Khảo sát độ chính xác của phương pháp pháp StereoSAR và InSAR trong thành lập DEM tại tỉnh Hòa Bình

Mô hình số độ cao DEM có thể được tạo ra bằng phương pháp giao thoa (InSAR) và phương pháp Stereo SAR từ những vị trí khác nhau của ảnh Radar độ mở tổng hợp (Synthetic Aperture Radar - S[r]

KHẢO SÁT ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA PHƯƠNG PHÁP PHÁP STEREOSAR

VÀ INSAR TRONG THÀNH LẬP DEM TẠI TỈNH HÒA BÌNH

Trần Thanh Hà, Trường Đại học Mỏ - Địa Chất

Tóm tắt

Mô hình số độ cao DEM có thể được tạo ra bằng phương pháp giao thoa (InSAR) và phương pháp Stereo SAR từ những vị trí khác nhau của ảnh Radar độ mở tổng hợp (Synthetic Aperture Radar - SAR) Trong đó, kỹ thuật StereoSAR sử dụng cặp ảnh lập thể được chụp từ hai góc chụp khác nhau để nghiên cứu các đối tượng trên bề mặt đất Còn kỹ thuật InSAR sử dụng các thông tin về pha của hình ảnh để trích xuất các thông tin về bề mặt địa hình như: chiều cao địa hình, biến dạng địa hình Trong bài báo này, tác giả sẽ khảo sát độ chính xác của

cả hai phương pháp Stereo SAR và InSAR cho việc tạo DEM tại tỉnh Hòa Bình và dữ liệu thử nghiệm là ảnh TerraSAR –X và ALOS/ PALSAR

Từ khóa: InSAR, StereoSAR, DEM

Abstract

Digital Elevation models can be constructed by applying InSAR technique or Stereo SAR within Radar images recorded from different views The technique of Stereo SAR uses a pair of stereo images acquired from 2 different views for surveying land surface, while the InSAR uses phase information to extract terrain related data such as: elevation, or terrain distortion In this paper, we applied these two methods to generate DEMs and compared the accuracy of each method The study area is located in Hoa Binh Province, and data are TerraSAR –X and ALOS/ PALSAR images

Keywords: InSAR, Stereo SAR, DEM

1 Giới thiệu

Hiện nay có hai kỹ thuật chính để tạo DEM khi sử dụng dữ liệu SAR, đó là SAR lập thể (Stereo SAR) và SAR giao thoa (InSAR) Radar độ mở tổng hợp trong giao thoa (Interferometric Synthetic Aperture Radar viết tắt là InSAR) đã trải qua sự phát triển mạnh mẽ

kể từ lần đầu tiên được đề xuất bởi [7] Trong vòng ba thập kỷ, InSAR đã đạt được sự quan tâm ngày càng tăng của các nhà nghiên cứu ở nhiều lĩnh vực do lợi thế thu nhập dữ liệu nhanh,

chính xác và không phụ thuộc vào thời tiết [25] Kết quả, là nó đã trở thành một kỹ thuật ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực [8], như: theo dõi biến dạng bề mặt [17,12,21]; Theo dõi

dòng chảy chảy đại dương và sông băng [14,23]; Nghiên cứu thủy văn [13]

Ngoài ra InSAR là một kỹ thuật tiềm năng để tạo ra mô hình số độ cao (DEM) bằng

cách sử dụng thành phần pha của tín hiệu phức tạp [4] DEM là một trong các sản phẩm được

sử dụng nhiều nhất trong viễn thám [4], ví dụ như; Sử dụng cho mục đích thành lập bản đồ,

nghiên cứu địa mạo dựa trên bản đồ dốc và bản đồ cảnh quan như một lớp quan trọng trong hệ thông tin địa lý (GIS) để kết hợp các dữ liệu theo với các thông tin khác theo yêu cầu của từng loại bản đồ

