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): (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
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:
Isat = Isurf + Ipath (2.5)
Sử dụng histogram của ảnh để xác định giá trị phản xạ ảnh hưởng lên những đối tượng này. Phương pháp DOS là phương pháp đơn giản và có hiệu quả nhất định trong hiệu chỉnh ảnh hưởng của khí quyển, loại bỏ lớp mây mù. Tuy nhiên, bức xạ trong khí quyển còn do nhiều nguồn khác gây ra như lớp mây mỏng ở phía trên của tầng đối lưu.
40
Hình 2.9: Đo giá trị bức xạ của khí quyển dựa trên histogram của kênh ảnh
2.2.4 Cân bằng phổ
Mặc dù đã được hiệu chỉnh phản xạ tại đầu thu chụp nhưng giá trị độ xám của điểm ảnh, chụp cùng một vị trí trên thực địa, trên các ảnh chụp ở các thời điểm sẽ khác nhau. Cân bằng phổ giúp cho các điểm ảnh này có giá trị số gần nhau, giúp cho ảnh ghép không chênh nhau về giá trị số ở những vùng ghép [3].
Giả sử các ảnh đa thời gian được chụp trong điều kiện cùng mùa, các đối tượng không thay đổi mà chỉ khác nhau do điều kiện phản xạ do năng lượng chiếu tới ở từng thời điểm là khác nhau. Vì vậy, nếu trong cùng khu vực mà đối tượng là rừng thì coi như chúng có giá trị là như nhau nên có thể cân bằng giá trị phản xạ ở các thời điểm khác nhau. Việc cân bằng sử dụng công thức sau:
P=Eref+(S-E)*δref / δ
Trong tập hợp ảnh, nếu chọn một ảnh làm ảnh chuẩn thì các ảnh khác cần quy chiếu về ảnh chuẩn. Các đại lượng dùng để quy chiếu là giá trị giữa và độ lệch chuẩn của ảnh chuẩn (Eref và δref), độ lệch chuẩn của ảnh chuẩn và ảnh cần quy chiếu (δref và δ), giá trị DN của ảnh đầu vào (S) sau khi được quy chiếu (P).
Thông quan tổng quan có thể nói hai phương pháp ghép tạo ảnh SPOT không mây dựa trên thuật toán phân ngưỡng mây và bóng mây và phương pháp ghép tạo ảnh không mây bằng phương pháp thủ công là các phương pháp sẽ được chọn để thực nghiệm trong luận văn. Tác giả sẽ trình bày phần thực nghiệm trong chương sau của luận văn.
41
CHƯƠNG 3:
CÁC BƯỚC XỬ LÝ GHÉP TẠO ẢNH SPOT KHÔNG MÂY
Qua nghiên cứu và tìm hiểu các phương pháp xử lý ghép tạo ảnh không mây ở các nước trên thế giới và thông qua quá trình sản xuất bình đồ ảnh vệ tinh ở Cục Viễn thám quốc gia, đề tài rút ra các bước xử lý ghép tạo ảnh SPOT không mây.
3.1 Sơ đồ tổng quát các bước xử lý
Ảnh SPOT đa thời gian
Hiệu chỉnh phổ Cân bằng phổ Hiệu chỉnh độ chói Trộn ảnh Tùy chọn Hiệu chỉnh hình học
Phân ngưỡng mây (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Ghép, tạo ảnh không mây Loại trừ mây Ghép, tạo ảnh không mây P h ư ơng ph á p t h ủ công Sử d ụ n g t h u ậ t toá n ph â n n g ư ỡ ng
42
3.2 Các bước xử lý và thuật toán xử lý
Các ảnh SPOT đa thời gian được hiệu chỉnh hình học ở mức 2A, 2B (đối với khu vực đồng bằng) hoặc mức 3 (ở khu vực có cả vùng đồng bằng và vùng núi). Yêu cầu nắn ảnh sử dụng mô hình vật lý ảnh, điểm khống chế mặt đất, mô hình số địa hình. Các ảnh đa thời gian của một khu vực sau khi nắn chỉnh hình học phải chồng khít nhau. Ảnh đầu vào là ảnh thô, ảnh sau khi nắn có thể là các cảnh ảnh hoặc các mảnh bình đồ ảnh đã được ghép mảnh hoàn chỉnh. Việc xử lý hình học ảnh có thể được thực hiện trên các phần mềm thương mại (SPACE – MATE, Prodigeo, ERDAS Imagine, PCI Geomatica ...). Các bước xử lý và thuật toán xử lý chỉ đề cập tới hiệu chỉnh phổ của ảnh SPOT.
3.2.1 Hiệu chỉnh phổ
Hiệu chỉnh phổ bao gồm 3 bước theo sơ đồ sau: + Tính giá trị bức xạ tại đầu thu,
+ Tính giá trị phản xạ tại đầu thu,
+ Loại trừ ảnh hưởng tán xạ trong khí quyển (DOS).
