MỤC LỤC

MỤC LỤC........................................................................................................... 1
PHẦN MỞ ĐẦU.................................................................................................2
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ RADAR...........................................................3
1.1 Định nghĩa radar........................................................................................3
1.2 Nguyên lý cơ bản.......................................................................................3
1.3 Sự phản xạ.................................................................................................4
1.4 Phân cực....................................................................................................6
1.5 Hiện tượng nhiễu sóng..............................................................................6
1.6 Nhiễu.........................................................................................................6
1.7 Bước sóng.................................................................................................6
CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT SAR...........................................................................9
2.1 Giới thiệu...................................................................................................9
2.2 Ảnh vệ tinh SAR.....................................................................................10
2. 3 Kĩ thuật SAR..........................................................................................11
2.4 Quy trình xử lí ảnh SAR..........................................................................16
PHẦN KẾT LUẬN...........................................................................................22
TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................23

1|Page


PHẦN MỞ ĐẦU
Cùng với sự nghiên cứu phát triển và phổ biến các ứng dụng của Viễn thám
cũng như Hệ thống thông tin địa lý (GIS - Geographical Information Systems), việc
cung cấp và cập nhật dữ liệu cho các ứng dụng GIS là một nhu cầu khá cấp thiết
hiện nay. Mơ hình độ cao số DEM (Digital Elevation Model) thường được quản lý
trong GIS dưới dạng cấu trúc dữ liệu raster, cho phép thể hiện đơn giản, phân tích
hiệu quả và tương thích với dữ liệu viễn thám. Trong hình thức này, DEM được thể
hiện như một mảng các giá trị cung cấp độ cao của bề mặt địa hình, độ chính xác

của các giá trị thể hiện phụ thuộc vào nguồn dữ liệu được sử dụng và phương pháp
để tạo DEM.
Trong những năm gần đây, kỹ thuật SAR giao thoa (Synthetic Aperture 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 mơ hình độ cao số (DEM) và được sử dụng khá phổ
biến để thể hiện địa hình.
Trong đề tài này, nhóm xin trình bày về hệ thống SAR, từ lí thuyết đến mơ hình
thực hiện và đưa ra đánh giá thông qua so sánh với ảnh vệ tinh.
Suốt khoảng thời gian thực hiện đề tài, xin cảm ơn thầy PGS.TS Vũ Văn
Yêm đã tận tình hướng dẫn, định hướng cũng như chỉ ra các khuyết điểm của đề
tài.
Nhóm xin chân thành cảm ơn!

2|Page


CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ RADAR
1.1 Định nghĩa radar
Radar (Radio Detection and Ranging) có nghĩa là dị tìm và định vị bằng sóng
vơ tuyến hay của Radio Angle Detection and Ranging - dị tìm và định vị góc bằng
sóng vơ tuyến. Đây là một hệ thống sử dụng để định vị và đo khoảng cách và lập
bản đồ các vật thể như máy bay hay mưa. Được sử dụng phổ biển trong hàng hải,
hàng không và quân sự.
1.2 Nguyên lý cơ bản
Radar hoạt động ở tần sô vô tuyến siêu cao tần, có bước sóng siêu cực ngắn,
dưới dạng xung được phát theo một tần số lập xung nhất định. Nhờ vào ănten, sóng
radar tập trung thành một luồng hẹp phát vào trong khơng gian. Trong q trình lan
truyền, sóng radar gặp bất kỵ mục tiêu nào thì nó bị phản xạ trở lại. Tín hiệu phản
xạ trở lại được chuyển sang tín hiệu điện. Nhờ biết được vận tốc sóng, thời gian

sóng phản xạ trở lại nên có thể biết được khoảng cách từ máy phát đến mục tiêu.
Sóng radio có thể dễ dàng tạo ra với cường độ thích hợp, có thể phát hiện một
lượng sóng cực nhỏ và sau đó khuếch đại vài lần. Vì thế radar thích hợp để định vị
vật ở khoảng cách xa mà các sự phản xạ khác như của âm thanh hay của ánh sáng là
quá yếu không đủ để định vị.
Tuy nhiên, sóng radio khơng truyền xa được trong mơi trường nước, do đó, dưới
mặt biển, người ta khơng dùng được radar để định vị mà thay vào đó là máy sonar
dùng siêu âm.
Để đo khoảng cách, radar xung sử dụng nguyên lý như sau: dùng sóng điện từ
siêu cao tần (sóng radio) phát vào khơng gian dưới dạng xung radio và thu lại sóng
phản xạ từ mục tiêu trở về.
Cơng thức tính:
trong đó: - D: khoảng cách từ radar đến mục tiêu
- C: tốc độ truyền sóng (3*108 m/s)
- t: thời gian truyền sóng (đi và phản xạ trở về)
Tính chất của sóng radio:
 Lan truyền trong khơng gian theo đường thẳng.
3|Page


