Nâng cao độ chính xác ước lượng độ cao rừng sử dụng ảnh ra đa tổng hợp mặt mở giao thoa phân cực băng L

Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 42, 04 - 2016 45 NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC ƯỚC LƯỢNG ĐỘ CAO RỪNG SỬ DỤNG ẢNH RA ĐA TỔNG HỢP MẶT MỞ GIAO THOA PHÂN CỰC BĂNG L Bùi Ngọc Thủy1*, Phạm Minh Nghĩa2 Tóm tắt: Độ cao rừng là một trong những thông tin quan trọng cho công tác quản lý độ che phủ của rừng và cũng là một trong các tiêu chuẩn để đánh giá mối tương quan sinh trưởng của sinh vật với môi trường trong hệ sinh thái rừng. Bài báo này trình bày một thuật toán nâng cao độ chính xác cho ước lượng độ cao rừng sử dụng ảnh PolInSAR băng L. Thuật toán đề xuất được xây dựng dựa trên cơ sở tối ưu các tham số của kỹ thuật phân hoạch mục tiêu kết hợp với tối ưu các tham số của tập kết hợp. Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng độ chính xác của độ cao rừng được cải thiện đáng kể bởi thuật toán đề xuất. Từ khóa: Ra đa tổng hợp mặt mở giao thoa phân cực, Độ cao rừng, Tập kết hợp. 1. MỞ ĐẦU Ra đa tổng hợp mặt mở giao thoa phân cực (PolInSAR) là một trong những kỹ thuật viễn thám tiên tiến và triển vọng cho công tác quản lý và điều tra rừng. Trong hai thập kỷ qua, rất nhiều kỹ thuật được giới thiệu cho ước lượng độ cao rừng từ ảnh PolInSAR và có thể phân thành hai nhóm chính. Nhóm thứ nhất gồm các kỹ thuật được xây dựng dựa trên việc mô hình hóa quá trình tán xạ giữa sóng siêu cao tần với mục tiêu tự nhiên bằng một khối tán xạ ngẫu nhiên trên mặt đất (RVoG) [1, 2]. Tuy nhiên, do sự suy hao của sóng điện từ trong môi trường và đặc biệt với những cánh rừng rậm nơi có thành phần tán xạ khuếch tán đóng vai trò chủ đạo, độ chính xác của các phương pháp này trở nên không còn đáng tin cậy nữa. Nhóm thứ hai gồm các phương pháp dựa trên kỹ thuật phân hoạch cho ảnh PolInSAR [3, 5]. Tuy nhiên, cấu trúc phân tán của rừng ảnh hưởng rất lớn đến quá trình tán xạ ngược của tín hiệu từ mặt đất về anten thu, do vậy các tham số bề mặt trong các phương pháp này có độ ổn định và chính xác không cao. Bài báo trình bày một phương pháp nâng cao độ chính xác cho ước lượng độ cao rừng từ ảnh PolInSAR băng L. Trong phương pháp đề xuất, thành phần tán xạ từ tán cây được biểu diễn bởi hai tham số: mức độ phân bố ngẫu nhiên và tính dị hướng của các thực thể tán xạ [5]. Để nâng cao độ chính xác, bài báo này bổ sung thêm một điều kiện ràng buộc về công suất. Các tham số bề mặt được xác định dựa trên lý thuyết tối ưu tập kết hợp. Sau đó, độ cao tán rừng được ước lượng bởi độ lệch pha giữa pha của tán cây và pha của bề mặt. Thuật toán đề xuất không chỉ cho phép nâng cao độ chính xác trong ước lượng độ cao rừng mà còn cho phép khôi phục thêm các tham số của tán rừng. Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng độ chính xác của độ cao rừng được cải thiện đáng kể bởi thuật toán đề xuất. 2. ƯỚC LƯỢNG ĐỘ CAO RỪNG TỪ DỮ LIỆU POLINSAR SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐỀ XUẤT 2.1. Sự kết hợp giao thoa phân cực Hai ma trận tán xạ 1S   và 2S   của hệ thống PolInSAR cho mỗi đối tượng được xác định từ mỗi hệ thống PolSAR với góc quét xấp xỉ nhau. Đối với trường hợp tán xạ ngược trong môi trường thuận nghịch, véc tơ tán xạ ngược Pauli của mỗi hệ thống PolSAR được biểu diễn như sau [4]: 1 2 2 Ti i i i i i hh vv hh vv hvk S S S S S      (1) Ra đa B.N. Thủy, P.M. Nghĩa, “Nâng cao độ chính xác ước lượng giao thoa phân cực băng L.” 46 Trong đó,   , ,pqS p q h v là các hệ số tán xạ phức và 1, 2i  biểu thị cho hai hệ thống PolSAR. Dữ liệu nhận được từ hệ thống PolInSAR thường được biểu diễn bằng ma trận kết hợp phức 6×6, và được biểu diễn trong (2) 1* * 2 T T T T kk T                với 1 2 k k k              (2) Với toán tử  biểu thị mức lấy trung bình toàn bộ trong quá trình xử lý dữ liệu và   thể hiện toán tử liên hợp phức. 1T   và 2T   là các ma trận Hermitian, mô tả các thuộc tính phân cực của mục tiêu thu được từ mỗi hệ thống PolSAR riêng lẻ,    là ma trận phức phi-Hermitian chứa các thông tin về giao thoa và phân cực của mục tiêu. Sự kết hợp giao thoa phân cực của hệ thống PolInSAR được mô tả bằng một hàm phân cực của hai ảnh được biểu diễn như sau:   * * 1 2 1 2 ** * 1 1 1 2 2 2 , T T TT T TT T                             (3) Trong đó, 1 2       là véc tơ phức nguyên trị của mỗi kênh phân cực,  1 2 2T T T  . Dạng rút gọn của ma trận kết hợp cho dữ liệu PolInSAR có dạng như sau: 11 12 1 2 1 2 21 22 33 0 0 0 0 T T                     (4) Gọi *T T w T         là véc tơ phức nguyên trị cải tiến. Thay w  vào (3) ta có:   * , 1j Te w w w            (5) 2.2. Ước lượng tham số tán xạ của tán cây Trong phần này, chúng tôi đề xuất một kỹ thuật phân hoạch mục tiêu để xác định các tham số của tán cây sử dụng dữ liệu PolInSAR. Ma trận kết hợp rút gọn PolInSAR được phân tích thành tổng của ba ma trận con tương ứng với ba thành phần tán xạ: tán xạ khối, tán xạ nhị diện và tán xạ trực tiếp từ bề mặt: jj js d v s s v vd df e T f e T f e T                (6) Trong đó, ,s df f và vf lần lượt là các hệ số công suất tán xạ của thành phần tán xạ trực tiếp từ bề mặt, tán xạ nhị diện và tán xạ khối tương ứng.  , , ,i i s d v  là pha giao thoa của thành phần tán xạ trực tiếp từ bề mặt, tán xạ nhị diện và tán xạ khối. ,s dT T       và vT   lần lượt là ma trận kết hợp của ba thành phần tán xạ tương ứng, được định nghĩa như sau [6]. Với mục đích nâng cao độ chính xác cho ước lượng độ cao rừng cũng như xác định các tham số của tán cây, chúng tôi bổ sung thêm điều kiện ràng buộc về công suất. Chúng tôi thực hiện kiểm tra thành phần 11 có nhỏ hơn 33 hay không. Nếu 11 nhỏ hơn 33 thì các tham số của các thành phần tán xạ được xác định như sau: Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 42, 04 - 2016 47        2 2 11 11 2 2 22 33 11 22 33 11 1 ; arg 1 0; 0; ; arg v v s d d f f f                          (7) Ngược lại, nếu giá trị của 11 là lớn hơn hoặc bằng 33 , các tham số của thành phần tán xạ ngẫu nhiên từ tán cây được xác định trực tiếp từ (6) trong khi đó các tham số của thành phần tán xạ nhị diện và tán xạ trực tiếp từ bề mặt được xác định thông qua phương pháp phân tích trị riêng của ma trận kết hợp rút gọn sau khi loại trừ thành phần tán xạ từ tán cây. 33 33 12 33 33 22 33 ; arg ; ; arcos 1 ;j vv v v v v v d f F f e T T F                                     2 