Tổng quan luận án

Đánh giá chất lượng dữ liệu ảnh viễn thám quang học là nhiệm vụ kỹ thuật then chốt trong chuỗi vận hành và khai thác các hệ thống vệ tinh quan sát Trái đất. Thông thường, người sử dụng tiếp cận dữ liệu ở các mức xử lý thương mại như mức 1A, mức 2A hoặc cao hơn và chủ yếu dựa vào các chỉ tiêu độ phân giải danh định do nhà sản xuất công bố. Tuy nhiên, các dữ liệu ở mức xử lý thô như mức 0 ít được tiếp cận và kiểm định độc lập. Việc kiểm tra tình trạng hoạt động thực tế của thiết bị chụp ảnh trên quỹ đạo đòi hỏi các mô hình toán lý quang học, cơ khí, nhiệt học và điện tử phức tạp, phần lớn thuộc diện bảo mật của nhà sản xuất. Trong môi trường không gian khắc nghiệt, các rung lắc khi phóng, biến dạng dẻo nhiệt và quá trình lão hóa linh kiện tất yếu gây suy giảm chất lượng thu nhận hình ảnh. Do không thể can thiệp vật lý trực tiếp, phương pháp đánh giá gián tiếp thông qua dữ liệu ảnh vệ tinh trở thành giải pháp khoa học bắt buộc nhằm xác định chính xác hiệu năng của thiết bị chụp ảnh.

Tại Việt Nam, việc vận hành hệ thống vệ tinh quan sát Trái đất độ phân giải cao VNREDSat-1 cùng các trạm thu ảnh vệ tinh quốc tế (SPOT 6/7, định hướng KOMPSAT-3) đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc tự chủ quy trình kiểm tra chất lượng dữ liệu. Mặc dù hệ thống thông số đánh giá chất lượng ảnh viễn thám rất đa dạng, điều kiện cơ sở hạ tầng trong nước còn thiếu thốn các phòng thí nghiệm tiêu chuẩn và thiết bị mô phỏng chuyên dụng. Việc đưa bãi kiểm định nhân tạo tại thành phố Buôn Ma Thuột (tỉnh Đắk Lắk) vào vận hành từ năm 2017 đã tạo tiền đề thực tiễn để thiết lập một khung đánh giá định lượng phù hợp. Luận án "Nghiên cứu đánh giá chất lượng ảnh viễn thám quang học" của nghiên cứu sinh Nguyễn Minh Ngọc tập trung giải quyết bài toán xây dựng phương pháp luận và quy trình kỹ thuật đánh giá chất lượng dữ liệu ảnh viễn thám quang học phù hợp với điều kiện thực tế của Việt Nam.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định cụ thể gồm hai nội dung:

  1. Đề xuất bộ thông số đặc trưng để đánh giá chất lượng ảnh viễn thám quang học phù hợp với điều kiện cơ sở vật chất và kỹ thuật của Việt Nam.
  2. Lựa chọn phương pháp xử lý và đề xuất quy trình công nghệ đánh giá chất lượng ảnh viễn thám quang học áp dụng cho các hệ thống vệ tinh của Việt Nam.

Luận án xây dựng hai luận điểm bảo vệ chính:

  • Luận điểm 1: Việc sử dụng tổ hợp hai thông số gồm hàm truyền điều biến (Modulation Transfer Function - MTF) và tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu (Signal to Noise Ratio - SNR) bảo đảm đầy đủ các điều kiện khoa học và thực tiễn để đánh giá chất lượng ảnh viễn thám quang học tại Việt Nam.
  • Luận điểm 2: Việc áp dụng thuật toán chiết tách cạnh Canny để tính toán hàm truyền điều biến MTF từ dữ liệu ảnh chụp các bãi kiểm định mang lại độ chính xác và tính khả thi cao trong công tác đánh giá chất lượng ảnh vệ tinh độ phân giải cao tại Việt Nam.

Đối tượng nghiên cứu của luận án là tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu SNR (đại diện cho chất lượng bức xạ) và hàm truyền điều biến MTF (đại diện cho chất lượng không gian).

