Xây Dựng Phần Mềm Nhận Diện Vật Thể Trong Ảnh Viễn Thám SAR

SARscape là một bộ các module chuyên dụng được phát triển và chạy trên nền phần mềm ENVI của hãng Exelis VIS ( hiện thuộc tập đoàn Harris Mỹ). ENVI SARScape bao gồm bộ công cụ đa dạng chuyên xử lý và phân tích dữ liệu RadarSAR (Synthetic Aperture Radar) được kết hợp với các tính năng xử lý ảnh vượt trội của ENVI cho phép theo dõi biến động, thành lập DEM và lập bản đồ dịch chuyển… ENVI SARscape chuyên phân tích xử lý nhiều dạng dữ liệu RadarSAR chụp từ vệ tinh và máy bay, với các tính năng kỹ thuật cho phép người dùng xử lý và diễn giải dữ liệu RadarSAR khó hiểu thành thông tin có ý nghĩa phù hợp với bối cảnh.

TRƯỜ NG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ 1

Đề Tài: Xây Dựng Phần Mềm Nhận Diện Vật Thể Trong Ảnh

Viễn Thám SAR

GVHD : Hà Duyên Trung Sinh Viên Thực Hiện: Nguyễn Đình Đức

MSSV: 20187121

LỜI NÓI ĐẦU

Mặc dù công nghệ viễn thám radar đã phát triển khá lâu trên thế giới, tuy nhiên sựgia nhập của cộng đồng khoa học Việt Nam vào lĩnh vực này còn non trẻ thể hiện quanhững công trình nghiên cứu và công bố còn ít về số lượng so với mặt bằng chung trênthế giới Ngoại trừ những ứng dụng radar trong quân sự, hầu hết lực lượng nghiên cứu

và sử dụng ảnh viễn thám radar khẩu độ tổng hợp (SAR) là những người đã từng cókinh nghiệm làm việc với viễn thám quang học mà chưa có lực lượng tương đốichuyên về lĩnh vực này Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh của công nghệ vũ trụ

dữ liệu vệ tinh (quang học và radar) ngày một đa dạng về chủng loại, chất lượng khácnhau, đặc biệt là có nhiều dữ liệu được cung cấp miễn phí cho mọi đối tượng ngườidùng, điều này rất khác biệt với thời kỳ đầu phát triển của công nghệ vệ tinh, đa số cácsản phẩm vệ tinh được thương mại hóa Do vậy, tăng cường sử dụng hiệu quả nhữngnguồn dữ liệu quý giá này là một nhu cầu mang tính cấp thiết trong nhiều ngành liênquan Về mặt ứng dụng, vài thập kỷ trước cộng đồng khoa học tập trung nhiều vàocông nghệ xử lý ảnh, phân loại ảnh và kiểm chứng kết quả, trong thời gian gần đây với

sự ra đời của các thuật toán mạnh (học máy, trí tuệ nhân tạo…) đã tạo ra bước ngoặttrong công nghệ nói chung và công nghệ vũ trụ nói riêng nhằm tạo ra những sản phẩmmang tính đột phá, hiệu quả cao, trong đó có áp dụng hệ thống dữ liệu lớn … Quakhảo sát sơ bộ về số lượng công trình công bố trong lĩnh vực viễn thám radar ở nước ta

áp dụng trong khoa học Trái Đất còn hạn chế, nhóm tác giả nhận thấy sự cần thiếtcung cấp cho độc giả những thông tin cần thiết về viễn thám radar, viễn thám radarkhẩu độ tổng hợp (SAR) và giới thiệu khả năng ứng dụng trong một số lĩnh vực

LỜI CAM ĐOAN

Chúng em xin được đảm bảo các dữ liệu được nêu trong đồ án là hoàn toàn trung thực, phản ánh đúng kết quả đo đạc thực tế Mọi thông tin trích dẫn đều tuân thủ các quy định về sở hữu trí tuệ; các tài liệu tham khảo được liệt kê rõ ràng Chúng tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm với những nội dung được viết trong báo cáo này.

