Luận án nghiên cứu giải pháp nâng cao độ chính xác mô hình DSM từ ảnh radar bằng InSAR

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 -2- 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 -3- 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.

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. 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.

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 -4- 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. 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. 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. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 7. 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.

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. 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. Những điểm mới của luận án 9.

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. 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. Khối lượng và kết cấu luận án Kết cấu luận án bao gồm các phần chính như sau: Mở đầu. Tổng quan về tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước Chương 2.