Nghiên cứu giải pháp nâng cao độ chính xác của mô hình số bề mặt được thành lập từ ảnh Radar

MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Mô hình số bề mặt (DSM - Digital Surface Model) là tập hợp dữ liệu số mô tả một phần của bề mặt Trái Đất trong không gian 3D. Hiện nay, DSM được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, như trong thành lập bản đồ địa hình, thành lập bản đồ 3D, được dùng trong nắn ảnh trực giao, lập kế hoạch phòng chống các tai biến thiên nhiên; lũ lụt, kiểm soát xói lở đất, phân tích tầm nhìn ở diện rộng, giám sát tài nguyên môi trường và trong nhiều ứng dụng khác. Phương pháp truyền thống đầu tiên được sử dụng để thành lập DSM là phương pháp đo vẽ trực tiếp ngoài thực địa. Để thực hiện việc thu thập thông tin của bề mặt, phương pháp đòi hỏi chi phí rất nhiều về thời gian và sức lao động ngoại nghiệp, thậm chí không thể thực hiện được ở nhiều khu vực khó khăn, phức tạp. Tiếp theo là phương pháp đo vẽ lập thể ảnh hàng không và ảnh vệ tinh, và gần đây nhất là ảnh chụp từ thiết bị bay không người lái (UAV). Đây là những phương pháp đo gián tiếp, phần nào đã khắc phục được các hạn chế nói trên của phương pháp đo trực tiếp, song chi phí cho sản xuất vẫn còn khá cao. Mặt khác phương pháp này cũng không thể thực hiện được ở những khu vực không chụp được ảnh quang học do ảnh hưởng của mù khí quyển, của thời tiết. Trong hơn hai thập niên trở lại đây, để xây dựng DSM, người ta sử dụng thêm hai phương pháp: thành lập DSM là từ ảnh Radar và từ dữ liệu bay quét LiDAR. Mỗi phương pháp đều có các ưu điểm và nhược điểm nhất định liên quan tới các khía cạnh như mức độ chi tiết, độ chính xác của DSM, khả năng thực hiện và chi phí thành lập. Với ưu điểm nổi trội của ảnh radar có độ phủ rộng trên bề mặt Trái Đất, chu kỳ lặp ngắn (hầu như có thể cung cấp tư liệu “tức thời”), chi phí mua tư liệu rẻ hơn nhiều so với các loại tư liệu viễn thám khác, thậm chí ảnh Sentinel, với độ phân giải cao, chu kỳ lặp 12 ngày được cấp miễn phí. Ảnh radar đã được nghiên cứu và ứng dụng để thành lập mô hình số bề mặt (Digital Surface Model - DSM) ngay từ những

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

-

TRẦN THANH HÀ

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CAO

ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA MÔ HÌNH SỐ BỀ MẶT ĐƯỢC THÀNH LẬP TỪ ẢNH RADAR

LuËn ¸n tiÕn sÜ KỸ THUẬT

Hà Nội, 2018

MỤC LỤC

1.3 Tổng quan về các công trình nghiên cứu sử dụng phương pháp InSAR xây

dựng DSM

9

1.4 Đánh giá kết quả nghiên cứu đạt được trong và ngoài nước 20

Chương 2: CƠ SỞ KHOA HỌC XÂY DỰNG MÔ HÌNH SỐ BỀ MẶT

(DSM) BẰNG ẢNH RADAR

22

2.8 Ứng dụng phương pháp Radar giao thoa - InSAR trong xây dựng mô hình

số bề mặt - DSM

44

2.9 Quy trình thành lập DSM bằng phương pháp Radar giao thoa - InSAR 51

Chương 3: GIẢI PHÁP NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA DSM ĐƯỢC

NHỮNG CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA NCS 136

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ALOS Vệ tinh quan sát Trái Đất Advanced Land Observing Satellite

DEM Mô hình số độ cao Digital Elevation Model

DSM Mô hình số bề mặt Digital Surface Model

ERS Vệ tinh tài nguyên châu Âu European Resource Satellite

ESA Cơ quan Vũ trụ châu Âu The European Space Agency

GPS Hệ thống đinh vị toàn cầu Global Positioning System

InSAR Radar giao thoa Interferometry Synthetic Aperture

Radar JERS-1 Vệ tinh Tài nguyên trái đất của

Nhật

Japanese Earth Resources Satellite -1

RADAR Chụp ảnh radar Radio Detection and Ranging

SAR Radar độ mở tổng hợp Synthetic Aperture Radar

StereoSAR SAR lập thể Stereo Synthetic Aperture Radar STFT Biến đổi Fourier thời gian ngắn Short Time Fourier Transform

WT Phép biến đổi Wavelet Wavelet Transform

FFT Biến đổi Fourier nhanh Fast Fourier Transform

CWT Biến đổi Wavelet liên tục Continous Wavelet Transform

DWT Biến đổi Wavelet rời rạc Discrete Wavelet Transform

MRA Phân tích đa phân giải Multi Resolution Analysis

FT Biến đổi Fourier Fourier Transform

Danh môc c¸c b¶ng

1 Bảng 2.1 Phân loại các dải băng tần trong viễn thám radar 34

2 Bảng 4.1 Dữ liệu ảnh cho khu vực nghiên cứu 99

3 Bảng 4.2 Bảng thống kê sai số trung phương 103

4 Bảng 4.3 Dữ liệu biên độ của thành phần tần số thấp 106

5 Bảng 4.4 Bảng thống kê sai số của DSM tạo ra bằng các kích thước

6 Bảng 4.5 Dữ liệu biên độ của thành phần tần số thấp 109

7 Bảng 4.6 Bảng thống kê sai số của DSM tạo ra bằng các kích thước

11 Bảng 4.10 Bảng thống kê sai số của DSM tạo ra bằng các giải pháp

12 Bảng 4.11 Số liệu đo các điểm kiểm tra trên các DSM của khu vực

13 Bảng 4.12 Số liệu đo các điểm kiểm tra trên các DSM của khu vực

Danh môc c¸c h×nh vÏ vµ ¶nh

2 Hình 2.2 Bước sóng và tần số dùng trong viễn thám radar 24

5 Hình 2.5 Độ phân giải theo hướng tầm của ảnh radar 26

6 Hình 2.6 Độ phân giải theo hướng phương vị của ảnh radar 27

14 Hình 2.14 Các cấu hình lập thể của ảnh SAR trong trường hợp cùng phía

22 Hình 2.22 Hình học SAR với hai quỹ đạo Radar xác định 49

23 Hình 2.23 Quy trình thành lập DSM bằng phương pháp giao thoa 52

24 Hình 2.24 Mối quan hệ nghịch giữa giá trị tương quan và độ lệch chu n

25 Hình 3.1 Các bước trong quá trình đồng đăng ký ảnh SAR 65

26 Hình 3.2 Phép biến đổi Fourier trong thời gian ngắn (STFT) 67

STT Nội dung Trang

28 Hình 3.4 Phân tích đa phân giải sử dụng biến đổi wavelet rời rạc 72

29 Hình 3.5 Sơ đồ biểu diễn một tầng biến đổi wavelet 2D 74

30 Hình 3.6 Các họ Wavelet (a) Haar (b) Daubechies4 (c) Coiflet1 (d)

Symlet2 (e) Meyer (f) Morlet (g) Mexican Hat

75

31 Hình 3.7 Tín hiệu và các thành phần của tín hiệu 80

32 Hình 3.8 Sự biến thiên của hệ số tự tương quan với khoảng cách 82

33 Hình 3.9 Lưu đồ thuật toán tự động xác định cửa sổ tối ưu 84

34 Hình 3.10 Cấu trúc hình kim tự tháp của phương pháp phân tích ảnh

35 Hình 3.11 Phân tích ảnh SAR bằng wavelet 87

36 Hình 3.12 Lưu đồ thuật toán chiết tách điểm đặc trưng 88

37 Hình 3.13 Lưu đồ thuật toán tự động đồng đăng ký ảnh 89

38 Hình 3.14 Lưu đồ thuật toán lọc nhiễu pha 92

40 Hình 4.2 Bản đồ hành chính tỉnh Ninh Thuận 97

43 Hình 4.5 Ảnh hàng không các khu vực nghiên cứu 100

44 Hình 4.6 DSM tạo ra từ tư liệu ảnh khu vực Quảng Ninh và Ninh

45 Hình 4.7 Quy trình thành lập DSM bằng phương pháp giao thoa 102

48 Hình 4.10 Sự biến thiên của hệ số tự tương quan với khoảng cách

49 Hình 4.11 Sự biến thiên của hệ số tự tương quan với khoảng cách

50 Hình 4.12 Phân tích tự tương quan bằng wavelet khu vực Quảng

51 Hình 4.13 Ảnh giao thoa với các kích thước của sổ khác nhau 107

52 Hình 4.14 Mô hình số bề mặt (DSM) với các kích thước của sổ

khác nhau

107

53 Hình 4.15 Phân tích tự tương quan bằng wavelet 108

54 Hình 4.16 Ảnh giao thoa với các kích thước của sổ khác nhau 109

STT Nội dung Trang

55 Hình 4.17 Mô hình số bề mặt (DSM) với các kích thước của sổ

khác nhau

109

56 Hình 4.18 Ảnh gốc và ảnh phân tích bằng wavelet khu vực Quảng Ninh 110

57 Hình 4.19 Ảnh gốc và ảnh phân tích bằng wavelet khu vực Ninh

58 Hình 4.20 Điểm đặc trưng trên cặp ảnh SAR (khu vực Quảng Ninh) 111

59 Hình 4.21 Điểm đặc trưng trên cặp ảnh SAR (khu vực Ninh Thuận) 112

60 Hình 4.22 Điểm khớp phân bố theo lưới grid (khu vực Quảng Ninh) 112

61 Hình 4.23 Điểm khớp phân bố theo lưới grid (khu vực Ninh Thuận) 113

64 Hình 4.26 Ảnh giao thoa trước (a) và sau (b) lọc nhiễu khu vực

Quảng Ninh

116

65 Hình 4.27 Ảnh giao thoa sau lọc nhiễu khu vực Quảng Ninh 116

66 Hình 4.28 Ảnh giao thoa trước (a) và sau (b) lọc nhiễu khu vực

67 Hình 4.29 Ảnh giao thoa sau lọc nhiễu khu vực Ninh Thuận 117

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Mô hình số bề mặt (DSM - Digital Surface Model) là tập hợp dữ liệu số mô

tả một phần của bề mặt Trái Đất trong không gian 3D Hiện nay, DSM được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, như trong thành lập bản đồ địa hình, thành lập bản đồ 3D, được dùng trong nắn ảnh trực giao, lập kế hoạch phòng chống các tai biến thiên nhiên; lũ lụt, kiểm soát xói lở đất, phân tích tầm nhìn ở diện rộng, giám sát tài nguyên môi trường và trong nhiều ứng dụng khác

