Đặt vấn đề Trong nghiên cứu bề mặt Trái đất hiện nay dữ liệu bản đồ mô hình số bề mặt (DSM) thể hiện được những ưu điểm vượt trội về sự mô phỏng tổng quan chân thực nhất về bề mặt Trái đất, nó được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực phục vụ cho công tác điều tra, khảo sát, phát triển kinh tế đất nước cũng như chủ quyền và an ninh quốc phòng. Đặc biệt với những diễn biến cực đoan của biến đổi khí hậu, yêu cầu về sử dụng các sản phẩm dữ liệu địa hình dưới dạng mô hình số phải có độ chính xác cao, đáp ứng nhanh và kịp thời. Cùng với đó là nhu cầu về sử dụng dữ liệu địa hình như là một lượng thông tin không thể thiếu trong xây dựng cơ sở dữ liệu của Hệ thông tin địa lý (GIS), phục vụ cho các nghiên cứu biến dạng sụt lún của bề mặt địa hình; xác định nhanh các vùng ngập lụt do mưa bão, vùng ngập lụt ven bờ do nước biển dâng do biến đổi khí hậu, trong thành lập bản đồ địa hình, bản đồ chuyên đề ở những khu vực thiếu ảnh viễn thám quang học, trong các công đoạn thành lập bản đồ và ứng dụng cho khảo sát, phân tích địa hình, thiết kế, quy hoạch. Để xây dựng DSM của một phần bề mặt Trái Đất trên một diện rộng, với chi phí thấp và trong khoảng thời gian ngắn nhất thì các phương pháp sử dụng tư liệu viễn thám tỏ rõ hiệu quả hơn cả, đặc biệt là sử dụng tư liệu của viễn thám radar - viễn thám siêu cao tần.
Viễn thám Radar (Viễn thám siêu cao tần) là phương pháp viễn thám chủ động hoạt động trong dải siêu cao tần của quang phổ sóng điện từ. Viễn thám Radar sử dụng nguồn năng lượng riêng không phụ thuộc vào ánh sáng mặt trời, và sóng điện từ có bước sóng dài. Vì thế, nó có khả năng hoạt động cả ban ngày và ban đêm cũng như trong mọi điều kiện thời tiết mà không chịu ảnh hưởng của các hiện tượng tự nhiên như mây, mưa. RADAR là từ viết tắt của cụm từ Radio Detection And Ranging, với nguyên lý hoạt động dựa trên sự lan truyền của sóng điện từ trong không gian, bản chất là -8- một thiết bị đo khoảng cách hoạt động trong phần vi sóng của phổ điện từ, có bước sóng từ 1mm đến 1m.
Tư liệu ảnh Radar đã được sử dụng nhiều trong các lĩnh vực điều tra cơ bản, giám sát tài nguyên và môi trường trên bề mặt trái đất. Bên cạnh đó, viễn thám Radar cũng cho khả năng xác định độ cao của các điểm trên bề mặt trái đất. Người ta đã sử dụng ảnh Radar để xây dựng mô hình số bề mặt bằng phương pháp giao thoa để nghiên cứu và xác định sự sụt lún của bề mặt Trái đất, xác định nhanh các vùng ngập lụt do thiên tai, do biến đổi khí hậu, thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ trung bình và nhỏ. Lịch sử phát triển của SAR Khái niệm về Radar độ mở tổng hợp - Synthetic Aperture Radar (SAR) là do Carl Wiley của Tổng công ty Máy bay Goodyear năm 1951 [132] khởi nguồn.
Tại trường Đại học Illinois, một nhóm các nhà khoa học đã tiến hành nghiên cứu những thí nghiệm đầu tiên vào năm 1953; sau đó, quân đội Hoa Kỳ đưa dự án Wolverine về chủ đề này đến Đại học Michigan. Đây là khởi đầu của một loạt các hoạt động đóng góp vào sự phát triển của kỹ thuật SAR [42]. Từ cuối năm 1960, NASA đã bắt đầu tài trợ cho sự phát triển của hệ thống SAR cho các ứng dụng về dân sự. Jet Propulsion Laboratory (JPL) đã phát triển cho NASA một bộ cảm biến SAR band-L.