 Tốc độ lan truyền không đổi: C = 3*108 m/s
 Mang năng lượng lớn, gặp mục tiêu sẽ phản xạ trở về.
Mô tả nguyên lý chung của radar theo sơ đồ khối:

Diễn giải: máy phát tạo ra 1 xung điện từ siêu cao tần, qua chuyển mạch, tới
anten, bức xạ vào không gian. Xung radio gặp mục tiêu phản xạ trở về, qua mạch
vào máy thu, qua bộ khuếch đại và sửa đổi tín hiệu cho ta tín hiệu quan sát được
trên màn hình.
1.3 Sự phản xạ
Đặc trưng vật lý cho khả năng mà một vật phản xạ hay tán xạ sóng radio là diện

tích phản xạ hiệu dụng.
Sóng điện từ phản xạ (tán xạ) từ các bề mặt nơi có sự thay đổi lớn về hằng số
điện mơi hay hằng số nghịch từ. Có nghĩa là một chất rắn trong khơng khí hay chân
khơng, hoặc một sự thay đổi nhất định trong mật độ nguyên tử của vật thể với mơi
trường ngồi, sẽ phản xạ sóng radar. Điều đó đặc biệt đúng với các vật liệu dẫn
điện như kim loại hay sợi cacbon, làm cho radar đặc biệt thích hợp để định vị các
máy bay hay tàu thuyền. Các vật liệu hấp thụ radar, gồm có các chất có điện trở và
có từ tính, dùng trong các thiết bị quân sự để giảm sự phản xạ radar, giúp cho
chúng khó bị phát hiện hơn trên màn radar. Phương pháp trong kỹ thuật sóng vơ
tuyến này tương đương với việc sơn vật thể bằng các màu tối trong sóng ánh sáng.
Sóng radar tán xạ theo nhiều cách phụ thuộc vào tỷ lệ giữa kích thước của vật
thể tán xạ với bước sóng của sóng radio và hình dạng của vật. Nếu bước sóng ngắn
hơn nhiều so với kích thước vật, tia sóng sẽ dội lại tương tự như tia sáng phản chiếu
trên gương. Nếu như bước sóng lớn hơn so với kích thước vật, vật thể sẽ bị phân
4|Page


cực, giống như một ăngten phân cực. Điều này được miêu tả trong hiện tượng tán
xạ Rayleigh (một hiệu ứng làm bầu trời có màu xanh lam). Khi 2 tia có cùng cường
độ thì có hiện tượng cộng hưởng. Bước sóng radar càng ngắn thì độ phân giải hình
ảnh trên màn radar càng rõ. Tuy nhiên các sóng radar ngắn cần nguồn năng lượng
cao và định hướng, ngoài ra chúng dễ bị hấp thụ bởi vật thể nhỏ (như mưa và
sương mù....), khơng dễ dàng đi xa như sóng có bước sóng dài. Các radar thế hệ
đầu tiên dùng sóng có bước sóng lớn hơn mục tiêu và nhận được tia phản hồi có độ
phân giải thấp đến mức khơng nhận diện được, trái lại các hệ thống hiện đại sử
dụng sóng ngắn hơn (vài xentimét hay ngắn hơn) có thể họa lại hình ảnh một vật
nhỏ như bát cơm hay nhỏ hơn.
Sóng radio phản xạ từ bề mặt cong hay có góc cạnh, tương tự như tia sáng phản
chiếu từ gương cầu. Ví dụ, đối với tia sóng radio ngắn, hai bề mặt tạo nhau một góc
90° sẽ có khả năng phản chiếu mạnh. Cấu trúc bao gồm 3 mặt phẳng gặp nhau tại 1

góc, như là góc của hình hộp vng, ln phản chiếu tia tới trực tiếp trở lại nguồn.
Thiết kế này áp dụng cho vật phản chiếu góc dùng làm vật phản chiếu với mục đích
làm các vật khó tìm trở nên dễ dàng định dạng, thường tìm thấy trên tàu để tăng sự
dị tìm trong tình huống cứu nạn và giảm va chạm. Cùng một lý do đó, để tránh
việc bị phát hiện, người ta có thể làm cho các bề mặt có độ cong thích hợp để giảm
các góc trong và tránh bề mặt và góc vng góc với hướng định vị. Các thiết kế
kiểu này thường dẫn đến hình dạng kỳ lạ của các máy bay tàng hình. Các thận
trọng như thế khơng hoàn toàn loại bỏ sự phản xạ gây ra bởi sự nhiễu xạ, đặc biệt
với các bước sóng dài. Để giảm hơn nữa tín hiệu phản xạ, các máy bay tàng hình có
thể tung ra thêm các mảnh kim loại dẫn điện có chiều dài bằng nửa bước sóng, gọi
là các miếng nhiễu xạ, có tính phản xạ cao nhưng không trực tiếp phản hồi năng
lượng trở lại nguồn.
1.4 Phân cực
Sự phân cực thể hiện hướng dao động của sóng; với sóng điện từ, mặt phẳng
phân cực là mặt phẳng chứa vector dao động từ trường. Radar sử dụng sóng radio
được phân cực ngang, phân cực dọc, và phân cực tròn tùy theo từng ứng dụng cụ
thể để định vị tốt hơn các loại phản xạ. Ví dụ, phân cực tròn dùng để làm giảm
thiểu độ nhiễu xạ tạo bởi mưa. Sóng phản xạ bị phân cực phẳng thường cho biết
5|Page


sóng được dội lại từ bề mặt kim loại, và giúp radar tìm kiếm vượt trở ngại mưa.
Các sóng radar có tính phân cực ngẫu nhiên thường là cho biết bề mặt phản xạ như
đất đá, và được sử dụng bằng radar cho tàu bè.
1.5 Hiện tượng nhiễu sóng
Hệ thống radar phải vượt qua một số nguồn sóng khác để tập trung trên mục
tiêu thật sự. Các sóng làm nhiễu bắt nguồn từ các nguồn bên trong và bên ngoài,
gồm chủ động và bị động. Khả năng vượt qua các sóng khơng mong đợi được định
nghĩa là tỉ số tín hiệu trên nhiễu (signal-to-noise ratio hay SNR). Trong cùng một
môi trường nhiễu, tỉ số SNR càng lớn, thì hệ thống radar càng dễ định vị vật.

1.6 Nhiễu
Sóng nhiễu ln được phát ra kèm theo tín hiệu từ nội nguồn của sóng, thường
gây ra bởi thiết kế điện tử khơng thực sự đồng bộ sử dụng các linh kiện điện tử
chưa tối ưu. Nhiễu chủ yếu xuất hiện như là sóng dội nhận được từ đầu thu vào thời
điểm thật sự khơng có sóng radar nào được nhận. Vì thế, hầu hết các nhiễu đều xuất
hiện ở đầu thu và các nỗ lực để giảm thiểu yếu tố này tập trung trong thiết kế đầu
thu. Để lượng hóa độ nhiễu, người ta đưa ra chỉ số nhiễu, là tỷ số giữa cường độ
sóng nhiễu thu được trên đầu nhận so với một đầu nhận lý tưởng. Chỉ số này cần
được giảm thiểu.
1.7 Bước sóng
Tên

Dải tần số

Bước sóng

Ghi chú
hệ thống radar ven biển, đường chân

HF

3–30 MHz

10–100 m

trời,over-the-horizon radar (OTH),

VHF

30–300 MHz


1–10 m

P

< 300 MHz

>1m

UHF 300–1000 MHz

0.3–1 m

L

1–2 GHz

15–30 cm

S

2–4 GHz

7.5–15 cm

'high frequency'
phạm vi rất dài, xâm nhập, xâm nhập
mặt đất, 'very high frequency'
HF + VHF
cảng báo sớm tên lửa đạn đạo, 'ultra

high frequency'
kiểm sốt khơng lưu và giám sát,
'long'
kiểm sốt khơng lưu, tầm xa thời
tiết, radar hàng hải, 'short'
6|Page


truyền hình vệ tinh, giữa X và S,
C

4–8 GHz

3.75–7.5 cm

kiêm dân sự và quân sự, thời tiết,
theo dõi tầm xa radar.
dẫn hướng tên lửa, radar biển, thời
tiết, bản đồ và giám sát mặt đất; ở
Mỹ thu hẹp phạm vi 10,525 GHz ±

X

8–12 GHz

2.5–3.75 cm

25 MHz được sử dụng cho radar sân
bay; theo dõi phạm vi ngắn. Đặt tên
X band vì tần số là một bí mật trong


Ku

12–18 GHz

1.67–2.5 cm

TC2.
Độ phân giải cao, cũng sử dụng cho
các bộ thu vệ tinh.
Từ Kurz của Đức, có nghĩa là 'ngắn';
hạn chế sử dụng do sự hấp thụ bởi
hơi nước, vì vậy Ku và Ka đã được
sử dụng thay cho giám sát. K-band

