Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ vật lí học chuyên ngành Vật lí vô tuyến và điện tử (mã số: 9440130.03) của nghiên cứu sinh Thái Thị Bích Hồng, thực hiện tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội năm 2023 dưới sự hướng dẫn của TS. Bùi Trọng Tuyên và PGS. Vũ Anh Phi, tập trung vào đề tài: "Nghiên cứu, phát triển thuật toán kiểm định gián tiếp thiết bị chụp ảnh quang học trên vệ tinh nhỏ viễn thám".

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Vệ tinh nhỏ viễn thám quang học đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp dữ liệu phục vụ quản lý tài nguyên thiên nhiên, giám sát môi trường và quốc phòng – an ninh nhờ độ phân giải không gian cao và chu kỳ chụp ảnh ngắn. Do các ràng buộc nghiêm ngặt về kích thước và khối lượng, hệ thống quang học trên vệ tinh nhỏ có cấu tạo quang – cơ khí phức tạp (thường sử dụng hệ quang ba gương phi cầu Korsch TMA), khiến thiết bị dễ chịu ảnh hưởng bởi các điều kiện khắc nghiệt của môi trường không gian, dao động nhiệt độ, bức xạ vũ trụ và động lực học bay. Sau khi phóng lên quỹ đạo, các thiết bị này dần bị suy giảm chất lượng bức xạ và độ sắc nét không gian.

Khác với các vệ tinh quan sát Trái đất cỡ lớn vốn được tích hợp hệ thống nguồn sáng chuẩn (đèn hiệu chuẩn, tấm khuếch tán) để tự kiểm tra trực tiếp trên quỹ đạo, vệ tinh nhỏ không có đủ không gian và khối lượng để mang các thiết bị này. Do đó, việc xác định trạng thái làm việc thực tế của cảm biến bắt buộc phải dựa vào phương pháp kiểm định gián tiếp thông qua sản phẩm ảnh thô chụp bề mặt Trái đất. Khoảng trống nghiên cứu được tác giả xác định là: các công trình trước đây chủ yếu dừng lại ở việc đánh giá tham số kỹ thuật so với thiết kế ban đầu hoặc tăng cường ảnh mức cao (Level 3A, 3B) phục vụ giải đoán, thiếu quy trình thuật toán tự động để kiểm định gián tiếp định kỳ và chưa gắn kết quả kiểm định đó với việc phục hồi chất lượng dữ liệu ảnh gốc về trạng thái khi vệ tinh mới vận hành ổn định trên quỹ đạo (thời điểm In-Orbit Test – IOT).

Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu tổng quát của luận án là phát triển thuật toán kiểm định gián tiếp hệ thống chụp ảnh quang học của vệ tinh nhỏ viễn thám dựa trên dữ liệu ảnh bề mặt Trái đất, đồng thời thiết lập phương pháp phục hồi chất lượng ảnh bị mờ và suy giảm bức xạ về gần thời điểm vệ tinh mới phóng lên quỹ đạo.

Luận điểm bảo vệ

  • Luận điểm 1: Chất lượng của thiết bị chụp ảnh quang học trên vệ tinh nhỏ viễn thám được kiểm định gián tiếp qua thông số hàm truyền điều biến (MTF – đại diện cho chất lượng không gian) và tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR – đại diện cho chất lượng bức xạ) là phù hợp và đảm bảo độ chính xác. Hai thông số này được tính toán qua dữ liệu ảnh bãi kiểm định thu trực tiếp từ hệ thống.
  • Luận điểm 2: Chất lượng ảnh được phục hồi về gần thời điểm vệ tinh mới phóng lên quỹ đạo dựa trên kết quả kiểm định thiết bị chụp ảnh là khả thi đối với hệ thống vệ tinh nhỏ viễn thám.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Các thông số đánh giá chất lượng hệ thống chụp ảnh quang học thông qua dữ liệu ảnh (tập trung vào nhóm thông số bức xạ SNR và thông số không gian MTF); chất lượng dữ liệu ảnh của hệ thống chụp ảnh quang học vệ tinh nhỏ.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Hệ thống thiết bị chụp ảnh trên vệ tinh nhỏ viễn thám đầu tiên của Việt Nam – VNREDSat-1 (khối lượng ~120 kg, quỹ đạo đồng bộ Mặt Trời độ cao 680 km, góc nghiêng 98,128°, độ phân giải mặt đất 2,5 m toàn sắc PAN và 10 m đa phổ MS, mức lượng tử hóa 10-bit).
    • Các mô hình toán học và thuật toán kiểm định gián tiếp chất lượng thiết bị và phục hồi ảnh.
    • Dữ liệu ảnh chụp thực nghiệm mức 1A tại bãi kiểm định Salon de Provence (Pháp) và bãi kiểm định Buôn Ma Thuột (Đắk Lắk, Việt Nam) cùng các cảnh ảnh lãnh thổ Việt Nam giai đoạn từ 2013 đến 2022.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu quốc tế

