Các ảnh SPOT sử dụng cho công tác điều tra cơ bản (điều tra rừng, tổng kiểm kê đất đai, hiện chỉnh bản đồ địa hình và giám sát tài nguyên thiên nhiên và môi trường) đòi hỏi độ chính xác cao, phục vụ cho công việc tính toán diện tích, định vị vị trí các lớp đối tượng. Đối với vùng ảnh bị mây phủ, để bù được chính xác những phần ảnh này thì việc xử lý hình học ảnh đòi hỏi độ chính xác cao, có thể chồng khít các cảnh ảnh chụp ở thời điểm khác nhau. Các ảnh được chụp ở các thời điểm khác nhau nên các thông số chụp ảnh là khác nhau về điều kiện chụp ảnh, ví dụ như góc chụp; vị trí vệ tinh …
Mô hình hóa biến dạng của ảnh được lựa chọn là mô hình vật lý ảnh (sử dụng các thông số quỹ đạo của vệ tinh, thông số đầu thu chụp) đối với khối ảnh SPOT. Kiểu mô hình đã được xây dựng trên phần mềm thương mại của Pháp như SPACE MATE hoặc phần mềm PCI Geomatica của Canada [7],[8].
Độ chính xác xử lý hình học ảnh lúc này phụ thuộc vào điểm khống chế mặt đất sử dụng để chính xác hóa mô hình biến dạng của ảnh. Tuy nhiên, các ảnh bị mây phủ nhiều nên chọn và đo điểm khống chế rất khó khăn.
Để đánh giá mức độ chính xác về hình học của các ảnh SPOT có mây phủ, đề tài chọn ảnh thử nghiệm ở khu vực Lai Châu – Điện Biên, 8 cảnh ảnh SPOT 5 panchromatic được chọn đánh giá vì ảnh pan có độ phân giải cao hơn ảnh đa phổ, sử dụng mô hình quỹ đạo vệ tinh, thông tin của các cảnh ảnh như sau:
Ảnh SPOT Pan 263-305 29/11/2006.
Ảnh SPOT Pan 263-206 29/11/2006.
29 Ảnh SPOT Pan 264-306 12/03/2005. Ảnh SPOT Pan 263-305 12/11/2009. Ảnh SPOT Pan 263-306 12/11/2009. Ảnh SPOT Pan 264-305 19/12/2008. Ảnh SPOT Pan 264-306 19/12/2008.
Các cảnh ảnh SPOT chụp năm 2005 – 2006 được mô hình hóa thành khối ảnh 1. Các cảnh ảnh SPOT chụp năm 2008-2009 được mô hình hóa ở khối ảnh 2, sau đó cả 2 khối ảnh này được ghép thành một khối ảnh cho cả khu vực
Các điểm khống chế sử dụng trong mô hình là các điểm đo GPS, đây là các điểm đo khống chế ảnh phục vụ cho các dự án của Bộ Tài nguyên và Môi trường. Khu vực không có điểm GPS thì sử dụng điểm khống chế đo trên bản đồ. Mô hình số địa hình được thành lập từ bản đồ địa hình 1/25.000.
Số lượng điểm khống chế sử dụng là 80 điểm, phân bố đều trên toàn khu
30
vực. Tuy nhiên lượng điểm khống chế dùng cho mỗi cảnh là rất khác nhau và phân bố không đều trên từng cảnh ảnh. Nguyên nhân là do mây phủ trên các vùng khác nhau của các cảnh ảnh là khác nhau. Có cảnh ảnh chỉ chọn được một số điểm tập trung tại vùng không bị mây phủ ở giữa cảnh ảnh, thông thường nếu mô hình cảnh ảnh riêng lẻ thì độ chính xác hình học của cảnh ảnh chỉ đạt yêu cầu ở vùng có điểm khống chế. Các vùng khác có độ chính xác rất thấp và thường không đạt yêu cầu.
