Ứng dụng kỹ thuật INSAR trong xây dựng mô hình độ cao số DEM
Trong những năm gần đây, kỹ thuật SAR giao thoa (Synthetic Apenture Radar Interferometry -
InSAR) đã được xem như một trong những kỹ thuật hiệu quả hỗ trợ cho việc xây dựng và cập nhật
dữ liệu của GIS. Dữ liệu độ cao số trong GIS thường lưu trữ theo các dạng mô hình độ cao số (DEM)
và được sử dụng khá phổ biến để thể hiện hình dạng của bề mặt đất. Báo cáo này nhằm giới thiệu khả
năng ứng dụng kỹ thuật InSAR trong xây dựng DEM và minh...
ỨNG DỤNG KỸ THUẬT INSAR TRONG XÂY DỰNG
MÔ HÌNH ĐỘ CAO SỐ (DEM)
APPLICATION OF THE INSAR TECHNOLOGY FOR CREATING
DEM
Lê Văn Trung, Hồ Tống Minh Định *
Khoa Kỹ thuật Xây dựng, Trường Đại học Bách khoa, Tp. Hồ Chí Minh, Việt Nam
* Trung tâm Địa Tin Học - Khu Công Nghệ Phần Mềm ĐHQG, Tp. Hồ Chí Minh, Việt Nam
BẢN TÓM TẮT
Trong những năm gần đây, kỹ thuật SAR giao thoa (Synthetic Apenture Radar Interferometry -
InSAR) đã được xem như một trong những kỹ thuật hiệu quả hỗ trợ cho việc xây dựng và cập nhật
dữ liệu của GIS. Dữ liệu độ cao số trong GIS thường lưu trữ theo các dạng mô hình độ cao số (DEM)
và được sử dụng khá phổ biến để thể hiện hình dạng của bề mặt đất. Báo cáo này nhằm giới thiệu khả
năng ứng dụng kỹ thuật InSAR trong xây dựng DEM và minh họa kết qủa thực nghiệm đạt được tại
lưu vực sông Kôn – Hà Thanh thuộc tỉnh Bình Định. Độ chính xác của mô hình độ cao số (DEM) tạo
bởi kỹ thuật InSAR được so sánh với các phương pháp tạo DEM khác (DEM nhận được từ cặp ảnh lập
thể SPOT hay ASTER).
ABSTRACT
In recent years, the Synthetic Apenture Radar Interferometry (InSAR) technique has been
considered as an efficiency method in creating or updating GIS data. Digital Elevation Data are often
known as Digital Elevation Models (DEMs) and are digital representations of the shape of the earth’s
surface. DEMs derived from survey data are accurate but they are very expensive and time-
consuming.
This paper introduces the ability of applying InSAR technique to generate a DEM and shows the
result of experiment in Kon – Ha Thanh river in Binh Dinh province. The accuracy of DEM derived
from InSAR technique is evaluated in comparison with other methods (DEM is derived from the
stereoscopic images of SPOT or ASTER.
hiện phụ thuộc vào nguồn dữ liệu được sử
1. GIỚI THIỆU
dụng và phương pháp để tạo DEM.
Cùng với sự nghiên cứu phát triển và phổ Theo các phương pháp truyền thống, DEM
biến các ứng dụng của Viễn thám cũng như Hệ được xây dựng chủ yếu dựa trên đường đồng
thống thông tin địa lý (GIS - Geographical mức của các các bản đồ đã được số hóa hoặc
Information Systems), việc cung cấp và cập các kỹ thuật quan sát lập thể của ảnh hàng
nhật dữ liệu cho các ứng dụng GIS là một nhu không hay từ dữ liệu khảo sát địa hình thu
cầu khá cấp thiết hiện nay. Mô hình độ cao số được trực tiếp từ việc khảo sát thực địa của
DEM (Digital Elevation Model) thường được khu vực tương đối nhỏ. Trong những năm gần
quản lý trong GIS dưới dạng cấu trúc dữ liệu đây, rada khẩu độ tổng hợp SAR (Synthetic
raster, cho phép thể hiện đơn giản, phân tích Aperture Radar) đã được phát triển khá mạnh
hiệu quả và tương thích với dữ liệu viễn thám. với ưu thế cho phép thu ảnh có độ phân giải
Trong hình thức này, DEM được thể hiện như cao và từ hai ảnh thu được bởi kỹ thuật SAR,
một mảng các giá trị cung cấp độ cao của bề có thể xây dựng được DEM dựa trên việc sử
mặt địa hình, độ chính xác của các giá trị thể dụng thông tin pha của tín hiệu rada.