Luận án tổng hợp các hướng tiếp cận kiểm định và phục hồi chất lượng ảnh viễn thám quang học trên thế giới theo hai nhóm chính:

  1. Đánh giá chất lượng hệ thống và thông số ảnh:

    • Hiệu chỉnh bức xạ chéo và phân tích nhiễu: Nghiên cứu của Chander và cộng sự [39] đánh giá chéo giữa Landsat 8 OLI/TIRS và Landsat 7 trên bãi kiểm định Libya cho thấy độ lệch bức xạ khoảng 3%. Nghiên cứu của Arai và cộng sự [9] giải quyết hiện tượng nhiễu xạ giữa hai kênh phổ VNIR và SWIR của cảm biến ASTER. Vệ tinh SPOT [36] tách biệt nguồn nhiễu theo hàng và cột trên các ảnh bề mặt đồng nhất (sa mạc, băng tuyết). Vệ tinh Sentinel-2 [21] của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA) được đánh giá định kỳ hàng năm ở mức 1A thông qua SNR, MTF, PRNU và cân bằng bức xạ.
    • Ước tính hàm truyền điều biến (MTF): Kohm [49] sử dụng thuật toán "gờ" (edge test) trên các bãi kiểm định ô bàn cờ đen trắng và cạnh công trình xây dựng để tính MTF cho vệ tinh Orbview-3. Storey [52] sử dụng hình ảnh cây cầu Pontchartrain Causeway (Louisiana, Hoa Kỳ) như một bãi kiểm định dạng xung để theo dõi sự suy giảm MTF của Landsat 7 sau hai năm hoạt động. Scott [51] đánh giá MTF của QuickBird, chỉ ra nội suy song tuyến cho giá trị MTF thấp hơn nội suy 8-Point Sinc và MTF tại tần số Nyquist đạt yêu cầu thiết kế (>0,08). Magna [22] nghiên cứu phương pháp cạnh nghiêng theo tiêu chuẩn ISO 12233 cho cảm biến CMOS, chỉ ra hạn chế khi góc nghiêng cạnh phải nhỏ hơn 10° (tối ưu là 5°). Wu Zhaocong và cộng sự [56] xây dựng phương pháp đánh giá mờ tổng hợp dựa trên MTF và các chỉ số thống kê (Nyquist, MTF 0.5, entropy, SNR cực đại, độ tương phản, GSD). Jin Li, Fei Xing, Ting Sun, Zheng You [37] đề xuất quy trình 5 bước tính MTF cho SPOT5 và QuickBird bằng đạo hàm và biến đổi Fourier từ các đặc trưng tự nhiên không cần vật chuẩn nhân tạo. Christophe Latry, Vincent Despringre, Christophe Valorge [35] dùng phương pháp bình phương nhỏ nhất lặp để ước tính tỉ lệ MTF giữa ảnh độ phân giải thấp và độ phân giải cao.

  2. Phục hồi chất lượng ảnh viễn thám:

    • Xiaopeng Shao và cộng sự [50] sử dụng phương pháp đồng dư pha (phase congruency) để phát hiện cạnh, ước tính hàm lan truyền cạnh (ESF) và áp dụng thuật toán biến phân toàn phần (Total Variation – TV) để giải chập bù MTF.
    • Fouad Aouinti và cộng sự [8] áp dụng giải thuật di truyền tối ưu hóa bộ lọc giải chập Wiener để khôi phục ảnh vệ tinh bị suy giảm khi không biết chính xác mật độ phổ công suất gốc.
    • Shilpa Suresh và cộng sự [53] phát triển khung nâng cao độ tương phản ảnh viễn thám dựa trên các thước đo chất lượng định lượng (NIQMC, BIQME, MICHELSON, DE, EME, PIXDIST).

Các nghiên cứu trong nước

Tại Việt Nam, các nghiên cứu viễn thám trước đây chủ yếu tập trung vào khai thác dữ liệu và xử lý tăng cường ở sản phẩm đầu ra:

  • Lương Chính Kế [3] (2011) xây dựng quy trình chuẩn hóa bức xạ phổ đa thời gian và kỹ thuật trộn ảnh đa nguồn.
  • Chu Hải Tùng [6] (2014) tối ưu hóa việc đặt chụp và xử lý dãn màu phổ, nắn chỉnh hình học trên ảnh VNREDSat-1.
  • Nguyễn Văn Hùng [2] (2014) và Đặng Trường Giang [1] (2017, 2021) nghiên cứu phương pháp quản lý và đánh giá chất lượng phổ trên các sản phẩm ảnh mức 3A, 3B (ảnh trực chính, bình đồ ảnh) của SPOT6/7, Pleiades, Sentinel-2, Landsat-8 và VNREDSat-1.
  • Nghiêm Văn Tuấn và cộng sự [5] (2018) đề xuất bộ thông số kiểm định chất lượng quang học (MTF, GSD, SNR, DS, PRNU) và thử nghiệm hiệu chỉnh tín hiệu tối DS, hồi đáp không đồng nhất PRNU trên VNREDSat-1.
  • Nguyễn Minh Ngọc [4] (2023) tính toán MTF (sử dụng thuật toán trích xuất cạnh Canny) và SNR (sử dụng độ lệch chuẩn cục bộ) cho ảnh VNREDSat-1 từ dữ liệu bãi kiểm định Salon de Provence và Buôn Ma Thuột đến năm 2019 nhằm chứng minh sự ổn định của hệ thống.

Khoảng trống luận án giải quyết

Luận án của NCS Thái Thị Bích Hồng kế thừa các kết quả tính toán thông số MTF và SNR, đồng thời giải quyết khoảng trống then chốt: xây dựng thuật toán tự động hóa hoàn chỉnh theo phương pháp cạnh nghiêng kết hợp lọc Savitzky-Golay để tính MTF và phân tích vùng đồng nhất để tính SNR trên dữ liệu mức 1A; từ các tham số kiểm định đó, xây dựng mô hình toán học giải chập bù MTF đối với ảnh bị mờ và mô hình hồi quy tuyến tính đa kênh phổ để bù đắp sự suy giảm giá trị bức xạ theo thời gian hoạt động của vệ tinh nhỏ viễn thám.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

  • Mô hình suy giảm chất lượng ảnh quang học: Quá trình tạo ảnh trong hệ thống viễn thám tuyến tính, bất biến dịch chuyển (LSI) được mô tả qua mô hình tích chập: $$g(x, y) = f(x, y) * h(x, y) + n(x, y)$$ Trong đó: $g(x, y)$ là ảnh thu nhận tại cảm biến; $f(x, y)$ là phân bố bức xạ thực của đối tượng mặt đất; $h(x, y)$ là hàm lan truyền điểm (Point Spread Function – PSF) biểu diễn độ mờ quang học do quang sai, nhiễu xạ và chuyển động của vật mang; $n(x, y)$ là thành phần nhiễu cộng ngẫu nhiên phát sinh từ cảm biến và môi trường.

  • Hàm truyền điều biến (Modulation Transfer Function – MTF): MTF là độ lớn của hàm truyền quang học (Optical Transfer Function – OTF), biểu diễn tỉ lệ truyền tương phản từ đối tượng sang ảnh theo tần số không gian: $$\text{OTF}(\xi, \eta) = \mathcal{F}{\text{PSF}(x, y)}, \quad \text{MTF}(\xi, \eta) = |\text{OTF}(\xi, \eta)|$$ MTF tại tần số lấy mẫu Nyquist ($f_{\text{Nyquist}} = 1/(2 \cdot \text{GSD})$) là tiêu chí cốt lõi định lượng độ sắc nét không gian của hệ thống chụp ảnh.

  • Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu (Signal-to-Noise Ratio – SNR): Đại lượng đo lường chất lượng đo bức xạ của cảm biến, được xác định trên các vùng quan sát có độ phản xạ phổ đồng nhất: $$\text{SNR} = \frac{\mu}{\sigma}$$ Trong đó $\mu$ là giá trị bức xạ/độ xám trung bình của vùng mẫu đại diện cho mức tín hiệu thu nhận ($S$), $\sigma$ là độ lệch chuẩn cục bộ của vùng mẫu đại diện cho mức nhiễu ($N$).

  • Đặc điểm hệ quang học Korsch TMA: Cấu hình quang học ba gương phi cầu (Primary, Secondary, Tertiary) kết hợp gương phẳng phản xạ gập và một khẩu độ dừng thực đặt tại đồng tử ra nhằm loại bỏ ba loại quang sai cơ bản: cầu sai, quang sai vệt (hôn mê) và quang sai mặt phẳng nét, giúp thu nhỏ kích thước ống kính nhưng vẫn bảo đảm trường nhìn và tiêu cự dài.