Phạm vi nghiên cứu được xác lập như sau:

  • Phạm vi không gian: Bao gồm bãi kiểm định nhân tạo Salon de Provence (Cộng hòa Pháp) - nơi kiểm chuẩn vệ tinh VNREDSat-1 từ khi mới phóng; bãi kiểm định nhân tạo tại thành phố Buôn Ma Thuột (tỉnh Đắk Lắk, Việt Nam); các bãi kiểm định tự nhiên giả bất biến trên thế giới gồm khu vực sa mạc tại Algeria và Libya (Châu Phi), cùng vùng biển đồng nhất tại Đại Tây Dương.
  • Phạm vi dữ liệu: Dữ liệu ảnh vệ tinh VNREDSat-1 ở mức xử lý thô 0 và mức 1A (kênh toàn sắc PAN độ phân giải 2,5 m và 4 kênh đa phổ B1, B2, B3, B4 độ phân giải 10 m); dữ liệu phổ phản xạ bề mặt đo đạc thực địa tại ô mẫu bãi thử Buôn Ma Thuột thu thập trong hai giai đoạn năm 2017 và năm 2018; dữ liệu ảnh VNREDSat-1 chụp tại một số khu vực lãnh thổ Việt Nam như Nha Trang, Đức Thọ (Hà Tĩnh), Bình Đại (Bến Tre), Mường Lát (Thanh Hóa) và sân bay Tân Sơn Nhất (TP. Hồ Chí Minh) giai đoạn 2016–2019.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tổng quan các công trình nghiên cứu quốc tế cho thấy công tác đánh giá chất lượng thiết bị thu nhận ảnh viễn thám trên quỹ đạo được triển khai theo nhiều hướng tiếp cận khác nhau:

Về phương pháp luận đánh giá hàm truyền điều biến (MTF), Boreman đã thiết lập nền tảng phân tích hệ thống quang học trong miền tần số không gian, coi tín hiệu đầu vào là các sóng hình sin và định nghĩa MTF thông qua biến đổi Fourier hai chiều của hàm lan truyền điểm (Point Spread Function - PSF). James B. Campbell và Randolph H. Wynne mô tả MTF dựa trên sự suy giảm độ tương phản của các mẫu mục tiêu tuần hoàn dạng thanh trắng đen. Ronald và các cộng sự tiếp cận MTF qua mô hình hệ thống dịch chuyển tuyến tính bất biến (Linear Shift Invariant - LSI), chia tách MTF hệ thống thành các thành phần MTF sol khí và MTF nhiễu. Tiêu chuẩn quốc tế ISO 12233:2000(E) và bản cập nhật ISO 12233:2017 chuẩn hóa phương pháp cạnh nghiêng (slanted-edge method) để tính MTF từ một ảnh duy nhất, được M. Magna thực nghiệm thành công trên cảm biến CMOS; tuy nhiên phương pháp này đòi hỏi góc nghiêng mục tiêu kiểm định phải kiểm soát chặt chẽ dưới 10° (tối ưu khoảng 5°). Hang Li, Changxiang Yan và Jianbing Chao đã phát triển kỹ thuật cải tiến phương pháp cạnh nghiêng cho hệ thống quang học hồng ngoại bằng cách tối ưu hóa thuật toán chiết tách góc cạnh và hàm lan truyền cạnh (Edge Spread Function - ESF).

Đối với các hệ thống vệ tinh cụ thể, Paul W. Scott (DigitalGlobe) đã đánh giá MTF của vệ tinh QuickBird qua 16 cảnh ảnh trong giai đoạn 2001–2003 sử dụng thuật toán "gờ" (knife-edge) với vật chuẩn nhân tạo sơn trên mặt đất, chỉ ra sự khác biệt giữa các phép tái chia mẫu bằng nội suy song tuyến và nội suy 8-Point Sinc. Hệ thống vệ tinh SPOT (Pháp) áp dụng thuật toán "gờ" tại bãi kiểm định Salon de Provence để đánh giá kênh toàn sắc của cảm biến HRG2 trên SPOT5, kịp thời phát hiện sự suy giảm hiệu năng quang học để hiệu chỉnh tham số hệ thống vào năm 2011. Dữ liệu vệ tinh OrbView-3 được nhóm nghiên cứu quốc tế tính toán MTF cho ảnh 11-bit bằng thuật toán "gờ" dựa trên bãi kiểm định ô cờ đen trắng kết hợp cạnh các tòa nhà cao tầng. Jame C. Storey (Trung tâm EROS, USGS) và các nhóm nghiên cứu khác đã tận dụng các công trình nhân tạo tuyến tính dài như cầu hồ Pontchartrain Causeway (Louisiana) và cầu vịnh Destin (Florida) làm vật chuẩn dạng xung để ước tính MTF cho cảm biến ETM+ trên vệ tinh Landsat-7 và cảm biến Hyperion. Tại khu vực Đông Nam Á, các nhà khoa học Thái Lan đã áp dụng phương pháp sống dao tại bãi thử Salon de Provence để kiểm tra vệ tinh THEOS. Bên cạnh đó, Wu Zhaocong và cộng sự đề xuất phương pháp đánh giá toàn diện mờ (fuzzy comprehensive evaluation) kết hợp nhiều thuộc tính bức xạ và không gian trên ảnh GF2 và SPOT7; Jin Li và cộng sự xây dựng quy trình 5 bước ước tính MTF trực tiếp từ các vùng ảnh tự nhiên không cần vật chuẩn thông qua mô hình vi dịch chuyển điểm ảnh và bộ lọc đồng cấu.

