Độ phân giải không gian quan trắc ảnh hưởng kết quả thế nào?

Tác động của độ phân giải không dừng ở việc ảnh nhìn “rõ” hay “mờ”. Nó chi phối đối tượng nào có thể được phát hiện, ranh giới được xác định đến đâu, biến động nhỏ có bị bỏ sót hay không và một giá trị quan trắc đại diện cho một bề mặt đồng nhất hay hỗn hợp. Do đó, độ phân giải phù hợp phải được xác định từ quy mô của đối tượng môi trường và nhiệm vụ cần quan trắc.

Độ phân giải không gian quyết định kích thước đơn vị quan trắc nhỏ nhất

Về nguyên lý, độ phân giải không gian thường được biểu diễn bằng kích thước mặt đất tương ứng với một pixel. Pixel 10 m đại diện cho ô mặt đất khoảng 10 × 10 m, tức 100 m²; pixel 30 m đại diện cho khoảng 900 m². Khi kích thước pixel tăng từ 10 m lên 30 m, diện tích được tổng hợp trong một pixel tăng chín lần.

Sự khác biệt này quyết định lượng chi tiết không gian còn lại trong dữ liệu. Sentinel-2 cung cấp bốn dải phổ ở 10 m, sáu dải ở 20 m và ba dải ở 60 m; ESA xác định các dữ liệu này phục vụ những ứng dụng như theo dõi thảm thực vật, rừng, sử dụng đất, vùng nước nội địa và ven biển. European Space Agency 1 Landsat 8–9 chủ yếu cung cấp các dải phản xạ ở độ phân giải 30 m, dải toàn sắc 15 m và các dải nhiệt có độ phân giải thu nhận 100 m trước khi được nội suy về sản phẩm 30 m.

Vì vậy, một nguồn dữ liệu 30 m có thể phù hợp để nhận diện các mảng rừng, hồ hoặc vùng sử dụng đất tương đối lớn nhưng không mặc nhiên đủ để tách riêng những đối tượng chỉ rộng vài mét. Nếu mục tiêu quan trắc nhỏ hơn đáng kể so với footprint của pixel, tín hiệu của nó có thể bị pha trộn với môi trường xung quanh.

Pixel hỗn hợp làm giảm khả năng phân biệt các trạng thái môi trường

Một pixel chỉ phản ánh tốt một đối tượng khi phần lớn diện tích của pixel thuộc cùng một loại bề mặt. Khi pixel chứa đồng thời nước, đất, cây xanh, công trình hoặc các trạng thái khác nhau, cảm biến ghi nhận tín hiệu tổng hợp. Đây là hiện tượng mixed pixel hay pixel hỗn hợp.

Cơ chế này có ảnh hưởng trực tiếp đến phân loại lớp phủ và ước lượng các đại lượng môi trường. Một dải thực vật hẹp nằm sát đất trống có thể tạo ra giá trị phổ trung gian thay vì tín hiệu đại diện rõ cho thực vật. Tương tự, một vùng nước nhỏ nằm trong pixel chứa nhiều đất có thể không còn mang đặc trưng phổ điển hình của nước.

Ảnh hưởng của kích thước pixel đã được quan sát rõ trong nghiên cứu của USGS về lớp phủ tuyết. Khi dữ liệu được tổng hợp về 40 m, tỷ lệ pixel hỗn hợp trong các khu vực nghiên cứu dao động từ 25% đến 93%; ở 500 m, tỷ lệ này tăng lên 67%–100%. USGS Publications Điều đó cho thấy độ phân giải thô không chỉ làm mất chi tiết hình học mà còn có thể thay đổi bản chất của giá trị quan trắc vì mỗi pixel chứa nhiều trạng thái bề mặt hơn.

Tác động không giống nhau ở mọi cảnh quan. Một cánh rừng rộng, liên tục có thể vẫn được đại diện tương đối ổn định bằng pixel lớn, trong khi vùng ven đô, bờ sông, đất nông nghiệp chia ô nhỏ hoặc hệ sinh thái phân mảnh tạo ra nhiều pixel hỗn hợp hơn ở cùng một độ phân giải.

