Đồ án nghiên cứu phương pháp lọc nhiễu dữ liệu ảnh SAR trong phân tích vết dầu trên biển

Do đặc điểm thu nhận năng lượng tán xạphản hồi của bộ cảm vệ tinh siêu cao tần và do sự suy giảm dao động của sóngbiển tại vị trí vết dầu nên hình ảnh vết dầu trên tư liệu viễn thám siêu

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT 3

MỞ ĐẦU 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VIỄN THÁM SIÊU CAO TẦN 6

1.1 Những khái niệm cơ bản của viễn thám siêu cao tần 6

1.1.1 Khái niệm về viễn thám siêu cao tần 6

1.1.2 Nguyên lý thu nhận ảnh của viễn thám siêu cao tần 7

1.2 Đặc điểm tư liệu ảnh SAR 10

1.2.1 Hệ thống RADAR cửa mở tổng hợp 10

1.2.2 Đặc điểm hình học của ảnh SAR 13

1.2.3 Đặc điểm tư liệu của vệ tinh EnviSAT ASAR 16

1.3 Đặc điểm tín hiệu siêu cao tần thu nhận trên biển 20

1.3.1 Cấu trúc bề mặt biển 20

1.3.2 Đặc điểm tín hiệu tán xạ phản hồi sóng siêu cao tần trên biển 21

CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ KHOA HỌC PHƯƠNG PHÁP PHÁT HIỆN VẾT DẦU TRÊN BIỂN TỪ ẢNH SAR 23

2.1 Cơ sở khoa học của quá trình phát hiện vết dầu trên biển bằng tư liệu viễn thám siêu cao tần 23

2.1.1 Đặc điểm hình ảnh vết dầu trên tư liệu ảnh SAR 23

2.1.2 Phát hiện vết dầu trên biển từ tư liệu ảnh SAR 24

2.2 Những ảnh hưởng trong quá trình phát hiện vết dầu trên biển từ tư liệu ảnh SAR 25

2.2.1 Ảnh hưởng của tốc độ gió trên bề mặt biển 25

2.2.2 Ảnh hưởng của nhiễu hạt tiêu trên ảnh SAR 27

2.2.3 Ảnh hưởng của đặc điểm thu tín hiệu vệ tinh siêu cao tần 28

2.2.4 Ảnh hưởng của các vết nhiễu trên biển 30

2.2.5 Đặc điểm tư liệu ảnh SAR sử dụng phân tích vết dầu trên biển 31

2.2.6 Ảnh hưởng bởi điều kiện khí tượng trên bề mặt biển 32

2.3 Kết luận 33

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP LỌC NHIỄU DỮ LIỆU ẢNH SAR 35

3.1 Phương pháp lọc nhiễu 35

3.1.1 Khái niệm phương pháp lọc ảnh quang học 35

3.1.2 Một số kỹ thuật lọc ảnh 38

3.2 Nhiễu hạt tiêu trên ảnh SAR 44

3.2.1 Đặc điểm nhiễu hạt tiêu trên ảnh SAR 44

3.2.2 Giới thiệu một số phương pháp lọc ảnh SAR 47

3.2.3 Nguyên lý lọc ảnh SAR 48

3.2.4 Bộ lọc Lee 48

3.2.5 Bộ lọc Frost 50

3.2.6 Bộ lọc Gamma 51

3.2.7 Bộ lọc Kuan 51

3.2.7 Bộ lọc Local Sigma 52

3.3 Đặc điểm lọc nhiễu ảnh SAR phục vụ phát hiện vết dầu trên biển 53

CHƯƠNG 4 THỬ NGHIỆM LỌC NHIỄU DỮ LIỆU ẢNH SAR 54

4.1 Cơ sở dữ liệu thử nghiệm 54

4.2 Kết quả thử nghiệm lọc nhiễu dữ liệu ảnh SAR 56

4.2.1 Đặc điểm phần mềm ERDAS 56

4.2.2 Kết quả thử nghiệm 58

4.2.3 Kết quả thử nghiệm phân tích vết dầu trên biển 61

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 64

TÀI LIỆU THAM KHẢO 65

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

ALOS - Advanced Land Observing Satellite

ASAR - Advanced Synthetic Aperture Radar

CEOS – The Committee on Earth Observation Satellites

DSD - Data set descriptor (Bảng mô tả dữ liệu)

ESA - The European Space Agency (Cơ quan Hàng không vũ trụ Châu Âu)EnviSAT - Environmental Satellite (Vệ tinh EnviSAT)

ERS - European Remote Sensing (Vệ tinh ERS)

HH – horizontal transmitting, horizontal receiving (sóng truyền đi phân cựcngang, sóng thu nhận phân cực ngang)

HV - horizontal transmitting, vertical receiving (sóng truyền đi phân cực ngang,sóng thu nhận phân cực dọc)

PRF - Pulse repetition frequency (Tần số lặp xung)

RADAR - Radio Detection And Ranging

RAR – Real Aperture Radar (Hệ thống radar cửa mở thực)

SPH - Specific Product Header (Tiêu đề riêng)

SAR - Synthetic Aperture Radar (Radar cửa mở tổng hợp)

SNR - Signal to Noise Ratio (Tỷ số tín hiệu trên nhiễu)

VH – vertical transmitting, horizontal receiving (sóng truyền đi phân cực dọc,sóng thu nhận phân cực ngang)

VV - vertical transmitting, vertical receiving (sóng truyền đi phân cực dọc, sóngthu nhận phân cực dọc)

WSM - Wide swath mode (Chế độ đường thu nhận rộng)

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đồ án

Với điều kiện địa lý có đường bờ biển trải dài từ Bắc vào Nam, có nhiềukhu vực khai thác dầu khí tại Biển Đông và nằm trên tuyến giao thông đườngbiển của thế giới nên Biển Đông Việt Nam là khu vực thường xuyên xảy ra cáchiện tượng ô nhiễm dầu trên biển Trong những năm gần đây, Việt Nam liên tụcxảy ra các hiện tượng dầu tràn tại các vùng ven biển miền Trung mà không xácđịnh được nguyên nhân Hiện tượng dầu tràn chỉ được phát hiện khi dầu bị sóngbiển đánh dạt vào bờ Do không có hệ thống giám sát và phát hiện sớm ô nhiễmdầu trên biển nên Việt Nam hoàn toàn bị động trong việc ứng phó dầu tràn trênbiển

Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, kỹ thuật viễn thám đangđược ứng dụng để giám sát và phát hiện sớm các ô nhiễm dầu trên các vùng biểncủa thế giới, trong đó có hệ thống viễn thám RADAR RADAR là hệ thống viễnthám siêu cao tần dạng chủ động, cho phép quan sát ngày cũng như đêm, trongmọi điều kiện thời tiết, không chịu ảnh hưởng của mây, sương mù trên bề mặtbiển và có đường thu nhận rộng Đây cũng là những ưu điểm của tư liệu viễnthám siêu cao tần so với các tư liệu viễn thám quang học trong việc giám sát vàphát hiện sớm ô nhiễm dầu trên biển Do đặc điểm thu nhận năng lượng tán xạphản hồi của bộ cảm vệ tinh siêu cao tần và do sự suy giảm dao động của sóngbiển tại vị trí vết dầu nên hình ảnh vết dầu trên tư liệu viễn thám siêu cao tần có

sự khác biệt với vùng biển xung quanh, tạo điều kiện cho việc tự động hóa quátrình phân tích vết dầu trên biển Phương pháp phân tích vết dầu trên biển từ tưliệu viễn thám siêu cao tần là tập hợp các bước xử lý bao gồm:

