phần mở đầu, 04 chƣơng, kết luận, tài liệu tham khảo, các công trình đã công bố, và phụ lục. Nội dung chính đƣợc trình bày trong 04 chƣơng: Chƣơng 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu Chƣơng 2: Cơ sở khoa học và phƣơng pháp đánh giá chất lƣợng ảnh viễn thám quang học Chƣơng 3: Quy trình đánh giá chất lƣợng ảnh viễn thám quang học Chƣơng 4: Thực nghiệm: đánh giá chất lƣợng ảnh viễn thám quang học VNREDSat-1 của Việt Nam 7 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Khái niệm về đánh giá chất lƣợng ảnh viễn thám quang học 1.1 Khái niệm chất lượng ảnh viễn thám quang học Dữ liệu ảnh viễn thám quang học ngày càng trở nên quen thuộc và đƣợc ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Đa phần ngƣời sử dụng đều đã quen thuộc với khái niệm về các độ phân giải để qua đó có thể đánh giá đƣợc chất lƣợng của dữ liệu ảnh, các khái niệm đó là: - Độ phân giải không gian - Độ phân giải thời gian - Độ phân giải phổ - Độ phân giải bức xạ Tất cả các thông số này đều đƣợc thiết kế cho hệ thống chụp ảnh quang học trên vệ tinh ngay từ đầu và đảm bảo thiết kế đến hết tuổi đời của hệ thống vệ tinh.
Các khái niệm quen thuộc với ngƣời sử dụng ảnh viễn thám này phần nào đó chƣa thể hiện đƣợc chất lƣợng của dữ liệu ảnh thực tế thu đƣợc, hay chính xác hơn là chất lƣợng, tình trạng hoạt động của hệ thống chụp ảnh trên vệ tinh quang học. Tuy vậy, thông qua dữ liệu ảnh, chúng ta vẫn có thể đánh giá đƣợc tình trạng hoạt động của hệ thống chụp ảnh. Chất lƣợng ảnh viễn thám quang học là mức độ của một tập hợp các thông số kỹ thuật của dữ liệu ảnh viễn thám quang học đáp ứng những yêu cầu thiết kế của hệ thống thu nhận ảnh trên vệ tinh. Tập hợp các thông số kỹ thuật của dữ liệu ảnh viễn thám quang học để so sánh với các yêu cầu thiết kế của hệ thống thu nhận ảnh bao gồm các thông số sau [16,53,33,66,67]: - Hàm truyền điều biến (MTF), - Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR), - Mức độ hồi đáp không đồng đều của điểm ảnh(PRNU), - Tín hiệu tối (DS), - Khoảng cách lấy mẫu mặt đất, - Chất lƣợng định hƣớng, - Khoảng cách lấy mẫu góc, 8 - Dải động bức xạ, - Độ méo ảnh, - Độ rộng dải chụp.
Cũng có một số nhà khoa học chia các thông số kỹ thuật của dữ liệu ảnh viễn thám thành hai nhóm thông số chính là [16,53,33,66,67]: - Chất lƣợng bức xạ, liên quan đến tất cả các hoạt động có sử dụng đến giá trị số của mỗi điểm ảnh và cho phép đo bức xạ từ một điểm trên ảnh. Các hoạt động này chủ yếu tập trung vào thiết bị quang học (quang học, cảm biến, chuỗi hình ảnh,…) và phần xử lý trên mặt đất (hiệu chỉnh, dữ liệu ngoại sinh,…) - Chất lƣợng không gian, liên quan đến tất cả các hoạt động liên quan đến vị trí không gian của mỗi điểm ảnh trên tấm ảnh. Các hoạt động này phụ thuộc vào thiết bị chụp (quang học, tiêu diện, biến dạng dẻo nhiệt,…), vệ tinh (quỹ đạo, chỉ hƣớng, ổn định, biến dạng dẻo nhiệt, .và phần xử lý trên mặt đất (hiệu chỉnh, dữ liệu ngoại sinh,…) Bên cạnh đó có còn có những khái niệm về chất lƣợng ảnh tuyệt đối và tƣơng đối: - Chất lƣợng ảnh tuyệt đối liên quan đến các hoạt động đối với từng điểm ảnh độc lập với các điểm khác, và có đơn vị tuyệt đối (bức xạ tuyệt đối, vị trí địa lý,…) - Chất lƣợng ảnh tƣơng đối liên quan đến các hoạt động thực hiện trong giới hạn tấm ảnh, đối với