Nghiên cứu thành lập mô hình số độ cao (DEM) từ dữ liệu ảnh radar giao thoa sử dụng phần mềm mã nguồn mở NEST và SNAPHU

- NGHIÊN CỨU THÀNH LẬP MÔ HÌNH SỐ ĐỘ CAO (DEM) TỪ DỮ LIỆU ẢNH RADAR GIAO THOA.
- SỬ DỤNG PHẦN MỀM MÃ NGUỒN MỞ NEST VÀ SNAPHU Nguyễn Bá Duy 1.
- Radar giao thoa, Phần mềm mã nguồn mở, Mô hình số độ cao, NEST, SNAPHU.
- Bài báo giới thiệu khả năng ứng dụng phần mềm mã nguồn mở (phần mềm hoàn toàn miễn phí) NEST và SNAPHU trong thành lập DEM từ dữ liệu ảnh radar giao thoa ERS1/2.
- Kết quả xử lý cho thấy, hai phần mềm mã nguồn mở NEST và SNAPHU cung cấp đầy đủ các chức năng để xử lý cặp ảnh radar giao thoa, sản phẩm DEM được thành lập với độ chính xác đạt yêu cầu.
- Mặc dù vậy, chúng cũng có những hạn chế nhất định về tốc độ xử lý (phần mềm NEST), giao diện và hệ điều hành (phần mềm SNAPHU)..
- Mô hình số độ cao (Digital Elevation Model - DEM) ngày càng được sử dụng nhiều cho các mục đích nghiên cứu khác nhau và được coi là một dữ liệu đầu vào quan trọng của hệ thông tin địa lý (Geographic Information System- GIS) (F.
- Theo các phương pháp truyền thống, DEM được xây dựng chủ yếu bằng phương pháp nội suy từ đường bình độ của bản đồ địa hình (dạng số) trong một số phần mềm chuyên dụng như Sufer, Global Mapper, ArcGIS, Vertical Mapper… Ngoài ra, DEM còn được xây dựng bằng cách sử dụng các kỹ thuật quan sát lập thể từ cặp ảnh hàng không, cặp ảnh lập thể vệ tinh hay từ dữ liệu đo đạc trực tiếp địa hình ngoài thực địa..
- Thực tế sản xuất cho thấy, dữ liệu DEM được xây dựng từ các phương pháp này thường đòi hỏi khối lượng thời gian nhất định để thu thập và xử lý dữ liệu đo, tốn kém về kinh phí, chất lượng DEM phụ thuộc hoàn toàn vào chất lượng của bản đồ số địa hình, chất lượng của tư liệu ảnh sử dụng..
- Trong những năm gần đây, một phương pháp mới đã được phát triển để thành lập DEM, đó là phương pháp tạo DEM từ cặp ảnh radar giao thoa (Interferometric Synthetic Aperture Radar - InSAR), hay còn được gọi là kỹ thuật radar giao thoa (ESA Publications, 2008).
- Kỹ thuật này sử dụng cặp ảnh radar chụp cùng một khu vực ở hai vị trí khác nhau từ cùng một ăng-ten (ở hai thời điểm khác nhau) hoặc từ 2 ăng-ten được đặt trên cùng một vệ tinh.
- pixel của ảnh radar bao gồm hai thành phần, đó là thành phần cường độ (ghi nhận thông tin tán xạ từ đối tượng) và thành phần pha (ghi nhận thông tin về khoảng cách từ bộ cảm đến đối tượng).
- Thành phần pha chính là chìa khoá của kỹ thuật radar giao thoa.
- Cùng với sự ra đời và phát triển của viễn thám radar, hệ thống các phần mềm xử lý ảnh radar cũng được xây dựng và phát triển, phần lớn các phần mềm xử lý ảnh radar nói chung và ảnh radar giao thoa nói riêng đều là các phần mềm thương mại rất đắt tiền như Gama (GAMMA Remote Sensing Research and Consulting AG), SARScape (sarmap SA), hay WInSAR (The Western North America InSAR)..
- Đối với những người làm công tác nghiên cứu và giảng dạy trong các trường Đại học, Cao đẳng ở Việt Nam thì chi phí để mua các phần mềm bản quyền và duy trì chúng là một trở ngại lớn.
- Trong những năm gần đây, cộng đồng các nhà nghiên cứu và lập trình viên trong lĩnh vực viễn thám trên thế giới đã cộng tác và cho ra đời những phần mềm mã nguồn mở (miễn phí) với những chức năng gần như không thua kém các phần mềm thương mại..
- Cụ thể, các phần mềm mã nguồn mở trong xử lý ảnh radar giao thoa có thể kể đến phần mềm Doris.
- Xét tổng thể về cả chức năng, giao diện và tốc độ xử lý thì sự kết hợp giữa phần mềm Nest và phần mềm Snaphu có ưu điểm nổi trội hơn cả.
- Do đó, mục tiêu của bài báo là nghiên cứu khả năng áp dụng phần mềm mã nguồn mở NEST và SNAPHU trong thành lập mô hình số độ cao DEM từ việc xử lý cặp ảnh radar giao thoa.
- Để đánh giá độ chính xác của DEM kết quả, tác giả đã sử dụng mô hình số độ cao DEM được thành lập từ cặp ảnh lập thể hàng không cùng khu vực.
- Để đánh giá khả năng ứng dụng của hai phần mềm NEST và SNAPHU, tác giả đã sử dụng phần mềm thương mại SARScape để xử lý cùng cặp ảnh lập thể radar.
- Kết quả so sánh cho thấy DEM được thành lập có độ chính xác đạt yêu cầu, các chức năng hỗ trợ, yêu cầu về cấu hình máy tính và tốc độ xử lý gần tương đương với phần mềm SARScape.
- Mặc dù còn một số hạn chế về giao diện sử dụng, tốc độ xử lý và không có chức năng xử lý ảnh ở level 0, tuy nhiên phần mềm NEST và SNAPHU có ưu điểm nổi trội về giá thành (miễn phí) và không yêu cầu về phần mềm hỗ trợ (SARScape chạy trên nền của phần mềm ENVI)..
- 2 PHƯƠNG PHÁP KỸ THUẬT 2.1 Viễn thám Radar.
- Do việc thu nhận dữ liệu ảnh radar theo phương xiên, vì vậy ảnh radar có một số đặc trưng hình học riêng biệt: đặc trưng về biến dạng về tỷ lệ ảnh do chụp nghiêng, đặc trưng về xê dịch vị trí điểm ảnh do chênh cao địa hình, thị sai ảnh, đốm ảnh, và biến đổi độ sáng trên ảnh.
- Độ phân giải của ảnh radar được đặc trưng bởi độ phân giải phương vị (độ phân giải dọc theo hướng bay – Azimuth) và độ phân giải theo hướng thu phát tín hiệu (độ phân giải ngang với hướng bay – Range).
- thu nhận ảnh có độ phân giải cao, người ta đã sử dụng hệ thống radar độ mở tổng hợp (SAR - Synthetic Aperture Radar).
- Trong các hệ thống Radar, SAR thường được sử dụng trong lĩnh vực viễn thám.
- 2.2 Cơ sở toán học của kỹ thuật radar giao thoa Radar giao thoa (InSAR) là kỹ thuật xử lý tín hiệu số từ ít nhất 2 ảnh SAR (hoặc nhiều hơn) chụp cùng một khu vực ở các thời điểm khác nhau..
- InSAR hoạt động dựa trên nguyên tắc chiết tách độ lệch pha giữa hai ảnh chụp cùng một khu vực ở 2 vị trí khác nhau để xác định sự chênh lệch độ dài đường truyền của các sóng radar.
- Hình 2: Cơ sở hình học của kỹ thuật InSAR I.Joughin I.,R.
- Hai hệ thống radar S 1 (Master) và S 2 (Slave) chủ động phát sóng xuống cùng một khu vực trên mặt đất.
- Giả sử hai ảnh được chụp trong điều kiện khí quyển và sóng phản xạ ngược trở lại của các đối tượng trên mặt đất là như nhau, Ф atm1 = Ф atm2 và Ф scat1 = Ф scat2 , khi đó giá trị pha giao thoa sẽ được viết như sau:.
- Để thấy được mối quan hệ giữa pha giao thoa với địa hình, chúng ta xem xét điểm P 0 nằm ở vị trí cùng phương với điểm P trên mặt elipxoit tham chiếu (Hình 2c).
- Khi đó, sử dụng định luận cosin chúng ta tìm ra:.
- Sử dụng công thức (11) và (8), chúng ta tính pha giao thoa  0 theo điểm P 0 , gọi là pha phẳng (flat earth phase) như sau:.
- (12) Khoảng cách thực tế x luôn lớn hơn bán kính elipsoid tham chiếu x 0 , độ lệch x - x 0 cung cấp giá trị độ cao hình học.
- Thay phương trình (15) và (16) vào phương trình (14), chúng ta có độ cao h từ elipsoid tham chiếu:.
- 3 ỨNG DỤNG KỸ THUẬT INSAR.
- TRONG THÀNH LẬP MÔ HÌNH SỐ ĐỘ CAO SỬ DỤNG PHẦN MỀM MÃ NGUỒN MỞ NEST VÀ SNAPHU.
- 3.1 Phần mềm mã nguồn mở NEST và SNAPHU.
- Phần mềm NEST (Next ESA SAR toolbox) được xây dựng và phát triển bởi nhóm nghiên cứu thuộc cơ quan hàng không vũ trụ Châu âu ESA..
- Phần mềm được giới thiệu lần đầu tiên với phiên bản NEST1A được giới thiệu lần đầu tiên và năm 2008.
- Các phiên bản đầu tiên của phần mềm NEST chưa có các chức năng để xử lý ảnh radar giao thoa, bắt đầu từ phiên bản NEST 4C (phát hành năm 2012) các chức năng phục vụ cho việc xử lý ảnh radar giao thoa đã được xây dựng.
- Cho đến nay, phiên bản mới nhất của phần mềm NEST là NEST 5.1, phiên bản mới này có thêm các chức năng hỗ trợ xử lý ảnh Sentinel-1.
- Tuy nhiên, chức năng giải mở pha giao thoa trong quy trình công nghệ thành lập DEM từ cặp ảnh radar giao thoa vẫn chưa được xây dựng trên phiên bản mới nhất của phần mềm NEST, thay vào đó việc giải mở pha giao thoa bắt buộc phải thực hiện trên phần mềm SNAPHU.
- Đây cũng là một hạn chế của phần mềm NEST.
- Phần mềm SNAPHU được xây dựng và phát triển bởi nhóm nghiên cứu Radar giao thoa thuộc trường Đại học Stanford, Hoa Kỳ..
- Phần mềm được xây dựng dựa trên cơ sở thuật toán Statistical-cost, Network-flow (C.
- Phần mềm SNAPHU sử dụng dữ liệu đầu vào là pha giao thoa được xây dựng bởi phần mềm NEST, và kết quả xử lý bởi phần mềm SNAPHU là pha giao thoa (đã được giải pha).
- Pha giao thoa này tiếp tục được xử lý trên phần NEST để tạo DEM và đăng ký tọa độ cho DEM..
- 3.2 Quy trình công nghệ và trình tự xử lý Để tiến hành xử lý theo kỹ thuật InSAR, cần phải có hai ảnh SAR có độ tương quan tốt.
- ERS-1 và ERS-2, chiều dài đường đáy từ 150 m - 300 m thích hợp cho việc xây dựng mô hình số độ cao.
- Quy trình công nghệ thành lập DEM từ cặp ảnh radar giao thoa được thể hiện như trong Hình 4, trình tự các bước thực hiện được tiến hành như sau:.
- Đăng ký ảnh: Mục đích của việc đăng ký ảnh là tìm những điểm ảnh cùng tên trên 2 tấm ảnh radar (Master và Slave)..
- Tạo pha giao thoa, loại bỏ pha phẳng và lọc bỏ nhiễu: Sau khi tiến hành đăng ký ảnh, ta sẽ sử dụng thành phần pha của cặp ảnh Sar để tạo ảnh giao thoa.
- Pha giao thoa được tạo ra ngoài pha do.
- Giải mở pha: Đây chính là bước then chốt, giúp xác định số chu kỳ đã bị mất đi trong quá trình tạo pha giao thoa..
- Tạo mô hình số độ cao DEM: Sau khi xác định được số chu kỳ bị mất đi, kết hợp với giá trị pha giao thoa cũng như các thông số khác như cạnh đáy ảnh B, bước sóng λ và góc tới để tính ra độ cao cho các điểm, từ đó xây dựng được DEM.
- DEM được thành lập có độ cao so với mặt Elipsoid, vì vậy chúng ta phải sử dụng mô hình dị thưởng độ cao EGM96 để tính chuyển về độ cao so với mặt Geoid..
- Hình 4: Quy trình công nghệ thành lập DEM từ cặp ảnh Radar giao thoa.
- Cắt ảnh và tải file quỹ đạo chính xác: Đây là bước chọn giới hạn vùng mà ta muốn xây dựng DEM trên ảnh radar.
- Ngoài ra trên phần mềm có các công cụ cho phép tải file quỹ đạo chính xác dựa trên các thông tin của tư liệu sử dụng là cặp ảnh SAR được chụp bởi 2 vệ tinh ERS1/2..
- Tư liệu ảnh sử dụng trong nghiên cứu này là ảnh thu được từ các vệ tinh ERS-1 (Earth.
- Mỗi scence ảnh phủ một khu vực có diện tích 10.000 km 2 (100 x 100 km) với độ phân giải 30 m..
- Hai vệ tinh này thu ảnh tại cùng một khu vực chỉ cách nhau 1 ngày.
- Đây là một ưu điểm nổi bật so với ảnh nhận từ các hệ thống vệ tinh khác do sự tương quan giữa hai ảnh thu được tại một khu vực rất lớn, tạo điều kiện tốt cho các ứng dụng trong giao thoa SAR.
- Bảng 1 dưới đây trình bày các thông số chính của cặp ảnh được sử dụng:.
- Hình 5: Khu vực nghiên cứu và cặp ảnh radar sử dụng trong nghiên cứu.
- Bảng 1: Thông tin về cặp ảnh Radar giao thoa sử dụng trong nghiên cứu.
- Độ cao vệ tinh (km) 785 785.
- Pha giao thoa Ảnh tương quan.
- Để đánh giá độ chính xác của DEM được thành lập từ cặp ảnh radar giao thoa, tác giả có sử dụng DEM được thành lập từ cặp ảnh lập thể hàng không (DEM được nội suy tự động và được biên tập trên trạm đo ảnh số Intergraph).
- Hai mặt cắt ở khu vực đồng bằng và khu vực đồi núi được sử dụng để đánh giá chất lượng của DEM.
- Kết quả cho thấy độ chính xác của DEM InSAR có thể đạt độ chính xác khá cao ở cả khu vực đồi núi và đồng bằng.
- Tuy nhiên, ở khu vực đồi núi sự khác biệt giữa DEM InSAR và DEM lập thể lớn hơn ở khu vực đồng bằng, điều này có thể được giải thích bởi chất lượng DEM InSAR phụ thuộc vào giá trị tương quan ảnh, khu vực có tương quan tốt sẽ cho DEM có chất lượng tốt hơn so với khu vực có tương quan thấp.
- trong khi đó khu vực đồi núi có tương quan thấp hơn do các yếu tố bề mặt chủ yếu là thực phủ (rừng), do chênh cao địa hình lớn, do khuất núi.
- Ngoài ra để đánh giá khả năng sử dụng của phần mềm NEST và SNAPHU trong thành lập DEM sử dụng cặp ảnh SAR giao thoa, tác giả đã sử dụng phần mềm thương mại SARScape xử lý cũng cặp ảnh để từ đó đưa ra các tiêu chí đánh giá bao gồm: Chi phí bản quyền của phần mềm xử lý (Công ty trách nhiệm hữu hạn ANTHI Việt Nam,2013), các chức năng hỗ trợ trong xử lý của phần mềm, cấu hình máy tính yêu cầu, yêu cầu về phần mềm hỗ trợ và thời gian xử lý (cho cặp ảnh radar giao thoa sử dụng trong nghiên cứu) (Bảng 3)..
- Độ cao lớn nhất 83.6 m 76.0 m 7.6 m.
- Độ cao nhỏ nhất 40.3 m 40.0 m 0.3 m.
- Độ cao trung bình 56.2 m 54.2 m 2.0 m.
- Độ cao lớn nhất 785.8 m 764.4 m 21.4 m.
- Độ cao nhỏ nhất 460.5 m 463.1 m -2.6 m.
- Độ cao trung bình 600.5 m 596.5 m 4.0 m.
- Bảng 3: So sánh SARScape với NEST và SNAPHU Phần mềm.
- Chức năng xử lý ảnh SAR level 0 (ERS-SAR, Có Không.
- Chức năng xử lý ảnh SAR level 1 Có Có.
- Chức năng xuất kết quả xử lý sang các phần mềm khác (KML file cho Google Earth, Shape file cho ArcGIS,…).
- -Chức năng cắt ảnh, lọc ảnh, lọc pha giao thoa và các các chức năng phục vụ việc phân tích ảnh (Raster calculator).
- Phần mềm hỗ trợ ENVI Không.
- Thời gian xử lý 2h 2h30‘.
- Tuy nhiên, đây là một kỹ thuật khó nên trong quá trình xử lý đòi hỏi độ chính xác cao, ngay từ bước đăng ký ảnh (đòi hỏi độ chính xác đến 1/10 pixel).
- Chất lượng của DEM xây dựng từ cặp ảnh SAR giao thoa phụ thuộc vào tính tương quan giữa 2 ảnh..
- Trong cùng một cặp ảnh, khu vực nào có tương quan tốt sẽ cho DEM có chất lượng tốt hơn so với khu vực có tương quan thấp..
- Kết quả đạt được cho thấy độ chính xác của DEM tạo từ cặp ảnh SAR có thể đạt độ chính xác khá cao ở khu vực miền núi và ở khu vực đồng bằng.
- Việc nghiên cứu sử dụng phần mềm mã nguồn mở NEST và SNAPHU đem lại hiệu quả kinh tế và kỹ thuật cao.
- Về mặt kinh tế, phần mềm NESTvà SNAPHU nhỏ gọn, không đòi hỏi máy tính có cấu hình cao, hoàn toàn miễn phí so với các phần mềm.
- bản quyền rất đắt tiền khác như GAMMA, SARSCAPE, ERDAS, EarthView,… về mặt kỹ thuật, phần mềm rất dễ sử dụng và hoàn toàn là mã nguồn mở nên người xử lý hoàn toàn có thể can thiệp ở một mức độ cho phép để phục vụ công việc xử lý ảnh..
- Những kết quả bước đầu đạt được trong Đề tài này hy vọng góp phần đáng kể trong ứng dụng kỹ thuật mới và những vấn đề cần lưu ý khi xây dựng DEM từ cặp ảnh radar giao thoa thì bước khớp ảnh và giải pha mang tính quyết định..
- Xây dựng mô hình số độ cao DEM cũng chỉ là một trong những ứng dụng của cặp ảnh radar giao thoa, quan trọng hơn là những ứng dụng của chúng trong việc quan trắc và phát hiện biến dạng bề mặt địa hình như lún đất, hoạt động của núi lửa, chuyển động băng trôi,… bằng kỹ thuật DInSAR (kỹ thuật giao thoa vi phân), kỹ thuật PSInSAR (giao thoa tán xạ cố định), kỹ thuật Sar Tomography…