Giáo trình Viễn thám

Nội dung text: Giáo trình Viễn thám

1. LỜI NÓI ĐẦU Để nhanh chóng phát triển công nghệ vũ trụ phục vụ cho phát triển kinh tế của đất nước, Nhà nước đã xây dựng đề án: "Kế hoạch tổng thể về ứng dụng và phát triển công nghệ viễn thám ở Việt Nam" nhằm hướng đến sự phát triển bền vững trên cơ sở sử dụng hợp lý tài nguyên thiên nhiên và bảo vệ môi trường. Nhằm góp phần giới thiệu nguyên lý và kỹ thuật cơ bản liên quan đến công nghệ viễn thám giúp cho sinh viên, học viên sau đại học ngành Quản lý đất đai, ngành Khoa học đất, ngành Môi trường cũng như cán bộ quan tâm đến lĩnh vực này chúng tôi biên soạn giáo trình VIỄN THÁM. Giáo trình này được biên soạn theo đề cương môn học VIỄN THÁM của khoa Tài nguyên và Môi trường, trường đại học Nông nghiệp Hà Nội. Giáo trình VIỄN THÁM này do PGS. TS Nguyễn Khắc Thời phó trưởng khoa Tài nguyên và Môi trường làm chủ biên và biên soạn chương 1; PGS. TS Phạm Vọng Thành biên soạn chương 3, ThS Trần Quốc Vinh biên soạn chương 2, chương 5 và ThS Nguyễn Thị Thu Hiền biên soạn chương 4. Giáo trình được xây dựng trên nguyên tắc cơ bản, hiện đại và Việt Nam giới thiệu những kiến thức cơ bản về lĩnh vực viễn thám trên thế giới và những ứng dụng cụ thể trong điều kiện nước ta. Trong quá trình biên soạn, các tác giả đã nhận được nhiều ý kiến đóng góp quý báu của các chuyên gia hoạt động trong lĩnh vực này, hy vọng giáo trình này sẽ là tài liệu học tập và tham khảo tốt cho sinh viên, học viên cao học ngành quản lý đất đai và khoa học đất. Tập thể tác giả xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội, khoa Tài nguyên và Môi trường và bộ môn Trắc điạ, Bản đồ và GIS đã tạo điều kiện cho cuốn giáo trình này sớm ra mắt bạn đọc. Mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng giáo trình này khó tránh khỏi những khiếm khuyết, rất mong các đồng nghiệp đóng góp ý kiến bổ sung để lần tái bản sau giáo trình được hoàn thiện hơn. Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về phòng Đào tạo trường đại học Nông nghiệp Hà Nội. Xin chân thành cảm ơn! T/m nhóm biên soạn PGS. TS Nguyễn Khắc Thời 1
2. Chương I KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ VIỄN THÁM Nội dung chính của chương trình bày những kiến thức cơ bản về viễn thám, bức xạ điện từ, các hệ thống phân loại ảnh viễn thám, phân loại bộ cảm. Các tư liệu sử dụng trong viễn thám và một số hệ thống vệ tinh viễn thám. Mục đích của chương giúp cho người đọc tiếp cận được cơ sở khoa học về viễn thám, quá trình hình thành và phát triển của viễn thám. Các hệ thống vệ tinh và khả năng ứng dụng của các tư liệu vệ tinh trong nghiên cứu tài nguyên môi trường. 1.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA VIỄN THÁM Viễn thám là một khoa học, thực sự phát triển mạnh mẽ qua hơn ba thập kỷ gần đây, khi mà công nghệ vũ trụ đã cho ra các ảnh số, bắt đầu được thu nhận từ các vệ tinh trên quĩ đạo của trái đất vào năm 1960. Tuy nhiên, viễn thám có lịch sử phát triển lâu đời, bắt đầu bằng việc chụp ảnh sử dụng phim và giấy ảnh. Từ thể kỷ XIX, vào năm 1839, Louis Daguerre (1789 - 1881) đã đưa ra báo cáo công trình nghiên cứu về hóa ảnh, khởi đầu cho ngành chụp ảnh. Bức ảnh đầu tiên, chụp bề mặt trái đất từ khinh khí cầu, được thực hiện vào năm 1858 do Gaspard Felix Tournachon - nhà nhiếp ảnh người Pháp. Tác giả đã sử dụng khinh khí cầu để đạt tới độ cao 80m, chụp ảnh vùng Bievre, Pháp. Một trong những bức ảnh tiếp theo chụp bề mặt trái đất từ khinh khí cầu là ảnh vùng Bostom của tác giả James Wallace Black, 1860. Việc ra đời của ngành hàng không đã thúc đẩy nhanh sự phát triển mạnh mẽ ngành chụp ảnh sử dụng máy ảnh quang học với phim và giấy ảnh, là các nguyên liệu nhạy cảm với ánh sáng (photo). Công nghệ chụp ảnh từ máy bay tạo điều kiện cho nghiên cứu mặt đất bằng các ảnh chụp chồng phủ kế tiếp nhau và cho khả năng nhìn ảnh nổi (stereo). Khả năng đó giúp cho việc chỉnh lý, đo đạc ảnh, tách lọc thông tin từ ảnh có hiệu quả cao. Một ngành chụp ảnh, được thực hiện trên các phương tiện hàng không như máy bay, khinh khí cầu và tàu lượn hoặc một phương tiện trên không khác, gọi là ngành chụp ảnh hàng không. Các ảnh thu được từ ngành chụp ảnh hàng không gọi là không ảnh. Bức ảnh đầu tiên chụp từ máy bay, được thực hiện vào năm 1910, do Wilbur Wright, một nhà nhiếp ảnh người Ý, bằng việc thu nhận ảnh di động trên vùng gần Centoceli thuộc nước Ý (bảng 1-1). Chiến tranh thế giới thứ nhất (1914 - 1918) đánh dấu giai đoạn khởi đầu của công nghệ chụp ảnh từ máy bay cho mục đích quân sự. Công nghệ chụp ảnh từ máy bay đã kéo theo nhiều người hoạt động trong lĩnh vực này, đặc biệt trong việc làm ảnh và đo đạc ảnh. Những năm sau đó, các thiết kế khác nhau về các loại máy chụp ảnh được phát triển mạnh mẽ. Đồng thời, nghệ thuật giải đoán không ảnh và đo đạc từ ảnh đã phát triển mạnh, là cơ sở hình thành một ngành khoa học mới là đo đạc ảnh (photogrametry). Đây là ngành ứng dụng thực tế trong việc đo đạc chính xác các đối tượng từ dữ liệu ảnh chụp. Yêu cầu trên đòi hỏi việc phát triển các thiết bị chính xác cao, đáp ứng cho việc phân tích không ảnh. Trong chiến tranh thế giới thứ hai (1939 - 2
