tối đƣợc hiệu chỉnh bằng cách cập nhật trực tiếp lên hệ thống thu nhận ảnh trên vệ tinh hoặc cập nhật vào hệ thống thu nhận ảnh tại các trạm mặt đất. Trong thực tế vận hành hiện nay, phƣơng án cập nhật vào các trạm thu nhận ảnh đƣợc sử dụng nhiều hơn, vì lý do đảm bảo an tồn cho quả vệ tinh. Kết quả đồng thời của việc hiệu chỉnh là tệp tin hiệu chỉnh DS, đƣợc dùng để tạo ra tệp tin hiệu chỉnh bức xạ.
3.1.2 Hiệu chỉnh mức độ hồi đáp không đồng đều của điểm ảnh (PRNU)
PRNU bao gồm bản thân sự thay đổi mức hồi đáp từng điểm ảnh của cảm biến và của thành phần điện tử, quang học (nhƣ sự giảm bức xạ từ trung tâm đến cạnh xảy ra trong tiêu diện). Tƣơng tự nhƣ tín hiệu tối, mục tiêu phần này là xác định đặc điểm của sự không đồng nhất này để hiệu chỉnh dữ liệu nhằm đƣa ra sản phẩm tốt nhất có thể. Q trình hiệu chuẩn này cịn đƣợc gọi là cân bằng và bao gồm việc đánh giá mức hồi đáp của từng cảm biến so với mức hồi đáp trung bình trong trƣờng nhìn.
Sự không đồng nhất thƣờng đƣợc mô tả bằng cách coi sự hồi đáp của điểm ảnh gồm ba phần chính là: thành phần tần số thấp, có liên quan đến phần quang học của hệ thống tạo ra sự giảm bức xạ "tự nhiên" từ tâm đến rìa của mặt phẳng tiêu điểm; đóng góp chuỗi
điện tử, quyết định giá trị độ xám đầu ra; và một thành phần tần số cao, do các thuộc tính của cảm biến.
Quy trình hiệu chỉnh mức độ hồi đáp khơng đồng đều của điểm ảnh đƣợc mơ tả nhƣ hình 3.3 dƣới đây. Trên ngưỡng Dữ liệu ảnh mức 0 Tính giá trị trung bình của ảnh Lọc Tệp tin PRNU cũ Giá trị ngưỡng PRNU Tệp tin PRNU mới Hiệu chỉnh PRNU Dưới ngưỡng So sánh Dữ liệu ảnh mức 1A Tệp tin hiệu chỉnh PRNU
Hình 3.3. Quy trình hiệu chỉnh PRNU a. Dữ liệu ảnh mức 0 a. Dữ liệu ảnh mức 0
Để đánh giá thông số mức độ hồi đáp không đồng đều của điểm ảnh (PRNU), dữ liệu ảnh đƣợc sử dụng là ảnh chụp trên khu vực có mức bức xạ đồng nhất. Trên bề mặt Trái đất những khu vực này thƣờng là sa mạc hoặc núi băng. Trong nghiên cứu, dữ liệu ảnh chụp các sa mạc đƣợc sử dụng làm dữ liệu đầu vào, các khu vực này đƣợc coi là đồng nhất và bất biến về mặt phản xạ theo thời gian [26,35,41,36,68]
b. Tính giá trị trung bình của ảnh.
Do tín hiệu đƣợc tích hợp dọc the các cột để giá trị trung bình chỉ bị ảnh hƣởng bởi điểm ảnh của mỗi hàng ảnh, nên giá trị trung bình của ảnh trong trƣờng hợp này đƣợc tính theo các hàng ảnh.
c. Lọc
Để tín hiệu đầu ra chỉ cịn là ảnh hƣởng của phần điện tử, các thành phần tần số thấp và tần số cao trong PRNU sẽ đƣợc lọc. Thành phần tần số thấp đƣợc lọc để loại trừ sự thay đổi chậm có thể có do hiệu ứng cảnh quan hoặc hƣớng trong trƣờng nhìn. Từ tín hiệu thu đƣợc, suy ra thành phần tần số cao. Kết hợp với tần số thấp đƣợc xác định ngay từ trƣớc khi phóng và giả định là ổn định theo thời gian với thành phần tần số cao tạo ra hệ số cân bằng.
