Kỹ thuật InSAR thành lập DEM vùng núi có độ dốc lớn phục vụ giám sát tài nguyên nước thượng lưu
15/11/2021
Mô hình số độ cao (DEM) là một trong những yếu tố đầu vào quan trọng làm đầu vào cho mô hình thủy văn thủy lực cũng như chiết tách hệ thống thủy văn trên lưu vực. Căn cứ vào DEM, các đường phân thủy, tụ thủy được phân tích để đưa vào mô hình thủy văn, đồng thời, có thể xác định được độ dốc phục vụ tính tốc độ dòng chảy, mực nước dâng thượng nguồn. Với vai trò như vậy, việc thành lập DEM nói chung, DEM vùng núi nói riêng luôn được chú trọng và quan tâm. Do đặc điểm nghiên cứu trên khu vực đồi núi trên vùng rộng, phương pháp đo đạc trực tiếp không hiệu quả. Chính vì thế, nghiên cứu thành lập DEM bằng công nghệ viễn thám sẽ giảm thiểu chi phí cũng như đẩy nhanh tốc độ thành lập DEM, đồng thời có khả năng cập nhật thông tin liên tục. Thành lập DEM bằng công nghệ viễn thám ở vùng đồi núi dốc thực sự là một thách thức. Hiện nay, một trong những coogn nghệ đã và đang được phát triển để thành lập DEM và sử dụng kỹ thuật giao thoa radar (InSAR).

1. Phương pháp sử dụng kỹ thuật InSAR thành lập DEM vùng núi có độ dốc lớn

Trong những thập niên gần đây, radar khẩu độ tổng hợp SAR (Synthetic Aperture Radar) đã được phát triển khá mạnh với ưu thế cho phép thu ảnh có độ phân giải cao và từ hai ảnh thu được bởi kỹ thuật SAR, có thể xây dựng được DEM dựa trên việc sử dụng thông tin pha của tín hiệu radar. Ứng dụng kỹ thuật InSAR trong xây dựng DEM đã được đưa ra lần đầu tiên bởi Graham năm 1974 và kỹ thuật này được Zebker và Goldstein ứng dụng đầu tiên cho dữ liệu thu được từ bộ cảm SAR đặt trên máy bay vào năm 1986. Sau đó, kỹ thuật được tiếp tục phát triển bởi Li và Goldstein (1990), Rodriguez và Martin (1992), Zebker (1994)… Các ảnh hiện nay nhận được từ các vệ tinh ALOS, ERS-1 và ERS-2, RADARSAT, JERS-1, ENVISAT... đều cho phép sử dụng kỹ thuật InSAR để xây dựng DEM [1].

Phương pháp cơ bản được sử dụng hai (02) ảnh SAR được thu nhận từ 2 vị trí khác nhau của vệ tinh nhưng cùng quan trắc một vùng trên mặt đất, giá trị pha của tín hiệu radar cho bởi ảnh thứ nhất có thể trừ đi giá trị pha của ảnh thứ hai để có được độ lệch pha của 2 ảnh SAR. Ảnh mới tạo ra chứa độ lệch pha được gọi là ảnh giao thoa. Giá trị còn lại (độ lệch pha) cho bởi ảnh mới có thể kết hợp với thông tin về quỹ đạo để xác định độ cao của mỗi pixel trên ảnh. Cơ sở để lựa chọn các ảnh chủ yếu dựa trên chiều dài đường đáy - khoảng cách giữa hai anten khi thu ảnh và khoảng thời gian thu nhận giữa hai ảnh. Chiều dài đường đáy được chọn phụ thuộc vào từng ứng dụng và độ phân giải của dữ liệu. Ví dụ, với ảnh ERS-1&2, đường đáy 150m - 300m được dùng cho các ứng dụng địa hình, 30m - 50m cho các ứng dụng phát hiện biến đổi bề mặt, và khoảng 5m cho các nghiên cứu chuyển động bề mặt như biến dạng lớp vỏ trái đất, chuyển động địa chất, chuyển động băng trôi,… Mặt khác, khoảng thời gian thu nhận giữa hai ảnh phải không quá lớn nhằm tránh sự bất tương quan về mặt thời gian.

Hình 1. Nguyên lý hình học của giao thoa radar SAR

(Nguồn: Đề tài cấp Bộ Bộ TN&MT TNMT.07.35)

Thông tin độ cao được chiết tách từ quá trình giải mở pha giao thoa, pha giao thoa có thể viết như sau:

ϕ = ϕ flat + ϕtopo + ϕdefo + ϕatm + ϕnoi

Trong đó, ϕ là pha giao thoa, ϕflat là pha bề mặt của trái đất, ϕtopo là pha của bề mặt địa hình, ϕdefo là pha của dịch chuyển, ϕatm là pha trễ do tác động của khí quyển, ϕnoi là nhiễu.

