Trên thế giới

CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.3 Tổng quan về đánh giá chất lƣợng ảnh viễn thám quang học

1.3.1 Trên thế giới

Trên thế giới, hiện có nhiều quốc gia, vùng lãnh thổ tự phóng vệ tinh viễn thám nhƣ Mỹ, Nga, Cơ quan vũ trụ Châu Âu, Trung Quốc, Nhật Bản, Ấn Độ. Đối với các quốc gia và vùng lãnh thổ này, song song với việc vận hành và khai thác vệ tinh viễn thám, công tác đánh giá chất lƣợng ảnh viễn thám luôn đƣợc chú trọng. Liên quan đến cơng tác này, có rất nhiều các nghiên cứu đã đƣợc công bố. Trên thế giới, việc đánh giá chất lƣợng ảnh thƣờng đƣợc thực hiện ở một số dạng nhƣ đánh giá và hiệu chỉnh bức xạ ảnh, đánh giá và hiệu chỉnh hình học ảnh,…Về phƣơng pháp, hiện nay có nhiều phƣơng pháp đánh giá nhƣ sử dụng vật chuẩn để đánh giá; sử dụng phƣơng pháp đánh giá chéo. Tuy nhiên, phƣơng pháp đánh giá chéo chỉ thích hợp với việc đánh giá phổ và đánh giá độ đồng nhất của ảnh. Để đánh giá độ tƣơng phản và GSD cần phải sử dụng vật chuẩn để so sánh các giá trị này đo đƣợc trên ảnh và đo đƣợc trên vật chuẩn [15].

Đối với đánh giá giá trị bức xạ ảnh, hiện nay có rất nhiều nghiên cứu liên quan đến nội dung này, trong đó gần đây nhất phải kể đến các cơng trình nghiên cứu đánh giá và hiệu chỉnh ảnh Landsat8 OLI_TIR [72]. Trong nghiên cứu, các tác giả đã sử dụng phƣơng pháp đánh giá chéo giữa ảnh Landsat 8 và Landsat 7 trên khu vực Lybia. Kết quả này đã cho thấy, giá trị bức xạ trên ảnh Landsat 8 và Landsat 7 tại các điểm chọn mẫu có độ sai khác khoảng 3%. Một kết quả nghiên cứu khác có liên quan đến nội dung này là các công bố về đánh giá và hiệu chỉnh bức xạ ảnh Aster [9]. Trong nghiên cứu, các tác giả đã cung cấp một cách tóm tắt nhƣng đầy đủ về những vấn đề đặt ra và cách giải quyết việc nhiễu xạ giữa 2 kênh ảnh VNIR và SWIR.

Việc đánh giá độ tƣơng phản ảnh rất quan trọng đối với các ảnh quang học độ phân giải cao, đặc biệt là siêu cao nhƣ Quickbird, Woldview-2,…Các tác giả đã đƣa ra công thức hiệu chỉnh giá trị tƣơng phản của 8 kênh ảnh của Worldview-2 [96] dựa trên mối quan hệ phi tuyến tính giữa bộ cảm biến và các giá trị phản xạ thu đƣợc tại 7 điểm kiểm tra thực địa.

Nhà sản xuất vệ tinh SPOT đã thực hiện đánh giá chất lƣợng ảnh qua thơng số SNR, MTF. Trong đó, giá trị SNR đƣợc phân biệt nhiễu thành hàng và cột; nhiễu của ảnh sẽ là sự kết hợp theo hàm tổng bậc 2 của nhiễu hàng và nhiễu cột, và thƣờng đƣợc tính trên một ma trận 50x50 điểm ảnh. SPOT sử dụng các cảnh ảnh một khu vực đồng nhất nhƣ sa mạc hay băng tuyết; kết hợp với các mơ hình nhiễu [62]. Các kết quả thu đƣợc tƣơng ứng với các đo đạc trên vệ tinh mà nhà sản xuất đã tiến hành. Đối với hệ thống vệ tinh SPOT5, thuật toán “gờ” đƣợc áp dụng để đánh giá độ sắc nét của ảnh cho kênh toàn sắc và dùng bãi kiểm định tại Salon de Provence. Kết quả cũng chỉ ra sự suy giảm trên HRG2 làm cho giá trị MTF tăng [38]. Điều này đã giúp cho SPOT hiệu chỉnh kịp thời vào tháng 4/2011.

