Khảo sát độ chính xác ảnh quickbird bằng mô hình trực giao RFM (rational function model)

Để góp phần đánh giá mức độ chính xác của việc xử lý ảnh vệ tinh trực giao trong công tác thành lập bản đồ, đặc biệt đối với các loại ảnh vệ tinh độ phân giải siêu cao như: QuickBird, Ik

NGUYỄN THANH THỦY

KHẢO SÁT ĐỘ CHÍNH XÁC ẢNH QUICKBIRD BẰNG

MÔ HÌNH TRỰC GIAO RFM (RATIONAL FUNCTION MODEL)

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 6 năm 2008

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS, TS Lê Văn Trung

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS Lê Trung Chơn

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS Hồ Đình Duẩn

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 28 tháng 8 năm 2008

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: Nguyễn Thanh Thủy Giới tính: Nam / Nữ Ngày, tháng, năm sinh: 24-09-1981 Nơi sinh: Sông Bé Chuyên ngành: Địa Tin Học

Khoá (Năm trúng tuyển): 2005

1- TÊN ĐỀ TÀI: KHẢO SÁT ĐỘ CHÍNH XÁC ẢNH QUICKBIRD BẰNG MÔ HÌNH TRỰC GIAO RFM.

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

- Các phương pháp nắn ảnh hiện nay

- Nguyên lý nắn ảnh, các phương pháp tính toán, tinh chỉnh hàm đa thức hữu tỷ

- Xây dựng quy trình nắn ảnh trực giao bằng hàm đa thức hữu tỷ

- Thực nghiệm và đánh giá kết quả thực nghiệm cho khu vực TP.HCM bằng ảnh QuickBird theo phương pháp giải phụ thuộc địa hình

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 13/03/2008

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 30/06/2008

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi đầy đủ học hàm, học vị ):

PGS, TS Lê Văn Trung

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

(Họ tên và chữ ký)

PGS TS LÊ VĂN TRUNG TS NGUYỄN NGỌC LÂU

x

LỜI CẢM ƠN

Để luận văn hoàn thành tốt đẹp, tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt

tình của thầy hướng dẫn: Phó giáo sư, tiến sĩ Lê Văn Trung trong quá trình định

hướng đề cương nghiên cứu cũng như quá trình thực hiện luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn Ông Nguyễn Văn Đức - Thứ trưởng Bộ Tài

nguyên Môi trường (nguyên Giám đốc Công ty Đo đạc Địa chính và Công trình),

Ông Bùi Sơn - Giám đốc Xí nghiệp Đo vẽ Ảnh số và Địa Tin học đã tạo mọi điều

kiện cho tôi tham gia khoá học và hoàn thành luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy, cô trong Bộ môn Địa Tin Học giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này

Tôi chân thành cảm ơn tất cả đồng nghiệp, bạn bè động viên tôi trong việc thực hiện luận văn

Cảm ơn gia đình, người thân luôn bên cạnh động viên tinh thần cho tôi

Xin cảm ơn tất cả

NGUYỄN THANH THỦY

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, những tiến bộ trong lĩnh vực máy tính, công nghệ thông tin, điện tử và đặc biệt là sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghệ vũ trụ Trong đó công nghệ Viễn thám đã giữ vai trò khá quan trọng trong việc sử dụng ảnh Viễn thám để thành lập các loại bản đồ, giám sát môi trường và quản lý biến động tài nguyên thiên nhiên Phương pháp xử lý ảnh và chiết tách thông tin hữu ích từ ảnh ngày càng hoàn thiện và đa dạng hơn Với việc ứng dụng khoa học kỹ thuật máy tính và tích hợp với các công nghệ GIS và GPS, công tác đo đạc xử lý nội nghiệp để thành lập các loại bản đồ địa hình và chuyên đề có chất lượng sản phẩm ngày càng được nâng cao, quá trình tự động hóa dần được hình thành nhằm rút ngắn thời gian thực hiện

Phương pháp đo vẽ ảnh vệ tinh đã thể hiện tính ưu việt về khả năng tự động hoá đo vẽ bản đồ ở mức độ cao, rút ngắn thời gian đo đạc, giải phóng sức lao động chân tay của con người, giảm bớt công tác ngoại nghiệp, thực hiện đo vẽ trên phạm

vi rộng lớn nhưng không mất nhiều thời gian so với các phương pháp truyền thống Tuy nhiên, hiện nay việc đánh giá về khả năng kỹ thuật của việc sử dụng ảnh viễn thám trong công tác thành lập bản đồ chưa được quan tâm nhiều ở nước ta

Để góp phần đánh giá mức độ chính xác của việc xử lý ảnh vệ tinh trực giao trong công tác thành lập bản đồ, đặc biệt đối với các loại ảnh vệ tinh độ phân giải siêu cao như: QuickBird, Ikonos, Spot,…Trong phạm vi luận văn, tác giả đi vào tìm hiểu nguyên lý, phương pháp tính toán cũng như đánh giá khả năng ứng dụng mô hình hàm hữu tỷ (The Rational Function Model – RFM) trong xử lý hình học độ phân giải cao, thực nghiệm theo mô hình RFM bằng phương pháp xử lý phụ thuộc địa hình và đánh giá kết quả đạt được so với biện pháp xử lý ảnh hàng không đối với trường hợp sử dụng ảnh QuickBird cho khu vực địa hình Tp.HCM

Qua kết quả thực nghiệm, khảo sát cho thấy ảnh QuickBird sau khi xử lý bằng mô hình RFM theo phương pháp phụ thuộc địa hình (tính toán các hệ số của hàm đa thức hữu tỷ từ các điểm khống chế mặt đất) hoàn toàn đủ độ chính xác để thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ từ 1/5000 trở xuống

ABSTRACT

Due to its standardization and simplicity, rational function model has been widely used in the geometric correction for high resolution satellite images The rational function model includes direct and indirect methods The direct method uses the ground control points to determine the rational polynomial coefficients directly The indirect one uses on-board data to establish the rational polynomial coefficients Then, a small number of ground control points are applied to refine the model In this case, the RPCs are estimated independently on the basis of GCP’s collected from CESC company, test data are Quickbird satellite image with 0.6 meter resolution (standard 2A) and DTM made from topographic map at scale 1/2000 and 1/25000 The study presents a methodology to produce accurate orthocorrected images which can be used to generate updated topographic map at a scale of 1:5000