3. 1945) không ảnh đã dùng chủ yếu cho mục đích quân sự. Trong thời kỳ này, ngoài việc phát triển công nghệ radar, còn đánh dấu bởi sự phát triển ảnh chụp sử dụng phổ hồng ngoại. Các bức ảnh thu được từ nguồn năng lượng nhân tạo là radar, đã được sử dụng rộng rãi trong quân sự. Các ảnh chụp với kênh phổ hồng ngoại cho ra khả năng triết lọc thông tin nhiều hơn. Ảnh mầu, chụp bằng máy ảnh, đã được dùng trong chiến tranh thế giới thứ hai. Việc chạy đua vào vũ trụ giữa Liên Xô cũ và Hoa Kỳ đã thúc đẩy việc nghiên cứu trái đất bằng viễn thám với các phương tiện kỹ thuật hiện đại. Các trung tâm nghiên cứu mặt đất được ra đời, như cơ quan vũ trụ châu Âu ESA (Aeropian Remote sensing Agency), Chương trình Vũ trụ NASA (Nationmal Aeromautics and Space Administration) Mỹ. Ngoài các thống kê ở trên, có thể kể đến các chương trình nghiên cứu trái đất bằng viễn thám tại các nước như Canada, Nhật, Pháp, Ấn Độ và Trung Quốc. Bức ảnh đầu tiên, chụp về trái đất từ vũ trụ, được cung cấp từ tàu Explorer-6 vào năm 1959. Tiếp theo là chương trình vũ trụ Mercury (1960), cho ra các sản phẩm ảnh chụp từ quỹ đạo trái đất có chất lượng cao, ảnh màu có kích thước 70mm, được chụp từ một máy tự động. Vệ tinh khí tượng đầu tiên (TIR0S-1), được phóng lên quĩ đạo trái đất vào tháng 4 năm 1960, mở đầu cho việc quan sát và dự báo khí tượng. Vệ tinh khí tượng NOAA, đã hoạt động từ sau năm 1972, cho ra dữ liệu ảnh có độ phân giải thời gian cao nhất, đánh dấu cho việc nghiên cứu khí tượng trái đất từ vũ trụ một cách tổng thể và cập nhật từng ngày. Bảng 1-1. Tóm tắt sự phát triển của viễn thám qua các sự kiện Thời gian Sự kiện (Năm) 1800 Phát hiện ra tia hồng ngoại 1839 Bắt đầu phát minh kỹ thuật chụp ảnh đen trắng 1847 Phát hiện cả dải phổ hồng ngoại và phổ nhìn thấy 1850-1860 Chụp ảnh từ khinh khí cầu 1873 Xây dựng học thuyết về phổ điện từ 1909 Chụp ảnh từ máy bay 1910-1920 Giải đoán từ không trung 1920-1930 Phát triển ngành chụp và đo ảnh hàng không 1930-1940 Phát triển kỹ thuật radar (Đức, Mỹ, Anh) 1940 Phân tích và ứng dụng ảnh chụp từ máy bay 1950 Xác định dải phổ từ vùng nhìn thấy đến không nhìn thấy 1950-1960 Nghiên cứu sâu về ảnh cho mục đích quân sự 12-4-1961 Liên xô phóng tàu vũ trụ có người lái và chụp ảnh trái đất từ ngoài vũ trụ. 1960-1970 Lần đầu tiên sử dụng thuật ngữ viễn thám 1972 Mỹ phóng vệ tinh Landsat-1 1970-1980 Phát triển mạnh mẽ phương pháp xử lý ảnh số Mỹ 1980-1990 phát triển thế hệ mới của vệ tinh Landsat 1986 Pháp phóng vệ tinh SPOT vào quĩ đạo 1990 đến nay Phát triển bộ cảm thu đa phổ, tăng dải phổ và kênh phổ, tăng độ phân giải bộ bộ cảm. Phát triển nhiều kỹ thuật xử lý mới. 3
4. Sự phát triển của viễn thám, đi liền với sự phát triển của công nghệ nghiên cứu vũ trụ, phục vụ cho nghiên cứu trái đất và các hành tinh và quyển khí. Các ảnh chụp nổi (stereo), thực hiện theo phương đứng và xiên, cung cấp từ vệ tinh Gemini (1965), đã thể hiện ưu thế của công việc nghiên cứu trái đất. Tiếp theo, tầu Apolo cho ra sản phẩm ảnh chụp nổi và đa phổ, có kích thước ảnh 70mm, chụp về trái đất, đã cho ra các thông tin vô cùng hữu ích trong nghiên cứu mặt đất. Ngành hàng không vũ trụ Nga đã đóng vai trò tiên phong trong nghiên cứu Trái Đất từ vũ trụ. Việc nghiên cứu trái đất đã được thực hiện trên các con tàu vũ trụ có người như Soyuz, các tàu Meteor và Cosmos (từ năm 1961), hoặc trên các trạm chào mừng Salyut. Sản phẩm thu được là các ảnh chụp trên các thiết bị quét đa phổ phân giải cao, như MSU-E (trên Meteor - priroda). Các bức ảnh chụp từ vệ tinh Cosmos có dải phổ nằm trên 5 kênh khác nhau, với kích thước ảnh 18 x 18cm. Ngoài ra, các ảnh chụp từ thiết bị chụp KATE-140, MKF-6M trên trạm quỹ đạo Salyut, cho ra 6 kênh ảnh thuộc dải phổ 0.40 đến 0.89m. Độ phân giải mặt đất tại tâm ảnh đạt 20 x 20m. Tiếp theo vệ tinh nghiên cứu trái đất ERTS(sau đổi tên là Landsat-1), là các vệ tinh thế hệ mới hơn như Landsat-2, Landsat-3, Landsat-4 và Landsat-5. Ngay từ đầu, ERTS-1 mang theo bộ cảm quét đa phổ MSS với bốn kênh phổ khác nhau, và bộ cảm RBV (Return Beam Vidicon) với ba kênh phổ khác nhau. Ngoài các vệ tinh Landsat-2, Landsat-3, còn có các vệ tinh khác là SKYLAB (1973) và HCMM (1978). Từ 1982, các ảnh chuyên đề được thực hiện trên các vệ tinh Landsat TM-4 và Landsat TM-5 với 7 kênh phổ từ dải sóng nhìn thấy đến hồng ngoại nhiệt. Điều này tạo nên một ưu thế mới trong nghiên cứu trái đất từ nhiều dải phổ khác nhau. Ngày nay, ảnh vệ tinh chuyên đề từ Landsat-7 đã được phổ biến với giá rẻ hơn các ảnh vệ tinh Landsat TM-5, cho phép người sử dụng ngày càng có điều kiện để tiếp cận với phương pháp nghiên cứu môi trường qua các dữ liệu vệ tinh (hình 1.1). H×nh 1.1. ViÔn th¸m tõ viÖc thu nhËn th«ng tin ®Õn ng êi sö dông (Theo Ravi Gupta, 1991) 4
5. Dữ liệu ảnh vệ tinh SPOT của Pháp khởi đầu từ năm 1986, trải qua các thế hệ SPOT-1, SPOT-2, SPOT-3, SPOT-4 và SPOT-5, đã đưa ra sản phẩm ảnh số thuộc hai kiểu phổ, đơn kênh (panchoromatic) với độ phân dải không gian từ 10 x 10m đến 2,5 x 2,5m, và đa kênh SPOT- XS (hai kênh thuộc dải phổ nhìn thấy, một kênh thuộc dải phổ hồng ngoại) với độ phân giải không gian 20 x 20m. Đặc tính của ảnh vệ tinh SPOT là cho ra các cặp ảnh phủ chồng cho phép nhìn đối tượng nổi (stereo) trong không gian ba chiều. Điều này giúp cho việc nghiên cứu bề mặt trái đất đạt kết quả cao, nhất là trong việc phân tích các yếu tố địa hình. Các ảnh vệ tinh của Nhật, như MOS-1, phục vụ cho quan sát biển (Marine Observation Satellite). Công nghệ thu ảnh vệ tinh cũng được thực hiện trên các vệ tinh của Ấn Độ IRS-1A, tạo ra các ảnh vệ tinh như LISS thuộc nhiều hệ khác nhau. Trong nghiên cứu môi trường và khí hậu trái đất, các ảnh vệ tinh NOAA có độ phủ lớn và có sự lặp lại hàng ngày, đã cho phép nghiên cứu các hiện tượng khí hậu xảy ra trong quyển khí như nhiệt độ, áp suất nhiệt đới hoặc dự báo bão. Sự phát triển trong lĩnh vực nghiên cứu trái đất bằng viễn thám được đẩy mạnh do áp dụng tiến bộ khoa học kỹ thuật mới với việc sử dụng các ảnh radar. Viễn thám radar tích cực, thu nhận ảnh bằng việc phát sóng dài siêu tần và thu tia phản hồi, cho phép thực hiện các nghiên cứu độc lập, không phụ thuộc vào mây. Sóng radar có đặc tính xuyên qua mây, lớp đất mỏng và thực vật và là nguồn sóng nhân tạo, nên nó có khả năng hoạt động cả ngày và đêm, không phụ thuộc vào nguồn năng lượng mặt trời. Các bức ảnh tạo nên bởi hệ radar kiểu SLAR được ghi nhận đầu tiên trên bộ cảm Seasat. Đặc tính của sóng radar là thu tia phản hồi từ nguồn phát với góc xiên rất đa dạng. Sóng này hết sức nhạy cảm với độ ghồ ghề của bề mặt vật, được chùm tia radar phát tới, vì vậy nó được ứng dụng cho nghiên cứu cấu trúc một khu vực nào đó. Công nghệ máy tính ngày nay đã phát triển mạnh mẽ cùng với các sản phẩm phần mềm chuyên dụng, tạo điều kiện cho phân tích ảnh vệ tinh dạng số hoặc ảnh radar. Thời đại bùng nổ của Internet, công nghệ tin học với kỹ thuật xử lý ảnh số, kết hợp với Hệ thông tin Địa lý (GIS), cho khả năng nghiên cứu trái đất bằng viễn thám ngày càng thuận lợi và đạt hiệu quả cao hơn. 1.2. KHÁI NIỆM CƠ BẢN CỦA VIỄN THÁM 1.2.1. Định nghĩa Viễn thám (Remote sensing - tiếng Anh) được hiểu là một khoa học và nghệ thuật để thu nhận thông tin về một đối tượng, một khu vực hoặc một hiện tượng thông qua việc phân tích tài liệu thu nhận được bằng các phương tiện. Những phương tiện này không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tượng, khu vực hoặc với hiện tượng được nghiên cứu. Thực hiện được những công việc đó chính là thực hiện viễn thám - hay hiểu đơn giản: Viễn thám là thăm dò từ xa về một đối tượng hoặc một hiện tượng mà không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tượng hoặc hiện tượng đó. 5
6. Mặc dù có rất nhiều định nghĩa khác nhau về viễn thám, nhưng mọi định nghĩa đều có nét chung, nhấn mạnh "viễn thám là khoa học thu nhận từ xa các thông tin về các đối tượng, hiện tượng trên trái đất". Dưới đây là định nghĩa về viễn thám theo quan niệm của các tác giả khác nhau. *Viễn thám là một nghệ thuật, khoa học, nói ít nhiều về một vật không cần phải chạm vào vật đó (Ficher và nnk, 1976). *Viễn thám là quan sát về một đối tượng bằng một phương tiện cách xa vật trên một khoảng cách nhất định (Barret và Curtis, 1976). *Viễn thám là một khoa học về lấy thông tin từ một đối tượng, được đo từ một khoảng cách cách xa vật không cần tiếp xúc với nó. Năng lượng được đo trong các hệ viễn thám hiện nay là năng lượng điện từ phát ra từ vật quan tâm (D. A. Land Grete, 1978). *Viễn thám là ứng dụng vào việc lấy thông tin về mặt đất và mặt nước của trái đất, bằng việc sử dụng các ảnh thu được từ một đầu chụp ảnh sử dụng bức xạ phổ điện từ, đơn kênh hoặc đa phổ, bức xạ hoặc phản xạ từ bề mặt trái đất (Janes B. Capbell, 1996). *Viễn thám là "khoa học và nghệ thuật thu nhận thông tin về một vật thể, một vùng, hoặc một hiện tượng, qua phân tích dữ liệu thu được bởi phương tiện không tiếp xúc với vật, vùng, hoặc hiện tượng khi khảo sát ".( Lillesand và Kiefer, 1986) *Phương pháp viễn thám là phương pháp sử dụng năng lượng điện từ như ánh sáng, nhiệt, sóng cực ngắn như một phương tiện để điều tra và đo đạc những đặc tính của đối tượng (Theo Floy Sabin 1987). 1.2.2. Nguyên lý cơ bản của viễn thám Sóng điện từ được phản xạ hoặc bức xạ từ vật thể là nguồn cung cấp thông tin chủ yếu về đặc tính của đối tượng. Ảnh viễn thám cung cấp thông tin về các vật thể tương ứng với năng lượng bức xạ ứng với từng bước sóng đã xác định. Đo lường và phân tích năng lượng phản xạ phổ ghi nhận bởi ảnh viễn thám, cho phép tách thông tin hữu ích về từng lớp phủ mặt đất khác nhau do sự tương tác giữa bức xạ điện từ và vật thể. Thiết bị dùng để cảm nhận sóng điện từ phản xạ hay bức xạ từ vật thể được gọi là bộ cảm biến.Bộ cảm biến có thể là các máy chụp ảnh hoặc máy quét.Phương tiện mang các bộ cảm biến được gọi là vật mang (máy bay, khinh khí cầu, tàu con thoi hoặc vệ tinh). Hình 1.2 thể hiện sơ đồ nguyên lý thu nhận ảnh viễn thám. Nguồn năng lượng chính thường sử dụng trong viễn thám là bức xạ mặt trời, năng lượng của sóng điện từ do các vật thể phản xạ hay bức xạ được bộ cảm biến đặt trên vật mang thu nhận. Thông tin về năng lượng phản xạ của các vật thể được ảnh viễn thám thu nhận và xử lí tự động trên máy hoặc giải đoán trực tiếp từ ảnh dựa trên kinh nghiệm của chuyên gia. Cuối cùng, các dữ liệu hoặc thông tin liên quan đến các vật thể và hiện thượng khác nhau trên mặt đất sẽ được ứng dụng vào trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: nông lâm nghiệp, địa chất, khí tượng, môi trường 6