Phương pháp nghiên cứu thực tế

Luận án kết hợp các phương pháp nghiên cứu định lượng, mô hình hóa và thực nghiệm:

  1. Phương pháp kiểm định gián tiếp MTF: Áp dụng phương pháp cạnh nghiêng (Slanted-Edge Method). Quy trình xử lý gồm:

    • Phân đoạn vùng quan tâm (ROI) chứa biên cạnh chuyển tiếp độ tương phản cao tại bãi kiểm định.
    • Nhị phân hóa xác định ngưỡng cạnh tối ưu bằng thuật toán Otsu.
    • Nội suy bậc ba xác định vị trí biên cạnh dưới mức điểm ảnh (sub-pixel) và tái chia mẫu tạo hàm lan truyền cạnh (Edge Spread Function – ESF).
    • Làm mịn ESF bằng bộ lọc đa thức Savitzky-Golay (cửa sổ 51, bậc 3).
    • Lấy vi phân ESF để thu được hàm lan truyền đường (Line Spread Function – LSF): $\text{LSF}(x) = \frac{d}{dx}\text{ESF}(x)$.
    • Thực hiện biến đổi Fourier nhanh (FFT 2048 điểm) trên LSF và chuẩn hóa để thu được đường cong MTF cùng giá trị MTF tại tần số Nyquist theo hai hướng: dọc hướng bay (along-track) và ngang hướng bay (across-track).

  2. Phương pháp kiểm định gián tiếp SNR: Áp dụng phương pháp phân tích độ lệch chuẩn cục bộ trên các ô mẫu đồng nhất (Uniform Area Assessment). Tách dữ liệu mức 1A chưa nén, tính toán giá trị độ xám trung bình và độ lệch chuẩn của các ô mục tiêu có mức phản xạ khác nhau (đen, xám đậm, xám nhạt, trắng) sau khi đã loại trừ tín hiệu tối (DS) và hiệu chỉnh tính không đồng nhất giữa các cảm biến (PRNU).

  3. Phương pháp phục hồi chất lượng ảnh:

    • Phục hồi độ mờ không gian: Áp dụng mô hình giải chập tích chập nghịch đảo/bù MTF dựa trên ước tính hàm PSF từ kết quả MTF đo được.
    • Phục hồi suy giảm bức xạ: Phân tích chuỗi thời gian giá trị độ xám cực đại của các ô mẫu chuẩn tại cùng thời điểm (tháng 7 hàng năm) từ năm 2013 đến 2022; thiết lập hàm hồi quy tuyến tính xác định mức độ suy giảm bức xạ trên từng kênh phổ (Blue, Green, Red, NIR); xây dựng thuật toán bù giá trị số học tương ứng cho ma trận ảnh số 16-bit nhằm đưa mức phân bố độ xám (histogram) về trạng thái tương đương thời điểm nghiệm thu trên quỹ đạo (IOT).

Nguồn tư liệu và công cụ phần mềm

  • Dữ liệu ảnh vệ tinh: 66 cảnh ảnh viễn thám mức 1A thu nhận từ hệ thống VNREDSat-1 (Bao gồm 34 cảnh ảnh đa phổ và toàn sắc chụp bãi kiểm định Salon de Provence – Pháp; các cảnh ảnh chụp bãi kiểm định Buôn Ma Thuột; 32 cảnh ảnh toàn sắc tại nhiều địa phương Việt Nam như Hà Nội, TP.HCM, Hòa Bình, Thái Bình, Bạc Liêu, Ninh Thuận, Kiên Giang, Trường Sa...).
  • Môi trường tính toán: Ngôn ngữ lập trình Python, sử dụng các thư viện xử lý ảnh và dữ liệu không gian mã nguồn mở: GDAL/OGR (đọc/ghi cấu trúc GeoTIFF đa kênh), NumPy (tính toán đại số ma trận), OpenCV (cv2.threshold cho phân đoạn ảnh), SciPy (interpolate.interp1d, signal.savgol_filter cho làm mịn dữ liệu), Matplotlib (trực quan hóa đồ thị).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý luận về kiểm định và phục hồi chất lượng ảnh viễn thám quang học. Tác giả phân tích ba giai đoạn kiểm định thiết bị chụp ảnh vệ tinh: (1) Trong phòng thí nghiệm trước khi phóng; (2) Giai đoạn kiểm tra ban đầu khi mới vào quỹ đạo (In-Orbit Test – IOT); (3) Giai đoạn đánh giá định kỳ trong quá trình vận hành khai thác. Luận án chỉ ra rằng đối với vệ tinh nhỏ, giai đoạn định kỳ hoàn toàn phụ thuộc vào các phương pháp gián tiếp từ ảnh thô.

Nội dung chương phân loại 4 nhóm thông số chất lượng ảnh viễn thám: Bức xạ, Không gian, Phổ và Hình học. Tác giả làm rõ lý do luận án giới hạn phạm vi nghiên cứu vào thông số không gian (trọng tâm là MTF, loại trừ GSD do đã cố định theo độ cao quỹ đạo và hiệu chỉnh hình học) và thông số bức xạ (trọng tâm là SNR, sau khi hiệu chỉnh DS và PRNU; loại trừ độ nhạy phân cực và hồi đáp tuyến tính do đòi hỏi nguồn sáng chuẩn trên khoang).