K

18–24 GHz

1.11–1.67 cm được sử dụng để phát hiện những
đám mây, khí tượng học, và cảnh sát
để phát hiện người lái xe quá tốc độ.
Súng radar K-band hoạt động ở
24,150 ± 0,100 GHz.
lập bản đồ, tầm ngắn, giám sát sân
bay; tần số ngay trên K (thêm 'a')

Ka

24–40 GHz


0.75–1.11 cm

ảnh radar, được sử dụng để kích hoạt
máy ảnh mà chụp ảnh biển số xe ô tô
chạy đèn đỏ, hoạt động ở 34,300 ±

mm

40–300 GHz

1.0–7.5 mm

V

40–75 GHz

4.0–7.5 mm

W

75–110 GHz

2.7–4.0 mm

0,100 GHz.
Millimetre band, Các dải tần số phụ
thuộc vào kích thước ống dẫn sóng.
hấp thụ rất mạnh bởi ơxy trong khí
quyển, tiếng vang ở 60 GHz.

Được sử dụng như một bộ cảm biến
hình ảnh cho xe thử nghiệm tự động,
7|Page


độ phân giải cao quan sát khí tượng,
và hình ảnh.

8|Page


CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT SAR
2.1 Giới thiệu
Viễn thám radar là hệ thống chủ động, bộ cảm chủ động phát và thu nhận năng
lượng tán xạ ngược trong vùng sóng siêu cao tần. Viễn thám radar hoạt động với hệ
thống anten cố định được lắp đặt trên máy bay hoặc vệ tinh viễn thám. Nguyên tắc
hoạt động của hệ thống này được mơ tả như hình dưới đây.

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). Độ phân giải theo hướng thu phát tín hiệu là khả năng phân cách giữa 2 đối
tượng không gian nằm gần nhau theo hướng tầm. Nó được xác định bằng chiều dài
xung của năng lượng sóng radar truyền đi và góc nhìn (góc tới).
Trong đó: R(x) là độ phân giải theo hướng thu phát tín hiệu, τ là thời gian cho 1
độ dài của 1 xung, θd là góc hạ. Độ phân giải theo phương vị phụ thuộc vào chiều
dài anten. Anten dài hơn, bước sóng ngắn hơn thì độ phân giải sẽ cao. Ví dụ, để đạt

được độ phân giải theo phương vĩ 10 m với dải băng C (bước sóng λ = 5.6 cm) từ
vệ tinh có độ cao 800 km thì chiều dài của anten đòi hỏi phải trên 3 km, điều này là
không thể.
9|Page


Để khắc phục nhược điểm này hay để nâng cao độ chính xác trong việc 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.
Radar khẩu độ tổng hợp (SAR - Synthetic Aperture Radar) là một kỹ thuật cho
phép thu ảnh với độ phân giải cao từ một anten nhỏ, đây là một kỹ thuật thể hiện sự
tiến bộ vượt bậc của xử lý tín hiệu số. SAR là hệ thống thu ảnh gi lại thông tin cả
về pha và cường độ của tín hiệu sóng phản xạ của tất cả các đối tượng nằm trong độ
phân giải của 1 pixel tương ứng trên mặt đất. Thông tin trong mỗi ảnh SAR bao
gồm một ma trận đều thể hiện các giá trị tổng hợp (giá trị phức), chúng gồm 2
thành phần là biên độ A và pha Ф. Biên độ cung cấp thông tin về mức độ gồ ghề bề
mặt của các đối tượng phản xạ, trong khi pha bao gồm một phần các xung tán xạ và
một phần truyền qua chứa đựng các thơng tin hữu ích về bề mặt và hướng đường
truyền của xung.
Nếu chúng ta có hai ảnh SAR cùng phủ một vùng diện tích hơi khác một chút
về vị trí thu nhận, giá trị pha của ảnh này có thể đem đi trừ đi giá trị pha của ảnh
kia để có được độ lệch pha của 2 ảnh SAR. Ảnh chứa độ lệch pha này được gọi là
ảnh giao thoa. Giá trị còn lại là độ lệch pha từ ảnh này so với ảnh kia. Kỹ thuật dựa
trên độ lệch pha để tính tốn trên được gọi là kỹ thuật SAR giao thoa (SAR - SAR
interferometry). Kỹ thuật dựa trên việc loại bỏ những khoảng giao thoa trùng giữa
hai ảnh giao thoa để tạo ra khoảng giao thoa cuối cùng thể hiện sự thay đổi của bề
mặt gọi là kỹ thuật SAR vi phân. Các vệ tinh SAR bao gồm các vệ tinh như ERS-1
và ERS-2, RADARSAT, JERS-1, ALOS, ENVISAT,...
2.2 Ảnh vệ tinh SAR