Đối với hệ thống vệ tinh QuickBirds, tác giả Paul W. Scott_Kỹ sƣ trƣởng về thiết bị chụp ảnh của DigitalGlobe cũng đã đánh giá MTF dựa trên 16 cảnh ảnh khác nhau chụp trong vòng gần 2 năm (từ 12/5/2001-02/3/2003) và thuật toán “gờ” với các vật chuẩn đƣợc sơn trên mặt đất để thực hiện [90]. Tác giả đã chỉ ra rằng, khi lấy mẫu, nếu sử dụng nội suy song tuyến cho các giá trị MTF thấp hơn; nếu sử dụng nội suy 8-Point Sinc thì giá trị MTF cao hơn. Các giá trị MTF kết quả sẽ rất khác nhau phụ thuộc vào việc tái chia mẫu khoảng cách lấy mẫu mặt đất và khoảng cách lấy mẫu tự nhiên. Kết quả thu đƣợc cho thấy giá trị trung bình của MTF tại tần số Nyquist theo cả hai hƣớng dọc và

ngang với hƣớng bay đều đạt yêu cầu kỹ thuật đề ra là >0.1. Điều này chứng tỏ vệ tinh vẫn đang hoạt động tốt và theo đúng thiết kế ban đầu; các kết quả này phù hợp theo thời gian và trên tồn trƣờng nhìn của vệ tinh.

Hầu hết các vệ tinh độ phân giải cao đều tập trung đánh giá MTF_giá trị cơ bản đặc trƣng cho thiết kế hệ thống chụp ảnh và chất lƣợng hệ thống hình học thƣờng dùng trong viễn thám. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng thuật toán “gờ” với các ảnh chụp khu vực bãi kiểm định đƣợc kẻ ô đen trắng và dùng cạnh của các tịa nhà cao tầng có độ phản xạ cao để đánh giá MTF của dữ liệu Orbview-3 [56]. Giá trị MTF đƣợc tính tốn trên sản phẩm ảnh cơ bản của hệ thống với mức độ mã hóa 11bit, đồng thời cũng đƣợc tính trên các ảnh đƣợc tăng cƣờng chất lƣợng (pan-sharpenend) và không tăng cƣờng chất lƣợng. Đồng thời cũng tính theo hai hƣớng dọc và ngang với hƣớng bay của vệ tinh. Tác giả cũng cho rằng MTF chỉ là một phần trong toàn bộ chất lƣợng ảnh của hệ thống và nó cần đƣợc kết hợp với SNR và độ chính xác bức xạ. Đồng thời các kết quả của nghiên cứu cũng cần phải so sánh với các cảm biến khác.

Đối với hệ thống vệ tinh Sentinel-2 của Châu Âu, công tác đánh giá đƣợc thực hiện theo chu kỳ hàng năm ở các mức dữ liệu 1A, 2A, trong đó mức 1A đƣợc đánh giá trên các chỉ số nhƣ SNR, MTF, mức độ hồi đáp của điểm ảnh, cân bằng bức xạ, bức xạ gián tiếp tuyệt đối,…[67]

Để đánh giá SNR, nhóm nghiên cứu đã đo đạc và phân tích theo hai chu kỳ thời gian và với hai phƣơng pháp khác nhau. Đối với dữ liệu hàng tháng SNR đƣợc đo đạc sử dụng các cảnh ảnh có khuếch tán mặt trời và tín hiệu tối; đối với các dữ liệu hàng 6 tháng, SNR sẽ đƣợc đo đạc trên các bề mặt đồng nhất và các ảnh tín hiệu tối sử dụng các vật chuẩn tự nhiên nhƣ sa mạc, đảo Greenland hay Nam Cực. Các dữ liệu đầu vào cho công tác đánh giá SNR là các ảnh tối, ảnh có khuếch tán mặt trời, các vật chuẩn đồng nhất, và các hệ số có liên quan nhƣ hiệu chỉnh tia sáng lạc, góc tới, mức độ sáng,… Giá trị bức xạ trên ảnh đƣợc kết hợp với dữ liệu tín hiệu tối và đƣợc sử dụng để đƣa ra hệ số trong mơ hình nhiễu, sau đó sẽ đƣa ra giá trị SNR. Phƣơng pháp này chủ yếu sử dụng các vật chuẩn tự nhiên, những khu vực đƣợc coi là bề mặt Lambert (bề mặt khuếch tán lý tƣởng)

