CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
2.1 Thiết bị thu nhận ảnh và chất lƣợng ảnh
Nguyên lý hoạt động của viễn thám quang học có thể đƣợc hiểu đơn giản là dựa trên bức xạ điện từ lan truyền từ đối tƣợng tới cảm biến viễn thám. Theo nguyên lý thu nhận ảnh viễn thám quang học, các yếu tố chính liên quan đến chất lƣợng dữ liệu ảnh viễn thám quang học là tín hiệu đầu vào bộ cảm biến, đặc tính của bộ cảm và chất lƣợng hệ thống quang học [51,85]. Bên cạnh đó là các yếu tố khác nhƣ khí quyển hay khả năng phản xạ của các đối tƣợng trên mặt đất (minh họa trong hình 2.1)
Hình 2.1. Nguyên lý thu nhận ảnh viễn thám[10]
Một hệ thống chụp ảnh lý tƣởng có thể biểu diễn tất cả các điểm trong không gian lên mặt phẳng ảnh cũng dƣới dạng điểm, và giữ đƣợc khoảng cách tƣơng đối giữa các điểm trong mặt phẳng ảnh giống nhƣ trong không gian vật. Tức là về mặt không gian, ảnh là bản sao chính xác của đối tƣợng và chỉ khác về kích cỡ. Hơn nữa, ảnh cịn tái thể hiện trung thực phân bố cƣờng độ tƣơng đối trong không gian vật.
Tuy nhiên, một hệ thống chụp ảnh lý tƣởng nhƣ vậy không tồn tại trong thực tế vì các quang sai của thành phần quang học cấu thành thiết bị chụp ảnh [16]. Các quang sai này có thể đƣợc chia thành hai loại là: quang sai màu (những quang sai phụ thuộc vào bƣớc sóng), và quang sai đơn sắc (quang sai độc lập với bƣớc sóng). Bên cạnh quang sai,
một hiện tƣợng nữa cũng ảnh hƣởng đến chất lƣợng hình ảnh là hiện tƣợng nhiễu xạ. Kết quả của các hiện tƣợng này là hình ảnh của đối tƣợng trên ảnh khơng cịn chính xác nữa (xem hình 2.2)
Hình 2.2. Ảnh hưởng của hiện tượng quang sai và ảnh trên tiêu diện [10]
Sự xuất hiện của ảnh số đã thay thế cho ảnh tƣơng tự và tái tạo lại hình ảnh đối tƣợng dựa vào năng lƣợng cảm biến thu nhận đƣợc. Trên cơ sở đó, các thuật toán xử lý ảnh số đƣợc nghiên cứu và phát triển để giảm thiểu việc mất thông tin; hơn nữa, sự phát triển của các kỹ thuật xử lý dẫn đến sự phát triển của các tiêu chí đánh giá chất lƣợng ảnh. Để đánh giá và nâng cao chất lƣợng dữ liệu viễn thám, cần phải xem xét một số khía cạnh của hoạt động khi vệ tinh đang hoạt động trên quỹ đạo. Những khía cạnh đó có thể đƣợc chia thành hai loại: bức xạ và không gian.
2.1.1 Chất lượng ảnh về mặt bức xạ
Một thiết bị thu nhận ảnh có thể thu thập dữ liệu trong một dải chiếu sáng rộng với các mức độ khác nhau tùy theo vĩ độ và độ phản xạ của vật thể, có thể hơn 90% đối với tuyết cho đến vài phần trăm đối với mặt nƣớc. Do đó, tùy theo mục đích mà các cảm biến đƣợc thiết kế để thu đƣợc những giá trị bức xạ nằm trong khoảng nhất định đã đƣợc đặt trƣớc. Mức thấp hơn thƣờng bị mặc định là giá trị không bức xạ, giá trị bức xạ tối đa mà có thể đo đƣợc là giá trị bão hòa [33].