Chương 1 cũng phân tích 7 yếu tố môi trường và kỹ thuật gây suy giảm chất lượng ảnh trên quỹ đạo: kích thước vật lý hạn chế của vệ tinh, thiết kế hệ quang/cảm biến, độ ổn định tư thể và rung giật thân vệ tinh, băng thông đường truyền xuống, tham số quỹ đạo bay, tán xạ/hấp thụ khí quyển và tương tác với bức xạ hạt mang điện trong môi trường không gian. Cuối chương, tác giả tổng thuật các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước, xác lập cơ sở khoa học cho việc chọn lựa hai chỉ số MTF và SNR làm đại diện đánh giá trạng thái thiết bị để phục vụ phục hồi ảnh.

Chương 2. Cơ sở khoa học phát triển thuật toán kiểm định gián tiếp và phục hồi chất lượng ảnh của hệ thống quang học vệ tinh nhỏ viễn thám

Chương 2 trình bày chi tiết nguyên lý quang học và các công thức toán học xây dựng thuật toán kiểm định gián tiếp và phục hồi ảnh. Tác giả phân tích cấu hình quang học thấu kính đơn giản, vị trí khẩu độ dừng, tiêu cự hiệu dụng (công thức $f = x / \tan\theta$), cũng như cấu trúc quang học ba gương phi cầu Korsch TMA trên vệ tinh VNREDSat-1.

Sơ đồ khối và mô hình thuật toán kiểm định MTF và SNR được chi tiết hóa:

  1. Thuật toán MTF cạnh nghiêng:

    • Trích xuất ma trận biên độ xám xung quanh đường biên cạnh $I(x, y)$.
    • Tìm vị trí cạnh vi sai cực đại: $\Delta I(x) = |I(x+1) - I(x)|$.
    • Tính toán vị trí biên cạnh mức dưới điểm ảnh thông qua hàm nội suy đa thức bậc ba.
    • Chiếu các điểm ảnh vuông góc với phương của cạnh để xây dựng hàm phân bố ESF một chiều.
    • Áp dụng bộ lọc Savitzky-Golay loại bỏ nhiễu cao tần trên ESF.
    • Lấy đạo hàm bậc nhất của ESF để thu được hàm lan truyền đường LSF: $\text{LSF}(n) = \text{ESF}(n) - \text{ESF}(n-1)$.
    • Biến đổi Fourier rời rạc LSF để xác định $\text{MTF}(f) = |\mathcal{F}{\text{LSF}(x)}| / |\mathcal{F}{\text{LSF}(x)}|{f=0}$, từ đó lấy giá trị MTF tại $f = f{\text{Nyquist}}$.

  2. Thuật toán SNR vùng đồng nhất:

    • Xác định vùng quan tâm (ROI) $N \times M$ điểm ảnh trên ảnh mức 1A không bị bão hòa bức xạ.
    • Tính giá trị tín hiệu trung bình: $\mu = \frac{1}{NM} \sum_{i=1}^{N} \sum_{j=1}^{M} DN(i,j)$.
    • Tính giá trị độ lệch chuẩn nhiễu: $\sigma = \sqrt{\frac{1}{NM-1} \sum_{i=1}^{N} \sum_{j=1}^{M} [DN(i,j) - \mu]^2}$.
    • Xác định $\text{SNR} = \mu / \sigma$.

  3. Thuật toán phục hồi suy giảm chất lượng:

    • Bù mờ không gian: Sử dụng ma trận nhân chập nghịch đảo dựa trên mô hình hàm truyền PSF trích xuất từ MTF thực tế.
    • Bù bức xạ: Dựa trên quan hệ suy giảm độ xám theo số ngày hoạt động trên quỹ đạo ($t$): $$DN_{\text{bù}}(i, j, \lambda) = DN_{\text{gốc}}(i, j, \lambda) + \Delta DN(\lambda, t)$$ Trong đó $\Delta DN(\lambda, t)$ là hệ số điều chỉnh bức xạ xác định từ mô hình hồi quy tuyến tính cho từng kênh phổ $\lambda \in {\text{Blue, Green, Red, NIR}}$.

Chương 3. Thử nghiệm và đánh giá hiệu quả trên vệ tinh VNREDSat-1

Chương 3 công bố các kết quả thực nghiệm tính toán trên chuỗi dữ liệu ảnh vệ tinh VNREDSat-1 thực tế:

  • Kết quả tính toán hàm truyền điều biến (MTF):

    • Đánh giá trên bãi kiểm định Salon de Provence và Buôn Ma Thuột qua các năm cho thấy MTF tại tần số Nyquist của kênh toàn sắc (PAN) và các kênh đa phổ (MS) đều cao hơn ngưỡng thiết kế kỹ thuật ban đầu ($\text{MTF}_{\text{thiết kế}} \ge 0,08$).
    • Giá trị MTF dọc hướng bay và ngang hướng bay năm 2015 lần lượt đạt 0,22 và 0,20; đến năm 2018 đạt 0,21 và 0,19; đến giai đoạn 2021–2022 vẫn duy trì mức xấp xỉ 0,18–0,20, chứng minh hệ thống quang học duy trì độ sắc nét ổn định.