d. Tệp tin PRNU mới
Tệp tin PRNU mới đƣợc tạo ra sau khi thực hiện các phép lọc, và tái tạo lại giá trị PRNU của thiết bị thu nhận ảnh.
e. So sánh giá trị PRNU
Để đánh giá chất lƣợng phổ của thiết bị thu nhận ảnh, giá trị PRNU sau khi tích hợp đƣợc so sánh với tệp giá trị PRNU chuẩn, đƣợc ghi trong tập định dạng CPF do nhà sản xuất thiết bị quang học trên vệ tinh cung cấp hoặc tệp giá trị PRNU đƣợc tính tốn trong chu kỳ đánh giá trƣớc. Nếu giá trị sai số dƣới ngƣỡng nhà sản xuất đƣa ra thì có thể thực hiện tính tốn SNR; nếu giá trị sai số trên ngƣỡng thì cần thực hiện hiệu chỉnh.
f. Hiệu chỉnh PRNU
Tƣơng tự nhƣ trong trƣờng hợp hiệu chỉnh dòng tối, việc hiệu chỉnh PRNU cũng có thể tiến hành theo hai trƣờng hợp: (1) đƣa lên vệ tinh và (2) đƣa vào trạm xử lý ảnh mặt đất. Và phƣơng án thích hợp cho điều kiện Việt Nam hiện nay là đƣa vào trạm xử lý ảnh mặt đất để đảm bảo an toàn cho hệ thống vệ tinh VNREDSat-1. Đồng thời kết quả này cũng sẽ xuất ra tệp tin hiệu chỉnh PRNU.
Kết quả của quá trình hiệu chỉnh bức xạ là tệp tin hiệu chỉnh bức xạ đƣợc tổng hợp từ tệp tin hiệu chỉnh DS và tệp tin hiệu chỉnh PRNU.
3.2 Quy trình đánh giá chất lƣợng ảnh qua thơng số SNR
Đây là công đoạn đầu tiên trong đánh giá chất lƣợng ảnh viễn thám quang học để đảm bảo chất lƣợng dữ liệu đầu vào cho các công đoạn đánh giá tiếp theo
Trong giai đoạn này, dữ liệu mức 0 đƣợc sử dụng để đánh giá chất lƣợng ảnh qua thơng số tín hiệu tối DS, và mức độ hồi đáp không đồng đều của điểm ảnh PRNU, và hiệu chỉnh hai thông số này (nếu cần); sau đó sử dụng dữ liệu chụp các khu vực đồng nhất (các bãi kiểm định nhân tạo, hoặc tự nhiên) để tính tốn giá trị SNR và so sánh với giá trị thiết kế ban đầu đã đặt ra cho mỗi hệ thống vệ tinh viễn thám quang học (đối với VNREDSat-1 là SNR > 100 [31])
Quy trình Đánh giá chất lƣợng ảnh qua thơng số SNR đƣợc mơ tả cụ thể trong hình 3.4 dƣới đây. Dữ liệu ảnh mức 1A Lấy mẫu Tính tốn Giá trị SNR Giá trị ngưỡng SNR Đạt Khơng đạt Dữ liệu ảnh mức 1A (bãi kiểm định) Không sử dụng Đánh giá SNR Hình 3.4. Quy trình đánh giá SNR a. Dữ liệu ảnh mức 1A
Sau khi loại bỏ sai số bức xạ thô nhờ tệp tin hiệu chỉnh bức xạ, dữ liệu ảnh mức 1A tại các khu vực đồng nhất trên bề mặt Trái đất đƣợc sử dụng để đánh giá SNR. Trong nghiên cứu, dữ liệu ảnh mức 1A chụp bãi kiểm định tại thành phố Buôn Ma Thuột sẽ đƣợc thu thập và sử dụng.
b. Lấy mẫu
Các ô mẫu đƣợc lấy là các ô màu đồng nhất trên bãi kiểm định gồm có ơ màu trắng và ô màu đen tại khu vực đánh giá MTF, và các ô trên dải thang độ xám để đánh giá SNR.
c. Tính tốn
Theo định nghĩa, tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu đƣợc xác định bằng giá trị trung bình của tín hiệu μsig chia cho độ lệch trung bình của nền ảnh σbg [36].
