ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM

HỒ TỐNG MINH ĐỊNH
ỨNG DỤNG KỸ THUẬT INSAR TRONG
XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘ CAO SỐ (DEM)
CHUYÊN NGÀNH : ĐỊA TIN HỌC
MÃ SỐ NGÀNH
: 2.16.00

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 09 năm 2005


CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH

·—¶

Cán bộ hướng dẫn khoa học: Tiến só LÊ VĂN TRUNG

Cán bộ chấm nhận xét 1

: Tiến só TRẦN TRỌNG ĐỨC

Cán bộ chấm nhận xét 2

: Tiến só VŨ XUÂN CƯỜNG

Luận văn thạc só được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ
LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA,
ngày . . . . . tháng . . . . . năm 2005


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC

Tp. HCM, ngày . . . . tháng . . . . năm 2005.

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên:
HỒ TỐNG MINH ĐỊNH
Phái: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 13-11-1980
Nơi sinh : Gia Lai
Chuyên ngành:
Địa Tin Học
MSHV : 02203564
I. TÊN ĐỀ TÀI:
ỨNG DỤNG KỸ THUẬT INSAR TRONG
XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘ CAO SỐ (DEM)
II.

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
- Nhiệm vụ: Nghiên cứu việc ứng dụng kỹ thuật InSAR trong xây dựng mơ hình
độ cao số (DEM) và đánh giá độ chính xác đạt được của kỹ thuật.

- Nội dung:
ƒ Mơ hình tốn và qui trình xử lý kỹ thuật InSAR.
ƒ Bài toán mở pha – vấn đề và các giải pháp.
ƒ Thiết kế chương trình giải mở pha PUT – cơng cụ giải bài tốn mở pha cho
phép nâng cao độ chính xác dữ liệu DEM từ kỹ thuật InSAR.
ƒ Đánh giá độ chính xác đạt được của kỹ thuật InSAR theo các phương án giải
mở pha.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:
17 – 01 – 2005
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 30 – 06 – 2005
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
TS. LÊ VĂN TRUNG
U

U

U

U

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CN BỘ MÔN
QL CHUYÊN NGÀNH

TS. LÊ VĂN TRUNG
Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội đồng chun ngành thơng qua.
Ngày
TRƯỞNG PHỊNG ĐT – SĐH


tháng

năm 2005

TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH


LỜI CẢM ƠN
·—¶
Để hoàn thành Luận Văn Thạc Só và kết thúc khoá học. Ngoài
những nổ lực bản thân còn có sự giúp đỡ, động viên tận tình của gia
đình, các thầy cô và bè bạn.
™ Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn Luận Văn: Tiến só
Lê Văn Trung, người đã hướng dẫn em rất tận tình trong suốt quá
trình thực hiện Luận Văn.
™ Em xin chân thành cảm ơn các thầy, cô trong bộ môn Địa Tin Học
đã giảng dạy, giúp đỡ em trong quá trình thực hiện.
™ Em xin chân thành cảm ơn các thầy, cô khác trong Trường Đại

Học Bách Khoa TP. HCM giảng dạy em khoá học vừa qua.
™ Em xin chân thành cảm ơn Tiến só Fumio Shinohara, Tiến só

David Small, Tiến só Curtis W. Chen, Tiến só Andreas Reigber,
Tiến só Bert Kampes, Andy Smith đã cung cấp các tài liệu và
hướng dẫn tận tình trong qúa trình thực hiện nghiên cứu này.
™ Em xin chân thành cảm ơn Cơ quan không gian Âu Châu, công ty
ISTS đã cung cấp các dữ liệu và phần mềm xử lý cho nghiên cứu.
™ Chân thành cảm ơn các bạn trong lớp Cao Học K14 và các đồng
nghiệp tại Trung tâm Địa Tin Học đã giúp đỡ tôi trong suốt quá
trình học tập và thực hiện nghiên cứu.

Trong thời gian làm Luận Văn có hạn chế, nên không tránh khỏi
những thiếu sót trong Luận Văn này, em rất mong được sự bổ sung và
sự thông cảm của thầy cô cùng các bạn đồng nghiệp.
TP. HCM, ngày 30 tháng 06 năm 2005
Hồ Tống Minh Định

i


TÓM TẮT
SAR giao thoa (InSAR – Interferometry SAR) đã trở thành một kỹ thuật hữu
hiệu cho xây dựng mô hình độ cao số (DEM), cho khả năng lập bản đồ không
bị ảnh hưởng bởi mây mưa, cho khả năng giám sát các biến dạng bề mặt với
độ chính xác vài cm. Tuy nhiên, khi giao thoa làm mất đi một số nguyên lần
chu kỳ giá trị pha đo được, nên cần xử lý hồi phục lại giá trị pha ban đầu, là
bước then chốt của kỹ thuật. Bước xử lý đó là bài toán mở pha.
Luận văn nghiên cứu về mô hình toán và qui trình xử lý của kỹ thuật InSAR,
bài toán mở pha và cách giải. Trên cơ sở các phương pháp giải bài toán mở
pha, chọn giải thuật thích hợp cho việc thiết kế và hiện thực chương trình giải
mở pha PUT - công cụ giải bài toán mở pha, cho phép nâng cao độ chính xác
DEM đạt được.
Luận văn chọn khu vực tỉnh Bình Định làm khu vực nghiên cứu thực nghiệm
cho kỹ thuật InSAR. Cuối cùng, đánh giá độ chính xác và khả năng ứng dụng
của kỹ thuật InSAR qua kết qủa thực nghiệm của DEM đạt được từ các
phương án giải mở pha.
ABSTRACT
Interferometric SAR (InSAR) has established itself as a useful technique for
building Digital Elevation Model (DEM), for precise cloud-free topographic
surveying and for the monitoring of topographic change at sub-centimetric
accuracies. However, measurements of the phase are only available modulo