  • Kết quả tính toán tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR):

    • Thực nghiệm trên 4 ô mẫu chuẩn có độ phản xạ khác nhau tại bãi kiểm định Buôn Ma Thuột (các năm 2017, 2018):
      • Ô màu trắng: $\text{SNR} \approx 145 - 146$ (so với thiết kế chuẩn $\text{SNR} \ge 100$, thời điểm IOT đạt 145).
      • Ô màu xám nhạt: $\text{SNR} \approx 117 - 161$.
      • Ô màu xám: $\text{SNR} \approx 149 - 175$.
      • Ô màu đen: $\text{SNR} \approx 380 - 410$.

  • Kết quả phục hồi chất lượng ảnh:

    • Phục hồi ảnh mờ: Áp dụng giải thuật bù MTF trên các cảnh ảnh đô thị (TP.HCM, Hòa Bình), nông nghiệp (Bạc Liêu, Thái Bình), công trình (Sân bay Tân Sơn Nhất, Thủy điện Hòa Bình) và biển đảo (Trường Sa, Thổ Chu) giúp biên cạnh đối tượng rõ nét, tăng cường độ tương phản không gian.
    • Phục hồi suy giảm bức xạ: Phân tích chuỗi ảnh đa phổ chụp bãi Salon de Provence ngày 21/05/2022 xác định các hệ số bù suy giảm bức xạ cụ thể cho 4 kênh phổ:
      • Kênh Blue (Kênh 1): $-46$ đơn vị độ xám (DN).
      • Kênh Green (Kênh 2): $-31$ đơn vị độ xám (DN).
      • Kênh Red (Kênh 3): $-48$ đơn vị độ xám (DN).
      • Kênh NIR (Kênh 4): $-61$ đơn vị độ xám (DN).
    • Phổ lược đồ (histogram) sau phục hồi cho thấy dải động bức xạ được mở rộng, loại bỏ độ lệch xám trôi dạt do lão hóa cảm biến, đưa phân bố mức xám về gần thời điểm IOT năm 2013–2014.

Kết quả và những đóng góp mới

Bảng tổng hợp các thông số kỹ thuật và kết quả thực nghiệm VNREDSat-1

Thông số / Chỉ số kiểm định Giá trị thiết kế ban đầu Giá trị nghiệm thu quỹ đạo (IOT) Kết quả thực nghiệm luận án (2015 – 2022)
MTF tại tần số Nyquist (dọc bay) $\ge 0,08$ $0,20$ $0,19 - 0,22$
MTF tại tần số Nyquist (ngang bay) $\ge 0,08$ $0,20$ $0,18 - 0,20$
SNR ô mẫu trắng $\ge 100$ $145$ $145 - 146$
SNR ô mẫu xám nhạt - - $117 - 161$
SNR ô mẫu xám - - $149 - 175$
SNR ô mẫu đen - - $380 - 410$
Hệ số bù suy giảm bức xạ Kênh Blue - $0$ $-46 \text{ DN}$ (dữ liệu 2022)
Hệ số bù suy giảm bức xạ Kênh Green - $0$ $-31 \text{ DN}$ (dữ liệu 2022)
Hệ số bù suy giảm bức xạ Kênh Red - $0$ $-48 \text{ DN}$ (dữ liệu 2022)
Hệ số bù suy giảm bức xạ Kênh NIR - $0$ $-61 \text{ DN}$ (dữ liệu 2022)

So sánh kết quả tính toán MTF và SNR với nghiên cứu trước (Nguyễn Minh Ngọc, 2023)

Chỉ tiêu so sánh Bãi kiểm định / Thời điểm Kết quả đề xuất của luận án Kết quả của Nguyễn Minh Ngọc
MTF Dọc hướng bay Salon de Provence (2015) $0,22$ $0,23$
MTF Ngang hướng bay Salon de Provence (2015) $0,20$ $0,20$
MTF Dọc hướng bay Salon de Provence (2018) $0,21$ $0,21$
MTF Ngang hướng bay Salon de Provence (2018) $0,19$ $0,20$
SNR Ô mẫu trắng Buôn Ma Thuột (2017 / 2018) $146$ / $145$ $148$ / $147$
SNR Ô mẫu xám nhạt Buôn Ma Thuột (2017 / 2018) $161$ / $117$ $156$ / $111$
SNR Ô mẫu xám Buôn Ma Thuột (2017 / 2018) $175$ / $149$ $170$ / $139$
SNR Ô mẫu đen Buôn Ma Thuột (2017 / 2018) $380$ / $410$ $372$ / $402$