Hình 3.2: Các bước hiệu chỉnh phổ
Phản xạ thu được tại đầu thu có tính đến các ảnh hưởng khác nhau trong quá trình thu nhận các cảnh ảnh: góc cao mặt trời, khoảng cách mặt trời và trái đất, nguồn năng lượng bên ngoài vũ trụ đi tới đầu thu. Mặt khác, độ nhạy cảm của đầu thu cũng được tính đến (giá trị gain). Mỗi băng phổ thu nhận (trên dãy CCD) được kết hợp với mạch khuếch đại tín hiệu trước khi tới CCD, mỗi mạch khuếch đại được thiết lập 8 mức gain khác nhau (từ G1-G8). Các mạch khuếch đại được lập trình sẵn khi sản xuất, sẽ tác động một giá trị gain trung bình tới từng kênh phổ thu nhận tương ứng với luồng sáng trung bình khi tới đầu thu chụp. Các giá trị gain trên thực
Tính giá trị bức xạ (TOA) Tính giá trị phản xạ (TOA) Hiệu chỉnh tán xạ khí quyển (DOS)
43
tế sử dụng 3 trong 8 mức sẵn có (GAIN_NUMBER /GAIN_ANALOG_VALUE):
Giá trị gain nhỏ được sử dụng ghi nhận mức khuếch đại khi chụp ảnh ở những vùng có luồng sáng mặt trời cường độ mạnh,
Giá trị gain chuẩn được sử dụng ghi nhận mức khuếch đại khi chụp ảnh ở những vùng có luồng sáng mặt trời ở cường độ trung bình,
Giá trị gain cao được sử dụng ghi nhận mức khuếch đại khi chụp ảnh ở những vùng có luồng sáng mặt trời yếu.
Mức gain nhỏ, trung bình, cao tương ứng với giá trị gain 3,5,7 hoặc 4,6,7 hoặc 5,7,8 tùy theo băng phổ và tùy theo độ “già” của bộ CCD. Các thông số gain (PHYSICAL_GAIN), góc cao mặt trời, nguồn năng lượng bên ngoài vũ trụ do SPOT cung cấp kèm theo ảnh gốc, khoảng cách trái đất và mặt trời được tính riêng.
Sau đây là ví dụ các thông số kèm theo ảnh (*) và các thông số được tính (**) cho cảnh ảnh SPOT5 HRG-2 277-323 10/05/14 03:39:35 2 J 1A.
Thông số Đơn vị XS1 XS2 XS3 IMAGING_DATE* 2010-05-14 PHYSICAL_GAIN* W.m-2.Sr-1.um-1 1.52462 2.193804 1.278 SUN_ELEVATION* degrees 73.589855 SUN_ZENITH_ANGLE** degrees 16.410145 SOLAR_IRRADIANCE* W/m²/ um 1858 1575 1074
Julian Day ** Number 134
ESUN ** AU 1,010735
Các giá trị vật lý của kênh ảnh XS1 được tính như sau:
Tính giá trị bức xạ (TOA):
Radiance_XS1= float(B1)/”1.52462” (3.1)
Tính giá trị phản xạ (TOA):
Reflec_XS1 = (3.141592*1.010735*1.010735*(float(B1)/1.52462))
44
Loại trừ ảnh hưởng tán xạ trong khí quyển:
Reflec_XS1_DOS = float(b1)-0.051 (3.3)
Cân bằng giá trị phổ của các cảnh (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Cân bằng phổ trước khi ghép là quá trình xử lý cân bằng giá trị phổ của các cảnh ảnh trước khi đưa vào ghép. Quá trình này đảm bảo cho các vùng ghép thay thế mây và các vùng khác trên ảnh cuối cùng không bị chênh lệch giá trị phổ. Quá trình này là cần thiết vì các hiệu chỉnh phản xạ tại đầu thu (TOA) không hiệu chỉnh ảnh hưởng của khí quyển. Có thể sử dụng các phép cân bằng phổ sẵn có của các phần mềm xử lý ảnh, hoặc sử dụng công thức sau:
P=Eref+(S-E)*ref / (3.4)
Trong đó:
P: giá trị điểm ảnh sau khi cân bằng, S: giá trị điểm ảnh đầu vào,
Eref: Giá trị mean của vùng quan tâm của ảnh chuẩn (ảnh reference), E: giá trị mean của ảnh cần cân bằng phổ,
ref là giá trị độ lệch chuẩn của vùng quan tâm trên ảnh chuẩn,
là giá trị độ lệch chuẩn của vùng quan tâm của ảnh cần cân bằng.
3.2.2 Tổ hợp màu tự nhiên, trộn ảnh P+XS
Phần xử lý màu ảnh SPOT và trộn ảnh P+XS là tùy chọn, có thể sử dụng tùy theo mục đích sử dụng ảnh sau này. Thông thường, các ảnh xử lý tăng cường chất lượng ảnh, trộn màu giúp cho người giải đoán các thông tin lớp phủ mặt đất, sử dụng đất ... được dễ dàng hơn. Công cụ này nhằm mục đích xử lý và cung cấp các sản phẩm bình đồ ảnh, trực ảnh có chất lượng cao và sẵn sàng cho việc giải đoán thông tin trên ảnh. Tổ hợp màu tự nhiên ảnh SPOT tại Trung tâm Viễn thám quốc gia được thực hiện bằng thuật toán riêng, thông qua các kênh thứ cấp Red_ad, Green_ad, Blue_ad được tính từ các kênh ảnh gốc Red, Green, Blue, SWIR.
45
(SPOT Image, 1998) và trộn P+XS bằng phương pháp Color Normalised Transform (Brovey): R = XS2; G = (3 XS1 + XS3)/4; B = (3 XS1 - XS3)/4.
3.2.3 Phân ngưỡng mây
3.2.3.1 Thuật toán xác định mây và bóng mây
Công việc xử lý phổ trước khi phân loại mây là rất cần thiết vì các ảnh gốc nhận được từ ảnh vệ tinh SPOT thường có giá trị số trong khoảng thấp, ảnh bị mờ và tối. Xử lý phổ có thể loại trừ được một số ảnh hưởng do tán xạ trong khí quyển. Mặt khác, trong tập ảnh đa thời gian, việc lựa chọn ảnh khi xử lý cũng giúp cho loại