Đối với MTF, Sentinel-2 sẽ đƣợc ƣớc tính giá trị MTF theo hàng năm. Phƣơng pháp đƣợc sử dụng ở đây là phƣơng pháp đo đạc xung hồi đáp qua vật chuẩn dạng cạnh (ví dụ nhƣ ranh giới đất/nƣớc) hoặc vật chuẩn dạng xung (ví dụ nhƣ cầu). Phƣơng pháp

vật chuẩn dạng cạnh sử dụng việc chuyển trạng thái giữa bề mặt tối và sáng, các vật chuẩn dạng cạnh tƣơng ứng với cạnh Heaviside độ tƣơng phản cao. Phƣơng pháp này sử dụng các vật chuẩn nhân tao với bề mặt đƣợc sơn sáng tối; hay các vật chuẩn tự nhiên nhƣ các cánh đồng, nơi đỗ xe, cạnh chuyển đổi giữa mặt đất/nhà, nƣớc/băng,…[67] Phƣơng pháp vật chuẩn xung sử dụng một vùng sáng đƣợc bao quanh bởi một vùng tối khác. Các vật chuẩn này thƣờng đƣợc sơn trên các bề mặt bê tông hay các tấm vải đen trắng cụ thể nào đó; chúng cũng có thể là các đối tƣợng nhân tạo nhƣ các cây cầu, hay sọc trắng trên đƣờng băng.

Đối với vệ tinh Hyperion Các nhà nghiên cứu đã dùng thuật tốn “gờ” để tính tốn LSF, sau đó giá trị MTF đƣợc xác định từ biến đổi Fuorier của LSF [76]. Cảnh ảnh đƣợc sử dụng là ảnh chụp cây cầu giữa vịnh ở Destin, Florida với chiều rộng 13,02 mét. Giá trị MTF thu đƣợc tại tần số Nyquist là trong khoảng 0,39-0,42 trong khi giá trị trƣớc khi phóng lên quỹ đạo là 0,42. Nhƣ vậy tức là hệ thống chụp ảnh trên vệ tinh vẫn hoạt động tốt, đảm bảo yêu cầu kỹ thuật theo đúng thiết kế.

Tƣơng tự nhƣ với vệ tinh Hyperion, vệ tinh Landsat7 cũng đã từng đƣợc ƣớc tính giá trị MTF sử dụng một cây cầu ở hồ Pontchartrain Causeway, bang Luouisiana, Hoa Kỳ do tác giả Jame C. Storey của trung tâm dữ liệu EROS, Cơ quan Khảo sát Địa chất Hoa kỳ thực hiện [98]. Mặc dù khi công bố, kết quả thu đƣợc mới đánh giá đƣợc hai năm đầu hoạt động của vệ tinh nhƣng các kết quả cũng chỉ ra sự suy giảm hiệu suất MTF là hòan tồn dự đốn đƣợc. Sự thống nhất giữa mơ hình trƣớc khi phóng, các phép đo từ dữ liệu ảnh và độ ổn định tƣơng đối của các phép đo đó trên các kênh phổ, cho thấy việc ƣớc tính MTF đang mang lại hiệu quả thực tế rõ ràng và phƣơng pháp nghiên cứu này cung cấp một phƣơng tiện giám sát hiệu quả hoạt động của vệ tinh Landsat-7 ETM+.

Các tác giả ở Thái Lan cho rằng có nhiều phƣơng pháp để ƣớc tính MTF cho các vệ tinh nhƣ: phƣơng pháp xung lực, phƣơng pháp hình sin, phƣơng pháp sống dao, phƣơng pháp xung, nhƣng đối với vệ tinh có độ phân giải cao thì phƣơng pháp sống dao với các mục tiêu cạnh là hợp lý nhất, đây cũng là phƣơng pháp mà vệ tinh SPOT5, ALOS PRISM, Kompsat-2,... đã từng sử dụng [77]. Do đó, họ cũng áp dụng phƣơng pháp này với bãi kiểm định ở Salon de Provence, Pháp để ƣớc tính giá trị MTF của vệ tinh THEOS. Họ cũng cho rằng các bãi kiểm định nhân tạo với các vật chuẩn đƣợc thiết kế với kích thƣớc, màu sắc,... cho trƣớc là cần thiết và bắt buộc để đánh giá chất lƣợng thiết bị chụp ảnh thông qua dữ liệu ảnh. Tuy nhiên, nghiên cứu này lại tập trung vào việc lý

giải cho kích thƣớc, hƣớng của vật chuẩn để ƣớc tính MTF mà khơng cơng bố kết quả ƣớc tính.