MỤC LỤC

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT i

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VIỄN THÁM RADAR 1

1.1 NGUYÊN LÝ VIỄN THÁM RADAR 1

1.2 NGUYÊN LÝ ẢNH VỆ TINH SAR 4

1.2.1 Nguyên lý 5

1.2.2 Băng tần và bước sóng 6

1.3 ĐẶC ĐIỂM ẢNH SAR VÀ MỘT SỐ VỆ TINH QUAN SÁT 7

1.3.1 Ưu điểm của ảnh SAR 7

1.3.2 Hạn chế của ảnh SAR 8

1.3.3 Một số vệ tinh SAR quan sát Trái Đất 9

CHƯƠNG 2 XỬ LÝ ẢNH VỆ TINH SAR 10

2.1 ĐẶC ĐIỂM XỬ LÝ ẢNH VỆ TINH SAR 10

2.2 TIỀN XỬ LÝ ẢNH SARo 10

2.3 GIỚI THIỆU MỘT SỐ LOẠI ẢNH SAR 11

2.4 KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG SAR 14

CHƯƠNG 3 PHẦN MỀM ENVI SARscape 16

TÀI LIỆU THAM KHẢO 19

Từ/Cụm từ viết tắt Tiếng Anh đầy đủ Giải thích

Radar khẩu độ tổng hợp tiên tiến

Radar giao thoa

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VIỄN THÁM RADAR

1.1 NGUYÊN LÝ VIỄN THÁM RADAR

Trước tiên để hiểu rõ hơn về viễn thám radar chúng ta cần sơ lược về viễnthám chung Đã có rất nhiều định nghĩa về viễn thám được đưa ra song chúngđều mang nội dung chính là công nghệ khoa học nghiên cứu các phương phápthu thập, đo lường và phân tích thông tin của vật thể từ xa mà không cần tiếpxúc trực tiếp với chúng [1]

Một số định nghĩa tiêu biểu về viễn thám như:

- Viễn thám chính là việc thu nhận thông tin vật lý của một đối tượng màkhông cần chạm hay tiếp xúc với nó [2];

- Viễn thám là sự quan sát một mục tiêu bằng một thiết bị từ một khoảng cáchnào đó [3];

- Thuật ngữ "viễn thám" theo nghĩa rộng nhất chỉ đơn thuần có nghĩa là "trinhsát thăm dò ở một khoảng cách xa" (trích dẫn bởi Colwell, 1966, [4] trang 71);

- Viễn thám được định nghĩa không hoàn toàn chính xác như: bao gồm tất cảcác phương pháp thu thập hình ảnh hoặc các dạng dữ liệu khác nhận được

từ việc ghi nhận điện từ của bề mặt Trái Đất từ xa sau đó nghiên cứu, xử lýthành các dữ liệu hình ảnh Viễn thám sau đó theo nghĩa rộng liên quan đếnviệc phát hiện hình ảnh và ghi nhận các bức xạ điện từ từ vùng mục tiêutrong phạm vi nhận được của dụng cụ cảm biến Các bức xạ này có thể nhậnđược trực tiếp từ các thành phần của vùng mục tiêu; nó có thể là năng lượngmặt trời phản xạ từ chúng hoặc có thể là phản xạ của năng lượng truyền tớivùng mục tiêu từ chính cảm biến [5];

- Viễn thám là khoa học về thu thập thông tin từ khoảng cách xa về một đốitượng, nghĩa là không thực sự tiếp xúc với nó Được đo nhiều nhất trong các

hệ thống viễn thám hiện nay là năng lượng điện từ phát ra từ các đối tượngquan tâm Mặc dù còn có nhiều khả năng khác nữa (ví dụ như: sóng địachấn, sóng âm và lực hấp dẫn) [6]

1

Cũng có một số cách phân loại viễn thám theo hình dạng quỹ đạo của vệ tinh (vệtinh địa cực, vệ tinh địa tĩnh), dựa vào mục đích sử dụng (vệ tinh thời tết, vệ trinhsát, vệ tinh quan sát…), độ cao bay của vệ tinh (vệ tinh tầm thấp, tầm trung vàtầm cao)…

Dựa vào loại nguồn phát và tín hiệu thu nhận người ta phân loại viễn thám ra 2loại đó là:

+ Chủ động (active): Nguồn tia tới là năng lượng phát ra từ các thiết bị nhântạo, thường là các máy phát đặt trên thiết bị bay nó chủ động gửi xung và thunhận lại tín hiệu phản xạ lại cảm biến

+ Bị động (passive): Nguồn phát là Mặt Trời hoặc các vật chất tự nhiên, cảmbiến là hệ thống phát hiện năng lượng khi nguồn năng lượng tự nhiên có sẵn,

ví dụ như Mặt Trời Chính vì vậy, việc thu tín hiệu bằng thiết bị bị động chỉxảy ra khi Mặt Trời chiếu sáng đối tượng được quan sát (Trái Đất)

Viễn thám radar có thể thuộc cả hai loại, loại viễn thám chủ động và bị động tùythuộc vào thiết bị cảm biến là chủ động hay bị động