Độ phân giải ảnh hưởng trực tiếp đến phát hiện ranh giới và biến động

Giám sát môi trường thường không chỉ cần biết một trạng thái đang tồn tại mà còn cần biết trạng thái đó ở đâu, rộng bao nhiêu và thay đổi như thế nào. Độ phân giải không gian ảnh hưởng cả ba yêu cầu này.

Khi ranh giới đi qua pixel lớn, vị trí thực của đường bờ, mép rừng hoặc vùng ngập không được ghi nhận như một đường rõ ràng. Pixel tại ranh giới chứa tín hiệu của cả hai phía nên kết quả phân loại có thể dịch chuyển theo thuật toán, ngưỡng phân loại và tỷ lệ thành phần bên trong pixel. Với pixel nhỏ hơn, số lượng mẫu dọc theo ranh giới tăng lên và hình dạng đối tượng được bảo tồn tốt hơn.

Ảnh hưởng tương tự xảy ra khi theo dõi biến động. Nếu một khu vực suy giảm hoặc xuất hiện mới chỉ chiếm phần nhỏ của pixel, mức thay đổi trong tín hiệu tổng hợp có thể quá nhỏ để vượt ngưỡng phát hiện. Khi đối tượng chiếm nhiều pixel độc lập, thay đổi có khả năng được nhận diện rõ hơn và vị trí biến động cũng được khoanh vùng chính xác hơn.

Vì thế, hai hệ thống quan trắc có thể cùng theo dõi một hiện tượng nhưng tạo ra bản đồ khác nhau về diện tích và hình dạng nếu độ phân giải khác nhau. Đây là một hiệu ứng tỷ lệ cần được tính đến trước khi so sánh trực tiếp dữ liệu giữa các cảm biến hoặc giữa các sản phẩm đã được tái lấy mẫu.

Độ phân giải cần phù hợp với quy mô của hiện tượng môi trường

Không tồn tại một mức độ phân giải duy nhất tối ưu cho mọi bài toán. Yêu cầu thực tế phụ thuộc vào kích thước và mức độ không đồng nhất của đối tượng cần giám sát.

Một hệ thống quan trắc khu vực rộng có thể chấp nhận pixel hàng trăm mét nếu mục tiêu là theo dõi xu hướng của các khối thảm thực vật lớn. MODIS, chẳng hạn, có các mức độ phân giải mặt đất 250 m, 500 m và 1 km. STEP Ngược lại, nghiên cứu các dòng nước hẹp, mảng sinh cảnh nhỏ hoặc cấu trúc sử dụng đất phân mảnh đòi hỏi dữ liệu chi tiết hơn để hạn chế việc nhiều lớp phủ bị gộp vào cùng pixel.

Trong quan trắc chất lượng nước bằng viễn thám, một vấn đề tương tự xuất hiện khi hồ hoặc sông nhỏ có chiều rộng gần với kích thước pixel. Các tổng quan chuyên ngành chỉ ra rằng dữ liệu có độ phân giải không gian cao có lợi thế khi theo dõi các tuyến sông và hồ nhỏ, trong khi cảm biến có độ phân giải thô phù hợp hơn với quy mô vùng hoặc toàn cầu.

Do đó, “độ phân giải cao” chỉ có ý nghĩa khi gắn với độ lớn của đối tượng cần đo. Một pixel 10 m có thể rất chi tiết đối với mảng rừng rộng hàng kilômét nhưng vẫn quá lớn nếu nhiệm vụ là xác định một hành lang sinh thái chỉ rộng vài mét.

Độ phân giải cao hơn không tự động tạo ra kết quả quan trắc tốt hơn

Giảm kích thước pixel thường làm tăng khả năng mô tả chi tiết không gian, nhưng điều đó không đồng nghĩa mọi kết quả đều chính xác hơn. Giá trị của dữ liệu còn phụ thuộc vào độ phân giải phổ, độ phân giải thời gian, chất lượng hiệu chỉnh, nhiễu, mây và thuật toán phân tích.