- Tiền xử lý tư liệu viễn thám siêu cao tần

- Tách vết đen trên ảnh

- Phân tích vết dầu và vết nhiễu

Các thuật toán tiền xử lý ảnh được đề xuất dựa trên đặc điểm của ảnhSAR thu nhận trên biển Về quá trình tiền xử lý ảnh thì tư liệu ảnh SAR đã

được xử lý về mặt bức xạ cũng như hình học nhưng vẫn cần các bước tiền xử lýảnh như loại bỏ vùng đất liền, lọc nhiễu ảnh và chuẩn hóa tư liệu trong mặt cắtngang Các phương pháp lọc nhiễu được sử dụng chủ yếu là phương phápGamma, Frost, Lee… Tuy nhiên, chưa có tài liệu phân tích về phương pháp lọcnhiễu trên ảnh SAR phục vụ cho việc phân tích vết dầu trên biển từ tư liệu viễn

thám siêu cao tần Do đó, em đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu phương pháp lọc nhiễu dữ liệu ảnh SAR trong phân tích vết dầu trên biển”.

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Nghiên cứu cơ sở khoa học và những yếu tố ảnh hưởng đến việc phântích vết dầu trên biển từ tư liệu ảnh SAR

- Nghiên cứu các phương pháp lọc nhiễu trên ảnh SAR phục vụ phân tíchvết dầu trên biển

3 Nội dung của đồ án

Nội dung đồ án gồm 4 chương:

- Chương 1: Tổng quan về viễn thám siêu cao tần

- Chương 2: Cơ sở khoa học phương pháp phát hiện vết dầu trên biển từ ảnhSAR

- Chương 3: Phương pháp lọc nhiễu dữ liệu ảnh SAR

- Chương 4: Thử nghiệm lọc nhiễu dữ liệu ảnh SAR

Mặc dù đã cố gắng nghiên cứu, học hỏi nhưng với thời gian có hạn, kiếnthức thực tế chưa được đầy đủ nên trong nội dung đồ án của em sẽ không tránhkhỏi những thiếu sót Em rất mong nhận được sự chỉ dạy của các thầy cô giáotrong bộ môn và sự đóng góp ý kiến của các bạn đồng nghiệp Là một sinh viên

em xin được bày tỏ lòng biết ơn vô hạn của mình đối với sự hướng dẫn tận tìnhchu đáo của cùng toàn thể các thầy cô giáo trong Bộ môn trắc địa bản đồ

Em xin chân thành cảm ơn !

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VIỄN THÁM SIÊU CAO TẦN

1.1 Những khái niệm cơ bản của viễn thám siêu cao tần

1.1.1 Khái niệm về viễn thám siêu cao tần

Hình 1.1 Bước sóng của sóng siêu cao tần

Do có chiều dài bước sóng lớn hơn chiều dài bước sóng của sóng nhìnthấy và sóng hồng ngoại nên sóng siêu cao tần có một số đặc tính quan trọngđược ứng dụng trong kỹ thuật viễn thám Sóng siêu cao tần có bước sóng dàinên có ưu điểm là khả năng xuyên qua mây, mưa, bụi và không chịu những ảnhhưởng của thời tiết mà các bước sóng ngắn không có được Vì vậy, tư liệu viễnthám siêu cao tần đang là tư liệu chính trong các hệ thống giám sát môi trường,đặc biệt là giám sát tài nguyên biển như hệ thống giám sát ô nhiễm dầu trên

Kênh P30 – 100 cmKênh L15 – 30 cmKênh S7.5 – 15 cmKênh C3.75- 7.5 cmKênh X2.4-3.75 cm2.4-3.75 cmKênh Ku1.67-2.4 cmKênh K1.1-1.67 cmKênh Ka0.75-1.1 cmKênh có bước sóng mm

biển Viễn thám siêu cao tần bao gồm viễn thám siêu cao tần bị động và viễnthám siêu cao tần chủ động Viễn thám siêu cao tần bị động có đặc điểm tương

tự như viễn thám nhiệt Viễn thám siêu cao tần chủ động tự phát ra một nguồnnăng lượng sóng siêu cao tần tới đối tượng và thu nhận tín hiệu phản hồi từ đốitượng Bộ cảm siêu cao tần chủ động được phân thành hai loại rõ rệt là loại tạoảnh và loại không tạo ảnh

Bộ cảm siêu cao tần chủ động tạo ảnh có hai dạng tư liệu chính là radar

cửa mở thực (RAR – Real Aperture Radar) và radar cửa mở tổng hợp (SAR

-synthetic aperture radar) Ngày nay, trong những nghiên cứu giám sát và phát

hiện các vết dầu trên biển bằng tư liệu viễn thám siêu cao tần, các nhà khoa họcthường sử dụng tư liệu viễn thám siêu cao tần chủ động tạo ảnh cửa mở tổnghợp SAR

1.1.2 Nguyên lý thu nhận ảnh của viễn thám siêu cao tần

Viễn thám siêu cao tần là kỹ thuật viễn thám thu nhận tín hiệu trong dảisóng siêu cao tần có chiều dài bước sóng xấp xỉ từ 1cm đến 1m Do có chiều dàibước sóng lớn hơn chiều dài bước sóng của sóng nhìn thấy và sóng hồng ngoạinên sóng siêu cao tần có ưu điểm là khả năng xuyên qua mây, mưa, bụi và ítchịu những ảnh hưởng của thời tiết trên biển, đây là những ưu điểm của sóngsiêu cao tần mà các sóng ngắn không có được Vì vậy, hiện nay tư liệu viễnthám siêu cao tần đang là tư liệu chính trong các hệ thống giám sát môi trường,đặc biệt là giám sát ô nhiễm dầu trên biển

Hệ thống viễn thám siêu cao tần gồm viễn thám siêu cao tần dạng bị động

và viễn thám siêu cao tần dạng chủ động Hệ thống RADAR là hệ thống viễnthám siêu cao tần dạng chủ động, gồm hai dạng chính là hệ thống radar cửa mởthực (RAR) và hệ thống radar cửa mở tổng hợp (SAR) Đặc điểm của hệ thốngRADAR sẽ thu nhận tín hiệu theo hướng cạnh sườn (side-looking) (Hình 1 2)

Hình 1.2 Đặc điểm thu nhận cạnh sườn của hệ thống radar tạo ảnh

Độ rộng của ảnh phụ thuộc vào độ rộng của đường thu nhận trên mặt đất

Độ rộng đường thu nhận sẽ phụ thuộc vào khoảng cách R1 và R2 (Hình 1 2).Khoảng cách R1 tương ứng với với khoảng cách gần với vệ tinh nhất, gọi làvùng gần nguồn phát sóng Khoảng cách R2 tương ứng với khoảng cách xa vệtinh nhất, gọi là vùng xa nguồn phát sóng

Hình 1.3 Đặc điểm về độ phân giải của hệ thống radar

- Độ phân giải hướng dải quét sẽ tỷ lệ với độ rộng của xung nhận được rd(Hình 1 3) và được xác định theo công thức sau:

2

d c

Trong đó: c – tốc độ ánh sáng

 - chiều dài xung tín hiệu

- Độ phân giải phương vị sẽ phụ thuộc vào độ mở của ăng-ten và đượcxác định theo công thức sau:

Ngoài ra, hình ảnh trên ảnh SAR phụ thuộc vào tần số lặp xung (PRF).Tần số lặp xung cần phải được thiết kế để tránh sự chồng chéo hoặc trộn tín hiệutrong trường hợp tín hiệu tán xạ phản hồi nhận được đồng thời tại ăng-ten của vệtinh Đồng thời tần số lặp xung cũng phải đủ lớn để tránh mất tín hiệu tán xạphản hồi Do đó, tần số lặp xung phải được thiết kế để thích hợp với độ phângiải theo hướng phương vị raz và tốc độ chuyển động của vật mang Điều đó có

nghĩa là vật mang di chuyển một khoảng cách là v az

r PRF  dọc theo quỹ đạo

của nó trong khoảng thời gian giữa hai xung tín hiệu được truyền đi

Ngoài ra, sóng siêu cao tần là dạng sóng điện từ nên có những đặc tính cơbản và cách thức truyền tín hiệu theo nguyên lý cơ bản về sóng điện từ, đặc biệt

là tính chất phân cực của sóng điện từ (Hình 1 4)

Hình 1.4 Đặc điểm phân cực của sóng điện từDựa vào đặc điểm phân cực của sóng điện từ, các thiết bị viễn thám siêucao tần đã tạo ra các ảnh phân cực Ảnh phân cực được tạo bởi hướng phân cựccủa sóng truyền đi và sóng thu nhận Trong hệ thống radar tạo ảnh có 4 loại ảnhphân cực là ảnh phân cực HH (sóng truyền đi phân cực ngang, sóng thu nhậnphân cực ngang), VV (sóng truyền đi phân cực dọc, sóng thu nhận phân cựcdọc), HV (sóng truyền đi phân cực ngang, sóng thu nhận phân cực dọc), VH(sóng truyền đi phân cực dọc, sóng thu nhận phân cực ngang)

1.2 Đặc điểm tư liệu ảnh SAR

1.2.1 Hệ thống RADAR cửa mở tổng hợp

Viễn thám siêu cao tần là kỹ thuật viễn thám thu nhận tín hiệu trong dảisóng siêu cao tần có chiều dài bước sóng xấp xỉ từ 1cm đến 1m Để nâng cao độphân giải của ảnh thì ăng-ten của vệ tinh phải có kích thước lớn nhưng điều đórất khó thực hiện về mặt vật lý Tuy nhiên, cũng từ khó khăn này mà một giảipháp đã được đưa ra để nâng cao độ phân giải của ảnh, đó là sự ra đời của hệthống radar cửa mở tổng hợp (SAR) Cấu tạo hoạt động của hệ thống SAR dựatrên lý thuyết kết hợp pha của tất cả các tín hiệu phản hồi trong khoảng thời giankhi vật mang di chuyển giữa hai xung tín hiệu được truyền đi Tổng hợp các tínhiệu sẽ tạo thành một mảng tín hiệu của ăng-ten rất lớn (Hình 1 5) Các tín hiệu

sẽ được khôi phục phụ thuộc vào độ chính xác việc mô phỏng quỹ đạo của vậtmang

Hình 1.5 Cấu trúc của hệ thống radar cửa mở tổng hợp (SAR)

Theo nguyên lý hoạt động của hệ thống SAR thì ăng-ten sẽ thu nhận mộtphần tín hiệu tán xạ phản hồi từ đối tượng Năng lượng tán xạ phản hồi thu nhậntrên ảnh SAR là các yếu tố về địa vật lý của đối tượng quan sát Năng lượng tán

xạ phản hồi nhận được từ mỗi xung truyền của tín hiệu RADAR bao gồm cácthành phần vật lý và đặc tính hình học chiếu thể hiện qua công thức sau:

: chiều dài bước sóng

: năng lượng trung bình bị hấp thụR: khoảng cách giữa ăng-ten và đối tượngThành phần 0

 (NRCS) được gọi là hệ số tán xạ phản hồi chuẩn hóatrong mặt cắt ngang Giá trị 0

 là giá trị trung bình của năng lượng chiếu tới trên

một đơn vị diện tích bề mặt đối tượng Thành phần 0

 là một hàm phức tạp phụthuộc vào thành phần diện tích mà năng lượng chiếu tới, hằng số điện môi củađối tượng và tần số cũng như độ phân cực của sóng tới Giá trị 0

 sẽ được xácđịnh theo công thức:

2 2



Trong đó: S0 – diện tích bề mặt tán xạ của đối tượng

E0 – Cường độ trường điện từ tại đối tượng

Er – Cường độ tán xạ điện từ tại khoảng cách R so với đối tượng

R – Khoảng cách giữa ăng-ten và đối tượng

Giá trị

2 2 0

r

E

E có thể được xác định thông qua năng lượng nhận được và

năng lượng truyền đi từ ăng-ten thông qua công thức sau:

Trong đó: E0 – Cường độ trường điện từ tại đối tượng

Er – Cường độ tán xạ điện từ tại khoảng cách R so với đối tượng

và nhiễu (SNR) được xác định theo công thức:

Công thức ( 1 ) đã chỉ ra rằng tỷ số nhiễu SNR sẽ giảm nếu như độ rộngdải tần hẹp.

Năng lượng tán xạ phản hồi thu nhận được tại bộ cảm vệ tinh siêu cao tần

sẽ phụ thuộc rất lớn đến mức độ tán xạ của sóng siêu cao tần khi chiếu tới vậtthể trên mặt đất Mức độ tán xạ của sóng phụ thuộc vào đặc trưng bề mặt của vậtthể

1.2.2 Đặc điểm hình học của ảnh SAR

1.2.2.1 Biến dạng hình học thường gặp của ảnh SAR

a Biến dạng phối cảnh (foreshortening)

Nguyên lý thu nhận tín hiệu của vệ tinh siêu cao tần là chụp ảnh cạnhsườn Do đó, chùm tia radar sẽ phát theo hướng xiên so với đối tượng Vì vậy,khi chùm tia radar chiếu nghiêng tới một đối tượng có độ cao (ví dụ như ngọnnúi…) thì sẽ xảy ra hiện tượng biến dạng phối cảnh (tham khảo hình Hình 1 6).Hiện tượng biến dạng hình học phối cảnh phụ thuộc vào độ dốc núi và góc tớicủa tín hiệu Hiện tượng xuất hiện cực đại khi chùm tia vuông góc với sườn dốc

Hình 1.6 Đặc điểm biến dạng phối cảnh trên ảnh SAR

b Biến dạng chồng phủ (layover)

Hiện tượng chồng phủ xuất hiện khi chùm tia radar tới trước vị trí đỉnhcủa một vật thể cao (B) so với thời gian tín hiệu tới mặt đất (A) Tín hiệu phản

xạ từ vị trí đỉnh của đối tượng sẽ được nhận trước khi tín hiệu phản xạ từ đáy.Kết quả là, đỉnh của đối tượng bị dịch chuyển theo hướng của tín hiệu ra khỏi vịtrí đúng của nó trên mặt đất và sẽ chồng phủ lên đối tượng mặt đất (B’ tới A’).Hiện tượng chồng phủ xảy ra khi góc tới nhỏ, tại vị trí gần tâm và đặc biệt khichụp vùng núi (tham khảo Hình 1 7)