274
Nếu chúng ta có hai ảnh SAR được thu 2. KHU VỰC NGHIÊN CỨU
nhận từ 2 vị trí khác nhau của vệ tinh nhưng
cùng phủ một vùng diện tích trên mặt đất, giá Lưu vực sông Kôn - Hà Thanh thuộc tỉnh
trị pha của tín hiệu rada cho bởi ảnh thứ nhất Bình Định, là tỉnh duyên hải Nam Trung Bộ
có thể đem đi trừ đi gía trị pha cho bởi ảnh thứ Việt Nam, cách TP.HCM 644km và 1060km
hai để có được độ lệch pha của 2 ảnh SAR. từ Hà Nội. Đây là khu vực thường xuyên bị
Ảnh mới tạo ra chứa độ lệch pha được gọi là ảnh hưởng trực tiếp của lũ lụt, do đó có nhiều
ảnh giao thoa. Gía trị còn lại (độ lệch pha) cho mô hình lũ đã được nghiên cứu nhằm giám sát,
bởi ảnh mới có thể kết hợp với thông tin về giảm thiểu các thiên tai. Dữ liệu DEM là một
quỹ đạo để xác định độ cao của mỗi pixel trên trong những dữ liệu quan trọng cung cấp dữ
ảnh. Kỹ thuật dựa trên độ lệch pha của tín hiệu liệu cần thiết cho các mô hình này.
rada để tính toán và xử lý ảnh được gọi là kỹ Dữ liệu sử dụng là ảnh của ERS-1 (Earth
thuật InSAR (giao thoa SAR - SAR Resources Satellite-1)và ERS-2 được cung cấp
interferometry). bởi Cơ quan không gian Châu âu (ESA), hai vệ
Ứng dụng kỹ thuật InSAR trong xây dựng tinh này được phóng vào quỹ đạo tháng
DEM đã được đưa ra lần đầu tiên bởi Graham 07/1991 và 04/1995. Mỗi scence ảnh bao phủ
một khu vực có bề rộng 100 km2 với độ phân
năm 1974 và kỹ thuật này được Zebker và
Goldstein ứng dụng đầu tiên cho dữ liệu thu giải khoảng 30m. Hai vệ tinh này hổ trợ cho
được từ bộ cảm SAR đặt trên máy bay vào nhau trong việc thu ảnh tại cùng một khu vực
năm 1986. Sau đó, kỹ thuật được tiếp tục phát chỉ cách nhau 1 ngày. Đây là một ưu điểm nổi
triển bởi Li và Goldstein (1990), Rodriguez và bật so với ảnh nhận từ các hệ thống vệ tinh
Martin (1992), Zebker (1994)… Các ảnh hiện khác do sự tương quan giữa hai ảnh thu được
nay nhận được từ các vệ tinh ERS-1 và ERS-2, tại một khu vực rất lớn, tạo điều kiện tốt cho
RADARSAT, JERS-1, ENVISAT... đều cho các ứng dụng trong giao thoa SAR.
phép sử dụng kỹ thuật InSAR để xây dựng Để so sánh độ chính xác của DEM nhận
DEM. được từ kỹ thuật đề xuất, dữ liệu DEM tạo bởi
Trong bài báo này, chúng tôi muốn đề cập cặp ảnh lập thể ASTER có độ chính xác đạt
khoảng ± 15m được sử dụng để so sánh.
đến nội dung kỹ thuật InSAR và ứng dụng
thực nghiệm tại một khu vực đặc trưng thuộc
tỉnh Bình Định.
a. SAR SLC (ERS-1: 12-04-1996)
b. SAR SLC (ERS–2: 13-04-1996)
Hình 1: Hai ảnh ERS SAR SLC (B = 107m)
275
dụng địa hình, 30m - 50m cho các ứng dụng
3. KỸ THUẬT INSAR
phát hiện biến đổi bề mặt, và khoảng 5m cho
Để bắt đầu xử lý theo kỹ thuật InSAR, các nghiên cứu chuyển động bề mặt như biến
chúng ta cần chọn hai ảnh SAR thích hợp. Cơ dạng lớp vỏ trái đất, chuyển động địa chất,
sở để lựa chọn các ảnh chủ yếu dựa trên chiều chuyển động băng trôi,… Mặt khác, khoảng
dài đường đáy – khoảng cách giữa hai anten thời gian thu nhận giữa hai ảnh phải không qúa
khi thu ảnh và khoảng thời gian thu nhận giữa lớn nhằm tránh sự bất tương quan về mặt thời
hai ảnh. Chiều dài đường đáy được chọn phụ gian.
thuộc vào từng ứng dụng và độ phân giải của Sau khi chọn xong ảnh, chúng ta chồng hai ảnh
dữ liệu. Ví dụ, với ảnh ERS-1 &ø 2, đường lên nhau và tính độ lệch pha.