Trong công thức trên, pha bề mặt của trái đất và pha nhiễu có thể được loại bỏ bởi quá trình hiệu chỉnh thông tin quỹ đạo và ứng dụng phương pháp lọc giao thoa. Khi đó, nếu ảnh giao thoa cách nhau trong khoảng thời gian ngắn thì sẽ không có dịch chuyển và độ trễ do khí quyển gây ra có thể viết:

ϕ = ϕtopo

DEM được tạo bằng cách giải pha và chuyển đổi pha sang độ cao cho từng pixel sau đó tiến hành geo-coding. Tọa độ và mỗi thành phần của InSAR DEM được xác định dựa theo đặc điểm của ảnh chính.

Cơ sở của xử lý InSAR để thành lập DEM là đo pha và tính chuyển pha về độ cao. Độ cao theo độ nhậy giao thoa radar được tính theo công thức:

 

Trong đó, B là đường đáy, θ là góc tới, α là góc xoay đường đáy, λ là bước sóng, R là khoảng cách giữa bề mặt tán xạ và ăng ten, là hình chiếu đường cơ sở.

Trên cơ sở đó, quy trình thành lập DEM bằng công nghệ InSAR được đề xuất tại Hình 2.

Hình 2. Sơ đồ thành lập DEM bằng công nghệ InSAR

(Nguồn: Đề tài cấp Bộ Bộ TN&MT TNMT.07.35)

2. Ảnh hưởng của địa hình khi sử dụng kỹ thuật InSAR trong thành lập DEM tại vùng núi có độ dốc lớn

Đối với vùng đồi núi dốc lớn, giao thoa radar có đặc điểm là sẽ chịu ảnh hưởng của địa hình mà không có tín hiệu tới các đối tượng hoặc tín hiệu tán xạ không trở về. Điều đó có nghĩa là nhiều khu vực vùng đồi núi không có thông tin bề mặt địa hình trên ảnh viễn thám. Những biến dạng hình học chính của ảnh radar là do ảnh hưởng của địa hình đó là các hiện tượng: co ngắn phía trước, chồng đè và bóng.

Hình 3. Hiện tượng co ngắn phía trước

(Nguồn: Jung Hum YU,Linlin GE)

Khi tia radar tới chân của đối tượng có chiều cao lớn (ví dụ như chân núi), mặt hướng về phía radar trước khi tới đỉnh của đối tượng thì hiện tượng co ngắn phía trước xuất hiện. Vì radar đo khoảng cách trên mặt nghiêng, nên bề mặt dốc (từ A đến B) trên ảnh sẽ bị co lại và độ dài của mặt dốc sẽ được thể hiện một cách không chính xác trên ảnh (A’ đến B’). Tùy thuộc vào góc nghiêng của đồi hay độ dốc của núi so với góc tới của tia radar mà hiện tượng co ngắn phía trước sẽ có ảnh hưởng nhiều hay ít. Sự co ngắn phía trước sẽ là cực đại khi tia radar đến thẳng (vuông) góc với mặt dốc, dẫn đến đỉnh dốc và chân dốc được ghi nhận cùng một lúc (C và D trên hình vẽ). Trong trường hợp này, độ dài của mặt dốc sẽ bị giảm xuống gần như bằng 0 (thực chất là toàn bộ mặt dốc được ghi nhận như một điểm ảnh) trên mặt nghiêng. Hình 4. cho thấy ảnh radar tại khu vực vùng núi có độ dốc lớn và do đó chịu ảnh hưởng rất mạnh của hiện tượng co ngắn phía trước. Bề mặt dốc bị co ngắn thường có tông màu sáng trên ảnh radar.

Hiện tượng chồng đè xuất hiện khi tia radar đi tới đỉnh (B) của đối tượng (có chiều cao lớn) trước so với chân đối tượng (A). Tín hiệu phản hồi từ đỉnh đối tượng sẽ được hệ thống nhận lại trước các tín hiệu phản hồi từ chân đối tượng. Do đó, đỉnh của đối tượng sẽ được thể hiện trên ảnh ở vị trí gần với ăng ten thu nhận hơn so với vị trí thực của nó, và chồng đè lên chân của đối tượng (B’ và A’). Hiện tượng chồng đè trên ảnh radar rất giống với hiện tượng co ngắn phía trước. Cũng như đối với hiện tượng co ngắn phía trước, hiện tượng chồng đè ảnh hưởng nhiều nhất khi góc tới nhỏ, ở cạnh gần của dải chụp và chủ yếu là ở vùng núi.