Mặt khác, các điểm ảnh của cùng một vị trí trên thực địa ở các thời điểm khác nhau, nếu có độ chính xác hiệu chỉnh hình học khác nhau thì không thể chồng khít lên nhau. Khi ghép để tạo mảnh bình đồ ảnh thì phần ảnh này với các phần ảnh của các ảnh khác thì các đối tượng trên ảnh sẽ lệch nhau rất lớn.
Độ chính xác hình học còn ảnh hưởng tới bước trộn ảnh (Pan+XS) sau này. Thông thường, ảnh SPOT XS có độ phân giải thấp hơn SPOT pan 4 lần (tỷ lệ 4:1), nếu chồng 2 loại ảnh này lên nhau thì một điểm ảnh của SPOT pan (2,5m) có thể
31
chồng khít lên điểm ảnh đó ở trên ảnh XS (10m). Vì vậy, sai số vị trí điểm của ảnh XS so với ảnh pan có thể đạt tới ±5m.
2.1.1 Độ chính xác hình học của các cảnh ảnh SPOT có mây
Độ chính xác hình học của ảnh SPOT hay các ảnh vệ tinh quang học nói chung phụ thuộc vào:
Kiểu mô hình hình học ảnh.
Số lượng điểm khống chế sử dụng.
Mức độ chênh cao địa hình của khu vực ảnh.
Trong các tham số đưa vào tính toán mô hình biến dạng thì điểm khống chế mặt đất là tác động nhiều nhất do chủ quan của người thao tác, các tham số khác (liên quan tới quỹ đạo vệ tinh) là những nguồn gây sai số hệ thống và nó là ổn định cho từng cảnh ảnh. Trong nhiều trường hợp, sai số tồn tại tại điểm khống chế vượt quá
SPOT pan 264-305 22/11/2008 SPOT pan 264-305 12/03/2005
32
hạn sai cho phép và không rõ nguyên nhân thì điểm khống chế đó cần phải loại bỏ. Đôi khi cần phải tổ chức đo điểm khống chế khác.
Ảnh SPOT xử lý hình học mức 3: Trong khu vực thử nghiệm đối với vùng núi cao (tỉnh Điện Biên), sai số của mô hình gồm 8 cảnh SPOT 5 2,5m có thể đạt tới XRMS= ±1,03m và YRMS = ± 1,02m, sai số tồn tại tại điểm khống chế maxResX = 3,13m và maxResY = +2,92m.
Ảnh SPOT xử lý hình học ở mức 2A: các ảnh đa thời gian có độ chính xác hình học không cao, các đối tượng trên ảnh ở các thời điểm khác nhau không trùng khít với nhau (do các biến dạng hệ thống và do ảnh hưởng chênh cao địa hình khu
33
vực chụp ảnh...). Hiệu chỉnh hình học mức 2A không sử dụng các điểm khống chế (sử dụng thông số quỹ đạo vệ tinh và thông số chụp ảnh). Vì vậy, đối với các ảnh SPOT mức 2A đa thời gian cần phải chọn các điểm kết nối ảnh (thay điểm khống chế) và kiểm tra độ chồng khít của các cảnh ảnh. Sau khi sử dụng các điểm kết nối ảnh, tập ảnh SPOT đa thời gian xử lý hình học mức 2A đảm bảo chồng khít lên nhau và đáp ứng được yêu cầu chính xác hình học để tạo ảnh không mây. Tuy nhiên, các sai số tồn tại trong ảnh SPOT mức 2A là rất lớn, nên ảnh SPOT mức 2A không mây không sử dụng cho các mục đích đòi hỏi độ chính xác hình học cao (hiện chỉnh bản đồ, kiểm kê đất đai, kiểm kê rừng ...).
