Tài liệu Nghiên cứu đề xuất phương pháp nhận dạng và phân loại vết dầu trên biển từ tư liệu viễn thám siêu cao tần

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT LÊ MINH HẰNG NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT PHƢƠNG PHÁP NHẬN DẠNG VÀ PHÂN LOẠI VẾT DẦU TRÊN BIỂN TỪ TƢ LIỆU VIỄN THÁM SIÊU CAO TẦN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT LÊ MINH HẰNG NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT PHƢƠNG PHÁP NHẬN DẠNG VÀ PHÂN LOẠI VẾT DẦU TRÊN BIỂN TỪ TƢ LIỆU VIỄN THÁM SIÊU CAO TẦN Ngành : Kỹ thuật Trắc địa – Bản đồ Mã số : 62520503 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH DƢƠNG 2. PGS.TS TRẦN ĐÌNH TRÍ Hà Nội - 2013 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng đây là công trình nghiên cứu của riêng bản thân tôi. Toàn bộ quá trình nghiên cứu được tiến hành một cách khoa học, các số liệu, kết quả trình bày trong luận án là chính xác, trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án Lê Minh Hằng ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................. i MỤC LỤC…. ........................................................................................................ ii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT.................................................................. v DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................. vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ SƠ ĐỒ ...................................................... viii MỞ ĐẦU….. ......................................................................................................... 1 CHƢƠNG 1 .TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƢỚC VÀ TRÊN THẾ GIỚI .......................................................................................... 6 1.1. Đặt vấn đề .......................................................................................................6 1.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới ............................................6 1.3.Tổng quan về những kết quả nghiên cứu trong nƣớc ...............................11 1.4. Đánh giá kết quả nghiên cứu trong nƣớc và trên thế giới .......................13 1.5. Những vấn đề đƣợc phát triển trong luận án ............................................14 CHƢƠNG 2 . CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA QUÁ TRÌNH NHẬN DẠNG VÀ PHÂN LOẠI VẾT DẦU TRÊN BIỂN BẰNG TƢ LIỆU VIỄN THÁM SIÊU CAO TẦN………. .............................................................................................. 16 2.1. Đặc điểm hệ thống RADAR cửa mở tổng hợp (SAR) ..............................16 2.1.1. Hệ thống RADAR tạo ảnh ......................................................................16 2.1.2. Hệ thống RADAR cửa mở tổng hợp ......................................................18 2.2. Đặc điểm tín hiệu siêu cao tần thu nhận trên biển ..................................22 2.2.1. Cấu trúc bề mặt biển ...............................................................................22 2.2.2. Đặc điểm tín hiệu tán xạ phản hồi sóng siêu cao tần trên biển ..............23 2.3. Cơ sở khoa học của quá trình nhận dạng và phân loại vết dầu trên biển bằng tƣ liệu viễn thám siêu cao tần ...................................................................28 2.3.1. Đặc điểm hình ảnh vết dầu trên tư liệu ảnh SAR ...................................28 2.3.2. Nhận dạng và phân loại vết dầu trên biển từ tư liệu ảnh SAR ...............29 iii 2.4. Những ảnh hƣởng trong quá trình nhận dạng và phân loại vết dầu trên biển từ tƣ liệu ảnh SAR ......................................................................................31 2.4.1. Ảnh hưởng của tốc độ gió trên bề mặt biển ...........................................31 2.4.2. Ảnh hưởng của nhiễu hạt