Radar (viết tắt từ “Radio Detection And Ranging”) nghĩa là sóng radio (hay nóiđúng hơn là sóng điện từ) dùng để phát hiện và xác định vị trí của các đối tượng.Khi sử dụng tia radar để chụp ảnh thì đây là phương pháp viễn thám radar.Trong phương pháp này, tia radar phản hồi từ vật thể sẽ mang các thông tin vềvật thể và được sử dụng để tạo thành ảnh Khoảng cách từ phương tiện chụpảnh tới vật thể (dùng để xác định vị trí của đối tượng chụp ảnh) được xác địnhthông qua “ranging” - nghĩa là sắp xếp theo thời gian phản hồi của tia radar Độlớn của tia phản hồi cho thấy tương tác giữa tia radar với vật thể, vốn phụ thuộcvào bản chất vật lý của đối tượng (cùng với bản chất vật lý của tia radar, vốn đãđược xác định một cách chủ động) Với viễn thám radar, phương pháp áp dụng

là sử dụng ăngten đặt trên máy bay hoặc vệ tinh phát ra các sóng điện từ cóbước sóng từ 1 mm tới 1 m (hay có tần số từ 300 GHz tới 300 MHz) tới bề mặtTrái Đất sau đó nhận lại năng lượng phản xạ của các sóng này sau khi đã tươngtác với bề mặt của Trái Đất bằng ăngten thu

Herzt là người đầu tiên chứng minh được sự phản xạ của sóng radio từ các bềmặt kim loại để từ đó khởi nguồn cho sự nghiên cứu về sự phát triển của radio

và radar hiện đại [7]

2

Taylor và Young đã nhận ra tầm quan trọng, ý nghĩa khám phá của họ 9 đối vớiviệc định hướng hàng hải trong bóng tối và điều kiện thời tiết xấu Trong bốicảnh quân sự thì tiềm năng của nó là phát hiện ra các loại vũ khí của đốiphương Những nỗ lực ban đầu để thực hiện ý tưởng này phụ thuộc vào việc đặt

vị trí máy phát và máy thu sao cho tín hiệu vi sóng liên tục được phản xạ từ mộtđối tượng sau đó được thu bởi một máy thu ở một khoảng cách xa Các thiết bịdần được phát triển để trở thành một dụng cụ duy nhất chứa cả máy phát vàmáy thu ở cùng vị trí Điều này được tích hợp theo cách cho tín hiệu xung có thểphản xạ từ mục tiêu trở lại cùng một ăngten truyền tín hiệu Những công cụ nàyđầu tiên được phát minh ra trong những năm 1933-1935 đồng thời ở Hoa Kỳ(Young và Taylor), Anh và Đức Một nhà phát minh người Anh: Sir RobertWatson-Watt, đôi khi được coi là nhà phát minh ra hệ thống radar đầu tiên, mặc

dù Young và Taylor được các nhà sử học khác ghi nhận [8]

Sóng radar hay còn gọi là vi sóng (microwave), là một dải sóng của quang phổđiện từ, có bước sóng trong khoảng từ 1mm đến 1m được dùng trong viễn thám(cả từ vệ tinh và máy bay) Radar (RAdio Detection And Ranging) là khái niệmdùng để phát hiện và xác định vị trí của các đối tượng Radar từ lâu đã được sửdụng cho mục đích quân sự và phi quân sự trong nhiều ứng dụng khác nhaunhư hình ảnh, hướng dẫn, viễn thám và định vị toàn cầu

Việc phát triển radar như một công cụ phát hiện máy bay và tàu biển đã đượcbắt đầu trong những năm 1920 Các ảnh radar đầu tiên, được phát triển trongThế chiến II, sử dụng B-Scan tạo ra hình ảnh ở dạng hình chữ nhật.Vào nhữngnăm 1950, Radar nhìn từ trên không (SLAR – Side looking airbone radar) đãđược phát triển Đặc tính của hệ thống SLAR là “SL” – side looking chỉ rõ đặcđiểm quét về phía bên hông (side) theo chiều di chuyển của máy bay Điều này

là hiển nhiên để giúp cho khoảng cách, qua đó là vị trí của các điểm trên mặt đất,

có thể được phân biệt và nhận biết trên ảnh radar Các phiên bản đầu tiên của

hệ thống SLAR được sử dụng chủ yếu cho mục đích trinh sát quân sự Cho đếngiữa những năm 1960, hình ảnh SLAR có độ phân giải cao đầu tiên đã được giảimật và 10 được sử dụng có hiệu quả về mặt khoa học