7. Hình 1.2. Nguyên lý thu nhận dữ liệu viễn thám Toàn bộ quá trình thu nhận và xử lí ảnh viễn thám có thể chia thành 5 phần cơ bản như sau: - Nguồn cung cấp năng lượng. - Sự tương tác của năng lượng với khí quyển - Sự tương tác với các vật thể trên bề mặt đất - Chuyển đổi năng lượng phản xạ từ vật thể thành dữ liệu ảnh - Hiển thị ảnh số cho việc giải đoán và xử lí. Năng lượng của sóng điện từ khi lan truyền qua môi trường khí quyển sẽ bị các phân tử khí hấp thụ dưới các hình thức khác nhau tuỳ thuộc vào từng bước sóng cụ thể. Trong viễn thám, người ta thường quan tâm đến khả năng truyền sóng điện từ trong khí quyển, vì các hiện tưọng và cơ chế tương tác giữa sóng điện từ với khí quyển sẽ có tác động mạnh đến thông tin do bộ cảm biến thu nhận được. Khí quyển có đặc điểm quan trọng đó là tưong tác khác nhau đối với bức xạ điện từ có bước sóng khác nhau. Đối với viễn thám quang học, nguồn năng lượng cung cấp chủ yếu là do mặt trời và sự có mặt cũng như thay đổi các các phân tử nước và khí (theo không gian và thời gian) có trong lớp khí quyển là nguyên nhân gây chủ yếu gây nên sụ biến đổi năng lượng phản xạ từ mặt đất đến bộ cảm biến. Khoảng 75% năng lượng mặt tròi khi chạm đến lớp ngoài của khí quyển được truyền xuống mặt đất và trong quá trình lan truyền sóng điện từ luôn bị khí quyển hấp thụ, tán xạ và khúc xạ trước khi đến bộ cảm biến. Các loại khí như oxy, nitơ, cacbonic, ôzôn, hơinước và các phân tử lơ lửng trong khí quyển là tác nhân chính ảnh hưỏng đến sự suy giảm năng lưọng sóng điện từ trong quá trình lan truyền. Để hiểu rõ cơ chế tương tác giữa sóng điện từ và khí quyển và việc chọn phổ điện từ để sử dụng cho việc thu nhận ảnh viễn thám, bảng 1-2 thể hiện đặc điểm cuả dải phổ điện từ thường được sử dụng trong kỹ thuật viễn thám. 7
8. Bảng 1-2 Đặc điểm của dải phổ điện từ sử dụng trong kỹ thuật viễn thám Dải phổ điện từ Bước sóng Đặc điểm Hấp thụ mạnh bởi lớp khí quyển ở tầng cao (tầng ôzôn), không Tia cực tím 0,3 ÷ 0,4m thể thu nhận năng lượng do dải sóng này cung cấp nhưng hiện tượng này lại bảo vệ con người tránh tác động của tia cực tím. Rất ít bị hấp thụ bởi oxy, hơi nước và năng lượng phản xạ cực Tia nhìn thấy 0,4 ÷ 0,76m đại ứng với bước sóng 0,5m trong khí quyển. Năng lượng do dải sóng này cung cấp giữ vai trò trong viễn thám. Cậnhồngngoại 0,77÷1,34m Năng lượng phản xạ mạnh ứng với các bước sóng cận hồng Hồng ngoại 1,55 ÷ 2,4m ngoại từ 0,77 ÷ 0,9m. Sử dụng trong chụp ảnh hồng ngoại trung theo dõi sự biến đổi thực vật từ 1,55 ÷ 2,4m Hồng ngoại 3 ÷ 22m Một số vùng bị hơi nước hấp thụ mạnh,dải sóng này giữ vai trò nhiệt trong phát hiện cháy rừng và hoạt động núi lửa. Bức xạ nhiệt của trái đất của năng lượng cao nhất tại bước sóng 10m Vô tuyến 1mm ÷ 30cm Khí quyển không hấp thụ mạnh năng lượng các bước sóng lớn (rada) hơn 2cm, cho phép thu nhận năng lượng cả ngày lẫn đêm, không bị ảnh hưởng của mây, sương mù hay mưa. 1.2.3. Khái niệm cơ bản về bức xạ điện từ Bức xạ điện từ là quá trình truyền năng lượng điện từ trên cơ sở các dao động của điện trường và từ trường trong không gian. Bức xạ điện từ vừa có cả tính chất sóng cũng như tính chất hạt.Tính chất sóng được xác định bởi bước sóng , tần số v và tốc độ lan truyền C, mối liên quan giữa chúng thể hiện theo công thức: =C/v (C=299,793km/s trong môi trường chân không) Tính chất hạt được mô tả theo tính chất của photon hay quang lượng tử và năng lượng E được thể hiện như sau: E=h.v (h là hằng số Plank) Quá trình lan truyền của sóng điện từ qua môi trường vật chất sẽ tạo ra phản xạ, hấp thụ, tán xạ và bức xạ sóng điện từ dưới các hình thức khác nhau tuỳ thuộc vào bước sóng. Hình 1.3. Bức xạ sóng điện từ 8
9. Phổ trong toàn bộ dải sóng điện từ được mang tên khác nhau bắt đầu từ tia gama, tia X, tia cực tím, sóng nhìn thấy, tia hồng ngoại và sóng cực ngắn. Hinh 1.4 cho thấy bảng phân loại sóng điện từ và các kênh phổ dùng trong viễn thám bắt đầu từ vùng cực tím (0,3÷0,4µm), sóng ánh sáng (0,4÷0,7µm), hồng ngoại nhiệt (8,0÷10,0µm). Các sóng hồng ngoại ngắn mới đây được sử dụng rộng rãi trong phân loại thạch học. Sóng hồng ngoại nhiệt được sử dụng trong đo nhiệt, sóng microwave được sử dụng trong kỹ thuật radar. Viễn thám thường sử dụng 4 tính chất cơ bản của bức xạ điện từ đó là tần số hay bước sóng, hướng lan truyền, biên độ và mặt phẳng phân cực để thu nhận thông tin từ các đối tượng. Ví dụ, tần số hay bước sóng liên quan tới màu sắc của vật thể trong vùng ánh sáng nhìn thấy. Trong vùng hồng ngoại (infrared-IR) có bước sóng có từ (0.7÷10,0µm), kỹ thuật viễn thám thường sử dụng sóng hồng ngoại phản xạ (0,7÷3,0µm) Hình 1.4 Dải tần số được sử dụng trong viễn thám Trong vùng hồng ngoại (infrared-IR) có bước sóng có từ (0.7÷10,0µm), kỹ thuật viễn thám thường sử dụng sóng hồng ngoại phản xạ (0,7÷3,0µm) Tuỳ thuộc vào bước sóng điện từ phản xạ hay bức xạ từ các vật thể được thu nhận bởi bộ cảm biến sẽ tạo ra các ảnh viễn thám có màu sắc khác nhau. Thể hiện màu tư liệu ảnh vệ tinh giữ vai trò rất quan trọng trong việc giải đoán ảnh bằng mắt, nếu ảnh đa phổ gồm 3 kênh được ghi nhận tương ứng cùng vùng phổ của đỏ, lục và xanh chàm sẽ cho phép tái tạo màu tự nhiên trên màn hình hiển thị ảnh. Ví dụ, lá cây sẽ có màu lục trên ảnh như sự cảm nhận của con người ngoài thực tế, vì chất diệp lục hấp thụ ánh sáng có bước sóng lục. Ngược lại, nếu thông tin ghi nhận trên vùng phổ thông không nhìn thấy (sóng hồng ngoại) sự tổ hợp màu với kênh phổ hồng ngoại sẽ không cho màu tự nhiên, trường hợp này được gọi là tổ hợp màu hồng ngoại. Trên tổ hợp màu này, các dối tượng được thể hiện trên film hồng ngoại. 9
