Thuật toán kiểm định thiết bị quang học vệ tinh nhỏ viễn thám - Thái Thị Bích Hồng

Thái Thị Bích Hồng NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIEN THUẬT TOÁN KIEM ĐỊNH GIÁN TIẾP THIẾT BỊ CHỤP ANH QUANG HỌC TRÊN VỆ TINH NHỎ VIÊN THÁM LUẬN ÁN TIEN SĨ VAT LÍ HỌC Hà Nội - 2023 Thái Thị Bích Hồng NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIEN THUẬT TOÁN KIEM ĐỊNH GIÁN TIẾP THIET BỊ CHỤP ANH QUANG HỌC TRÊN VỆ TINH NHỎ VIỄN THÁM Chuyên ngành: Vật lí vô tuyến và điện tử Mã số: 9440130.03 LUẬN ÁN TIEN SĨ VAT LÍ HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. Bùi Trọng Tuyên Hà Nội - 2023 LỜI CAM ĐOAN Luận án “Nghiên cứu, phát triển thuật toán kiêm định gián tiếp thiết bị chụp ảnh quang học trên vệ tinh nhỏ viễn thám” được hoàn thành trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết và thực tiễn. Tôi cam đoan rằng: những kết quả nghiên cứu được nêu trong luận án này là của tôi và không sao chép từ bất kỳ tài liệu nào đã công bố, mọi trích dẫn đều được dẫn nguồn theo đúng quy định của pháp luật về quyền tác giả. Hà nội ngày tháng năm 2023 Nghiên cứu sinh Thái Thị Bích Hồng LỜI CẢM ƠN Luận án này được hoàn thành tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội.

Trong quá trình nghiên cứu, tác giả đã nhận được nhiều sự giúp đỡ quý báu của các thầy cô, các nhà khoa học, các đồng nghiệp, bạn bẻ và gia đình. Đề hoàn thành luận án này, tôi xin chân thành cảm ơn| PGS. Vũ Anh Phi và TS. Bùi Trọng Tuyên đã định hướng, hướng dẫn, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành Luận án.

Tôi xin gửi lời cám ơn chân thành đến Bộ môn Vật lý Vô tuyến, Khoa Vat Ly, Phong Dao tạo Sau Đại học Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội đã tạo mọi điều kiện tốt nhất trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu, dé tôi hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn các cấp lãnh đạo, các đồng nghiệp thuộc Viện Khoa học và Công nghệ - Bộ Công an, Viện Công nghệ vũ trụ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu, thu nghiệm và hoàn thiện các nội dung nghiên cứu của luận án. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, bạn bè và người thân đã luôn quan tâm, động viên và giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu. Xin tran trọng cảm ơn.

Hà nội ngày tháng năm 2023 Nghiên cứu sinh Thái Thị Bích Hồng MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC.00 000040000090000801 000 1 DANH MỤC CÁC CHỮ VIET TẮTT.-- se -s-ss©ssecssesseesessecse 4 DANH MỤC CAC BANG .---s<s<cssvsserssersserssersssrsssrsssrsserssee 6 DANH MỤC CÁC HÌNH.-- 2° 2< s<ss©Essevsserssersserssersserssee 6 MO ĐẦU. Tính cấp thiét. Mục tiêu nghiÊn CUU .- - <3 E 91991 9 ng ng ng gệc 10 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.

Nội dung nghiên CỨU.-- «+1 TH TH nh ng tr II 5. Phương pháp nghiên CỨU.Y nghia khoa hoc va thuc tiễn của luận án. Luận điểm bảo vỆ. Tính mới của luận án.

Cầu trúc luận án.-----:--©++t22+++tt2EExvttEkttrttrttrrtrtrrrrrrrrrrrrrree 13 Chương 1. TONG QUAN VE VAN ĐÈ NGHIÊN CỨU. Kiểm định chat lượng thiết bị chụp ảnh viễn thám quang học. Chất lượng ảnh thể hiện chất lượng thiết bị chụp ảnh.

Định nghĩa chất lượng ảnh viễn thám quang học. Thông số chất lượng ảnh viễn thám quang học. Khái niệm về phục hồi chất lượng ảnh viễn thám quang học. Các yếu tố anh hưởng đến chất lượng ảnh.

Phuc hồi chat lượng anh viễn thám quang hỌc. Tổng quan về đánh giá, phục hồi chất lượng ảnh viễn thám quang hoc. Các nghiên CỨU Ở HWỚC HBOÀÏ.cc BS htssieerrssssesee 25 1. Các nghiên CUU ONG HHƯỚC.

CƠ SỞ KHOA HỌC PHAT TRIEN THUẬT TOÁN KIEM ĐỊNH GIÁN TIẾP VÀ PHUC HOI CHAT LƯỢNG ANH CUA HỆ THONG QUANG HỌC VỆ TINH NHỎ VIÊN THÁM. Cơ sở khoa học kiểm định gián tiếp và phục hồi chất lượng ảnh viễn thám quang hỌC.- --:-:- 2 ++St2x+S++E+2EEE£EEEEEEEEEEEEeEkerkerkrrrrerrerreree 32 2. Cơ sở khoa học của viên thám quang NOC. Đặc điểm của hệ thong quang học trên vệ tỉnh nhỏ.

Mô hình suy giảm chất lượng ảnh. Các thông số kiểm định chất lượng anh viễn thám quang học. Hàm truyền điêu biến ÌMTTF. Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu SINR.

Phương pháp kiểm định gián tiẾp.-- 2-2 2© 2+ 2+E++EE+Ex+rxerxerxeee 50 2. Phương pháp tinh toán ÌÍ TÌ. acc cv vekrxeeeeeeeeererreererree 50 2. Phương pháp tính toán.

Phương pháp phục hồi chat lượng anh viễn thám quang học. Phương pháp ước tính hệ số mô hình tạo ảnh. Phuong phap tiếp cận di truyén cho giải chập Wiener. Phương pháp bù) ÌVÍ TÌF.

- s ss xkkEvkEv vn re 65 2. Đề xuất phương pháp tính toán kiểm định gián tiếp hệ thống, phục hồi chất lượng anh cho vệ tinh nhỏ viễn thấm. Đề xuất phương pháp tính toán kiểm định gián tiếp. Dé xuất phương pháp tính toán phục hồi chat lượng ảnh.

78 Tiểu kết CHWON 2 vocssesssssesssessessessessesssssssssessessessesssssssssessessesscsscsacsasssssssseseesess 83 Chương 3. THU NGHIEM VA ĐÁNH GIA HIEU QUA TREN \M2ÿh ):A 4/40) 279005107777. Đánh giá chất lượng hệ thống chụp ảnh quang học. Đánh giá chất lượng qua tính toán MTP viceeccccceccescescesessesseeseeseees 84 3.

Đánh giá chất lượng thông qua tinh toán SNR. Phục hồi chất lượng ảnh VNREEDSat-. Phục hôi chất lượng ảnh bị HIÒ. Phuc hôi chat lượng ảnh bị suy giảm VE bức xạ.

100 Tiểu kết CHUONG 3 vsccsssssessessessessessssssessessessessesssssssssssssssssssssesscssesssssssscsseeseess 106 KET LUẬN VA KIEN NGHỊ.-2- 5-5 5° 5< se ss£ssessesseescsees 107 Ket luận.1111 ee 108 DANH MỤC CÁC CÔNG TRINH KHOA HỌC CUA TÁC GIÁ LIÊN QUAN DEN LUẬN ÁN .--s-s°-scsscssecssessersserserssersee 111 TÀI LIEU THAM KHAO .ccccsssssssssssesssessesssesssssessnsssesesseseessssesesseeseesees 110 PHU LUC 1 : KET QUA PHUC HOI CHAT LUONG ANH BỊ MO. -1- PHU LUC 2: KET QUA PHUC HOI CHAT LUONG ANH BI SUY GIẢM VE BUC XẠ.------2-©2£+E£2EE+EEEEEEEEEEEEEEEEE2E1221221 212cc. -5- PHU LUC 3: DANH SÁCH CÁC DU LIEU ĐÃ SỬ DỤNG. -19- PHU LUC 4: CÔNG CU HO TRỢ TÍNH TOÁN.--- - - scs+x+see+ -23- PHỤ LỤC 5: SO SÁNH KÉT QUÁ VỚI NGHIÊN CỨU TRƯỚC TREN ANH VNRERDSATT-I.

- 2 2+E+EE+EE£EE£EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEkerkerkrred -33- DANH MỤC CAC CHỮ VIET TAT AVHRR Advanced Very High Resolution Radiometer - Hệ thống chụp anh độ phân giải rất cao AVIRIS Airborne Visible/InfraRed Imaging Spectrometer - Thiết bi chụp anh hàng không kênh phổ nhìn thay/héng ngoại BRDF Bidirectional Reflectance Distribution Function - Ham phân bố phản xa hai chiều CCD Charge Coupled Device - Cảm biến chuyên đôi hình ảnh quang học sang tín hiệu điện (linh kiện tích điện kép) CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor - Chat bán dẫn oxit kim loại bổ sung CPF Calibration Parameter File - Tép thông số hiệu chỉnh CTF Contrast Transfer Function - Ham truyén tương phan EFOV Efficient Field Of View - Trường nhìn hiệu qua EIFOV Effective Instantaneous Field Of View - Trường nhìn tức thời hiệu qua ESA European Space Agency - Co quan Vii tru chau Au ESF Edge Spread Function - Ham lan truyén canh FOV Field Of View - Truong nhin GSD Ground Sampling Distance - Khoang cach lay mẫu mặt đất IFOV Instantaneous Field Of View - Trường nhìn tức thời IGFOV Instantaneous Geometric Field Of View - Trường nhìn hình học tức thời IOT In Orbit Test - Kiểm tra khi vệ tinh mới vào quỹ đạo ISO International Organization for Standardization - Tô chức tiêu chuân thê giới LSD Local Standard Deviation - Độ lệch chuẩn cục bộ LSF Line Spread Function - Ham lan truyền đường LSI Linear Shift Invariant - Dich chuyén tuyén tinh bat bién MTF Modulation Transfer Function - Ham truyén diéu bién MTFA Module Transfer Function Area - Khu vuc ham truyén diéu bién MS MultiSpectral - Da pho MSS Multispectral Scanner System - Hệ thông chụp ảnh da phố NASA National Aeronautics and Space Administration - Co quan Hang không vũ trụ Hoa Ky NEM Noise-Equivalent Modulation - Điều biến tương đương nhiễu NIR Near InfraRed - Cận hông ngoại OLI Operational Land Imager - Thiết bị chụp ảnh bê mặt dat OTF Optical Transfer Function - Ham truyén quang hoc PAN Panchromatic - Toan sac PSF Point Spread Function - Ham lan truyén diém RAIFOV Radiometrically Accurate Instantaneous Field Of View - Trường nhìn tức thời có bức xạ chính xác SD Standard Deviation - Đệ lệch chuân SNR Signal to Noise Ratio - Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu SPOT Satellite Pour l’Observation de la Terre (Earth Observation Satellite) - Vé tinh quan sat Trai dat SWIR Short Wave InfraRed - Hồng ngoại sóng ngắn TDI Time Delay Intergration - Tích hợp thời gian trễ TIR Thermal Infrared Sensor - Bộ cam hong ngoai nhiét VNIR Visible and Near InfraRed - Nhìn thay và cận hông ngoại VNREDSat-1 | Vietnam Nature Resources, Environment, Disaster monitoring Satellite - Vé tinh nho Viét Nam quan sat tài nguyên thiên nhiên, môi trường và thiên tai WFE Wave-Front Error - Lỗi đầu song DANH MỤC CÁC BANG Bang 3. Dữ liệu ảnh dùng dé tính toán MTE.:--2-¿cscs+5cs+2 S5 Bang 3. Giá trị MTF theo chiều dọc hướng bay. Giá trị MTF theo chiều ngang hướng bay.

Dữ liệu anh VNREDSat-1 chụp bãi kiểm định tại Buôn Ma TThuỘt. - -- G1 1 19 1n nh TH nu ng ng nh tr92 Bang 3. Kết quả tính toán MTF theo chiều dọc hướng bay. Kết quả tính toán MTF theo chiều ngang hướng bay.

Kết quả tính toán SNR với ô mẫu ở bãi kiểm định tại Buôn Ma ThuỘt.- -- - - - - --- 5E E2 222221111111 111295301111 ng ng ven. So sánh kết qua SNR thực nghiệm và thiết kế. Dữ liệu VNREDSat-I,mức 1A chụp bãi kiểm định IšY;] (00005148040 42:1. Giá trị các điểm ảnh sáng nhất tại ô mẫu trên bãi kiểm định tai Salon de Provence.

Số lượng ngày tính đến thời điểm chụp.--------5z-5- 103 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1. Thông số chất lượng ảnh viễn thám. Nguyên lý thu nhận ảnh viễn thám. Mô tả cau hình của hệ thống quang học đơn giản.

Vị trí khâu độ dừng trong một hệ thong quang hoc thuc tỄ. Ảnh hưởng của hiện tượng quang sai và ảnh trên tiêu diện. Thiết kế quang học trên VNREDSat-1. Kích thước của vecto trạng thái x(m,n).

Nguyên lý hàm lan truyền điểm. Biên độ điều biến giảm từ đối tượng đến ảnh khi đi qua hé thong quang HOC 8NNns. MTF giảm biên độ khi tăng tần số lẫy mẫu không gian. Bãi kiểm định dạng cạnh.---2- 22 52 ©2++cS+2zxv£x+zzxerxeerxee 51 Hình 2.

Bãi kiểm định dang xung .----- 2 25c E+EE+E+EzEerxersereee 54 Hình 2. Bãi kiểm định dạng chu kỳ: (a) dạng ba thanh, (b) 1201108190831 107. Mô hình suy giảm chất lượng do mờ và nhiễu .--- LG 2111231110311 ng vn ng kg tre,67 Hình 2. Qui trình đề xuất tính toán SNR.

Qui trình đề xuất tính toán MTE. Giá tri độ xám của một cạnh. Vi phân và vi trí cạnh ước tính .--- + ++s++++s++sex+sexsssss 73 Hình 2. Vị trí ước tính các điểm ảnh.

Cạnh thích hợp được lựa chọn .- -- -- ¿+5 +++xs+cseexseseeres 74 Hình 2. Đường vuông góc với cạnh. Hàm lan truyền cạnh. 2-2-2 2E £E+E£2E£+EE+EE+EEerxerxerxeree 77 Hình 2.

Hàm lan truyền đường o. MTF tại tần số Nyquist .