2 11 22 11 22 11 22 11 22 12 12 2 2 11 22 11 22 11 22 11 22 12 12 4 2 4 2 v v v v v v v vj s s s v v v v v v v vj d d d T T F T T F T F F f e T T F T T F T F F f e                               (8) 2.3. Ước lượng tham số của địa hình sử dụng nguyên lý tập kết hợp Trong hai thập kỷ qua, có rất nhiều phương pháp để ước lượng tham số của địa hình mặt đất [1], [4], tuy nhiên các phương pháp này đều có chung một nhược điểm đó là số lượng phép tính quá lớn. Với mục đích giảm độ phức tạp tính toán cũng như nâng cao độ chính xác cho ước lượng tham số của địa hình, chúng tôi đề xuất sử dụng nguyên lý tập kết hợp để ước lượng trực tiếp các tham số của địa hình. Tập kết hợp PolInSAR có thể hiểu đơn giản là một phép chiếu của sự kết hợp rút gọn lên mặt phẳng kết hợp phức. Dựa trên tính chất của ma trận kết hợp rút gọn trong (5), ta có một tập kết hợp cho dữ liệu PolInSAR như sau:  * * 3: 1,T Tapp w w w w w     (9) Phương trình (9) có dạng tương tự dạng cự ly số của ma trận vuông 3A . Do vậy, cự ly số của ma trận  cũng có thể được xem như vùng của tập kết hợp. Ma trận  có ba trị riêng lần lượt là 1 2,  và 3 33   , giả sử rằng    1 2arg arg  . Quỹ đạo cự ly số của ma trận  trên mặt phẳng kết hợp phức có dạng tương tự hình ellip và bao hàm cả ba trị riêng của ma trận  [4]. Theo Cloude [1], trị riêng 3 của ma trận  có mối liên hệ mật thiết với kết hợp phức của kênh phân cực hv hv trong khi đó 1 và 2 lại liên quan trực tiếp đến kết hợp phức của kênh phân cực hh hh và kênh phân cực vv vv tương ứng. Theo nguyên lý truyền sóng phân cực trong các hệ thống ra đa, kênh phân cực hv thường được sử dụng để xác định các tham số của thành phần tán xạ ngẫu nhiên từ tán cây, kênh phân cực hh và vv thường được sử dụng để xác định các tham số địa hình. Như vậy, ta có thể thấy rằng trị riêng 2 của ma trận  bao hàm các thông tin liên quan đến địa hình. Khi đó, pha của mặt đất chính là giao điểm của đường thẳng đi qua hai điểm 2 và 3 với đường tròn đơn vị trong mặt phẳng kết hợp phức. Pha giao thoa tại bề mặt đất được xác định như sau:   0 2 3arg 1 L     (10) Ra đa B.N. Thủy, P.M. Nghĩa, “Nâng cao độ chính xác ước lượng giao thoa phân cực băng L.” 48 Trong đó: L nghiệm phương trình bậc hai 2 2 40 2 B B AC AL BL C L A         (11) Với   2 2*3 2 3 3 2 31; 2 Re ;A B C           (12) Cuối cùng độ cao rừng được xác định bằng hiệu giữa pha tán xạ tại tán cây với pha tại bề mặt đất, như trong (13)     0 0 sin 4 cos v v v z R h k B               (13) Trong đó,  là góc giữa sóng bức xạ và trục đứng, R khoảng cách giữa ra đa và mục tiêu,  là góc lệch giữa đường cơ sở và trục ngang,  bước sóng của sóng điện từ. 3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG (a) (b) Hình 1. (a) Ảnh Pauli của khu vực rừng khảo sát, (b) đồ thị so sánh độ cao rừng của hai thuật toán. Bảng 1. Tham số rừng được ước lượng từ hai phương pháp. Tham số Giá trị thực Mô hình chuyển ba trạng thái Phương pháp đề xuất  vh m 18 16.0906 17.8397  0 rad 0.0148 0.0442 0.0158  /dB m 0.2 0.3168 0.1687 RMSE 0 3.5006 2.3264 Hiệu quả của phương pháp đề xuất được đánh giá với dữ liệu mô phỏng được tạo ra từ phần mềm PolSARProSim [6]. Dữ liệu mô phỏng nhận được từ hệ thống