Phương pháp truyền thống đầu tiên được sử dụng để thành lập DSM là phương pháp đo vẽ trực tiếp ngoài thực địa Để thực hiện việc thu thập thông tin của

bề mặt, phương pháp đòi hỏi chi phí rất nhiều về thời gian và sức lao động ngoại nghiệp, thậm chí không thể thực hiện được ở nhiều khu vực khó khăn, phức tạp

Tiếp theo là phương pháp đo vẽ lập thể ảnh hàng không và ảnh vệ tinh, và gần đây nhất là ảnh chụp từ thiết bị bay không người lái (UAV) Đây là những phương pháp đo gián tiếp, phần nào đã khắc phục được các hạn chế nói trên của phương pháp đo trực tiếp, song chi phí cho sản xuất vẫn còn khá cao Mặt khác phương pháp này cũng không thể thực hiện được ở những khu vực không chụp được ảnh quang học do ảnh hưởng của mù khí quyển, của thời tiết

Trong hơn hai thập niên trở lại đây, để xây dựng DSM, người ta sử dụng thêm hai phương pháp: thành lập DSM là từ ảnh Radar và từ dữ liệu bay quét LiDAR Mỗi phương pháp đều có các ưu điểm và nhược điểm nhất định liên quan tới các khía cạnh như mức độ chi tiết, độ chính xác của DSM, khả năng thực hiện

và chi phí thành lập

Với ưu điểm nổi trội của ảnh radar có độ phủ rộng trên bề mặt Trái Đất, chu

kỳ lặp ngắn (hầu như có thể cung cấp tư liệu “tức thời”), chi phí mua tư liệu rẻ hơn nhiều so với các loại tư liệu viễn thám khác, thậm chí ảnh Sentinel, với độ phân giải cao, chu kỳ lặp 12 ngày được cấp miễn phí Ảnh radar đã được nghiên cứu và ứng dụng để thành lập mô hình số bề mặt (Digital Surface Model - DSM) ngay từ những

năm 1960, với sự ứng dụng các phương pháp xử lý chủ yếu như: phương pháp đo

độ dốc (Clinometry/Radarclinometry), phương pháp đo radar lập thể (Stereoscopy/Radar hay Stereogrammetry/Radargrammetry), phương pháp radar giao thoa (Interferometry) và phương pháp đo radar phân cực (Polarimetry) Những phương pháp này thông thường được sử dụng để xử lý tư liệu của các hệ thống radar độ mở tổng hợp SAR (Synthetic Aperture Radar) nhằm xác định độ cao tương đối hoặc tuyệt đối của các đối tượng hoặc điểm độ cao trên bề mặt thực địa

Mặc dù mới xuất hiện, song phương pháp đo radar giao thoa (InSAR) đã được ứng dụng rộng rãi trong tạo DSM Đây là một kỹ thuật hứa hẹn sẽ giải quyết một số vấn đề khó khăn trong một khu vực nghiên cứu đòi hỏi độ chính xác, hiệu quả kinh tế cao, thuận tiện với mọi điều kiện thời tiết Chất lượng của DSM được xây dựng bằng phương pháp InSAR chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố Một trong những yếu tố ảnh hưởng đó, là tác động của khí quyển đối với góc chụp ảnh, đường đáy ảnh (baseline) và kỹ thuật xử lý Ảnh hưởng của các yếu tố này sẽ làm vị trí các pixel bị xê dịch, gây khó khăn trong quá trình khớp ảnh Hai là sự khác nhau về thời gian thu nhận, tạo ra sự không tương quan giữa hai ảnh, và sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình khớp hai ảnh với nhau để tạo ảnh giao thoa, rồi vấn đề lọc nhiễu pha

để mở pha

Do đó, để nâng cao chất lượng của sản phẩm DSM thì nhất thiết phải nâng cao chất lượng của ảnh giao thoa trong phương pháp InSAR Trên thế giới có nhiều nhà khoa học đã nghiên cứu, đề xuất các giải pháp giảm thiểu các sai số gây ra trong các công đoạn của qui trình xử lý ảnh trong phương pháp InSAR, bao gồm: đồng đăng ký (co-registration), tạo ảnh giao thoa (interferogram generation), lọc nhiễu pha, giải pha (phase unwrapping) và chuyển đổi tọa độ, hiệu chỉnh hình học (geocoding)

Ở Việt Nam, hiện nay đã có một số công bố khoa học về nghiên cứu cơ sở khoa học và đề xuất giải pháp dự báo lún mặt đất thành phố Hà Nội bằng kỹ thuật radar giao thoa, kết quả xây dựng DEM từ thành lập tư liệu ảnh ERS, nghiên cứu ứng dụng ảnh vệ tinh RADAR độ phân giải cao trong thành lập mô hình số độ cao

và kiểm kê đảo, ứng dụng phương pháp InSAR vi phân trong quan trắc lún đất do khai thác nước ngầm, nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật radar giao thoa trong xác định

sự thay đổi bề mặt địa bằng kỹ thuật radar giao thoa từ ảnh TeraSAR X…Nhưng trong hầu hết các công bố khoa học đó, mới chỉ đề cập đến khả năng ứng dụng của viễn thám radar chứ chưa có các giải pháp giảm thiểu ảnh hưởng của các sai số gây

ra trong các công đoạn của qui trình xử lý ảnh trong phương pháp InSAR nhằm nâng cao độ chính xác của sản phẩm Vì vậy độ chính xác đạt được của sản phẩm chưa cao

Từ năm 2014, hệ thống vệ tinh Sentinel đã đi vào hoạt động, với chu kỳ lặp ngắn, diện tích phủ trùm lớn, ảnh có độ phân giải cao, được cung cấp miễn phí, đã

mở khả năng sử dụng loại tư liệu này để xây dựng DSM có độ chính xác cao, chi phí sản xuất thấp, và có thể đáp ứng rất kịp thời cho người sử dụng

Do vậy hướng nghiên cứu về qui trình xử lý, về các giải pháp nâng cao độ chính xác xây dựng DSM bằng tư liệu viễn thám radar nói chung, tư liệu Sentinel nói riêng phù hợp với điều kiện thực tế tại Việt Nam là cần thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn ứng dụng cao

2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu cơ sở khoa học và các giải pháp nâng cao độ chính xác xây dựng DSM từ ảnh radar, phù hợp với điều kiện thực tế về tư liệu của Việt Nam

3 Đối tượng nghiên cứu

- Ảnh radar, quy trình thành lập DSM và các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của DSM, được xây dựng bằng ảnh radar theo phương pháp radar giao thoa - InSAR

- Thuật toán biến đổi wavelet, khả năng sử dụng của nó để nâng cao độ chính xác của DSM, được xây dựng từ ảnh radar theo phương pháp InSAR

- Ph p lọc nhiễu oldstein và thích nghi làng giềng trong lọc nhiễu pha giao thoa

4 Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu qui trình xây dựng DSM, những yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của DSM và các giải pháp nâng cao độ chính xác của DSM, trên cơ sở ứng dụng

phương pháp biến đổi tín hiệu wavelet trong phân tích tín hiệu, phương pháp

oldstein để lọc nhiễu pha

- Tư liệu ảnh sử dụng làm thực nghiệm là tư liệu ảnh vệ tinh Setinel - 1A của các khu vực: Quảng Ninh và Ninh Thuận

5 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu cơ sở khoa học tạo DSM bằng ảnh radar và những yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của nó

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của ph p biến đổi wavelet và khả năng sử dụng

để phân tích tín hiệu trong các công đoạn của qui trình thành lập DSM bằng ảnh radar theo phương pháp InSAR

- Nghiên cứu phương pháp lọc nhiễu oldstein và oldstein cục bộ, trên cơ

sở đó đưa ra phương pháp lọc nhiễu oldstein tích hợp kỹ thuật thích nghi láng giềng có trọng số, để nâng cao độ chính xác của DSM

- Xây dựng chương trình thử nghiệm tự động đồng đăng ký ảnh, chương trình lọc nhiễu để nâng cao độ chính xác của DSM được thành lập từ tư liệu ảnh Sentinel bằng phương pháp InSAR

6 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp thu thập thông tin: tiến hành thu thập và tổng hợp tài liệu khoa học đã công bố trên các Tạp chí, Kỷ yếu Hội thảo, Báo cáo tổng kết các đề tài NCKH Đồng thời thu thập ảnh Sentinel - 1A, các số liệu, tư liệu có liên quan đến các khu vực thực nghiệm

- Phương pháp phân tích, tổng hợp các tài liệu bao gồm các bài báo khoa học

đã công bố trên thế giới và trong nước, các kết quả nghiên cứu đã đạt được để nâng cao chất lượng của DSM và các modul phần mềm tạo DSM từ tư liệu ảnh SAR Từ

đó nghiên cứu giải pháp nâng cao chất lượng của DSM được thành lập bằng ảnh radar phù hợp và có tính khả thi cao trong điều kiện hiện nay tại Việt Nam

- Kỹ thuật lập trình và ứng dụng công nghệ tin học trong xây dựng chương trình thực hiện quá trình tự động đồng đăng ký ảnh và lọc nhiễu pha giao thoa , thực hiện thực nghiệm kiểm chứng

7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

7.1 Ý nghĩa khoa học của luận án

óp phần hoàn thiện các ứng dụng của ph p biến đổi wavelet trong xử lý và phân tích tín hiệu, ứng dụng phương pháp lọc nhiễu pha oldstein trong qui trình thành lập DSM từ ảnh radar

