Trong khoảng thời gian giữa lần quét đầu tiên của vệ tinh và lần quét sau cùng, Trái đất sẽ quay đi một khoảng cách đáng kể liên quan tới độ phân giải của vùng vệ tinh quét. Kết quả sự sai lệch của hai trƣờng hợp khác nhau này của Trái đất quay so với vệ tinh đƣợc minh họa ở hình 1.4.
e. Khoảng cách lấy mẫu mặt đất (GSD)
Khoảng cách lấy mẫu mặt đất đƣợc định nghĩa là khoảng cách giữa hai điểm đƣợc liên tiếp trên bề mặt trái đất; hay cũng đƣợc định nghĩa là khoảng cách trên mặt đất đƣợc biểu thị bằng chiều rộng của điểm ảnh. Đây cũng là giá trị thể hiện cho trƣờng nhìn tức thời của hệ thống chụp ảnh trên vệ tinh. (xem minh họa hình 1.5) Lƣới lấy mẫu
f. Độ rộng dải chụp ảnh:
Độ rộng dải chụp ảnh là phạm vi trên bề mặt đất mà thiết bị chụp ảnh có thể thu đƣợc hình ảnh của các đối tƣợng, giá trị này thể hiện trƣờng nhìn của thiết bị chụp ảnh vệ tinh (xem minh họa hình 1.6). Trƣờng nhìn càng lớn thì độ rộng dải chụp ảnh càng lớn và nếu cùng một trƣờng nhìn thì vệ tinh nào cao hơn sẽ có độ rộng dải chụp lớn hơn [33]. Độ rộng dải chụp
Hình 1.6. Độ rộng dải chụp ảnh
1.2.2 Thông số liên quan đến yếu tố bức xạ
a. Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR)
Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu SNR là một trong các yếu tố ảnh hƣởng đến chất lƣợng ảnh viễn thám quang học; và đây là thông số đặc trƣng cho nhiễu bức xạ. Nhiễu ảnh định lƣợng bức xạ khác nhau tại một mức độ bức xạ cho trƣớc nào đó đối với một khu vực đồng nhất.
Tùy theo bộ cảm biến của hệ thống chụp ảnh là dạng mảng hay ma trận mà chịu các ảnh hƣởng nhiễu khác nhau. Nếu bộ cảm biến là dạng mảng thì các nguồn nhiễu của ảnh đến từ hai nguồn tách biệt đó là nhiễu thiết bị chụp và nhiễu do chuẩn hóa. Nếu bộ cảm biến là ma trận thì mỗi cảm biến phải chịu nhiễu từ bản thân nó; do có một vài bƣớc chuẩn hóa để cân bằng tín hiệu giữa các cảm biến nên độ nhiễu đƣợc giả định giống nhƣ nhiễu chuẩn hóa [18].
b. Tín hiệu tối (DS)
Tín hiệu tối là độ chuyển dịch bức xạ cố định đƣợc đo đạc khi khơng có bức xạ vào đầu thu. Giá trị trung bình của tín hiệu tối phải đƣợc đánh giá trên từng kênh phổ và đối với từng điểm ảnh để hiệu chỉnh ảnh thô cho giá trị này [33,67]. Công tác đánh giá
thƣờng đƣợc thực hiện nhằm phục vụ cho việc hiệu chỉnh này thực hiện đầu tiên trên dữ liệu thu đƣợc. Tín hiệu tối này thƣờng bao gồm cả giá trị nhiễu.
c. Hồi đáp bức xạ không đồng đều của điểm ảnh (PRNU)
Khả năng đáp ứng bức xạ không đồng nhất của từng điểm ảnh bao gồm sự khác nhau giữa chính các cảm biến trên bộ cảm khi đáp ứng tín hiệu, khơng những vậy cịn do sự phân bố các điện tử và quang tử trên bề mặt cảm biến khi có tín hiệu[109,33].