tiêu trên ảnh SAR ..........................................33 2.4.3. Ảnh hưởng của đặc điểm thu tín hiệu vệ tinh siêu cao tần.....................34 2.4.4. Ảnh hưởng của các vết nhiễu trên biển ..................................................38 2.4.5. Đặc điểm tư liệu ảnh SAR sử dụng phân tích vết dầu trên biển ............39 2.4.6. Ảnh hưởng bởi điều kiện khí tượng trên bề mặt biển ............................40 2.5. Kết luận chƣơng 2 ........................................................................................41 CHƢƠNG 3 . ĐỀ XUẤT PHƢƠNG PHÁP NHẬN DẠNG VÀ PHÂN LOẠI VẾT DẦU TRÊN BIỂN TỪ TƢ LIỆU VIỄN THÁM SIÊU CAO TẦN ...... 43 3.1. Tiền xử lý tƣ liệu viễn thám siêu cao tần ...................................................43 3.1.1. Chuyển đổi khuôn dạng gốc về khuôn dạng thống nhất ........................43 3.1.2.Loại bỏ vùng đất liền và hải đảo .............................................................52 3.1.3. Hiệu chỉnh hiệu ứng xa- gần nguồn phát sóng trên ảnh SAR ................55 3.1.4. Lọc nhiễu hạt tiêu trên ảnh SAR ............................................................61 3.2. Tách vết đen trên ảnh SAR .........................................................................62 3.2.1. Thuật toán tự động phân ngưỡng Huang ................................................62 3.2.2. Thuật toán nở vùng .................................................................................70 3.3. Nhận dạng và phân loại vết dầu và vết nhiễu............................................73 3.3.1. Các chỉ số hình dạng của vết dầu và vết nhiễu .......................................73 3.3.2. Tự động xác định đường biên và các chỉ số hình dạng vết dầu .............75 3.3.3. Nhận dạng và phân loại vết dầu và vết nhiễu trên tư liệu ảnh SAR .......77 3.4. Đề xuất phƣơng pháp nhận dạng và phân loại vết dầu trên biển từ tƣ liệu ảnh SAR ........................................................................................................91 3.5. Kết luận chƣơng 3 ........................................................................................94 CHƢƠNG 4 . THỬ NGHIỆM NHẬN DẠNG VÀ PHÂN LOẠI VẾT DẦU TRÊN BIỂN TỪ TƢ LIỆU VIỄN THÁM SIÊU CAO TẦN ......................... 96 4.1. Thiết kế hệ thống phát hiện vết dầu trên biển từ ảnh SAR .....................96 iv 4.1.1. Thiết kế chức năng các modul thành phần .............................................96 4.1.2. Sơ đồ thuật toán của chương trình thử nghiệm ......................................97 4.1.3. Tích hợp các modul và thiết kế hệ thống chương trình ..........................97 4.1.4. Phân tích các modul chính của chương trình .........................................98 4.1.5. Một số giải pháp thực tế thực hiện trong chương trình thử nghiệm .....100 4.2. Kết quả thử nghiệm nhận dạng và phân loại vết dầu trên biển bằng tƣ liệu ảnh SAR ......................................................................................................101 4.2.1. Cơ sở dữ liệu ảnh thử nghiệm ..............................................................101 4.2.2. Kết quả thử nghiệm nhận dạng và phân loại vết dầu trên biển từ ảnh SAR ................................................................................................................101 4.3. Kết luận chƣơng 4 ......................................................................................107 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ......................................................................... 109 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ ............... 112 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 114 PHỤ LỤC…. ..................................................................................................... 