Kỹ thuật StereoSAR là một sự thay thế quan trọng cho việc tạo DEM [1] Sự khác biệt của hai kỹ thuật này là ở chỗ, nếu như InSAR dựa vào pha của tín hiệu để xác định độ cao [10,18], Stereo SAR sử dụng ảnh biên độ (giá trị DN) từ cặp ảnh SAR để xác định độ cao Trong những năm 1960, phương pháp đo vẽ lập thể lần đầu tiên được ứng dụng cho ảnh radar

để tận dụng các ưu thế của ảnh radar với khả năng thu ảnh cả ban ngày cũng như ban đêm và không phụ thuộc vào các điều kiện thời tiết Theo đó, “StereoSAR” được định nghĩa như là một công nghệ nhằm chiết tách các thông tin hình học của bề mặt thực địa từ ảnh radar Phương pháp này cho phép quan sát và đo đạc trong không gian 3 chiều dựa trên nguyên lý đồng thời quan sát hai tấm ảnh được chụp từ các góc chụp khác nhau của cùng một đối tượng hay một bề mặt Để khắc phục nhược điểm của InSAR cùng với việc phóng vệ tinh Radarsat năm 1995 thì ảnh SAR lập thể đã được nghiên cứu nhiều hơn, cho nên các nhà khoa học đã ứng dụng kỹ thuật SAR lập thể cho việc khai thác các thông tin địa hình cũng như thành lập DEM [16] Một trong những lợi thế của Stereo SAR là ít bị ảnh hưởng bởi khí quyển vì phương pháp này sử dụng giá trị biên độ ( thị sai) để tính độ cao của đối tượng

2 Cơ sở lý thuyết của phương pháp

2.1 Tạo DEM bằng phương pháp StereoSAR

Phương pháp SAR lập thể là một phương pháp cho phép quan sát và đo đạc trong không gian 3 chiều dựa trên nguyên lý đồng thời quan sát hai tấm ảnh được chụp từ các góc chụp khác nhau của cùng một đối tượng hay một bề mặt Các nhà nghiên cứu đã xác định một số cấu hình quan trắc lập thể đặc thù cho phép tạo ra các giá trị thị sai giống như trong phương pháp đo ảnh quang học mà nhờ đó các giá trị độ cao có thể được đo đạc trên các máy vẽ lập thể truyền thống Hai cấu hình cặp ảnh lập thể radar phổ biến nhất là cùng phía (same-side) và khác phía (opposite-side) được định nghĩa dựa trên vị trí tương đối của radar so với khu vực đo vẽ trong trường hợp hai đường bay Cấu hình cùng phía bao gồm một cặp lập thể được tạo thành bởi hai ảnh tăng dần hoặc hai ảnh giảm dần Trong khi cấu hình khác phía cung cấp các góc thị sai, do đó mối quan hệ hình học tốt hơn dẫn đến thông tin địa hình chính xác hơn [22]

Trong hình 1, S1 và S2 là các vị trí di chuyển của các vệ tinh với khoảng cách nghiêng tương ứng là r1 và r2; BS là đường đáy cơ sở giữa hai vị trí vệ tinh; H độ cao của vệ tinh và h độ

cao của các đối tượng địa hình Các tham cơ bản số trong phương pháp lập thể là thị sai và góc hội tụ:

- Thị sai p của một điểm quan sát liên hệ trực tiếp và tỷ lệ với độ cao h của

điểm đó

- Góc hội tụ ∆θv = θv1 − θv2 được xác định bởi góc giao hội của hai tia ngắm, góc hội

tụ sẽ tăng theo chiều dài đường đáy cơ sở Bs và có ảnh hưởng đến chất lượng cũng như độ chính xác của việc khôi phục mô hình Để quan sát lập thể tối ưu góc Δθ càng lớn càng tốt

[22].

Hình 1 Nguyên lý lập thể của ảnh Radar [20].