Về đánh giá chất lượng bức xạ và tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR), Cơ quan Hàng không Vũ trụ Hoa Kỳ (NASA) đã phát triển phương pháp địa thống kê (geostatistics) dựa trên hàm bán phương sai (semivariogram) và lọc notch trong miền tần số để ước tính SNR cho cảm biến AVIRIS. Vệ tinh Sentinel-2 (ESA) được giám sát SNR định kỳ hàng tháng bằng thiết bị khuếch tán ánh sáng mặt trời và tín hiệu tối, đồng thời kiểm tra định kỳ 6 tháng một lần trên các bề mặt đồng nhất tự nhiên tại sa mạc, đảo Greenland và Nam Cực. Các nhà sản xuất vệ tinh SPOT tính toán SNR bằng cách phân rã phương sai nhiễu thành thành phần nhiễu hàng và nhiễu cột trên các ma trận 50×50 điểm ảnh thuộc các vùng bề mặt đồng nhất như sa mạc và băng tuyết.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án chỉ ra bao gồm:

  • Hầu hết các phương pháp đánh giá của các quốc gia phát triển đều dựa trên dữ liệu thiết kế nội bộ và hệ thống cơ sở kiểm định đo lường đồng bộ, chưa có quy trình chuẩn hóa phù hợp với các quốc gia tiếp nhận công nghệ vệ tinh như Việt Nam.
  • Các nghiên cứu trong nước trước đây chủ yếu tập trung vào dữ liệu ảnh ở các mức xử lý cao (mức 2A, 3A, 3B), chú trọng kỹ thuật nâng cao chất lượng thị giác hoặc đánh giá sai số hình học ngoài thực địa, hoàn toàn thiếu vắng các nghiên cứu định lượng các thông số vật lý cốt lõi (SNR, MTF) từ mức dữ liệu thô (mức 0 và mức 1A).
  • Thiếu sự liên kết giữa kết quả đánh giá thông số kỹ thuật vệ tinh với phân cấp mức độ chất lượng phục vụ từng nhóm ứng dụng chuyên biệt của người dùng cuối.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án xây dựng cơ sở khoa học dựa trên lý thuyết truyền xạ quang học, lý thuyết hệ thống tuyến tính bất biến và các thuật toán xử lý ảnh số chuyên sâu:

Khung lý thuyết phân tích chất lượng ảnh viễn thám quang học được chia tách thành hai nhóm thuộc tính:

  • Chất lượng không gian: Xác định bởi trường nhìn tức thời (IFOV), trường nhìn tức thời hình học (IGFOV), khoảng cách lấy mẫu mặt đất (GSD), độ méo hình học và hàm truyền điều biến (MTF). Dưới tác động của hiện tượng nhiễu xạ qua khẩu độ quang học và quy tắc Rayleigh, ảnh của một điểm sáng trong không gian vật biến thành một đĩa sáng Airy trên tiêu diện. Mối quan hệ giữa các hàm không gian được biểu diễn qua chuỗi biến đổi: Hàm lan truyền cạnh (ESF) mô tả phản xạ tại ranh giới tương phản cao; đạo hàm bậc nhất của ESF cho hàm lan truyền đường (Line Spread Function - LSF); và biến đổi Fourier một chiều của LSF cho hàm truyền quang học (Optical Transfer Function - OTF), trong đó phần độ lớn chính là hàm truyền điều biến MTF:

$$\text{LSF}(x) = \frac{d}{dx}\text{ESF}(x)$$

$$\text{MTF}(f) = |\mathcal{F}{\text{LSF}(x)}|$$

  • Chất lượng bức xạ: Xác định bởi độ phân giải bức xạ, dải động bức xạ, mức bức xạ tương đương nhiễu ($NE\Delta\rho$, $NE\Delta L$) và tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR). Tỉ lệ SNR trên một vùng đồng nhất được định nghĩa theo công thức:

$$\text{SNR} = \frac{m}{\sigma}$$

Trong đó $m$ là giá trị bức xạ trung bình của ô mẫu đồng nhất và $\sigma$ là độ lệch chuẩn đại diện cho mức độ nhiễu. Đối với cảm biến mảng tuyến tính CCD, sai số bức xạ thô được phân tách thành hai thành phần có tính hệ thống: Tín hiệu tối (Dark Signal - DS) sinh ra do dòng nhiệt điện tử khi không có quang tử kích thích, và mức độ hồi đáp bức xạ không đồng đều giữa các điểm ảnh (Pixel Response Non-Uniformity - PRNU).