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ 2

MỤC LỤC 4

GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI LUẬN VĂN 10

1 Tổng quan về đề tài 10

2 Mục tiêu của đề tài 12

3 Phương pháp nghiên cứu 12

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 12

CHƯƠNG 1 13

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ VIỄN THÁM 13

1.1 Khái niệm về Viễn thám 13

1.1.1 Định nghĩa về Viễn thám 13

1.1.2 Nguyên lý hoạt động của Viễn thám 13

1.2 Phân loại Viễn thám 14

1.2.1 Viễn thám trong dải sóng nhìn thấy và hồng ngoại phản xạ 14

1.2.2 Viễn thám hồng ngoại nhiệt 14

1.2.3 Viễn thám siêu cao tần 14

1.3 Tổng quan về vật mang 15

1.4 Bộ cảm biến 16

1.4.1 Định nghĩa bộ cảm biến 16

1.4.2 Phân loại bộ cảm biến 16

1.4.3 Đặc tính của bộ cảm biến quang học 17

1.5 Bộ cảm biến sử dụng trong Viễn thám vệ tinh 19

1.5.1 Quét vuông góc với tuyến chụp 19

1.5.2 Quét dọc tuyến chụp 20

1.5.3 Bộ cảm biến sử dụng trong Viễn thám vệ tinh 21

1.5.3.1 Máy quét quang cơ 21

1.5.3.2 Máy quét điện tử 22

1.5.3.3 Các bộ cảm biến thông dụng 23

CHƯƠNG 2 24

GIỚI THIỆU ẢNH VỆ TINH QUANG HỌC 24

2.1 Giới thiệu ảnh Vệ tinh quang học 24

2.2 Các đặc điểm của ảnh Vệ tinh 25

2.2.1 Tính chất hình học của ảnh vệ tinh 25

2.2.2 Tính chất phổ của ảnh vệ tinh 26

2.2.3 Độ phân giải thời gian của ảnh vệ tinh 27

2.2.4 Xác định độ phân giải thích hợp nhu cầu công việc 27

2.2.5 Chất lượng ảnh vệ tinh 28

2.3 Các khuôn dạng dữ liệu ảnh Vệ tinh 28

2.4 Một số loại Vệ tinh chụp ảnh độ phân giải siêu cao 29

2.4.1 Ảnh vệ tinh IKONOS 29

2.4.2 Ảnh vệ tinh SPOT 30

2.4.3 Ảnh vệ tinh QUICKBIRD 32

2.5 Các thiết bị lưu trữ dữ liệu ảnh Vệ tinh 35

2.5.1 Băng từ 36

2.5.2 Băng từ loại nhỏ 36

2.5.3 Băng từ âm thanh số 36

2.5.4 Băng từ video 8mm 36

2.5.5 Băng quang học 36

2.5.6 Đĩa quang từ MO (Magneto –Optical disk) 36

2.5.7 Đĩa quang học ghi lại một lần, đọc nhiều lần (WORM): 36

2.5.8 Đĩa mềm 37

CHƯƠNG 3 38

HỆ THỐNG XỬ LÝ ẢNH VỆ TINH 38

3.1 Giới thiệu hệ thống xử lý ảnh Vệ tinh 38

3.1.1 Nhập dữ liệu 38

3.1.2 Khôi phục và hiệu chỉnh ảnh 38

3.1.3 Biến đổi ảnh 39

3.1.4 Phân loại và phân tích 39

3.1.5 Xuất kết quả 39

3.2 Hệ thống xử lý ảnh 39

3.2.1 Phần cứng 39

3.2.1.1 Hệ xử lý có bộ xử lý ảnh chuyên dụng 39

3.2.1.2 Hệ xử lý ảnh dựa trên máy tính thông dụng 40

3.2.2 Phần mềm 40

3.2.3 Các thiết bị ngoại vi 40

3.3 Tiền xử lý ảnh số 41

3.3.1 Sai số do ảnh hưởng của khí quyển, bức xạ 41

3.3.2 Sai số do ảnh hưởng trong quá trình bay chụp 41

3.3.2.1 Trái đất quay trong khi chụp (quét) ảnh 42

3.3.2.2 Một số Sensor có tốc độ quét thấp 42

3.3.2.3 Một số Sensor có góc quét quá rộng 42

3.3.2.4 Lỗi hình học của chính Sensor 42

3.3.2.5 Độ cong của mặt đất 42

3.3.2.6 Sự thay đổi về vị trí, cao độ, vận tốc của vệ tinh trong quá trình chụp 43

3.3.2.7 Hiệu ứng “panoramic” đối với hình dạng ảnh (góc quét) 43

3.3.2.8 Ảnh hưởng do địa hình 43

3.3.3 Hiệu chỉnh bức xạ 44

3.3.3.1 Hiệu chỉnh do ảnh hưởng bởi bộ cảm biến 44

3.3.3.1.1 Mất dòng ảnh 45

3.3.3.1.2 Vệt dòng ảnh 46

3.3.3.1.3 Nhiễu ngẫu nhiên trên ảnh 46

3.3.3.2 Ảnh hưởng do địa hình và góc chiếu của mặt trời 47

3.3.3.2.1 Bóng chói mặt trời 47

3.3.3.2.2 Bóng râm 47

3.3.3.2.3 Góc chiếu của mặt trời 47

3.3.3.3 Hiệu chỉnh bức xạ do ảnh hưởng khí quyển 48

3.3.3.3.1 Phương pháp sử dụng hàm truyền bức xạ 49

3.3.3.3.2 Phương pháp sử dụng dữ liệu thực mặt đất 49

3.3.3.3.3 Các phương pháp khác 49

3.3.4 Hiệu chỉnh hình học 49

3.3.4.1Chọn phương pháp 50

3.3.4.1.1 Hiệu chỉnh hệ thống 51

3.3.4.1.2 Hiệu chỉnh phi hệ thống 51

3.3.4.1.3 Hiệu chỉnh phối hợp 51

3.3.4.2 Kiểm tra độ chính xác 51

3.3.4.3 Nội suy và tái chia mẫu 52

CHƯƠNG 4 53

CÁC YẾU TỐ LIÊN QUAN VÀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ HÌNH HỌC ẢNH 53

4.1 Giới thiệu xử lý hình học ảnh 53

4.2 Điểm khống chế trắc địa 53

4.2.1 Thu thập điểm khống chế bằng bản đồ địa hình 53

4.2.2 Thu thập điểm khống chế mặt đất bằng số liệu định vị mặt đất 53

4.2.3 Độ chính xác xác định điểm khống chế ảnh 55

4.3 Mô hình số độ cao DEM 55

4.3.1 Khái niệm 55

4.3.2 Các phương pháp lưu trữ mô hình số độ cao 56

4.3.3 Các phương pháp thu thập xây dựng mô hình số độ cao 56

4.3.4 Độ chính xác xây dựng mô hình số độ cao 56

4.3.5 Phương pháp lựa chọn mô hình số độ cao 57

4.4 Phương pháp xử lý hình học ảnh hai chiều 58

4.4.1 Chuyển đổi tọa độ 58

4.4.2 Nội suy và tái chia mẫu 60

4.4.2.1 Người láng giềng gần nhất 61

4.4.2.2 Tuyến tính kép 61

4.4.2.3 Hàm bậc ba (cubic) 61

4.5 Phương pháp xử lý hình học ảnh ba chiều 62

4.5.1 Xử lý ảnh đơn 62

4.5.2 Tạo ảnh trực giao 62

4.5.3 Xử lý ảnh lập thể 63

CHƯƠNG V 64

MÔ HÌNH HÀM HỮU TỶ TRONG HIỆU CHỈNH HÌNH HỌC ẢNH 64

5.1 Phương pháp xử lý hình học ảnh theo hàm hữu tỷ (RFM) 64

5.2 Giải mô hình hàm hữu tỷ 66

5.3 Các phương pháp giải xác định các hệ số RPCs 67

5.3.1 Phương pháp giải không phụ thuộc địa hình 67

5.3.2 Phương pháp giải phụ thuộc địa hình 68

5.4 Các phương pháp tinh chỉnh mô hình RFM 69

5.4.1 Các phương pháp tinh chỉnh trực tiếp 70

5.4.2 Các phương pháp tinh chỉnh gián tiếp 71

CHƯƠNG VI 74

THỰC NGHIỆM 74

6.1 Giới thiệu khu vực thực hiện 74

6.2 Tư liệu sử dụng 74

6.2.1 Tư liệu ảnh viễn thám 74

6.2.2 Tư liệu khống chế ảnh 75

6.2.3 Mô hình số độ cao 77

6.2.3.1 Mô hình số độ cao tỷ lệ 1/2000 77

6.2.3.2 Mô hình số độ cao tỷ lệ 1/25000 78

6.3 Sơ đồ quy trình công nghệ xử lý ảnh trực giao 80

6.4 Thực hiện 82

6.4.1 Tính toán các hệ số RPCs: 82

6.4.1.1 Sơ đồ thực hiện tính toán hệ số RPCs 82

6.4.1.2 Trình tự thực hiện bằng phần mềm ENVI 83

6.4.2 Thực hiện nắn ảnh trực giao 87

6.4.2.1 Sơ đồ quy trình thưc hiện nắn trực ảnh bằng phần mềm ENVI 87

6.4.2.2 Trình tự thực hiện 88

CHƯƠNG VII 90

ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THỰC HIỆN 90

7.1 Đánh giá theo tiêu chuẩn về sai số 90

7.1.1 Đánh giá sai số theo các điểm nắn ảnh 90

7.1.2 Đánh giá sai số theo các điểm kiểm tra 91

7.1.3 So sánh với bình đồ ảnh trực giao tỷ lệ 1/2000 93

7.2 Đánh giá theo tiêu chí độ phân giải ảnh số và mức độ cảm nhận đối tượng 94

7.2.1 Đánh giá theo độ phân giải ảnh số 94

7.2.3 Đánh giá theo mức độ cảm nhận đối tượng trên ảnh 96

7.3 Đánh giá tổng hợp 98

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 99

TÀI LIỆU THAM KHẢO 102

PHỤ LỤC 104

PHẦN MỞ ĐẦU GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI LUẬN VĂN

1 Tổng quan về đề tài

Sự phát triển của xã hội trong điều kiện hiện nay dẫn đến sự thay đổi liên tục các yếu tố trên bề mặt mặt đất, đặc biệt là các khu đô thị mới và ven đô thị, sự thay đổi chỉ diễn ra trong vài tháng Để phục vụ quy hoạch, xây dựng cơ sở hạ tầng chúng

ta phải đo đạc cập nhật lại dữ liệu bản đồ một cách liên tục hay theo một chu kỳ nào