7.2 Ý nghĩa thực tiễn của luận án

Cung cấp những đánh giá đầy đủ về cơ sở khoa học cũng như kết quả nghiên cứu thử nghiệm của giải pháp nâng cao độ chính xác của DSM được thành lập bằng ảnh Sentinel - 1A kênh C trong điều kiện Việt Nam

8 Những luận điểm bảo vệ

Luận điểm 1: Với tín hiệu siêu cao tần sử dụng trong viễn thám radar, ph p

biến đổi xấp xỉ sóng nhỏ (wavelet) là phù hợp trong việc chọn và khớp các điểm đặc trưng, phục vụ cho đồng đăng ký ảnh trong qui trình thành lập DSM bằng phương pháp InSAR

Luận điểm 2: Phương pháp lọc nhiễu oldstein tích hợp kỹ thuật thích nghi

láng giềng có trọng số, là tối ưu trong lọc nhiễu pha giao thoa để nâng cao độ chính xác của DSM

9 Những điểm mới của luận án

9.1 Áp dụng thành công phương pháp biến đổi xấp xỉ sóng nhỏ (wavelet)

để xử lý ảnh radar trong chọn kích thước cửa sổ khớp ảnh, chiết xuất và khớp các điểm đặc trưng trên ảnh radar, qua đó nâng cao độ chính xác xây dựng DSM từ tư liệu viễn thám siêu cao tần

9.2 Đề xuất phương pháp lọc nhiễu oldstein tích hợp kỹ thuật thích nghi láng giềng có trọng số để lọc nhiễu pha giao thoa nhằm nâng cao độ chính xác của DSM

10 Khối lượng và kết cấu luận án

Kết cấu luận án bao gồm các phần chính như sau:

Mở đầu

Chương 1 Tổng quan về tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Chương 2 Cơ sở khoa học xây dựng mô hình số bề mặt (DSM) bằng ảnh radar

Chương 3 Giải pháp nâng cao độ chính xác của DSM được thành lập bằng ảnh radar

Chương 4 Thực nghiệm và thảo luận

Kết luận và kiến nghị

Tài liệu tham khảo

11 Nơi thực hiện đề tài

Luận án này được hoàn thành tại Bộ môn Đo ảnh và Viễn thám, Khoa Trắc địa - Bản đồ và Quản lý đất đai, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, dưới sự hướng dẫn khoa học của TS Đào Ngọc Long và TS Nguyễn Thị Mai Dung

Trong quá trình thực hiện nghiên cứu, tác giả luôn nhận được sự giúp đỡ của các thầy, cô giáo trong Bộ môn Đo ảnh và Viễn thám, trong Khoa Trắc địa - Bản đồ

và Quản lý đất đai, phòng Đào tạo Sau đại học, Lãnh đạo Nhà trường, Viện Khoa học Đo đạc và Bản đồ, Cục Viễn thám quốc gia, Cục Bản đồ Bộ Tổng tham mưu…

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất đến tất cả các thầy, cô giáo, đặc biệt là TS Đào Ngọc Long và TS Nguyễn Thị Mai Dung, các nhà khoa học, đồng nghiệp và người thân đã tận tình giúp đỡ, đã tạo mọi điều kiện thuận

lợi nhất để tác giả hoàn thành luận án này

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Đặt vấn đề

Trong nghiên cứu bề mặt Trái đất hiện nay dữ liệu bản đồ mô hình số bề mặt (DSM) thể hiện được những ưu điểm vượt trội về sự mô phỏng tổng quan chân thực nhất về bề mặt Trái đất, nó được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực phục vụ cho công tác điều tra, khảo sát, phát triển kinh tế đất nước cũng như chủ quyền và an ninh quốc phòng Đặc biệt với những diễn biến cực đoan của biến đổi khí hậu, yêu cầu

về sử dụng các sản phẩm dữ liệu địa hình dưới dạng mô hình số phải có độ chính xác cao, đáp ứng nhanh và kịp thời Cùng với đó là nhu cầu về sử dụng dữ liệu địa hình như là một lượng thông tin không thể thiếu trong xây dựng cơ sở dữ liệu của

Hệ thông tin địa lý (GIS), phục vụ cho các nghiên cứu biến dạng sụt lún của bề mặt địa hình; xác định nhanh các vùng ngập lụt do mưa bão, vùng ngập lụt ven bờ do nước biển dâng do biến đổi khí hậu, trong thành lập bản đồ địa hình, bản đồ chuyên

đề ở những khu vực thiếu ảnh viễn thám quang học, trong các công đoạn thành lập bản đồ và ứng dụng cho khảo sát, phân tích địa hình, thiết kế, quy hoạch

Để xây dựng DSM của một phần bề mặt Trái Đất trên một diện rộng, với chi phí thấp và trong khoảng thời gian ngắn nhất thì các phương pháp sử dụng tư liệu viễn thám tỏ rõ hiệu quả hơn cả, đặc biệt là sử dụng tư liệu của viễn thám radar - viễn thám siêu cao tần

Viễn thám Radar (Viễn thám siêu cao tần) là phương pháp viễn thám chủ động hoạt động trong dải siêu cao tần của quang phổ sóng điện từ Viễn thám Radar

sử dụng nguồn năng lượng riêng không phụ thuộc vào ánh sáng mặt trời, và sóng điện từ có bước sóng dài Vì thế, nó có khả năng hoạt động cả ban ngày và ban đêm cũng như trong mọi điều kiện thời tiết mà không chịu ảnh hưởng của các hiện tượng

tự nhiên như mây, mưa

RADAR là từ viết tắt của cụm từ Radio Detection And Ranging, với nguyên

lý hoạt động dựa trên sự lan truyền của sóng điện từ trong không gian, bản chất là

một thiết bị đo khoảng cách hoạt động trong phần vi sóng của phổ điện từ, có bước sóng từ 1mm đến 1m Tư liệu ảnh Radar đã được sử dụng nhiều trong các lĩnh vực điều tra cơ bản, giám sát tài nguyên và môi trường trên bề mặt trái đất Bên cạnh đó, viễn thám Radar cũng cho khả năng xác định độ cao của các điểm trên bề mặt trái đất Người ta đã sử dụng ảnh Radar để xây dựng mô hình số bề mặt bằng phương pháp giao thoa để nghiên cứu và xác định sự sụt lún của bề mặt Trái đất, xác định nhanh các vùng ngập lụt do thiên tai, do biến đổi khí hậu, thành lập bản đồ địa hình

tỷ lệ trung bình và nhỏ

1.2 Lịch sử phát triển của SAR

Khái niệm về Radar độ mở tổng hợp - Synthetic Aperture Radar (SAR) là do Carl Wiley của Tổng công ty Máy bay Goodyear năm 1951 [132] khởi nguồn Tại trường Đại học Illinois, một nhóm các nhà khoa học đã tiến hành nghiên cứu những thí nghiệm đầu tiên vào năm 1953; sau đó, quân đội Hoa Kỳ đưa dự án Wolverine về chủ

đề này đến Đại học Michigan Đây là khởi đầu của một loạt các hoạt động đóng góp vào sự phát triển của kỹ thuật SAR [42]

Từ cuối năm 1960, NASA đã bắt đầu tài trợ cho sự phát triển của hệ thống SAR cho các ứng dụng về dân sự Jet Propulsion Laboratory (JPL) đã phát triển cho NASA một bộ cảm biến SAR band-L Bộ cảm biến này đã được cài đặt trên tên lửa vào năm 1962 trong các thí nghiệm thực hiện tại các trang web thử nghiệm tên lửa New Mexico Cảm biến này là cảm biến cuối cùng được cài đặt trên máy bay NASA CV-990 vào năm 1966 và sau đó lại được nâng cấp bởi JPL [42,55]

Viện nghiên cứu môi trường Michigan (ERIM) và JPL đã phối hợp thực hiện các nghiên cứu thử nghiệm Apollo Lunar Sounder, và đã thành công khi thăm dò Mặt Trăng vào năm 1972 trên tàu Apollo 17 [42,55]

Vào năm 1978 lần đầu tiên trên vũ trụ (vệ tinh Seasat - USA) sử dụng SAR

và tiếp tục với việc sử dụng SIR - Radar tạo ra ảnh trên tàu con thoi (Shuttle Imaging Radar) Đầu năm 1991 có 3 vệ tinh mang thiết bị Radar được phóng thành công lên vũ trụ Đó là Almaz-1 với bộ cảm biến S-band của Liên Xô (cũ), ERS-1 của cơ quan Vũ trụ châu Âu ESA, và JERS-1 với bộ cảm biến kênh L của Nhật

Bản Năm 1995, Radarsat với bộ cảm biến C-band của Canada đã được phóng lên

- Độ phân giải của ảnh SAR có thể phân biệt được các đối tượng trên bề mặt địa hình cần biểu thị lên bản đồ

- Những điểm đo được bằng phương pháp InSAR có thể mô tả được độ cao

và dáng của bề mặt địa hình

Có thể nói rằng, trong những năm 1990, công nghệ vũ trụ đã đạt được những thành công lớn với việc đẩy nhanh ứng dụng của viễn thám Radar cho các nghiên cứu khoa học và ứng dụng Sang đến đầu thể kỷ XXI đã có một số vệ tinh Radar có

độ phân giải cao được phóng lên quỹ đạo chuyên phục vụ giám sát tài nguyên và biến động lớp phủ trái đất ở mức độ chi tiết hơn đó là ALOS PALSAR của Nhật (2006), ERS-1 (1993), ERS-2 (1995), Envisat (2002) của Châu Âu, TeraSAR X của Đức (2007) Cosmo-Skymed (2010), ALOS PALSAR-2, Sentinel-1…

1.3 Tổng quan về các công trình nghiên cứu sử dụng phương pháp InSAR xây dựng DSM

1.3.1 Trên thế giới

Trong những năm gần đây, với sự phát triển của viễn thám Radar thì việc tạo DSM tự động đã trở thành một phần quan trọng của các nghiên cứu Nhiều kỹ thuật tạo DSM đã được phát triển, trong đó phương pháp Radar giao thoa (InSAR) là phương pháp đang được nghiên cứu nhiều nhất để tạo DSM phục vụ cho nghiên cứu sạt lở, giám sát hoạt động của núi lửa và theo dõi dịch chuyển bề mặt