2 π , so, the processing need recover the original phase, is the key step of the
InSAR technique. This is known as the Phase Unwrapping problem.
This thesis research about the interferometric model and InSAR processes,
phase unwrapping problem and the solution for problem. Base on some
methods for solving, choose the suitable algorithm for designing and
implementing the PUT (Phase Unwrapping Tools) program – the solver for
phase unwrapping problem, to enhance the accuracy of DEM generate through
the InSAR technique.
This thesis has chosen Binh Dinh province for study area, to illustrate for the
ability of the InSAR technique. Finally, with many results from difference
solution of phase unwrapping, evaluating the accuracy and the ability to apply
the InSAR technique to generate DEM.

ii


NHD: TS. LÊ VĂN TRUNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

MỤC LỤC
Trang
Lời cảm ơn..................................................................................................................i
Tóm tắt ......................................................................................................................ii
Mục lục ........................................................................................................................ iii
Danh mục các bảng .....................................................................................................vi
Danh mục các hình vẽ ............................................................................................... vii
Bảng các thuật ngữ viết tắt ..........................................................................................x
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN, MỤC TIÊU VÀ GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI.............1
1.1 Tổng quan ........................................................................................................1

1.2 Mục tiêu của đề tài .........................................................................................3
1.3 Giới hạn của đề tài .........................................................................................3
CHƯƠNG 2: VIỄN THÁM RADAR .........................................................................4
2.1 Giới thiệu .........................................................................................................4
2.2 Nguyên lý thu nhận ảnh Radar.....................................................................5
2.2.1 Nguyên lý hoạt động của SLAR ........................................................7
2.2.2 Nguyên lý hoạt động của SAR.........................................................11
2.3 Các bộ cảm trong Viễn thám Radar..........................................................14
2.3.1 Vệ tinh ERS-1 & ERS-2....................................................................14
2.3.2 Vệ tinh RADARSAT.........................................................................15
2.4 Các ứng dụng Viễn thám Radar.................................................................16
2.3.1 Nông nghiệp ......................................................................................17
2.3.2 Lâm nghiệp........................................................................................19
2.3.3 SAR giao thoa (InSAR).....................................................................20
2.3.4 Địa chất..............................................................................................20
2.3.5 Các ứng dụng khác ............................................................................21
CHƯƠNG 3: KỸ THUẬT INSAR............................................................................23
3.1 Giới thiệu .......................................................................................................23
3.2 Các khái niệm cơ bản ...................................................................................23
3.2.1 Hình học SAR....................................................................................23
3.2.2 Đường đáy .........................................................................................25
3.2.3 Pha .....................................................................................................26
3.2.4 Ảnh giao thoa ....................................................................................27
3.2.5 Tương quan ảnh.................................................................................29
3.2.6 Mô hình độ cao số (DEM) ................................................................30
iii


LUẬN VĂN THẠC SĨ


NHD: TS. LÊ VĂN TRUNG

3.3 Mô hình toán kỹ thuật InSAR.....................................................................31
3.3.1 Sóng điện từ ......................................................................................31
3.3.2 Mô hình giao thoa .............................................................................33
3.4 Qui trình xử lý InSAR ..................................................................................38
3.4.1 Đăng ký ảnh ......................................................................................39
3.4.2 Tạo giao thoa ảnh..............................................................................40
3.4.3 Giải mở pha .......................................................................................42
3.4.4 Chuyển đổi pha thành cao độ ...........................................................44
3.4.5 Geocoding ảnh...................................................................................44
CHƯƠNG 4: BÀI TOÁN MỞ PHA..........................................................................46
4.1 Giới thiệu .......................................................................................................46
4.2 Bài toán mở pha 1 chiều ..............................................................................47
4.2.1 Các khái niệm cơ bản .......................................................................47
4.2.2 Bài toán mở pha 1 chiều ...................................................................48
4.3 Bài toán mở pha 2 chiều ..............................................................................49
4.3.1 Định nghóa bài toán ...........................................................................49
4.3.2 Khái niệm Phần dư............................................................................50
4.3.3 Các phương pháp giải .......................................................................52
4.4 Giải thuật Goldstein .....................................................................................56
4.4.1 Giới thiệu ...........................................................................................56
4.4.2 Nội dung thuật toán...........................................................................57
CHƯƠNG 5: GIỚI THIỆU NGÔN NGỮ IDL ........................................................60
5.1 Giới thiệu .......................................................................................................60
5.2 Lập trình IDL ................................................................................................61
5.2.1 Các khái niệm cơ bản trong IDL ......................................................61
5.2.2 Các cấu trúc điều khiển cơ bản ........................................................62
5.2.3 Hàm, thủ tục hàm ..............................................................................65
5.2.4 Thực thi một chương trình .................................................................66

5.3 Làm việc với ma trận ...................................................................................67
5.3.1 Tạo ma trận trong IDL ......................................................................67
5.3.2 Các toán tử ma trận ...........................................................................67
5.3.3 Truy xuất các phần tử trong ma trận ................................................68
5.3.4 Các ví dụ mẫu ...................................................................................69
CHƯƠNG 6: CHƯƠNG TRÌNH GIẢI MỞ PHA PUT..........................................72
6.1 Giới thiệu .......................................................................................................72
6.2 Hiện thực chương trình PUT.......................................................................72
6.2.1 Phân tích yêu cầu ..............................................................................72
6.2.2 Thiết kế chương trình ........................................................................73
iv