Hình 1.7 Đặc điểm biến dạng hình học chồng phủ trên ảnh SAR

c Biến dạng hình học do bóng tín hiệu radar (radar shadow)

Cả hai hiện tượng biến dạng phối cảnh và chồng phủ là kết quả của bóngtín hiệu radar Bóng tín hiệu radar xuất hiện khi chùm tia tới không có khả năngchiếu xuống bề mặt của mặt đất Khi tín hiệu không tới được bề mặt, vùng bóng

sẽ có hiện tượng đen trên ảnh do không đủ năng lượng để tạo ra tín hiệu tán xạ.Với góc tới càng tăng từ gần tâm tới xa tâm thì ảnh hưởng của bóng tín hiệucàng tăng lên do phụ thuộc vào góc tới của tín hiệu và tia chiếu càng nghiêng sovới bề mặt của đối tượng (tham khảo Hình 1 8)

Hình 1.8 Biến dạng hình học trên ảnh SAR do bóng tín hiệu

1.2.2.2 Đặc điểm tán xạ trên ảnh SAR

Khi sóng điện từ (sóng siêu cao tần) chiếu tới bề mặt đối tượng tương đốiphẳng thì sẽ xuất hiện sóng phản xạ tuân theo định luật Snell-Descartes Tuynhiên, trong thực tế thường không tồn tại điều kiện lý tưởng một bề mặt hoàntoàn bằng phẳng nên sẽ xảy ra hiện tượng tán xạ ngược với thành phần sóng dọctheo hướng khúc xạ và phản xạ của định luật Snell-Descartes (Hình 1 9)

Hình 1.9 Định luật phản xạ Snell-Descartes trong điều kiện lý tưởng (trái),

trong điều kiện thực tế (phải)

X2.4-3.75 cmét hình ảnh trên ảnh SAR thì trong trường hợp bề mặt tương đối phẳng,năng lượng phản hồi chủ yếu là tia phản xạ, rất ít thành phần tia tán xạ Do đó,năng lượng tán xạ phản hồi nhận được tại bộ cảm của vệ tinh SAR sẽ giảm, kếtquả là hình ảnh trên ảnh SAR sẽ có màu đen (Hình 1 10a)

X2.4-3.75 cmét trong điều kiện cùng góc tới của tín hiệu và cùng bước sóng siêu caotần thì khi bề mặt có độ nhám tăng lên sẽ xuất hiện các tia phản xạ trên các mặt

phẳng tiếp tuyến với bề mặt đối tượng Như vậy, năng lượng tán xạ quay trở lạiăng-ten thu của vệ tinh sẽ tăng lên Càng nhiều năng lượng tán xạ phản hồi thìhình ảnh trên ảnh càng sáng (Hình 1 10b, Hình 1 10c)

Hình 1.10 Đặc điểm độ nhám bề mặt ảnh hưởng đến năng lượng tán xạ

phản hồi trên ảnh SARNgoài ra, năng lượng tán xạ phản hồi thu nhận tại vệ tinh còn phụ thuộcvào hằng số dẫn điện của đối tượng và góc tới của tín hiệu Hình ảnh trên ảnhSAR còn bị ảnh hưởng bởi hiện tượng nhiễu hạt tiêu, các hiện tượng biến dạnghình học như biến dạng phối cảnh, biến dạng chồng phủ, biến dạng do bóng tínhiệu radar Các hiện tượng biến dạng hình học này thường xảy ra khi thu nhậntại các vùng có chênh cao lớn

1.2.3 Đặc điểm tư liệu của vệ tinh EnviSAT ASAR

1.2.3.1 Nguyên lý thu nhận ảnh của vệ tinh EnviSAT

EnviSat (viết tắt của Environmental Satellite) là một trong những vệ tinhquan sát Trái đất hiện đại Vệ tinh EnviSat được Ủy ban Hàng không vũ trụChâu Âu phóng lên quỹ đạo vào ngày 01 tháng 03 năm 2002 Quỹ đạo của vệtinh EnviSat là quỹ đạo cực đồng bộ mặt trời với chu kỳ 35 ngày, trong trườnghợp yêu câu có thể chụp ảnh trong vòng từ 1 đến 3 ngày EnviSat hoàn thànhmột vòng quanh Trái đất là 100 phút Độ cao của vệ tinh là 800km với gócnghiêng là 98.54o Vệ tinh EnviSat được thiết kế thích hợp với quan sát và

nghiên cứu môi trường Trái đất và sự thay đổi khí hậu Đồng thời, vệ tinh nàycũng thích hợp trong việc giám sát và quan trắc nguồn tài nguyên, bầu khíquyển, biển, đất và băng.

Vệ tinh EnviSat được thiết kế dựa trên những tính năng đã có của vệ tinhERS-1 (kết thúc hoạt động vào 10/03/2000), vệ tinh ERS-2 và thêm một số cáctính năng mới Vệ tinh EnviSat đã trang bị 10 bộ cảm quang học và siêu cao tần

hiện đại như bộ cảm MERIS (Medium Resolution Imaging Spectrometer), AATSR (Advanced Along Track Scanning Radiometer), MIPAS (Michelson

inter ferometer for passive atmospheric sounding) Trong đó, bộ cảm lớn nhất

của vệ tinh EnviSat có tên là ASAR (Advanced Synthetic Aperture Radar) (Hình

1 10)

Hình 1.11 Vệ tinh EnviSat

Bộ cảm ASAR hoạt động trong mọi thời tiết, ngày hoặc đêm với các tùychọn phân cực khác nhau Bộ cảm ASAR cho phép thu nhận ảnh siêu cao tần

kênh C độ phân giải cao Một tính năng mới quan trọng của ASAR là bao gồmbeam steering để thu nhận ảnh với các góc tới khác nhau, phân cực hay quétrộng ASAR có thể tạo ảnh ở 4 góc nhìn khác nhau với độ phân giải từ 30 -150

m, với độ phủ rộng 58-405 km, và góc nhìn từ 14-450 Ngoài ra, vệ tinh còn tạoảnh ở dạng toàn cầu cho độ phân giải 1 km với độ phủ là 405 km, phân cực HH,

VV Bộ cảm đo sóng và đo độ cao cho độ phân giải 30 m với kiểu phân cực HH

và VV, VV và HH hoặc HH và HV Bộ cảm hoạt động ở dạng quét rộngScanSAR cho ảnh có độ phân giải 150 m phủ một độ rộng là 405 km với kiểuphân cực HH hoặc VV Bộ cảm ASAR có 5 chế độ chụp khác nhau (tham khảoBảng 1 1):

Bảng 1.1 Đặc điểm của các chế độ chụp

Image Mode (IM)

• Độ phân giải 30 m (tương tự như ERS-2)

VV/VH)

• Giảm độ phân giải radiometric so với IM

• Độ phủ tới 100 km Wide swath mode (WS)

Là sự kết hợp giữa 5 sub swaths (S2 - S6)