Tuy nhiên, trong các bài toán xử lý ảnh, nhất là đối với dữ liệu ảnh có độ tƣơng phản cao, nhiều hệ thống xử lý ảnh đồng nhất nền ảnh với màu đen tuyệt đối, từ đó đƣa giá trị độ lệch trung bình nền ảnh σbg về 0, dẫn đến đƣa giá trị SNR lên lớn vơ cùng. Do đó, trong trƣờng hợp này, định nghĩa SNR đƣợc đổi thành tỉ số giữa giá trị trung bình của tín hiệu μsig chia cho độ lệch chuẩn của tín hiệu σsig (theo cơng thức 2.7)
d. Đánh giá SNR
Sau khi tính tốn giá trị SNR cho các kênh ảnh và so sánh với giá trị thiết kế ban đầu, nếu cao hơn thì có thể sản xuất ra sản phẩm ảnh mức 1A tại khu vực chụp các bãi kiểm định để phục vụ bƣớc đánh giá tiếp theo, trong trƣờng hợp nếu giá trị SNR vẫn thấp hơn giá trị thiết kế thì khơng sử dụng dữ liệu.
3.3 Quy trình đánh giá chất lƣợng ảnh qua thơng số MTF
Sau khi chất lƣợng ảnh đảm bảo chất lƣợng theo yêu cầu về SNR, dữ liệu ảnh đƣợc đánh giá chất lƣợng qua thông số MTF, Tƣơng tự nhƣ thông số SNR, mỗi hệ thống vệ tinh viễn thám quang học có một giá trị ngƣỡng MTF khác nhau (đối với VNREDSat-1, giá trị ngƣỡng MTF của hệ thống chụp ảnh là 0,08). Nếu giá trị tính tốn lớn hơn giá trị ngƣỡng thì dữ liệu ảnh đạt chất lƣợng và có thể đƣa vào sử dụng; nếu giá trị tính tốn thấp hơn giá trị ngƣỡng thì dữ liệu ảnh không sử dụng đƣợc. Quy trình đánh giá MTF đƣợc mơ tả nhƣ hình 3.5 dƣới đây.
Lấy mẫu Xác định ESF Xác định LSF Tính tốn MTF Đạt Khơng đạt Giá trị
ngưỡng MTF Đánh giá MTF Không sử dụng
Dữ liệu ảnh cấp cho người dùng Dữ liệu ảnh mức 1A (bãi kiểm định) Chiết tách cạnh Hình 3.5. Quy trình đánh giá MTF a. Dữ liệu ảnh mức 1A (bãi kiểm định)
Dữ liệu mức 1A sau đánh giá SNR đạt yêu cầu để đảm bảo tính đồng nhất của các ơ mẫu đen trắng sẽ đƣợc dùng làm dữ liệu đầu vào cho việc đánh giá MTF.
Các dữ liệu để đánh giá thông số MTF đƣợc sử dụng trong nghiên cứu là dữ liệu VNREDSat-1, mức 1A, chụp bãi kiểm định tại Buôn Ma Thuột, tỉnh Đắk Lắk, Việt Nam. Ngoài ra các dữ liệu khu vực bãi kiểm định Salon de Provence, cộng hịa Pháp [60] để đánh giá q trình hoạt động của vệ tinh, dữ liệu đƣợc thu thập liên tục từ năm 2015 đến nay. Bãi kiểm định Bn Ma Thuột chỉ có dữ liệu hai thời điểm là 2017 và 2018. Các dữ liệu này đƣợc liệt kê trong bảng 3.1 dƣới đây.