đó

Công nghệ viễn thám hiện tại đang được coi là một công cụ hữu hiệu không thể thay thế để quản lý, giám sát, cập nhật bản đồ để duy trì tính hiện thực của bản đồ hay còn gọi là nuôi dữ liệu

Ngày càng có nhiều ảnh vệ tinh độ phân giải cao được thương mại hóa, mở ra một cơ hội rất lớn cho các ngành liên quan đến vấn đề giám sát các thông tin trên bề mặt mặt đất, trong đó có ngành Trắc địa – Bản đồ

Hiện tại độ chính xác về hình học ảnh được nhà cung cấp chia ra làm 3 mức độ (ảnh cơ bản, ảnh tiêu chuẩn và ảnh chuẩn trực giao) Các nghiên cứu về độ chính xác ảnh có nhiều hướng, trong đó dựa trên 3 mức độ của sản phẩm như trên Độ chính xác của kết quả đạt được phụ thuộc vào các yếu tố: mức độ ảnh đưa vào xử lý, hình thái khu vực xử lý, và thông tin của các tham số tham gia (Phương pháp xử lý, DEM, GCPs…)

Hiện nay thì các nghiên cứu về các phương pháp xử lý nắn ảnh để làm tăng độ chính xác của ảnh đang được nghiên cứu nhiều và đã có những kết quả to lớn, một trong những phương pháp được nghiên cứu nhiều vì tính ưu việt đó là phương pháp nắn ảnh trực giao bằng mô hình tổng quát theo hàm đa thức hữu tỷ (RFM)

Hiện tại mô hình vật lý và mô hình tổng quát của bộ cảm biến là 2 mô hình hình học ảnh đã và đang được sử dụng rộng rãi trong đo ảnh và viễn thám Việc tận dụng lợi ích của mô hình hàm số hữu tỷ - RFM (Rational Function Model) để thay thế các mô hình bộ cảm biến vật lý trong đo ảnh thành lập bản đồ trở thành một

phương pháp tiêu chuẩn vừa nhanh, vừa kinh tế cho việc thành lập bản đồ từ ảnh vệ tinh độ phân giải siêu cao Mô hình RFM được chấp nhận trong việc khai thác dữ liệu ảnh vì có thể đạt được độ chính xác cao trong tất cả các khâu xử lý ảnh như khi

sử dụng mô hình chặt chẽ của bộ cảm biến Vì vậy mà mô hình RFM trở thành yếu

tố then chốt trong việc mô hình hóa bộ cảm biến phức hợp

Sử dụng mô hình RFM để làm gần đúng các mô hình bộ cảm biến vật lý đã được thực nghiệm trong hơn 1 thập kỷ qua vì khả năng của chúng có thể giữ được đầy đủ độ chính xác của các mô hình bộ cảm biến vật lý khác nhau, đặc tính duy nhất của nó là độc lập với các bộ cảm biến, và tính toán thời gian thực

Mô hình RFM có thể sử dụng khi chúng ta biết hay không biết mô hình vật lý của sensor hay mô hình RFM còn gọi là mô hình tổng quát của các loại sensor Có hai phương xác định mô hình RFM: Phương pháp không phụ thuộc địa hình và phương pháp phụ thuộc địa hình, ngoài ra người sử dụng còn có thể dùng các phương pháp tinh chỉnh để nâng cao độ chính xác của mô hình

Qua các nghiên cứu của các tác giả ở nước ngoài đã đánh giá mức độ khá đầy đủ và chuẩn xác của việc sử dụng mô hình RFM vào các khâu xử lý ảnh vệ tinh

độ phân giải cao như bài báo của tác giả F.Volpe sử dụng mô hình hàm hữu tỷ khảo sát độ chính xác ảnh QuickBird theo 2 nhóm khu vực có độ cao khác nhau (nhóm khu vực 1 có sự khác biệt độ cao từ 150 m đến 580 m, khu vực 2 có sự khác biệt độ cao thay đổi từ 13 m đến 125 m) và kết quả đạt được cho độ chính xác thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ 1/5000 trở xuống, hoặc bài báo của 2 tác giả I.Ewiak và R.Kaczynski tính toán với độ phân giải ảnh được tái chia mẫu 0,5 m và 1,0 m với việc sử dụng mô hình RFM tinh chỉnh và tính RFM từ GCPs, kết quả đạt được đảm bảo độ chính xác để thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ 1/5000

Hiện tại ở Việt Nam cũng đã có những khảo sát, đánh giá ảnh vệ tinh độ phân giải cao nhưng sử dụng các phương pháp xử lý nắn chỉnh hình học ảnh bằng các phương pháp xử lý ảnh 2 chiều, chưa thấy có hướng nghiên cứu xử lý ảnh bằng phương pháp RFM nên tác giả đã chọn và thực hiện đề tài: “Khảo sát độ chính xác ảnh QuickBird bằng mô hình trực giao RFM”

2 Mục tiêu của đề tài

Mục tiêu tác giả đề ra là nghiên cứu các phương pháp nắn chỉnh hình học ảnh

mà trọng tâm là đi sâu tìm hiểu, nghiên cứu và đánh giá phương pháp xử lý ảnh trực giao bằng mô hình hàm hữu tỷ RFM, kết hợp với việc nghiên cứu về viễn thám, các yếu tố liên quan trong quá trình nắn chỉnh hình học ảnh, tác giả sẽ tiến hành thử nghiệm xử lý một khu vực trên phần mềm ENVI bằng mô hình RFM theo phương pháp phụ thuộc địa hình và phân tích đánh giá kết quả thực nghiệm với bình đồ trực ảnh tỷ lệ 1/2000 được thành lập bằng không ảnh số

3 Phương pháp nghiên cứu

- Tìm hiểu tổng quan về kỹ thuật viễn thám

- Một số loại ảnh viễn thám siêu cao hiện nay

- Các phương pháp nắn ảnh hiện nay

- Nguyên lý nắn ảnh, các phương pháp tính toán mô hình hàm đa thức hữu tỷ, và các yếu tố liên quan

- Áp dụng thử nghiệm đối với khu vực nghiên cứu bằng mô hình RFM theo phương pháp phụ thuộc địa hình, so sánh kết quả với bình đồ trực ảnh 1/2000

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Góp phần bổ sung một số vấn đề về phương pháp luận trong công tác xử lý ảnh đo vẽ thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn

Góp phần vào khả năng hoàn thiện và ứng dụng công nghệ viễn thám độ phân giải siêu cao để thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn ở nước ta

Đã xây dựng được quy trình xử lý ảnh trực giao QuickBird bằng mô hình RFM theo phương pháp phụ thuộc địa hình

Đánh giá, tổng hợp được các yếu tố liên quan trong quá trình xử lý ảnh bằng

mô hình trực giao RFM

Đã khẳng định được ảnh vệ tinh QuickBird sau khi nắn trực giao bằng mô hình RFM hoàn toàn đảm bảo độ chính xác để thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ từ 1/5000 trở xuống

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ VIỄN THÁM

1.1 Khái niệm về Viễn thám

1.1.1 Định nghĩa về Viễn thám

Viễn thám là khoa học nghiên cứu các phương pháp thu thập, đo lường và phân tích thông tin của vật thể quan sát mà không cần tiếp xúc trực tiếp với chúng