đáy 150m – 300m được dùng cho các ứng
Hình 2: Cấu hình hình học InSAR
Độ lệch pha φ giữa hai ảnh cùng bao phủ Dựa trên dr độ lệch khoảng cách; θ góc
nhìn thay đổi dọc theo ảnh và độ lệch pha giữa
một yếu tố bề mặt được Li và Goldstein [1990]
hai vị trí bộ cảm khi thu, cao độ của một điểm
tính như sau:
(pixel) tính theo phương trình sau:
4π ( Bh sin θ − Bv cos θ )
4π (δ r )
φ= = λ r sin θ
λ λ ∆φ
∆h =
4π B
Trong đó:
Trong đó: r là khoảng cách từ anten S1 đến
λ là bước sóng của bộ cảm SAR,
điểm tính, B là đường đáy
dr là độ lệch khoảng cách
Dựa vào phương trình quan hệ này, cao độ
Bh, Bv là hai thành phần theo phương
được tính cho mọi pixel của ảnh để tạo DEM.
đứng và phương ngang của đường đáy
θ là góc nhìn
276
SLC 1 SLC 2
Ñaêng kyù aûnh
Taïo aûnh giao thoa
Loïc nhieãu
Laøm phaúng pha
Giaûi môû pha
Taïo DEM
Geocoding
Hình 3: Qui trình xử lý kỹ thuật InSAR
Trình tự kỹ thuật InSAR gồm các bước cơ Ở các vùng có độ cao thay đổi đột ngột
bản sau đây: (khu vực núi) tần số bị đóng pha càng cao.
Thông thường, tần số đóng càng cao thì
Bước 1: Đăng ký ảnh càng khó thực hiện mở pha. Do đó cần
Thực hiện chồng lên nhau vùng phủ phải có một bước thực hiện làm giảm tần
chung của hai ảnh thu nhận từ hai anten số đóng này – làm phẳng pha (phase
của bộ cảm SAR. Dữ liệu ảnh cần cho flattening). Làm phẳng pha loại trừ tần số
bước xử lý này là ảnh SAR SLC (Single pha bị đóng gây ra do bản chất thu nhận
Look Complex), SLC là dữ liệu ảnh phức ảnh của SAR.
bao gồm hai band: band chứa thông tin Bước 3: Giải mở pha
biên độ và band chứa thông tin pha. Ưu điểm của giao thoa SAR trong các
Đăng ký ảnh được thực hiện theo hai nghiên cứu ứng dụng là kết qủa chính xác
bước: đăng ký sơ bộ với độ chính xác 1 của các phương pháp giải bài toán mở
pixel và đăng ký chính xác với độ chính pha. Khi giao thoa làm mất đi một số
xác nhỏ hơn 1 pixel. nguyên lần chu kỳ trong giá trị pha đo
Bước 2: Tạo ảnh giao thoa được, nên việc hồi phục chính xác số chu
Hai ảnh SAR kết hợp tạo ảnh SAR giao kỳ bị mất là then chốt cho các nghiên cứu
thoa để cung cấp thông tin về chiều thứ ba về biến dạng, thành lập mô hình độ cao
(độ cao) của vật thể và đo sự dịch chuyển số, thành lập bản đồ địa hình,…
của vật thể giữa hai ảnh thu nhận. Nhiều thuật toán đã được đưa ra để giải
Sau khi đăng ký, ảnh giao thoa phức được quyết vấn đề hồi phục lại giá trị pha,
tạo bằng phép nhân liên hợp mỗi pixel phương pháp phổ biến để giải bài toán mở
phức của ảnh thứ nhất với cùng pixel pha bao gồm: cực tiểu nhỏ nhất, theo bài
phức tương ứng của ảnh thứ hai. Cường toán mạng, theo đường đi (Path-
độ của ảnh giao thoa đo lường mức độ following) và năm 1998Constantini đã
tương quan chéo của các ảnh. biến đổi bài toán mở pha thành bài toán
Thực hiện lọc nhiễu và làm phẳng pha cho mạng cực tiểu hóa toàn cục. Trong mô
ảnh giao thoa nhằm giúp cho việc giải bài hình mạng của Constantini, mỗi vòng
toán mở pha dễ dàng hơn. Thực hiện giảm xoay theo kim đồng hồ tính tổng giá trị
nhiễu bằng cách dùng một phép lọc cho pha gradien của 2x2 pixel xung quanh
toàn ảnh, phép lọc này tương tự như phép được mô tả là một node. Node tương ứng
lọc trung bình, ngoại trừ chúng được dùng với phần dư dương hoặc âm thì được đánh
cho hàm phức thay vì chỉ là trên biên độ. dấu tương ứng + hoặc -. Hai node kề nối
nhau tạo thành một arc. Bài toán tối ưu
277
hóa bằng cách dùng phương pháp cực tiểu phép đạt lời giải pha chính xác (phần
chi phí dòng mạng (MCF – Minimum mềm InSAR ToolKit sử dụng duy nhất
Cost Flow) để xác định các ràng buộc cho một thuật toán này).