Các nghiên cứu tập trung chủ yếu vào dữ liệu cũng như quy trình tạo DSM

và các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của nó, có thể kể là các nghiên cứu của [45,89,90,91,92,93,94,105,106,107] Trong công bố khoa học của Sefercik [106],

tác giả đã nghiên cứu tạo DSM từ dữ liệu TerraSAR-X với sai số trung phương về

độ cao đạt được là ± 8.25m Trong các công trình khoa học tiếp theo của mình vào năm 2011, Sefercik cũng nghiên cứu tạo DSM từ các dữ liệu SRTM kênh C và X,

và dữ liệu ASTER GDEM Kết quả DSM tạo từ ảnh liệu SRTM kênh C có sai số trung phương về độ cao đạt ± 10.69m, từ dữ liệu SRTM kênh X đạt ± 6.59m, từ dữ liệu ASTER GDEM đạt ± 9.83m Từ các kết quả trên, Sefercik đã kết luận rằng chất lượng của DSM phụ thuộc vào kỹ thuật tạo giao thoa, đặc điểm địa hình của khu vực nghiên cứu và khoảng cách giữa các mắt lưới để tạo DSM

Nikolakopoulos [92], đã thành lập DSM từ các dữ liệu khác nhau như: TerraSAR-X, Sentinel -1 chụp cùng khu vực và tiến hành so sánh đánh giá Kết quả, DSM tạo từ ảnh TerraSAR-X cho sai số trung phương đạt ±12.35m, và Sentinel - sai số trung phương ±14.47m Qua các nghiên cứu, các tác giả kết luận rằng: kỹ thuật tạo giao thoa ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng của ảnh giao thoa cũng như sản phẩm cuối cùng là DSM Độ chính xác của chúng phụ thuộc vào các yếu tố như: ảnh hưởng bởi khí quyển, sự không tương quan về đường đáy ảnh, sự không tương quan giữa hai ảnh Do vậy để nâng cao độ chính xác của DSM, cần tập trung cải thiện chất lượng của ảnh giao thoa

Hiện nay có rất nhiều các công trình khoa học nghiên cứu để cải thiện chất lượng của giao thoa cũng như cải thiện chất lượng của DSM như:

Ảnh hưởng của khí quyển

Chúng ta biết rằng, điều kiện khí quyển không đồng nhất sẽ ảnh hưởng đến việc ghi nhận ảnh ở những thời điểm khác nhau Sự lan truyền sóng điện từ trong điều kiện khí quyển khác nhau, làm cho khoảng cách tính được từ vệ tinh tới mặt đất sẽ khác nhau, do thời gian trễ gây ra, khi sóng được truyền trong sự nhiễu loạn của tầng đối lưu và tầng điện ly Sự không đồng nhất trong khí quyển sẽ tạo ra nhiễu cho pha kết quả và nó sẽ làm giảm chất lượng của ảnh giao thoa Rất nhiều phương pháp đã được nghiên cứu để giảm ảnh hưởng của khí quyển đến chất lượng giao thoa như nghiên cứu của Hanssen [55, 139]

Theo Hanssen [55], bằng việc sử dụng các tư liệu radar chụp ở các khu vực khác nhau, đã chứng minh được rằng sự biến đổi của nhiệt độ và áp suất dẫn đến

biến dạng giao thoa ít hơn nhiều so với độ ẩm trong không khí Cũng với một chứng minh khác của giáo sư Zebker thì độ ẩm trong khí quyển sẽ ảnh hưởng đến từng loại sóng radar có bước sóng khác nhau ở mức độ khác nhau Đối với những sóng Radar

có bước sóng ngắn từ 3 cm trở xuống thì độ ẩm sẽ ảnh hưởng nhiều đến xung truyền, giao thoa có thể bị nhiễu Bước sóng từ 6 cm trở lên gần như ít bị ảnh hưởng bởi hơi nước trong khí quyển Còn trong nghiên cứu của Yun [136] đã sử dụng bóng thám không kết hợp phương pháp GPS để đo độ ẩm và giảm thiểu sai số này Tuy nhiên việc đo đạc này cũng không thể làm hết cho nhiều vùng ở trên ảnh được, nên việc sử dụng thêm dữ liệu thời tiết đo ở các trạm mặt đất cũng là một giải pháp được đưa ra Đối với phần ảnh hưởng bởi độ ẩm ở tầng điện ly, thì việc sử dụng cặp ảnh chụp cùng ở một điều kiện thời tiết như nhau là một giải pháp hữu hiệu, để giảm thiểu sai số do tầng điện ly gây ra

Ngoài ra rất nhiều phương pháp cũng được nghiên cứu để làm giảm ảnh hưởng của khí quyển đến chất lượng của InSAR, như các nghiên cứu của Li và Ding [70] và Ding [35] Trong đó, đã khẳng định ảnh hưởng khí quyển là một trong những hạn chế của phương pháp radar giao thoa - InSAR, nó có gây ra sai lệch trên

±10 cm đối với đo biến dạng bề mặt và lên đến ±100m đối với tạo DEM so với DEM được thành lập từ bản đồ địa hình Vì vậy việc nghiên cứu ảnh hưởng của khí quyển là rất cần thiết để phát huy được ứng dụng của InSAR trong thành lập bản đồ địa hình Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng tín hiệu khí quyển trong bản đồ giao thoa SAR là không đẳng hướng và không phân bố theo luật phân bố chuẩn Gauss, phổ của tín hiệu khí quyển tuân theo luật lũy thừa với số mũ gần bằng -8/3 Trong nghiên cứu của Jung [59], đã sử dụng dữ liệu vệ tinh từ các vệ tinh MODIS và MERIS để làm giảm ảnh hưởng của khí quyển và kết quả giảm được từ 20% đến 40% Tuy nhiên trong các nghiên cứu này mới chỉ phục vụ cho khu vực cụ thể, chưa

có tính đại diện nên vẫn cần phải nghiên cứu để phát triển phương pháp sao cho hiệu quả hơn

Nhìn chung những ảnh hưởng do khí quyển gây ra là những sai số không thể tránh khỏi Nếu muốn giảm thiểu chúng cần phải thu thập đầy đủ thông tin về khí quyển tại thời điểm chụp ở nhiều khu vực khác nhau trên ảnh

Sự không tương quan về đường đáy ảnh:

Đường đáy ảnh là khoảng cách giữa hai tâm ghi nhận ảnh của một cặp ảnh Radar Độ lớn của đường đáy ảnh xác định sự phù hợp của dữ liệu cho từng ứng dụng cụ thể Để đạt được một cặp giao thoa tốt thì đường đáy ảnh phải đủ dài để có được độ nhạy của pha với địa hình, và nó cũng phải đủ nhỏ để giảm thiểu sự mất tương quan [68] Kimura [61], đã đề xuất một phương pháp để ước tính đường đáy

cơ sở dựa vào các điểm mặt đất cùng với độ cao và pha giao thoa của chúng Tuy nhiên, mỗi một loại ảnh SAR lại có đường đáy ảnh khác nhau, ví dụ đối với ERS-1,2 là 800m và đối với ALOS PALSAR 1km Vì vậy mà tác giả cũng nhận định không có một phương pháp nào để tính kích thước đường đáy ảnh tối ưu cho tất cả các vệ tinh Mà cùng với sự tăng chiều dài của đường đáy cơ sở thì mức độ nhiễu cũng tăng theo dẫn đến sự bất tương quan giữa các tín hiệu Radar Sự bất tương quan đường đáy cơ sở luôn luôn tồn tại trong hệ thống và không thể tránh khỏi Nó chỉ có thể giảm đến một giá trị nhất định nhưng đồng thời cũng làm giảm độ phân giải hình ảnh Theo [91], đã nghiên cứu dựa trên các cặp ảnh Sentinel-1 với các kích thước đường đáy ảnh là khác nhau nhưng chụp cùng một khu vực cũng khẳng định rằng đường đáy ảnh hưởng đến độ chính xác theo phương thẳng đứng khi tạo DSM,

do đó chắc chắn nó sẽ ảnh hưởng đến chất lượng của InSAR, nhưng để khắc phục được điều này rất cần các nghiên cứu tiếp theo

Tuy nhiên, tùy thuộc vào mục đích của việc tạo giao thoa mà đường đáy ảnh cũng sẽ thay đổi Nếu muốn xây dựng mô hình số bề mặt, đường đáy ảnh không thể quá ngắn, vì lúc đó nó không có khả năng nhạy với địa hình và mất khả năng tạo giao thoa, nhưng cũng không thể quá dài vì lúc đó độ tương quan sẽ giảm đi, còn ngược lại khi xác định biến dạng địa hình nhất là biến dạng đứng thì đường đáy ảnh càng nhỏ càng tốt [93]

Sự không tương quan giữa hai ảnh ảnh hưởng đến chất lượng InSAR:

Có nhiều nguyên nhân dẫn đến sự mất tương quan giữa hai ảnh SAR Nguyên nhân thứ nhất là do sự mất tương quan về thời gian giữa các lần chụp lặp

Sự suy giảm tương quan do thời gian xảy ra trong trường hợp ảnh phụ thuộc trong cặp ảnh tạo giao thoa có thời gian giãn cách so với ảnh chính là lớn Sự suy

giảm tương quan này thường là hàm của nhiều yếu tố như sự thay đổi của lớp phủ

bề mặt giữa hai lần ghi nhận ảnh bao gồm: sự thay đổi độ ẩm của đất, độ gồ ghề của địa hình và thực phủ Việc tạo những mô hình đánh giá sự suy giảm tương quan do thời gian là hầu như không thể thực hiện được bởi một số nguyên nhân như môi trường tự nhiên, hoặc do con người mà nó lại không theo quy luật toán học nào, vì vậy chúng ta chỉ cần hiểu là sự suy giảm tương quan của nó theo thời gian sẽ làm hạn chế cho những ứng dụng liên quan đến cặp ảnh có thời gian giãn cách xa