Quy trình thành tạo DEM bằng phương pháp Stereo SAR

Hình 2 Quy trình thành lập DEM bằng phương pháp StereoSAR

2.2 Tạo DEM bằng phương pháp InSAR

Phương pháp đo ảnh giao thoa được biết đến như là một phương pháp để thành lập mô hình

Đăng ký Tạo giao thoa

Mở pha

Chuyển đổ độ cao pha sang độ cao địa hình Nắn và tạo DEM

số bề mặt và đo biến dạng địa hình với độ chính xác cao Vì hệ thống SAR có thể tạo ra được sản phẩm được gọi là ảnh “single look complex” trên đó lưu giữ những thông tin về pha và thông tin cường độ của tín hiệu tán xạ ngược Những thông tin này có thể được khai thác sử dụng cho thành lập mô hình số địa hình hoặc tìm kiếm sự thay đổi hoặc biến dạng của địa hình Để thu nhận những thông tin này dựa trên tính chất tương quan (coherence) của ảnh SAR bằng cách kết hợp các ảnh phức (complex images) được thu nhận bởi hai anten tại hai vị trí khác nhau (single-pass interferometry) hoặc của cùng một anten tại hai thời điểm khác nhau (repeat-pass interferometry)

Để hiểu rõ hơn về nguyên lí thu nhận ảnh SAR, mô hình hình học của kỹ thuật InSAR được mô tả ở hình 2.4 Hai ăngten S1 và S2 ở điều kiện lí tưởng song song với tuyến bay cách nhau một khoảng là đường đáy B khoảng cách nghiêng giao giữa ăngten s1 với một điểm tưởng tượng trên mặt đất là r1 và r2 là khoảng cách nghiêng của ăngten s2 với mặt đất tại điểm đó Với góc nhìn là θ, góc tạo bởi đường đáy và đường nằm ngang α, và chiều cao bay chụp H, mô hình hình học của InSAR được cố định

Hình 3 Nguyên lý hình học ảnh giao thoa

Việc kết hợp hai ảnh phức có cùng điều kiện hình học sẽ tạo nên một loại ảnh mới gọi

là ảnh giao thoa (interferogram), tuy nhiên điều kiện tiên quyết là phải có ảnh của hai thời kỳ được chụp trong những điều kiện khí tượng gần như tương ứng với nhau Ảnh này có các vân giao thoa (hình 3) chứa đầy đủ thông tin về cơ sở hình học tương đối Hai ảnh này sẽ được đưa vào xử lý để tạo giao thoa hay còn gọi là xác định sự lệch pha Pha đo được của vân giao thoa hay độ lệch pha của các tín hiệu thu bởi ăng ten tỷ lệ với độ chênh lệch về khoảng cách giữa điểm địa vật tới các vị trí của ăng ten bằng biểu thức (4) như sau:

(1)

Trong đó: Φ Độ lệch pha đo được (radian);

λ Độ dài bước sóng (m);

δr Độ chênh lệch về khoảng cách giữa điểm địa vật đến vị trí hai ăng ten

Sử dụng phép tính gần đúng với điều kiện khoảng cách xa từ điểm địa vật tới các vị trí

ăng ten, độ chênh lệch về khoảng cách δr được [11] tính bằng phương trình (2) như sau:

(2) Với, h = H – r cos θ (3)

Trong đó: h Độ cao của điểm địa vật so với hệ tọa độ tham chiếu (m);

H Độ cao của ăng ten chủ so với hệ tọa độ tham chiếu (m);

r Khoảng cách nghiêng từ ăng ten đến điểm địa vật (m);

θ Góc nhìn (radian).

Kết hợp các phương trình (1), (2) và (3), độ cao của điểm địa vật có thể được tính dựa trên các tham số về quỹ đạo và độ lệnh pha Tuy nhiên, do giá trị của độ lệch pha chỉ đo được phần thập phân của chu kỳ 2π (-π < < π) Nên giá trị tuyệt đối của độ lệch pha cần phải được thêm vào phần giá trị nguyên để tính toán

Quy trình thành lập DEM bằng phương pháp giao thoa

Hình 4 Quy trình thành lập DEM bằng phương pháp InSAR

3 Kết quả thử nghiệm

3.1 Dữ liệu thử nghiệm

Khu vực thử nghiệm được thực hiện tại tỉnh Hòa Bình, Việt Nam Dữ liệu sử dụng trong khu thực nghiệm là ảnh ALOS kênh L và ảnh TerraSAR kênh X