Nhóm thông số Thông số kỹ thuật Khả năng thực hiện tại Việt Nam Biện pháp / Phương pháp áp dụng
Không gian Hàm truyền điều biến (MTF) Đánh giá trực tiếp Sử dụng bãi kiểm định nhân tạo Buôn Ma Thuột và thuật toán Canny
Khoảng cách lấy mẫu mặt đất (GSD) Không đánh giá độc lập Cố định theo thiết kế, hiệu chỉnh trong tái chia mẫu hình học
Độ méo ảnh, lấy mẫu góc, định hướng Không đánh giá Thiếu mô hình mô phỏng quang - cơ - điện tử chi tiết
Bức xạ Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) Đánh giá trực tiếp Sử dụng ô mẫu đồng nhất tại Buôn Ma Thuột sau hiệu chỉnh DS, PRNU
Tín hiệu tối (DS) Đánh giá và hiệu chỉnh Sử dụng ảnh mức 0 chụp ban đêm / vùng biển Đại Tây Dương
Hồi đáp không đồng đều (PRNU) Đánh giá và hiệu chỉnh Sử dụng ảnh mức 0 chụp sa mạc đồng nhất tại Algeria và Libya
Dải động bức xạ Không đánh giá Thiếu vật chuẩn có độ trắng tuyệt đối ngoài thực địa

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm được triển khai đồng bộ:

  • Phương pháp thu thập và đo đạc thực địa: Thu thập dữ liệu phản xạ phổ bề mặt của các ô mẫu kiểm chuẩn tại bãi thử Buôn Ma Thuột bằng máy đo phổ chuyên dụng trong hai đợt thực nghiệm năm 2017 và 2018; thu thập tệp thông số hiệu chỉnh hệ thống (Calibration Parameter File - CPF) và dữ liệu ảnh vệ tinh VNREDSat-1.
  • Phương pháp xử lý ảnh số và thị giác máy tính: Ứng dụng toán tử chiết tách cạnh Canny để tự động phát hiện ranh giới cạnh chuyển tiếp giữa các ô sơn màu đen - trắng tại bãi kiểm định. Thuật toán Canny sử dụng bộ lọc đạo hàm Gauss để khử nhiễu, tính toán độ lớn và hướng gradient, áp dụng kỹ thuật triệt phi cực đại (non-maximum suppression) và phân ngưỡng trễ (hysteresis thresholding) để xác định chính xác vị trí tâm cạnh ở mức dưới điểm ảnh (sub-pixel), khắc phục triệt để sai số của các thuật toán dò cạnh tuyến tính truyền thống.
  • Phương pháp lập trình và phát triển công cụ: Xây dựng bộ mã nguồn phần mềm chuyên dụng (trình bày tại Phụ lục 5 của luận án) nhằm tự động hóa quy trình trích xuất mặt cắt bức xạ, tái chia mẫu một chiều, tính toán vi phân ESF thành LSF và biến đổi Fourier nhanh (FFT) để xác định đường cong MTF và giá trị MTF tại tần số Nyquist ($f_{Nyquist} = 0,5 \text{ chu kỳ/pixel}$).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Chương 1 hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý luận về chất lượng ảnh viễn thám quang học và lịch sử phát triển các công nghệ kiểm định thiết bị chụp ảnh trên vệ tinh. Tác giả phân tích rõ sự cần thiết phải kiểm định chất lượng theo 3 giai đoạn vòng đời của một vệ tinh viễn thám:

  1. Giai đoạn trước khi phóng: Đánh giá trong phòng thí nghiệm quang học tiêu chuẩn, thiết lập các tệp dữ liệu hiệu chỉnh ban đầu.
  2. Giai đoạn khi mới vào quỹ đạo: Đánh giá và tinh chỉnh hệ thống nhằm hiệu chỉnh những biến đổi quang - cơ do rung lắc trong quá trình phóng tên lửa đẩy.
  3. Giai đoạn hoạt động trên quỹ đạo: Theo dõi định kỳ sự suy thoái hiệu năng do môi trường không gian và lão hóa linh kiện để cập nhật tham số vận hành.

Tác giả tổng kết các nhóm thông số chất lượng không gian (MTF, GSD, EFOV, EIFOV, sai số quay Pitch/Roll/Yaw, biến dạng do Trái đất tự quay) và chất lượng bức xạ (SNR, DS, PRNU, dải động). Phân tích tổng quan các công trình quốc tế trên các vệ tinh Landsat 7/8, SPOT 4/5/6/7, Sentinel-2, QuickBird, OrbView-3, Hyperion, ASTER, WorldView-2 và THEOS. Qua việc phân tích thực trạng năng lực công nghệ và cơ sở vật chất của Việt Nam, chương 1 khẳng định sự cần thiết phải lựa chọn hai thông số đặc trưng là SNR và MTF, đồng thời xác lập yêu cầu bắt buộc phải xử lý tín hiệu tối DS và độ hồi đáp không đồng đều PRNU trên dữ liệu mức 0 trước khi tính toán các chỉ tiêu chất lượng trên dữ liệu mức 1A.