Bộ cảm biến này đã được cài đặt trên tên lửa vào năm 1962 trong các thí nghiệm thực hiện tại các trang web thử nghiệm tên lửa New Mexico. Cảm biến này là cảm biến cuối cùng được cài đặt trên máy bay NASA CV-990 vào năm 1966 và sau đó lại được nâng cấp bởi JPL [42,55]. Viện nghiên cứu môi trường Michigan (ERIM) và JPL đã phối hợp thực hiện các nghiên cứu thử nghiệm Apollo Lunar Sounder, và đã thành công khi thăm dò Mặt Trăng vào năm 1972 trên tàu Apollo 17 [42,55]. Vào năm 1978 lần đầu tiên trên vũ trụ (vệ tinh Seasat - USA) sử dụng SAR và tiếp tục với việc sử dụng SIR - Radar tạo ra ảnh trên tàu con thoi (Shuttle Imaging Radar).
Đầu năm 1991 có 3 vệ tinh mang thiết bị Radar được phóng thành công lên vũ trụ. Đó là Almaz-1 với bộ cảm biến S-band của Liên Xô (cũ), ERS-1 của cơ quan Vũ trụ châu Âu ESA, và JERS-1 với bộ cảm biến kênh L của Nhật -9- Bản. Năm 1995, Radarsat với bộ cảm biến C-band của Canada đã được phóng lên vũ trụ thành công [55]. Việc khai thác các thông tin địa hình sử dụng kỹ thuật Radar giao thoa độ mở tổng hợp (InSAR) được chứng minh lần đầu tiên bởi Graham, 1974 [51].
Với tư liệu sử dụng là ảnh độ phân giải cao khu vực Puerto Rico có hướng nghiêng và góc lệch khoảng 250 đến 450. Ông đã chỉ ra rằng kỹ thuật InSAR với nguyên lý cạnh sườn (side-looking) có thể sử dụng để phục vụ cho thành lập bản đồ địa hình vì hai lý do: - Độ phân giải của ảnh SAR có thể phân biệt được các đối tượng trên bề mặt địa hình cần biểu thị lên bản đồ. - Những điểm đo được bằng phương pháp InSAR có thể mô tả được độ cao và dáng của bề mặt địa hình. Có thể nói rằng, trong những năm 1990, công nghệ vũ trụ đã đạt được những thành công lớn với việc đẩy nhanh ứng dụng của viễn thám Radar cho các nghiên cứu khoa học và ứng dụng.
Sang đến đầu thể kỷ XXI đã có một số vệ tinh Radar có độ phân giải cao được phóng lên quỹ đạo chuyên phục vụ giám sát tài nguyên và biến động lớp phủ trái đất ở mức độ chi tiết hơn đó là ALOS PALSAR của Nhật (2006), ERS-1 (1993), ERS-2 (1995), Envisat (2002) của Châu Âu, TeraSAR X của Đức (2007). Cosmo-Skymed (2010), ALOS PALSAR-2, Sentinel-1… 1. Tổng quan về các công trình nghiên cứu sử dụng phƣơng pháp InSAR xây dựng DSM 1. Trên thế giới Trong những năm gần đây, với sự phát triển của viễn thám Radar thì việc tạo DSM tự động đã trở thành một phần quan trọng của các nghiên cứu.
Nhiều kỹ thuật tạo DSM đã được phát triển, trong đó phương pháp Radar giao thoa (InSAR) là phương pháp đang được nghiên cứu nhiều nhất để tạo DSM phục vụ cho nghiên cứu sạt lở, giám sát hoạt động của núi lửa và theo dõi dịch chuyển bề mặt. Các nghiên cứu tập trung chủ yếu vào dữ liệu cũng như quy trình tạo DSM và các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của nó, có thể kể là các nghiên cứu của [45,89,90,91,92,93,94,105,106,107]. Trong công bố khoa học của Sefercik [106], - 10 - tác giả đã nghiên cứu tạo DSM từ dữ liệu TerraSAR-X với sai số trung phương về độ cao đạt được là ± 8. Trong các công trình khoa học tiếp theo của mình vào năm 2011, Sefercik cũng nghiên cứu tạo DSM từ các dữ liệu SRTM kênh C và X, và dữ liệu ASTER GDEM.
