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