Đóng góp mới về mặt khoa học và thực tiễn

  1. Về mặt lý luận và khoa học:
    • Xây dựng hoàn chỉnh khung phương pháp và mô hình toán học kiểm định gián tiếp thiết bị chụp ảnh quang học vệ tinh nhỏ viễn thám thông qua hai thông số then chốt MTF (chất lượng không gian) và SNR (chất lượng bức xạ) trên ảnh bãi kiểm định nhân tạo.
    • Phát triển giải pháp tích hợp giữa kết quả kiểm định tham số với thuật toán phục hồi chất lượng ảnh, kết hợp mô hình giải chập bù mờ dựa trên hàm PSF và mô hình hồi quy tuyến tính bù suy giảm bức xạ theo chuỗi thời gian hoạt động ngoài không gian.
  2. Về mặt thực tiễn:
    • Cung cấp bộ công cụ phần mềm tính toán tự động bằng Python có khả năng đọc, xử lý trực tiếp các tệp dữ liệu ảnh vệ tinh GeoTIFF chuẩn 10-bit/16-bit.
    • Khẳng định hệ thống chụp ảnh của vệ tinh VNREDSat-1 duy trì chất lượng vượt chuẩn thiết kế sau gần 10 năm hoạt động trên quỹ đạo; chứng minh khả năng khôi phục chất lượng dữ liệu ảnh VNREDSat-1 tại bất kỳ thời điểm nào về trạng thái tiệm cận thời điểm mới phóng (IOT).

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Kiến nghị các cơ quan quản lý và khai thác trực tiếp dữ liệu viễn thám tại Việt Nam (Viện Công nghệ Vũ trụ – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Cục Viễn thám Quốc gia – Bộ Tài nguyên và Môi trường) tích hợp quy trình kiểm định gián tiếp định kỳ và mô hình phục hồi ảnh đề xuất vào hệ thống trạm thu, xử lý dữ liệu mặt đất hiện hữu.
  • Đề xuất Trung tâm Vũ trụ Việt Nam (VNSC) ứng dụng phương pháp và các tham số kiểm định này cho việc theo dõi, vận hành các thế hệ chùm vệ tinh nhỏ quang học tiếp theo của Việt Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

  • Phạm vi kiểm định gián tiếp mới tập trung giải quyết nhóm thông số không gian (MTF) và bức xạ (SNR), chưa thể mở rộng sang nhóm thông số quang phổ chi tiết do đặc thù kỹ thuật gián tiếp từ mặt đất không có thiết bị chuẩn phổ trên khoang.
  • Phương pháp đòi hỏi phải thu nhận định kỳ dữ liệu ảnh trên các bãi kiểm định nhân tạo có cấu trúc biên cạnh chuẩn hoặc vùng đồng nhất quang học (như Salon de Provence hoặc Buôn Ma Thuột), gây phụ thuộc nhất định vào kế hoạch đặt chụp quỹ đạo và điều kiện mây phủ tại bãi kiểm chuẩn.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Nghiên cứu ứng dụng các mạng nơ-ron học sâu (Deep Learning) kết hợp kỹ thuật tăng tốc xử lý phần cứng trên GPU theo thời gian thực để nâng cao hiệu năng giải chập và tự động phục hồi ảnh viễn thám quang học.
  • Mở rộng mô hình toán học để mô phỏng dữ liệu ảnh và đặc tính suy giảm của các hệ thống vệ tinh viễn thám quang học thế hệ mới trước khi phóng lên quỹ đạo.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu chuyên khảo chuyên ngành Vật lí vô tuyến, Xử lý tín hiệu và Công nghệ vũ trụ:

  • Đối với nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Cung cấp cơ sở lý thuyết chi tiết về quang học không gian (hệ thấu kính Korsch TMA, hàm PSF, ESF, LSF, MTF, SNR), các thuật toán xử lý ảnh số chuyên sâu và mã nguồn công cụ Python mẫu (sử dụng thư viện GDAL, OpenCV, SciPy) phục vụ nghiên cứu và giảng dạy.
  • Đối với kỹ sư vận hành vệ tinh và đơn vị xử lý ảnh viễn thám: Cung cấp quy trình kiểm định gián tiếp độc lập để giám sát tình trạng lão hóa của cảm biến quang học trên quỹ đạo và công thức bù trừ bức xạ, giải chập bù MTF áp dụng cho việc chuẩn hóa sản phẩm dữ liệu ảnh viễn thám mức 1A.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao luận án chỉ lựa chọn hai thông số MTF và SNR để kiểm định gián tiếp thiết bị chụp ảnh?