118 v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ALOS - Advanced Land Observing Satellite ASAR - Advanced Synthetic Aperture Radar CEOS – The Committee on Earth Observation Satellites CLAHE- Contrast Limited Adaptative Histogram Equalization (Cân bằng biểu đồ thích ứng giới hạn độ tương phản) DSD - Data set descriptor (Bảng mô tả dữ liệu) ESA - The European Space Agency (Cơ quan Hàng không vũ trụ Châu Âu) EnviSAT - Environmental Satellite (Vệ tinh EnviSAT) ERS - European Remote Sensing (Vệ tinh ERS) ERSDAC - Earth Remote Sensing Data Analysis Center (Trung tâm phân tích dữ liệu viễn thám Trái đất - Nhật Bản) FCM – Fuzzy C-Mean (Thuật toán phân hoạch mờ C-Mean) JAXA - Japan Aerospace Exploration Agency (Cơ quan khám phá hàng không vũ trụ Nhật Bản) GLCM – Grey level co-occurrence matrix (Ma trận tương quan mức độ xám) HCM – Hidden Markov Chain HH – horizontal transmitting, horizontal receiving (sóng truyền đi phân cực ngang, sóng thu nhận phân cực ngang) HV - horizontal transmitting, vertical receiving (sóng truyền đi phân cực ngang, sóng thu nhận phân cực dọc) KSAT - Kongsberg Satellite Services AS MLP – Multilayer Perceptron (Mạng nơ-ron nhiều lớp) MPH - Main Product Header (Phần tiêu đề chính) MODIS - Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer NRCS - Normalized Radar Cross Section (Hệ số tán xạ phản hồi chuẩn hóa trong mặt cắt ngang) NEST - Next ESA SAR toolbox (Phần mềm NEST SAR của Cơ quan Hàng không vũ trụ Châu Âu) vi PALSAR - Phased Array type L-band Synthetic Aperture Radar PRF - Pulse repetition frequency (Tần số lặp xung) RADAR - Radio Detection And Ranging RAR – Real Aperture Radar (Hệ thống radar cửa mở thực) SPH - Specific Product Header (Tiêu đề riêng) SAR - Synthetic Aperture Radar (Radar cửa mở tổng hợp) SNR - Signal to Noise Ratio (Tỷ số tín hiệu trên nhiễu) VH – vertical transmitting, horizontal receiving (sóng truyền đi phân cực dọc, sóng thu nhận phân cực ngang) VV - vertical transmitting, vertical receiving (sóng truyền đi phân cực dọc, sóng thu nhận phân cực dọc) WSM - Wide swath mode (Chế độ đường thu nhận rộng) vii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1. So sánh kết quả phân ngưỡng trên ảnh PALSAR................................ 70 Bảng 3.2. Phân tích các chỉ số nhận dạng vết dầu trên biển từ tư liệu ảnh SAR . 80 Bảng 3.3. Kết quả phân loại vết dầu và vết nhiễu sử dụng mạng nơ-ron MLP 8:8:2 .............................................................................................................................. 87 Bảng 3.4. Kết quả phân loại vết dầu và vết nhiễu sử dụng mạng nơ-ron MLP 4:4:2 .............................................................................................................................. 89 Bảng 4.1. Thông số của dữ liệu ảnh thử nghiệm ............................................... 101 viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ SƠ ĐỒ Hình 1.1. Vị trí các tàu cạnh vết dầu được phát hiện trên ảnh Envisat ASAR ...... 9 Hình 1.2. Mô hình hệ thống quan trắc ô nhiễm dầu trên biển bằng công nghệ viễn thám (đề tài KC.09.22/06-10) [3]......................................................................... 13 Hình 2.1. Đặc điểm thu nhận cạnh sườn của hệ thống radar tạo ảnh [21] ........... 16 Hình 2.2. Đặc điểm về độ phân giải của hệ thống radar [21] .............................. 17 Hình 2.3. Đặc điểm phân cực của sóng điện từ ................................................... 18 Hình 2.4. Cấu trúc của hệ thống radar cửa mở tổng hợp (SAR) [33] .................. 19 Hình 2.5. Định luật phản xạ Snell-Descartes trong điều kiện lý tưởng (trái), trong điều kiện thực tế (phải)......................................................................................... 21 Hình 2.6. Đặc điểm độ nhám bề mặt ảnh hưởng đến năng lượng tán xạ phản hồi trên ảnh SAR [33]........................................................................................................ 