Chương 2: Cơ sở khoa học và phương pháp đánh giá chất lượng ảnh viễn thám quang học

Chương 2 trình bày chi tiết nền tảng toán học và vật lý của quá trình hình thành hình ảnh viễn thám, phân tích các nguồn gốc gây suy giảm chất lượng bức xạ và không gian:

  • Mô hình hóa sự lan truyền quang sai và hiện tượng nhiễu xạ làm suy thoái độ tương phản hình ảnh qua hàm lan truyền điểm PSF và hệ thống dịch chuyển tuyến tính bất biến LSI.
  • Thiết lập phương pháp toán học tính toán SNR trên các vùng ảnh đồng nhất, phân tích các thành phần nhiễu thiết bị (nhiễu Poisson, nhiễu điện tử) và nhiễu chuẩn hóa.
  • Phân tích các phương pháp xác định MTF trên quỹ đạo: Phương pháp bãi kiểm định nhân tạo, phương pháp độ phân giải kép, phương pháp dựa trên thiết bị đặc trưng trên vệ tinh và phương pháp cạnh tự nhiên.
  • Luận chứng sự thích hợp của phương pháp chiết tách cạnh Canny: Trong điều kiện bãi kiểm định tại Buôn Ma Thuột có kích thước hình học giới hạn, thuật toán Canny giúp định vị chính xác vị trí góc nghiêng của cạnh chuyển tiếp, loại bỏ các điểm nhiễu cục bộ và giảm thiểu hiện tượng răng cưa do lấy mẫu dưới tần số Nyquist.
Mô hình toán học chuỗi suy diễn MTF từ bãi kiểm định dạng cạnh:
Ảnh bãi kiểm định -> Chiết tách cạnh Canny -> Phân bố bức xạ ESF -> Vi phân d/dx -> Hàm LSF -> Biến đổi Fourier -> Đường cong MTF(f)

Chương 3: Đề xuất quy trình đánh giá chất lượng ảnh viễn thám quang học phù hợp với điều kiện Việt Nam

Chương 3 xây dựng khung quy trình công nghệ tổng thể và các quy trình thành phần phục vụ công tác đánh giá chất lượng ảnh viễn thám quang học tại Việt Nam, bao gồm 4 khối chức năng chính:

  • Quy trình hiệu chỉnh bức xạ thô:
    1. Hiệu chỉnh tín hiệu tối (DS): Trích xuất giá trị dòng tối trung bình của từng phần tử cảm biến trên từng kênh phổ từ ảnh chụp vùng biển Đại Tây Dương không có ánh sáng; trừ giá trị DS khỏi giá trị số nguyên thủy (DN) của ảnh mức 0.
    2. Hiệu chỉnh mức độ hồi đáp không đồng đều (PRNU): Sử dụng dữ liệu ảnh mức 0 chụp các bề mặt sa mạc đồng nhất tại Algeria và Libya để tính toán hệ số khuếch đại tương đối của từng điểm ảnh, loại trừ hiện tượng sọc ảnh (striping).
  • Quy trình đánh giá thông số SNR: Lựa chọn các ô mẫu đồng nhất trên ảnh mức 1A tại bãi kiểm định Buôn Ma Thuột (sau khi đã hiệu chỉnh bức xạ cơ bản), trích xuất thống kê giá trị trung bình $m$ và độ lệch chuẩn $\sigma$ trên từng kênh phổ để xác định tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu.
  • Quy trình đánh giá thông số MTF: Xác định hướng của cạnh kiểm chuẩn trong hệ quy chiếu ảnh; thực hiện lấy mẫu bức xạ vuông góc với đường cạnh để xây dựng hàm ESF; làm mịn và vi phân hàm ESF để thu được hàm LSF; áp dụng biến đổi Fourier rời rạc để tính đường cong MTF dọc hướng bay (along-track) và ngang hướng bay (across-track).
  • Thiết kế hệ thống bãi kiểm định: Phân loại các bãi thử mặt đất có trang bị (LES), không trang bị (LNES), bãi thử mặt biển (SES, SNES); đề xuất tiêu chí kỹ thuật về kích thước, độ phản xạ phổ và vật chuẩn di động (dạng rẻ quạt, dạng cột, ô vuông, thang độ xám, đa màu sắc).
  • Đề xuất phân cấp chất lượng ảnh theo nhu cầu sử dụng: Xây dựng ma trận liên kết giữa giá trị MTF/SNR với độ sắc nét và độ phân giải hình học nhằm phân loại chất lượng thành 4 mức phục vụ người dùng: Rất tốt, Tốt, Xấu và Không sử dụng được.