Chất lượng hệ thống chụp ảnh viễn thám được đặc trưng bởi 4 nhóm thông số: Bức xạ, Không gian, Phổ và Hình học. Nhóm thông số phổ đòi hỏi nguồn sáng và thiết bị hiệu chuẩn chuyên dụng tích hợp trên vệ tinh; nhóm thông số hình học (độ chính xác trắc địa, đăng ký kênh) được giải quyết hiệu quả qua các thuật toán nắn chỉnh và mô hình toán học hình học mặt đất. Trong số các thông số còn lại, MTF là chỉ số cốt lõi định lượng độ sắc nét không gian và mức độ mờ quang học, còn SNR là chỉ số định lượng độ nhạy và mức độ nhiễu bức xạ của cảm biến. Do đó, MTF và SNR là hai đại diện tối ưu để kiểm định gián tiếp chất lượng hệ thống qua dữ liệu ảnh bề mặt Trái đất.

2. Phương pháp cạnh nghiêng (Slanted-Edge Method) được tác giả triển khai như thế nào để tính MTF?

Quy trình tính MTF gồm các bước: (1) Cắt vùng quan tâm (ROI) chứa biên cạnh tương phản cao tại bãi kiểm định; (2) Phân đoạn tìm biên cạnh bằng thuật toán Otsu và nội suy bậc ba vị trí cạnh dưới mức điểm ảnh; (3) Chiếu điểm ảnh vuông góc với đường cạnh để xây dựng hàm lan truyền cạnh ESF; (4) Khử nhiễu ESF bằng bộ lọc Savitzky-Golay (cửa sổ 51, bậc 3); (5) Lấy vi phân của ESF để thu được hàm lan truyền đường LSF; (6) Biến đổi Fourier nhanh (FFT) trên LSF và chuẩn hóa để thu được đường cong MTF và giá trị MTF tại tần số Nyquist theo hai hướng dọc và ngang hướng bay.

3. Hệ thống quang học của vệ tinh VNREDSat-1 có đặc điểm cấu tạo gì?

Hệ thống quang học của VNREDSat-1 được chế tạo dựa trên thiết kế quang học ba gương phi cầu Korsch TMA (Three-mirror Anastigmat). Thiết kế này tạo ra ảnh thật tại tiêu diện của hệ quang Cassegrain và đồng tử ra thật đặt giữa gương phụ Tertiary và gương phẳng thứ hai, nơi bố trí ô giới hạn trường ảnh để khử tia sáng lạ. Cấu trúc Korsch TMA triệt tiêu ba loại quang sai cơ bản (cầu sai, quang sai vệt, quang sai mặt phẳng nét), giúp hệ thống đạt tiêu cự hiệu dụng dài và trường nhìn rộng trong một thể tích cơ học nhỏ gọn phù hợp với vệ tinh nhỏ khối lượng ~120 kg.

4. Thuật toán bù suy giảm bức xạ của luận án hoạt động như thế nào trên dữ liệu ảnh thực tế?

Thuật toán phân tích chuỗi giá trị độ xám cực đại của các ô mẫu kiểm định chuẩn tại bãi Salon de Provence qua các năm ở cùng thời điểm tháng 7 để xây dựng hàm suy giảm tuyến tính theo thời gian hoạt động. Đối với ảnh chụp năm 2022, thuật toán xác định độ lệch suy giảm và thực hiện phép cộng bù số học ma trận trực tiếp trên ảnh mức 1A: trừ đi 46 DN cho kênh Blue, 31 DN cho kênh Green, 48 DN cho kênh Red và 61 DN cho kênh NIR, đưa phân bố lược đồ độ xám về tương đương thời điểm IOT ban đầu.

Kết luận

Luận án của NCS Thái Thị Bích Hồng đã giải quyết bài toán kiểm định gián tiếp và phục hồi chất lượng ảnh cho hệ thống thiết bị chụp ảnh quang học trên vệ tinh nhỏ viễn thám thông qua hai thông số đặc trưng MTF và SNR. Bằng việc kết hợp phương pháp cạnh nghiêng lọc Savitzky-Golay, phân tích vùng đồng nhất, giải chập hàm lan truyền điểm và hồi quy tuyến tính đa kênh phổ, tác giả đã xây dựng thành công bộ công cụ phần mềm tự động hóa tính toán. Kết quả thử nghiệm trên chuỗi tư liệu ảnh vệ tinh VNREDSat-1 từ năm 2013 đến 2022 khẳng định tính chính xác của phương pháp đề xuất, đồng thời chứng minh thiết bị chụp ảnh của vệ tinh duy trì chất lượng quang học ổn định và dữ liệu ảnh hoàn toàn có thể phục hồi về trạng thái tiệm cận thời điểm mới phóng.