Độ phân giải trung bình khoảng ~ 150 m

Độ phủ 405 km Phân cực VV hay HH Global Monitoring Mode (GM) Phân cực HH hay VV

Độ phân giải khoảng 1000m

Up to a full orbit of coverage Wave Mode (WM) Có thể chọn phân cực HH hay VV

Ảnh được chuyển sang wave spectra để

giám sát đại dương

của kênh X2.4-3.75 cm và Ka và được lưu trong High-Density Data Tapes (HDDTs) Dữliệu thô không được coi là một sản phẩm nên cấu trúc của nó không được mô tả

ở đây

Mức 0 là dữ liệu đã được định dạng lại, sắp xếp theo thời gian (khôngtrùng lặp) theo một khuôn dạng máy tính có thể đọc được Sản phẩm mức 0 làsản phẩm mức thấp nhất

Sản phẩm mức 1B là sản phẩm được xác định vị trí địa lý tại thời điểmchụp, trong đó dữ liệu được chuyển về đơn vị đo (engineering units), dữ liệu bổtrợ được tách ra và được áp dụng một số loại kiểm định Đây là nền tảng để tiếptục tách ra các sản phẩm mức cao hơn Sản phẩm mức 0 được chuyển thành sảnphẩm mức 1B bằng cách ứng dụng một số thuật toán và phương pháp địnhchuẩn để tạo thành sản phẩm baseline engineering Sản phẩm mức 1B có thể dựatrên toàn bộ sản phẩm mức 0 hoặc một số bộ phận của thiết bị, dựa trên khoảngthời gian hoặc các tiêu chuẩn lựa chọn khác

Sản phẩm mức 1B được chuyển thành một hay nhiều sản phẩm mức 2thông qua quá trình xử lý mức cao hơn để chuyển đổi đơn vị đo thành địnhlượng địa vật lý (geophysical quantities) để tạo thành một sản phẩm có thể biêndịch trực tiếp và hữu dụng hơn

NRT và phiên bản off line của sản phẩm mức 2 có cấu trúc tương tự nhưcác sản phẩm khác, điểm khác biệt duy nhất là là sản phẩm off-line có chấtlượng tốt hơn do có độ chính xác cao hơn, và thời gian bắt đầu cũng như kếtthúc của dữ liệu có thể khác để phản ánh sự thống nhất về dữ liệu nhằm tiêuchuẩn hóa các thành phần của quỹ đạo Sản phẩm mức 2 có thể được xử lý theo

hệ thống hoặc theo yêu cầu của người sử dụng

1.2.3.3 Đặc điểm dữ liệu ENVISAT ASAR – Chế độ chụp WSM

Đặc điểm của dữ liệu EnviSAT ASAR chế độ chụp WSM_1P được giới thiệu trong Bảng 1 2

Bảng 1.2 Đặc điểm dữ liệu ASAR - WSM

Sản phẩm ASA_WSM_1P

Tên Ảnh chụp ở chế độ WS của bộ cảm ASAR mức xử lý 1B

Mô tả Sản phẩm được xử lý dựa trên dữ liệu mức 0 ở chế độ chụp

Kích thước file 59 Mbytes với một cảnh và 584 Mbytes với một dải bay

Dữ liệu EnviSAT ASAR chế độ chụp WSM được sử dụng nhiều trongnghiên cứu biển, đặc biệt các hệ thống giám sát ô nhiễm dầu trên biển do có độphân giải 75m và có đường chụp rộng 400km Dữ liệu ASAR – WSM gồm cácphần được mô tả trong Bảng 1 3

Bảng 1.3 Cấu trúc dữ liệu ASAR - WSM

MAINPROCESSING PARAMSADS Tham số xử lý dữ liệu

DOPCENTROID COEFS ADS Tham số xử lý Doppler

SRGRADS Tham số chuyển đổi từ Slant range

sang Ground range

MDS1ANTENNAELEVPATTADS Độ cao Anten

GEOLOCATION GRID ADS Thông tin về tọa độ

1.3 Đặc điểm tín hiệu siêu cao tần thu nhận trên biển

1.3.1 Cấu trúc bề mặt biển

Bề mặt biển là một bề mặt phức tạp và không bằng phẳng Độ nhám của

bề mặt biển gây ra bởi sự tương tác không khí với bề mặt biển Khi gió thổi trênbiển sẽ tạo ra một luồng không khí hỗn loạn đầu tiên tạo nên các sóng ngắn trên

bề mặt biển có bước sóng cm thông qua áp lực ma sát Sóng biển sẽ phát triểnđến khi năng lượng gió cân bằng với năng lượng triệt tiêu bởi sóng, nhiễu loạnkhông khí và độ nhớt của nước biển Nếu xét trong khoảng không gian, thời giannhất định thì có thể coi độ nhám của bề mặt biển là đồng nhất và đứng yên Trên

bề mặt biển có ba dạng sóng chính là sóng mao dẫn (capillary wave), sóng trọng

lực (gravity waves) và sóng mao dẫn trọng lực (gravity-capillary wave) Sónggợn nhỏ hay còn gọi là sóng mao dẫn có chiều dài bước sóng nhỏ hơn 5cm.Sóng trọng lực có bước sóng lớn hơn 10cm Sóng mao dẫn trọng lực có bướcsóng nằm trong khoảng từ 5cm đến 10cm Theo kết quả nghiên cứu thì sóngmao dẫn trọng lực sẽ tác động với sóng tán xạ điện từ, đặc biệt là sóng siêu caotần đang được sử dụng trong các vệ tinh quan sát đại dương Sự thay đổi cường

độ sóng mao dẫn trọng lực phụ thuộc vào vị trí của chúng trên mặt cắt của cácsóng có quy mô lớn Dựa trên các dữ liệu thử nghiệm thì những gợn sóng quy

mô nhỏ nằm hầu hết tại các phần trên sườn phía trước của sóng quy mô lớn,ngay cạnh đỉnh của nó Đây là một trong những lý do chính tại sao vệ tinh siêucao tần cảm nhận sóng mao dẫn trọng lực

Tuy nhiên, để phân tích các thông tin trên biển từ hình ảnh radar là việclàm không đơn giản Do đặc điểm thu nhận tín hiệu của vệ tinh siêu cao tần và

sự dao động phức tạp của bề mặt biển nên hình ảnh bề mặt biển trên tư liệuradar thường xuất hiện các nhiễu và các biến dạng Vì vậy, các dữ liệu radar cầnphải được xử lý trước khi đưa vào quá trình phân tích

1.3.2 Đặc điểm tín hiệu tán xạ phản hồi sóng siêu cao tần trên biển

Ảnh SAR thu nhận bề mặt biển là hình ảnh hai chiều thể hiện mức độ tán

xạ phản hồi của sóng siêu cao tần từ bề mặt đại dương, đặc trưng cho độ nhámcủa bề mặt đại dương Với góc tới của tín hiệu trong khoảng từ 20° đến 60° thì

hệ thống SAR thường nhạy cảm với những sóng biển có bước sóng gần với sóngsiêu cao tần được chiếu tới bề mặt biển Tuy nhiên, các dao động của sóng biểnphụ thuộc rất lớn vào áp lực gió trên biển tại thời điểm quan sát Ngoài ra, mứcnăng lượng tán xạ phản hồi phụ thuộc vào một số các yếu tố sau: 1) Hằng sốđiện môi; 2) Độ gồ ghề của bề mặt nước biển; 3) Tương tác của các sóng ở cácquy mô khác nhau; 4) Tương tác của sóng và dòng chảy và 5) Sự xuất hiện cácvết dầu trên bề mặt biển

CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ KHOA HỌC PHƯƠNG PHÁP PHÁT HIỆN

VẾT DẦU TRÊN BIỂN TỪ ẢNH SAR

2.1 Cơ sở khoa học của quá trình phát hiện vết dầu trên biển bằng tư liệu viễn thám siêu cao tần

2.1.1 Đặc điểm hình ảnh vết dầu trên tư liệu ảnh SAR

Khi xuất hiện vết dầu tràn trên biển thì độ nhớt của dầu sẽ làm giảm sựdao động sóng thẳng đứng của sóng biển tại vị trí vết dầu và kết quả là mặt biểntại vị trí đó trở nên phẳng hơn so với vùng xung quanh Do đó, năng lượng tán

xạ phản hồi tại vị trí vết dầu sẽ giảm và vết dầu sẽ có màu đen tương ứng trênảnh SAR (Hình 2 12) Các nhà khoa học đã dựa vào chính đặc điểm này củavết dầu trên ảnh SAR để đưa ra các phương pháp quan trắc vết dầu tràn trên biểnbằng tư liệu viễn thám siêu cao tần

(a)Hình 2.12 Đặc điểm hình ảnh vết dầu trên tư liệu ảnh SAR

(a) Năng lượng tán xạ tại vị trí vết dầu và khu vực xung quanh;

(b) Hình ảnh vết dầu được phát hiện trên ảnh ALOS PALSAR chụp vàongày 05/06/2008 tại ngoài khơi tỉnh Khánh Hòa

Ngoài những nguyên nhân gây ô nhiễm dầu đã được xác định như sự cố

nổ giàn khoan khai thác dầu, tai nạn do tàu trở dầu… thì theo thống kê của Cơquan vũ trụ Châu Âu (European Space Agency – 1998) có tới 45% các vụ ônhiễm dầu xuất phát từ việc xả dầu trái phép của các tầu vận tải trên biển Đâycũng là đối tượng nghiên cứu chính của các hệ thống giám sát ô nhiễm dầu trênthế giới Đồng thời, việc nghiên cứu xây dựng phương pháp phát hiện vết dầu doviệc xúc xả trái phép của các tàu di chuyển trên biển cũng là nội dung nghiêncứu chính của đồ án

2.1.2 Phát hiện vết dầu trên biển từ tư liệu ảnh SAR

Trên bề mặt biển cũng có các hiện tượng tự nhiên làm suy giảm dao độngcủa sóng biển và tạo các vết đen trên ảnh siêu cao tần Những vết đen khôngphải là vết dầu thì được gọi là các vết nhiễu Các vết nhiễu được hình thành docác vùng lặng gió gần bờ, vùng tảo biển, các vùng khuất gió bởi địa hình ven bờ,bởi mưa, băng trôi và các đảo (Hình 2 13.) Phương pháp nhận dạng và phânbiệt giữa vết dầu và các vết nhiễu trên ảnh siêu cao tần có ý nghĩa quyết địnhkhả năng tự động hóa cũng như độ chính xác của phương pháp quan trắc vết dầutrên biển bằng tư liệu ảnh SAR

Hình 2.13 Phân biệt hình ảnh vết dầu và vết nhiễu trên ảnh SAR

(a) Hình ảnh vết dầu;

(b) Vết nhiễu khu vực lặng gió gần bờ

Vết dầu Vết dầu

Vết nhiễu

Phương pháp để phân biệt được vết dầu và vết nhiễu dựa vào những đặcđiểm đặc trưng của vết dầu trên ảnh SAR Theo nghiên cứu của Cơ quan hàngkhông vũ trụ Châu Âu thì các vệt dầu tràn không rõ nguyên nhân trên biển chủyếu là việc xả dầu trái phép của tàu lưu thông trên biển, chiếm 45% trong cácnguồn ô nhiễm dầu trên biển Các tàu thường xả chất thải có dầu trên đường đi

và để lại đằng sau tàu một vệt dầu hình tuyến hoặc giống như những con đườngmòn Khi dầu được thải ra trong điều kiện biển lặng sóng và xả từ từ thì trên ảnhSAR sẽ có dạng hình học theo đường đi của tàu Kỹ thuật tự động phát hiện vếtdầu trên ảnh SAR thường sử dụng đặc tính hình học dạng tuyến để xác định sự

cố tràn dầu do nguyên nhân xả dầu trái phép của các tàu Tuy nhiên, việc phântích vết dầu trên ảnh SAR gặp nhiều khó khăn do ảnh hưởng của các điều kiệnkhí tượng trên biển, đặc tính vật lý, hóa học của vết dầu, thời gian tồn tại của vếtdầu trên biển và các vết nhiễu Tốc độ gió quá yếu hoặc quá mạnh đều ảnhhưởng đến việc phân tích vết dầu trên ảnh SAR Ngoài ra, đặc điểm thu tín hiệucủa vệ tinh siêu cao tần, kỹ thuật và mức xử lý ảnh tại các trạm thu ảnh vệ tinhcũng có ảnh hưởng đến chất lượng ảnh và khả năng phát hiện vết dầu trên tư liệuảnh SAR

2.2 Những ảnh hưởng trong quá trình phát hiện vết dầu trên biển từ tư liệu ảnh SAR

2.2.1 Ảnh hưởng của tốc độ gió trên bề mặt biển

Trước tiên, tốc độ gió trên bề mặt biển ảnh hưởng rất nhiều đến các daođộng sóng trên bề mặt biển Khi gió thổi trên bề mặt biển, sự nhiễu loạn củaluồng gió sẽ tạo ra ứng suất ma sát, kích động các sóng nhỏ có bước sóng vài

cm Những sóng này sẽ truyền một phần năng lượng gió tới sóng lớn hơn, cònmột phần khác sẽ bị triệt tiêu bởi sức căng mặt ngoài của nước Dao động củasóng biển sẽ tăng dần cho tới khi năng lượng gió cân bằng với các năng lượngtriệt tiêu bởi sự dao động hỗn loạn của sóng biển và sức căng mặt ngoài củanước Do đó, tốc độ gió trên bề mặt biển sẽ có ảnh hưởng rất lớn đến năng lượngtán xạ phản hồi trên ảnh SAR Đồng thời, để có thể nhận dạng được các vết dầu

trên bề mặt biển trên tư liệu ảnh SAR thì cần phải có tốc độ gió đủ lớn để tạo racác sóng Bragg

Trên Hình 2 14 thể hiện mức độ ảnh hưởng của tốc độ gió trên bề mặtbiển ảnh hưởng đến quan trắc vết dầu trên biển bằng tư liệu viễn thám siêu caotần

Hình 2.14 Tốc độ gió ảnh hưởng đến phân tích vết dầu trên ảnh SARTrong Hình 2 14 đưa ra ba trường hợp điều kiện tốc độ gió trên bề mặtbiển Trường hợp thứ nhất có tốc độ gió nhỏ hơn 2.5m/s Trong trường hợp này,

bề mặt biển tương đối phẳng nên chủ yếu là năng lượng phản xạ và không cónăng lượng tán xạ, kết quả là hình ảnh bề mặt biển trên ảnh SAR có màu đen

Do đó, hình ảnh của vết dầu và hình ảnh bề mặt biển trên ảnh SAR không có sựkhác biệt Trong trường hợp này sẽ không thể phát hiện được vết dầu trên ảnhSAR