22 Hình 2.7.Độ thẩm thấu của sóng điện từ phụ thuộc vào độ mặn, tần số [26] ...... 25 Hình 2.8.Tán xạ Bragg giữa sóng siêu cao tần ( r ) và sóng biển ( B ) ........... 26 Hình 2.9. Mô tả chuyển động và thủy động lực học của sóng biển ..................... 27 Hình 2.10. Đặc điểm hình ảnh vết dầu trên ảnh SAR .......................................... 29 Hình 2.11. Phân biệt hình ảnh vết dầu và vết nhiễu trên ảnh SAR ...................... 30 Hình 2.12. Tốc độ gió ảnh hưởng đến phân tích vết dầu trên ảnh SAR [38] ...... 32 Hình 2.13. Hình dạng vết dầu đối với tốc độ gió khác nhau................................ 33 Hình 2.14. Hình dạng vết dầu bị biến đổi bởi hướng gió .................................... 33 Hình 2.15. Giá trị tán xạ phản hồi trung bình tại phân cực HH và VV [36] ........ 36 Hình 2.16. Ảnh hưởng của hiệu ứng xa – gần trên ảnh SAR [33] ....................... 37 Hình 2.17. Ảnh ALOS PALSAR đã đưa về giá trị  0 ....................................... 38 Hình 2.18. Các vết nhiễu trong phát hiện vết dầu trên tư liệu ảnh SAR [37] ...... 38 Hình 2.19. Tác động của môi trường tới vết dầu trên biển [37] .......................... 40 Hình 2.20. Đặc điểm hình ảnh vết dầu mới và vết dầu cũ trên ảnh SAR ............ 41 Hình 3.1. Sơ đồ thuật toán chuyển đổi khuôn dạng tư liệu ALOS PALSAR ...... 47 ix Hình 3.2. Kết quả chuyển đổi ảnh ALOS PALSAR Level 1.5 (JAXA) .............. 48 Hình 3.3. Kết quả chuyển đổi ảnh ALOS PALSAR Level 4.2 (ERSDAC) ........ 49 Hình 3.4. Cấu trúc chung của sản phẩm ASAR [16] ........................................... 49 Hình 3.5. Dữ liệu ảnh Envisat ASAR trước và sau hiệu chỉnh ............................ 51 Hình 3.6. Sơ đồ thuật toán đọc và hiệu chỉnh hình học ảnh ASAR ..................... 52 Hình 3.7. Cơ sở đường bờ biển khu vực biển Đông do GEBCO công bố ........... 53 Hình 3.8. Ảnh trước và sau khi loại bỏ vùng đất liền .......................................... 54 Hình 3.9. Ảnh ALOS PALSAR xoay vuông góc với tuyến bay ......................... 58 Hình 3.10. Đồ thị mặt cắt ngang tán xạ vuông góc với tuyến bay ....................... 59 Hình 3.11. Kết quả tách vết đen trước và sau khi hiệu chỉnh hiệu ứng xa-gần nguồn phát sóng .............................................................................................................. 60 Hình 3.12. Mặt cắt tán xạ vuông góc với tuyến bay trước hiệu chỉnh (trái) ........ 61 Hình 3.13. Kết quả lọc nhiễu với kích thước cửa sổ lọc (3x3) ............................ 62 Hình 3.14. So sánh phương pháp lọc nhiễu trung vị và trung bình ..................... 62 Hình 3.15. Kết quả phân ngưỡng bằng thuật toán Huang .................................... 67 Hình 3.16. Phân ngưỡng ảnh PALSAR (ERSDAC) thu nhận 20/04/2008 .......... 68 Hình 3.17. Phân ngưỡng ảnh PALSAR (JAXA) thu nhận 18/04/2007 ............... 69 Hình 3.18. Các điểm gieo mầm xác định bên trong vết dầu ................................ 71 Hình 3.19. Kết quả sử dụng thuật toán nở vùng trên ảnh PALSAR .................... 72 Hình 3.20. Tách vết dầu trên ảnh ALOS PALSAR thu nhận ngày 18/04/2007 .. 73 Hình 3.21. Sơ đồ thuật toán tự động vector hóa đường biên vết dầu .................. 76 Hình 3.22. Dữ liệu vector vết dầu trên ảnh phân loại ngày 20/04/2008 .............. 77 Hình 3.23. Dữ liệu vector vết nhiễu trên ảnh phân loại ngày 20/04/2008 ........... 77 Hình 3.24. Cấu trúc mạng nơ-ron nhân tạo [1] .................................................... 82 Hình 3.25. Cấu trúc mô hình mạng nơ-ron nhiều lớp [1] ................................... 83 Hình 3.26. Mô phỏng thuật toán lan truyền ngược trong mạng nơ-ron MLP...... 84 Hình 3.27. Phương pháp tự động nhận dạng và phân loại vết dầu trên biển ....... 