Tƣơng tự nhƣ giá trị DS, PRNU cũng đƣợc đánh giá và sử dụng để hiệu chỉnh dữ liệu ảnh trƣớc khi sản xuất; q trình này cịn đƣợc gọi là quá trình cân bằng, và bao gồm việc đánh giá khả năng đáp ứng giữa các cảm biến, cũng nhƣ đáp ứng trung bình trong tồn bộ trƣờng nhìn của vệ tinh.
d. Dải động bức xạ
Dải động bức xạ hay dải động là một dải biên độ thể hiện mức độ chênh lệch giữa vùng sáng nhất và vùng tối nhất của cảnh mà máy ảnh ghi nhận đƣợc, nó thể hiện độ bão hòa của ảnh [51,67]. Khi thiết bị chụp ảnh bị lão hóa, có thể khơng thu đƣợc tín hiệu của vùng sáng nhất hoặc tối nhất, lúc này ảnh đã đạt đến ngƣỡng bão hịa, khơng phân biêt đƣợc các tín hiệu có giá trị. Do vậy đây cũng là một yếu tố trong việc đánh giá thiết bị chụp ảnh thông qua dữ liệu ảnh.
Mặc dù có nhiều thơng số chỉ tiêu chất lƣợng, nhƣng ảnh hƣởng của chúng đến chất lƣợng ảnh đƣợc đƣa vào phục vụ ngƣời dùng là khác nhau. Mặt khác, một số thơng số rất khó khăn trong việc đánh giá. Vì vậy cần xác định rõ những thơng số nào có ảnh hƣởng lớn nhất đến chất lƣợng ảnh và có thể đánh giá đƣợc một cách chủ động.
Trong điều kiện thực tế hiện nay của Việt Nam, không phải thông số nào nêu trên cũng có khả năng đánh giá đƣợc hoặc một số thông số không nhất thiết phải đánh giá. Các thơng số đó gồm:
- Độ méo ảnh: để đánh giá đƣợc thông số này cần phải có mơ hình thiết kế mô phỏng hệ thống quang học nhƣ trên vệ tinh mới có thể đánh giá đƣợc. Trong điều kiện hiện nay, những mơ hình nhƣ trên là chƣa có và rất khó để xây dựng. Do vậy thông số này trong nghiên cứu sẽ không xét đến.
- Khoảng cách lấy mẫu góc: Tƣơng tự nhƣ đối với độ méo ảnh, để đánh giá thông số Khoảng cách lấy mẫu góc cũng cần phải có mơ hình thiết kế mơ phỏng hệ thống. Do vậy trong nghiên cứu cũng không đề cập đến thông số này.
- Chất lƣợng định hƣớng: đối với thông số này, để đánh giá đƣợc địi hỏi phải có khung cơ học và khung mẫu thử thiết bị mô phỏng tính tốn độ chính xác khi hoạt động. Đối với Việt Nam hiện nay, thiết bị này chƣa có nên khơng thể tiến hành đánh giá đƣợc.
- Độ rộng dải chụp: về mặt kỹ thuật, độ rộng giải chụp hồn tồn có thể đánh giá đƣợc, tuy nhiên về mặt kinh tế rất tốn kém. Mặt khác đối với ảnh vệ tinh, thông số này không phải là một yếu tố quá quan trọng và ảnh hƣởng quá nhiều đến chất lƣợng ảnh.
- Dải động bức xạ: thông số này có thể đánh giá đƣợc bằng việc sử dụng những mục tiêu có độ trắng tuyệt đối, tuy nhiên tại Việt Nam hiện nay chƣa có điều kiện để đánh giá thông số này.
- Khoảng cách lấy mẫu mặt đất: Đây là thông số thƣờng đƣợc xem tƣơng đƣơng với độ phân giải không gian của dữ liệu ảnh viễn thám quang học, và công tác hiệu chỉnh hình học sẽ đảm bảo thơng số này đáp ứng yêu cầu thiết kế của hệ thống thu nhận ảnh. Do đó, trong nghiên cứu sẽ khơng xét đến thông số này.
Sau khi đƣa bãi kiểm định nhân tạo tại thành phố Buôn Ma Thuột, tỉnh Đắk Lắk, vào sử dụng từ năm 2017, Việt Nam hồn tồn có thể chủ động đánh giá đƣợc thơng số SNR, MTF. Kết hợp với những bãi kiểm định tự nhiên đƣợc công nhận và sử dụng trên thế giới nhƣ các khu vực Đại Tây Dƣơng, Thái Bình Dƣơng,... các sa mạc tại Lybia, Angeria, Ả-rập,... thông số DS và PRNU cũng hoàn toàn thực hiện đánh giá đƣợc.
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 công 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 thông 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 toán “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 hịan 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