2.1.2 Lựa chọn phương pháp mô hình hóa ảnh
Xử lý hình học các ảnh SPOT nói chung và ảnh SPOT có nhiều mây nói riêng đểu có thể sử dụng các phương pháp xử lý hình học ảnh SPOT (sử dụng mô hình vật lý, mô hình đa thức; điểm khống chế mặt đất; điểm kết nối các cảnh ảnh; mô hình số địa hình). Tuy nhiên, đối với ảnh SPOT có nhiều mây thì việc lựa chọn điểm khống chế gặp khó khăn khi những điểm này bị mây phủ trên một số cảnh ảnh trong tập ảnh. Để giải quyết vấn đề này, cần sử dụng các điểm kết nối ảnh. Các thử nghiệm về độ chính xác hình học của tập ảnh SPOT đa thời gian (mức 2A, 2B, 3) đều đáp ứng được yêu cầu để tạo ảnh SPOT không mây. Tuy nhiên, tùy yêu cầu về độ chính xác hình học ta có thể chọn:
+ Ảnh SPOT xử lý hình học ở mức 2A: Các ảnh đa thời gian có độ chính xác hình học không cao. Vì vậy, các ảnh SPOT không mây tạo được trên tập ảnh SPOT đa thời gian xử lý mức 2A có thể sử dụng được cho các mục đích nghiên cứu mà không đòi hỏi yêu cầu chính xác hình học cao.
+ Đối với ảnh SPOT xử lý hình học ở mức 2B, có thể được sử dụng cho những cảnh ảnh chụp ở vùng đồng bằng, vì ít bị ảnh hưởng sai số do chênh cao địa hình. Ở mức 3, các cảnh có mây phủ ở các vùng khác nhau trên ảnh gây khó khăn trong việc chọn điểm khống chế, nhờ mô hình khối ảnh SPOT và các điểm liên kết ảnh mà những vùng ảnh có mây phủ vẫn đạt độ chính xác hình học cao, đáp ứng
34
cho các mục đích sử dụng đòi hỏi độ chính xác hình học cao (hiện chỉnh bản đồ, kiểm kê đất đai, kiểm kê rừng ...).
2.2 Hiệu chỉnh phổ ảnh đa thời gian 2.2.1 Các tham số sử dụng để hiệu chỉnh 2.2.1 Các tham số sử dụng để hiệu chỉnh
Trong các ứng dụng ảnh viễn thám đòi hỏi phải định lượng hóa các tính chất vật lý của đối tượng thể hiện trên ảnh viễn thám (giá trị vật lý), các giá trị số của
Hình 2.5: Tập ảnh SPOT 4 đa thời gian khu vực Khánh Hòa chụp ngày 6/3/2009 (trái), 17/4/2008 (giữa), 19/6/2008 (phải)
Hình 2.6: Các ảnh sau khi được hiệu chỉnh hình học mức 2A (trái) và độ chồng khít giữa các ảnh (phải)
35
ảnh cần được chuyển đổi về các giá trị đo được tại đầu thu chụp. Các giá trị này là giá trị thực nhận được tại đầu thu: bức xạ của đối tượng nhận được tại đầu thu chụp (đơn vị là W.m-2.Sr-1.μm-1), phản xạ của đối tượng nhận được tại đầu thu (đơn vị là %). Sóng bức xạ, phản xạ và phát xạ của các đối tượng từ bề mặt trái đất tới vệ tinh, đầu thu nhận được sóng này và chuyển đổi thành tín hiệu số (digital number – DN) [9]. Để chuyển từ giá trị số về các giá trị vật lý ban đầu cần có phương pháp chuyển đổi và một số tham số của đầu thu chụp, các tham số này được các hãng vận hành vệ tinh cung cấp kèm theo với ảnh dưới dạng các file dữ liệu bổ trợ. Thông qua phương pháp và các tham số chuyển đổi ta có thể tính được các giá trị vật lý cho từng điểm ảnh và từ đó chúng ta có thể so sánh giá trị của mỗi điểm ảnh ở thời điểm chụp ảnh khác nhau hoặc giữa các đầu thu chụp khác nhau. Quá trình chuyển đổi này là cần thiết để đạt được độ chính xác cao khi sử dụng phân tích dữ liệu ảnh viễn thám đa thời gian hoặc ảnh đa đầu chụp. Các tham số sau đây tham gia vào quá trình hiệu chỉnh phổ của ảnh vệ tinh về giá trị nhận được tại đầu thu.