92 Hình 3.28. Phương pháp bán tự động nhận dạng và phân loại vết dầu ............... 93 Hình 4.1. Sơ đồ thuật toán của chương trình thử nghiệm .................................... 97 x Hình 4.2. Thông tin về tốc độ gió trên biển Đông ............................................. 102 Hình 4.3. Vị trí của ảnh PALSAR thu nhận ngày 13/06/2007 .......................... 103 Hình 4.4. Dữ liệu ảnh gốc và vị trí phát hiện vết dầu ........................................ 103 Hình 4.5. Kết quả sau quá trình tiền xử lý ảnh thử nghiệm PALSAR ............... 104 Hình 4.6. Kết quả tách vết đen bằng thuật toán Huang ..................................... 104 Hình 4.7. Kết quả vector hóa đường biên vết dầu trên ảnh PALSAR ............... 105 Hình 4.8. Vị trí của ảnh ASAR thu nhận ngày 14/06/2008 ............................... 105 Hình 4.9. Dữ liệu ảnh gốc và vị trí vết dầu ........................................................ 106 Hình 4.10. Kết quả sau quá trình tiền xử lý ảnh thử nghiệm ASAR ................. 106 Hình 4.11. Kết quả tách vết đen bằng thuật toán Huang ................................... 107 Hình 4.12. Kết quả vector hóa đường biên vết dầu trên ảnh ASAR .................. 107 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Với điều kiện địa lý có đường bờ biển trải dài từ Bắc vào Nam, có nhiều khu vực khai thác dầu khí tại Biển Đông và nằm trên tuyến giao thông đường biển của thế giới nên Biển Đông Việt Nam là khu vực thường xuyên xảy ra các hiện tượng ô nhiễm dầu trên biển. Trong những năm gần đây, Việt Nam liên tục xảy ra các hiện tượng dầu tràn tại các vùng ven biển miền Trung mà không xác định được nguyên nhân. Hiện tượng dầu tràn chỉ được phát hiện khi dầu bị sóng biển đánh dạt vào bờ. Do không có hệ thống giám sát và phát hiện sớm ô nhiễm dầu trên biển nên Việt Nam hoàn toàn bị động trong việc ứng phó dầu tràn trên biển. Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, kỹ thuật viễn thám đang được ứng dụng để giám sát và phát hiện sớm các ô nhiễm dầu trên các vùng biển của thế giới, trong đó có hệ thống viễn thám RADAR. RADAR là hệ thống viễn thám siêu cao tần dạng chủ động, cho phép quan sát ngày cũng như đêm, trong mọi điều kiện thời tiết, không chịu ảnh hưởng của mây, sương mù trên bề mặt biển và có đường thu nhận rộng. Đây cũng là những ưu điểm của tư liệu viễn thám siêu cao tần so với các tư liệu viễn thám quang học trong việc giám sát và phát hiện sớm ô nhiễm dầu trên biển. Do đặc điểm thu nhận năng lượng tán xạ phản hồi của bộ cảm vệ tinh siêu cao tần và do sự suy giảm dao động của sóng biển tại vị trí vết dầu nên hình ảnh vết dầu trên tư liệu viễn thám siêu cao tần có sự khác biệt với vùng biển xung quanh, tạo điều kiện cho việc tự động hóa quá trình nhận dạng và phân loại vết dầu trên biển. Tuy nhiên, hiện nay các thông tin bổ trợ về các điều kiện khí tượng trên biển, hệ thống xử lý tư liệu viễn thám siêu cao tần tại Việt Nam còn hạn chế nên đòi hỏi cần có nghiên cứu đề xuất phương pháp nhận dạng và phân loại vết dầu trên biển từ tư liệu viễn thám siêu cao tần phù hợp với điều kiện thực tế tại Việt Nam. 2. Mục tiêu nghiên cứu - Nghiên cứu cơ sở khoa học và những yếu tố ảnh hưởng đến việc nhận dạng và phân loại vết dầu trên biển từ tư liệu ảnh SAR. 2 - Nghiên cứu các phương pháp nhận dạng và phân loại vết dầu trên biển từ tư liệu viễn thám siêu cao tần - Đề xuất phương pháp nhận dạng và phân loại vết dầu trên biển từ tư liệu viễn thám siêu cao tần phù hợp với điều kiện thực tế về tư liệu, về thông tin hỗ trợ trên biển của Việt Nam. 3. Đối tƣợng nghiên cứu - Đặc điểm thu nhận tín hiệu của vệ tinh siêu cao tần - Tác động của vết dầu đến sự suy giảm cường độ sóng biển và đặc điểm tín hiệu tán xạ phản hồi nhận được tại bộ cảm của vệ tinh siêu cao tần. - Các yếu tố nhiễu ảnh hưởng đến độ tin cậy của quá