Cả hai hiện tượng co ngắn phía trước và chồng đè đều dẫn đến hiện tượng có bóng trên ảnh. Bóng của ảnh radar xuất hiện khi các chùm tia radar không rọi tới được bề mặt đất. Bóng thường xuất hiện ở mặt sau và thường có ở phía cạnh xa, đằng sau các đối tượng có chiều cao lớn hay các sườn có độ dốc lớn. Do các tia radar không thể rọi tới được bề mặt đất, vùng bị bóng sẽ có tông màu đen trên ảnh vì không có năng lượng tán xạ ngược. Hiện tượng bóng sẽ càng lớn khi góc chụp nghiêng của ảnh radar càng lớn. Hình 5 dưới đây minh họa cho trường hợp bóng ở phía bên phải của đồi khi các tia tới đi từ bên trái.

Hình 4. Hiện tượng chồng đè trên ảnh radar

(Nguồn: Jung Hum YU,Linlin GE)

 

Hình 5. Hiện tượng bóng trên ảnh radar

(Nguồn: Jung Hum YU,Linlin GE)

Với những ảnh hưởng biến dạng trên thông tin trên ảnh dễ mất, DEM từ giao thoa radar có thể sẽ không phản ánh đầy đủ bề mặt địa hình. Biện pháp đặt ra là tiến hành kết hợp nhiều DEM từ nhiều cặp ảnh lập thể ở những góc chụp và quỹ đạo khác nhau.

Trong hình 6, ảnh chính và lưới để xây dựng DEM trong mỗi cặp ảnh giao thoa là khác nhau. Việc sử dụng lưới khác nhau sẽ giúp nâng cao chất lượng DEM. Bởi một pixel của DEM 1 sẽ chồng lên 4 pixel của DEM 2 giúp kiểm tra, loại trừ các sai số do tái chia mẫu, bổ sung mức độ chi tiết của địa hình.

Hình 6. Kết hợp nhiều DEM từ nhiều cặp ảnh giao thoa

(Nguồn: Howard A. Zebker; Manoj K Arora and Vinod Patel)

Như vậy, mô hình số địa hình ở vùng núi độ dốc lớn có vai trò hết sức quan trọng trong giám sát lũ lụt, tài nguyên nước cũng như trong các mô hình xử lý ảnh và mô hình thủy lực thủy văn. Do đó, việc xây dựng mô hình số địa hình ở khu vực này là nhu cầu hết sức cấp thiết. Mô hình số địa hình hoàn toàn có thể xây dựng được bằng công nghệ viễn thám với công nghệ InSAR của viễn thám radar. Tuy nhiên, mô hình số địa hình xây dựng ở vùng núi cao có độ dốc lớn yêu cầu phương pháp thực hiện phức tạp hơn các dạng địa hình khác.

Các phương pháp xử lý nhằm nâng cao chất lượng DEM từ ảnh viễn thám đều phục vụ một mục đích là bổ sung dữ liệu ở nhiều góc chụp khác nhau nhằm loại trừ ảnh hưởng của chênh cao địa hình gây nên. Việc chọn góc chụp thích hợp và quỹ đạo thích hợp để chụp ảnh là hết sức quan trọng có ý nghĩa quyết định đến chất lượng DEM. Do đó, cần phải hết sức lưu ý yếu tố này khi đặt chụp ảnh.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Lê Văn Trung, Hồ Tống Minh Định. Ứng dụng kỹ thuật INSAR trong xây dựng mô hình độ cao số (DEM). Tạp chí Phát triển KH&CN. Số 11 -2006.

[2] Đề tài cấp Bộ Tài nguyên và Môi trường “Nghiên cứu kết hợp công nghệ viễn thám và mô hình thủy lực xây dựng kịch bản tài nguyên nước các hồ chứa trong trường hợp sự cố”, mã số TNMT.07.35.

[3] Jung Hum YU,Linlin GE. Digital Elevation Model generation using ascending and Descending multi-baseline ALOS/PALSAR radar images. FIG Congress 2010.

[4] Howard A. Zebker: Interferometric Radar Processing Tutorial Viewgraphs, Department of Geophysics, Stanford University.

[5] Manoj K Arora and Vinod Patel: SAR Interferometry for DEM Generation, Department of Civil Engg., IIT Roorkee, Roorkee.

Nguồn tin: Cục Viễn thám quốc gia

Bản tin liên quan