Kết quả DSM tạo từ ảnh liệu SRTM kênh C có sai số trung phương về độ cao đạt ± 10.69m, từ dữ liệu SRTM kênh X đạt ± 6.59m, từ dữ liệu ASTER GDEM đạt ± 9. Từ các kết quả trên, Sefercik đã kết luận rằng chất lượng của DSM phụ thuộc vào kỹ thuật tạo giao thoa, đặc điểm địa hình của khu vực nghiên cứu và khoảng cách giữa các mắt lưới để tạo DSM. Nikolakopoulos [92], đã thành lập DSM từ các dữ liệu khác nhau như: TerraSAR-X, Sentinel -1 chụp cùng khu vực và tiến hành so sánh đánh giá. Kết quả, DSM tạo từ ảnh TerraSAR-X cho sai số trung phương đạt ±12.35m, và Sentinel - sai số trung phương ±14.
Qua các nghiên cứu, các tác giả kết luận rằng: kỹ thuật tạo giao thoa ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng của ảnh giao thoa cũng như sản phẩm cuối cùng là DSM. Độ chính xác của chúng phụ thuộc vào các yếu tố như: ảnh hưởng bởi khí quyển, sự không tương quan về đường đáy ảnh, sự không tương quan giữa hai ảnh. Do vậy để nâng cao độ chính xác của DSM, cần tập trung cải thiện chất lượng của ảnh giao thoa. Hiện nay có rất nhiều các công trình khoa học nghiên cứu để cải thiện chất lượng của giao thoa cũng như cải thiện chất lượng của DSM như: Ảnh hưởng của khí quyển Chúng ta biết rằng, điều kiện khí quyển không đồng nhất sẽ ảnh hưởng đến việc ghi nhận ảnh ở những thời điểm khác nhau.
Sự lan truyền sóng điện từ trong điều kiện khí quyển khác nhau, làm cho khoảng cách tính được từ vệ tinh tới mặt đất sẽ khác nhau, do thời gian trễ gây ra, khi sóng được truyền trong sự nhiễu loạn của tầng đối lưu và tầng điện ly. Sự không đồng nhất trong khí quyển sẽ tạo ra nhiễu cho pha kết quả và nó sẽ làm giảm chất lượng của ảnh giao thoa. Rất nhiều phương pháp đã được nghiên cứu để giảm ảnh hưởng của khí quyển đến chất lượng giao thoa như nghiên cứu của Hanssen [55, 139]. Theo Hanssen [55], bằng việc sử dụng các tư liệu radar chụp ở các khu vực khác nhau, đã chứng minh được rằng sự biến đổi của nhiệt độ và áp suất dẫn đến - 11 - biến dạng giao thoa ít hơn nhiều so với độ ẩm trong không khí.
Cũng với một chứng minh khác của giáo sư Zebker thì độ ẩm trong khí quyển sẽ ảnh hưởng đến từng loại sóng radar có bước sóng khác nhau ở mức độ khác nhau. Đối với những sóng Radar có bước sóng ngắn từ 3 cm trở xuống thì độ ẩm sẽ ảnh hưởng nhiều đến xung truyền, giao thoa có thể bị nhiễu. Bước sóng từ 6 cm trở lên gần như ít bị ảnh hưởng bởi hơi nước trong khí quyển. Còn trong nghiên cứu của Yun [136] đã sử dụng bóng thám không kết hợp phương pháp GPS để đo độ ẩm và giảm thiểu sai số này.
Tuy nhiên việc đo đạc này cũng không thể làm hết cho nhiều vùng ở trên ảnh được, nên việc sử dụng thêm dữ liệu thời tiết đo ở các trạm mặt đất cũng là một giải pháp được đưa ra. Đối với phần ảnh hưởng bởi độ ẩm ở tầng điện ly, thì việc sử dụng cặp ảnh chụp cùng ở một điều kiện thời tiết như nhau là một giải pháp hữu hiệu, để giảm thiểu sai số do tầng điện ly gây ra.