10. Ảnh viễn thám sẽ cung cấp thông tin về các vật thể tương ứng với năng lương bức xạ với từng bước sóng do bộ cảm biến nhận được trong dải phổ đã xác định. Các đặc trưng này của vật thể thường gọi là đặc trưng phổ. Phản xạ phổ ứng với từng lớp phủ mặt đất cho thấy có sự khác nhau do sự tương tác giữa các bức xạ điện từ và vật thể, điều này cho phép viễn thám có thể xác định hoặc phân tích được đặc điểm của lớp phủ thông qua việc đo lường phản xạ phổ. Hình 1.4 cho thấy phản xạ phổ ứng với 1 số lớp phủ đặc trưng của mặt đất (trục ngang thể hiện bước sóng, trục đứng thể hiện phần trăm năng lượng điện từ phản xạ), trong đó thực vật có sự phản xạ rất cao trong vùng gần hồng ngoại (ba vị trí thấp nhất của đường cong phản xạ phổ ứng với 3 bước sóng bị thực vật hấp thụ mạnh nhất). Đất cho sự phản xạ khá cao đối với hầu hết các vùng phổ nhưng nước hầu như không phản xạ trong vùng hồng ngoại (hấp thụ hoàn toàn năng lượng sóng hồng ngoại). Sóng điện từ khi lan truyền tới bề mặt của vật thể, năng lượng sóng điện từ sẽ tương tác với vật thể đó dưới dạng hấp thụ (A), phản xạ (R) và truyền qua vật thể (T), phần trăm năng lượng điện từ phản xạ phụ thuộc vào chất liệu và điều kiện tương tác với vật thể đó. Hình 1.5 Phổ phản xạ của thực vật , đất và nước Năng lượng phản xạ từ các vật thể thường có 2 dạng: Phản chiếu khi toàn bộ năng lượng điện từ phản xạ trực tiếp từ bề mặt vật thể theo 1 hướng nào đó. Phản xạ khuếch tán khi bề mặt vật thể gồ gề làm cho năng lượng sóng điện từ khuyếch tán theo nhiều phương, hiện tượng khuyếch tán năng lượng sẽ xảy ra. 10
11. Năng lượng sóng điện từ bị vật thể hấp thụ nhiều hay ít tuỳ thuộc vào bước sóng và loại vật thể. Nước hấp thụ năng lượng ánh sáng nhìn thấy có bước sóng dài và hồng ngoại nhiều hơn so với ánh sáng nhìn thấy có bước sóng ngắn. Do dó, nước trong thường có màu xanh hay xanh chàm do phản xạ mạnh vùng có bước sóng ngắn hơn, ở vùng ánh sáng đỏ và hồng ngoại nước có tạp chất trên lớp mặt (phù sa) sẽ phản xạ tốt hơn nhưng cũng dễ gây nhầm lẫn đối với vùng cạn nhưng nước trong. Ngoài ra, chất diệp lục trong tảo lại hấp thụ mạnh năng lượng có bước sóng màu chàm so với lục nên vùng tảo sẽ xanh hơn. Màu sắc và độ sáng của nước còn tuỳ thuộc vào trạng thái bề mặt do ảnh hưởng của phản chiếu hay tán xạ tại bề mặt nước. Tóm lại, năng lượng của bức xạ điện từ E phụ thuộc vào bước sóng. Để giải thích vì sao ánh sáng chàm cung cấp nhiều năng lượng hơn ánh sáng đỏ, ta sử dụng công thức sau: E =hc/ trong đó  chàm = 0,42 µm; đỏ = 0,66 µm h= 6,6×10-34Js ; c = 3 × 108 m/s -34 8 -31 Echàm = 6,6 × 10 Js ( 3 × 10 m/s)/ 0,425m = 4,66 × 10 J -34 8 -31 Eđỏ = 6,6 × 10 Js ( 3 × 10 m/s)/ 0,66m = 3 × 10 J Kết quả cho thấy năng lượng của ánh sáng chàm là 4,66 ×10-34J lớn hơn năng lượng của ánh sáng đỏ. Năng lượng của bức xạ điện từ E khi tương tác với vật thể sẽ bị hấp thụ (EA), phản xạ ( ER) và thấu quang (ET). E = EA + ER + ET Đặc trưng của bề mặt đất có thể phân biệt bằng cách so sánh năng lượng phản xạ ER của từng vật thể khác nhau ứng với từng bước sóng và phản xạ phổ được xác định bởi ER/E. Năng lượng sóng điện từ do nguồn cung cấp là mặt trời , khi truyền đến mặt đất sẽ bị hấp thụ hoặc tán xạ bởi các phân tử nước và khí có trong lớp khí quyển. Tuỳ thuộc vào bước sóng, ảnh hưởng của khí quyển đến phản xạ phổ ứng với từng loại lớp phủ mặt đất cho thấy có sự khác nhau theo vị trí cũng như thời gian trong năm. Do tính chất của vật thể có thể được xác định thông qua năng lượng bức xạ từ vật thể hay phản xạ của vật thể đối với năng lượng bức xạ do mặt trời cung cấp, nếu năng lượng của sóng điện từ do các vật thể phản xạ hay bức xạ được thu nhận bởi bộ cảm đặt trên vật mang (vệ tinh), ta có thể nhận biết đối tượng hoặc các điều kiện môi trường khí quyển xung quanh trái đất thông qua những đặc trưng riêng về sự phản xạ sóng điện từ. 11
12. 1.3. PHÂN LOẠI VIỄN THÁM Sự phân biệt các loại viễn thám căn cứ vào các yếu tố sau: - Hình dạng quỹ đạo của vệ tinh. - Độ cao bay của vệ tinh, thời gian còn lại của một quỹ đạo. - Dải phổ của các thiết bị thu. - Loại nguồn phát và tín hiệu thu nhận. Có hai phương thức phân loại viễn thám chính là: a. Phân loại theo nguồn tín hiệu Căn cứ vào nguồn của tia tới mà viễn thám được chia làm hai loại (hình 1.6): Hình 1.6. Viễn thám chủ động và viễn thám bị động - Viễn thám chủ động (active): nguồn tia tới là tia sáng phát ra từ các thiết bị nhân tạo, thường là các máy phát đặt trên các thiết bị bay. - Viễn thám bị động (passive): nguồn phát bức xạ là mặt trời hoặc từ các vật chất tự nhiên. Hiện nay, việc ứng dụng phối hợp giữa viễn thám và các công nghệ vũ trụ đã trở nên phổ biễn trên phạm vi toàn cầu. Các nước có nền công nghệ vũ trụ phát triển đã phóng nhiều vệ tinh lên quỹ đạo, trên đó có mang nhiều thiết bị viễn thám khác nhau. Các trạm thu mặt đất phân bố đều trên toàn cầu có khả năng thu nhận nhiều loại tư liệu viễn thám do vệ tinh truyền xuống. b. Phân loại theo đặc điểm quỹ đạo: có hai nhóm chính là viễn thám vệ tinh địa tĩnh và viễn thám vệ tinh quỹ đạo cực (hay gần cực) (hình 1.7). Căn cứ vào đặc điểm quỹ đạo vệ tinh, có thể chia ra hai nhóm vệ tinh là: + Vệ tinh địa tĩnh là vệ tinh có tốc độ góc quay bằng tốc độ góc quay của trái đất, nghĩa là vị trí tương đối của vệ tinh so với trái đất là đứng yên. + Vệ tinh quỹ đạo cực (hay gần cực) là vệ tinh có mặt phẳng quỹ đạo vuông góc hoặc gần vuông góc so với mặt phẳng xích đạo của Trái Đất. Tốc độ quay của vệ tinh khác với tốc độ quay của trái đất và được thiết kế riêng sao cho thời gian thu ảnh trên mỗi vùng lãnh thổ trên mặt đất là 12