Trường hợp thứ hai, tốc độ gió từ 3m/s đến 12.5m/s Với tốc độ gió trên

bề mặt biển trong khoảng 10m/s sẽ tạo các đợt sóng biển dao động nhỏ capillary waves) Các sóng dao động nhỏ được tạo bởi tác động của trọng lực vàsức căng bề mặt nước biển Chính sự dao động nhỏ của sóng biển xung quanhvết dầu đã làm tăng năng lượng tán xạ phản hồi của tín hiệu siêu cao tần Vì vậy

(gravity-bề mặt biển sẽ có hình ảnh sáng hơn vết dầu trên ảnh SAR Điều kiện lý tưởng

Vết dầu Tốc độ gió < 2.5 m/s 2.5m/s<Tốc độ gió <13m/s Tốc độ gió > 13m/s

Không thể

phát hiện vết dầu để phát hiện vết dầuĐiều kiện tốt bị lẫn với sóng biểnVết dầu Tia tới

để nhận biết vết dầu trên biển bằng ảnh SAR là tốc độ gió trên bề mặt biển nằmtrong khoảng 5m/s đến 12m/s.

Trường hợp thứ ba, tốc độ gió lớn hơn 13m/s Dưới tác động của nănglượng gió tăng dần trên bề mặt, các đợt sóng dao động nhỏ sẽ kết hợp lại tạothành các đợt sóng lớn hơn và bề mặt biển sẽ có dao động mạnh hơn Do đó, tínhiệu siêu cao tần tại bề mặt biển sẽ bị tán xạ nhiều hơn và kết quả là mặt biển sẽsáng hơn trên ảnh SAR Nhưng bên cạnh đó thì bản thân vết dầu cũng buộc phảidao động tăng dần cho tới khi năng lượng gió trên bề mặt cân bằng với nănglượng triệt tiêu bởi dao động hỗn loạn và độ nhớt của dầu Vì vậy, vết dầu sẽ bịlẫn vào trong dao động của sóng biển và rất khó nhận biết được trên ảnh Hìnhảnh vết dầu sẽ xuất hiện trở lại khi tốc độ gió giảm dần

2.2.2 Ảnh hưởng của nhiễu hạt tiêu trên ảnh SAR

Một đặc trưng của ảnh siêu cao tần đó là xuất hiện nhiễu tín hiệu Hiệntượng nhiễu xuất hiện trên ảnh giống như việc rắc “muối và hạt tiêu” nên người

ta gọi là nhiễu hạt tiêu (speckle noise) Tổng cường độ và pha tương ứng trên

một pixel được mô tả bởi công thức ( 2 ) :

1

k N

j j

k k

Hiện nay, có nhiều phương pháp để xử lý nhiễu hạt tiêu trên ảnh SAR như

xử lý nhiều look, sử dụng các thuật toán lọc nhiễu ảnh Việc xử lý nhiều look cóthể hạn chế nhiễu hạt tiêu Ngoài ra, để làm mịn các nhiễu trên ảnh sau khi đã xử

lý có thể sử dụng các thuật toán lọc tư liệu ảnh như thuật toán không thích ứng(non-adaptive filter) như Mean (Hình 2 15), thuật toán Median và các thuậttoán lọc thích ứng (adaptive filter) như thuật toán Lee, Kuan, Gamma…Tuynhiên, đối với việc phát hiện vết dầu trên biển từ tư liệu ảnh SAR đòi hỏi cầnxác định được các hình dạng vết dầu dạng mảng và đảm bảo giữ nguyên đườngbiên của vết dầu trong quá trình xử lý Tuy nhiên, một số phương pháp lọc nhiễu

có thể làm giảm nhiễu hạt tiêu nhưng có thể làm mất những vết dầu nhỏ, hẹp vàlàm mờ đường biên của vết dầu Vì vậy, việc nghiên cứu lựa chọn phương pháplọc nhiễu ảnh SAR trong nghiên cứu phát hiện vết dầu trên biển là cần thiết

Hình 2.15 Ảnh hưởng của nhiễu hạt tiêu trên ảnh SAR(a) Dữ liệu gốc, (b) Ảnh sau khi sử dụng phép lọc nhiễu Mean

2.2.3 Ảnh hưởng của đặc điểm thu tín hiệu vệ tinh siêu cao tần

X2.4-3.75 cmét trên một ảnh thì độ đen cũng như độ tương phản của vết đen với cácvùng xung quanh không những phụ thuộc vào đặc tính của bản thân vết đen màcòn phụ thuộc vào yếu tố trong quá trình thu nhận tín hiệu của vệ tinh siêu caotần như sự khác biệt về chiều dài bước sóng, đặc điểm phân cực và góc tới củatín hiệu sóng siêu cao tần

Việc lựa chọn tư liệu có phân cực HH, VV còn phụ thuộc vào bước sóngsiêu cao tần được sử dụng tại bộ cảm của vệ tinh Tuy nhiên, một số nghiên cứu

khác thì cho rằng không có sự khác biệt lớn giữa tư liệu có phân cực HH và VVtrong nghiên cứu vết dầu trên biển từ tư liệu ảnh SAR.

Trong khi đặc điểm phân cực không ảnh hưởng nhiều đến việc phân tíchvết dầu trên biển thì sự khác biệt về góc tới của tín hiệu vệ tinh lại là một yếu tố

có ảnh hưởng lớn đến năng lượng tán xạ phản hồi của bản thân các vết dầu trêncùng một bề mặt biển Đây là một đặc điểm của vệ tinh siêu cao tần do hệ thốngradar chụp ảnh cạnh sườn Góc tới tín hiệu càng nhỏ thì hệ số tán xạ phản hồi

(backscatter coefficient) càng lớn (Hình 2 16).

Hình 2.16 Hệ số tán xạ phản hồi phụ thuộc vào góc tới của tín hiệu

Ngoài ra, do đặc điểm ảnh thu tín hiệu của hệ thống RADAR cửa mở tổnghợp là chụp cạnh sườn nên sẽ xảy ra hiện tượng cường độ sáng tại vùng gầnnguồn phát và vùng xa nguồn phát là không đều nhau Vùng gần nguồn phátthường sáng hơn vùng xa nguồn phát do cường độ phát và thu tín hiệu tại vùnggần nguồn phát thường mạnh hơn (Hình 2 17) Việc hạn chế ảnh hưởng củagóc quan sát đến giá trị ảnh cũng được thể hiện qua việc tính chuyển giá trị ảnh

và hiệu chỉnh thông qua việc tính toán giá trị beta nought, sigma nought vàchuẩn hóa trong mặt cắt ngang NRCS (Normalized Radar Cross Section)

Hình 2.17 Vùng gần nguồn phát và xa nguồn phát trên ảnh SAR

Các phương pháp nghiên cứu quan trắc vết dầu trên tư liệu ảnh SAR hiệnnay chủ yếu sử dụng tư liệu ảnh đã được xử lý về giá trị 0

 Việc đưa ảnh vềgiá trị 0

 sẽ thuận tiện khi tiến hành phân ngưỡng các vết đen trong quá trìnhphân tích vết dầu trên tư liệu ảnh SAR Nếu giả thiết trong cùng một điều kiện lýtưởng về tốc độ gió trên bề mặt biển thì mức năng lượng tán xạ phản hồi tại cácvết dầu sẽ như nhau trên cùng ảnh 0

