Luận án tiến sĩ nghiên cứu đánh giá chất lượng ảnh viễn thám quang học của việt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT NGUYỄN MINH NGỌC NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG ẢNH VIỄN THÁM QUANG HỌC CỦA VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT NGUYỄN MINH NGỌC NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG ẢNH VIỄN THÁM QUANG HỌC CỦA VIỆT NAM Ngành: Kỹ thuật Trắc địa – Bản đồ Mã số: 9520503 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT TIỂU BAN HƢỚNG DẪN 1. TRẦN VÂN ANH 2. NGUYỄN XUÂN LÂM HÀ NỘI - 2022 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học của riêng bản thân tôi. Các số liệu, dữ liệu sử dụng trong luận án có nguồn gốc rõ ràng, đã công bố theo quy định.

Kết quả nghiên cứu trong luận án do tôi tự tìm hiểu, phân tích một cách trung thực, khách quan. Nghiên cứu sinh Nguyễn Minh Ngọc ii LỜI CẢM ƠN Luận án này đƣợc hoàn thành tại Bộ môn Đo ảnh và Viễn thám, Khoa Trắc địa – Bản đồ và Quản lý đất đai, Trƣờng Đại học Mỏ - Địa chất, dƣới sự hƣớng dẫn khoa học của PGS. Trần Vân Anh và TS. Nguyễn Xuân Lâm.

Trong quá trình thực hiện nghiên cứu, nghiên cứu sinh đã nhận đƣợc sự giúp đỡ tận tình của các thầy, cô giáo trong Bộ môn Đo ảnh và Viễn thám, Khoa Trắc địa – Bản đồ và Quản lý đất đai, phòng Đào tạo Sau đại học, Lãnh đạo Nhà trƣờng; của các đồng nghiệp tại Trung tâm Điều khiển và Khai thác vệ tinh nhỏ, Viện Công nghệ vũ trụ, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam; các đồng nghiệp tại Đài Viễn thám Trung ƣơng, Phòng Khoa học và Hợp tác quốc tế, Cục Viễn thám quốc gia, Bộ Tài nguyên và Môi trƣờng; cùng các chuyên gia và các nhà khoa học khác,… Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất đến tất cả các thầy, cô giáo, các đồng nghiệp, lãnh đạo đơn vị, các nhà khoa học và gia đình đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để giúp đỡ tôi hoàn thành luận án này. Xin chân thành cảm ơn! iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN. ii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT. vi DANH MỤC CÁC HÌNH.

viii DANH MỤC CÁC BẢNG. xi MỞ ĐẦU. Tính cấp thiết của đề tài. Mục tiêu nghiên cứu.

Nội dung nghiên cứu. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu. Phƣơng pháp nghiên cứu. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.

Những điểm mới của đề tài. Luận điểm bảo vệ. Kết cấu của luận án. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .1 Khái niệm về đánh giá chất lƣợng ảnh viễn thám quang học .1 Khái niệm chất lƣợng ảnh viễn thám quang học .2 Sự cần thiết phải đánh giá chất lƣợng ảnh viễn thám quang học .2 Các thông số thể hiện chất lƣợng ảnh viễn thám quang học .1 Thông số liên quan đến yếu tố không gian .2 Thông số liên quan đến yếu tố bức xạ .3 Tổng quan về đánh giá chất lƣợng ảnh viễn thám quang học .1 Trên thế giới .4 Tiểu kết chƣơng 1.

CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƢƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG ẢNH VIỄN THÁM QUANG HỌC .1 Thiết bị thu nhận ảnh và chất lƣợng ảnh .1 Chất lƣợng ảnh về mặt bức xạ .2 Chất lƣợng ảnh về mặt không gian .2 Thông số đánh giá chất lƣợng ảnh.1 Những thông số đại diện cho yếu tố bức xạ .2 Những thông số đại diện cho yếu tố không gian .3 Thông số phù hợp với Việt Nam .3 Phƣơng pháp đánh giá tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) .1 Nguồn dữ liệu .2 Phƣơng pháp tính toán .4 Phƣơng pháp đánh giá hàm truyền điều biến (MTF) .1 Phƣơng pháp dựa trên bãi kiểm định.2 Phƣơng pháp độ phân giải kép .3 Phƣơng pháp dựa trên thiết bị đặc trƣng .5 Phƣơng pháp đánh giá chất lƣợng ảnh thích hợp với điều kiện của Việt Nam .1 Điều kiện thực tế của Việt Nam .2 Phƣơng pháp tính toán SNR .3 Phƣơng pháp tính toán MTF .4 Phƣơng pháp chiết tách cạnh Canny .6 Tiểu kết chƣơng 2. 61 CHƢƠNG 3: ĐỀ XUẤT QUY TRÌNH ĐÁNH GIÁ CHÂT LƢỢNG ẢNH VIỄN THÁM QUANG HỌC PHÙ HỢP VỚI ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM .1 Quy trình hiệu chỉnh bức xạ .1 Hiệu chỉnh tín hiệu tối (DS) .2 Hiệu chỉnh mức độ hồi đáp không đồng đều của điểm ảnh (PRNU) .2 Quy trình đánh giá chất lƣợng ảnh qua thông số SNR .3 Quy trình đánh giá chất lƣợng ảnh qua thông số MTF .4 Quy trình đánh giá chất lƣợng theo nhu cầu sử dụng .5 Bãi kiểm định phục vụ công tác đánh giá chất lƣợng ảnh.1 Bãi kiểm định cố định.2 Bãi kiểm định di động .3 Tiêu chí lựa chọn bãi kiểm định .6 Tiểu kết chƣơng 3. THỰC NGHIỆM: ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG ẢNH VIỄN THÁM VNREDSAT-1 CỦA VIỆT NAM.1 Hiệu chỉnh bức xạ .1 Hiệu chỉnh DS .2 Hiệu chỉnh PRNU .2 Đánh giá chất lƣợng ảnh VNREDSat-1 qua thông số SNR .3 Đánh giá chất lƣợng ảnh VNREDSat-1 qua thông số MTF .1 Đánh giá chất lƣợng ảnh qua thông số MTF .2 Đề xuất mức chất lƣợng ảnh qua thông số MTF .4 Tiểu kết chƣơng 4. 113 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.

114 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 116 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ. 125 PHỤ LỤC 1: TÍNH TOÁN MTF CHO VNREDSAT-1 SỬ DỤNG BÃI KIỂM ĐỊNH TẠI SALON DE PROVENCE. 126 PHỤ LỤC 2: KẾT QUẢ ĐO PHẢN XẠ BỀ MẶT Ô MẪU TẠI BÃI KIỂM ĐỊNH BUÔN MA THUỘT.

133 PHỤ LỤC 3: DỮ LIỆU ẢNH VNREDSAT-1 ĐƢỢC SỬ DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU. 141 PHỤ LỤC 4: SO SÁNH BÃI KIỂM ĐỊNH TẠI SALON DE PROVENCE (PHÁP) VÀ BUÔN MA THUỘT, ĐẮK LẮK (VIỆT NAM). 144 PHỤ LỤC 5: MÃ NGUỒN CÔNG CỤ PHẦN MỀM. 145 PHỤ LỤC 6: MÔ PHỎNG CHẤT LƢỢNG ẢNH.