các điểm ảnh tƣơng đối với các điểm khác. Nó thƣờng đƣợc thể hiện dƣới dạng % (đồng nhất bức xạ, ổn định chỉ hƣớng, lập kế hoạch,…) 1.2 Sự cần thiết phải đánh giá chất lượng ảnh viễn thám quang học Trong những năm gần đây, ảnh viễn thám ngày càng đƣợc ứng dụng rộng rãi ở Việt Nam, nhất là các loại ảnh viễn thám quang học từ độ phân giải trung bình đến độ phân giải siêu cao nhƣ: Landsat, Sentinel-2, SPOT 2,4,5; VNREDSat-1, SPOT 6/7, Pleiades, Quickbird, Worldview, …Một số ứng dụng ảnh viễn thám quang học đòi hỏi độ chính xác hình học và độ sắc nét của ảnh rất cao nhƣ trong lĩnh vực đo đạc bản đồ, quản lý đất đai; một số lĩnh vực tuy không đòi hỏi độ chính xác cao về hình học nhƣng lại yêu cầu cao về chất lƣợng phổ nhƣ lĩnh vực môi trƣờng, địa chất khoáng sản, tài nguyên nƣớc,… Thông thƣờng hiện nay, thông tin liên quan đến chất lƣợng của ảnh đều do các tổ chức cung cấp ảnh đƣa ra mà chúng ta chƣa có điều kiện để kiểm tra lại độ chính xác của các thông tin đó.
Các chỉ số chất lƣợng đó là thƣờng tập trung vào các loại độ phân giải 9 nhƣ: không gian, phổ, bức xạ, hoặc chất lƣợng độ phủ mây, các điểm ảnh bị lỗi,. [34], số lƣợng điểm ảnh sai khác so với lý thuyết [110], MTF và SNR [91] Mặt khác, đối với Việt Nam hiện đang vận hành hệ thống viễn thám độ phân giải cao VNREDSat-1 và trong tƣơng lai sẽ có thêm các hệ thống vệ tinh độ phân giải siêu cao và siêu phổ khác, do đó, công tác đánh giá chất lƣợng ảnh viễn thám quang học, đặc biệt là đối với các hệ thống vệ tinh có độ phân giải cao có ý nghĩa rất quan trọng trong quá trình khai thác cũng nhƣ đảm bảo chất lƣợng sản phẩm ảnh đầu ra. Công tác đánh giá chất lƣợng thiết bị thu nhận ảnh trên vệ tinh đƣợc chia thành ba giai đoạn: trƣớc khi phóng, khi mới vào quỹ đạo và hoạt động trên quỹ đạo [74]. Giai đoạn trƣớc khi phóng: đƣợc thực hiện trong phòng thí nghiệm.
Trên cơ sở thiết kế hệ thống quang học, điện tử, và phân tích ảnh hƣởng của nhiệt độ, kết cấu cơ khí, đƣa ra các giá trị hiệu chỉnh tuyệt đối, tham số cho hệ thống thu nhận ảnh. Những dữ liệu này đƣợc cài đặt vào hệ thống thu nhận ảnh trên vệ tinh và sử dụng làm dữ liệu gốc cho phần mặt đất. Giai đoạn khi vệ tinh mới vào quỹ đạo: Trong quá trình phóng, vệ tinh chịu ảnh hƣởng mạnh của các hiện tƣợng rung, lắc,. Công tác đánh giá đƣợc thực hiện sau khi vệ tinh đã ổn định, nhằm hiệu chỉnh sự thay đổi giữa môi trƣờng trong phòng thí nghiệm và môi trƣờng hoạt động thực tế.
Ngay từ giai đoạn này, vệ tinh chụp ảnh những bãi kiểm định trên bề mặt Trái đất và tính toán ra dữ liệu hiệu chỉnh và sử dụng cho hệ thống thu nhận ảnh trên vệ tinh. Giai đoạn hoạt động trên quỹ đạo: Trong quá trình hoạt động trên quỹ đạo, do những ảnh hƣởng khi thay đổi tƣ thế, điều chỉnh quỹ đạo và thời gian hoạt động, hệ thống thu nhận ảnh có những thay đổi nhất định. Do đó, việc đánh giá cần phải thực hiện thƣờng xuyên theo chu kỳ để theo dõi, hiệu chỉnh khi cần thiết nhằm đảm bảo chất lƣợng sản phẩm ảnh đầu ra của hệ thống vệ tinh. Hai giai đoạn đầu thƣờng đƣợc nhà sản xuất vệ tinh thực hiện trong thời gian ngắn, trƣớc khi bàn giao hệ thống vệ tinh cho đơn vị quản lý; giai đoạn thứ ba đƣợc đội ngũ vận hành và khai thác hệ thống vệ tinh thực hiện tiến hành thƣờng xuyên, liên tục trong suốt thời gian hoạt động của vệ tinh.