Ngay từ những năm đầu khi dữ liệu viễn thám còn chƣa phổ biến nhiều, công tác đánh giá chất lƣợng ảnh đã đƣợc quan tâm nghiên cứu và đã có nhiều đề xuất đƣợc đƣa ra. Để có thể sử dụng tốt nhất dữ liệu AVIRIS, NASA đã đề xuất phƣơng pháp đánh giá SNR theo phƣơng pháp địa thống kê [29]_đây là một phƣơng pháp mới so với các phƣơng pháp hiện có lúc đó là: phƣơng pháp “phịng thí nghiệm” làm giá trị SNR tăng cao, phƣơng pháp “dòng tối” và “ảnh” là lệch hƣớng giá trị SNR. Đây là phƣơng pháp dựa trên cơ sở loại trừ nhiễu có chu kỳ bằng cách “lọc notch” trong miền tần số và sử dụng biểu đồ bán phƣơng sai để tách nhiễu cảm biến và biến thiên điểm ảnh nội tại. Tuy nhiên phƣơng pháp này lại đƣợc đề xuất và phát triển dành cho dữ liệu AVIRIS. Tiềm năng của phƣơng pháp này khá lớn, tuy nhiên, để có thể áp dụng đƣợc thì các dữ liệu viễn thám khác cần phải đáp ứng một số giả thiết nhất định về độ ổn định, tính đắng hƣớng, độ phân giải không gian định sẵn, cảnh ảnh không chứa thông tin ngẫu nhiên, phƣơng sai Nugget độc lập với phƣơng sai cấu trúc phụ thuộc không gian.

Năm 2000, tổ chức tiêu chuẩn thế giới (The International Organization for Standardization_ISO) đã đƣa ra tiêu chuẩn ISO 12233 về việc sử dụng phƣơng pháp cạnh nghiêng để tính tốn giá trị MTF (International Standard ISO 12233:2000(E)). Và năm 2017, phƣơng pháp này đã đƣợc chỉnh sửa thêm và đổi thành ISO 12233:2017. Phƣơng pháp này cho phép ƣớc tính MTF nhanh chỉ trên một cảnh ảnh; hơn thế nữa, về mặt tiêu chuẩn hóa, giá trị MTF từ nhiều nguồn khác nhau có thể đƣợc so sánh dễ dàng và chính xác. Do vậy tác giả M. Estribaeu và P. Magna đã sử dụng phƣơng pháp này để ƣớc tính MTF cho cảm biến CMOS và so sánh kết quả với việc sử dụng vật chuẩn hình sin [39]. Kết quả giữa hai phƣơng pháp rất giống nhau, tuy nhiên đó là trong trƣờng hợp vật chuẩn hình sin đƣợc chụp với góc nghiêng khoảng 5°. Mặc dù phƣơng pháp cạnh nghiêng theo tiêu chuẩn ISO 12233 đƣợc thiết kế để ƣớc tính MTF cho hầu hết các thiết bị chụp ảnh và chỉ cần chụp một ảnh, nhƣng điểm yếu của nó là góc chụp cần phải nhỏ hơn 10° [39], và tiêu chuẩn đề xuất là 5°; điều này không đơn giản trong thực tế chụp ảnh của các hệ thống vệ tinh, đặc biệt là các hệ thống vệ tinh nhỏ vốn có ƣu điểm mạnh nhất là tính linh hoạt cao.