1.1.2 Nguyên lý hoạt động của Viễn thám

Sóng điện từ được phản xạ hoặc bức xạ từ vật thể là nguồn cung cấp thông tin chủ yếu về đặc tính của đối tượng Ảnh viễn thám sẽ cung cấp thông tin về các vật thể tương ứng với năng lượng bức xạ ứng với từng bước sóng đã xác định Đo lường và phân tích năng lượng phản xạ phổ ghi nhận bởi ảnh viễn thám, cho phép tách thông tin hữu ích về từng loại lớp phủ mặt đất khác nhau do sự tương tác giữa bức xạ điện từ và vật thể

Một thiết bị dùng để cảm nhận sóng điện từ phản xạ hay bức xạ từ vật thể được gọi lả bộ cảm biến Bộ cảm biến có thể là các máy chụp ảnh hoặc máy quét Phương tiện mang các sensors được gọi là vật mang có thể là máy bay, khinh khí cầu, tàu con thoi hoặc vệ tinh

Hình 1.1 Nguyên lý thu thập dữ liệu ảnh viễn thám

Nguồn năng lượng chính thường sử dụng trong viễn thám là bức xạ mặt trời, năng lượng của sóng điện từ do các vật thể phản xạ hay bức xạ được thu nhận bởi

bộ cảm biến đặt trên vật mang

Thông tin về năng lượng phản xạ của các vật thể được ghi nhận bởi ảnh viễn thám và thông qua xử lý tự động trên máy hoặc giải đoán trực tiếp từ ảnh dựa trên kinh nghiệm của chuyên gia Cuối cùng, các dữ liệu hoặc thông tin liên quan đến các vật thể và hiện tượng khác nhau trên mặt đất sẽ được ứng dụng vào trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: nông lâm nghiệp, địa chất, khí tượng, môi trường…

Hình 1.2 Sơ đồ thu nhận và xử lý dữ liệu viễn thám

1.2 Phân loại Viễn thám

Viễn thám có thể được phân thành 3 loại cơ bản ứng với vùng bước sóng sử dụng

1.2.1 Viễn thám trong dải sóng nhìn thấy và hồng ngoại phản xạ

Nguồn năng luợng chính là bức xạ mặt trời và ảnh viễn thám nhận được dựa vào sự đo lường năng lượng vùng ánh sáng khả kiến và hồng ngoại được phản xạ từ vật thể và bề mặt trái đất Ảnh thu được bởi kỹ thuật viễn thám này được gọi chung

là ảnh quang học

1.2.2 Viễn thám hồng ngoại nhiệt

Nguồn năng lượng sử dụng là bức xạ nhiệt do chính vật thể sản sinh ra, hầu như mỗi vật thể trong nhiệt độ bình thường đều tự phát ra một bức xạ Ảnh thu được bởi kỹ thuật viễn thám này được gọi là ảnh nhiệt

1.2.3 Viễn thám siêu cao tần

Trong viễn thám siêu cao tần, hai loại kỹ thuật chủ động và bị động đều được

áp dụng Viễn thám bị động ghi lại năng lượng sóng vô tuyến cao tần với bước sóng lớn hơn 1mm mà được bức xạ tự nhiên hoặc phản xạ từ một số đối tượng Trong khi

đó viễn thám chủ động được vệ tinh cung cấp năng lượng riêng và phát trực tiếp đến các vật thể rồi thu lại năng lượng do song phản xạ lại từ các vật thể

Hình 1.3 Nguyên lý hoạt động của viễn thám bị động và viễm thám chủ động

1.3 Tổng quan về vật mang

Để bộ cảm biến thu nhận năng lượng bức xạ và phản xạ từ các vật thể trên bề mặt đất tạo ra ảnh quang học hay ảnh rada, các bộ cảm được bố trí trên vật mang là một phương tiện dùng để đưa các bộ cảm đến một độ cao và vị trí mong muốn sao cho việc thu nhận thông tin từ mặt đất đạt hiệu quả cao nhất, đáp ứng cho nhiều mục đích ứng dụng khác nhau

Vệ tinh và máy bay là những vật mang cơ bản thường được sử dụng trong viễn thám

Vệ tinh viễn thám cho phép nhìn thấy một vùng rộng trên mặt đất bao gồm tất cả các đối tượng và có ưu thế là cung cấp ảnh đa phổ và đa thời gian cho toàn thế giới Ảnh vệ tinh có các ưu điểm sau:

- Bao phủ một vùng rộng trên mặt đất

- Khu vực cần nghiên cứu được chụp lặp lại thường xuyên nhiều lần theo chu kỳ

- Ảnh được xử lý và phân tích trên máy tính

- Chi phí tương đối thấp tính trên một đơn vị diện tích vùng phủ của ảnh

Tuy nhiên, ảnh vệ tinh có độ phân giải mặt đất thấp hơn so với ảnh hàng không

Hiện nay, trên thị trường chỉ cung cấp ảnh vệ tinh có độ phân giải cao nhất là

0,6 m nhưng trong tương lai gần với việc phóng các vệ tinh thương mại sẽ cung cấp các ảnh có độ phân giải cao hơn rất nhiều

1.4 Bộ cảm biến

1.4.1 Định nghĩa bộ cảm biến

Bộ cảm biến giữ nhiệm vụ thu nhận các năng lượng bức xạ do vật thể phản

xạ từ nguồn cung cấp tự nhiên (mặt trời) hoặc nhân tạo (do chính vệ tinh phát)

Trong viễn thám, tuỳ thuộc vào loại cảm biến mà số bit dùng để ghi nhận thông tin khác nhau, phạm vi thể hiện số nguyên hữu hạn cho phép xác định cường

độ phản xạ sóng từ các vật thể được thể hiện như sau:

Bảng 1.1 Mối quan hệ giữa số bit và giá trị của ảnh số

Số bit Luỹ thừa của 2 Giá trị số Phạm vi

1.4.2 Phân loại bộ cảm biến

Bộ cảm biến có thể được phân loại dựa theo dải sóng thu nhận, chức năng hoạt động cũng như có thể phân loại theo kết cấu

Bộ cảm biến được sử dụng trong viễn thám bị động thu nhận các bức xạ do vật thể phản xạ từ nguồn cung cấp năng lượng tự nhiên (mặt trời), trong khi các bộ cảm chủ động lại thu năng lượng do vật thể phản xạ từ một nguồn cung cấp nhân tạo (do chính vệ tinh phát ra) Dựa vào chức năng hoạt động, mỗi loại bộ cảm biến thuộc vào nhóm bị động còn được chia thành các hệ thống quét và không quét, sau

đó chúng lại tiếp tục được chia thành loại tạo ảnh và không tạo ảnh Loại bộ cảm thường được sử dụng nhiều trong kỹ thuật viễn thám hiện nay là các loại máy chụp, máy quét CCD và máy quét đa phổ quang cơ…

Hình 1.4 Phân loại bộ cảm biến

1.4.3 Đặc tính của bộ cảm biến quang học

Các bộ cảm quang học được sử dụng trong việc thu nhận ảnh quang học được đặc trưng bởi 3 tính chất cơ bản, đó là đặc trưng phổ, bức xạ và hình học

Đặc trưng phổ được thể hiện thông qua số kênh phổ và bề rộng của từng

kênh phổ Nếu bộ cảm biến có nhiều kênh phổ sẽ cho phép thu nhận được nhiều thông tin dựa trên nhiều vùng phổ khác nhau, nhưng nếu bề rộng của từng kênh phổ quá lớn sẽ tạo ra ảnh có độ phân giải phổ thấp