Dữ liệu sử dụng là ảnh ERS-1 (Earth Resources Satellite-1) và ERS-2 được
cung cấp bởi Cơ quan không gian Châu âu (ESA), hai vệ tinh này được phóng vào
quỹ đạo tháng 07/1991 và 04/1995. Mỗi scence ảnh bao phủ một khu vực có bề
rộng 100 km2 với độ phân giải khoảng 30m. Hai vệ tinh này hổ trợ cho nhau trong
việc 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

10 | P a g e


đươc tại một khu vực rất lớn, tạo điều kiện tốt cho các ứng dụng trong giao thoa
SAR.
Dữ liệu thử nghiệm thứ hai được sử dụng là ảnh ENVISAT, đây là vệ tinh thám
sát trái đất lớn nhất so với các thế hệ trước, được phóng vào qũy đạo năm 2002. Vệ
tinh mang gồm 10 bộ cảm biến quang học và rada, nhằm tiếp tục những sứ mệnh
thám sát về bề mặt trái đất, khí quyển, đại dương và băng trôi phục vụ giám sát môi
trường và quản lý tài nguyên thiên nhiên. Các bộ cảm biến này cung cấp dữ liệu
hữu ích đáp ứng nhu cầu cho nghiên cứu khoa học và các ứng dụng trong thương
mại.
ASAR (Advanced Synthetic Aperture Radar) là bộ cảm biến SAR lớn nhất, hoạt
động ở tần số C-band, được thiết kế nhằm thay thế cho ERS-2. Tuy nhiên, các khả
năng về độ bao phủ, góc nhìn, phân cực và kiểu vận hành được cải tiến đáng kể so
với ERS-2. Envisat có qũy đạo đồng bộ mặt trời, độ cao bay 800 km, chu kỳ lặp 35
ngày.
Các mục tiêu chính của Envisat ASAR:
 Cung cấp tiếp khả năng thám sát mặt đất được bắt đầu từ sứ mệnh ERS
 Cải tiến sứ mệnh ERS, tập trung cho sứ mệnh nghiên cứu đại dương và
băng trôi
 Mở rộng nhiều tham số thám sát, phục vụ cho nhu cầu nghiên cứu về các
tham số tác động môi trường

 Tạo đóng góp quan trọng cho nghiên cứu mơi trường, tập trung lĩnh vực
hóa khí quyễn và đại dương.

2. 3 Kĩ thuật SAR
Kỹ thuật SAR là công nghệ xử lý tín hiệu có thể liên kết hai ảnh được ghi nhận
ở hai thời điểm khác nhau của cùng một khu vực để tạo thành pha giao thoa. Pha
giao thoa đó sẽ bao gồm pha địa hình, pha tham chiếu và pha biến động. Vì vậy để
có thể xác định được sự biến đổi của địa hình ta cần phải tìm cách nào đó để tách
riêng pha biến động ra. Có một số phương pháp để tách riêng pha biến động (hay
cịn gọi là pha dịch chuyển của địa hình) ví dụ như các phương pháp Two-pass,
11 | P a g e


Three-pass hay Four-pass. Phương pháp Two-pass sử dụng 1 DEM và 1 cặp ảnh
giao thoa (thời điểm trước khi biến động và thời điểm sau biến động), phương pháp
Threepass là phương pháp sử dụng 3 ảnh ở 3 thời kỳ khác nhau trong đó có hai ảnh
tạo thành cặp giao thoa dùng để tạo DEM, còn phương pháp Fourpass sử dụng 4
ảnh ở 4 thời điểm khác nhau. Trong phần thực nghiệm chúng tôi sử dụng phương
pháp SAR vi phân Three-pass.
Radar giao thoa (SAR) 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. SAR 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. Sự
chênh lệch độ dài đường truyền của các sóng radar có liên quan đến các thông số
quan trọng như độ cao địa hình, sự biến dạng bề mặt trái đất và nhiễu của khí quyển
(Goldstein et al., 1988).