Nguyên nhân thứ hai dẫn đến sự mất tương quan là do một số sai lệch về kỹ thuật xử lý ảnh và tạo giao thoa ảnh hưởng đến chất lượng pha gây ra sự mất tương quan về pha giao thoa Cũng có một vài nghiên cứu đưa ra cách tiếp cận mới trong ước tính và cải thiện tương quan Một thuật toán đã được [22] đưa ra để ước lượng các tham số phụ thuộc khi chuyển từ ảnh thô (Raw) sang ảnh đơn nhìn (sing-look), bên cạnh đó vẫn phải bảo tồn pha, độ chính xác có thể đạt được 1/100 pixel Tuy nhiên khi thuật toán này đưa vào sử dụng lại làm mất tương quan của tán xạ phản hồi Ngoài ra để ước tính tương quan, [79] đã nghiên cứu phương pháp ước tính tương quan bằng biến đổi wavelet đa phân giải Trong đó tác giả đã sử dụng mô hình nhiễu phức tương đương mô hình nhiễu Hermitian để ước tính tương quan Ngoài ra phép biến đổi wavelet được sử dụng để phân tích tín hiệu nhằm giảm bớt ảnh hưởng của sai số địa hình Và như vậy những khu vực có tương quan thấp sẽ bị loại bỏ, vô hình chung phương pháp này lại làm mất đi thông tin địa hình gốc

Nguyên nhân thứ ba dẫn đến sự mất tương quan là do ảnh hưởng của yếu tố địa hình Như chúng ta đã biết, ảnh SAR bao gồm hai thành phần: cường độ và pha

Do đó, tương quan giữa hai ảnh SAR cũng chứa hai thành phần này, vì vậy tương quan giao thoa còn được gọi là tương quan phức Trong đó, thành phần pha tỷ lệ với

bề mặt địa hình nên pha được sử dụng để chiết tách các thông tin về bề mặt địa hình Còn thành phần cường độ cho các thông tin về sự gắn kết giữa cặp ảnh SAR Thành phần pha chính là pha giao thoa, và nó được đưa vào để thực hiện bước xử lý tiếp theo là mở pha và tính ra mô hình DSM Đối với ứng dụng này, thì pha của ảnh SAR rất nhạy cảm với đặc trưng địa hình nên cần phải được kiểm soát rất chặt

chẽ trong quá trình tạo giao thoa Tuy nhiên, trong một vài trường hợp nhất là những khu vực có chênh cao địa hình lớn, thành phần pha này thường bị nhiễu, gây khó khăn trong quá trình mở pha Do đó, việc ước tính chính xác bù pha địa hình trong việc ước tính tương quan là rất quan trọng

Kỹ thuật tạo giao thoa ảnh hưởng đến độ chính xác của DSM

Mô hình số bề mặt (DSM) được tạo ra từ phương pháp InSAR dựa trên việc

xử lý ít nhất hai ảnh phức SAR chụp cùng khu vực ở hai vị trí khác nhau Quy trình tạo DSM bằng phương pháp InSAR bao gồm các bước đồng đăng ký ảnh, tạo giao thoa, mở pha và tạo DSM Có rất nhiều nghiên cứu đã được tiến hành nhằm làm giảm các sai số gây ra trong quá trình tạo DSM Các nghiên cứu đã được thực hiện trong đồng đăng ký ảnh là: [52,77,109,117,132,143,144,146], tạo ảnh giao thoa là: [16,49,91], mở pha [9,11,15,17,23,24,76], nắn và tạo DSM [25,43,135]

Đồng đăng ký ảnh là quá trình chuyển đổi tọa độ của ảnh phụ về cùng

hệ tọa độ với ảnh chính Đồng đăng ký các ảnh SAR bao gồm hai bước: đồng đăng ký sơ bộ và đồng đăng ký chính xác hai ảnh Để thực hiện được công việc này thì cần phải chọn các điểm đặc trưng trên ảnh chính, sau đó tìm kiếm

sự tương ứng của mỗi điểm trên ảnh phụ Đặc điểm của những điểm này, số lượng và sự phân bố cũng như cửa sổ khớp điểm có ảnh hưởng lớn đến độ tin cậy của quá trình chuyển đổi cũng như độ chính xác của quá trình đồng đăng

ký [109]

Để tăng độ tin cậy cho quá trình đồng đăng ký ảnh Liao [74], đã nghiên cứu phương pháp khớp ảnh tự động qua nhiều bước Trong đó bước đầu tiên là đặt kích thước mắt lưới grid trên ảnh chính và điểm khớp là những điểm có hệ

số tương quan chéo cao nhất Một loạt các cửa sổ được thực hiện để tìm những điểm khớp (cùng tên) trên ảnh chính và ảnh phụ Tuy nhiên, trong phần thực nghiêm này thì kích thước của sổ 63*63 pixel cho kết quả giao thoa tốt nhất,

vì vậy nó được chọn là kích thước cửa sổ tối ưu Trong quá trình tìm các điểm khớp thì rất nhiều điểm được tìm thấy, do đó bước tiếp theo là dựa vào kỹ

thuật lọc điểm để làm tăng độ tin cậy Bước cuối cùng, bình sai theo nguyên lý

số bình phương nhỏ nhất và đánh giá độ chính xác của quá trình đồng đăng ký

Một phương pháp khác được ứng dụng để đồng đăng ký ảnh SAR trong miền Fourier được nghiên cứu bởi [10,109,117] Trong nghiên cứu này, các tác giả sử dụng thuật toán Fourier biến đổi nhanh - Fast Fourier Transform (FFT) để tự động tìm các điểm khớp trên ảnh chính và tìm kiếm sự tương ứng của mỗi điểm trên ảnh phụ Phương pháp này có ưu điểm là hoạt động rất nhanh nhưng

nó chỉ thích hợp cho các khu vực ít có sự biến đổi (đồng nhất) và tương đối bằng phẳng Đối với khu vực địa hình tương đối phức tạp và chênh cao lớn như rừng núi thì kết quả không đáng tin cậy

Ngoài ra phép biến đổi wavelet cũng được nghiên cứu trong chọn điểm đặc trưng trên ảnh như [102,143] Trong nghiên cứu của Zou, tác giả đã cung cấp cho các nhà nghiên cứu thêm thông tin về những thành tựu trong nghiên cứu đăng

ký đồng ảnh SAR, thực nghiệm trên ảnh ERS1 và ERS 2 khu vực Tai Lam, Hồng Kông Tác giả cũng khẳng định đồng đăng ký hai ảnh SAR là bước đầu tiên trong quy trình tạo DSM và nó là một trong những bước xử lý quan trọng nhất liên quan đến chất lượng giao thoa Để đảm bảo chất lượng của sản phẩm InSAR cuối cùng, việc đồng đăng ký chính xác hai ảnh đầu vào là điều kiện tiên quyết Để có một sản phẩm giao thoa có chất lượng tốt nhất thì việc đồng đăng ký hai ảnh này phải đảm bảo độ chính xác lên đến 1/10 giá trị pixel

Ngoài ra để quá trình giải pha được dễ dàng với độ chính xác cao thì lọc nhiễu pha là một bước quan trọng trong quá trình xử lý InSAR [115,116, 141] Một phương pháp lọc nhiễu lý tưởng phải có khả năng giảm tối đa phần pha dư (phase residues) thành phần thể hiện vùng pha bị lỗi, trong khi vẫn bảo toàn được các vân giao thoa (fringes)[69] Hiện nay, có nhiều phương pháp lọc nhiễu pha được các nhà khoa học đề xuất và được chia thành hai nhóm chính: Phương pháp lọc nhiễu trên miền không gian (spatial domain) và phương pháp lọc nhiễu trên miền tần số (frequency domain)

Các phương pháp được áp dụng thành công trong lọc nhiễu pha thuộc nhóm thứ nhất có thể kể đến như phép lọc Lee, phép lọc sử dụng mô hình nhiễu cộng (additive noise) [104] Một phương pháp khác là phương pháp lọc nhiễu trung bình

có bù độ dốc địa hình dựa trên ước tính tần số xuất hiện của các vân giao thoa cục

bộ Cả hai phương pháp này đều sử dụng cửa sổ lọc do đó phụ thuộc vào kích thước

và hình dạng của cửa sổ [10, 37,123]

Đối với nhóm phương pháp lọc nhiễu trên miền tần số, nguyên lý cơ bản của các phương pháp thuộc nhóm này là năng lượng của tín hiệu không phải nhiễu được tích lũy và tạo thành ở đỉnh tín hiệu (peak), trong khi nhiễu sẽ có năng lượng bị phân tán theo nhiều hướng khác nhau [130]

Một trong các phương pháp lọc nhiễu được sử dụng phổ biến nhất thuộc nhóm này là phương pháp lọc nhiễu Goldstein [138,141] là phương pháp lọc nhiễu pha thực hiện trên miền tần số, được xem như phép lọc thông thấp (low-pass filter), làm trơn mượt giá trị cường độ (intensity) của các mẫu được chuyển đổi Fourier trong các phân mảnh được chồng phủ của pha giao thoa (interferogram patches) u điểm của phương pháp này là khả năng loại nhiễu cao với tốc độ tính toán nhanh [141], tuy nhiên nhược điểm là làm mất tính chất liên tục của pha trong các vùng có vân giao thoa dày đặc [37]

Cũng chính bởi lý do này mà phương pháp Goldstein được nghiên cứu và phát triển nhằm khắc phục các nhược điểm trên Baran và nhiều người khác đã đề xuất phương pháp lọc nhiễu Goldstein cục bộ (Adaptive Goldstein) với tham số alpha ( ) thay đổi theo giá trị tương quan (coherence) của cửa sổ lọc, các vùng có tương quan thấp được lọc nhiều hơn vùng có tương quan cao, nhờ đó bảo tồn các thông tin pha giao thoa nhiều hơn so với phương pháp Goldstein gốc [18] Một phương pháp khác cũng nhằm mục đích ước tính chính xác tham số alpha trong phép lọc Goldstein được đề xuất bởi Song với việc sử dụng kỹ thuật phân tích EMD (empirical mode decomposition) [111]

