Luận án: Đánh giá chất lượng ảnh viễn thám quang học tại Việt Nam - Phương pháp MTF & SNR

Tính cấp thiết của đề tài Chất lƣợng dữ liệu ảnh viễn thám đƣợc đánh giá trên các mặt khác nhau nhƣ: kỹ thuật viễn thám, ứng dụng của viễn thám, kinh tế. Những khía cạnh đó đều dựa trên các thông số kỹ thuật của dữ liệu ảnh hay nói cách khác là chất lƣợng ảnh về mặt kỹ thuật viễn thám. Dữ liệu ảnh viễn thám quang học mà ngƣời dùng tiếp cận đƣợc hầu hết ở mức 1A, 2A hay cao hơn nữa; đồng thời, các nhà cung cấp thƣờng định hƣớng chỉ tiêu chất lƣợng ảnh dựa trên khái niệm về các loại độ phân giải. Do đó, dữ liệu ở mức thấp hơn nhƣ mức 0 ít đƣợc quan tâm.

Nhƣ vậy, đối với các dữ liệu trƣớc mức 2A nhƣ mức 1A hay trƣớc đó là mức 0 thì có đƣợc đánh giá không và đánh giá nhƣ thế nào? Đây là một bài toán thƣờng đƣợc giải bởi nhà sản xuất hoặc đơn vị quản lý hệ thống vệ tinh viễn thám. Các giá trị để đánh giá thƣờng liên quan trực tiếp đến các mô hình quang học, điện tử, cơ khí, động lực học,… của toàn bộ quả vệ tinh. Vì lý do bảo mật, các mô hình này thƣờng không đƣợc công bố; hơn thế nữa đối với mỗi thế hệ vệ tinh khác nhau các mô hình này cũng không giống nhau hoàn toàn thậm chí là ngay cả trong một thế hệ nhƣng mỗi quả vệ tinh cũng có đặc thù riêng. Để đánh giá chất lƣợng ảnh có rất nhiều thông số và đƣợc chia thành hai nhóm nhƣ sau: nhóm liên quan đến yếu tố không gian có hàm truyền điều biến, sai số vị trí, độ méo ảnh, khoảng cách lấy mẫu góc, khoảng cách lấy mẫu mặt đất, chất lƣợng định hƣớng, độ rộng dải chụp.

và nhóm liên quan đến yếu tố bức xạ có tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu, tín hiệu tối, hồi đáp bức xạ không đồng đều của điểm ảnh, dải động bức xạ,… [18,52,16] Mặc dù có nhiều thông số nhƣng ảnh hƣởng của chúng đến chất lƣợng ảnh không phải là nhƣ nhau; đồng thời cũng không phải thông số nào mà đơn vị quản lý hệ thống vệ tinh có thể chủ động đánh giá đƣợc. Vì vậy cần xác định rõ những thông số nào đặc trƣng cho chất lƣợng ảnh và có thể thực hiện công tác đánh giá; đồng thời cũng chỉ ra đƣợc tình trạng hoạt động của thiết bị chụp ảnh trên vệ tinh. Do có nhiều thông số để đánh giá chất lƣợng ảnh nên mỗi hệ thống vệ tinh viễn thám quang học có bộ thông số khác nhau để đánh giá chất lƣợng ảnh, hai thông số xuất hiện thƣờng xuyên trong các bộ thông số đó là: tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu, đƣợc viết tắt là 2 SNR (Signal to Noise Ratio), và hàm truyền điều biến, đƣợc viết tắt là MTF (Modulation Transfer Function). Trong điều kiện của Việt Nam vẫn còn thiếu phòng thí nghiệm, các thiết bị hỗ trợ, mới có bãi kiểm định đƣợc xây dựng tại thành phố Buôn Ma Thuột, tỉnh Đắk Lắk, đƣợc đƣa vào sử dụng từ 2017, và các bãi kiểm định tự nhiên trên thế giới; nghiên cứu sinh đề xuất lựa chọn hai thông số MTF và SNR để đánh giá chất lƣợng ảnh.