Các tác giả Hang Li, Changxiang Yan, và Jianbing Chao đã thay đổi một số điểm trên cơ sở phƣơng pháp cạnh nghiêng để ƣớc tính MTF cho hệ thống chụp ảnh hồng

ngoại trong nghiên cứu của mình [64]. Trong đó, các tác giả đã đề xuất phƣơng pháp chỉnh sửa phƣơng pháp cạnh nghiêng mới là sự kết hợp giữa phƣơng pháp chiết tách góc cạnh mới và phƣơng pháp ESF thích hợp mới. Các kết quả mô phỏng thực nghiệm và áp dụng thực tế cho thấy, phƣơng pháp mới này chính xác và ổn định hơn so với phƣơng pháp của tiêu chuẩn ISO 12233. Tuy nhiên, đối với mỗi loại thiết bị chụp ảnh lại cần có thời gian để tiến hành mơ phỏng và thực nghiệm để tìm ra phƣơng pháp chiết tách cạnh cũng nhƣ hàm lan truyền cạnh thích hợp nhất.

Bên cạnh phƣơng pháp cạnh nghiêng hay thuật toán “gờ”, một số tác giả đã đƣa ra các phƣơng pháp khác để tính ƣớc tính MTF nhƣ sử dụng phƣơng pháp đánh giá tồn diện mờ để ƣớc tính MTF đối với các vệ tinh có độ phân giải cao của tác giả Wu Zhaocong và cộng sự [109]. Trong nghiên cứu, các tác giả đã thiết lập hai thuộc tính của MTF và bảy thuộc tính bức xạ đƣợc chiết tách từ khu vực “sống dao” trên ảnh, bao gồm: Nyquist, MTF 0.5, entropy, đỉnh tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu, sai khác trung bình, cƣờng độ cạnh, gradient trung bình, độ tƣơng phản và khoảng cách lấy mẫu mặt đất. Các thử nghiệm đƣợc thực hiện trên ảnh GF2 và so sánh giữa các vật chuẩn tự nhiên và nhân tạo. Kết quả là, đối với cùng một vệ tinh thì chất lƣợng ảnh của các tồ nhà, mặt nƣớc vƣợt trội so với đất nông nghiệp; và ảnh hiệu chỉnh thực địa đạt chất lƣợng cao nhất. Khi so sánh GF2 với SPOT7, nếu chọn MTF và SNR là các yếu tố chính thì chất lƣợng SPOT7 tốt hơn GF2, nhƣng nếu chọn thuộc tính cạnh, entropy và độ phân giải không gian thì GF2 tốt hơn SPOT7. Nhƣ vậy, phƣơng pháp đánh giá toàn diện mờ khơng chỉ có thể đánh giá chất lƣợng hình ảnh một cách tồn diện mà cịn có thể phản ánh tác động của các đặc điểm khác nhau để đánh giá chất lƣợng hình ảnh khác nhau một cách linh hoạt. Đây là một phƣơng pháp khá khả quan để so sánh chất lƣợng giữa hai hệ thống chụp ảnh, tuy nhiên việc đánh giá này là tƣơng đối vì phụ thuộc vào việc lựa chọn yếu tố nào là chính.

Nhóm tác giả Jin Li, Fei Xing, Ting Sun, Zheng You đã đề xuất một phƣơng pháp ƣớc tính MTF gồm 5 bƣớc là: sử dụng mơ hình di chuyển điểm ảnh để chiết xuất các ảnh có ở điều kiện dƣới khung; sử dụng một thuật tốn hình thái học và bộ lọc đồng cấu tƣơng quan để loại bỏ nhiễu và tăng cƣờng ảnh dƣới khung; sử dụng một phần khác biệt của hình ảnh để xác định chính xác vị trí của các điểm cạnh; sử dụng một mơ hình hàm quang học để xây dựng hàm lan truyền cạnh độ phân giải cao; cuối cùng là ƣớc tính MTF bằng cách đạo hàm và biến đổi Fuorier [65]. Các thực nghiệm trong nghiên cứu khi sử

dụng trên ảnh SPOT5 và Quickbirds đã chỉ ra rằng phƣơng pháp đánh giá MTF này vƣợt trội hơn so với các phƣơng pháp khác_sống dao và cạnh nghiêng. Và các tác giả cũng hy vọng phƣơng pháp này có thể là một tham chiếu để đánh giá MTF trong tƣơng lai. Đặc điểm nổi bật của phƣơng pháp này là việc sử dụng một phần ảnh khác biệt đƣợc chiết tách trong cảnh ảnh để đánh giá mà không sử dụng các vật chuẩn. Điều này đòi hỏi việc