MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Những tiến bộ vƣợt bậc của khoa học hàng không, vũ trụ đã nâng cao khả năng sử dụng dữ liệu viễn thám và các công nghệ đi kèm cho việc thu thập và xử lý thông tin. Nhiều vệ tinh quan trắc Trái đất đã đƣợc phóng thành công cung cấp nhiều hơn dữ liệu ảnh viễn thám với độ phân giải không gian ngày càng cao, không chỉ có ảnh quang học mà còn sử dụng nhiều kỹ thuật tiên tiến khác nhƣ Radar, laser. Viễn thám đa tầng (vệ tinh, hàng không và thiết bị không ngƣời lái UAV) đƣợc sử dụng đã làm phong phú thêm nguồn dữ liệu viễn thám.
Trên thế giới cũng đã có nhiều công trình nghiên cứu khoa học và ứng dụng có giá trị đi theo hƣớng khai thác thông tin từ việc tích hợp nhiều nguồn ảnh viễn thám đa độ phân giải, đa thời gian để cập nhật CSDL nền địa lý chung, trong đó phải kể đến các quốc gia sở hữu và vận hành hệ thống vệ tinh viễn thám quan trắc Trái đất nhƣ Mỹ, Nga, Pháp, Nhật Bản, Thái Lan. Riêng đối với lĩnh vực quân sự, ở mỗi nƣớc đều có những nghiên cứu cơ bản và chuyên sâu nhƣng do có những qui định, nguyên tắc phải tuân thủ khác nhau nên việc công bố kết quả thƣờng rất hạn chế, rất khó cho đơn vị bên ngoài tiếp cận. Đƣợc du nhập vào Việt Nam từ những năm 80 của Thế kỷ trƣớc, tuy nhiên công nghệ viễn thám lại phát triển chƣa đồng bộ. Ở nhiều Bộ, Ngành đều đã có đơn vị, bộ phận với những cán bộ kỹ thuật làm công tác chuyên môn liên quan tới viễn thám nhƣng do chƣa có sự thống nhất về mục tiêu, các qui định nên còn bị chồng chéo về công việc, ít có sự trao đổi, giao lƣu học thuật.
Từ năm 2013, việc phóng thành công và vận hành hiệu quả vệ tinh quan trắc Trái đất VNREDSat-1 đã thực sự đi vào lịch sử của ngành Viễn thám Việt Nam. Lần đầu tiên chúng ta có thể chủ động trong việc điều khiển, đặt lệnh chụp cho bất kỳ vị trí nào trên bề mặt Trái đất, không chỉ riêng trong lãnh thổ mà còn có thể hỗ trợ thu thập thông tin, đánh giá tình hình ngoài lãnh thổ. Đồng thời, sự kiện trên đã mở ra hàng loạt hƣớng nghiên cứu ứng dụng, khai thác hiệu quả tƣ liệu viễn thám phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau của nền kinh tế quốc dân và phục vụ nhiệm vụ quốc phòng, bảo vệ vững chắc 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tổ quốc trong tình hình mới. Tuy nhiên, do những hạn chế nhất định của kỹ thuật viễn thám quang học là phụ thuộc quá nhiều vào thời tiết trong khi đất nƣớc chúng ta với điều kiện khí hậu nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa nên gặp những khó khăn không nhỏ trong việc thu nhận, xử lý nguồn tƣ liệu này.
Nhận thức rõ điều này, Chính phủ đã giao cho Trung tâm Vệ tinh quốc gia (VNSC) thuộc Viện Hàn lâm KHCN Việt Nam triển khai dự án thiết kế và đƣa lên quĩ đạo vệ tinh viễn thám quan trắc Trái đất sử dụng kỹ thuật Radar với tên gọi LOTUSat-1 bằng nguồn vốn ODA của Nhật Bản. Do tuổi thọ mỗi quả vệ tinh viễn thám thƣờng chỉ kéo dài khoảng 5-7 năm, để có thể nắm bắt, làm chủ công nghệ và ứng dụng ngay sản phẩm của vệ tinh LOTUSat-1 thì những nghiên cứu khoa học, lý thuyết cơ bản phải đi trƣớc một bƣớc và phải đƣợc thực hiện một cách hệ thống, bài bản. Xuất phát từ nhu cầu thực tế và đƣợc sự đồng ý của Khoa Địa lý, Trƣờng Đại học khoa học tự nhiên/ Đại học quốc gia Hà Nội, em tiến hành nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu các phương pháp định chuẩn và tăng cường chất lượng ảnh Radar” nhằm khai thác hiệu quả dữ liệu Radar phục vụ cho các mục đích nghiên cứu chuyên ngành. Mục tiêu nghiên cứu - Nghiên cứu nguyên lý tạo ảnh Radar, các phƣơng pháp định chuẩn, hiệu chỉnh bức xạ và lọc ảnh radar - Thử nghiệm, đánh giá hiệu quả của các phƣơng pháp lọc trên một loại ảnh Radar cụ thể 3.