LUẬN VĂN THẠC SĨ

NHD: TS. LÊ VĂN TRUNG

6.2.3 Hiện thực chương trình......................................................................73
6.3 Hướng dẫn sử dụng chương trình PUT ......................................................75
6.3.1 Cài đặt chương trình ..........................................................................75
6.3.2 Nhập xuất dữ liệu..............................................................................76
6.3.3 Xử lý bài toán mở pha ......................................................................77
CHƯƠNG 7: ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ......................................................................79
7.1 Giới thiệu .......................................................................................................79
7.2 Khu vực nghiên cứu ......................................................................................79
7.2.1 Khu vực nghiên cứu ..........................................................................79
7.2.2 Dữ liệu nghiên cứu............................................................................81
7.3 So sánh, đánh giá ..........................................................................................82
7.3.1 Phần mềm xử lý ................................................................................82
7.3.2 Kết quả xử lý .....................................................................................83

CHƯƠNG 8: KẾT LUẬN..........................................................................................94
8.1 Kết luận..........................................................................................................94
8.2 Đóng góp của đề tài ......................................................................................95
8.3 Hướng mở của đề tài ....................................................................................95
Tài liệu tham khảo .......................................................................................................97

v


LUẬN VĂN THẠC SĨ

NHD: TS. LÊ VĂN TRUNG

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang
2.1 Đặc trưng chính của quỹ đạo và vệ tinh ERS-1 ............................................14
5.1 Các kiểu dữ liệu..............................................................................................61
5.2 Các toán tử ......................................................................................................62
7.1 Dữ liệu ảnh SAR cho khu vực nghiên cứu ...................................................81
7.2 So sánh DEM từ ASTER và DEM từ InSAR ................................................93

vi


NHD: TS. LÊ VĂN TRUNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ


2.1

Trang
Phổ điện từ và phổ sóng cao tần ..................................................................6

2.2

Các thành phần của hệ thống tạo ảnh radar ................................................7

2.3

Bề rộng bao phủ............................................................................................8

2.4

Ảnh hưởng của chiều dài xung đến độ phân giải tầm xiên ........................9

2.5

Dọc theo hướng bay ....................................................................................10

2.6

Điểm P được thu nhận từ các vị trí 1,2 đến N............................................12

2.7

Xử lý SAR ...................................................................................................13


2.8

Vệ tinh ERS-2 .............................................................................................15

2.9

Vệ tinh RADARSAT-1 ...............................................................................16

2.10

Khả năng thu ảnh của RADARSAT...........................................................16

2.11
2.12
2.13

Tách thông tin vụ mùa từ ảnh RADARSAT-1 ..........................................17

T

T

Quản lý rừng với RADARSAT ..................................................................19

T

T

Thành lập bản đồ địa chất ..........................................................................20


T

T

2.14

RADARSAT cho giám sát băng tuyết .......................................................22

3.1

Sự khác nhau giữa ảnh SAR và ảnh quang học trong hình học thu ảnh...24

3.2a

Mô tả đường đáy .........................................................................................25

3.2b

Các thành phần đường đáy ........................................................................25

3.3

Độ lệch pha .................................................................................................26

3.4

Ảnh giao thoa ..............................................................................................28

3.5


Nguyên lý tạo ảnh giao thoa ......................................................................28

3.6

Ảnh tương quan ...........................................................................................29

3.7

Ảnh DEM.....................................................................................................30

3.8

Mô tả sóng điện từ ......................................................................................31

3.9

Thay đổi của điện trường theo thời gian ....................................................32

3.10

Ảnh hưởng của thời gian và khoảng cách đến năng lượng .......................33

3.11

Mô hình hình học cho một hệ thống SAR giao thoa..................................34

3.12

Chênh lệch khi thu ảnh ...............................................................................37


3.13

Các bước xử lý InSAR ................................................................................38

3.14

Ảnh giao thoa chưa lọc ...............................................................................41

vii


LUẬN VĂN THẠC SĨ

NHD: TS. LÊ VĂN TRUNG

3.15

Ảnh giao thoa sau khi lọc ...........................................................................41

3.16

Ảnh giao thoa chưa xử lý làm phẳng pha ..................................................42

3.17

Sóng điện từ truyền trong không gian........................................................43

3.18

Pha liên tục và pha bị đóng ........................................................................44


4.1

Phần dư và đoạn nối trong bài toán mở pha ..............................................51

4.2

Môhình mạng bài toán mở pha...................................................................53

4.3

Phương pháp nối các phần dư.....................................................................56

4.4

Sơ đồ giải bài toán theo giải thuật Goldstein ............................................57

4.5

Xây dựng đoạn nối đơn giản ......................................................................58

4.6

Xây dựng đoạn nối phức tạp ......................................................................58

5.1

Giao diện IDL..............................................................................................60

5.2


Ảnh giao thoa ..............................................................................................70

5.3

Ảnh tương quan ...........................................................................................71

6.1

Sơ đồ đặc tả chương trình ...........................................................................73

6.2

Giao diện chương trình PUT .......................................................................74

6.3

Nhập file Generic binary ............................................................................76

6.4

Kết quả giải mở pha theo Goldstein ..........................................................77

6.5

Tạo file tham số cho SNAPHU ..................................................................78

6.6

Kết quả giải mở pha theo SNAPHU ..........................................................78


7.1

Khu vực nghiên cứu ....................................................................................80

7.2

Hai ảnh ERS SAR SLC (B = 117m) ...........................................................81

7.3

Giao diện chương trình PulSAR..................................................................82

7.4

Kết hợp giải bài toán mở pha của PUT vào qui trình xử lý......................83

7.5

Ảnh tương quan ...........................................................................................84

7.6

Ảnh giao thoa và ảnh sau khi giải mở pha.................................................85

7.7

DEM từ ảnh ASTER ...................................................................................86

7.8


DEM tạo ra với thuật toán mở pha Goldstein............................................86

7.9

DEM tạo ra với thuật toán mở pha Constantini .........................................87

7.10

DEM tạo ra với thuật toán mở pha SNAPHU............................................87

7.11

Vị trí so sánh................................................................................................88
viii


LUẬN VĂN THẠC SĨ

NHD: TS. LÊ VĂN TRUNG

7.12

So sánh DEM tại vị trí 1..............................................................................89

7.13

So sánh DEM tại vị trí 2..............................................................................90

7.14


So sánh DEM tại vị trí 3..............................................................................91

7.15

So sánh DEM tại vị trí 4..............................................................................92

ix


LUẬN VĂN THẠC SĨ

NHD: TS. LÊ VĂN TRUNG

BẢNG CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

Chữ viết tắt
CSA
DEM
DInSAR
DLR
ENVISAT
ERS-1
ERS-2
ESA
IDL
InSAR
JAXA
JERS-1
JPL

MAP
MCF
NASA
Phase Unwrapping
PolinSAR
PolSAR
PUT
RADAR
SAR
SLAR
SLC
SNAPHU

Giải thích
Canadian Space Agency - Cơ quan không gian Canada
Digital Elevation Model - Mô hình độ cao số
Differential InSAR - Kỹ thuật InSAR vi phân
German Space Agency - Cơ quan khoâng gian Đức
Environmental Satellite
European Remote Sensing satellite -1
European Remote Sensing satellite -2
European Space Agency - Cơ quan không gian Âu
Châu
Interactive Data Language - Ngôn ngữ lập trình
Interferometry SAR - Kỹ thuật SAR giao thoa
Japan Aerospace Exploration Agency
Japanese Earth Resources Satellite -1
Jet Propulsion Laboratory
Maximum A posteriori Probability
Minimum Cost Flow

National Aeronautics and Space Administration - Cơ
quan hàng không và vũ trụ Hoa Kỳ
Bài toán mở pha
Polarimetry InSAR - Kỹ thuật phân cực InSAR
Polarimetry SAR - Kỹ thuật SAR phân cực
Phase Unwrapping Tools - Chương trình giải mở pha
PUT
RAdio Detection And Ranging
Synthetic Apenture Radar - Radar khẩu độ tổng hợp
Side-looking Airborne Radar
Single Look Complex - Định dạng CEOS caáp 1
Statistical-cost Network-flow Algorithm for Phase
Unwrapping

x


LUẬN VĂN THẠC SĨ

NHD: TS. LÊ VĂN TRUNG

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN, MỤC TIÊU VÀ
GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI
1.1. TỔNG QUAN
Ngày nay, Viễn thám ngày càng được ứng dụng nhiều trong các lónh
vực như thủy văn, địa chất, môi trường, giao thông, động đất, sinh thái học,…
Hệ thống Viễn thám bao gồm hệ thống viễn thám chủ động và hệ thống viễn
thám bị động. Hệ thống chủ động tự cung cấp năng lượng phát sáng và thu
nhận tín hiệu phản xạ để tạo ảnh của bề mặt trái đất, ngược lại hệ thống bị
động phụ thuộc vào các nguồn năng lượng khác (ví dụ: năng lượng mặt trời)

để tạo ảnh. Trong hệ thống chủ động, vệ tinh viễn thám có nhiều bộ cảm
biến thu nhận phổ từ dải sóng nhìn thấy, hồng ngoại đến vùng sóng siêu cao
tần. Radar (Radio Detection and Ranging) là một hệ thống chủ động hoạt
động trong vùng sóng siêu cao tần. Trong các hệ thống radar, SAR, thường
được sử dụng trong lónh vực viễn thám. Các vệ tinh SAR bao gồm các vệ tinh
như ERS-1 và ERS-2, RADARSAT, JERS-1, ALOS, ENVISAT,...
Dữ liệu viễn thám là các ảnh viễn thám quang học hoặc viễn thám siêu
cao tần thường được dùng làm nền cho các bản đồ chuyên đề tỉ lệ lớn nhỏ
với độ chính xác cao. Tuy nhiên, theo quan điểm ứng dụng, chiều thứ ba (ví
dụ: cao độ hoặc độ cao so với mặt nước biển) của các vật thể trên bề mặt trái
đất là quan trọng nhất. Các ứng dụng thực tế như mô hình hóa môi trường,
nghiên cứu lượng mưa, các vùng sạt lở đất, mô hình hóa động đất, mô hình
thủy lực… đều đòi hỏi các thông tin về chiều thứ ba của vật thể.
Cao độ có thể được xác định bằng cách đo đạc ngoài thực địa hoặc từ
quan sát lập thể của các ảnh hàng không. Đo đạc ngoài thực địa cho cao độ
với độ chính xác cao, nhưng mất nhiều thời gian, nhân công, chi phí và chỉ
cung cấp thông tin về điểm. Các thông tin độ cao của điểm không đủ để cung
cấp cho các ứng dụng nghiên cứu dựa trên phân tích vùng, thường đòi hỏi các
thông tin không gian. Các thông tin không gian này có thể nhận được từ
DEM. Một DEM mô tả thông tin địa hình theo một mảng các số chỉ vị trí tọa
độ x và y và yếu tố độ cao. Các thông tin về đối tượng được biểu diễn ở cấu
trúc raster có độ phân giải nhất định. Độ phân giải càng lớn thì mức độ thể
hiện DEM càng cao và ngược lại. Tuy nhiên, ở các khu vực đồng bằng, độ
cao không biến đổi nhiều, cần độ phân giải lớn và ngược lại ở các vùng đồi
núi chỉ cần độ phân giải thấp.

HVTH: HỒ TỐNG MINH ĐỊNH

1



LUẬN VĂN THẠC SĨ

NHD: TS. LÊ VĂN TRUNG

Thông thường, DEM được tạo từ các đường đồng mức của bản đồ địa
hình thành lập bởi quá trình đo đạc ngoài thực địa hoặc từ các ảnh hàng
không và các vệ tinh viễn thám quang học. Độ chính xác các DEM tạo từ bản
đồ bằng một phần ba khoảng cao đều của bản đồ. Ví dụ: DEM tạo từ bản đồ
địa hình 1:50,000 chỉ có thể đạt độ chính xác khoảng 6.7m ở khu vực đồng
bằng. Các ảnh lập thể từ các bộ cảm biến của vệ tinh viễn thám hoạt động
trong vùng quang học (ví dụ: SPOT, ASTER) có thể tạo các DEM có độ
chính xác và hiệu quả hơn. Mặc dù, độ chính xác từ 4m – 15m đủ đáp ứng
cho nhiều dự án ứng dụng, nhưng một số ứng dụng trên khu vực lớn khác lại
yêu cầu độ chính xác ở mức vài cm đến vài mm. Ví dụ: Giám sát sự biến đổi
của bề mặt trái đất do các tác động của con ngøi như quan trắc lún, sạt lở
đất, biến dạng lớp vỏ trái đất… Tuy các sự giám sát này có thể thực hiện
bằng kỹ thuật GPS vi phân (DGPS), nhưng mức thông tin thu nhận được chỉ
dựa trên đối tượng điểm.
Với sự ra đời của kỹ thuật SAR giao thoa (InSAR – Inteferometry
SAR), chúng ta có thể phân tích và tách ra các thông tin biến dạng cho các
yếu tố không gian với độ chính xác ở mứùc vài mm. Theo đó, kỹ thuật trên đã
tạo đà cho nhiều ứng dụng trong các lónh vực như: nghiên cứu di chuyển của
đá trong địa chất học, biến đổi lớp vỏ trái đất trong địa chấn học, giám sát
núi lửa toàn cầu, giám sát sạt lở đất, nghiên cứu băng trôi,…
Trong kỹ thuật InSAR, hai ảnh radar thu nhận từ các vệ tinh nói trên
của cùng một khu vực được chọn và tính độ lệch pha để tạo một ảnh giao
thoa. Pha trong ảnh giao thoa biến đổi từ pixel này đến pixel khác, và có thể
dùng để hồi phục lại bề mặt địa hình, vận tốc và các vùng dịch chuyển. Tuy
nhiên, giá trị pha đo được chỉ là phần dư của phép chia hết cho 2 π , nghóa là

giá trị của số nguyên lần 2 π bị mất. Vì vậy, nếu bề mặt biến dạng trên ảnh
lớn hơn một nữa bước sóng radar, và pha giao thoa tạo ra bị chệch hơn một
chu kỳ, hay nếu kết hợp với đường đáy và bề mặt địa hình sẽ có một khoảng
cao đều của địa hình bị mất, ảnh giao thoa phải cần một bước xử lý để hồi
phục các chu kỳ bị mất. Bước xử lý đó là lời giải của bài toán mở pha.
Ưu điểm của SAR giao thoa trong các nghiên cứu địa vật lý là kết quả
của sự chính xác của các phương pháp giải bài toán mở pha. Khi giao thoa
làm mất đi một số nguyên lần chu kỳ trong giá trị pha đo được, nên việc hồi
phục chính xác số chu kỳ bị mất là then chốt cho các nghiên cứu về biến
dạng, thành lập mô hình độ cao số, thành lập bản đồ địa hình,…

HVTH: HỒ TỐNG MINH ĐỊNH

2


LUẬN VĂN THẠC SĨ

NHD: TS. LÊ VĂN TRUNG

Ở Việt Nam chúng ta, hiện tại chưa có cơ quan nào ứng dụng kỹ thuật
này trong việc xây dựng mô hình độ cao số nói riêng, và ứng dụng trong các
lónh vực khác nói chung. Do đó, việc nghiên cứu, đánh giá kỹ thuật InSAR và
cải thiện kết quả bài toán mở pha là một nhu cầu thiết thực nhằm đưa kỹ
thuật InSAR vào ứng dụng thực tế.
1.2. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI
¾ Nghiên cứu làm rõ cơ sở mô hình toán và qui trình xử lý của kỹ thuật InSAR.
¾ Nghiên cứu bài toán mở pha – bài toán quan trọng nhất trong kỹ thuật InSAR.
¾ Thiết kế và xây dựng chương trình giải bài toán mở pha, cho phép nâng cao
độ chính xác mô hình DEM. Ngôn ngữ IDL được sử dụng cho hiện thực

chương trình.
¾ Đánh giá độ chính xác đạt được của mô hình DEM tạo được theo kỹ thuật
InSAR theo các phương án giải bài toán mở pha.

1.3. GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI
Do phạm vi và mức độ rộng lớn của vấn đề chính xác hoá DEM của kỹ
thuật InSar cũng như thời gian thực hiện đề tài có hạn nên chúng ta chủ yếu
tìm hiểu về cơ sở lý thuyết kỹ thuật InSAR trong xây dựng DEM, tập trung
nghiên cứu vào bài toán mở pha và viết chương trình giải bài toán mở pha
nhằm đánh giá mô hình DEM tạo ra. Các vấn đề khác trong kỹ thuật InSAR
như bài toán đăng ký và tái chia mẫu ảnh, mô hình hóa đường đáy, đa xử lý
cho chiến lược tối ưu hoá độ chính xác DEM,… sẽ không quan tâm kỹ trong
đề tài này.

HVTH: HỒ TỐNG MINH ÑÒNH

3


LUẬN VĂN THẠC SĨ

NHD: TS. LÊ VĂN TRUNG

CHƯƠNG 2 : VIỄN THÁM RADAR
2.1. GIỚI THIỆU
Hệ thống bị động rất nhạy với sự thay đổi của ánh sáng mặt trời,
việc sử dụng chúng bị trở ngại bởi thời gian trong ngày và điều kiện áp
suất. Ngược lại, hệ thống chủ động tự tạo ra năng lượng, do đó chúng ít bị
trở ngại, và chúng có thể hoạt động trong nhiều điều kiện. Hơn nữa, vì hệ
thống chủ động sử dụng năng lượng của nó, do đó tính chất đã được xác

định trước. Do đó, nó có thể so sánh năng lượng truyền đi và năng lượng
nhận được để đánh giá chính xác hơn các đặc tính của bề mặt phản xạ năng
lượng so với hệ thống bị động. Hệ thống tạo ảnh radar là một hệ thống chủ
động hoạt động trong vùng sóng siêu cao tần.
Ảnh radar dùng cho thám sát trái đất có được từ sự nỗ lực của cả các
thử nghiệm từ quân sự và dân dụng. Việc thu ảnh radar đầu tiên được sử
dụng trong chiến tranh thế giới II, với sự phát triển của PPI (Plan Position
Indicator) hỗ trợ việc ném bom vào ban đêm. Sự phát triển radar được giữ
bí mật suốt thời kì chiến tranh và được dành việc sử dụng sóng dài cho các
quy tắc chính đáng ấy như L-band, C-band hay X-band. Sau thế chiến thứ
hai, hệ thống SLAR (Side-Looking Airborne Radar) được phát triển cho sự
giám sát địa hình. Trong trường hợp SLAR, radar quét thành một dãi trên
địa hình song song với đường bay. Những dấu hiệu để lại ở phía sau được
ghi nhận lại trên phim. Nhược điểm của loại radar này là cần độ dài tín
hiệu giả để đạt độ phân giải phương vị cao. Vấn đề này đã được Bộ quốc
phòng Mỹ cải thiện vào năm 1950 bằng sự phát triển của SAR (Synthetic
Aperture Radar). SAR cũng là thiết bị quan sát một bên, nhưng nó sử dụng
một kỹ thuật xử lí tín hiệu đặc biệt để đạt độ phân giải phương vị cao mà
không phụ thuộc khẩu độ và không đòi hỏi sự gia tăng kích thước tín hiệu
thực.
Cuối thập niên 60, kỹ thuật SAR và SLAR bị tiết lộ sau những nhiệm
vụ viễn thám ở Bắc Mỹ và các vùng nhiệt đới. Các nghiên cứu gần đây
được tiến hành trên ảnh đa phân cực, đa thời gian. Với ERS-1 (1991),
RADARSAT (1995), sứ mệnh radar giám sát trái đất dài hạn bắt đầu với
việc gia tăng sự quan tâm của các chuyên gia hải dương học, địa chất cũng
như những ứng dụng tài nguyên đất. Đánh giá và giám sát thiên tai như lũ
lụt, bão là các ví dụ quan trọng cho việc ứng dụng hệ thống vệ tinh ảnh
radar.
Thu nhận ảnh radar có những đặc điểm :
- Chịu ít ảnh hưởng vào điều kiện khí quyển: việc thu ảnh radar

không bị ảnh hưởng bức xạ mặt trời, nên ảnh có thể thu được bất kể ngày
HVTH: HỒ TỐNG MINH ĐỊNH

4


NHD: TS. LÊ VĂN TRUNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

đêm và kể cả bị mây che phủ 100%, tuy vậy vẫn có ít khó khăn trong điều
kiện mưa nhiều.
- Kiểm soát sự bức xạ sóng điện từ : năng lượng, tần số, độ phân
cực.
- Có khả năng chọn được góc nhìn và góc phương vị để đạt các mục
tiêu nghiên cứu.
- Các thông số mô tả đặc điểm các mục tiêu khác với các bộ cảm
quang học đang dùng.
- Có thể thu được thông tin về các đặc điểm trên bề mặt với tỉ trọng và
độ ẩm đất cho phép.
2.2. NGUYÊN LÝ THU NHẬN ẢNH RADAR
Nguyên lí cơ bản của việc chụp ảnh radar là phát ra bức xạ điện từ
đến bề mặt trái đất và ghi nhận lại số lượng và thời gian năng lượng trở lại.
Thông tin này do sóng điện từ mang theo, xác định bởi :
- Hướng lan truyền
- Biên độ
- Bước sóng
- Độ phân cực
- Pha
Mối quan hệ giữa tần số (f) và bước sóng (λ) :

f =

c

λ
f : tần số (số chu kì trên một giây) – đơn vị Hz (1 GHz = 10 9 Hz)
c : 3 x 10 8 – m/s
λ : bước sóng – m
P

P

P

P

Bước sóng sử dụng thường trong khoảng 1cm đến 1m cho mục đích
thám sát trái đất.
Hình 2.1 thể hiện phổ điện từ và các kí tự thường dùng cho sóng siêu
cao tần.

HVTH: HỒ TỐNG MINH ĐỊNH

5


NHD: TS. LÊ VĂN TRUNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ


Hình 2.1: Phổ điện từ và phổ sóng cao tần
Nguyên lí cơ bản của radar là sự truyền và thu nhận các xung.
Những xung ngắn với năng lượng cao được phát ra và thu nhận trở lại, cung
cấp thông tin về:
- Cường độ liên quan
- Khoảng thời gian giữa lúc sóng phát ra và trở lại từ đối tượng
- Pha
- Hướng thu nhận
Anten thường được dùng cho việc truyền và nhận tín hiệu.
Hình 2.2 thể hiện các yếu tố cơ bản của hệ thống chụp ảnh radar

HVTH: HỒ TỐNG MINH ĐỊNH

6


LUẬN VĂN THẠC SĨ

NHD: TS. LÊ VĂN TRUNG

Hình 2.2: Các thành phần của hệ thống tạo ảnh radar
2.2.1. Nguyên lý hoạt động của SLAR
U

Anten radar truyền sóng với một tia năng lượng nhỏ hẹp có hướng
vuông góc với đường bay và dựa trên cường độ phản xạ của tia năng lượng
để tạo ra ảnh của một dải địa hình nhỏ hẹp. Sự phản xạ từ các khoảng lớn
hơn trở lại radar sau khoảng thời gian dài tương ứng, tạo thành hướng tầm
xiên của ảnh. Khi sóng kế tiếp sau được truyền đi, radar sẽ di chuyển tới một
khoảng nhỏ và một dải địa hình nhỏ hẹp hơi khác sẽ được chụp lại. Tuần tự

những dải địa hình nhỏ hẹp đó sẽ lần lượt ghi lại, tạo thành hướng phương vị
của ảnh.
Trên hình 2.3, dải địa hình được chụp lại từ điểm A đến điểm B.
Khoảng cách giữa A và B là bề rộng bao phủ. Khoảng cách giữa bất kì điểm
nào trong phần phủ và radar gọi là khoảng cách theo tầm xiên của nó.
Khoảng cách trên mặt đất của một điểm bất kì trong phần phủ là khoảng
cách từ nó đến điểm thiên đế (điểm chiếu của radar lên mặt đất).

HVTH: HỒ TỐNG MINH ĐỊNH

7


NHD: TS. LÊ VĂN TRUNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hình 2.3: Bề rộng bao phủ
2.2.1.1. Độ phân giải tầm xiên
Radar có thể phân biệt hai yếu tố có khoảng cách rất gần, tín
hiệu phản xạ của chúng cần phải được thu ở những thời điểm khác
nhau. Trên hình 2.4, chiều dài xung L tiến tới hai toà nhà A và B.
Khoảng cách theo tầm xiên giữa A và B là d. Từ radar, có hai trường
hợp xung đi đến hai tòa nhà, dẫn đến những tín hiệu phản xạ tách biệt
khi :

Hình 2.4: Ảnh hưởng của chiều dài xung đến độ phân giải tầm xiên
HVTH: HỒ TỐNG MINH ĐỊNH

8



NHD: TS. LÊ VĂN TRUNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Phần xung tán xạ ngược bởi toà nhà A là P A và tòa nhà B là
P B . Hình 2.4B cho thấy nó hướng đến đối tượng và quay trở lại, P B đã
nhận thêm khoảng cách là L/2 và do vậy sau P A một khoảng cách L.
Bởi vì, điểm cuối P A trùng điểm đầu P B khi chúng đến anten.
Kết quả là chúng được ghi nhận lại thành một đối tượng lớn trải từ A
đến B.
Nếu khoảng cách theo tầm xiên giữa A và B lớn hơn L/2 thì hai
xung sẽ không trùng và hai tín hiệu sẽ ghi lại hai ảnh riêng biệt.
Độ phân giải theo tầm xiên bằng khoảng L/2
Độ phân giải trên mặt đất :
Rr = L / 2sinθ = c*τ / 2sinθ
với L : chiều dài xung
c : tốc độ ánh sáng
τ : thời gian lan truyền
θ : góc tới
Góc tới là góc hợp bởi đường thẳng từ anten đến đối tượng với
đường thẳng vuông góc địa hình tại đối tượng.
Xung radar càng ngắn thì độ phân giải tầm xiên càng cao. Tuy
nhiên, chiều dài xung cũng phải thỏa giới hạn tối thiểu để có đủ năng
lượng truyền đi và nhận các tín hiệu phản xạ. Nếu xung ngắn, biên độ
của nó phải tăng để giữ nguyên năng lượng trong xung. Trong thực tế,
thiết bị truyền bị giới hạn ở kích thước rất ngắn nên khó mà tạo được
xung năng lượng cao. Chính vì vậy, hầu hết hệ thống radar sử dụng
một kỹ thuật “chirp” là phương pháp thay đổi độ nén xung bằng cách

điều biến tần số. Trong kỹ thuật chirp, thay vì một xung ngắn với một
tần số cố định thì sẽ phát một xung dài với tần số thay đổi. Điều biến
tần số phải được xử lý sao cho xung có giá trị ngắn hơn. Đối với người
sử dụng, kết quả tương tự như với xung ngắn sử dụng trong hệ thống.
B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