Vào năm 1952, hệ thống làm tăng độ phân giải nhờ hiệu ứng Doppler của chùmtia radar được phát triển bởi Wiley của Goodyear Corporation Nhóm radar tại cơ

sở nghiên cứu của Goodyear ở Litchfield, Arizona đã theo đuổi khái niệm doWiley phát triển và chế tạo hệ thống SAR trên không đầu tiên, bay trên một chiếc

3

máy bay DC-3 vào năm 1953 Hệ thống radar này hoạt động ở tần số 930 MHz,

sử dụng ăngten Yagi với độ rộng khẩu độ thực 100 Vào cuối những năm 1950

và đầu những năm 1960, các hệ thống SAR được phát triển phổ biến tại Đại họcMichigan và tại một số nơi Đồng thời, các phát triển tương tự được tiến hành ởcác quốc gia khác như Nga, Pháp và Vương quốc Anh Việc sử dụng SAR choviễn thám là đặc biệt phù hợp với các quốc gia Bằng cách lựa chọn tần số hoạtđộng phù hợp, tia radar có thể xuyên qua các đám mây, sương mù, mưa với rất

ít sự suy giảm, do đó cho phép vận hành trong điều kiện thời tiết bất lợi ngăncản việc sử dụng hệ thống hồng ngoại/cận hồng ngoại

Một cách thông thường, viễn thám radar được phân loại như sau:

- Phân loại theo nguồn sóng radar: Radar chủ động (Trên thực tế, hiện naycác vệ tinh radar hầu hết là radar chủ động) và radar bị động

- Phân loại theo số lượng vệ tinh tham gia vào quá trình chụp ảnh radar: hệthống đơn và hệ thống kép

- Phân loại theo bước sóng (băng

1.2 NGUYÊN LÝ ẢNH VỆ TINH SAR

1.2.1 Nguyên ý

Hình 1.1 Hệ thống radar quét nghiêng

4

Radar khẩu độ tổng hợp (SAR) là một hệ thống tạo ảnh radar nhìn nghiêngtận dụng sự di chuyển của vật mang để tạo ảnh độ phân giải cao

Hoạt động theo nguyên lý của radar, SAR sử dụng ăngten bức xạ sóng điện

từ và thu nhận tín hiệu phản hồi Sự kết hợp nhất quán tín hiệu phản hồi chophép tạo nên một khẩu độ (hay ăngten) ảo có chiều dài lớn hơn nhiều lần chiềudài ăngten thực tế của thiết bị SAR Hệ thống radar với việc mô phỏng, tạo ramột khẩu độ ảo kích thước cực lớn này do vậy được gọi là “radar khẩu độ tổnghợp” Về cơ bản SAR là sự kết hợp của radar và công nghệ xử lý tín hiệu Ảnh

vệ tinh SAR (sau đây gọi là ảnh SAR) được tạo ra từ quá trình xử lý ảnh thô (tức

là sau khi tạo khẩu độ tổng hợp), mang thông tin về pha và độ lớn [10]

Thiết bị của SAR truyền xuống dạng sóng biến điệu tần số Độ lớn của dạngsóng này không thay đổi trong thời gian truyền xung τ, trong khi đó tần số tứcthời biến đổi theo một hàm tuyến tính theo thời gian:

Hình 1.2 Khẩu độ tổng hợp

F= k*´ t (1-5)Với hệ số k, khái niệm băng thông được đưa ra theo công thức (1-6):

5

B = k ´ t (1-6) Quá trình phát và thu tín hiệu được lặp đi lặp lại trong mỗi khoảng thời giangọi là “khoảng lặp xung” PRI (Pulse Repetition Interval), chính là nghịch đảo củatần số lặp xung PRF (Pulse Repetition Frequency) được tính theo công thức:

PRI = 1/ PRF(1-7)Tín hiệu thu được được tạo thành một ma trận dữ liệu hai chiều ở dạng sốphức với phần thực cho thông tin về độ lớn và phần ảo cho thông tin về pha Độlớn và pha của tín hiệu phản hồi phụ thuộc vào tính chất vật lý (bao gồm đặcđiểm hình học và độ nhám) và hằng số điện môi của đối tượng trên bề mặt đất.Chiều thứ nhất của ma trận tương ứng với phương truyền xung, mỗi dòng là mộtdãy tín hiệu sau khi đã được khuếch đại, chuyển đổi về băng cơ sở, số hóa vàchứa trong bộ nhớ Radar ghi lại một dòng tín hiệu mỗi khi nó dịch chuyển mộtkhoảng cách PRI, do đó tạo nên chiều thứ hai của ma trận – chính là chiều theophương di chuyển Điểm đặc biệt của SAR là tín hiệu trả về được lấy mẫu lạitheo cả hai phương