Đây là hai thông số không chỉ thể hiện đƣợc chất lƣợng ảnh, mà còn tính toán đƣợc với điều kiện có các bãi kiểm định nhƣ đã nêu trên. Do đó hai thông số này thích hợp với để đánh giá chất lƣợng ảnh viễn thám quang học của Việt Nam với thực trạng hiện nay. Điều kiện hoạt động khắc nghiệt ngoài không gian cùng với quá trình phóng lên quỹ đạo dẫn đến suy giảm chất lƣợng của các thiết bị trên vệ tinh, đặc biệt thiết bị thu nhận ảnh vốn có cấu trúc phức tạp với độ chính xác cao. Tuy nhiên, việc suy giảm có thể chấp nhận đƣợc trong một giới hạn cho phép nào đó, và điều quan trọng là cần phải xác định đƣợc tình trạng hoạt động thực tế của thiết bị chụp ảnh trên vệ tinh trong điều kiện không tiếp xúc trực tiếp đƣợc với thiết bị.

Do vậy, ngay từ khi các vệ tinh viễn thám đƣợc đƣa vào sử dụng, các nhà khoa học đã nghiên cứu, đề xuất nhiều phƣơng pháp để đánh giá chất lƣợng của hệ thống chụp ảnh trên vệ tinh, và phƣơng pháp đánh giá gián tiếp sử dụng dữ liệu ảnh là hƣớng tiếp cận đƣợc áp dụng rộng rãi [53,33,79]. Dữ liệu ảnh thu đƣợc của các hệ thống vệ tinh viễn thám quang học là rất lớn, nhƣng không phải bất kỳ dữ liệu ảnh nào cũng có thể đƣợc sử dụng để đánh giá chất lƣợng ảnh mà chúng cần đáp ứng đƣợc các tiêu chí riêng. Ví dụ đối với thông số SNR thì các dữ liệu ảnh cần có các khu vực đồng nhất hay có thể tổ hợp đƣợc thành vùng đồng nhất; với thông số MTF thì các dữ liệu ảnh cần có chuỗi các vật thể với tần số không gian khác nhau và cùng giá trị phản xạ. Trong viễn thám, việc có thể tìm đƣợc các khu vực đồng nhất để đánh giá thông số SNR là khả thi; tuy nhiên để đánh giá thông số MTF thì cần có những khu vực đặc thù, và hầu hết là đƣợc chuẩn bị trƣớc, các khu vực đó thƣờng đƣợc gọi là bãi kiểm định.

Ngoài ra cũng có một số phƣơng pháp đánh giá MTF khác không dùng dữ liệu ảnh các bãi kiểm định nhƣng không đƣợc sử dụng rộng rãi, vì yêu cầu dữ liệu đầu vào quá khắt khe nhƣ phƣơng pháp độ phân giải kép, hay không còn phù hợp với xu hƣớng phát triển của ảnh viễn thám quang học nhƣ phƣơng pháp khung toán tổng quát; hay do hƣớng 3 tiếp cận chƣa sát với chuyên môn của các nhà nghiên cứu nhƣ phƣơng pháp sử dụng mô hình tham số trực tiếp và gián tiếp của MTF. Trên cơ sở nghiên cứu các phƣơng pháp đã có, nghiên cứu sinh thực hiện đề tài “Nghiên cứu đánh giá chất lƣợng ảnh viễn thám quang học của Việt Nam” với phƣơng pháp đƣợc phát triển theo hƣớng định lƣợng, đề xuất quy trình đánh giá chất lƣợng ảnh viễn thám quang học của Việt Nam, phù hợp với điều kiện thực tế của nƣớc ta. Các kết quả thu đƣợc sẽ chỉ ra các ngƣỡng chất lƣợng ảnh cụ thể đối với những thông số đƣợc dùng để đánh giá là SNR và MTF. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là: - Đề xuất thông số để đánh giá chất lƣợng ảnh viễn thám quang học phù hợp với điều kiện của Việt Nam.

- Lựa chọn đƣợc phƣơng pháp và đề xuất quy trình đánh giá chất lƣợng ảnh viễn thám quang học đối với điều kiện của Việt Nam. Với hai mục tiêu đã đề ra ở trên, nghiên cứu sẽ góp phần xây dựng cơ sở khoa học đánh giá chất lƣợng ảnh viễn thám quang học, phục vụ công tác kiểm tra, đánh giá chất lƣợng ảnh các vệ tinh của Việt Nam. Nội dung nghiên cứu Để thực hiện đƣợc mục tiêu trên, đề tài cần thực hiện các nội dung nghiên cứu sau: - Nghiên cứu tổng quan về công tác đánh giá chất lƣợng ảnh viễn thám quang học đối với các hệ thống vệ tinh trên thế giới, bao gồm: thông số để đánh giá chất lƣợng ảnh, phƣơng pháp tính toán các thông số để đánh giá chất lƣợng ảnh, nguồn dữ liệu, bãi kiểm định chất lƣợng ảnh đƣợc sử dụng trong quá trình đánh giá. Trên cơ sở đó đề xuất lựa chọn thông số đánh giá chất lƣợng ảnh phù hợp với điều kiện của Việt Nam là SNR đại diện cho các yếu tố bức xạ và MTF đại diện cho các yếu tố không gian.