Đăng ký ảnh

Tạo giao thoa

Mở pha

Chọn điểm khống chế

Tạo DEM và Geocoding

Bảng 1 Các thông số của dữ liệu thực nghiệm

(m)

Hình 5 Cặp ảnh vệ tinh TerraSAR-X

Hình 6 Cặp ảnh ALOS/PALSAR

Hình 7 Mô hình số độ cao tạo

bằng phương pháp StereoSAR Hình 8 Mô hình số độ cao tạo bằng phương pháp InSAR

Để đánh giá độ chính xác của mô hình số độ cao tác giả đã tiến hành lựa chọn một số điểm đặc trưng trên cả hai mô hình số độ cao và trên thực địa để tiến hành so sánh về chênh cao giữa các điểm được chọn

Hình 9 Sơ đồ điểm kiểm tra

trên DEM lập thể

Chênh cao

Bảng 2 Tọa độ các điểm kiểm tra trên DEM

lập thể

Hình 10 Sơ đồ điểm kiểm tra trên

DEM tạo bằng InSAR

Chênh cao Điểm mặt đất Mô hình số độ cao

Bảng 3 Tọa độ các điểm kiểm tra trên DEM giao thoa

Nhận xét

Kết quả so sánh chênh cao giữa các điểm kiểm tra trên cả hai mô hình số độ cao tác giả nhận thấy, đối với mô hình số độ cao thành lập bằng phương pháp lập thể ( StereoSAR) thì tại những vùng núi do nguyên lý chụp ảnh từ hai góc chụp khác nhau nên DEM ít bị ảnh hưởng bởi khí quyển nên ảnh có độ tương quan cao do đó DEM có độ chính xác tương đối cao Còn đối với phương pháp InSAR do nguyên lý chụp ảnh là chụp một phía nên phụ thuộc vào thời gian, không gian cũng như điều kiện khí quyển khi thu nhận hình ảnh Do đó

ở những vùng núi cao ảnh có độ tương quan kém hơn nên các điểm kiểm tra tại những vùng này có độ chênh cao lớn Tuy nhiên ở vùng đồng bằng và trung du thì phương pháp InSAR lại tỏ ra hiệu quả hơn và cho độ chính xác tốt hơn phương pháp Radargrammetry

Kết Luận

Với những lý thuyết đã nêu ở trên và quá trình xây dựng DEM tác giả muốn khẳng định rằng sử dụng ảnh Radar hoàn toàn có thể xây dựng được DEM có độ chính xác cao Tuy nhiên tại những khu vực vùng núi, tác giả cũng khuyến cáo rằng nên sử dụng ảnh chụp theo phương pháp Radargrammetry để xậy dựng DEM vì phương pháp này có độ chính xác cao hơn Còn đối với khu vực trung du và miền núi, tác giả cũng khuyến cáo nên sử dụng phương pháp InSAR để thành lập DEM vì phương pháp này cho độ chính xác rất cao nhất

là khu vực đồng bằng

Tài liệu tham khảo

[1] Chen, P.H., and Dowman, I.J, A weighted least squares solution for space intersection

of spaceborne stereo SAR data IEEE transactions on geoscience and remote sensing,

39(2): 233-240, 2001

[2] Crosetto, M, Calibration and validation of SAR interferometry for DEM generation

ISPRS Journal of Photogrammetry & Remote Sensing, 57(3): 213- 227, 2002

[3] Ferretti, A., Prati, C., and Rocca, F., Multibaseline InSAR DEM reconstruction: The

wavelet approach IEEE Transactions on Geoscience & Remote Sensing, 37(2): 705-715,

1999

[4] Gen, R, “Quality assessment of SAR interferometric data”, PhD Dissertation: Hannover

University, Germany, 141p, 1998

[5] Goldstein, R M and Werner, C L, “Radar interferogram filtering for geophysical applications”, Geophysical Research Letters, 25(21): 4035-4038, 1998.

[6] Goldstein, R.M.and Zebker, H.A, “Satellite radar interferometry:two-dimensiona phase unwrapping, Radio Science., 23:713, 1988.

