Thứ 6, 24/09/2021 - 01:30
A- A A+ | Tăng tương phản Giảm tương phản

Phát hiện sự thay đổi bề mặt địa hình trái đất sử dụng mạng nơ-ron nhân tạo ICM

Ảnh vệ tinh đa thời gian được được ứng dụng rộng rãi trong phát hiện biến động lớp phủ bề mặt trái đất. Cách tiếp cận có giám sát được áp dụng để đánh giá định lượng chính xác sự biến động của các lớp đối tượng cơ bản của lớp phủ như: lớp đối tượng nhà đô thị, lớp đối tượng mặt nước, lớp đối tượng đất trống…Trong những năm gần đây mạng nơ ron nhân tạo đồng xung ICM đã được ứng dụng trong xử lý ảnh đa thời gian để phát hiện sự thay đổi các đối tượng trên ảnh. Một đặc điểm ưu việt của kiểu mạng nơ ron nhân tạo này là tính bất biến với phép dịch, tỷ lệ và phép quay của ảnh. Tuy nhiên, với các loại ảnh vệ tinh có chất lượng tín hiệu thu nhận khác nhau cần có các khảo sát cụ thể. Trong nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu của TS. Đào Khánh Hoài, Học viện Kỹ thuật quân sự đã khảo sát thực nghiệm phương pháp không giám sát sử dụng mạng nơ ron nhân tạo đồng xung ICM để phát hiện thay đổi bề mặt trái đất trên ảnh vệ tinh đa thời gian độ phân giải siêu cao.

Trong viễn thám việc phát hiện các vùng bị thay đổi trên các ảnh chụp cùng cảnh một khu vực ở các thời điểm khác nhau nhận được sự quan tâm đặc biệt do có liên quan đến số lượng lớn các ứng dụng khác nhau như phân tích sự thay đổi loại hình sử dụng đất, phân tích sự dịch chuyển của cơ cấu trồng trọt, quan trắc ô nhiễm, đánh giá các vùng cháy rừng, phân tích các khu vực phá rừng, phân tích sự thay đổi của thực vật,…

Các phương pháp đánh giá sự biến động hiện tại trong lĩnh vực viễn thám có thể được phân ra làm hai nhóm giám sát và không giám sát. Các phương pháp đánh giá biến động này áp dụng trên ảnh vệ tinh đa thời gian đã được nghiên cứu và công bố trong nhiều tài liệu khác nhau. Các phương pháp có giám sát đòi hỏi sự có mặt dữ liệu đầu vào là các dữ liệu xác thực mặt đất như điểm khống chế, các mẫu học và mẫu kiểm tra. Trong khi đó, cách tiếp cận không giám sát phân tích sự thay đổi lớp phủ không cần sử dụng đến sự bổ sung các dữ liệu xác thực mặt đất. Nếu so sánh về độ chính xác thì các phương pháp phát hiện biến động có giám sát cho kết quả tốt hơn so với các phương pháp không giám sát. Các phương pháp phát hiện biến động không giám sát ảnh viễn thám bao gồm ba bước chính là tiền xử lý, so sánh ảnh và phân tích ảnh. Bước tiền xử lý thực hiện các phép xử lý đưa hai ảnh đa thời gian khớp về cùng một khung tọa độ, hiệu chỉnh loại bỏ tối đa ảnh hưởng của khí quyển để hai ảnh có thể so sánh được với nhau. Trong bước thứ hai sự khác biệt giữa hai ảnh đa thời gian được xác định bằng các toán tử khác nhau như phân tích véc tơ thay đổi (CVA – Change vector analysis), phân cụm ảnh tự động. Sau khi tính toán, tạo được ảnh khác biệt ảnh biến động cuối cùng nhận được thông qua phân tích ảnh bằng các phương pháp lấy ngưỡng có hoặc không ràng buộc quan hệ không gian. Ngưỡng có thể nhận được bằng phương pháp thử sai thủ công hoặc các kỹ thuật lấy ngưỡng tự động.

Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả tiếp cận bài toán phát hiện thay đổi trên ảnh vệ tinh dựa trên ứng dụng mạng nơ ron nhân tạo đồng xung ICM (Intersecting Cortical Model). ICM là phiên bản rút gọn của mạng nơ ron nhân tạo PCNN (Pulse Coupled Neural Network) mô phỏng hoạt động của các nơ ron vỏ não trực quan của mèo. Vỏ não trực quan là một phần bộ não mèo nơi nhận tín hiệu trực quan từ mắt và chuyển đổi tín hiệu ảnh về luồng các xung ảnh. Các xung sinh ra từ mỗi vòng lặp mạng ICM mô phỏng lại các dấu hiệu đặc trưng trên cảnh ảnh. Các véc tơ chuỗi các xung hai cảnh ảnh khác nhau được đối sánh làm cơ sở kết luận có hay không sự thay đổi trên hai cảnh ảnh. Ưu điểm chính của mô hình ICM là nó có cấu trúc đơn giản và hoạt động theo cơ chế không cần huấn luyện. Từ khi mạng PCNN được giới thiệu bởi Eckhon năm 1990 mô hình này đã chứng tỏ là một công cụ hiệu quả ứng dụng cho xử lý ảnh.

 

Ảnh minh họa bề mặt trái đất. Nguồn: Internet.

 

Bài toán phát hiện thay đổi trên ảnh mạng ICM có tính bất biến đổi với phép tỷ lệ, dịch, quay của các mẫu ảnh đầu vào. Vì vậy, việc ứng dụng mạng ICM để phát hiện tự động thay đổi các đối tượng trên nền địa hình thu được trên ảnh vệ tinh đa thời gian với các góc chụp khác nhau, độ dịch khác nhau, ở các khu vực không tiếp cận, không thể lấy mẫu xác thực, kiểm chứng như hải đảo, biên giới là cách tiếp cận hợp lý và khoa học.

Với cách tiếp cận như mô tả trong phần trên, các thay đổi nhỏ ở mức đối tượng cụ thể được phát hiện như tàu, máy bay, nhà ở... Ở các khung ảnh chỉ chứa một phần của đối tượng mới cũng được hệ thống mạng ICM phát hiện và đánh dấu có sự thay đổi. Với năm cặp mẫu ảnh đa thời gian độ phân giải cao chụp hai đảo Chữ thập và Phú Lâm, mạng ICM đã phát hiện được 28 vị trí thay đổi ở mức đối tượng cụ thể. Kiểm chứng bằng phương pháp phân tích hình ảnh trực quan cho thấy các vị trí phát hiện thay đổi là chính xác, ở mức đối tượng.

Kết luận, trong công tác trinh sát kỹ thuật các khu vực không tiếp cận như biên giới, hải đảo hay các vùng quan tâm khác, ảnh vệ tinh đa thời gian độ phân giải cao đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp thông tin về các cơ sở, trận địa quân sự. Giải đoán, làm tin từ ảnh vệ tinh là quy trình nhiều bước. Để hỗ trợ quá trình này thì việc phát hiện tự động những thay đổi bất thường trên ảnh làm tăng thêm khả năng tự động hóa đồng thời rút ngắn thời gian giải đoán ảnh bằng mắt thường. Cách tiếp cận truyền thống của bài toán phát hiện thay đổi trên ảnh vệ tinh đảm bảo độ chính xác nhất định là ứng dụng phương pháp phân loại đối tượng có giám sát làm cơ sở để đánh giá biến động. Cách tiếp cận này đòi hỏi sự có mặt của các cặp điểm khống chế trên hai ảnh thông qua đo đạc trực tiếp hoặc trích xuất từ bản đồ địa hình. Trong nghiên cứu này mô hình đơn giản ứng dụng mạng nơ ron ICM để phát hiện thay đổi trên hai ảnh vệ tinh đa thời gian do tác giả khảo sát, phân tích và đề xuất đã chứng tỏ được tính tiện lợi và hiệu quả trong phát hiện thay đổi ở các khu vực khó tiếp cận. Trong các nghiên cứu tiếp theo tác giả sẽ khai thác sâu hơn việc ứng dụng mạng ICM kết hợp với các công cụ khác như khớp ảnh tự động, nhận dạng đối tượng cụ thể.


Tác giả: CTTĐT
Tổng số điểm của bài viết là: 0 trong 0 đánh giá
Click để đánh giá bài viết

Lượt bình luận

Trường đánh đấu (*) là bắt buộc.

Tin liên quan