Kỹ thuật thích nghi láng giềng (Adaptive-neighbourhood) đã được [112] sử dụng tích hợp với phương pháp lọc Goldstein nhằm nâng cao độ chính xác phép lọc

pha giao thoa Trong phương pháp này các tác giả đã sử dụng giá trị pha của các điểm ảnh láng giềng để tính và gán cho điểm ảnh xét Trong khi giá trị pha của các điểm ảnh láng giềng được bảo tồn thì pha của điểm ảnh xét được thay thế bởi giá trị pha trung bình tính từ các điểm ảnh láng giềng Mặc dù phương pháp đã giảm mức độ khó khăn trong việc loại nhiễu ở phần ranh giới của các đối tượng nhưng việc sử dụng giá trị trung bình pha của các điểm ảnh láng giềng đã xem ảnh hưởng của tất cả các điểm ảnh này là như nhau Điều này ảnh hưởng tới độ chính xác của phương pháp lọc, đặc biệt khi số lượng các điểm ảnh láng giềng tăng lên và với địa hình không đồng nhất

Vì vậy, để cải thiện độ chính xác xây dựng DSM bằng phương pháp InSAR thì việc đăng ký ảnh SAR và lọc nhiễu pha trong InSAR, cần giải quyết Và đây cũng chính là nội dung chính của luận án này

1.3.2 Trong nước

Ở nước ta việc sử dụng viễn thám Radar để thành lập mô hình số độ cao cũng được rất nhiều các nhà khoa học quan tâm như trong nghiên cứu của Trần Vân Anh [121], đã nghiên cứu tạo DEM từ ảnh JERS-1 ở vùng Kagoshima, phía nam Nhật Bản Trong nghiên cứu này, DEM được tạo ra từ hai phương pháp mở pha (Branch Cut algorithm, Minimum Cost Flow) bằng phần mềm GAMMA Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng độ chính xác của DEM phụ thuộc vào thuật toán mở pha và sự tương quan giữa hai ảnh Nếu ảnh có tương quan cao thì quá trình mở pha tốt và cho

ra DEM đạt yêu cầu Ngoài ra tác giả cũng nhấn mạnh rằng ngoài phần mềm và phương pháp sử dụng thì việc lựa chọn các tham số cũng ảnh hưởng tới độ chính xác của DEM

Trần Vân Anh [122], đã nghiên cứu sử dụng bốn ảnh vệ tinh JERS-l được chụp liên tiếp trong khoảng 44 ngày) của khu vực thành phố Hà Nội để tạo ra ba mô hình số độ cao (DEM) với sai số trung phương đạt khoảng 3m Kết quả cho thấy các DEM tương đối tương đồng, và kết quả này có thể được sử dụng để điều tra các yếu

tố ảnh hưởng đến pha giao thoa như: các địa vật nhân tạo hoặc thực vật Điều này

đã được tác giả khẳng định trong nghiên cứu khi so sánh độ cao ước tính từ pha

giao thoa với bản đồ địa hình tại 10 điểm ngẫu nhiên trong khu vực thành thị và vùng ngoại ô để đánh giá ảnh hưởng của các công trình nhân tạo So sánh chỉ ra rằng JESR-l có khả năng phát hiện tác động của các công trình nhân tạo mặc dù kết quả về độ cao được đánh giá là cao hơn khoảng 3,5 m so với bản đồ địa hình Tuy nhiên việc xem xét thêm vẫn là chủ đề của một số nghiên cứu trong tương lai sau khi tác giả xây dựng DEM dựa trên bản đồ địa hình

Trong nghiên cứu sụt lún như: Trần Vân Anh [1], đã sử dụng ảnh JERS-1 băng L thu được vào các năm 1995 và 1998 cho nghiên cứu sụt lún đất khu vực nội

đô và phụ cận Hà Nội Có thể nói đây là một trong những nghiên cứu công phu về lún mặt đất bằng Radar giao thoa tại Hà Nội Các dữ liệu đo lún tại các trạm mặt đất được sử dụng để so sánh và chuẩn hoá với kết quả từ ảnh giao thoa Hệ số tương quan giữa kết quả lún từ phương pháp Radar giao thoa và đo tại các trạm mặt đất đạt 0.7 5m Hay trong hai năm 2009-2010, Phạm Quang Vinh và các cán bộ nghiên cứu của Viện Địa lý, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã sử dụng ảnh ENVISAT ASAR và JERS-1 nhằm tạo các cặp ảnh Radar giao thoa phục vụ nghiên cứu lún ở TP Hà Nội Các cặp ảnh ENVISAT đã không tạo được các cặp ảnh giao thoa và đề tài phải sử dụng ảnh JERS -1 chụp các năm 1995-1998 Do hạn chế về tư liệu, kết quả của nghiên cứu mới chỉ dừng lại ở việc xác định tính đúng đắn của phương pháp DInSAR [8], dẫn đến kết quả của đề tài chưa hiệu quả trong thực tế

Hiện nay, ở trong nước đã có rất nhiều các nghiên cứu ứng dụng ảnh Radar

để thành lập DEM như: Nguyễn Bá Duy [4], đã tiến hành nghiên cứu thành lập DEM bằng phương pháp InSAR, và tư liệu ảnh sử dụng trong nghiên cứu này là ảnh thu được từ các vệ tinh ERS-1 (Earth Resources Satellite-1) và ERS-2 (Earth Resources Satellite-2) của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA) Tuy nhiên, nghiên cứu này chỉ mang tính chất khảo sát và đánh giá nhưng chưa đưa ra được giải pháp để khắc phục những hạn chế của tạo DEM từ InSAR

Đối với kỹ thuật tạo giao thoa thì không thể không nói đến nghiên cứu của Hồ Tống Minh Định (2006) [5], tác giả đã ứng dụng kỹ thuật InSAR để xây dựng mô hình

số độ cao (DEM) Kỹ thuật INSAR đã mở ra khả năng quan trọng cho việc xây dựng

DEM Kết quả ban đầu đạt được cho thấy độ chính xác của DEM tạo từ ảnh SAR có thể đạt từ 2m-7m ở khu vực đồng bằng và 10m-20m ở khu vực đồi núi Tác giả cũng khẳng định sự thành công của kỹ thuật tạo DEM phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác như

bộ cảm SAR thu nhận, đường đáy, sự tương quan, lời giải bài toán mở pha… Đặc biệt, bài toán mở pha cần được giải một cách chính xác để nâng cao độ chính xác thành lập DEM

Ngoài ra, nghiên cứu của Nguyễn Minh Hải cùng với nghiên cứu sinh [6], đã nghiên cứu ảnh hưởng của khí quyển đến việc ghi nhận sóng radar và tạo giao thoa cho cặp ảnh radar Và tác cũng khẳng định ảnh hưởng của yếu tố khí tượng đến tín hiệu Radar thường tạo thành pha nhiễu và được xác định bởi thời gian trễ khi tín hiệu truyền từ vệ tinh đến một điểm trên mặt đất Những ảnh hưởng này thường khó phát hiện nếu chúng ta chỉ sử dụng một ảnh đơn và không sử dụng phần pha của ảnh nhưng nó sẽ thể hiện rất rõ khi ứng dụng Radar trong việc tạo giao thoa của một cặp ảnh Tuy nhiên trong bài báo này mới chỉ dùng lại ở việc khảo sát ảnh hưởng của khí quyển đến chất lượng của giao thoa chứ chưa đi đến kết quả cuối cùng là DEM nên cũng rất cần các nghiên cứu tiếp theo

Trần Vân Anh (2014) [3], cũng chỉ ra rằng độ chính xác của DEM chịu ảnh hưởng của yếu tố ngoại cảnh Tác giả đã đánh giá sự ảnh hưởng của các yếu tố ngoại cảnh đến kết quả tạo giao thoa của cặp ảnh trong việc xây dựng mô hình số địa hình.Trong đó tác giả đã phân tích về ảnh hưởng của khí quyển và đặc tính ghi nhận ảnh của vệ tinh Radar trong tạo giao thoa.Với phần thực nghiệm tác giả sử dụng ảnh JERS1 kênh L và ảnh TerraSAR kênh X trong việc thành lập mô hình số địa hình khu vực Hà Nội Kết quả tác giả cũng chỉ ra rằng đối với ảnh TerraSAR kênh X, độ phân giải không gian của ảnh sẽ tăng lên đáng kể và mức độ chi tiết của địa hình vì vậy cũng được tăng lên, tuy nhiên do kênh X có bước sóng ngắn 3,1 cm rất dễ ảnh hưởng bởi điều kiện khí quyển nên thường bị mất tương quan ảnh, kết quả DEM tạo ra thường bị lỗi do những nơi bị mất tương quan Ngược lại ảnh JERS1 kênh L có bước sóng dài, độ phân giải không gian thấp nên ít bị mất tương

quan, mô hình số địa hình vì vậy cũng được ra trơn tru hơn và ảnh hưởng của tán xạ góc cũng ít hơn so với ảnh có bước sóng ngắn

Trong nghiên cứu của Đặng Vũ Khắc [129], tác giả đã nghiên cứu sự lún do quá trình đô thị hoá nhanh chóng ở trung tâm Thành phố Hà Nội bằng phương pháp InSAR đa thời gian StaMPS/MTI Với dữ liệu sử dụng là ảnh ALOS PALSAR kênh

L trong giai đoạn từ năm 2007-2011 Kết quả tác giả đã xây dựng được bản đồ về vận tốc lún trung bình trên khu đô thị của thành phố Hà Nội Bản đồ này cho thấy tỷ

lệ sụt lún dọc theo chiều thẳng đứng dao động trong khoảng từ 0 đến 68,0 mm/năm,

và các vùng biến dạng lớn nhất tương ứng ở các quận Hoàng Mai, Hà Đông - Thanh Xuân và Hoài Đức - Từ Liêm Nghiên cứu này chứng tỏ rằng phương pháp StaMPS/MTI có hiệu quả đối với khu vực có các cấu trúc nhân tạo và ở các vùng nhiệt đới thì ảnh ALOS PALSAR kênh L hoàn toàn có thể phù hợp để xác định biến dạng bề mặt địa hình