Hình trên minh họa cấu trúc hình học cơ bản của kỹ thuật SAR. Hai hệ thống
radar S1 (Master) và S2 (Slave) chủ động phát sóng xuống cùng một khu vực trên
mặt đất. B là khoảng cách giữa 2 anten hay gọi là đường đáy (Baseline), θ là góc

tới (góc nhìn), r1 và r2 là cự ly nghiêng từ anten tới điểm P trên mặt đất và α là góc
tạo bởi đường đáy và đường chân trời. Nếu khơng có biến dạng bề mặt xảy ra giữa
12 | P a g e


hai hệ thống thu nhận ảnh radar, các giá trị pha ghi nhận được Ф1 và Ф2 trong 2
ảnh chụp từ hai hệ thống radar đối với điểm P có thể được xem là tương đương với
tổng của các thành phần khác nhau.

Trong đó: và là đại lượng gây ra chậm (trễ) pha do khoảng cách đường truyền
2r1 và 2r2 từ bộ cảm biến S1 và S2 đến mục tiêu P trên mặt đất và phản xạ ngược
lại.
Фatm1 và Фatm2 là đại lượng hiệu chỉnh pha do sự thay đổi điều kiện khí
quyển giữa hai lần nhận ảnh.
 Фscat1 và Фscat2 là hệ số tán xạ do sự tương tác giữa sóng radar với các
thành phần tán xạ phức tạp trên bề mặt.
 Hệ số nhiễu phụ Фnoise
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, Фatm1 = Фatm2 và Фscat1 =
Фscat2, khi đó giá trị pha giao thoa sẽ được viết như sau:

Trong đó δr là độ lệch thay đổi theo phương xiên (Light of sight - LOS) giữa r1
và r2. Áp dụng định luật cosin cho tam giác S1S2P, chúng ta có:

Từ phương trình (5), ta có:

13 | P a g e


Với r1 + r2 ≈ 2r1 và r1>> B, từ phương trình (6) chúng ta có phương trình gần

đúng sau:

Khi đó, phương trình (4) trở thành:

Đạo hàm từng phần của pha theo r ta được:

Từ công thức ta thấy độ lệch pha phụ thuộc vào 2 yếu tố: thành phần vng góc
của đường đáy B B   cos( )   và đạo hàm của góc tới theo r (  / r ), trong
đó đường đáy trực giao ln thay đổi theo độ xiên của góc tới đối với mỗi ảnh SAR
khác nhau. Sự thay đổi của góc tới thường tăng lên với độ nghiêng của hướng quét,
do vậy  / r >0. Tuy nhiên, khi độ dốc của địa hình lớn hơn góc tới, việc tăng góc
tới sẽ không tạo ra độ nghiêng hướng quét (Price and Sandwell, 1998). Để thấy
được mối quan hệ giữa pha giao thoa với địa hình, chúng ta xem xét điểm P0 nằm ở
vị trí cùng phương với điểm P trên mặt elipxoit tham chiếu. Áp dụng định luật

14 | P a g e


cosin cho tam giác S1PO trong Hình trên , góc tới θ cho điểm P mặt đất được biểu
diễn như sau:

Trong hình trên, r là khoảng cách nghiêng từ bộ cảm biến S1 đến điểm P, H là
khoảng cách từ bộ cảm biến S1 đến tâm trái đất và x là khoảng cách từ điểm P đến
tâm trái đất, x0 là bán kính trái đất của elipxoit tham chiếu, θ0 là góc tới. Khi đó, sử
dụng định luận cosin chúng ta tìm ra:

Sử dụng cơng thức (11) và (8), chúng ta tính pha giao thoa  0 theo điểm P0,
gọi là pha phẳng (flat earth phase) như sau:

Khoảng cách thực tế x ln lớn hơn bán kính elipsoid tham chiếu x0, độ lệch x x0 cung cấp giá trị độ cao hình học. Pha do ảnh hưởng của địa hình thực tế ф(x) có

thể được triển khai theo dãy số Taylor theo x0:

Số hạng thứ nhất là pha phẳng cho bởi phương trình (12), và giá trị số hạng thứ
hai có thể nhận được từ phương trình (8) và (10). Từ phương trình (8), chúng ta có:

Và từ phương trình (10), chúng ta có:

Thay phương trình (15) và (16) vào phương trình (14), chúng ta có độ cao h từ
elipsoid tham chiếu:

15 | P a g e


2.4 Quy trình xử lí ảnh SAR

Để tiến hành xử lý theo kỹ thuật SAR, cần phải có hai ảnh SAR có độ tương
quan tốt. Căn cứ để lựa chọn các ảnh thích hợp chủ yếu dựa trên chiều dài đường
đáy (khoảng cách giữa hai ăng ten khi chụp ảnh và khoảng thời gian giữa hai lần
chụp), điều kiện thời tiết. Chiều dài đường đáy được chọn phụ thuộc vào từng ứng
dụng và độ phân giải của dữ liệu. Chẳng hạn, đối với ảnh ERS-1 và ERS-2, chiều
dài đường đáy từ 150 m - 300 m thích hợp cho việc xây dựng mơ hình số độ cao; từ
30 m - 50 m phù hợp cho các ứng dụng phát hiện biến dạng bề mặt và khoảng 5 m
phù hợp cho các nghiên cứu chuyển động bề mặt như biến dạng lớp vá trái đất,
chuyển động địa chất, chuyển động băng trôi,… Mặt khác, khoảng thời gian thu
nhận giữa hai ảnh không quá lớn nhằm tránh sự mất tương quan. Trong kỹ thuật
này, một ảnh sẽ được coi là ảnh chủ (ảnh Master), ảnh còn lại sẽ là ảnh phụ thuộc
(ảnh Slave). Quy trình cơng nghệ thành lập DEM từ cặp ảnh radar giao thoa được
thể hiện như trong hình trên, trình tự các bước thực hiện được tiến hành như sau:
Bước 1: 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).
Thực hiện chồng lên nhau vùng phủ chung của hai ảnh thu nhận từ hai anten
của bộ cảm SAR. Dữ liệu ảnh cần cho bước xử lý này là ảnh SAR SLC, SLC là dữ

16 | P a g e


liệu ảnh phức bao gồm hai band: band chứa thông tin biên độ và band chứa thông
tin pha.
Đăng ký ảnh được thực hiện theo hai bước: đăng ký sơ bộ với độ chính xác 1
pixel và đăng ký chính xác với độ chính xác khoảng 1/8 pixel.

Bước 2: Tạo ảnh giao thoa, lọc bỏ pha phẳng và nhiễu, tạo ảnh tương quan
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 chênh cao địa hình cịn
có pha do ảnh hưởng của nhiễu và pha do độ cong trái đất, bởi vậy cần lọc, loại bỏ
những ảnh hưởng này. Việc tính tốn độ tương quan giữa hai ảnh nhằm xác định
các đối tượng trên hai ảnh có bị thay đổi trong khoảng thời gian nhất định nào đó
hay khơng. Từ đó đưa ra giới hạn độ lệch pha giữa 2 ảnh để đảm bảo độ chính xác
cho việc giải mở pha sau này.
Hai ảnh SAR kết hợp tạo ảnh SAR giao thoa để cung cấp thông tin về chiều thứ
ba (độ cao) của vật thể và đo sự dịch chuyển của vật thể giữa hai ảnh thu nhận.
Sau khi đăng ký, ảnh giao thoa phức được tạo bằng phép nhân liên hợp mỗi
pixel phức của ảnh thứ nhất với cùng pixel phức tương ứng của ảnh thứ hai. Cường
17 | P a g e


độ của ảnh giao thoa đo lường mức độ tương quan chéo của các ảnh pha dễ dàng
hơn. Thực hiện giảm nhiễu bằng cách dùng một phép lọc cho toàn ảnh, phép lọc
này tương tự như phép lọc trung bình, ngoại trừ chúng được dùng cho hàm phức

thay vì chỉ là trên biên độ.
Ở các vùng có độ cao thay đổi đột ngột (khu vực núi) tần số bị đóng pha càng
cao. Thơng thường, tần số đóng càng cao thì càng khó thực hiện mở pha. Do đó cần
phải có một bước thực hiện làm giảm tần số đóng này – làm phẳng pha (phase
flattening). Làm phẳng pha loại trừ tần số pha bị đóng gây ra do bản chất thu nhận
ảnh của SAR.

Bước 3: 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.
Ưu điểm của giao thoa SAR trong các nghiên cứu ứng dụng là kết qủa 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
18 | P a g e


bị mất là then chốt cho các nghiên cứu về biến dạng, thành lập mơ hình độ cao số,
thành lập bản đồ địa hình,…
Nhiều thuật tốn đã được đưa ra để giải quyết vấn đề hồi phục lại giá trị pha,
phương pháp phổ biến để giải bài toán mở pha bao gồm: cực tiểu nhỏ nhất, theo bài
toán mạng, theo đường đi (Path-following) và năm 1998 Costantini đã biến đổi bài
tốn mở pha thành bài tốn mạng cực tiểu hóa tồn cục. Trong mơ hình mạng của
Costantini, mỗi vịng xoay theo kim đồng hồ tính tổng giá trị pha gradien của 2x2
pixel xung quanh được mô tả là một node. Node tương ứng với phần dư dương
hoặc âm thì được đánh dấu tương ứng + hoặc -. Hai node kề nối nhau tạo thành một
arc. Bài tốn tối ưu hóa bằng cách dùng phương pháp cực tiểu chi phí dịng mạng
(MCF – Minimum Cost Flow) để xác định các ràng buộc cho phép đạt lời giải pha
chính xác (phần mềm SAR ToolKit sử dụng duy nhất một thuật toán này).