Bảng 3.1. Dữ liệu được sử dụng để đánh giá MTF
STT Ngày chụp Vị trí
1 10/7/2015 Bãi kiểm định Salon de Provence 2 25/4/2016 Bãi kiểm định Salon de Provence 3 07/8/2017 Bãi kiểm định Salon de Provence 4 20/4/2018 Bãi kiểm định Salon de Provence 5 25/7/2019 Bãi kiểm định Salon de Provence 6 24/6/2020 Bãi kiểm định Salon de Provence 7 15/6/2021 Bãi kiểm định Salon de Provence 8 14/11/2017 Bãi kiểm định Buôn Ma Thuột 9 02/11/2018 Bãi kiểm định Buôn Ma Thuột
b. Lấy mẫu
Vùng ảnh đƣợc lấy để làm dữ liệu cho q trình tính tốn MTF là vùng ảnh có chứa một cạnh tƣơng phản giữa hai ô màu đen và trắng, đƣợc đặt nghiêng một góc α so với các trục x và y của ảnh (xem hình 3.6). Giá trị của góc α đối với bãi kiểm định tại Salon de Provence là 14,9 [37] và bãi kiểm định tại Buôn Ma Thuột là 15.
Hình 3.6. Hướng của cạnh trong hệ quy chiếu ảnh phục vụ tính MTF
Khoảng cách lấy mẫu đƣợc chọn theo sơ đồ trong hình 3.7 sau đây:
Hình 3.7. Lưới lấy mẫu ảnh
Hàng ảnh 1
2 3 4
Lƣới lấy mẫu ảnh Lƣới lấy mẫu chuẩn hóa
Khoảng cách lấy mẫu đến điểm ảnh lân cận đƣợc cho bởi giá trị p. Khoảng cách lấy mẫu đơn vị theo hai trục x và y là bằng nhau (do trong trƣờng hợp vệ tinh quang học quan sát trái đất hoạt động theo chế độ chổi đẩy nên độ phân giải theo hai trục là tƣơng đƣơng nhau). Giá trị của mỗi điểm ảnh trong hàng điểm ảnh sẽ đại diện cho hàm lan truyền cạnh ESF đƣợc lấy mẫu theo khoảng cách p. Từ một hàng ảnh sang hàng ảnh kế tiếp sẽ bị dịch một khoảng Δx do ảnh khu vực cạnh đƣợc chụp nghiêng góc so với đƣờng bay của vệ tinh. Giá trị Δx đƣợc tính theo cơng thức dƣới đây [30]:
Số lƣợng hàng ảnh trung bình lấy trong một cạnh đƣợc cho bởi:
Nhƣ vậy số hàng ảnh đƣợc sử dụng để lấy mẫu đối với bãi kiểm định Buôn Ma Thuột sẽ lần lƣợt là 3,732 hàng ảnh. Nhƣ vậy mỗi cảnh ảnh tại bãi kiểm định, số hàng ảnh đƣợc lấy mẫu là 4 hàng, các điểm ảnh đƣợc lấy đảm bảo tính đồng nhất và khơng bị ảnh hƣởng do nhiễu từ các điểm ảnh ở rìa của ơ mẫu. Các hƣớng lấy mẫu đƣợc mơ tả cụ thể nhƣ hình 3.8 sau đây:
Hình 3.8. Lấy mẫu để đánh giá MTF c. Chiết tách cạnh c. Chiết tách cạnh
Đối với các bãi thử dạng cạnh nhƣ sử dụng trong nghiên cứu, phƣơng pháp chiết tách cạnh từ vùng mẫu đƣợc sử dụng là phƣơng pháp Canny [75,45] nhƣ đã trình bày trong mục 2.5.4, kết quả thu đƣợc đối với một vùng mẫu nhƣ hình 3.9 dƣới đây:
d. Xác định ESF
Một nhóm N hàng ảnh liên tiếp đƣợc sử dụng để tái tạo lại hàm lan truyền cạnh ESF, với N đƣợc xác định sao cho tổng độ dịch cạnh từ hàng thứ nhất đến hàng thứ N có giá trị tƣơng đƣơng với kích thƣớc biểu diễn của một điểm ảnh trên thực tế theo chiều x hoặc chiều y. Do độ dịch của cạnh tƣơng ứng với giá trị kích thƣớc một điểm ảnh biểu diễn trên thực thế có thể tƣơng ứng với một số khơng ngun hàng ảnh, số hàng ảnh đƣợc 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 đƣợc lấy mẫu chồng chập để tái tạo lại hàm lan truyền cạnh ESF. Quá trình chồng chập đƣợc thực hiện theo cách: điểm ảnh 1 của hàng 1 đƣợc kế tiếp bởi điểm ảnh 1 của hàng 2, cứ nhƣ