13. cùng giờ địa phương và thời gian thu lặp lại là cố định đối với 1 vệ tinh (ví dụ LANDSAT là 18 ngày, SPOT là 26 ngày). Trên hai nhóm vệ tinh nói trên đều có thể áp dụng nhiều phương pháp thu nhận thông tin khác nhau tùy theo sự thiết kế của nơi chế tạo. Hình 1.7. Vệ tinh địa tĩnh (trái) và Vệ tinh quỹ đạo gần cực (phải) c. Phân loại theo dải sóng thu nhận Theo bước sóng sử dụng, viễn thám có thể được phân ra thành 3 loại cơ bản (hình 1.8) a. Viễn thám trong dải sóng nhìn thấy và hồng ngoại. b. Viễn thám hồng ngoại nhiệt. c. Viễn thám siêu cao tần. Mặt trời là nguồn năng lượng chủ yếu đối với nhóm viễn thám trong dải sóng nhìn thấy và hồng ngoaị. Mặt trời cung cấp một bức xạ có bước sóng ưu thế ở 0,5m. Tư liệu viễn thám thu được trong dải sóng nhìn thấy phụ thuộc chủ yếu vào sự phản xạ từ bề mặt vật thể và bề mặt Trái đất. Các thông tin về vật thể được xác định từ các phổ phản xạ. Mỗi vật thể ở nhiệt độ bình thường đều tự phát ra một bức xạ có đỉnh tại bước sóng 10m. Nguồn năng lượng sử dụng đối với viễn thám hồng ngoại nhiệt do chính vật thể sản sinh ra. Viễn thám siêu cao tần sử dụng bức xạ siêu cao tần có bước sóng từ một đến vài chục centimet. Nguồn năng lượng sử dụng đối với viễn thám siêu cao tần chủ động được chủ động phát ra từ máy phát. Kỹ thuật ra đa thuộc viễn thám siêu cao tần chủ động. Ra đa chủ động phát ra nguồn năng lượng tới các vật thể, sau đó thu lại được những bức xạ, tán xạ hoặc phản xạ từ vật thể. Nguồn năng lượng sử dụng đối với viễn thám siêu cao tần bị động do chính vật thể phát ra. Bức xạ kế siêu cao tần là bộ cảm thu nhận và phân tích bức xạ siêu cao tần của vật thể. 13
14. Hình 1.8. Sơ đồ phân loại viễn thám theo bước sóng. 14
15. 1.4. BỘ CẢM VÀ PHÂN LOẠI BỘ CẢM 1.4.1. Khái niệm chung về bộ cảm Bộ cảm giữ nhiệm vụ thu nhận các năng lượng bức xạ do vật thể phản xạ từ nguồn cung cấp tự nhiên (mặt trời) hoặc nhân tạo do (do chính vệ tinh phát). Năng lượng này được chuyển thành tín hiệu số (biến đổi quang năng thành điện năng và chuyển đối tín hiệu điện thành 1 số nguyên hữu hạn gọi là giá trị của pixel) tương ứng với năng lượng bức xạ ứng với từng bước sóng do bộ cảm nhận được trong dải phổ đã được xác định . Để hiểu rõ nguyên tắc hoạt động của bộ cảm, cách đơn giản nhất là xét khả năng phản xạ phổ của thực vật đối với sóng điện từ có bước sóng nằm trong vùng nhìn thấy. Nhìn thấy hay cảm nhận được đối với bức xạ điện từ là khả năng đặc biệt quan trọng không chỉ đối với các bộ cảm mà còn đối với mắt của con người,nhờ đó hình ảnh của vật thể và màu sắc có thể được tạo ra từ việc thu năng lượng do vật thể phản xạ từ 1 nguồn cung cấp nào đó. Trong 5 giác quan của con người, mắt là giác quan có cảm nhận tốt nhất đối với sóng điện từ; mắt của con người giữ chức năng giống như bộ cảm trong hệ thống viễn thám. Ánh sáng đi vào mắt qua giác mạc và hội tụ ở võng mạc (con người giữ vai trò là thấu kính), các tế bào thần kinh (hình que và hình nón) ở võng mạc biến đổi năng lượng của ánh sáng mạnh hay yếu ứng với từng bước sóng khác nhau thành các xung điện truyền về não (bộ xử lý tín hiệu). Não của người sẽ phân tích các giá trị khác nhau của xung điện để cảm nhận được màu sắc hoặc hình ảnh. Trong vùng ánh sáng nhìn thấy, các sắc tố của lá cây ảnh hưởng đến đặc tính phản xạ phổ của nó, đặc biệt là chất diệp lục (còn 1 số yếu tố khác cũng ảnh hưởng đến năng lượng phản xạ phổ của lá cây) hấp thụ ánh sáng có bước sóng xanh và đỏ đồng thời phản xạ mạnh ánh sáng có bước sóng xanh lá cây tương ứng bước sóng 0,55µm. Do đó, khi cây tươi tốt, mắt con người cảm nhận lá cây có màu xanh; khi lá úa sắp rụng hoặc cây bị bệnh hàm lượng diệp lục giảm dẫn đến phản xạ phổ bị thay đổi và lá cây sẽ có màu vàng đỏ. Đối với bộ cảm, kính lọc phổ được sử dụng để tách năng lượng bức xạ ứng với từng bước sóng khác nhau, và năng lượng này được dẫn đến các tế bào quang điện để biến đổi quang năng thành điện năng. Tuỳ thuộc vào số bit dùng để ghi nhận thông tin, việc chuyển đổi tín hiệu thành 1 số nguyên hữu hạn thể hiện sự thay đổi của cường độ phản xạ sóng từ các vật thể được bô cảm xác định. Trong viễn thám, năng lượng này ứng với 1 đơn vị nhỏ nhất trên mặt đất tương ứng với một pixel trên ảnh và bằng kỹ thuật phối hợp vận hành giữa vệ tinh và bộ cảm để tạo ảnh 2 chiều của bề mặt đất. Tế bào quang điện là thiết bị sử dụng hiệu ứng quang điện để biến đổi quang năng thành điện năng. Độ lớn của dòng điện tạo ra tỷ lệ thuận với với cường độ cuả sóng phản xạ từ vật thể, do đó sự thay đổi cuả dòng điện có thể được sử dụng để đo lưòng sự thay đổi năng lượng của ánh sáng mạnh hay yếu ứng với từng bước sóng khác nhau. Năng lượng sóng điện từ sau khi tới tế bào quang điện, được chuyển thành tín hiệu có giá trị thay đổi liên tục theo thời gian (số thực) và 15
16. để ghi nhận thông tin, việc chuyển đổi tín hiệu điện liên tục thành 1 số nguyên hữu hạn được gọi là số hoá. Giá trị độ sáng ghi nhận được phụ thuộc vào số bit dùng trong quá trình số hoá và toàn bộ năng lượng của sóng điện từ thu được (tín hiệu nhập) chuyển sang tín hiếu số (tín hiệu xuất) chỉ sử dụng phần biến đổi tuyến tính của bộ cảm. Bộ cảm chỉ thu nhận năng lượng sóng điện từ phản xạ hay bức xạ từ vật thể theo từng bước sóng xác định. Năng lượng sóng điện từ sau khi tới được bộ cảm được chuyển thành tín hiệu số (chuyển đổi tín hiệu điện thành 1 số nguyên hữu hạn gọi là giá trị của pixel) tương ứng với năng lượng bức xạ ứng với từng bước sóng do bộ cảm nhận được trong dải phổ đã xác định. Máy quét với trường nhìn không đổi (góc nhìn không gian tương ứng giữa 1 pixel với 1 đơn vị chia mẫu trên mặt