Các đặc trưng bức xạ được xác định dựa theo sự thay đổi của năng lượng

Không quét ảnh

Bức xạ kế siêu cao tần

Bộ cảm biến từ trường Trọng lực kế

Phổ kế fourier Khác

Quét ảnh

Camera Tạo ảnh

Toàn sắc Màu tự nhiên Hồng ngoại Màu hồng ngoại Khác

Quét mặt phẳng ảnh Quét mặt phẳng đối tượng

Màn hình hiển thị Máy quét lập thể Máy quét quang cơ Bức xạ kế siêu cao

Chủ động

Không quét ảnh

Không tạo ảnh

Bức xạ kế siêu cao tần

Đo độ cao siêu cao tần

Đo độ sâu laser

Đo khoảng cách laser

Object Plane Scanning

Image Plane Scanning

Rada độ mở thực RAR Rada độ mở tổng hợp SA

điện từ trước và sau khi đi qua hệ thống quang học, mức độ nhiễu và độ nhạy tuyến tính của các detetor khi chuyển năng lượng của sóng điện từ thu được sang điện thế

để số hóa Ngoài ra, số bit dùng trong ghi nhận thông tin cũng là một đặc trưng quan trọng của các bộ cảm biến vì nó quyết định chất lượng ảnh (cấp độ sáng) khi được hiển thị

Các đặc trưng hình học được thể hiện qua các thông số như trường nhìn

(FOV); trường nhìn không đổi - góc nhìn không gian tương ứng giữa một pixel với một đơn vị chia mẫu trên mặt đất (IFOV); độ trùng khớp về phân giải không gian giữa các kênh; sự biến dạng hình học của ảnh…

Hình 1.5 Mô tả đặc trưng hình học

Ngoài ra, các bộ cảm còn được phân biệt dựa trên lực phân giải của thấu kính, đó là một chỉ số cho phép xác định sự giới hạn về mặt quan trắc không gian của một thiết bị quang học Lực phân giải và độ phân giải không gian là hai khái niệm có sự liên hệ chặc chẽ với nhau; khái niệm lực phân giải được áp dụng cho hệ thống tạo ảnh trong khi độ phân giải không gian được áp dụng cho ảnh được tạo ra

từ chính hệ thống đó Giới hạn phân giải là khoảng cách nhỏ nhất có thể phát hiện được giữa hai điểm ảnh và giá trị lực phân giải được xác định là tỷ số giữa giới hạn phân giải và khoảng cách quan sát Ví dụ, mắt của người quan sát cách ảnh là 5m,

có thể phân biệt hai điểm cách nhau nhỏ nhất là 1mm, lực phân giải có thể xác định được là 0,2rad (1mm/5000mm= 0,2rad)

1.5 Bộ cảm biến sử dụng trong Viễn thám vệ tinh

Hệ thống quét sử dụng để ghi nhận năng lượng bức xạ ứng với các bước sóng khác nhau trong dải tần đã xác định (từ cực tím đến hồng ngoại) được gọi là hệ thống quét đa phổ

Hai phương pháp quét cơ bản thường được sử dụng trong việc tạo ảnh đa phổ

đó là quét vuông góc với tuyến chụp và quét dọc tuyến chụp

1.5.1 Quét vuông góc với tuyến chụp

Gương quay chuyển động trong mặt phẳng vuông góc với đường bay được

sử dụng để dịch chuyển trường nhìn không đổi IFOV tạo thành dòng quét vuông góc với hướng di chuyển của vệ tinh Năng lượng phản xạ được phân chia ứng với từng bước sóng khác nhau (thông qua kính lọc phổ) được bộ tách sóng (detectors)

đo lường năng lượng ứng với từng kênh phổ và chuyển thành giá trị số của từng pixel Sau khi kết thúc dòng quét, gương quay trả về vị trí ban đầu để tạo dòng kế tiếp nhờ sự dịch chuyển đồng bộ của vệ tinh, kết quả nhận được ảnh vệ tinh là tập hợp của các dòng ảnh liên tiếp nhau

Trường nhìn không đổi IFOV của bộ cảm biến và độ cao của vệ tinh xác định độ phân giải mặt đất và góc nhìn tối đa mà một bộ cảm có thể thu được sóng điện từ (được quét bởi gương quay) được gọi là trường nhìn (field of view - FOV) Khoảng không gian trên mặt đất do FOV tạo nên tương ứng với độ cao của vệ tinh chính là bề rộng tuyến chụp và còn được sử dụng để xác định bề rộng của ảnh vệ tinh

Hình 1.6 Tạo ảnh theo phương pháp quét vuông góc

v

IFOV

FOV

Độ phân giải mặt đất

1.5.2 Quét dọc tuyến chụp

Quét dọc tuyến chụp sử dụng các hệ thống quét điện tử hoặc bộ tách sóng mảng tuyến tính để ghi nhận năng lượng bức xạ ứng với dòng quèt cố định vuông góc với phương chuyển động của vệ tinh Bộ tách sóng mảng tuyến tính được xây dựng tại mặt phẳng tạo ảnh của hệ thống lăng kính cho phép tạo thành dòng quét vuông góc với hướng di chuyển của vệ tinh Mỗi bộ tách sóng riêng biệt (detector – diod quang điện) đo lường năng lượng phản xạ ứng với từng pixel được phân chia ứng với từng bước sóng khác nhau (thông qua kính lọc phổ) Trong phương pháp này, mỗi bộ tách sóng mảng tuyến tính riêng sẽ đảm nhiệm việc đo lường năng lượng ứng với từng kênh phổ và kích thước của IFOV ứng với bộ tách sóng riêng biệt sẽ xác định độ phân giải mặt đất của ảnh vệ tinh

Hình 1.7 Tạo ảnh theo phương pháp quét dọc tuyến chụp

Từ hai phương pháp cơ bản cho thấy, các phân tử của ảnh vệ tinh thường có dạng hình vuông và thể hiện một khu vực nào đó trên mặt đất Điều quan trọng cần chú ý đó là phân biệt rõ ràng giữa kích thước của pixel ảnh với độ phân giải không gian, đối với ảnh vệ tinh điều này không phải tương ứng trong mọi trường hợp Nếu

độ cảm biến có độ phân giải không gian là 20m và một ảnh thu được từ bộ cảm biến này được thể hiện đúng độ phân giải thì mỗi pixel tương ứng cho diện tích 20 x 20m trên mặt đất Trong trường hợp này kích thước của pixel và độ phân giải không gian

Bộ cảm mảng tuyến tính

v

là như nhau Tuy nhiên, các thiết bị hiển thị ảnh có thể cho phép thể hiện với những kích thước của pixel khác nhau so với độ phân giải không gian của ảnh vệ tinh

Nói chung, ảnh chỉ thể hiện được những vật thể lớn gọi là ảnh có độ phân giải thấp, còn ảnh cho phép tách các đối tượng nhỏ và thấy đủ chi tiết trên mặt đất được gọi là ảnh có độ phân giải cao Độ phân giải càng cao thì diện tích mặt đất được thể hiện trên ảnh càng nhỏ, hiện nay các bộ cảm biến đặt trên vệ tinh phục vụ cho mục đích quân sự được thiết kế sao cho thu được càng nhiều thông tin càng tốt, nên ảnh nhận được thường có độ phân giải cao hơn so với ảnh do các công ty thương mại cung cấp Ngoài ra, khái niệm tỷ lệ ảnh cũng cho biết mức độ chi tiết được cung cấp bởi ảnh vệ tinh, đó là tỷ số giữa khoảng cách trên ảnh với khoảng cách thực trên mặt đất Nếu tỷ lệ ảnh là 1:100.000 thì một đối tượng có chiều dài 1cm trên ảnh sẽ có chiều dài thật trên mặt đất là 100.000cm (1km) Ảnh có tỷ lệ nhỏ khi tỷ số này nhỏ và ngược lại gọi là ảnh tỷ lệ lớn (ví dụ ảnh có tỷ lệ 1:5000 được xem là ảnh có tỷ lệ lớn và cung cấp nhiều chi tiết hơn)

1.5.3 Bộ cảm biến sử dụng trong Viễn thám vệ tinh

1.5.3.1 Máy quét quang cơ

Máy quét quang cơ là thiết bị sử dụng một bức xạ kế đa phổ để tạo ảnh hai chiều dựa trên sự phối hợp chuyển động giữa vệ tinh và hệ thống gương quét vuông góc với hướng bay Để đơn giản, ta chỉ xét việc kết hợp một detector (cảm nhận năng lượng ứng với một kênh phổ) và một gương quay sau cho đường quét trên mặt đất là đường thẳng vuông góc với hướng chuyển động của vệ tinh Trong cách này,

bề mặt trái đất được quét thành từng dòng liên tục khi vệ tinh dịch chuyển với vận tốc nhất định