Một ví dụ ngay trong Sentinel-2 cho thấy các dải phổ không cùng độ phân giải. Bốn dải có pixel 10 m, sáu dải 20 m và ba dải 60 m. Các dải 20 m được thiết kế cho những nhiệm vụ như tăng cường phân loại lớp phủ và truy xuất các tham số địa vật lý, còn các dải 60 m phục vụ hiệu chỉnh khí quyển và phát hiện mây ti. European Space Agency Như vậy, dải có pixel lớn hơn vẫn có thể chứa thông tin cần thiết mà một dải 10 m không cung cấp.

Việc nội suy một ảnh từ 30 m xuống lưới 10 m cũng không tạo ra chi tiết quan trắc thực tương đương cảm biến 10 m. Nó chỉ tạo thêm các ô raster bằng phương pháp tính toán từ tín hiệu ban đầu. Trường hợp Landsat cũng cho thấy cần phân biệt độ phân giải thu nhận với độ phân giải sản phẩm: các dải nhiệt Landsat 8–9 được thu ở 100 m nhưng được tái lấy mẫu về 30 m trong sản phẩm Level-1.

Bởi vậy, đánh giá dữ liệu chỉ dựa vào kích thước pixel có thể dẫn đến kết luận sai. Độ phân giải không gian phải được xem cùng loại cảm biến, dải phổ sử dụng và đặc tính của sản phẩm dữ liệu.

Chọn độ phân giải theo đối tượng và quyết định cần đưa ra

Điểm xuất phát nên là đơn vị môi trường nhỏ nhất mà kết quả cần phân biệt. Nếu nhiệm vụ yêu cầu xác định từng mảng nhỏ hoặc ranh giới hẹp, pixel phải đủ nhỏ để đối tượng không thường xuyên bị chìm trong các pixel hỗn hợp. Nếu mục tiêu chỉ là xu hướng ở quy mô lưu vực, vùng sinh thái hoặc khu vực rộng, dữ liệu trung bình hoặc thô có thể cung cấp đủ thông tin mà không cần tăng không cần thiết khối lượng xử lý.

Có thể kiểm tra tính phù hợp theo ba câu hỏi:

1.    Đối tượng cần phát hiện lớn bao nhiêu so với pixel?

2.    Một pixel có thường chứa nhiều loại bề mặt hay không?

3.    Kết quả cần xác định xu hướng tổng thể hay cần khoanh chính xác vị trí và ranh giới?

Khi đối tượng nhỏ, cảnh quan phân mảnh và yêu cầu định vị cao, nhu cầu về độ phân giải không gian tăng. Khi đối tượng lớn, tương đối đồng nhất và mục tiêu là theo dõi xu hướng diện rộng, pixel lớn hơn vẫn có thể đáp ứng nhiệm vụ.

Điều quan trọng là lựa chọn phải dựa trên scale của Information Task, không dựa đơn thuần vào nguyên tắc “pixel càng nhỏ càng tốt”.

Độ phân giải không gian ảnh hưởng đến giám sát môi trường bằng cách xác định diện tích mặt đất được tổng hợp trong mỗi pixel. Pixel càng lớn, khả năng xuất hiện tín hiệu hỗn hợp càng cao, khiến đối tượng nhỏ, ranh giới và biến động cục bộ khó được nhận diện; pixel nhỏ hơn giữ được nhiều chi tiết không gian hơn.

Tuy nhiên, chất lượng quan trắc không được quyết định bởi độ phân giải không gian một cách độc lập. Mức phù hợp phụ thuộc vào quy mô của hiện tượng cần giám sát, mức độ không đồng nhất của cảnh quan, loại dải phổ và quyết định mà dữ liệu phải hỗ trợ. Vì vậy, độ phân giải tốt nhất là độ phân giải đủ để hoàn thành nhiệm vụ quan trắc với mức chi tiết cần thiết, chứ không nhất thiết là giá trị nhỏ nhất có thể có.