Chương 4: Thực nghiệm: Đánh giá chất lượng ảnh viễn thám VNREDSat-1 của Việt Nam

Chương 4 công bố kết quả tính toán thực nghiệm trên chuỗi dữ liệu ảnh của vệ tinh viễn thám quang học VNREDSat-1:

  • Kết quả hiệu chỉnh bức xạ (DS và PRNU):
    • Giá trị tín hiệu tối DS được xác định độc lập trên kênh toàn sắc PAN và 4 kênh đa phổ B1 (Blue), B2 (Green), B3 (Red), B4 (NIR). So sánh giữa hai thời điểm đánh giá cho thấy sai số tín hiệu tối lớn nhất nằm trong ngưỡng an toàn, triệt tiêu hoàn toàn độ trôi bức xạ nền.
    • Phép hiệu chỉnh PRNU trên vùng sa mạc Algeria và Libya đã loại bỏ hoàn toàn các vết sọc dọc theo chiều quét của mảng cảm biến CCD trên cả 5 kênh phổ.
  • Kết quả tính toán SNR: Giá trị SNR thực nghiệm tại bãi kiểm định Buôn Ma Thuột đạt và vượt các chỉ tiêu thiết kế ban đầu của nhà sản xuất vệ tinh VNREDSat-1.
Kênh phổ VNREDSat-1 Dải bước sóng ($\mu m$) Độ phân giải mặt đất (GSD) SNR Thiết kế SNR Thực nghiệm (Buôn Ma Thuột)
Kênh PAN (Toàn sắc) 0,45 – 0,75 2,5 m $\ge 60$ Đạt yêu cầu thiết kế
Kênh B1 (Blue) 0,45 – 0,52 10,0 m $\ge 100$ Đạt yêu cầu thiết kế
Kênh B2 (Green) 0,53 – 0,59 10,0 m $\ge 100$ Đạt yêu cầu thiết kế
Kênh B3 (Red) 0,62 – 0,69 10,0 m $\ge 100$ Đạt yêu cầu thiết kế
Kênh B4 (NIR) 0,76 – 0,89 10,0 m $\ge 100$ Đạt yêu cầu thiết kế
  • Kết quả tính toán hàm truyền điều biến MTF:
    • Tính toán MTF tại tần số Nyquist theo cả chiều dọc hướng bay (chuyển trạng thái đen $\rightarrow$ trắng và trắng $\rightarrow$ đen) và chiều ngang hướng bay (chuyển trạng thái đen $\rightarrow$ trắng và trắng $\rightarrow$ đen).
    • So sánh đối chiếu kết quả MTF tính tại bãi kiểm định Buôn Ma Thuột (ảnh chụp ngày 14/11/2017 và 02/11/2018) với kết quả tại bãi kiểm định quốc tế Salon de Provence (Pháp) và số liệu kiểm chuẩn của nhà sản xuất (Phụ lục 1, Phụ lục 4).
    • Kết quả đánh giá dài hạn cho thấy sau 8 năm hoạt động liên tục trên quỹ đạo, giá trị MTF của hệ thống quang học VNREDSat-1 vẫn duy trì ở mức ổn định, đáp ứng đầy đủ yêu cầu kỹ thuật thu nhận ảnh rõ nét.
  • Đánh giá chất lượng ảnh theo các mức sử dụng thực tế: Thực nghiệm phân cấp trên các cảnh ảnh VNREDSat-1 chụp tại TP. Nha Trang (26/12/2019), xã Đức Trung - Đức Thọ - Hà Tĩnh (22/03/2019), Bình Đại - Bến Tre (24/12/2019) và Mường Lát - Thanh Hóa (18/04/2019), minh chứng khả năng ứng dụng hiệu quả của quy trình phân loại chất lượng ảnh.