Nhiệm vụ nghiên cứu - Do những đặc điểm riêng của ảnh Radar nên để xử lý, cần những kỹ thuật riêng biệt. Đề tài của học viên tập trung nghiên cứu một số kỹ thuật hiệu chỉnh, tăng cƣờng chất lƣợng ảnh Radar. - Lựa chọn dữ liệu ảnh RadarSat để thử nghiệm, đánh giá hiệu quả của các phƣơng pháp lọc. 12 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.
Phạm vi nghiên cứu - Tổng quan về nguyên lý tạo ảnh Radar - Các phƣơng pháp định chuẩn, hiệu chỉnh ảnh hƣởng của địa hình trên ảnh Radar - Các phép lọc nhằm tăng cƣờng chất lƣợng ảnh Radar - Thử nghiệm, đánh giá hiệu quả các phƣơng pháp lọc đối với ảnh Radarsat -2 khu vực tỉnh Thái Bình 5. Phƣơng pháp nghiên cứu - Phƣơng pháp nghiên cứu tài liệu: thu thập các tài liệu, báo cáo kết quả nghiên cứu của các đề tài có liên quan trong và ngoài nƣớc để làm cơ sở trong quá trình xây dựng cơ sở phƣơng pháp luận và thực tiễn thực hiện đề tài. - Phƣơng pháp chuyên gia: tranh thủ kiến thức, ý kiến đóng góp của các chuyên gia về các lĩnh vực chuyên sâu về viễn thám phục vụ hoàn thiện các nội dung nghiên cứu của đề tài. - Phƣơng pháp Viễn thám: nghiên cứu đặc điểm, nguyên lý của ảnh Radar.
Tập trung các kỹ thuật chuyên dụng để xử lý ảnh Radar. Nghiên cứu các phƣơng pháp hiệu chỉnh ảnh Radar. Cắn cứ vào các kết quả nghiên cứu, tiến hành xử lý ảnh RADARSAT. Kết quả đạt đƣợc, ý nghĩa khoa học, thực tiễn - Nắm vững nguyên lý tạo ảnh radar, đặc điểm ảnh radar và các phƣơng pháp chuyên dụng xử lý tăng cƣờng chất lƣợng ảnh radar.
- Làm rõ thuật toán, ý nghĩa của các phép lọc, thử nghiệm, đánh giá hiệu quả của chúng, đƣa ra đƣợc khuyến cáo trong việc lựa chọn phƣơng pháp lọc tối ƣu. 13 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LÝ TẠO ẢNH RADAR 1.1 Khái niệm về viễn thám Radar RADAR đƣợc viết tắt từ cụm từ Radio Detection And Ranging, tức hệ thống phát hiện và đo đạc khoảng cách bằng sóng radio. Thuâ ̣t ngƣ̃ vố n di ̃ ban đầ u để chỉ các hê ̣ thố ng radar quân sƣ̣ dùng dò tim ̀ , theo dõi máy bay hay tàu thuyề n. Ảnh radar trên thực tế đƣợc thu bởi các radar tạo ảnh (imaging radar) tuy khác xa các radar kể trên nhƣng vẫn hoa ̣t đô ̣ng dƣ̣a trên cùng nguyên l ý là phát đi các xung điện từ rồi thu về các sóng phản hồi để phát hiện đối tƣợng và xác định vị trí của chúng dựa trên khoảng cách từ chúng đến radar đo bằng thời gian trễ giƣ̃a thời điể m phát và thời điể m thu.
Khác với các ảnh quang học, mà nhƣ ta đã biết, thƣờng đƣợc thu ở các dải sóng: khả kiến (0,5-0,7µm), hồng ngoại gần (0,7-1,1µm) hay hồng ngoại nhiệt (3-5µm và 10-12µm), ảnh radar thƣờng đƣợc thu ở dải sóng từ 0,75cm đến 1m. Trong kỹ thuật radar dải sóng này thƣờng đƣợc chia thành các kênh với ký hiệu nhƣ sau (bảng 1): Bảng 1.1: Các kênh sóng trong kỹ thuật radar Kênh Dải tần Bước sóng P 300MHz – 1GHz 100-30cm L 1-2 GHz 30-15cm S 2-4 GHz 15-7,5cm C 4-8 GHz 7,5-3,75cm X 8-12,5 GHz 3,75-2,4cm Ku 12,5-18 GHz 2,4-1,67cm K 18-26,5 GHz 1,67-1,1cm Ka 26,5-40 GHz 1,1-0,75cm Lƣu ý: Giữa tần số f tính theo MHz và bƣớc sóng λ tính theo m liên hệ với nhau bởi công thức f = 300/λ 14 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.1: Các kênh sóng của viễn thám RADAR Không giống nhƣ hệ thống quang học, hệ thống radar có ƣu thế hoạt động đƣợc trong mọi điều kiện thời tiết do sử dụng sóng radio có khả năng xuyên mây và cung cấp ảnh với các pixel ghi lại các đặc điểm về điện, hình học của bề mặt phản xạ trong đƣờng ngắm của vệ tinh. Các radar tạo ảnh đƣợc chia thành 2 nhóm: SLAR: Side looking Airborne Radar, hệ thống radar nhìn sƣờn đƣợc phát triển trong chiến tranh thế giới thứ II. SAR: Synthetic Aperture Radar, hệ thống Radar khẩu độ tổng hợp đƣợc phát triển từ năm 1950.2 Tổng quan về kỹ thuật thu ảnh Radar Kỹ thuật radar đƣợc phát triển từ thế kỷ 20 cho khả năng xác định các tham số vật lý của các đối tƣợng thông qua khả năng phản xạ của chúng đối với sóng siêu cao.
Hệ thống RADAR phát ra những xung năng lƣợng vi sóng theo một hƣớng quan tâm rồi ghi lại cƣờng độ của những xung phản hồi lại (hay vọng lại) từ các đối tƣợng, trong trƣờng nhìn của thiết bị. 15 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.2: Hệ thống viễn thám chủ động Nếu ta gọi trƣờng điện từ phản xạ là Es và trƣờng điện từ tới là Ei, ta có mối quan hệ giữa trƣờng điện từ phản xạ và trƣờng điện từ tới, ma trận phản xạ chứa thông tin tự nhiên và tính chất của đối tƣợng. Trong đó: h,v: Phân cực ngang, phân cực dọc Ei: Trƣờng điện từ nghiêng truyền tới Es: Trƣờng điện từ phản xạ (Backscattered) [S]: Ma trận tán xạ (Scattering matrix) [S] độc lập với trạng thái phân cực của sóng tới và độc lập với tần số, tính chất hình học của bộ tán xạ 16 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Ei Es Hình 1.3: Trường điện từ phản xạ Es, trường điện từ tới Ei Trong lĩnh vực RADAR, kỹ thuật InSAR bắt đầu đƣợc sử dụng từ cuối thế kỷ 20 và InSAR đã trở thành một kỹ thuật viễn thám không thể thiếu khi nghiên cứu các lĩnh vực địa vật lý khác nhau đặc biệt là các hiện tƣợng biến đổi tự nhiên. Goldstein et al.
(1993) và Massonnet (1993) đã ứng dụng InSAR để thành lập bản đồ biến động bề mặt của dòng băng tại Nam Cực. Công nghệ InSAR thông thƣờng sử dụng 02 ảnh thu với cùng tƣ thế từ 2 lần vệ tinh bay qua (2-pass). Có một sự tƣơng đồng giữa công nghệ SAR giao thoa với phƣơng pháp lập thể, đặc biệt dùng để phát hiện sự thay đổi của bề mặt trái đất (Hanssen, 2001; Simons nnk, 2007), Rich man 1971 và Zisk, 1972 giới thiệu nguyên lý InSAR trong công tác nghiên cứu trái đất từ xa. Goldstein và Zebker (1987) đã cải tiến phƣơng pháp InSAR bằng cách phát triển kỹ thuật mới gọi là giao thoa “along-track” (dọc tuyến), nó có khả năng phát hiện các chuyển động của bề mặt từ các dữ liệu SAR với thời gian khác nhau.