trình nhận dạng và phân loại vết dầu trên biển từ tư liệu viễn thám siêu cao tần. - Các phương pháp nhận dạng và phân loại vết dầu trên biển từ tư liệu viễn thám siêu cao tần. 4. Phạm vi nghiên cứu - Nội dung nghiên cứu của luận án là đề xuất phương pháp nhận dạng và phân loại những vết dầu xuất hiện trên biển không rõ nguồn gốc, chủ yếu do việc xả dầu trái phép của các tàu lưu thông trên biển từ tư liệu viễn thám siêu cao tần. - Khu vực nghiên cứu của luận án là khu vực biển Đông Việt Nam. - Luận án nghiên cứu khả năng sử dụng của tư liệu RADAR tạo ảnh cửa mở tổng hợp (SAR), với hai dạng dữ liệu chính là dữ liệu siêu cao tần kênh L (dữ liệu PALSAR của vệ tinh ALOS), dữ liệu siêu cao tần kênh C (dữ liệu ASAR của vệ tinh EnviSAT). 5. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu nguyên lý và khả năng nhận dạng và phân loại vết dầu trên biển từ tư liệu ảnh SAR. - Đề xuất quy trình nhận dạng và phân loại vết dầu trên biển từ tư liệu ảnh SAR phù hợp với đặc điểm tư liệu ảnh SAR thu nhận tín hiệu trên biển và trong chế độ thu nhận diện rộng. - Xây dựng chương trình thử nghiệm nhận dạng và phân loại vết dầu và vết 3 nhiễu trên ảnh viễn thám siêu cao tần. 6. Phƣơng pháp nghiên cứu - Phương pháp phân tích, tổng hợp các tài liệu bao gồm các bài báo khoa học đã được công bố trên thế giới và trong nước, các kết quả nghiên cứu đã đạt được của các hệ thống giám sát và phát hiện sớm ô nhiễm dầu trên biển đang được triển khai trong thực tế và các modul phần mềm phát hiện vết dầu từ tư liệu ảnh SAR đã được công bố trên thế giới. Từ đó, đề xuất phương pháp luận phù hợp, có tính khả thi cao trong điều kiện hiện nay tại Việt Nam . - Nghiên cứu thử nghiệm các thuật toán xử lý ảnh, các thuật toán nhận dạng và phân loại vết dầu trên biển từ tư liệu ảnh SAR, tiến hành so sánh và chọn lọc các mô hình thuật toán phù hợp với mục đích nghiên cứu của luận án. 7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 7.1. Ý nghĩa khoa học của luận án - Nội dung nghiên cứu của luận án giúp hệ thống đầy đủ cơ sở khoa học về nhận dạng và phân loại vết dầu trên biển từ tư liệu viễn thám siêu cao tần. - Xây dựng được phương pháp nhận dạng và phân loại vết dầu trên biển từ tư liệu ảnh SAR. - Luận án đã đóng góp một phần trong việc thực hiện nhiệm vụ nghiên cứu khoa học của đề tài nghiên cứu cấp Nhà nước về “Ô nhiễm dầu trên vùng biển Đông Việt Nam” với mã số KC09.22/06-10 do PGS.TS Nguyễn Đình Dương làm chủ nhiệm đề tài. 7.2. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài - Nâng cao khả năng ứng dụng của tư liệu ảnh SAR trong việc giám sát và phát hiện sớm ô nhiễm dầu ngoài khơi biển Đông Việt Nam. - Cung cấp những đánh giá đầy đủ về mặt lý thuyết cũng như kết quả nghiên cứu thử nghiệm của các phương pháp nhận dạng và phân loại vết dầu trên biển từ tư liệu viễn thám siêu cao tần với các bước sóng khác nhau như tư liệu viễn thám siêu cao tần kênh L (vệ tinh ALOS) và tư liệu viễn thám siêu cao tần kênh C (vệ tinh EnviSAT). 4 8. Những luận điểm bảo vệ của luận án Luận điểm 1: Tư liệu ảnh SAR đã được chuẩn hóa trong mặt cắt ngang vẫn tồn tại hiệu ứng xa – gần nguồn phát sóng trên tư liệu ảnh SAR. Hiệu ứng xa – gần nguồn phát sóng ảnh hưởng đến khả năng tự động hóa tách vết đen trên ảnh SAR bằng thuật toán phân ngưỡng tổng thể. Luận điểm 2: Phương pháp tách vết đen bằng thuật toán nở vùng ứng dụng hiệu quả trong trường hợp vết dầu tồn tại lâu trên biển và đã bị phong hóa theo thời gian. Hình ảnh vết dầu trong trường hợp này có độ tương phản không cao so với hình ảnh của bề mặt biển trên ảnh SAR và bản thân hình ảnh vết dầu có nhiều ngưỡng độ xám khác nhau. Luận điểm 3: Phương pháp nhận dạng và phân loại vết dầu trên biển từ tư liệu viễn thám siêu cao tần được đề xuất trong luận án có thể thực hiện được trong điều kiện về tư liệu, cơ sở hạ tầng thông