1.2.2 Băng Tần Và Bước Sóng Của Ảnh SAR:

Hầu hết các cảm biến radar hoạt động ở bước sóng cực ngắn (0,5 – 75 cm) củaphổ điện từ có tần số từ 0,3 – 300 GHz Băng tần được sử dụng nhiều trong viễnthám là băng X (2,4 – 3,75 cm), băng C (3,75 – 7,5 cm) và băng L (15 – 30 cm)

và được mô tả chi tiết trong Bảng 1-1

sát băng biển (RADARSAT, ERS-1)

S 4 – 2 GHz 7,5 – 15 cm Thường được ứng dụng trong khí

tượng như: Đo lượng mưa, giám

sát sân bay

L 2 – 1 GHz 15 – 30 cm Với khả năng đâm xuyên của băng

L, băng L được ứng dụng quan trắctrên bề mặt thảm thực vật, giám sátdải băng và động lực học sôngbăng (ALOS PALSAR)

p 1 – 0,3 GHz 30 – 100 cm Cho đến nay băng P chỉ sử dụng

cho nghiên cứu và ứng dụng thửnghiệm Khả năng đâm xuyên quacác tán cây (đây cũng là yếu tốquan trọng để ước tính sinh khốithực vật), băng biển, đất, sông

băng

Bảng 1-1: Băng tần và bước sóng của ảnh SAR

1.3 ĐẶC ĐIỂM ẢNH SAR VÀ MỘT SỐ VỆ TINH QUAN SÁT

1.3.1 Ưu điểm

Một trong những ưu điểm nổi bật nhất của ảnh radar là khả năng chụp ảnhchủ động với bước sóng được sử dụng trong hệ thống chụp ảnh radar thuộc dảisóng radio, với bước sóng dài hơn bước sóng được sử dụng trong viễn thámquang học khoảng 100.000 lần [11] do đó có khả năng đâm xuyên cao, có thểxuyên qua mọi điều kiện khí quyển như sương mù, mưa nhẹ, tuyết và khói Giao thoa cũng là một trong những lợi thế độc đáo chỉ có ở ảnh radar chủđộng do sử dụng một bước sóng duy nhất và kiểm soát được kể cả pha củasóng Nó được ứng dụng trong các lĩnh vực như: ứng dụng trong nghiên cứu địachấn (động đất); ứng dụng trong nghiên cứu núi lửa; trong nghiên cứu trượt lở

và sụt lún; nghiên cứu lâm nghiệp; trong nghiên cứu địa hình…

Phân cực cũng là một trong các ưu thế của sóng radar, nó là hướng trườngđiện của sóng điện từ truyền và nhận bởi ăng ten

7

1.3.2 Hạn chế

Hạn chế lớn nhất của ảnh SAR so với ảnh viễn thám quang học cũng xuấtphát từ đặc điểm thu nhận ảnh nghiêng của hệ thống SAR do đó biến dạng hìnhảnh của ảnh SAR sẽ lớn hơn đặc biệt những khu vực có chênh lệch về độ caolớn đẫn tới những khu vực bị địa hình che khuất hoặc công trình lớn che sẽ bịmất số liệu

Hạn chế thứ hai về lượng thông tin về màu của ảnh SAR (ảnh đen trắng

0-255 màu) thấp hơn so với ảnh quang.Các bước sóng dài có khả năng đâmxuyên tốt và hầu như không bị ảnh hưởng của các yếu tố thời tiết như mây,sương mù và mưa, tuy nhiên các vệ tinh SAR sử dụng băng tần ở bước sóngngắn như băng Ka, Ku và X thì vẫn bị ảnh hưởng của các yếu tố này Chính vìthế băng Ka, Ku ít được sử dụng hơn Ảnh hưởng của các yếu tố thời tiết đếnảnh SAR băng X ít hơn, tuy nhiên với trận mưa lớn thì ảnh hưởng gây nhiễu choảnh SAR băng X là đáng kể, đặc biệt là ảnh hưởng của hơi nước tới cácphương pháp giao thoa khi sử dụng ảnh SAR là rất đáng kể [12]

Một hạn chế mang tính tạm thời đó là do tính phức tạp của ảnh SAR thì khi

xử lý ảnh SAR đòi hỏi người xử lý có trình độ chuyên môn cao hơn

1.3.3 Một Số Vệ Tinh

8