a. Ảnh giao thoa với pha bị đóng (−π , π ] b. Ảnh sau khi giải mở pha
Hình 4: Lời giải bài toán mở pha
Bước 4: Tạo DEM và Geocoding
Sau khi giải mở pha, chúng ta chuyển đổi Hai ảnh ERS-1&2 được cung cấp có định
giá trị pha thành giá trị độ cao để thành dạng ceos cấp độ 0, sử dụng bộ xử lý PulSAR
lập DEM. Cuối cùng, DEM tạo ra được để tạo hai ảnh SLC. Theo qui trình của kỹ
chuyển từ hệ tọa độ của SAR thành hệ tọa thuật InSAR và phần mềm InSAR ToolKit để
độ WGS84, múi chiếu 49 để so sánh với tạo ảnh DEM. Hình 5.a thể hiện kết qủa DEM
dữ liệu DEM của ảnh ASTER. đạt được bằng kỹ thuật InSAR so DEM của
ảnh ASTER thể hiện bởi hình 5.b.
4. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
a. DEM tạo bằng InSAR b. DEM ASTER
Hình 5: Kết quả DEM
Để đánh giá độ chính xác đạt được, một số vị trí cao độ tại khu vực đồng bằng và đồi núi đã được
kiểm tra
278
(a)
(b)
Hình 6: So sánh cao độ giữa DEM ASTER và DEM SAR
Hình 6.a cho thấy tại khu vực đồng bằng 5. KẾT LUẬN
cao độ thay đổi thấp, cao độ cao nhất của khu
vực chỉ khoảng 20m. So với DEM tạo bởi ảnh Kỹ thuật INSAR đã mở ra khả năng quan
ASTER, độ lệch trung bình khoảng 10m, trọng cho việc xây dựng DEM. Kết quả ban
nhưng tại một số vị trí DEM tạo bởi ảnh đầu đạt được cho thấy độ chính xác của DEM
ASTER có độ lệch đột biến (lên khoảng 45m). tạo từ ảnh SAR có thể đạt từ 10m-80m. Tuy
Tại khu vực đồi núi trên hình 6.b, cao độ nhiên, sự thành công của kỹ thuật phụ thuộc
thay đổi lớn, cao độ cao nhất khoảng 550m. vào nhiều yếu tố khác như bộ cảm SAR thu
Trên dữ liệu DEM tạo được, độ lệch trung bình nhận, đường đáy, sự tuơng quan, lời giải bài
so với DEM của ảnh ASTER khoảng 80m. Tại toán mở pha… Đặc biệt, bài toán mở pha cần
một số vị trí độ lệch đột biến lên khoảng 150m. được giải một cách chính xác và yêu cầu đặt ra
Sự sai lệch khá lớn này có thể do ảnh hưởng đòi hỏi phần mềm xử lý cần có nhiều giải pháp
của do foreshortening và layover do bản chất lựa chọn cho bài toán này. Bài báo đã chỉ ra
của SAR khi thu ảnh ở vùng đồi núi. Các ảnh kết quả thực nghiệm tại khu vực sông Kôn-Hà
hưởng này làm cho kết qủa lời giải bài toán mở Thanh, tỉnh Bình Định, những kết quả đạt
pha bị thiếu mất một hay một vài chu kỳ pha. được hy vọng góp phần đáng kể trong bước
đầu ứng dụng kỹ thuật mới và những vấn đề
cần lưu ý khi sử dụng phần mềm xử lý cho
việc giải bài toán mở pha sẽ tiếp tục được giải
quyết để nâng cao độ chính xác thành lập
DEM.
279
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Caltech Jet Propulsion Laboratory
(NASA): ROI_PAC Documentation,
Caltech Jet Propulsion Laboratory
(NASA)
2. Richard E. Carande: Overview and
Future of Synthetic Apenture Radar
Technology, Vexcel Corporation
3. Delft University of Technology: DORIS
User’s manual & Technical
documentation, Delft University of
Technology
4. Pulsar/InSAR ToolKit User guide,
Phoenix Systems, UK
5. Howard A. Zebker: Interferometric
Radar Processing Tutorial Viewgraphs,
Department of Geophysics, Stanford
University
7. Manoj K Arora and Vinod Patel: SAR
Interferometry for DEM Generation,
Department of Civil Engg., IIT Roorkee,
Roorkee
8. Radar Imagery, Lecture note, FAO
9. K. Jacobsen: Dem generation from
satellite data, University of Hannover,
Germany
10. http://earth.esa.int/
280