tin hiện có tại Việt Nam. 9. Những điểm mới của luận án 9.1. Đề xuất phương pháp tự động hóa quá trình nhận dạng và phân loại vết dầu trên biển từ tư liệu ảnh SAR. 9.2. Đề xuất phương pháp hạn chế ảnh hưởng của hiệu ứng xa gần nguồn phát sóng của vệ tinh siêu cao tần trên tư liệu ảnh SAR trong việc nhận dạng và phân loại vết dầu trên biển. Hiệu ứng xa - gần nguồn phát sóng này tồn tại trên các dạng tư liệu viễn thám siêu cao tần, đặc biệt đối với các chế độ đường chụp rộng. 9.3. Nghiên cứu ứng dụng của mạng nơ – ron nhiều lớp MLP trong nhận dạng và phân loại vết dầu và vết nhiễu trên biển từ tư liệu ảnh SAR với các số lượng tham số đầu vào của mạng nơ-ron khác nhau. 10. Khối lƣợng và kết cấu luận án Kết cấu luận án bao gồm các phần chính như sau: Mở đầu Chương 1. Tổng quan về tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới Chương 2. Cơ sở khoa học của quá trình nhận dạng và phân loại vết dầu trên biển bằng tư liệu viễn thám siêu cao tần 5 Chương 3. Đề xuất phương pháp nhận dạng và phân loại vết dầu trên biển từ tư liệu viễn thám siêu cao tần Chương 4.Thử nghiệm nhận dạng và phân loại vết dầu trên biển từ tư liệu viễn thám siêu cao tần Kết luận và kiến nghị Danh mục công trình công bố của tác giả Tài liệu tham khảo Phụ lục Luận án được trình bày trong 111 trang, 61 hình vẽ và sơ đồ, 04 bảng biểu. 6 CHƢƠNG 1 . TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƢỚC VÀ TRÊN THẾ GIỚI 1.1. Đặt vấn đề RADAR là hệ thống viễn thám siêu cao tần chủ động được ứng dụng trong giám sát và phát hiện sớm các ô nhiễm dầu trên biển. Hệ thống RADAR có ưu điểm là thu nhận dữ liệu cả ngày và đêm, trong mọi điều kiện thời tiết, không ảnh hưởng bởi mây, sương mù và có đường thu nhận rộng từ 250km đến 400km. Tư liệu RADAR tạo ảnh cửa mở tổng hợp (SAR) là tư liệu chính được sử dụng trong các hệ thống giám sát và phát hiện vết dầu trên biển hiện nay. Sự suy giảm dao động sóng biển tại vị trí vết dầu tạo vết đen trên ảnh SAR. Tuy nhiên một số yếu tố gây nhiễu như vùng lặng gió trên biển, khuất địa hình hoặc cản gió gần bờ tạo nên những báo động giả về ô nhiễm dầu trên ảnh SAR. Điều kiện về tốc độ gió trên bề mặt biển cũng là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng tới việc phát hiện vết dầu bằng công nghệ này. Gió quá mạnh hoặc quá yếu đều không thuận lợi cho việc sử dụng tư liệu ảnh RADAR. Mặc dù có một số ảnh hưởng trong quá trình phân loại vết dầu và không xác định được độ dày lớp dầu nhưng tư liệu ảnh SAR vẫn là một công cụ viễn thám quan trọng trong giám sát và phát hiện sớm ô nhiễm dầu trên biển. Việc ứng dụng tư liệu ảnh SAR trong phát hiện sớm ô nhiễm dầu trên biển đang được các nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm nghiên cứu. Quá trình nhận dạng và phân loại vết dầu trên biển từ tư liệu ảnh SAR gồm các bước chính như bước tiền xử lý ảnh, tách vết đen trên ảnh SAR, nhận dạng và phân loại vết dầu và vết nhiễu. Các kết quả nghiên cứu được thực hiện trên các dạng tư liệu khác nhau, các bước xử lý khác nhau nhằm mục đích nâng cao khả năng tự động hóa trong việc nhận dạng và phân loại vết dầu trên biển từ tư liệu ảnh SAR. 1.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới Vấn đề nghiên cứu khả năng sử dụng tư liệu viễn thám siêu cao tần và đặc biệt là tư liệu ảnh SAR để phát hiện sớm vết dầu tràn trên biển được nghiên cứu từ 7 năm 1992, tác giả Bern đã sử dụng tư liệu ảnh SAR của vệ tinh ERS -1, kênh C để nghiên cứu khả năng phát hiện vết dầu trên bề mặt biển [11]. Phương pháp phát hiện vết dầu trên tư liệu ảnh SAR được thực hiện giải đoán bằng mắt và kết quả phân tích trên tư liệu ảnh vệ tinh được kiểm tra trực tiếp bằng máy bay. Tác giả Bern cũng nhấn mạnh ảnh hưởng các điều kiện tự nhiên trên biển tới kết quả nhận dạng và phân loại vết dầu bằng tư liệu ảnh SAR. Tư liệu thử nghiệm trong các nghiên cứu được công bố tại các tạp chí khoa học trên thế giới chủ yếu là tư liệu ERS – 1,2, EnviSat ASAR, Radarsat, TerraSARX với nhiều mức xử lý khác nhau và cho các kết quả như sau: - Về quá trình tiền xử lý ảnh: Tư liệu ảnh SAR đã được xử lý về mặt bức xạ cũng như hình học nhưng vẫn cần các bước tiền xử lý ảnh như loại bỏ vùng đất liền, lọc nhiễu ảnh và chuẩn hóa tư liệu trong mặt cắt ngang. Các phương pháp lọc nhiễu được sử dụng chủ yếu là phương pháp Gamma, Frost, Lee…. Tuy nhiên, chưa có tài liệu đề cập về việc loại bỏ ảnh hưởng xa – gần nguồn phát sóng trong quá trình tiền xử lý ảnh phục vụ cho việc phát hiện vết dầu trên ảnh SAR. - Về phát hiện và khoanh vùng các vết đen: Độ nhớt và sức căng mặt ngoài của dầu đã làm suy giảm dao động sóng biển tại vị trí vết dầu, dẫn đến sự suy giảm năng lượng tán xạ phản hồi tại bộ cảm của vệ tinh siêu cao tần nên vết dầu thường có hình ảnh là các vết đen trên ảnh SAR. Các kết quả nghiên cứu đã khẳng định có thể sử dụng phương pháp phân ngưỡng để phát hiện và khoanh vùng vết đen trên ảnh [6]. Hiện nay, có hai phương pháp xác định ngưỡng, đó là phương pháp xác định ngưỡng tổng thể và phương pháp xác định ngưỡng thích ứng theo cửa sổ. Phương pháp xác định ngưỡng tổng thể là xác định một ngưỡng T cho toàn bộ ảnh. Trong đó, với giá trị độ xám nhỏ hơn T sẽ là vết đen và giá trị độ xám lớn hơn T sẽ là vùng biển. Phương pháp phân phân ngưỡng thích ứng sẽ tìm kiếm ngưỡng T trong giới hạn cửa sổ tìm kiếm có kích thước NxN [12]. Tuy nhiên, do bản chất của việc thu nhận tín hiệu của vệ tinh siêu cao tần nên hình ảnh trên ảnh SAR thường bị nhiễu hạt tiêu, do đó việc sử dụng thuật toán 8 phân ngưỡng gặp khó khăn. Một số kết quả nghiên cứu đề xuất sử dụng các phương pháp tách vết dầu trên ảnh SAR bằng thuật toán lọc biên Laplace of Gaussian (LoG) và Difference of Gaussian (DoG) hoặc sử dụng mô hình Hidden Markov Chain (HMC) [28] để phân đoạn ảnh, thuật toán Constant False Alarm Rate (CFAR) [10], thuật toán phân cụm mờ C-means (FCM) [35]. Các kết quả đạt được tương đối khả quan, phụ thuộc vào đặc điểm của từng tư liệu sử dụng. - Về xác định các chỉ số đặc trưng: Trên ảnh SAR sẽ có những vết nhiễu gây ra bởi các vùng lặng gió ven bờ, các tảng băng trôi và một số hiệu ứng bề mặt biển cũng tạo nên những vệt đen tương tự trên ảnh SAR. Vì vậy độ tin cậy nhận dạng và phân loại vết dầu trên ảnh SAR phụ thuộc vào kết quả phân biệt vết dầu và vết nhiễu. Do đặc điểm hình dạng của các vết dầu không rõ nguồn gốc trên biển thường là dạng hình tuyến nên các phương pháp nhận dạng và phân loại vết dầu trên ảnh SAR đều dựa trên các chỉ số đặc trưng hình dạng của vết đen được xác định trên ảnh. Sau khi tách vết đen trên ảnh, các chỉ số đặc trưng hình dạng của từng vết sẽ được tính toán. Một số thông số đặc trưng hình dạng cơ bản được sử dụng cho nhận dạng và phân loại tự động vết dầu bao gồm các chỉ số: 1. Đặc trưng hình học và hình dạng của vết đen bao gồm: đặc điểm hình học và hình dạng được áp dụng ở tất cả các phương pháp phân loại. Các chỉ số đặc trưng hình học và hình dạng bao gồm: diện tích, chu vi của vết dầu, tỷ số giữa chiều rộng và chiều dài của các vết đen [7]. Ngoài ra, chỉ số đặc trưng cho độ phức tạp của đối tượng cũng được sử dụng [24]. 2. Đặc tính vật lý của mức độ tán xạ của từng vệt đen và vùng xung quanh: Thông tin về gradient của năng lượng tán xạ phản hồi là thông tin quan trọng được đưa vào phương pháp phân loại theo mạng nơ-ron. Độ lệch chuẩn giá trị năng lượng tán xạ phản hồi giữa vùng biển và vệt dầu thường là 13, 14, 15. Giá trị này thường bị ảnh hưởng bởi tốc độ gió bề mặt và thường có giá trị cao đối với các vệt nhiễu. 3. Đặc điểm vị trí của vệt đen: Đối với những vết đen ở gần bờ biển có thể là những yếu tố nhiễu gây ra bởi vùng lặng gió ven bờ, còn những vết đen gần vị trí