Kết quả và những đóng góp mới

Các kết quả nghiên cứu khoa học và đóng góp mới của luận án được tổng hợp cụ thể như sau:

  • Về mặt lý luận và khoa học:
    • Xác lập cơ sở phương pháp luận hoàn chỉnh trong việc đánh giá định lượng chất lượng ảnh viễn thám quang học từ dữ liệu thô tại Việt Nam.
    • Chứng minh tính phù hợp và ưu việt của việc kết hợp hai thông số vật lý cốt lõi: Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu SNR (đại diện cho chất lượng bức xạ) và hàm truyền điều biến MTF (đại diện cho chất lượng không gian).
    • Ứng dụng thành công thuật toán chiết tách cạnh Canny thay thế cho các thuật toán tuyến tính truyền thống trong việc xử lý ảnh bãi kiểm định, giúp định vị chính xác đường biên chuyển tiếp bức xạ và nâng cao độ tin cậy khi tính toán các hàm ESF, LSF và đường cong MTF của hệ thống quang học vệ tinh độ phân giải cao.
  • Về mặt thực tiễn và ứng dụng:
    • Xây dựng thành công quy trình công nghệ chuẩn hóa gồm các bước: Hiệu chỉnh tín hiệu tối DS, hiệu chỉnh hồi đáp không đồng đều PRNU trên mức 0; tính toán định lượng SNR và MTF trên mức 1A; và tích hợp ma trận đánh giá chất lượng phục vụ trực tiếp nhu cầu người dùng.
    • Cung cấp bộ công cụ phần mềm chuyên dụng (mã nguồn tại Phụ lục 5) hỗ trợ tự động hóa các khâu tính toán tham số quang học từ dữ liệu ảnh viễn thám.
    • Chứng minh một cách khoa học rằng sau 8 năm vận hành trên quỹ đạo, hệ thống chụp ảnh của vệ tinh VNREDSat-1 của Việt Nam vẫn duy trì chất lượng bức xạ và độ sắc nét không gian đáp ứng đúng các chỉ tiêu kỹ thuật thiết kế ban đầu.
    • Đưa ra các tiêu chí kỹ thuật định hướng xây dựng và khai thác hệ thống bãi kiểm định nhân tạo cố định và di động tại Việt Nam, sẵn sàng ứng dụng cho các chùm vệ tinh thế hệ mới (SPOT 6/7, KOMPSAT-3 và các vệ tinh quang học tương lai của Việt Nam).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Văn bản luận án chỉ rõ một số hạn chế và định hướng nghiên cứu tiếp theo:

  • Hạn chế:
    • Nghiên cứu chưa xem xét đánh giá một số thông số chất lượng không gian và bức xạ phức tạp như độ méo ảnh quang học, khoảng cách lấy mẫu góc, chất lượng định hướng và dải động bức xạ tuyệt đối, do các thông số này đòi hỏi mô hình thiết kế mô phỏng chi tiết của toàn bộ quả vệ tinh hoặc khung mẫu thử cơ học chuyên dụng mà điều kiện trong nước chưa thể đáp ứng.
    • Số lượng bãi kiểm định nhân tạo cố định tại Việt Nam còn hạn chế (mới có một bãi thử tại thành phố Buôn Ma Thuột, Đắk Lắk), dẫn đến tần suất vệ tinh chụp lặp lại để kiểm định định kỳ phụ thuộc vào chu kỳ quỹ đạo.
    • Hệ thống vệ tinh VNREDSat-1 không được thiết kế chế độ quay chụp Mặt trăng để hiệu chỉnh bức xạ tuyệt đối độc lập, do đó công tác hiệu chỉnh vẫn phải phụ thuộc vào các bãi kiểm định tự nhiên giả bất biến trên thế giới.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Tiếp tục hoàn thiện và chế tạo các loại vật chuẩn di động (dạng rẻ quạt, dạng cột, dạng ô vuông, thang độ xám và đa màu sắc) để linh hoạt triển khai kiểm định chất lượng ảnh tại nhiều vùng địa lý và điều kiện khí quyển khác nhau ở Việt Nam.
    • Mở rộng phạm vi áp dụng quy trình công nghệ đã xây dựng để đánh giá định kỳ các nguồn dữ liệu ảnh vệ tinh quang học độ phân giải siêu cao và siêu phổ mới tiếp nhận tại trạm thu mặt đất quốc gia.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu chuyên khảo có giá trị tham khảo cao đối với nhiều nhóm đối tượng:

  • Đối với các cơ quan quản lý và vận hành vệ tinh (Viện Công nghệ vũ trụ, Trung tâm Điều khiển và Khai thác vệ tinh nhỏ thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam; Cục Viễn thám Quốc gia thuộc Bộ Tài nguyên và Môi trường): Cung cấp quy trình kỹ thuật chuẩn mực để kiểm tra định kỳ chất lượng dữ liệu ảnh viễn thám mức 0 và mức 1A trước khi cung cấp cho cộng đồng sử dụng.
  • Đối với các nhà nghiên cứu, nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Đo ảnh - Viễn thám, Trắc địa - Bản đồ, Kỹ thuật Không gian và Xử lý ảnh: Cung cấp tài liệu tham khảo sâu sắc về mô hình toán học LSI, thuật toán vi phân ESF-LSF-MTF, kỹ thuật chiết tách cạnh Canny và mã nguồn phần mềm xử lý thực tế (Phụ lục 5).
  • Đối với các đơn vị ứng dụng ảnh vệ tinh: Cung cấp phương pháp phân cấp chất lượng ảnh theo nhu cầu thực tế, giúp người dùng lựa chọn đúng loại dữ liệu đáp ứng độ chính xác hình học và độ mịn phổ cho từng bài toán quy hoạch, quan trắc tài nguyên và giám sát thiên tai.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao tác giả lựa chọn hai thông số MTF và SNR làm đại diện chính để đánh giá chất lượng ảnh viễn thám quang học tại Việt Nam?
Trả lời: Trong tập hợp nhiều thông số chất lượng, SNR là thông số phản ánh bản chất độ nhiễu bức xạ của cảm biến, còn MTF là đại lượng vật lý đặc trưng cho khả năng truyền tải độ tương phản và độ sắc nét không gian của toàn bộ hệ thống quang học. Hai thông số này có thể tính toán định lượng chính xác thông qua dữ liệu ảnh chụp các bãi kiểm định mặt đất mà không đòi hỏi các mô hình thiết kế tham số bảo mật hay thiết bị phòng thí nghiệm phức tạp vốn chưa có tại Việt Nam.

2. Thuật toán chiết tách cạnh Canny mang lại lợi ích gì trong việc tính toán hàm truyền điều biến MTF?
Trả lời: Thuật toán Canny giúp tự động hóa việc khử nhiễu bằng bộ lọc Gauss, xác định chính xác vị trí và góc nghiêng của đường ranh giới chuyển tiếp tương phản tại bãi kiểm định với độ chính xác dưới điểm ảnh (sub-pixel). Điều này giúp khắc phục nhược điểm của các thuật toán dò cạnh tuyến tính, loại trừ sai số răng cưa khi lấy mẫu và nâng cao độ chính xác khi nội suy hàm ESF, tính đạo hàm LSF và biến đổi Fourier để xác định MTF.

3. Quy trình tiền xử lý bức xạ trên dữ liệu mức 0 bao gồm những bước nào trước khi đánh giá MTF và SNR trên dữ liệu mức 1A?
Trả lời: Quy trình tiền xử lý gồm hai bước bắt buộc:

  • Hiệu chỉnh tín hiệu tối (DS): Xác định dòng nhiệt điện tử nền của từng phần tử cảm biến từ ảnh chụp vùng biển tối Đại Tây Dương và trừ khỏi giá trị số của ảnh.
  • Hiệu chỉnh hồi đáp bức xạ không đồng đều (PRNU): Sử dụng ảnh chụp các vùng sa mạc đồng nhất tại Algeria và Libya để cân bằng độ nhạy giữa các cảm biến CCD, loại bỏ hiện tượng sọc ảnh.

4. Dữ liệu thực nghiệm của vệ tinh VNREDSat-1 sau 8 năm vận hành cho thấy kết quả như thế nào?
Trả lời: Kết quả thực nghiệm tính toán tại bãi thử Buôn Ma Thuột và đối sánh với bãi thử Salon de Provence (Pháp) khẳng định: Giá trị tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu SNR trên kênh toàn sắc PAN và 4 kênh đa phổ (B1, B2, B3, B4) đều đạt và vượt chỉ tiêu thiết kế; hàm truyền điều biến MTF tại tần số Nyquist theo cả hai hướng dọc và ngang đường bay vẫn duy trì độ ổn định cao, bảo đảm cung cấp ảnh sắc nét phục vụ tốt các nhu cầu giám sát tài nguyên và môi trường.

Kết luận

Luận án "Nghiên cứu đánh giá chất lượng ảnh viễn thám quang học" của nghiên cứu sinh Nguyễn Minh Ngọc đã giải quyết trọn vẹn bài toán khoa học và thực tiễn trong việc kiểm định chất lượng dữ liệu ảnh vệ tinh quang học tại Việt Nam. Bằng việc xác lập bộ thông số đại diện cốt lõi (SNR và MTF), ứng dụng thuật toán chiết tách cạnh Canny và xây dựng quy trình hiệu chỉnh bức xạ - không gian đồng bộ từ mức dữ liệu thô, công trình đã đóng góp cơ sở phương pháp luận vững chắc cho chuyên ngành Đo ảnh và Viễn thám. Kết quả đánh giá thực nghiệm toàn diện trên vệ tinh VNREDSat-1 cùng hệ thống công cụ phần mềm đi kèm mang lại giá trị ứng dụng thực tiễn cao, phục vụ hiệu quả công tác quản lý, khai thác các thế hệ vệ tinh quan sát Trái đất hiện tại và tương lai của Việt Nam.