Các hệ thống quét đa phổ quang cơ có thể được đặt trên máy bay hoặc vệ tinh Máy quét đa phổ MSS (Multispectral Scanner System) và TM (Thematic Mapper) của vệ tinh LANDSAT AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer) của vệ tinh NOAA là những hệ thống máy quét đa phổ quang cơ đặt trên vệ tinh Máy quét đa phổ MS do hãng Daedalus chế tạo và ví dụ máy quét đa phổ quang cơ đặt trên máy bay

1.5.3.2 Máy quét điện tử

Các hệ thống quét điện tử hoặc bộ mảng tuyến tính là hệ thống không có bộ phận quét cơ học, nhưng với bộ cảm mảng tuyến tính (tách sóng bán dẫn) cho phép ghi nhận tín hiệu năng lượng phản xạ ứng với từng kênh phổ bằng cách tạo từng hàng ảnh cố định vuông góc với phương chuyển động của vệ tinh Khi vệ tinh chuyển động, hệ thống quét điện tử dịch chuyển đồng thời từng bộ tách sóng riêng biệt (detector – diod quang điện) đo lường năng lượng phản xạ ứng với từng pixel được phân chia ứng với từng dòng ảnh Kết quả nhận được ảnh vệ tinh là tập hợp của các dòng ảnh liên tiếp nhau và trong phương pháp này, mỗi bộ tách sóng mảng tuyến tính riêng biệt sẽ đảm nhiệm việc đo lường năng lượng ứng với từng kênh phổ

Về cấu tạo, các máy quét điện tử chỉ có hệ thống thấu kính quang học nhằm tách các dòng ảnh đồng thời vuông góc với hướng bay Cặp thiết bị nạp hay còn gọi

là thiết bị đối kiểu thường được dùng cho bộ cảm mảng tuyến tính nên còn được là

bộ cảm tuyến tính CCD hay máy chụp CCD Thực chất của CCD là chip silicon giữ vai trò biến đổi năng lượng phản xạ thu được sang dòng điện, cấu tạo giống như các diod quang điện có cùng đặc tính được ghép lại với nhau thành một hàng để cảm nhận đồng thời giá trị độ sáng ứng với từng pixel Do máy chụp CCD không có một

bộ phận cơ học nào nên độ ổn định trong hoạt động của nó là rất cao Tuy nhiên, trên một hàng ảnh thường bị xuất hiện nhiễu gây ra bởi sự chênh lệch độ nhạy giữa các bộ tách sóng riêng biệt Bộ cảm biến HRV của vệ tinh SPOT, QUICKBIRD, MESSR của MOS-1 và OPS của JERS-1 là những loại bộ cảm tuyến tính CCD đặt trên vệ tinh đang được sử dụng hiện nay

Hình 1.8 Nguyên lý thu nhận dữ liệu bằng máy quét điện tử

1.5.3.3 Các bộ cảm biến thông dụng

Một vệ tinh mang bộ cảm biến viễn thám để quan sát mặt đất được gọi là vệ tinh viễn thám hay vệ tinh quan sát mặt đất Hiện nay, các bộ cảm biến khác nhau được chế tạo để phục vụ cho nhiều mục đích sử dụng khác nhau, đặc trưng chủ yếu của bộ cảm biến là số kênh phổ được sử dụng, độ không phân giải không gian và bề rộng tuyến chụp Tuỳ thuộc vào vệ tinh, bộ cảm biến sẽ được đặt ở độ cao và chuyển động theo một quỹ đạo nhất định Tổng kết một số bộ cảm biến thông dụng hiện nay như TM (Thematic Mapper), HRV (High Resolution Visible), HRVIR (High Resolution Visible and Middle Infrared)

Thu thập dữ liệu bởi máy quét điện tử

bộ cảm mảng tuyến tính

thấu kính

hướng bay vệ tinh

Dòng quét

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU ẢNH VỆ TINH QUANG HỌC

2.1 Giới thiệu ảnh Vệ tinh quang học

Ảnh nói chung là sự thể hiện hai chiều của các vật thể trong một vùng đã được xác định, trong kỹ thuật viễn thám có hai loại ảnh thường sử dụng đó là ảnh tương tự và ảnh số

Ảnh tương tự: Các bức ảnh có cấp độ sáng hoặc màu thay đổi liên tục, ví dụ

như ảnh hàng không, ảnh chụp từ các camera thông thường được lưu trên phim hoặc giấy ảnh để có thể xem trực tiếp

Ảnh số: Là một dạng dữ liệu ảnh không lưu trên giấy ảnh hoặc phim, nó

được chia thành nhiều phần tử nhỏ thường được gọi là pixel (phần tử ảnh) Mỗi pixel tương ứng với một đơn vị không gian và có giá trị nguyên hữu hạn ứng với từng cấp độ sáng Ảnh số được lưu trữ trong máy tính (hay các phương tiện lưu trữ khác tương ứng) để có thể được xem trên máy tính

Quá trình chuyển từ ảnh tương tự sang ảnh số được gọi là số hóa bao gồm hai bước cơ bản:

- Chia một ảnh tương tự thành các phần tử ảnh được gọi là chia mẫu

- Chuyển đổi cấp độ sáng liên tục ứng với từng pixel thành một số nguyên hữu hạn gọi là quá trình lượng tử hóa

Hình 2.1 Quá trình chia mẫu và lượng tử hóa

Hình 2.2 Đặc điểm của ảnh số

2.2 Các đặc điểm của ảnh Vệ tinh

Các dữ liệu ảnh thu được trong viễn thám thường dưới dạng số và được xử lý bởi máy tính để tạo ảnh cho người giải đoán nghiên cứu ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau Ảnh số được thể hiện bởi ma trận, trong đó các phần tử của ma trận (xác định bởi hàng và cột) ứng với các phần tử ảnh có từng giá trị độ sáng riêng biệt Ảnh vệ tinh được đặc trưng bởi một số thông số cơ bản như sau:

2.2.1 Tính chất hình học của ảnh vệ tinh

Trường nhìn không đổi IFOV (Instantaneous Field Of View) được định

nghĩa là góc không gian tương ứng với một đơn vị chia mẫu trên mặt đất Lượng thông tin ghi được trong IFOV tương ứng với giá trị của pixel

Góc nhìn tối đa mà một bộ cảm có thể thu được sóng điện từ được gọi là

trường nhìn FOV (Field Of View) Khoảng không gian trên mặt đất do FOV tạo

nên chính là bề rộng tuyến bay

Diện tích nhỏ nhất trên mặt đất mà bộ cảm có thể phân biệt được gọi là độ phân giải không gian Ảnh có độ phân giải không gian càng cao khi có kích thước của pixel càng nhỏ Độ phân giải không gian cũng được gọi là độ phân giải mặt đất khi hình chiếu của một pixel tương ứng với một đơn vị chia mẫu trên mặt đất

độ phân giải 10m độ phân giải 30m độ phân giải 80m

pixel = 10 m pixel = 10 m pixel = 10 m

Hình 2.3 So sánh độ phân giải không gian

Độ phân giải phổ thể hiện bởi kích thước và số kênh phổ, bề rộng phổ hoặc

sự phân chia vùng phổ mà ảnh vệ tinh có thể phân biệt một số lượng lớn các bước sóng có kìch thước tương tự, cũng như cách biệt được các bức xạ từ nhiều vùng phổ khác nhau Ảnh có độ phân giải phổ thấp khi thể hiện cường độ phản xạ của nhiều bước sóng đồng thời và bị hạn chế trong dải tần sóng điện từ

Độ phân giải bức xạ thể hiện độ nhạy tuyến tính của độ cảm biến trong khả năng phân biệt sự thay đổi nhỏ nhầt của cường độ phản xạ sóng từ các vật thể

Ngoài ra, số bit dùng trong ghi nhận thông tin cũng là một đặc trưng của độ phân giải bức xạ, vì nó quyết định chất lượng ảnh (cấp độ sáng) khi được hiển thị

a - ảnh 1 bit, b - ảnh 2 bit, c - ảnh 3 bit, d - ảnh 4 bit, e - ảnh 6 bit, f - ảnh 8 bit

Hình 2.4 Độ phân giải bức xạ

2.2.3 Độ phân giải thời gian của ảnh vệ tinh

Độ phân giải thời gian không liên quan đến thiết bị ghi ảnh mà chỉ liên quan

đến khả năng chụp lặp lại của ảnh vệ tinh Ảnh được chụp vào những ngày khác

nhau cho phép so sánh đặc trưng bề mặt theo thời gian Nếu dự án yêu cầu đánh giá

sự biến động, hoặc tách những thay đổi thì cần phải biết có bao nhiêu dữ liệu ảnh

sẵn có cho khu vực nghiên cứu? Ảnh có thể chụp trở lại sau thời gian bao lâu? Vệ

tinh có thường xuyên chụp lại cùng vị trí?