 Tuy nhiên, trên thực tế thì các dữ liệu như ALOS PALSAR được yêu cầuchuyển về giá trị 0

 vẫn tồn tại ảnh hưởng này

2.2.4 Ảnh hưởng của các vết nhiễu trên biển

Việc phân biệt chính xác vết dầu và vết nhiễu trên tư liệu ảnh SAR là mụctiêu của các phương pháp phân tích vết dầu đang được nghiên cứu và áp dụngtrong các hệ thống giám sát và phát hiện sớm ô nhiễm dầu trên biển Vết nhiễu

là những vết đen trên ảnh SAR nhưng không phải là vết dầu Vết nhiễu được tạo

bởi chất hữu cơ được tiết ra từ các loài cá và một số loài sinh vật phù du hoặcđược tạo bởi vùng tảng băng trôi, vùng lặng gió gần bờ, vùng mưa giông trênbiển và do sự hỗn loạn do chân vịt của tàu Những hiện tượng này cũng làm suygiảm sóng mao dẫn trọng lực, do đó làm giảm năng lượng tán xạ phản hồiBragg Ngoài ra, các mảng tối trên ảnh SAR còn có thể là kết quả của giảm áplực gió do nhiệt độ bề mặt biển lạnh hơn ví dụ như trong khu vực nước trồi hoặcdòng chảy từ các dòng sông.

Như vậy, kết quả phân biệt giữa vết dầu và vết nhiễu vẫn sẽ tồn tại nhữngnhầm lẫn do đặc trưng giữa các vết không rõ ràng Để nâng cao được kết quảphân loại đòi hỏi cần xác định được các chỉ số đặc trưng liên quan đến các vếtđen trên ảnh SAR như tốc độ gió hiện thời trên bề mặt biển, đặc trưng vật lý củavết đen, thông số hình dạng và vị trí của các vết đen trên ảnh để loại bỏ được cácyếu tố nhiễu trong quá trình phân loại

2.2.5 Đặc điểm tư liệu ảnh SAR sử dụng phân tích vết dầu trên biển

Tư liệu ảnh SAR được sử dụng trong các nghiên cứu phân tích vết dầutrên biển chủ yếu bao gồm tư liệu ERS-1,2, Radarsat, Envisat ASAR và ALOSPALSAR Trong đó bộ cảm ERS-1,2, Radarsat và Envisat ASAR thu nhận tínhiệu sóng siêu cao tần kênh C với chiều dài bước sóng là 3.75 – 7.5 cm và bộcảm ALOS PALSAR thu nhận tín hiệu sóng siêu cao tần kênh L với chiều dàibước sóng là 15 – 30 cm

Chế độ chụp của tư liệu ảnh SAR phục vụ cho việc giám sát và phát hiệnsớm ô nhiễm dầu trên biển thường là chế độ chụp diện rộng như tư liệu ERS -1,2 chế độ chụp PRI, tư liệu Radarsat với chế độ chụp ScanSAR Wide, tư liệuEnvisat ASAR chế độ chụp WS hoặc WSM và tư liệu ALOS PALSAR với chế

độ chụp ScanSAR (Bảng 2 4) Các chế độ chụp diện rộng có kích thước pixelthường không cao khoảng 75m – 100m Tuy nhiên, theo nghiên cứu được công

bố thì để phát hiện các vết dầu trên biển từ tư liệu ảnh SAR thì kích thước pixel100m Đồng thời với khả năng quan sát được diện rộng nên chế độ chụp diệnrộng của các vệ tinh siêu cao tần vẫn là nguồn tư liệu chính trong quá trình phân

loại và nhận dạng vết dầu tràn trên biển Ngoài ra, tư liệu ảnh SAR cũng cầnđược xử lý qua các bước như hiệu chỉnh ảnh hưởng của góc tới tín hiệu vệ tinh,

xử lý qua nhiều look để loại bỏ ảnh hưởng của nhiễu hạt tiêu và cần đưa về một

hệ tọa độ xác định để thuận lợi cho việc tích hợp các dữ liệu thông tin bổ trợkhác như đường bờ, trường sóng, trường gió trên biển…

Bảng 2.4 So sánh các tư liệu ảnh SAR trong phân tích vết dầu trên biển

Bộ cảm Chế độ chụp Độ phân giải

Kích thước pixel (m)

Đường chụp (km)

Góc tới ( 0 )

Chu kỳ (phút)

2.2.6 Ảnh hưởng bởi điều kiện khí tượng trên bề mặt biển

Các điều kiện khí tượng trên bề mặt biển bao gồm gió, dao động của sóngbiển, nhiệt độ trên bề mặt biển, mưa, giông… có tác động lớn đến quá trình tồntại của vết dầu và cùng với đặc tính vật lý và hóa học dầu sẽ ảnh hưởng đến quátrình phân tích vết dầu trên biển bằng tư liệu ảnh SAR

Hình 2.18 Tác động của môi trường tới vết dầu trên biển

Do tính chất nhẹ hơn nước nên dầu thường bay hơi vào không khí Tỷ lệbay hơi phụ thuộc vào loại dầu, độ dày của lớp dầu, tốc độ gió và nhiệt độ trên

mặt biển Còn quá trình nhũ tương hóa chịu sự tác động chính của sóng biển vàloại dầu Sự dao động của sóng biển là hàm của tốc độ gió trên bề mặt biển Quátrình phân tán của dầu là một yếu tố quan trọng trong việc xác định thời gian củavết dầu tràn Sự phân tán của dầu do tác động bởi sóng biển Sóng biển sẽ phá

vỡ liên kết của dầu và sẽ làm các giọt dầu nhỏ chìm xuống sâu hơn

Dưới tác động của môi trường trên biển và do đặc tính lý hóa của dầu nênhình ảnh vết dầu trên ảnh SAR tại các thời điểm phát hiện cũng sẽ khác nhau(Hình 2 19) Hình 2 19a là một vết dầu mới được phát hiện trên ảnh SAR.Hình ảnh vết dầu khá rõ nét và bên cạnh vết dầu có một vệt sáng là vị trí của tàu

xả dầu trái phép đang chuyển động Hình 2 19b là một vết dầu được phát hiệntrên ảnh SAR sau một thời gian Do đó, hình ảnh đường biên vết dầu không rõnét và một điểm sáng bên cạnh vết dầu được cho là vị trí của tàu đang neo đậu.Như vậy, việc xác định đường biên của vết dầu mới xuất hiện trên ảnh SAR sẽ

dễ dàng hơn những vết dầu đã cũ

Hình 2.19 Ảnh vết dầu cũ và mới

a Ảnh ERS-2 SAR chụp ngày 20/05/1994 (Vết dầu mới)

b Ảnh ERS-2 SAR chụp ngày 23/03/1999 (Vết dầu cũ)

2.3 Kết luận

Tóm lại, cơ sở khoa học của việc phân tích vết dầu trên biển từ tư liệuviễn thám siêu cao tần dựa trên sự tương tác của sóng siêu cao tần và các daođộng của sóng trên bề mặt biển Hình ảnh của bề mặt biển trên ảnh SAR là thểhiện sự phân bố của sóng tán xạ Bragg Hình ảnh của vết dầu tương phản so với

bề mặt biển trên ảnh SAR là do sự suy giảm năng lượng tán xạ phản hồi của