Gain
Là hệ số hiệu chỉnh tuyệt đối của đầu thu chụp, để tính giá trị vật lý của phát xạ nhận được tại đầu thu chụp [10]. Nhờ có hệ số gain mà giá trị số của các điểm ảnh (DN, có giá trị nằm trong khoảng 0-255) được chuyển về giá trị bức xạ (đơn vị là W/(m2.Sr.µm)). Hệ số chuyển đổi này được hãng SPOT Image cung cấp kèm theo trong file dữ liệu chuẩn.
Offset
Offset là biến số sử dụng để cộng thêm vào giá trị phát xạ, tham số này được tính toán và hiệu chỉnh cho từng giai đoạn và cũng được hãng SPOT cung cấp kèm theo. Hiện tại tham số này không tham gia vào quá trình chuyển đổi về giá trị phát xạ và giá trị offset được đưa về 0.
Góc cao mặt trời, góc thiên đỉnh mặt trời
Mỗi ảnh thu được tại mỗi thời điểm khác nhau, giá trị phản xạ ánh sáng mặt trời của đối tượng trên bề mặt trái đất tới đầu thu chụp là khác nhau. Việc đưa giá trị
36
góc cao của mặt trời cùng với các giá trị khác như gain, khoảng cách giữa trái đất và mặt trời nhằm đưa các cảnh ảnh thu nhận trong các điều kiện khác nhau về cùng 3 điều kiện chụp ảnh. Tuy nhiên đây không phải là quá trình hiệu chỉnh ảnh hưởng của khí quyển.
Hình 2.7: Góc cao và góc thiên đỉnh mặt trời (http://www.landsathandbook.gsfc.nasa.gov)
Khoảng cách trái đất, mặt trời
Hình 2.8: Quỹ đạo trái đất xoay quanh mặt trời
37
Năng lượng của tia sáng mặt trời chiếu xuống trái đất phụ thuộc vào góc tới của mặt trời, điều kiện khí quyển và khoảng cách giữa trái đất và mặt trời của ngày chụp ảnh. Khoảng cách này thay đổi theo ngày và khác biệt giữa các mùa trong năm, phụ thuộc vào vị trí của trái đất trong quỹ đạo chuyển động quanh mặt trời, trung bình là 149.600.000 km, cao nhất là 152.000.000 km và nhỏ nhất là 146.000.000 km [11]. Khi hiệu chỉnh thì khoảng cách này được chuyển đổi thành đơn vị thiên văn - AU, 1AU= 149.597.870,7km ( làm tròn 149.600.000 km).