Vì vậy, việc xây dựng phƣơng pháp và quy trình cho giai đoạn này là cần thiết, đòi hỏi những kiến thức chuyên sâu về thiết bị thu nhận ảnh và các phân hệ liên quan. 10 Quá trình trƣớc khi phóng, hệ thống này đƣợc kiểm tra, đánh giá trong điều kiện tiêu chuẩn trong phòng thí nghiệm, do đó các thông số kỹ thuật đều đảm bảo theo đúng yêu cầu kỹ thuật. Tuy nhiên, trong quá trình hoạt động của mình, dƣới ảnh hƣởng của các yếu tố nhƣ: thay đổi tƣ thế, động lực học bay, tuổi thọ của thiết bị, bản thân hoạt động của hệ thống chụp ảnh, khí quyển,… sẽ dẫn đến việc chất lƣợng ảnh không nhƣ trong điều kiện trong phòng thí nghiệm. Điều này ảnh hƣởng trực tiếp đến chất lƣợng ảnh viễn thám quang học.
Tuy vậy, sau khi vệ tinh đƣợc đƣa lên quỹ đạo, không thể trực tiếp đánh giá hệ thống này mà phải sử dụng phƣơng pháp gián tiếp, thông qua sản phẩm của hệ thống là dữ liệu ảnh viễn thám quang học để đánh giá. Đối với phƣơng pháp này, các thông số chất lƣợng của ảnh đƣợc coi nhƣ đại diện cho chất lƣợng của thiết bị chụp ảnh. Do vậy việc đánh giá chất lƣợng thiết bị chụp ảnh lúc này đƣợc chuyển thành đánh giá chất lƣợng ảnh viễn thám. Các thông số cần quan tâm của hệ thống chụp ảnh liên quan đến: bức xạ, phổ và không gian.
Việc đánh giá các tham số này có ý nghĩa và ảnh hƣởng trực tiếp đến ứng dụng sau này của dữ liệu ảnh. Đối với bức xạ, sẽ bao gồm bức xạ thu đƣợc từ bộ cảm trong đó có các hệ số đánh giá bức xạ, hồi đáp tuyến tính, hồi đáp không đồng nhất,. và bản thân nguồn bức xạ bên trong thiết bị. Đối với phổ, đây là thông số mô tả khả năng phản xạ phổ của bộ cảm, đƣợc thực hiện tƣơng đối bằng cách sử dụng hệ số chuẩn hóa tƣơng đối hay nhân tỉ lệ với các thông số kỹ thuật thích hợp.
Đối với không gian, đây là tập hợp các thông số bao gồm trƣờng nhìn hiệu quả (EFOV), MTF, biến dạng hình học, tán xạ quang học,.[74] Tóm lại, đánh giá chất lƣợng ảnh là việc tính toán, so sánh các giá trị liên quan đến yếu tố không gian (nhƣ hàm truyền điều biến, độ rộng dải chụp, độ phân giải mặt đất, độ chính xác định hƣớng,…) và yếu tố bức xạ (nhƣ dòng tối, mức độ nhiễu, khoảng bức xạ, mức bão hòa, mức đồng nhất phản xạ của điểm ảnh,…) với thiết kế ban đầu của hệ thống vệ tinh.2 Các thông số thể hiện chất lƣợng ảnh viễn thám quang học Đối với bất kỳ một hệ thống vệ tinh quan sát Trái đất nào đều có các chỉ tiêu giá trị cụ thể đối với các thông số kỹ thuật theo thiết kế của hệ thống thu nhận ảnh. Trong quá trình hoạt động, do nhiều lý do mà hoạt động của hệ thống thu nhận ảnh sẽ bị suy giảm, do đó một số thông số sẽ đƣợc tính toán kiểm tra định kỳ đảm bảo không bị vƣợt ngƣỡng giới hạn cho phép nhằm duy trì chất lƣợng ảnh theo yêu cầu thiết kế.