Thƣớc đo khả năng của cảm biến trong việc phân biệt thay đổi nhỏ nhất phản xạ/phát xạ phổ giữa các đối tƣợng khác nhau đƣợc gọi là độ phân giải bức xạ. Giá trị này đƣợc biểu diễn dƣới dạng thay đổi nhiễu phản xạ phổ tƣơng đƣơng NEΔρ ( hoặc nhiệt NEΔT). Thông số đƣợc định nghĩa là sự thay đổi phản xạ (nhiệt độ) tạo nên tín hiệu đầu ra của cảm biến bằng với giá trị trung phƣơng của nhiễu tại mức tín hiệu đó. Để có thể đo đạc đƣợc ở mức độ thiết bị, thƣờng sử dụng bức xạ vi sai nhiễu tƣơng đƣơng NEΔL thay cho NEΔρ. Chúng có thể đƣợc định nghĩa là sự thay đổi bức xạ đầu vào của cảm biến, sẽ
tạo nên tín hiệu đầu ra thay đổi tƣơng đƣơng giá trị trung phƣơng của nhiễu tại mức tín hiệu đó; và phụ thuộc vào số lƣợng các thông số nhƣ tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR), mức độ bức xạ bão hịa, số bit lƣợng tử hóa. Nếu tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu và mức bão hịa đƣợc lựa chọn đúng, thì về nguyên tắc, đối với một bức xạ cụ thể cả hai có cùng giá trị NEΔL. Các hệ thống hiện nay đang đƣợc thiết kế với mức mã hóa 11bit trở lên. Với các hệ thống này, trừ khi chúng có SNR tƣơng đƣơng, khơng kéo theo độ phân giải bức xạ tốt hơn.
Chất lƣợng bức xạ của thiết bị thu nhận ảnh phụ thuộc chủ yếu vào độ phân giải bức xạ, độ chính xác hiệu chỉnh, và hàm truyền điều biến MTF. Độ phân giải là sự khác biệt nhỏ nhất giữa hai giá trị rời rạc có thể phân biệt đƣợc nhờ thiết bị đo. Tuy nhiên, độ phân giải cao không nhất thiết mang tới độ chính xác cao. Độ chính xác là thƣớc đo sự tiệm cận giữa giá trị đo và giá trị thực tế.
Bên cạnh đó, sai số bức xạ cũng có nguyên nhân một phần từ MTF của hệ thống. Nhƣ đã đề cập ở trên, MTF làm giảm độ tƣơng phản của đối tƣợng thực tế trên mặt phẳng ảnh. Vì vậy, giá trị bức xạ do thiết bị thu đƣợc sẽ không phản ánh giá trị thực tế của điểm ảnh do tín hiệu của các điểm ảnh xung quanh nó. Điều này dẫn đến vấn đề trong phân loại ảnh đa phổ, vì giá trị bức xạ đo đƣợc phụ thuộc vào nguồn gốc các điểm ảnh xung quanh.
Một nguồn khác của sai số bức xạ là khí quyển, vì khí quyển sẽ “phá hỏng” giá trị phản xạ thật của đối tƣợng trên đƣờng tới thiết bị chụp ảnh. Tán xạ trong khí quyển sẽ đƣợc thêm vào giá trị bức xạ trên đƣờng từ bề mặt trái đất đến cảm biến, và lần lƣợt làm giám độ tƣơng phản cũng nhƣ thay đổi giá trị phản xạ thật. Hiệu ứng khí quyển của những điểm ảnh lân cận đối với giá trị bức xạ của một điểm ảnh cho trƣớc cũng ảnh hƣởng đến độ phân giải không gian và sinh ra sai số bức xạ [54]. Sai số bức xạ thƣờng làm cho độ chính xác phân lại giảm; tuy nhiên, các hiệu ứng này có thể hiệu chỉnh đƣợc ở một mức độ nhất định bằng cách sử dụng mơ hình thích hợp.
2.1.2 Chất lượng ảnh về mặt không gian
Đặc điểm về mặt không gian khi thiết kế thiết bị chụp ảnh là độ rộng của cảnh ảnh và độ phân giải không gian. Mặc dù rất phổ thông nhƣng khái niệm độ phân giải khơng gian để hiểu chính xác địi hỏi khá nhiều cơng phu và có thể đƣợc hiểu theo nhiều cách. Thực tế cho thấy do hiện tƣợng nhiễu xạ của ánh sáng mà một điểm không bao giờ còn là một điểm trên tiêu diện nữa, mà nó sẽ có dạng một đĩa sáng ở trung tâm với các vòng tròn mờ hơn ở xung quanh (xem hình 2.3), với các cực tiểu tối ở giữa các vịng trịn. Do
đó, hiện tƣợng nhiễu xạ làm giới hạn khả năng của hệ thống chụp ảnh để tách biệt hai đối tƣợng liền kề nhau.
Hình 2.3. Hình ảnh của một điểm sáng trên tiêu diện
Áp dụng quy tắc Rayleigh, ảnh của hai đối tƣợng dạng điểm đƣợc phân biệt khi tâm cực đại của mơ hình nhiễu xạ của điểm này trùng khớp với cực tiểu đầu tiên của mơ hình nhiễu xạ của điểm kia (xem minh họa hình 2.4)
Hình 2.4. Giới hạn phân giải
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 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 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.