1.4 Đánh giá kết quả nghiên cứu đạt được trong và ngoài nước

Các kết quả nghiên cứu được công bố trên các tạp chí khoa học trong và ngoài nước, đã khẳng định khả năng ứng dụng của ảnh Radar trong nghiên cứu biến dạng bề mặt Trái đất, thành lập bản đồ địa hình, quản lý sử dụng đất, xác định nhanh vùng ngập lụt và tạo DSM là rất to lớn Trên thế giới rất nhiều các nghiên cứu đã nghiên cứu ứng dụng của ảnh Radar cũng như những yếu tố ảnh hưởng đến

độ chính xác của ảnh Radar Các kết quả nghiên cứu cũng khẳng định rằng kỹ thuật tạo giao thoa cụ thể hơn là quá trình đồng đăng ký ảnh và lọc nhiễu pha giao thoa là những nguyên nhân ảnh hưởng đến độ chính xác của sản phẩm cuối cùng DSM Dữ liệu được nghiên cứu trong các bài báo khoa học đã công bố chủ yếu là tư liệu ERS

- 1,2, Envisat ASAR, ALOS kênh L và TerrSAR - X Vẫn chưa có nhiều nghiên cứu thử nghiệm trên tư liệu Sentinel - 1A, đi cùng tư liệu này là phần mềm xử lý ảnh SNAP để xây dựng DSM Đối với phần mềm thương mại này thì quá trình đồng đăng ký được hoàn toàn tự động từ bước áp dụng một kích thước của sổ cố định tới chọn điểm khớp trên ảnh (những điểm này là những điểm phân bố đều trên ảnh theo khoảng cách mắt lưới cố định) nên DSM được thành lập có độ chính xác từ 20m

đến 30m (tùy thuộc vào độ phân giải của ảnh) Như vậy để ứng dụng DSM cho thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ vừa và nhỏ rất khó khả thi

1.5 Những vấn đề đƣợc phát triển trong luận án

Nội dung của luận án dựa trên các kết quả nghiên cứu đã đạt được và các kết quả được công bố trên các tạp chí khoa học của thế giới về thành lập DSM từ tư liệu ảnh SAR, nghiên cứu sinh tiếp tục nghiên cứu giải pháp phân tích ảnh SAR nhằm nâng cao chất lượng của DSM được thành lập từ ảnh Radar bằng phương pháp InSAR phù hợp trong điều kiện của Việt Nam bao gồm:

- Nghiên cứu thành lập DSM từ tư liệu ảnh radar và các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của DSM được thành lập bằng phương pháp InSAR

- Nghiên cứu ứng dụng phép biến đổi wavelet trong phân tích hiệu ảnh SAR

để tự động chiết xuất các điểm đặc trưng, chọn kích thước cửa số khớp ảnhphục vụ quá trình đồng đăng ký ảnh

- Nghiên cứu ứng dụng phương pháp lọc nhiễu Goldstein tích hợp kỹ thuật thích nghi láng giềng có trọng số để nâng cao độ chính xác của DSM

- Thử nghiệm thành lập DSM dựa trên giải pháp đã trình bày, với tư liệu nghiên cứu thử nghiệm trong luận án là ảnh Sentinel- 1A kênh C

Viễn thám sóng radar không những chỉ sử dụng trong lĩnh vực quân sự như trước đây mà ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu môi trường của Trái Đất, phục vụ cho khoa học và mục đích hoà bình Công nghệ radar sử dụng nguồn sóng siêu cao tần, được phát ra từ một ăng ten và thu nhận sóng phản hồi, nó

có đặc tính là không bị ảnh hưởng của mây mù, chúng có khả năng xuyên mây và thậm chí xuyên vào một lớp mỏng của lớp phủ mặt đất góp phần tích cực vào nghiên cứu các đối tượng dưới lớp phủ thực vật Sóng radar lan truyền trong không gian với bước sóng trong khoảng từ 1mm đến 1m Trong viễn thám sóng radar có hai hệ viễn thám nhận sóng Radar là hệ viễn thám sử dụng nguồn năng lượng từ ăng ten phát ra

và thu năng lượng phản hồi theo hướng nhìn gọi là hệ Radar chủ động và hệ thu

năng lượng sóng Radar phát xạ tự nhiên từ một vật trên mặt đất gọi là viễn thám

Radar bị động Ngoài ra, các hệ radar có thể được phân loại theo các đặc tính như

radar tạo ảnh, và radar không tạo ảnh Radar được dùng để đo vận tốc chuyển động của vật, vận tốc gió Các thiết bị viễn thám radar có thể được đặt trên mặt đất, máy bay, hoặc trên vệ tinh

2.1 Nguyên lý thu nhận ảnh Radar

Nguyên lý cơ bản của hệ thống chụp ảnh radar là sử dụng ăng ten đặt trên máy bay; hoặc vệ tinh phát ra các sóng điện từ, có bước sóng từ 1 mm tới 1 m (hay

có tần số từ 300 GHz tới 300 MHz) tới bề mặt trái đất, sau đó nhận lại năng lượng

phản xạ của các sóng này sau khi đã tương tác với bề mặt của trái đất bằng ăng ten thu, mà thông thường cũng là ăng ten máy phát Máy thu sử dụng cường độ của năng lượng phản xạ thu được, sự phân cực của sóng điện từ cũng như thời gian truyền sóng để tạo ra ảnh radar (hình 2.1) Cường độ và tính chất của năng lượng điện từ tán xạ ngược tới máy thu của hệ thống radar sẽ cho biết các thông tin về kích thước, hình dạng, cấu trúc và đặc tính điện từ của bề mặt hoặc các đối tượng trên bề mặt Trái đất Có thể nói radar là hệ thống chụp ảnh dựa vào khoảng cách được đo bằng thời gian truyền tín hiệu đi và nhận lại tín hiệu phản hồi từ mục tiêu, đối tượng càng gần với ăng ten sẽ được ghi nhận trên ảnh trước, đối tượng ở xa ăng ten sẽ được ghi nhận sau Cũng chính vì nguyên nhân này nên hệ thống radar luôn chụp nghiêng và về một phía của vật mang (máy bay hoặc vệ tinh) vì nếu như ăng ten được đặt ở chính giữa và các búp sóng radar được phát ra về cả hai phía thì sẽ không thể phân biệt được những đối tượng có khoảng cách đến ăng ten bằng nhau nhưng nằm về hai phía của ăng ten

Hình 2.1 Nguyên lý chụp ảnh radar quét nghiêng [154]

Hình 2.2 Bước sóng và tần số dùng trong viễn thám Radar [154]

2.2 Hệ Radar nhìn xiên - SLAR

Hệ Radar nhìn xiên lắp trên máy bay được viết tắt là SLAR (Side Looking Airborne Radar) Một chùm xung phóng từ Radar đặt trên máy bay và tín hiệu phản hồi từ vật lại được chính Radar này thu nhận và truyền vào theo hệ thống xử lý, theo nguyên tắc được minh họa trên hình 2.3

2.2.1 Nguyên lý hoạt động của SLAR

Một SLAR được gắn trên máy bay thường có kích thước rộng khoảng 5 m, nhìn xiên và hướng vuông góc với đường bay (hình 2.3)

Hình 2.3 Nguyên tắc hoạt động của một hệ SLAR [2]

a- Địa vật rọi và năng lượng phản hồi; b- Chuyển đổi tín hiệu sang cường độ tín hiệu theo thời gian

Đối với một đường quét, Radar truyền một xung ngắn của năng lượng điện

từ liên tục và đơn sắc, tạo nên một vệt đi hẹp trên mặt đất vuông góc với hướng bay (hình 2.4a) Sự phản xạ từ các khoảng lớn hơn trở lại Radar sau khoảng thời gian dài tương ứng, tạo thành hướng tầm xiên của ảnh (hình 2.4b) Sau khi tia phản hồi được thu nhận hết, một xung sóng Radar mới được truyền đi, radar sẽ di chuyển tới khoảng nhỏ và một dải địa hình nhỏ hẹp khác sẽ được chụp lại Tuần tự những dải nhỏ hẹp được ghi lại tạo thành hướng phương vị của ảnh

Hình 2.4 Nguyên lý hoạt động của một hệ SLAR [2]

a- Truyền một xung Radar chỉ trường sóng tại khoảng thời gian từ 1-17, b- Kết quả tia phản hồi

2.2.2 Độ phân giải không gian

Độ phân giải không gian của ảnh Radar là một hàm số, được xác định dựa trên cấu trúc hình học và bản chất của sóng điện từ Nếu ảnh Radar được định nghĩa

như một mảng 2 chiều với các trục tọa độ xác định bởi hướng tầm “range” vuông góc với hướng bay và hướng phương vị “azimuth” song song với hướng bay, thì

mỗi phần tử ảnh sẽ được xác định bởi độ phân giải không gian có kích thước được khống chế bởi khoảng thời gian phát đi một xung điện từ (pulse duration) và độ rộng của chùm tia (beamwidth)

- Độ phân giải của ảnh Radar theo hướng tầm còn gọi là độ phân giải theo hướng vuông góc với hướng bay (across-track), xác định khả năng phân biệt hai đối tượng ở gần nhau trên bề mặt thực địa trên hướng đo khoảng cách Đối với khoảng cách nghiêng theo hướng tia ngắm, độ phân giải theo hướng tầm là một hằng số, và chỉ phụ thuộc vào khoảng thời gian phát đi các xung điện từ Tuy nhiên khi được chiếu xuống bề mặt thực địa, độ phân giải mặt đất theo hướng tầm sẽ phụ thuộc vào góc nhìn và sẽ giảm đi khi khoảng cách từ ăng ten đến điểm địa vật tăng lên Theo

đó, độ phân giải theo hướng đo khoảng cách nghiêng hay trên bề mặt thực địa có thể được tính tương ứng theo các công thức sau [113]





cos2

c

R r  (2.1) Trong đó: Rr là phân giải tầm xiên (trên mặt đất);

τ là thời gian đo độ dài của một xung;

c là vận tốc ánh sáng;

θ là góc tới

Hình 2.5 Độ phân giải theo hướng tầm của ảnh radar [113]