Khoảng cách này được tính nhờ công thức sau:
(2.2)
Trong đó J là ngày chụp ảnh (tính theo lịch Julian). Khoảng cách d được tính sẵn trong bảng sau đây:
Earth-Sun Distance in Astronomical Units (from NASA GSFC) Julian Day Distance Julian Day Distance Julian Day Distance Julian Day Distance Julian Day Distance 1 .9832 74 .9945 152 1.0140 227 1.0128 305 .9925 15 .9836 91 .9993 166 1.0158 242 1.0092 319 .9892 32 .9853 106 1.0033 182 1.0167 258 1.0057 335 .9860 46 .9878 121 1.0076 196 1.0165 274 1.0011 349 .9843 60 .9909 135 1.0109 213 1.0149 288 .9972 365 .9833
Bảng2.1: Khoảng cách giữa trái đất và mặt trời ( NASA Landsat 7 Handbook)
Bức xạ ngoài vũ trụ đối với đầu thu chụp của vệ tinh SPOT
Bức xạ ngoài vũ trụ không thay đổi theo thời gian, đơn vị W.m-2.Sr-1.μm-1
SPOT 2 SPOT 4 Băng phổ HRV1 HRV2 HRV1 HRV2 Pan 1705 1670 1568 1586 XS1 1865 1865 1843 1851 XS2 1620 1615 1568 1586 XS3 1085 1090 1052 1054 MIR 233 240
38 SPOT 5 HRG 1 HRG 2 HMA/HMB 1762 1773 B1 1858 1858 B2 1573 1575 B3 1043 1047 MIR 236 234
Bảng 2.2: Giá trị bức xạ bên ngoài vũ trụ đối với các đầu thu chụp của vệ tinh SPOT (http://www.spotimage.com.fr)
2.2.2 Các bước hiệu chỉnh giá trị phổ tại đầu thu SPOT Giá trị bức xạ tại đầu thu Giá trị bức xạ tại đầu thu
Giá trị bức xạ thu được tại đầu thu chụp của ảnh SPOT được tính theo công thức sau (www.spotimage.com.fr):
L = (X/A) + B (2.3) Trong đó:
L: là giá trị bức xạ phổ thu được tại đầu thu. X: là giá trị DN của băng ảnh,
A: giá trị gain, B: giá trị offset,
Giá trị phản xạ tại đầu thu
Giá trị phản xạ thu được tại các đầu thu của vệ tinh SPOT được tính theo công thức sau:
Reflectance = (π*d2*L)/(E0*cos(θ)) (2.4) Trong đó:
Reflectance: giá trị phản xạ phổ của kênh ảnh cần tính. π=3.1415926
d= khoảng cách mặt trời và trái đất (AU). E0 = Bức xạ ngoài vũ trụ (W.m-2.Sr-1.μm-1).
39 θ = Góc thiên đỉnh mặt trời.
2.2.3 Hiệu chỉnh ảnh hưởng khí quyển bằng phương pháp DOS
Phương pháp DOS (Dark Object Subtraction) loại trừ ảnh hưởng của khí quyển (Chavez, 1998) dựa trên cơ sở phản xạ của các đối tượng. Đây là phương pháp đơn giản, dựa trên giá trị phản xạ thu được (TOA) của chính các kênh ảnh. Nguyên lý của phương pháp này dựa trên giả thuyết rằng một số điểm ảnh trên ảnh vệ tinh sẽ có giá trị phản xạ bằng không, vì vậy, những giá trị phản xạ ghi nhận được của đối tượng này trên ảnh là do kết quả của các tia tán xạ trong khí quyển. Ví dụ như phản xạ của các vùng nước sâu yên tĩnh thu nhận được ở dải sóng cận hồng ngoại có giá trị gần bằng không. Phương pháp DOS giả định rằng các giá trị điểm ảnh khác không ở những vùng nước trong, yên tĩnh và sâu, là do các bức xạ trong khí quyển chứ không phải là giá trị bức xạ của đối tượng. Giả định giá trị này là ổn định trong khí quyển ở thời điểm chụp ảnh, vì vậy giá trị này được trừ đi cho tất cả các giá trị điểm ảnh trong ảnh. Kết quả là ta có được các giá trị phản xạ của các điểm ảnh không còn ảnh hưởng của khí quyển.
Đối với các kênh phổ trong dải sóng nhìn thấy, ví dụ các vùng bóng của địa hình hay các vùng nước sâu có mặt nước yên tĩnh được coi là các đối tượng có phản xạ bằng không. Bức xạ thu được từ vệ tinh (Isat) là tổng của bức xạ của đối tượng trên bề mặt đất (Isurf) và bức xạ trong khí quyển (Ipath). Các tia bức xạ trong khí quyển do va đập với các hạt trong khí quyển gây nên hiện tượng màu “xanh da trời”, trên ảnh vệ tinh thu được một lớp “sương mù” trên toàn bộ ảnh. Nếu coi lớp sương mù này là đồng nhất, thì có thể loại trừ nó dựa trên quan hệ sau: