1. Phần 2. Thu nhận ảnh
(Image Acquisition)
Ảnh số
(Digital Imagery)
2. Giới thiệu:
Ảnh sử dụng trong viễn thám
Ảnh tương tự:
Là ảnh được ghi lại
dưới dạng một cách vật
lý trên giấy hoặc trên
phim có phủ hóa chất.
Độ sáng của ảnh tỷ lệ
với độ sáng của cảnh
chụp
Khó khăn trong lưu trữ,
truyền dẫn, tìm kiếm,
phân tích
Ảnh số:
Là mảng các pixel trong
đó mỗi pixel được biểu
diễn dưới dạng các giá trị
số rời rạc.
Các giá trị số có thể được
thực hiện các thao tác
thống kê, cộng, trừ, nhân.
Dễ dàng lưu trữ, truyền
dẫn, phân tích, …
Có khả năng gặp sự cố
dẫn đến mất hoàn toàn
dữ liệu.
3. Ảnh điện tử
Số liệu số được tạo ra từ loại thiết bị quét một phần
bề mặt trái đất bằng cách ghi lại các photon phản xạ
hay phát ra từ một mảnh của mặt đất gọi là các
pixel.
Mỗi pixel có thể rất nhỏ để mắt người có thể phân
biệt được.
Mỗi pixel biểu thị độ sáng của một vùng nhỏ bề mặt
trái đất được ghi lại tương ứng với một giá trị số.
Ảnh số được tạo bởi nhiều ngàn pixel.
Các giá trị số khác nhau tương ứng với các vùng
phổ điện từ.
5. Ảnh điện tử
Hai kiểu thiết bị quét chính được sử dụng trong
chụp ảnh hàng không là
Thiết bị quét mảng hàng (linear array): mảng hàng
trượt dọc theo đường bay
Thiết bị quét quang-cơ (optical-mechanical scanner):
gương quét dịch chuyển nhờ gắn trên máy bay và
được “lắc” để quét ngang đường bay, định hướng
bức xạ từ mặt đất tới hệ thống quang thứ cấp. Cảm
biến tạo ra dòng điện biến thiên theo độ sáng. Bộ lọc
hay tán sắc (diffraction grating) tách bức xạ thành các
phân đoạn tạo thành các kênh phổ. Mỗi kênh phổ
mang thông tin về độ sáng của từng vùng phổ riêng
biệt.
7. Ảnh điện tử
Dòng điện chính là phiên
bản tương tự của độ sáng
của mặt đất.
Để tạo ra phiên bản số tín
hiệu điện phải được rời
rạc hóa thành các giá trị
cho phân tích số => biến
đổi tương tự - số.
8. Ảnh điện tử
Thị trường tức thời (IFOV
– instantaneous field of
view): khu vực được quét
bởi cảm biến ở một thời
điểm với giả thiết chuyển
động của máy máy bay
ngừng đúng thời điểm đó.
IFOV là khu vực nhỏ nhất
được nhìn bởi thiết bị quét
và thiết lập nên giới hạn về
mức độ chi tiết không gian
có thể được biểu diễn bởi
ảnh số.
9. Ảnh điện tử
IFOV là khu vực nhỏ nhất được nhìn bởi thiết bị
quét và thiết lập nên giới hạn về mức độ chi tiết
không gian có thể được biểu diễn bởi một bức ảnh
số.
Cho dù số liệu trong ảnh cuối được tập hợp lại dưới
dạng các điểm ảnh (pixel), mỗi điểm ảnh có thể biểu
diễn khu đất lớn hơn IFOV nhưng các điểm ảnh
không thể mang thông tin về khu đất nhỏ hơn IFOV.
Khoảng cách phân giải mặt đất (GRD – ground
resolved distance): kích thước nhỏ nhất có thể được
phân giải một cách tin cậy bởi hệ thống ảnh.
10. Ảnh điện tử
Các cảm biến điện tử được thiết kế để hoạt động
trong khả năng giới hạn của nó.
Độ nhạy của cảm biến phải được lựa chọn phù hợp
với tốc độ và độ cao của máy bay hay vệ tinh.
Cảm biến cần nhìn khu đất (tương đương 1 điểm
ảnh) trong khoảng thời gian đủ dài để thu nhận đủ
photon nhằm phát tín hiệu đủ tin cậy. Khoảng thời
gian này gọi là dwell time.
Nếu hệ thống ảnh được thiết kế và hoạt động bình
thường, độ sáng cảnh chụp được ghi lại tuyến tính
với các giá trị của số liệu ảnh và khi hiển thị ảnh cho
thấy quan hệ về độ sáng trên mặt đất.
11. Ảnh điện tử
Trong một số điều kiện khó khăn, việc ghi lại
ảnh của cảm biến có thể bị hỏng.
Tín hiệu dòng tối (dark current signal hay dark
current noise): ở mức thấp của độ nhạy, cảm
biến có thể ghi lại không đúng độ sáng.
Bão hòa (saturate): thiết bị không ghi lại đầy đủ
độ sáng của mục tiêu.
Dải động của cảm biến: là dải độ sáng có thể
được ghi lại một cách tin cậy.
13. Ảnh điện tử
Nói chung, cảm biến điện tử có dải động lớn
hơn so với phim chụp ảnh, màn hình vi tính và
thị giác người.
Thể hiện ảnh của ảnh điện tử thường bị mất
thông tin ở dải thấp và cao của độ sáng.
Bởi vậy trong thể hiện thị giác và phân tích ảnh ,
cách thức hiển thị hay phương pháp cải thiện
ảnh có vai trò quan trọng.
14. Ảnh điện tử
Độ dốc của đồ thị biểu diễn quan hệ giữa độ sáng
cảnh chụp và thể hiện của độ sáng trên ảnh mô tả
tăng ích của cảm biến.
15. Ảnh điện tử
Nhiễu (noise): mọi thành phần của cảm biến đều có
nhiễu điện tử mà không liên quan đến độ sáng của
mục tiêu.
Thiết bị cần được thiết kế để mức nhiễu luôn nhỏ so
với tín hiệu (độ sáng của mục tiêu) thể hiện ở tỷ số
tín hiệu – nhiễu SNR (Signal-to-noise ratio) hay S/N.
Người phân tích ảnh luôn mong muốn tín hiệu lớn
hơn tương đối so với nhiễu, tức là SNR lớn không
chỉ với mục tiêu sáng mà trong cả dải động của thiết
bị và đặc biệt là khi ở mức độ nhạy thấp (mức tín
hiệu thấp)
17. Độ nhạy phổ
Các cảm biến quang thường dùng lăng kính hay bộ
lọc để phân tách ánh sáng thành các vùng phổ.
Bộ lọc là mảnh kính đặc biệt cho qua có lựa chọn
một số bước sóng và ngăn hay hấp thụ các bước
sóng mà nhà thiết kế muốn loại bỏ.
Bộ lọc chính xác và đắt nhất là loại được sản xuất
bằng cách thêm thuốc nhuộm vào kính khi sản xuất.
Kém chính xác và kém bền hơn là loại kính được
phủ lớp phim hấp thụ bước sóng mong muốn.
Thông thường bộ lọc được thiết kế với chuyên dụng
theo một số yêu cầu chuyên môn nhất định.
19. Độ nhạy phổ
Bộ lọc có thể được dùng trong thu thập ảnh số
nhưng các cảm biến điện tử lại hay sử dụng sự tán
sắc được xem là hiệu quả hơn do dễ thực hiện, kích
thước nhỏ và nhẹ.
Ánh sáng từ cảnh chụp đi qua thấu kính chuẩn trực
để tạo chùm tia song song và tới lăng kính tán xạ
với góc tới xác định.
Bước sóng khác nhau thì tán xạ với góc khác nhau
nên bức xạ được tách biệt phổ.
Sau đó ánh sáng được chiếu tới cảm biến và có
được độ nhạy phổ mong muốn.
21. Độ nhạy phổ
Các thiết bị sử dụng bộ lọc hay tán xạ để định nghĩa
giới hạn phổ (ví dụ: ghi lại “màu” nào, ...), không
định nghĩa các giới hạn rời rạc, độ nhạy phổ biến
đổi trong một khoảng nào đó.
Ví dụ: thiết bị được thiết kế để ghi lại bức xạ trong
vùng green của phổ. Độ nhạy sẽ không như nhau
trong toàn bộ vùng mà ở trung tâm của vùng sẽ lớn
hơn so với vùng giáp với blue và red.
Độ nhạy phổ của thiết bị được xác định từ định
nghĩa FWHM (full width, half maximium) là khoảng
phổ đo được mà tại đó đáp ứng của thiết bị đạt
được một nửa giá cực đại của nó
23. Độ nhạy phổ
Từ FWHM có thể định nghĩa độ phân giải phổ như
sau: là dải phổ hẹp nhất mà thiết bị có thể phân biệt
được.
Khoảng lấy mẫu phổ (spectral sampling interval) xác
định khoảng phổ được sử dụng để ghi lại độ sáng
cho từng bước sóng.
24. Số liệu số (Digital Data)
Đầu ra của cảm biến điện tử đưa tới phân tích là
một bộ các giá trị số.
Mỗi giá trị số được ghi lại như một dãy giá trị nhị
phân gọi là bit.
25. Số liệu số (Digital Data)
8 bit tạo thành 1 byte để thuận tiện lưu trữ.
Lượng số liệu lớn có thể sử dụng ký hiệu khác như
KB, MB hay GB.
26. Số liệu số (Digital Data)
Các giá trị số rời rạc cho mỗi pixel được ghi lại dưới
dạng phù hợp với lưu trữ trong đĩa hay để phân
tích.
Các giá trị này không phải là độ sáng thực của cảnh
chụp (gọi là radiances) được ghi lại mà giá trị tương
đối thể hiện độ sáng của cảnh chụp.
Số giá trị độ sáng trong ảnh số được xác định bởi
số bit có sẵn. Ví dụ 7-bit cho phép tối đa 128 giá trị
cho mỗi pixel.
Số bit quyết định thiết kế của hệ thống, đặc biệt là
độ nhạy của cảm biến, khả năng ghi và truyền số
liệu.
27. Số liệu số (Digital Data)
Độ sáng của bức xạ phản xạ từ mặt đất được
đo theo độ sáng (oát) cho mỗi khoảng bước
sóng (micrometer) cho mỗi đơn vị góc
(steradian) cho mỗi mét vuông phản xạ.
Vậy độ sáng đo được liên quan đến bước sóng
(“màu”), không gian (góc), độ mạnh yếu (đọ
sáng) và diện tích.
Radiances ghi lại độ sáng thực tế, đo bằng đơn
vị vật lý, biểu diễn bằng giá trị thực (có cả phần
thập phân).
28. Định dạng số liệu (Data format)
Phân tích ảnh số thường được thực hiện với
các cấu trúc số liệu raster trong đó mỗi ảnh là
một mảng các giá trị.
Thêm các kênh phổ là thêm các mảng tương
ứng.
Mỗi pixel được coi là một đơn vị riêng với vị trí
trong ảnh xác định bởi tọa độ hàng và cột.
Trong viễn thám, gốc tọa độ nằm ở góc trên bên
trái của ảnh, hàng cột hay dòng điểm xác định
theo chiều trên xuống và trái sang phải.
29. Định dạng số liệu (Data format)
Cấu trúc số liệu raster có ưu điểm là thao tác
tìm và định vị pixel dễ dàng kể cả với giá trị của
nó.
Nhược điểm của raster là thường xuất hiện với
một mảng các pixel tương ứng với các mảnh
riêng biệt hay một vùng đất chứ không phải từng
pixel riêng lẻ.
Cấu trúc số liệu véc-tơ sử dụng các mảnh đa
giác và đường bao của nó là các đơn vị cơ bản
cho phân tích và thao tác.
Định dạng véc-tơ không phù hợp dùng cho phân
tích số số liêu viễn thám.
30. Định dạng số liệu (Data format)
Hầu hết thiết bị và phần mềm xử lý số liệu viễn
thám đều có điều chỉnh để làm việc với định
dạng raster.
Số liệu viễn thám số được phân loại theo 3 kiểu
lưu trữ ảnh:
BIP (Band Interleaved by Pixel): số liệu được tổ chức
theo dãy các giá trị liên tiếp line 1, pixel 1, band 1,
line 1, pixel 1, band 2, line 1, pixel 1, band 3, …
32. Định dạng số liệu (Data format)
BIL (Band Interleaved by Line): mỗi dòng số liệu
được coi là một đơn vị riêng. Cả 4 băng được sắp
xếp liên tiếp trên 1 dòng.
33. Định dạng số liệu (Data format)
BSQ (Band sequential): số liệu của băng 1 được ghi
tuần tự, theo sau là số liệu băng 2, và cứ thế tiếp tục
34. Định dạng số liệu (Data format)
Một số định dạng khác không phải là phổ biến
nhưng quan trọng cho các ứng dụng yêu cầu
chuỗi dài các ảnh đa phổ.
Định dạng phân cấp số liệu (HDF- hierachical
data format): là cấu trúc số liệu đặc biệt được
thiết kế chuyên dụng để quản lý hiệu quả số liệu
khoa học.
NetCDF (network common data form): cấu trúc
được thiết kế riêng cho quản lý động số liệu
dạng mảng, tương thích rộng với các nền tảng
máy tính, có chia sẻ dữ liệu qua mạng.
35. Định dạng số liệu (Data format)
Nén số liệu: nhằm làm giảm lượng số liệu yêu
cầu để lưu trữ và truyền dẫn hiệu quả hơn.
Tỷ số nén: so sánh kích cỡ ảnh gốc so với ảnh
sau nén. Ví dụ: số liệu ảnh vệ tinh số được nén
với kỹ thuật không tổn hao cho tỷ số nén từ
1,04:1 đến 1,9:1. Với bản đồ địa hình, tỷ số nén
có thể đạt được tỷ số 24:1 với kỹ thuật nến tổn
hao.
JPEG : sử dụng kỹ thuật nén tổn hao, áp dụng
biến đổi cosine rời rạc (DCT) như là thuật toán
nén-giải nén. JPEG2000 được cho là có tỷ số
nén cao hơn.
36. Kết hợp băng: ảnh đa phổ
Hiển thị ảnh hiệu quả là rất quan trọng trong viễn
thám.
Kết hợp băng là thuật ngữ trong viễn thám liên quan
đến gán màu để thể hiện độ sáng của các vùng
phổ.
Mấu chốt của việc hiển thị ảnh đa phổ là thị giác
người miêu tả khác nhau về màu sắc của bề mặt
trái đất dựa vào khả năng của mắt nhận biết khác
biệt về độ sáng của từng màu cơ bản – blue, green
và red.
Mắt người cũng nhận biết được độ sáng của các
vùng phổ và cả các màu pha trộn giữa các màu cơ
bản.
37. Kết hợp băng: ảnh đa phổ
Lựa chọn màu nào trong số các màu cơ bản để
hiển thị bức xạ thu thập được bởi hệ thống viễn
thám?
Lựa chọn màu nào hiển thị tốt nhất vùng hồng
ngoại gần?
Vài chục năm qua, các nhà khoa học viễn thám
chấp nhận một thực tế là mỗi kiểu kết hợp hiệu
quả cho từng mục đích nhất định.
Một trong những cơ sở trong kết hợp băng là
các băng gần nhau được cho là lặp lại tốt nhất
thông tin của vùng kế tiếp nó.
38. Kết hợp băng: ảnh đa phổ
Các mô hình kết hợp băng được ký hiệu bằng
số, không đặt tên với chữ cái.
742:
Sử dụng 1 vùng của các phổ ánh sáng nhìn thấy,
hồng ngoại gần và hồng ngoại giữa.
miêu tả cảnh sử dụng mô hình màu sai nhưng theo
cách thể hiện màu tự nhiên.
Ví dụ: cây cối tươi có màu xanh green nhạt, đất khô
màu hồng, vùng cây khô hay thưa thớt có mầu cam
hoặc nâu, mặt nước màu xanh blue.
Ứng dụng của kiểu kết hợp này thường là phân tích
địa lý sa mạc, đất bề mặt, đất ẩm ướt, nông nghiệp,
rừng và kiểm soát cháy rừng.
40. Kết hợp băng: ảnh đa phổ
451:
sử dụng băng blue và hồng ngoại giữa cùng với 1
băng hồng ngoại gần.
Vùng nước trong và sâu có màu rất tối, vùng nước
nông và đục có màu xanh nhạt, cây cối tươi có màu
đỏ, nâu và cam, đất trống có màu xanh green và
nâu, vùng đô thị có màu trắng, xanh lam và xám.
41. Kết hợp băng: ảnh đa phổ
754:
sử dụng 3 băng ngoài vùng ánh sáng nhìn thấy vì
không bị ảnh hưởng bởi khí quyển.
Thường ứng dụng trong phân tích địa lý
Đường bờ biển được hiển thị rõ và nét, chất đất và
độ ẩm có thể dễ dàng phân biệt.
42. Kết hợp băng: ảnh đa phổ
543:
sử dụng băng hồng ngoại gần, hồng ngoại giữa và đỏ.
Mép nước được hiển thị nét. Nhạy với biến đổi của đất
ẩm và thực vật.
Hiển thị hiệu quả những biến đổi về loại và tình trạng
của thực vật với các màu nâu, green và cam, đất ẩm
có màu tối.
43. Cải thiện ảnh
Cải thiện ảnh là quá trình nâng cao chất lượng
thể hiện thị giác của ảnh số.
Cải thiện ảnh quan trọng hơn đối với viễn thám
bởi nó cho phép tăng khả năng phân tích số.
Tuy nhiên cần lưu ý:
Cải thiện ảnh có thể phù hợp với một mục đích nào đó
nhưng lại không phù hợp với ảnh khác hay một số
mục đích khác.
Cải thiện ảnh có thể làm mất thông tin trong ảnh gốc.
44. Cải thiện ảnh
Cải thiện độ tương phản:
Độ tương phản liên quan đến dải giá trị độ sáng
thể hiện trên ảnh.
Cải thiện độ tương phản là cần thiết bởi cảm biến
cung cấp dải độ sáng không phù hợp với khả
năng của thị giác con người.
Để nhà phân tích nhìn được đầy đủ thông tin
trong ảnh số thì cần thiết phải điều chỉnh lại dải
độ sáng của ảnh cho phù hợp với thị giác con
người, phim ảnh hay màn hình máy tính.
45. Cải thiện ảnh
Ví dụ: cả dải giá trị độ sáng là 0-255 (8-bit)
nhưng chỉ hiển thị được trong dải 0-63 (6-bit) thì
ảnh sẽ thiếu tương phản.
48. Cải thiện ảnh
Dãn tuyến tính (Linear Stretch):
Dãn tuyến tính biến đổi các giá trị số gốc sang dạng
phân bố mới, sử dụng các giá trị min và max mới, rồi
thêm bớt hai giá trị bình sai (standard deviation) so
với trị trung bình(mean).
Sau đó thuật toán sẽ khớp giá trị min-max mới và cũ,
tất cả các giá trị trung gian được điều chỉnh lại theo
tỷ lệ giữa giá trị max và giá trị max mới.
Dải độ sáng của ảnh gốc được chia làm nhiều đoạn,
từng đoạn được dãn riêng biệt. Nhà phân tích có thể
chú ý vào từng đoạn cho phù hợp với từng ứng
dụng.
50. Cải thiện ảnh
Cân bằng histogram (Histogram Equalization):
Histogram Equalization gán lại các giá trị số vào ảnh
gốc theo cách ảnh đầu ra được phân bố cân bằng
trong dải các giá trị đầu ra.
Không như dãn tuyến tính, Histogram Equalization
áp dụng một hàm không tuyến tính để gán lại giá trị
độ sáng của ảnh đầu vào để tạo ra ảnh đầu ra gần
như có phân bố đều về cường độ.
Các đỉnh histogram rộng ra, vùng trũng nông hơn.
Histogram Equalization thường dùng trong quá trình
so sánh ảnh.
52. Cải thiện ảnh
Chia mật độ (Density Slicing):
Density slicing là việc chia tùy ý dải độ sáng trong
một băng đơn lẻ thành nhiều khoảng, rồi gán cho mỗi
mảng một màu.
Density slicing có hiệu quả nhấn mạnh một đặc điểm
nào đó, thể hiện đặc điểm này bằng màu sắc sặc sỡ
nhưng không truyền đạt thêm nhiều thông tin hơn so
với bức ảnh nguồn.
54. Cải thiện ảnh
Làm nổi bật viền (Edge Enhancement):
Edge enhancement là việc cố gắng làm nổi bật ranh
giới giữa các vùng có độ sáng tương phản.
Nói chung, người giải đoán ảnh thích ảnh có đường
viền sắc nét giữa các mảnh kể cả khi có nhiễu, độ
phân giải kém hay các yếu tố khác làm mờ hay làm
khó phân biệt chỗ chuyển giao.
Edge enhancement là làm tăng độ tương phản trong
1 vùng nào đó.
56. Hiển thị ảnh
Hiển thị ảnh là rất quan trọng trong phân tích ảnh
viễn thám bởi vì người phân tích phải xem xét kỹ
lưỡng bức ảnh và đưa ra kết quả phân tích.
Các yếu tố liên quan đến khả năng hiển thị ảnh là:
Kích thước ảnh có thể hiển thị đặc trưng bằng số hàng cột
có thể xem ở một thời điểm.
Độ phân giải radiometric: khả năng thể hiện dải độ sáng
cho từng pixel.
Thể hiện màu (rendition of color) của ảnh: cách thức để có
màu sắc gần nhất so với thiết kế hiển thị ảnh và bộ xử lý
hiển thị.
Thiết bị hiển thị bao gồm: CRT, LCD, Plasma display
57. Hiển thị ảnh
Thiết bị hiển thị cao cấp:
Ảnh viễn thám thường rất lớn và độ chi tiết tốt.
Hệ thống thông thường cho phép người dùng phóng
to ảnh trên màn hình để nhìn rõ hơn các chi tiết
nhưng đồng thời phải trả giá mất đi cái nhìn tổng
quát của toàn bộ cảnh chụp.
Hệ thống hiển thị cao cấp cho phép cả hiển thị tốt chi
tiết và ảnh lớn.
“Fisheye” cho phép xem phóng to những chi tiết
được chọn mà vẫn xem được toàn cảnh xung quanh.
Hệ thống nhiều màn hình được ghép thành mảng.
60. Phần mềm xử lý ảnh
Số liệu viễn thám số có thể được giải đoán bằng các
chương trình máy tính. Các chương trình này thực
hiện các thao tác trên số liệu ghi trong các pixel để
có được thông tin về một số đối tượng nào đó.
Xử lý ảnh yêu cầu một hệ thống với phần mềm
chuyên dụng thực hiện các thao tác với số liệu ảnh
số.
Các chương trình có nhiều dạng khác nhau về mục
đích cũng như về chi tiết nhưng đều có các thành
phần chính của hệ thống xử lý ảnh.
Danh sách các phần mềm: xem trong tài liệu.