2.2.1.2. Độ phân giải phương vị
Độ phân giải phương vị thể hiện khả năng chụp ảnh radar lên

hai đối tượng không gian kề nhau riêng biệt theo hướng song song với
hướng di chuyển của bộ cảm. Hình 2.5 cho thấy khi đối tượng x1 và x2
đồng thời ở trong vùng phủ của tia radar thì cả hai đều phản xạ hầu
hết các xung, và tín hiệu phản xạ của chúng sẽ được nhận cùng một
lúc. Tuy nhiên, tín hiệu phản xạ từ đối tượng x3 sẽ không được nhận
cho đến khi radar di chuyển về phía trước. Khi đối tượng x3 được chiếu
đến, đối tượng x1 và x2 không còn được chiếu đến, vì vậy tín hiệu từ
x3 sẽ được ghi nhận lại riêng biệt. Đối với SLAR, hai đối tượng trong
độ phân giải phương vị chỉ có thể được tách biệt nếu khoảng cách giữa
HVTH: HỒ TỐNG MINH ĐỊNH

9


NHD: TS. LÊ VĂN TRUNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

chúng lớn hơn bề rộng tia radar. Khi đó bề rộng tia radar được xem là
độ phân giải phương vị của hệ thống.
X3
X2
X1

DỌC HƯỚN G BAY

Hình 2.5: Dọc theo hướng bay
Đối với tất cả các loại radar, bề rộng tia radar là giá trị hằng
số. Đối với một hệ thống, một bước sóng cho trước (λ), bề rộng tia
radar (β) phụ thuộc vào chiều dài vật lý (dH) của anten theo phương

ngang :
β = λ / dH
Ví dụ, để có bề rộng tia là 10 (mm rad) khi sử dụng bước sóng
50mm thì sẽ cần dùng một anten có chiều dài là 5m. Độ phân giải
phương vị raz được cho bởi :
raz = R.B
với raz : độ phân giải phương vị
R : khoảng cách theo tầm xiên từ anten đến đối tượng
Ví dụ với bề rộng tia radar mở thực 10 mrad, R khoảng 700 km,
độ phân giải phương vị là :
raz = 700 x 0,01 = 7 km
Radar khẩu độ thực không cung cấp độ phân giải phương vị tốt
ở các độ cao quỹ đạo, mặc dù chúng đã được chế tạo và vận hành
thành công (chẳng hạn COSMOS 1500 của Liên bang Nga). Đối với
những hệ thống radar này, độ phân giải phương vị có thể được cải
thiện chỉ bằng cách dùng anten có kích thước dài hơn và bước sóng
ngắn hơn. Tuy nhiên, việc sử dụng bước sóng ngắn hơn làm cho mây
nhiều, giảm mọi khả năng thời tiết chụp ảnh radar.
2.2.2. Nguyên lý hoạt động của SAR
U

SAR (Synthetic Aperture Radar) được phát triển như là một giải pháp
để khắc phục giới hạn độ phân giải phương vị của RAR. Những hệ thống này
đạt được độ phân giải phương vị tốt mà lại không phụ thuộc vào khoảng cách
đến đối tượng.

HVTH: HỒ TỐNG MINH ĐỊNH

10



LUẬN VĂN THẠC SĨ

NHD: TS. LÊ VĂN TRUNG

2.2.2.1. Nguyên lý SAR
Khẩu độ tổng hợp được tạo ra bằng cách dựa vào việc di
chuyển lên phía trước của radar. Khi nó qua một tán xạ, các xung phản
xạ lại tuần tự. Bằng việc ghi lại và kết hợp các tín hiệu riêng biệt đó,
một “khẩu độ tổng hợp” được tạo ra trong máy tính, cung cấp độ phân
giải phương vị đã cải thiện nhiều (Hình 2.6).

Hình 2.6: Điểm P được thu nhận từ các vị trí 1,2 đến N
Cấu trúc chi tiết của các tín hiệu phản xạ từ đối tượng thay đổi
trong suốt thời gian radar đi qua do hiệu ứng Doppler.
2.2.2.2. Bộ xử lý SAR
Mục đích của bộ xử lý SAR là xây dựng lại các hình ảnh được
thu lại bằng anten và đưa vào bộ nhớ.
Phần xử lý SAR là một việc xử lý đơn giản mặc dù nó đòi hỏi
nhiều phép tính. Nó có thể được xem như một phép toán “focussing”
hai chiều. Đầu tiên xử lý theo phương tầm xiên, đòi hỏi “de-chirping”
của các tín hiệu nhận được. Theo hướng phương vị chủ yếu phụ thuộc
vào các việc thu lại quá trình Doppler được tạo ra từ các điểm trên
vùng đối tượng và sử dụng de-chirping tương tự như theo hướng tầm
xiên. Tuy nhiên, điều này thì phức tạp vì trong thực tế thì những quá
trình Doppler phụ thuộc vào phương tầm xiên, vì vậy xử lý theo hướng
phương vị phải tương quan với phương tầm xiên. Trong quá trình xử lý,
dữ liệu cho chuyển động của bộ cảm biến, sự xoay của trái đất, và
những sự thay đổi của đối tượng như là những đường bay bộ cảm biến
qua nó cũng cần được thực hiện các hiệu chỉnh.

HVTH: HỒ TỐNG MINH ĐỊNH

11


NHD: TS. LÊ VĂN TRUNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Pixel trong ảnh SAR xử lý sau cùng không có kích thước tương
tự như độ phân giải trong quá trình thu dữ liệu, do sự khác nhau giữa
độ phân giải tầm xiên và phương vị. Theo quy ước, khoảng cách pixel
trong ảnh SAR được chọn phù hợp với tỉ lệ bản đồ chuẩn, vì thế phải
nhân (hay chia) với 100m. Ví dụ, dữ liệu ERS-1, độ phân giải tầm xiên
và phương vị định danh là 28m, khoảng cách pixel là 12,5m.

Hình 2.7: Xử lý SAR

HVTH: HỒ TỐNG MINH ĐỊNH

12