- Nghiên cứu cơ sở khoa học và phƣơng pháp đánh giá chất lƣợng ảnh viễn thám quang học qua hai thông số SNR và MTF. Từ đó, lựa chọn phƣơng pháp phù hợp với điều kiện của Việt Nam. - Nghiên cứu phƣơng pháp chiết tách cạnh Canny để phục vụ việc tính toán thông số MTF từ dữ liệu ảnh viễn thám quang học. 4 - Xây dựng quy trình đánh giá chất lƣợng ảnh viễn thám quang học với hai thông số SNR, MTF và từ nhu cầu sử dụng ảnh trong thực tế để đề xuất mức chất lƣợng ảnh đối với mỗi tỉ lệ cụ thể.

- Thử nghiệm đánh giá chất lƣợng ảnh VNREDSat-1 của Việt Nam, đề xuất mức chất lƣợng ảnh (theo thông số SNR, MTF) đối với mỗi nhu cầu sử dụng cụ thể. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Đối tƣợng nghiên cứu của đề tài là tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu SNR, và thông số hàm truyền điều biến MTF, đại diện cho chất lƣợng ảnh viễn thám quang học lần lƣợt liên quan đến bức xạ và không gian. Phạm vi không gian bao gồm: các bãi kiểm định nhân tạo tại Salon de Provence (Pháp)_đây là bãi kiểm nghiệm mà vệ tinh VNREDSat-1 sử dụng từ khi mới đƣợc phóng lên quỹ đạo, bãi kiểm định tại thành phố Buôn Ma Thuột (tỉnh Đắk Lắk); và các bãi kiểm định tự nhiên: sa mạc tại Châu Phi, vùng biển tại Đại Tây Dƣơng. Phạm vi dữ liệu: dữ liệu ảnh VNREDSat-1 của Việt Nam ở mức 0 và mức 1A.

Phƣơng pháp nghiên cứu - Phƣơng pháp phân tích, tổng hợp: tổng hợp, phân tích các nghiên cứu trong và ngoài nƣớc có liên quan đến nội dung luận án; tài liệu, số liệu về các thông số thể hiện chất lƣợng ảnh viễn thám quang học; kế thừa các kết quả nghiên cứu đã có, thực tế vận hành và khai thác hệ thống vệ tinh VNREDSat-1. - Phƣơng pháp thu thập số liệu: tiến hành đo đạc, thu thập số liệu đo phản xạ phổ của bề mặt bãi kiểm định tại thành phố Buôn Ma Thuột, tỉnh Đắk Lắk, vào hai thời điểm năm 2017 và 2018; thu thập dữ liệu ảnh chụp bãi kiểm định tại thành phố Buôn Ma Thuột, tại Salon de Provence, Pháp, tại Đại Tây Dƣơng và các sa mạc ở châu Phi. - Phƣơng pháp viễn thám: Sử dụng các kỹ thuật xử lý dữ liệu viễn thám quang học để chiết xuất các thông tin từ ảnh phục vụ cho công tác thực nghiệm của nghiên cứu. - Phƣơng pháp chuyên gia: tham khảo ý kiến của các chuyên gia trong lĩnh vực viễn thám, công nghệ vũ trụ để thực hiện các đánh giá, và định hƣớng cho nghiên cứu.

- Phƣơng pháp thực nghiệm: sử dụng ngôn ngữ lập trình để xây dựng công cụ phần mềm trong quá trình thực hiện đánh giá chất lƣợng ảnh viễn thám VNREDSat-1. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 6.1 Ý nghĩa khoa học của đề tài - Đóng góp cơ sở khoa học và phƣơng pháp luận trong việc đánh giá chất lƣợng ảnh viễn thám quang học của Việt Nam. - Xây dựng đƣợc quy trình đánh giá chất lƣợng ảnh viễn thám quang học của Việt Nam.