152 PHỤ LỤC 7: CHẤT LƢỢNG ẢNH CỦA CÁC ĐỐI TƢỢNG TẠI NHỮNG THỜI ĐIỂM KHÁC NHAU. 163 PHỤ LỤC 8: TỆP TIN HIỆU CHỈNH HỆ THỐNG. 177 vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT AVHRR Advanced Very High Resolution Hệ thống chụp ảnh độ phân giải Radiometer rất cao AVIRIS Airborne Visible/InfraRed Imaging Thiết bị chụp ảnh hàng không Spectrometer kênh phổ nhìn thấy/hồng ngoại BRDF Bidirectional Reflectance Distribution Hàm phân bố phản xạ hai chiều Function CCD Charge Coupled Device Cảm biến chuyển đổi hình ảnh quang học sang tín hiệu điện (linh kiện tích điện kép) CMOS Complementary Metal Oxide Chất bán dẫn oxit kim loại bổ Semiconductor sung CPF Calibration Parameter File Tệp thông số hiệu chỉnh CTF Contrast Transfer Function Hàm truyền tƣơng phản DS Dark Signal Tín hiệu tối EFOV Efficient Field Of View Trƣờng nhìn hiệu quả EIFOV Effective Instantaneous Field Of View Trƣờng nhìn tức thời hiệu quả ESA European Space Agency Cơ quan Vũ trụ châu Âu ESF Edge Spread Function Hàm lan truyền cạnh FOV Field Of View Trƣờng nhìn GSD Ground Sampling Distance Khoảng cách lấy mẫu mặt đất IFOV Instantaneous Field Of View Trƣờng nhìn tức thời IGFOV Instantaneous Geometric Field Of Trƣờng nhìn hình học tức thời View ISO International Organization for Tổ chức tiêu chuẩn thế giới Standardization LES Land Equipped Site Bãi kiểm định mặt đất có trang thiết bị LNES Land Non Equipped Site Bãi kiểm định mặt đất không có trang thiết bị LSD Local Standard Deviation Độ lệch chuẩn cục bộ LSF Line Spread Function Hàm lan truyền đƣờng LSI Linear Shift Invariant Dịch chuyển tuyến tính bất biến vii MTF Modulation Transfer Function Hàm truyền điều biến MTFA Module Transfer Function Area Khu vực hàm truyền điều biến MS MultiSpectral Đa phổ MSS Multispectral Scanner System Hệ thống chụp ảnh đa phổ NASA National Aeronautics and Space Cơ quan Hàng không vũ trụ Hoa Administration Kỳ NEM Noise-Equivalent Modulation Điều biến tƣơng đƣơng nhiễu NIR Near InfraRed Cận hồng ngoại OLI Operational Land Imager Thiết bị chụp ảnh bề mặt đất OTF Optical Transfer Function Hàm truyền quang học PAN Panchromatic Toàn sắc PRNU Pixel Response Non-Uniformity Hồi đáp bức xạ không đồng đều của điểm ảnh PSF Point Spread Function Hàm lan truyền điểm RAIFOV Radiometrically Accurate Trƣờng nhìn tức thời có bức xạ Instantaneous Field Of View chính xác SD Standard Deviation Đệ lệch chuẩn SES Sea Equipped Site Bãi kiểm định mặt biển có trang thiết bị SNES Sea Non Equipped Site Bãi kiểm định mặt biển không có trang thiết bị SNR Signal to Noise Ratio Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu SPOT Satellite Pour l’Observation de la Vệ tinh quan sát Trái đất của Terre Pháp SWIR Short Wave InfraRed Hồng ngoại sóng ngắn TDI Time Delay Integration Tích hợp thời gian trễ TIR Thermal Infrared Sensor Bộ cảm hồng ngoại nhiệt VNIR Visible and Near InfraRed Nhìn thấy và cận hồng ngoại VNREDSat-1 Vietnam Nature Resources, Vệ tinh nhỏ Việt Nam quan sát Environment, Disaster monitoring tài nguyên thiên nhiên, môi Satellite trƣờng và thiên tai WFE Wave-Front Error Lỗi đầu sóng viii DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1. Minh họa một ví dụ về mẫu đƣợc dùng để ƣớc tính MTF.

Các biến dạng hình học: bản đồ phẳng (b), sai lệch quang học âm (a) và sai lệch quang học dƣơng (c). Ảnh hƣởng của các góc nghiêng đến ảnh thu đƣợc [33]. Dạng sai lệch do chuyển động của Trái đất. Khoảng cách lấy mẫu mặt đất và trƣờng nhìn tức thời.

Độ rộng dải chụp ảnh. Nguyên lý thu nhận ảnh viễn thám[10]. Ảnh hƣởng của hiện tƣợng quang sai và ảnh trên tiêu diện [10]. Hình ảnh của một điểm sáng trên tiêu diện.

Giới hạn phân giải. Mối quan hệ của FOV, IFOV, IGFOV [51]. Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu [10]. Biểu đồ phân bố độ xám của ảnh không có nhiễu (a) và có nhiễu (b).

Nguyên tắc hàm lan truyền điểm[20]. Biên độ điều biến giảm từ đối tƣợng đến ảnh khi qua hệ thống quang học[20] 41 Hình 2. MTF giảm biên độ khi tăng tần số không gian[20]. MTF hệ thống là tích của nhiều MTF thành phần[20].

Biểu đồ phân bố độ xám của ảnh không mờ (a) và ảnh mờ (b). Các hệ thống quang học với đƣờng cong MTF khác nhau[20]. Ảnh của các hệ thống quang học với đƣờng cong MTF khác nhau. Bãi kiểm định cạnh dùng để ƣớc tính MTF.

Mẫu bãi kiểm định dạng xung. Mẫu mục tiêu tuần hoàn: (a) mẫu ba thanh, (b) mẫu ngôi sao Siemens. Thiết kế bãi kiểm định tại thành phố Buôn Ma Thuột, Đắk Lắk. Ô mẫu để đánh giá SNR.

Mối quan hệ giữa ESF, LSF và MTF. Ví dụ lọc bỏ giá trị không phải cực đại. Ví dụ minh họa về ngƣỡng lọc. Quy trình đánh giá chất lƣợng ảnh tổng thể.

Quy trình hiệu chỉnh DS. Quy trình hiệu chỉnh PRNU. Quy trình đánh giá SNR. Quy trình đánh giá MTF.

Hƣớng của cạnh trong hệ quy chiếu ảnh phục vụ tính MTF. Lƣới lấy mẫu ảnh .