Bước 4: Tạo DEM và Geocoding
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
19 | P a g e


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 mơ hình dị thưởng độ cao EGM96
để tính chuyển về độ cao so với mặt Geoid.
Sau khi giải mở pha, chúng ta chuyển đổi giá trị pha thành giá trị độ cao để
thành lập DEM. Cuối cùng, DEM tạo ra được chuyển từ hệ tọa độ của SAR thành
hệ tọa độ WGS84, múi chiếu 49 để so sánh với dữ liệu DEM của ảnh ASTER .

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). Hình ảnh 2D và
3D của các DEM được thể hiện như Hình 7. Hai mặt cắt ở khu vực đồng bằng và
khu vực đồi núi được sử dụng để đánh giá chất lượng của DEM SAR (Bảng 2). Kết
quả cho thấy độ chính xác của DEM SAR 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
SAR và DEM lập thể lớn hơn ở khu vực đồng bằng, điều này có thể được giải thích
bởi chất lượng DEM SAR phụ thuộc vào giá trị tương quan ảnh, khu vực có tương
20 | P a g e


quan tốt sẽ cho DEM có chất lượng tốt hơn so với khu vực có tương quan thấp.
Khu vực đồng bằng có tương quan cao hơn do các yếu tố bề mặt ít thay đổi (nhà
cửa, đường xá,...), 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.
Ngồi ra, độ chính xác của kết quả phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau như bộ

cảm biến thu nhận ảnh, khoảng cách đường đáy, sự tương quan của cặp ảnh, thuật
toán cho bài toán giải mở pha. Đặc biệt, bài tốn mở pha cần được giải một cách
chính xác và đòi hỏi các điểm khống chế được đo đạc trực tiếp trên thực địa.

21 | P a g e


PHẦN KẾT LUẬN
Kỹ thuật InSAR là một kỹ thuật đột phá trong lĩnh vực công nghệ viễn thám và
đã mở ra một kỹ thuật hiện đại cho việc xây dựng DEM. Tuy nhiên, đây là một kỹ
thuật khó nên trong q trình xử lý địi hỏi độ chính xác cao, ngay từ bước đăng ký
ảnh (địi 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. Tuy nhiên, mức
độ chính xác của kết quả phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau như bộ cảm biến
SAR thu nhận, khoảng cách đường đáy, sự tương quan của cặp ảnh, thuật toán cho
bài toán giải mở pha,… Đặc biệt, bài toán mở pha cần được giải một cách chính
xác và địi hỏi các điểm khống chế được đo đạc trực tiếp trên thực địa.
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 mơ 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…
Do khoảng thời gian và kiến thức cịn hạn hẹp, nhóm có phần hạn chế với đề

tài. Mong thầy và các nhóm cùng đóng góp ý kiến để đề tài thêm hồn thiện.
Nhóm xin chân thành cảm ơn!

22 | P a g e


TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Hồ Tống Minh Định, Ứng dụng kỹ thuật InSAR trong xây dựng mơ hình độ cao
số (DEM), Luận văn thạc sĩ, Trường Đại Học Bách Khoa Tp. HCM, (2005).
[2] Buckley, S., and Paul Rossen and Patricia Persaud, ROI_PAC Documentation –
Repeat Orbit Interferometry Package, Caltech Jet Propulsion Laboratory, (2000).
[3] Carande, R. E., Overview and Future of Synthetic Aperture Radar Technology,
Vexcel Corporation, (2000).
[4] Costantini, M., A Novel PhaseUnwrapping Method Based on Network
Programming, IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, (1998).
[5] Curlander, J. C., and R. N. McDonough, Synthetic Aperture Radar: Systems and
Signal Processing, Wiley, New York, (1991).
[6] Lê Văn Trung, Hồ Tống Minh Định và Văn Công Quốc Anh. The Ability of
Application of ERS SAR images in Generating DEM using InSAR technique. The
16th APEC Workshop on Ocean Models and Information System for the APEC
Region. (2005)

23 | P a g e