[7] Gram, L C, “Sythetic interferometer Radar for Topographic Mapping”, Proceedingsof

the IEEE, 62: 763-768, 1974

[8] Hanssen, R F, “Radar Interferometry Data Interpretation and Error Analyisis”, Kluwer

Acadamic Publishers Press, 308p, 2000

[9] Kaupp, V H., Bridges, L C., Pisaruck, M A., MacDonald, H C., and Waite, W P,

Simulation of spaceborne stereo radar imagery: Experimental result IEEE transaction of geoscience and remote sensing, GE-21(3): 400-405, 1983

[10] Kyaruzi, J K, Quality assessment of DEM from radargrammetry data International institute for geo-information science and Earth observation enschede, The Netherlands,

master of science, 2005

[11] Li, F K and Goldstein, R M, "Studies of Multibaseline Spaceborne Interferometric

Synthetic Aperture Radar", IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, vol.

28, no 1, pp 88-97, 1990

[12] Liu, G X, “Mapping of Earth Deformations with Satellite SAR Interferometry: A Study of Its Accuracy and Reliability Performances”, PhD dissertation: The Hong Kong Polytechnic

University, Hong Kong, China, 229p, 2003

[13] Ludwing, R., Lampart, G and Mauser, W, “The determination of hydrological model parameters from airborne interferometric SAR-data”,Journal of Remote Sensing, 2609-2611,

1998

[14] Mattar, K.E., Vachon, P.W., Geudtner D., Gray, A.L., Cumming, I.G and Brubman, M,,

“Validation of Alpine glacier velocity measurements using ERS tadem-mission SAR data”,IEEE Transaction on Geoscience and Remote Sensing,36 (3): 974-984, 1998.

[15] Mercer, J B, SAR technologies for topographic mapping Photogrammetric Week

‘95’, 117-126, 1995

[16] Paillou, P., and Gelautz, M, Relief reconstruction from SAR stereo pairs: the “Optimal

Gradient” matching method IEEE transactions on Geoscience and Remote Sensing 37(4):

2099-2107, 1999

[17] Rosen, PA., Hensley, S., Zebker, H.A., Webb, F.H.and Fielding, E J, “Surface deformation and coherence measurements of Kilauea Volcano, Hawai, from SIR-C radar interferometry”, Journal of Geophysical Research, 101: 23109-23125,1996.

[18] Sansosti, E, A simple and exact solution for the interferometric and stereo SAR

geolocation problem IEEE transactions on Geoscience and Remote Sensing, 42(8):

1625-1634, 2004

[19] Schanda, E, A radargrammetry experiment in a mountain region International

Journal of Remote Sensing, 6(7): 1113-1124, 1985.

[20] Stéphane Méric, Franck Fayard and Éric Pottier, “Radargrammetric SAR image

processing”, IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing: (20), 421-456, 2009.

[21] Tobita, M.,S Fujiwara, Ozawa, S and Rosen, P A, “Deformation of the 1995 North Sakhalin earthquake detected by JERS – 1/SAR interferometry”, Earth Planets Space, 50:

313-335, 1998

[22] Toutin, T., and Gray, L, State-of-the-art of elevation extraction from satellite SAR

data ISPRS Journal of Photogrammetry & Remote Sensing, 55: 13-33, 2000

[23] Wegmuller, U.and Werner, C, “Retrieval of vegetation parameters with SAR interferometry”, IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 35: 18-24, 1997 [24] Zebker, H A., Rosen,P.A., Goldstein, R.M., Gabriel,A and Werner, C.L, “On the derivation of coseismic displacement fields using differential radar interferometry”: The

Landers earthquake, Journal of Geophysical Research, 99 (B10): 19617-19634, 1994a

[25] Yang, Q.Y.and Wang, C, “Registration of InSAR complex images and interogram enhancement”, Journal of Remote Sensing (in Chinese), 3 (2):122-131, 1999.

[26] Zhou, C., Ge, L., E, D., and Chang, H.C, A case study of using external DEM in

InSAR DEM generation Geo-Spatial Information Science, 8(1): 14-18, 2005.