Ưu thế của độ phân giải không gian là cho phép cung cấp thông tin chính xác

hơn và nhận biết được sự biến động của một khu vực cần nghiên cứu

2.2.4 Xác định độ phân giải thích hợp nhu cầu công việc

Tăng độ phân giải của ảnh vệ tinh dẫn đến tăng độ chính xác và cung cấp

được nhiều thông tin có ích Tuy nhiên, điều này không đúng cho một số trường

hợp, nên việc xác định cho độ phân giải tối thiểu để đáp ứng yêu cầu sẽ cho phép

tiết kiệm thời gian và kinh phí Vì thường ảnh có độ phân giải cao thì giá thành cao

hơn và cần phải tăng dung lượng lưu trữ cũng như đòi hỏi hardware và software đủ mạnh cho việc xử lý ảnh

2.2.5 Chất lượng ảnh vệ tinh

Chất lượng của dữ liệu ảnh vệ tinh được đánh giá qua tỷ số giữa tín hiệu nhập S cần thiết và mức độ nhiễu N (signal to noise radio) Tỷ số S/N được xác định thông qua biểu thức sau:

Tỷ số

N

S N

S

10

log20

= [dB] (2.1)

Thông tin được lưu trong dữ liệu ảnh số theo đơn vị bit, thông thường các ảnh viễn thám được ghi theo 6, 7, 8 hoặc 10 bits (vệ tinh NOAA dùng 10 bit để ghi) Trong xử lý ảnh số bằng máy tính, đơn vị thường sử dụng là byte (1 byte = 8 bits) Do đó, đối với ảnh thu được mã hóa có số bits nhỏ hơn hoặc bằng 8 thì được lưu dưới dạng 1 byte (byte type) Đối với ảnh có số bits lớn hơn 8 được lưu dưới dạng 2 byte hay trong một từ có thể lưu được 65536 cấp độ xám Toàn bộ dung lượng của một dữ liệu ảnh đa phổ được xác định bởi:

Dung lượng của một ảnh (byte) = số hàng x số cột x số kênh x số bit/8

Ngoài ra để thể hiện ảnh tốt hơn người ta thực hiện các phương pháp tăng cường chất lượng ảnh Đây là thao tác được áp dụng trong quá trình xử lý ảnh để làm tăng chất lượng ảnh, ảnh sau khi tăng cường chất lượng sẽ giúp cho công tác giải đoán bằng mắt hoặc xử lý bằng máy hiệu quả và chính xác hơn

2.3 Các khuôn dạng dữ liệu ảnh Vệ tinh

Dữ liệu ảnh số được ghi lại và tổ chức theo những trật tự nhất định gọi là khuôn dạng Đây là sự phối hợp vị trí không gian (hàng cột) và giá trị phổ để thu nhận, lưu trữ, thể hiện và phân tích ảnh

Khuôn dạng BSQ (Band Sequence): là khuôn dạng trong đó các kênh phổ

được lưu tuần tự hết kênh này sang kênh khác Nghĩa là mỗi ảnh ứng với một kênh

Khuôn dạng BIL (Band Interleaved by Line): Từng hàng được ghi theo thứ

tự của số kênh, mỗi hàng được ghi tuần tự theo giá trị của các kênh phổ và sau đó lặp lại theo thứ tự của từng hàng, như vậy sẽ tạo ra file dữ liệu ảnh chung cho các

kênh phổ

Khuôn dạng BIP (Band Interleaved by Pixel): Mỗi pixel được lưu tuần tự

theo các kênh, nghĩa là các kênh phổ được ghi theo hàng và cột của từng pixel Sau khi kết thúc tổ hợp phổ của pixel này lại chuyển sang tổ hợp phổ của pixel khác

Hình 2.5 Định dạng lưu trữ dữ liệu ảnh

Khuôn dạng BSQ có ưu điểm là dễ đọc, cho phép chọn kênh bất kỳ và rất thuận tiện khi xuất ảnh hoặc tổ hợp màu {3 bands lần lượt được chỉ định vào các màu tương ứng R (red) G (green) B (blue) để phối hợp màu}

Khuôn dạng BIP sử dụng tiện lợi trong phân loại tự động và sử lý ảnh đa biến

Ngoài các thông tin về ảnh của các đối tượng, trong file ảnh số còn lưu nhiều thông tin bổ trợ (chú giải) khác Các thông tin này được lưu ở các khuôn dạng chuẩn như WSF (World Standard Format) hoặc LTWG (Landsat Teachnical Working Group) để lưu trữ các thông số kỹ thuật về quá trình lưu thông tin, số liệu của hình ảnh, ngày, tháng, năm, các chỉ tiêu chất lượng…

2.4 Một số loại Vệ tinh chụp ảnh độ phân giải siêu cao

Hình 2.6 Đặc tính phổ và độ phân giải ảnh IKONOS

Dữ liệu số ảnh Ikonos được lưu trữ theo cấu trúc ảnh 11 bit Vệ tinh Ikonos

có thể nhìn vào đối tượng và cố định trong vài giây, có thể hướng theo đối tượng khảo sát

2.4.2 Ảnh vệ tinh SPOT

Systeme Pour L’observation de La Terre (SPOT) do Trung tâm nghiên cứu không gian của Pháp - French Centre National d’etudies Spatiales (CNES) thực hiện, có sự tham gia của Bỉ và Thụy Điển

Vệ tinh SPOT-1 được phóng lên quỹ đạo ngày 21-2-1986 và SPOT-3 phóng ngày 25-9-1993 Đó là quỹ đạo phân cực, gần trùng với quỹ đạo mặt trời có các vệ tinh SPOT từ 1 – 5

Hình 2.7 Các thế hệ vệ tinh SPOT

Quỹ đạo bay: Quĩ đạo cận cực, nghiêng so với mặt phẳng quĩ đạo ~98.8o, cho phép chụp ảnh được bất kỳ vị trí nào trên trái đất Quĩ đạo đồng bộ mặt trời, thời gian vệ tinh bay qua theo giờ địa phương là gần như nhau (qua xích đạo lúc 10 giờ 30 phút cho phép chụp ảnh mọi nơi với độ chói của mặt trời gần như nhau) Chu

kỳ lặp lại là 26 ngày sau khi đã bay vòng quanh trái đất được 369 lần

SPOT cho phép bay chụp tạo ảnh lập thể từ trên cùng 1 dải bay hay từ nhiều dải bay, nhưng cho tới thời điểm hiện nay tất cả các cặp ảnh lập thể đều được chụp

từ các dải bay khác nhau Công nghệ chụp ảnh lập thể trên cùng dải bay vẫn chưa ược đưa ra thương mại

Diện tích phủ trùm tờ ảnh lớn : 60 x 60 km

Các loại sản phẩm được cung cấp bởi nhà cung cấp ảnh:

Mức 1A: Ảnh thô, chưa xử lý hình học và phổ (hình học ảnh được xử lý hệ thống)