- Độ phân giải theo hướng phương vị (azimuthal resolution): Độ phân giải theo hướng phương vị hay độ phân giải theo hướng bay (along-track) được xác định bởi độ rộng chùm tia của ăng ten và khoảng cách từ ăng ten đến điểm địa vật Đối với ảnh Radar quét góc nghiêng, độ rộng của chùm tia tỷ lệ thuận với độ dài bước sóng và tỷ lệ nghịch với độ dài của ăng ten Do đó, trong trường hợp ảnh SAR, độ

phân giải theo hướng phương vị có thể được tính theo công thức [75]:

R là khoảng cách nghiêng từ ăng ten đến điểm địa vật (m);

β là độ rộng của chùm tia Radar (radian);

λ là độ dài bước sóng (m);

L là độ dài ăng ten (m)

Biểu thức trên chỉ ra rằng với mỗi độ dài bước sóng bất kỳ, độ phân giải theo hướng phương vị có thể được khống chế bởi độ dài vật lý của ăng ten Độ phân giải

Ra có thể được nâng cao bằng cách tăng độ dài của ăng ten Tuy nhiên, độ dài thực

tế của ăng ten thường bị giới hạn bởi khả năng của các vật mang như máy bay, tàu

trên mặt đất sẽ được ăng ten của hệ thống SAR quét qua với thời gian dài hơn, đây được coi là lợi thế của hệ thống SAR Với khả năng có thể xác định được vị trí trên mặt đất nơi mà sóng radar phản xạ trở lại như ở hệ thống radar độ mở rộng thực, hệ thống SAR liên tục thu thập dữ liệu từ thời điểm bắt đầu t0, khi mà chùm tia radar bắt đầu quét đến điểm xét, cho tới thời điểm t1, khi mà chùm tia Radar kết thúc việc quét qua điểm xét Khoảng cách mà radar di chuyển là rất dài (cỡ 10 km cho một vệ tinh SAR trên quĩ đạo), và mỗi điểm trên mặt đất được chiếu bởi chùm radar có ăng ten có kích thước lớn tương đương chiều dài của quãng đường radar độ mở thực di chuyển trong khoảng thời gian t1 - t0

Hầu hết các hệ thống SAR được thiết kế với ăng ten rộng từ 1- 4 m, dài từ 10-15 m, và góc nhìn từ 10 - 600 để có thể quét được khu vực có kích thước rộng từ 50-150 km theo hướng tầm, và 5-15 km theo hướng phương vị Hệ thống SAR kiểu này có khả năng thu được ảnh có độ phân giải 1-10 m theo phương vị và 1-20 m theo hướng tầm, gấp 3 lần so với ảnh thu được bởi hệ thống radar độ mở thực Do SAR chủ động phát và thu tín hiệu tán xạ phản hồi từ bề mặt đất, và sóng radar không bị ảnh hưởng bởi mây và mưa, ngày hay đêm, nên có thể thu được ảnh ở mọi thời điểm và mọi điều kiện thời tiết Điều này hệ thống quang học không thể đạt được

Sử dụng các kỹ thuật xử lý ảnh phức tạp, cả thành phần cường độ và pha của tín hiệu tán xạ phản hồi từ bề mặt đất được tính và phác họa như là một phần của ảnh phức SAR Thành phần cường độ của ảnh SAR đơn nhìn (SLC) được quyết định bởi độ dốc địa hình, độ nhám bề mặt, và hằng số điện môi Trong khi đó, pha của ảnh này thì được quyết định bởi hai yếu tố: thứ nhất là khoảng cách di chuyển theo hình tròn của tín hiệu SAR từ ăng ten tới mặt đất Thứ hai là các tương tác giữa tín hiệu và vật chất trên bề mặt đất Khoảng cách di chuyển tương đương với khoảng thời gian di chuyển với vận tốc ánh sáng (C) Do tốc độ C bị ảnh hưởng bởi các phân tử hơi nước trong tầng đối lưu và các ion ở tầng điện ly nên dẫn đến các ảnh hưởng đến pha của tín hiệu SAR

2.4 Các vệ tinh Radar

2.4.1 Vệ tinh ERS-1 và ERS-2

Vệ tinh ERS-1 (Earth Resources Satellite-1) được ESA phóng lên quỹ đạo tháng 07/1991 Bao gồm một bộ cảm SAR với tần số 5.3 GHz chụp ảnh kênh C, phân cực VV, góc nhìn 230 Vệ tinh ERS-1 thu nhận ảnh trên bề rộng 100km2 với

độ phân giải khoảng 30m

Vệ tinh ERS-2 (Earth Resources Satellite-2) được ESA phóng lên quỹ đạo ngày 21/4/1995 ERS-2 là thế hệ tiếp theo của ERS-1 nhưng được trang bị thêm thiết bị GOME (Global Ozone Monitoring Experiment- Thiết bị giám sát ozon toàn cầu)

ERS-1 và ERS-2 bay một vòng quanh trái đất khoảng 100 phút và chu kỳ lặp 35 ngày, phủ hầu hết các khu vực trên trái đất Hai vệ tinh đã hỗ trợ cho nhau trong việc thu nhận ảnh tại khu vực chỉ cách nhau 1 ngày Cả hai vệ tinh này thường dùng để nghiên cứu về đại dương, bầu khí quyển, băng trôi và các hiện tượng thay đổi của bề mặt đất ERS-2 đã kết thúc 25 năm hoạt động vào ngày 05 tháng 9 năm

- Thiết bị viễn thám toàn sắc tạo ảnh Stereo PRISM dùng để thành lập bản đồ địa hình.

- Bức xạ kế hiện đại phổ nhìn thấy và hồng ngoại thế hệ 2 (AVNIR-2) nhằm quan sát chính xác mặt đất

- Bộ đo Radar tổng hợp kênh L, chuỗi hoạt động theo pha PALSAR để quan sát mặt đất ngày và đêm trên mọi điều kiện thời tiết PALSAR có khả năng nhìn xiên với góc nhìn 18-550, phân cực đa chiều HH và VV với độ phân giải 10m theo tầm Đây là loại tư liệu hiện đang được sử dụng nhiều vào lĩnh vực nghiên cứu tài nguyên môi trường, khí quyển, địa chất, khoáng sản, và những nghiên cứu dự báo các thiên tai như lũ lụt, động đất, trượt lở đất, tràn dầu v.v…

Hình 2.8 Vệ tinh ALOS -PALSAR [149]

2.4.3 Vệ tinh TerraSAR-X

Vệ tinh quan trắc trái đất TerraSAR-X là sản phẩm của chương trình hợp tác giữa Trung tâm hàng không vũ trụ Đức (German Aerospace Centre - DLR) với công ty EADS ASTRIUM GmbH (công ty con của Công ty vũ trụ và phòng thủ không gian vũ trụ châu Âu- European Aerospace Defence and Space Company - EADS) Vệ tinh TerraSAR-X đầu tiên được phóng vào ngày 15 tháng 06 năm 2007

và bắt đầu cung cấp ảnh quan trắc trái đất từ tháng 01 năm 2008 với thời gian làm việc trên quỹ đạo dự kiến là 10 năm Vệ tinh TerraSAR-X hoạt động trên quỹ đạo ở

độ cao 514 km, là quỹ đạo cận cực đồng bộ với quỹ đạo của mặt trời với thời gian

một chu kỳ lặp là 11 ngày TerraSAR-X là hệ thống Radar độ mở tổng hợp (SAR) quét nghiêng sử dụng dải tần X dựa trên công nghệ ăng ten mảng pha chủ động Vệ tinh này cùng với vệ tinh TanDEMX được phóng lên quỹ đạo vào tháng 10 năm

2010 để tạo thành một cấu hình “tandem” cho phép thu nhận ảnh vệ tinh của cùng một khu vực tại gần như cùng một thời điểm để thành lập mô hình không gian 3D

độ tổng hợp, kênh C với bước sóng là 5.66cm Các chế độ thu nhận ảnh bao gồm:

Strip map mode (SM): Là chế độ chụp theo dải với độ phân giải hình học là 5×5

m, độ rộng của ban là 80km Mỗi một dải bay sẽ chụp với phạm vi là 375km và chiều dài ăng ten là cố định Chế độ chụp SM chỉ được chụp khi có tình huống bất thường

Interferometric wide-swath mode (IW): Là chế độ chụp giao thoa dải rộng với phạm vi chụp là 250km và độ phân giải không gian 5×20 m (ảnh SLC) Đối với một dải bay của chế độ chụp IW sẽ có ba dải quét tương ứng là IW1, IW2, IW3, các dải quét này có độ chồng phủ là 2km, mỗi dải quét chứa một ảnh và mỗi một ảnh là

một phân cực Như vậy trong một ảnh SLC với chế độ chụp IW có 3 ảnh (phân cực đơn) và 6 ảnh (phân cực đôi)

Extra wide-swath mode (EW) là chế độ chụp dải rộng tương tự như chế độ

IW nhưng phạm vi rộng hơn, khoảng 400km, độ phân giải trung bình là 20m × 40

m trên mặt đất

Wave-mode images (WV) là chế độ chụp dạng sóng, với cảnh ảnh rộng là 20km × 20 km, độ phân giải không gian là 5m × 5m và cứ 100km thì chụp một ảnh Chế độ chụp WV chụp xen kẽ với các góc chụp khác nhau (tử 230

đến 36.50) các cảnh ảnh có cùng góc chụp cách nhau 200km

Hình 2.11 Các chế độ chụp ảnh Sentinel -1 [151]

Sentinel-1A có nhiệm vụ giám sát băng, tràn dầu, gió và sóng biển, theo dõi

sự thay đổi sử dụng đất, thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ vừa và nhỏ, biến dạng địa hình và đáp ứng các trường hợp khẩn cấp khi có lũ và động đất

Do là dữ liệu Radar nên có các chế độ phân cực đơn VV (hoặc HH) và phân cực đôi (VV+VH hoặc HH+HV)

Hình 2.12 Vệ tinh Sentinel - 1 [151]

Thông thường, các hệ thống Radar hoạt động trong vùng siêu cao tần của quang phổ sóng điện từ được mô tả bởi một số kí hiệu băng tần như bảng 2.1 Các băng tần này có thể được định nghĩa bằng cả tần số và độ dài bước sóng Theo