PolInSAR băng L với đường cơ sở theo phương ngang là 100m và theo phương đứng là 10m. Khu vực rừng khảo sát có độ cao trung bình của cây là 18m trên địa hình tương đối bằng phẳng, có diện tích 2.6 Ha với mật độ 1000 cây/Ha. Hình 1(a) thể hiện ảnh màu Pauli của khu vực rừng quan sát với kích thước 143×131 điểm ảnh. Hình 1(b) là đồ thị so sánh độ cao rừng ước lượng từ phương pháp đề xuất (số 1 màu đỏ) với mô hình chuyển đổi ba trạng thái (số 2 màu xanh). Bảng (1) trình bày kết quả so sánh các tham số rừng ước lượng từ phương pháp đề xuất với mô hình chuyển đổi ba trạng thái. Trong mô hình chuyển đổi ba trạng thái, độ cao rừng được ước lượng qua ba giai đoạn. Độ cao rừng được ước lượng trong giai đoạn cuối của mô hình chuyển đổi. Trong giai đoạn này, tác giả đã giả định rằng không có bất kỳ thành phần tán xạ trực tiếp từ mặt đất 1 2 Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 42, 04 - 2016 49 trong kênh phân cực hv, khi đó  , 0expest v hv j     . Dựa trên giả định này, Cloude đã tạo ra một bảng tra cứu cho kết hợp giao thoa kênh phân cực hv theo độ cao rừng và hệ số suy giảm sóng tán xạ trong môi trường truyền. Bằng cách so sánh giữa ,est v với bảng tra cứu có thể thu được độ cao của rừng. Mặt khác, độ cao rừng trong mô hình chuyển đổi ba trạng thái trở nên không còn chính xác với những khu vực rừng có mật độ dày đặc, nguyên nhân chính là do sự suy hao mạnh của sóng điện từ trường trong môi trường. Do vậy từ hình 1(b) và bảng (1) ta có thể khẳng định rằng, thuật toán đề xuất có độ chính xác cao hơn so với mô hình chuyển đổi ba trạng thái. Độ cao cây trong toàn bộ cánh rừng khảo sát được ước lượng từ phương pháp đề xuất được trình bày trên hình 2. Trong hình này ta thấy rằng, độ cao rừng chủ yếu ở độ cao xấp xỉ 18m, ngoại trừ tại môt số điểm ảnh thì độ cao rừng là bị ước lượng vượt mức tuy nhiên hầu hết các độ cao rừng tại những điểm ảnh này đều nhỏ hơn 22m. Trong thực tế, do cấu trúc của rừng thì độ cao rừng có thể cao hơn các giá trị này, do vậy ta có thể khẳng định rằng kết quả này có thể chấp nhận được. Như vậy, phương pháp đề xuất cho chúng ta một kết quả tương đối chính xác với độ sai số nhỏ. Để đánh giá sâu hơn hiệu quả của phương pháp đề xuất, chúng tôi lấy ngẫy nhiên 200 điểm ảnh bất kỳ theo hướng phương vị trong vùng khảo sát. Các tham số chính của rừng được ước lượng bởi phương pháp đề xuất trong 200 điểm ảnh khảo sát được thể hiện trên hình 3. Hình 3 là các đồ thị biểu diễn giá trị và độ lệch chuẩn của các tham số rừng được xác định từ phương pháp đề xuất. Trong hình 3(a) ta thấy rằng độ cao rừng thay đổi từ 13m đến 23.5m, tuy nhiên tập trung chủ yếu là xung quanh độ cao 18m. Pha của địa hình mặt đất thay đổi trong dải từ -1 đến 1 rad (hình 3(b)), hệ số dị hướng và mức độ định hướng ngẫu nhiên của tán cây lần lượt thay đổi xung quanh các giá trị 1 và 0.35 (hình 3(c) và hình 3(d)). Hình 2. Độ cao rừng được ước lượng từ phương pháp đề xuất. Hình 3. Tham số rừng được ước lượng từ phương pháp đề xuất. 4. KẾT LUẬN Bài báo đã nghiên cứu và xây dựng một phương pháp nâng cao độ chính xác cho ước lượng độ cao của mục tiêu tự nhiên từ dữ liệu PolInSAR. Trong phương pháp đề xuất, các tham số của thành phần tán xạ ngẫu nhiên từ tán cây được xác định thông qua kỹ thuật phân hoạch mục tiêu với ma trận kết hợp rút gọn. Ngoài ra, pha của địa hình mặt đất được xây dựng dựa trên nguyên lý tập kết hợp giao thoa. Kết quả mô phỏng chỉ ra rằng, phương Ra đa B.N. Thủy, P.M. Nghĩa, “Nâng cao độ chính xác ước lượng giao thoa phân cực băng L.” 50 pháp đề xuất đã cải thiện đáng kể độ chính xác cho ước lượng độ cao rừng và pha của địa hình, và còn có thể khôi phục trực tiếp các tham số khác của rừng như: tính dị hướng, mức độ định hướng ngẫu nhiên, độ suy hao của sóng trong môi trường. Những nghiên cứu sâu hơn về mặt lý thuyết cũng như thực nghiệm sẽ tiếp tục được thực hiện trong tương lai gần để nâng cao hơn nữa hiệu quả cho phương pháp đề xuất. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. S. R. Cloude and K. P. Papathanassiou. “Three-stage inversion process for polarimetric SAR interferometric”, IEE Proceedings radar, Sonar and Navigation, 2003, vol. 150, issue 3, pp. 125-134. [2]. H. Yamada, Y. Yamaguchi, Y. Kim, E. Rodriguez, W. M. Boener. Polarimetric SAR interferometry for forest analysis based on the ESPRIT algorithm. IEICE Transaction on Electron, 2001, vol E 84-C, no. 12, pp. 1917-2014. [3]. J.D. Ballester-Bermand and J.M. Lopez-Sanchez. “Applying the Freeman-Durden decomposition concept to polarimetric SAR interferometry,” IEEE Transaction on Geoscience and Remote Sensing, 2010, vol. 48, no. 1, pp. 466-479. [4]. S.R. Cloude. “Polarization application in remote sensing”, Oxford University Press, New York , 2009. [5]. M. Neumann, L. F. Famil and A. Reigber. “Estimation of forest structure, ground and canopy layer characteristics from multi-baseline polarimetric interferometric SAR data”, 2010, IEEE Transaction on Geoscience and Remote Sensing, vol.48, no. 3, pp: 1086-1103 [6]. M. L. Williams. “PolSARproSim: A coherent, Polarimetric SAR simulation of Forest for PolSARPro”, http//earth.eo.esa.int/polsarpro/SimulatedDataSources.html, 2006. ABSTRACT IMPROVE THE ACCURACY OF FOREST HEIGHT ESTIMATION FORM L-BAND POLINSAR IMAGE Forest height is important information for many forest monitoring, modeling and management activities. In addition, this factor is also a standard parameter in the assessment procedure of the relative between the ecosystem creature and environment. This paper proposes a novel algorithm to improve the accuracy of forest height estimation employing L-band PolInSAR data. The proposed algorithm is built based on an optimisation of parameters of the target partition technology combined with combination set. The proposed algorithm effect is evaluated using data created from the PolSARProSim simulation software. The experimental results show that the measurement accuracy of the proposed algorithm is improved significantly. Keywords: Polarimetric Interferometric Synthetic Aperture Radar, Forest height, Combination set. Nhận bài ngày 05 tháng 10 năm 2015 Hoàn thiện ngày 09 tháng 3 năm 2016 Chấp nhận đăng ngày 20 tháng 4 năm 2016 Địa chỉ: 1Viện Điện tử - Viện Khoa học và Công nghệ quân sự; 2Khoa Vô tuyến Điện tử - Học viện Kỹ thuật quân sự. *Email: thuybn78@gmail.com.