Mức 1B: Hình học của ảnh tương đương mức 1A, phổ được loại trừ yếu tố nhiễu

Mức 2A: Xử lý hình học bằng mô hình vật lý không có điểm khống chế, phổ

ở mức 1B

Mức 2B: Xử lý hình học bằng mô hình vật lý, dùng điểm khống chế mặt đất,

có xử lý phổ bằng các thuật toán tăng cường chất lượng ảnh, có sử dụng phép lọc

ảnh

Mức 3 (trực ảnh): Xử lý hình học bằng mô hình vật lý, dùng điểm khống chế mặt đất, sử dụng mô hình số địa hình (DEM) loại bỏ biến dạng do chênh cao địa

hình Có (hoặc không) xử lý phổ bằng các thuật toán tăng cường chất lượng ảnh

2.4.3 Ảnh vệ tinh QUICKBIRD

QuickBird được phóng lên vũ trụ vào ngày 18 tháng 10 năm 2001, là hệ tạo ảnh vệ tinh thứ hai sau IKONOS cho ra ảnh có độ phân giải cao so với ảnh chụp photos Nó cho ra khả năng cao nhất về độ phân giải Kênh toàn sắc có độ phân giải

là 0,61 m và độ phân giải của các kênh đa phổ là 2,44 m

Bảng 2.1 Các đặc điểm của ảnh vệ tinh QuickBird

Ngày phóng 18 tháng 10 năm 2001

Thiết bị phóng Boeing Delta II

Địa điểm phóng Vandenberg Air Force Base, Caliornia

Độ cao quỹ đạo 450 km

Góc nghiêng quỹ đạo 97,2o, đồng bộ mặt trời

Thời gian cắt qua xích đạo 10 giờ 30’ sáng (điểm đi xuống)

Thời gian hoàn thành một quỹ đạo 93,5 phút

Thời gian lặp lại một vị trí 1 – 3,5 ngày phụ thuộc vĩ độ (30điểm thiên đế) o tính từ

Độ rộng di quét 16.5 km x 16.5 km tại điểm thiên đế

Độ chính xác tính theo hệ mét 23 m mặt phẳng (theo tiêu chuẩn CE90)

Độ phân giải ảnh đen trắng: 61 cm (tại điểm thiên đế) đến 72 cm (25o tính từ điểm thiên đế)

ảnh đa phổ: 2,44 m đến 2,88 m tương ứng Các băng ảnh Đen trắng (pan): 450 - 900 nm

Lam (blue): 450 - 520 nm Lục (green): 520 - 600 nm

Đỏ (red): 630 - 690 nm Cận hồng ngoại ( NIR): 760 - 900 nm

Hình 2.8 Vệ tinh QuickBird và độ phân giải theo góc nhìn

Các loại sản phẩm ảnh được cung cấp bởi công ty DigitalGlobe

Ảnh mức độ 1 (Basic Imagery): Là sản phẩm được xử lý ít nhất, với mức độ ảnh

này thì ảnh đã được xử lý về phổ, các yếu tố nội sai, sai số do thấu kính và lỗi của Sensor

+ 1A- Chưa xử lý

+ 1B- Xử lý phổ, loại bỏ các yếu tố nội sai, lỗi do thấu kính và sensor

Ảnh mức độ 2 (Standard Imagery): Được gọi là sản phẩm bậc Geo, được xử lý

phổ ở mức cao hơn và đã được xử lý hình học để loại bỏ một số lỗi do yếu tố ngoại sai, lỗi sensor

+ 2A - Xử lý hình học mức độ 1B

+ 2B - Xử lý hình học mức độ 2A

Ảnh mức độ 3 (Orthorectified Imagery): Đây là sản phẩm đã được nắn chỉnh trực

giao, được xử lý hình học ảnh tốt hơn, người sử dụng có thể sử dụng mà không cần phải xử lý gì thêm

Quy tắc đặt tên sản phẩm của nhà cung cấp:

Do dữ liệu ảnh rất lớn gây khó khăn và không thuận tiện trong việc ghi chép

dữ liệu lên dĩa CD, do đó ảnh được cắt thành các phần nhỏ, được đặt tên theo quy tắc như sau:

Hình 2.10 Quy tắc chia ảnh và đặt tên sản phẩm ảnh QuickBird

Trong đó:

- P001 là tờ ảnh thuộc dãi bay thứ nhất (khu vực ảnh nằm trọn trong dãi bay)

- R1C1: hàng thứ 1, cột thứ 1- chia mảnh và đánh số theo quy tắc từ trái qua phải, từ trên xuống dưới

Tên của sản phẩm được đặt như sau:

<Tên sản phẩm>=<Thời gian><Thông tin><Số thứ tự><Phần mở rộng>

Tên sản phẩm = 08SEP01123645-P2AS-000000000987_01_P001.TIF

<Thời gian> = 08SEP01 (ngày) 123645 (giờ)

<Thông tin sản phẩm> = P (pan) 2A (standard imagery) S (single/sub-scene) _R1C1 (phân mảnh)

08SEP01123645-P2AS-000000000987_01_P001.TIL

(cung cấp các thông số để nối các tờ ảnh lại thành 1 cảnh ảnh)

Bảng 2.2 Mức độ ảnh và loại ảnh của nhà cung cấp

Single/Sub-R1C1 = row1,column1

TIF = GeoTIFF 1.0

R2C2 = row2,column2

3F = Ortho (1:5,000)

ect

3G = Ortho (1:4,800)

3X = Custom Ortho

2.5 Các thiết bị lưu trữ dữ liệu ảnh Vệ tinh

Ảnh vệ tinh thường chứa khối lượng thông tin cực kỳ lớn do đó vấn đề lưu trữ, bảo quản, trao đổi… cần phải được quan tâm thích đáng Việc tìm kiếm các phương tiện có khả năng lưu trữ dung lượng lớn các thông tin ảnh (nhận từ vệ tinh hay sau khi xử lý) phải đảm bảo an toàn Dưới đây là 8 phương tiện lưu trữ đã và đang được sử dụng trong quá trình hình thành và phát triển của kỹ thuật viễn thám

2.5.1 Băng từ

Được sử dụng rộng rãi bởi tính chuẩn hóa của nó Các máy tính khác nhau có thể đọc, ghi một cách dễ dàng các thông tin trên băng từ Tuy nhiên, nhược điểm cơ bản là kích thước của chúng khá lớn và giá thành cao

2.5.2 Băng từ loại nhỏ

Có kích thước bé hơn băng từ nên tương đối phổ cập cho các máy vi tính cũng như trạm làm việc Nhược điểm lớn nhất của nó là tốc độ chuyển dữ liệu khá chậm

2.5.3 Băng từ âm thanh số

(Digital Audio Tape - DAT) có kích thước nhỏ hơn loại (b), nhưng khả năng lưu trữ cao hơn và giá thành thấp hơn Tuy nhiên, tốc độ chuyển đổi số liệu vẫn còn khá chậm

2.5.6 Đĩa quang từ MO (Magneto –Optical disk)

MO disk cho phép tái ghi lại thông tin, có thể trao đổi giữa các máy với nhau, tốc độ truy cập nhanh và dung lượng lưu trữ rất lớn giống như đĩa cứng (hard disk) do giá thành rẻ nên sử dụng khá phổ biến cho các hệ xử lý ảnh trên các máy

PC cũng như Work Station của thập niên 90

2.5.7 Đĩa quang học ghi lại một lần, đọc nhiều lần (WORM):

Đây là một dạng của CD-ROM, các tổ chức thường phân phối và cung cấp

dữ liệu viễn thám được ghi trên đĩa này Hiện nay, CD-ROM có khả năng xóa hoặc

ghi lại với thời gian truy xuất rất nhanh, dung lượng lưu trữ lớn và ít khả năng bị hỏng, nên được sử dụng khá phổ biến

2.5.8 Đĩa mềm

Được sử dụng rộng rãi trên PC vì giá thành rẻ và có khả năng trao đổi dữ liệu

dễ dàng Tuy nhiên, nhược điểm cơ bản là tốc độ truy xuất chậm và khả năng lưu trữ số liệu quá nhỏ, thông thường chỉ được 1,4 Mb, hiện nay không còn được sử dụng vì dung lượng nhỏ và dễ hỏng