đất) được sử dụng để tạo ảnh 2 chiều của bề mặt đất dựa trên sự phối hợp chuyển động giữa vật mang và hệ thống quét vuông góc với hướng bay. Lượng thông tin về năng lượng bức xạ được ghi trong IFOV sẽ được bộ cảm đổi thành giá trị của pixel. Hệ thống quét sử dụng để ghi nhận năng lượng bức xạ ứng với các bước sóng khác nhau trong dải tần đã xác định (từ cực tím đến hồng ngoại) được gọi là hệ thống quét đa phổ. 1.4.2. Phân loại bộ cảm a. Định nghĩa Một thiết bị dùng để cảm nhận sóng điện từ phản xạ hoặc bức xạ từ vật thể được gọi là bộ viễn cảm, thường gọi tắt là bộ cảm. Máy chụp ảnh hoặc máy quét là những bộ viễn cảm. b. Phân loại bộ cảm Việc phân loại các bộ cảm có nhiều cách khác nhau, có thể theo dải sóng thu nhận, cũng có thể theo kết cấu. Các bộ cảm chủ động thu nhận năng lượng do vật thể phản xạ từ nguồn năng lượng nhân tạo. Các bộ cảm bị động thu nhận các bức xạ do vật thể phản xạ hoặc phát xạ. Mỗi loại bộ cảm thuộc nhóm chủ động hoặc bị động được chia thành hệ thống quét và hệ thống không quét. Sau đó chúng lại tiếp tục được chia thành loại tạo ảnh và không tạo ảnh. Các loại máy chụp ảnh, máy quét quang cơ, máy quét điện tử là những bộ cảm được sử dụng rộng rãi trong viễn thám hiện nay. Các bộ cảm quang học được đặc trưng bởi tính chất phổ, đặc trưng hình học, đặc trưng bức xạ. Tính chất phổ được thể hiện qua số lượng kênh phổ và bề rộng kênh. Các thiết bị dùng phim được đặc trưng bởi độ nhạy của phim, khả năng lọc của các kính lọc phổ, các tính chất quang học của hệ thống thấu kính. Các đặc trưng hình học được thể hiện qua các thông số như trường nhìn, trường nhìn không đổi, độ trùng khớp giữa các kênh, biến dạng hình học. Các đặc trưng bức xạ được xác định dựa theo sự thay đổi của bức xạ điện từ trước và sau khi đi qua hệ thống quang học. Vùng ánh sáng được bố trí theo thứ tự bước sóng được gọi là phổ. Chùm ánh sáng trắng được tách thành phổ thông qua thiết bị quang học như lăng kính, hệ thống lăng kính. 16
17. Ngoài việc sử dụng lăng kính để tách phổ, người ta còn dùng kính lọc phổ. Có 3 loại kính lọc phổ là kính lọc sóng dài, kính lọc sóng ngắn, kính lọc đơn phổ. 1.4.3. Máy chụp ảnh a. Máy chụp ảnh Các loại máy chụp ảnh sử dụng thông dụng trong viễn thám là máy chụp ảnh hàng không, máy chụp ảnh đa phổ, máy chụp toàn cảnh. Các máy chụp ảnh hàng không được lắp trên máy bay, trên tầu vệ tinh dùng vào mục đích chụp ảnh đo đạc địa hình. Những máy chụp ảnh sử dụng trong viễn thám vệ tinh có METRIC CAMERA, máy chụp LFC đặt trên tàu vệ tinh con thoi. Máy chụp ảnh MKF-6 đặt trên tầu vệ tinh "Sayuz-22". Máy chụp ảnh KFA-1000 đặt trên vệ tính Cosmos. Một số loại máy chụp ảnh tiêu biểu là máy RMK do hãng CARLZEISS, máy RC do hãng LEICA Thuỵ sĩ chế tạo. Các tư liệu của máy chụp ảnh sử dụng vào mục đích đo đạc nên cấu tạo của máy chụp ảnh phải thoả mãn các điều kiện quang học và hình học cơ bản như sau: + Quang sai của máy chụp ảnh phải nhỏ. + Độ phân giải kính vật phải cao và độ nét ảnh phải được bảo đảm trong toàn bộ trường ảnh. + Các yếu tố định hướng trong như chiều dài tiêu cự, toạ độ điểm chính ảnh phải được xác định chính xác. + Trục quang của ống kính phải vuông góc với mặt phẳng phim. + Hệ thống chống nhoè phải đủ khả năng loại trừ ảnh hưởng của chuyển động tương đối giữa vật mang và Trái đất, nhất là khi chụp ảnh từ vệ tinh. b. Đặc điểm của hệ thống ghi ảnh bằng vật liệu ảnh. + Trên phim ảnh chứa được lượng thông tin lớn. + Lực phân giải cao và khả năng khái quát lớn. + Sử dụng rộng rãi trong khoa học và sản xuất trên các loại máy truyền thống. + Khả năng hiển thị để quan sát rõ ràng. + Trên phim ảnh có khả năng ghi nhận cùng một lúc nhiều đại lượng vật lý khác nhau như: Mật độ quang học, quang lượng, hình học, định tính và định lượng của các đối tượng. + Tính ổn định ghi ảnh của hệ thống rất cao, có khả năng tính được các biến dạng như sai số méo hình kính vật, khử nhoè trong quá trình tạo ảnh. c. Một số nhược điểm của hệ thống ghi ảnh bằng vật liệu ảnh + Thông tin ảnh không sử dụng trực tiếp được trong các hệ thống máy tính khi chưa biến thành tín hiệu điện. + Thông tin trên ảnh không vận chuyển được trên khoảng cách từ vệ tinh về Trái đất khi tiến hành chụp ảnh, cần phải đem phim ảnh về Trái đất để xử lý. 17
18. 1.4.4. Máy quét a. Máy quét quang cơ Máy quét quang cơ về cơ bản là một bức xạ kế đa phổ. Bức xạ kế này tạo nên bức ảnh hai chiều dựa trên sự phối hợp chuyển động giữa vật mang và hệ thống gương quay hoặc gương lắc vuông góc với quĩ đạo chuyển động. Máy quét đa phổ quang cơ có thể đặt trên máy bay hoặc vệ tinh. Máy quét đa phổ MSS (Multispectral Scanner) và TM (Thematic mapper) của vệ tinh Landsat là loại máy quét đa phổ quang cơ. Những bộ phận chính của máy quét đa phổ quang cơ: * Hệ thống quang học: Hệ thống kính viễn vọng phản xạ kiểu Newton, Casegrain hoặc Ritchey-Chretien nhằm hạn chế sự lệch mầu đến mức tối thiểu. * Hệ thống tách phổ: Các hệ thống gương, lăng kính hoặc kính lọc đơn phổ thường được sử dụng. * Hệ thống quét: Các gương quay hoặc lắc trong mặt phẳng vuông góc với đường bay là phần tử quét cơ bản. * Bộ dò: Bộ dò quang điện tử chuyển năng lượng điện từ thành tín hiệu điện. Các bộ khuếch đại quang học thường được sử dụng cho dải sóng nhìn thấy và vùng tia cực tím. Đi ốt Silicon được dùng đối với vùng hồng ngoại nhìn thấy. Đi ốt Ingium antimony được dùng cho vùng sóng ngắn. Để đo bức xạ nhiệt người ta dùng đi ốt HqCdTe. * Hệ thống kiểm định: Các tín hiệu điện đo được luôn bị ảnh hưởng bởi sự biến động độ nhậy của hệ thống dò, do vậy cần phải duy trì thường xuyên một nguồn ánh sáng hoặc nhiệt có cường độ ổn định làm nguồn năng lượng chuẩn kiểm định thông số bộ cảm. b. Máy quét đa phổ điện tử Các hệ thống quét điện tử hoặc bộ cảm mảng tuyến tính là hệ thống quét, trong đó không có bộ phận cơ học như qương quay. Bộ phận ghi nhận tín hiệu chủ yếu là mảng tuyến tính. Các bộ dò bán dẫn cho phép ghi lại đồng thời từng hàng ảnh. Các hệ thống quét điện tử không có bộ phận cơ học nên độ ổn định hoạt động rất cao. Tuy vậy thường xuất hiện nhiễu trên một hàng ảnh do sự chênh lệch độ nhậy giữa các bộ dò. Trên hình 1.9 là sơ đồ của dữ liệu thu được bởi hệ thống quét điện tử. Cặp thiết bị nạp (CCD) thường được dùng trong bộ cảm mảng tuyến tính, do vậy người ta thường gọi bộ cảm này là bộ cảm tuyến tính CCD. Hệ thống ghi ảnh bằng máy quét đa phổ có các đặc điểm sau đây: + Có khả năng ghi nhận ảnh theo chu kỳ thời gian, thông tin mang tính thời sự. + Lực phân giải cao, độ khái quát lớn. + Có thể xử lý các thông tin bằng phương pháp tính toán, cộng trừ các kênh phổ nên sản phẩm đa dạng hơn ảnh chụp. + Có thể đưa thông tin ghi nhận về các lưới chiếu. 18
19. Tuy nhiên, hệ thống quét đa phổ đặt trên vệ tinh cũng có một số nhược điểm như: Lực phân giải của ảnh quét thấp hơn ảnh chụp, quá trình truyền thông tin về mặt đất sẽ bị nhiễu, xử lý thông tin phải sử dụng hệ thống máy tính điện tử phức tạp. Máy quét đa phổ MSS của vệ tinh Landsat có bộ phận quét bằng gương xoay, sau đó đưa thông tin qua ống kính quang học vào máy. Máy quét điện tử CD.HRV của vệ tinh Spot quét bằng một dãy Detector Bộ cảm mảng tuyến tính Bộ phận quang học Đường bay của vật mang Dòng quét Hình 1.9. Sơ đồ của dữ liệu thu được bởi hệ thống quét điện tử 1.5. VẬT MANG VÀ QUỸ ĐẠO BAY 1.5.1. Phân loại vật mang Một phương tiện dùng để mang các bộ cảm gọi là vật mang. Vệ tinh, máy bay là những vật mang cơ bản. Có nhiều loại vật mang có độ cao hoạt động từ vài chục mét trở lên. Vật mang được chia ra các nhóm sau đây (bảng 1-3): + Vệ tinh địa tĩnh. + Vệ tinh tài nguyên. + Vật mang quĩ đạo thấp. + Vật mang tầng máy bay. + Vật mang tầng thấp. 19
20. Khi vật mang chuyển động trong vệ tinh, trong khí quyển chịu nhiều tác động của môi trường xung quanh. Đó là tác động như áp suất, mật độ không khí và nhiệt độ. Những tác động này dẫn đến sự mất ổn định thế của vật mang khi chuyển động trên quĩ đạo. Bảng 1-3. Phân loại vật mang theo độ cao Vật mang Chiều cao Hình thức quan sát Ghi chú Vệ tinh địa tĩnh 36.000km Quan sát từ một điểm cố định GMS Vệ tinh quĩ đạo tròn 500km - 1000km Quan sát đều đặn theo chu kỳ LANDSAT Tàu vệ tinh con thoi 240km - 350km Quan sát không đều, theo từng cuộc thí nghiệm Bóng thám không 100m - 100km Nghiên cứu nhiều đối tượng khác nhau Máy bay phản lực cao 10km - 12km Nghiên cứu nhiều đối tượng khác nhau tầng Máy bay tầng thấp hoặc 500m - 8000m Nghiên cứu nhiều đối tượng khác nhau trung bình Máy bay lên thẳng 100m - 2000m Nghiên cứu nhiều đối tượng khác nhau Máy bay không người lái Dưới 500m Nghiên cứu nhiều đối tượng khác nhau điều khiển bằng vô tuyến Đo đạc mặt đất 0 - 30m Thu thập số liệu thực địa 1.5.2. Quĩ đạo bay và các thông số cơ bản a.Các phần tử quỹ đạo của vệ tinh Tập hợp các thông số cơ bản mô tả quỹ đạo chuyển động của vật mang được gọi là các phần tử quỹ đạo của vệ tinh. Vệ tinh chuyển động trong vũ trụ được xác định bằng 6 thông số cơ bản của định luật Kepler áp dụng chp các vật thể chuyển động trong vũ trụ. Theo định luật này thì vệ tinh có thể được coi như một vật thể quay xung quanh trái đất trong một mặt phẳng quỹ đạo không bị tác động do lực hấp dẫn của mặt trăng và mặt trời. Thực ra thì vẫn tồn tại tương tác giữa các trường hấp dẫn của trái đất, mặt trăng và mặt trời. Nhưng trong nhiều bài toán thực tế thì ảnh hưởng của mặt trăng và mặt trời đến vệ tinh có thể bỏ qua vì không đáng kể so với tác động của trọng trường trái đất. Hình 2.5 mô tả các thông số quỹ đạo bay của vệ tinh theo định luật Kepler Như vậy, mỗi loại vệ tinh khác nhau sẽ chuyển động xung quanh trái đất theo một quỹ đạo xác định được thiết kế theo sáu tham số quỹ đạo cơ bản, đó là: - Bán trục lớn A của quỹ đạo, - Độ dẹt quỹ đạo e (lệch tâm quỹ đạo), - Góc nghiêng i (so với mặt phẳng xích đạo), - Góc lên bên phải h, - Điểm gần nhất g (góc cực của cận điểm), - Thời gian V qua điểm gần nhất (cận điểm). 20
21. Các vệ tinh quan sát mặt đất đòi hỏi điều kiện chiếu sáng ổn định, nghĩa là góc tới của ánh sáng mặt trời đối với mặt phẳng quỹ đạo luôn không thay đổi theo thời gian (trong một ngày hay giữa các mùa). Do đó, quỹ đạo được tính toán theo sáu tham số tối ưu nhất sao cho giá trị năng lượng phản xạ thu được trên ảnh vệ tinh không bị thay đổi do vị trí của mặt trời. Loại quỹ đạo được thiết kế nhằm đảm bảo điều kiện này được gọi là quỹ đạo đồng bộ mặt trời, loại này được áp dụng khá phổ biến cho các vệ tinh quan sát mặt đất (vệ tinh tài nguyên) vì có ưu điểm luôn tạo được một điều kiện chiếu sáng ổn định. Hình 1.10. Vệ tinh chuyển động theo quỹ đạo xác định Khi vệ tinh chuyển động theo quỹ đạo đồng bộ mặt trời và có chu kỳ lặp, ảnh ghi nhận trong vùng ánh sáng nhìn thấy sẽ không thể thực hiện được trong khoảng thời gian vệ tinh di chuyển từ cực nam lên cực bắc do phần mặt đất mà vệ tinh bay qua trong khoảng thời gian đó không được mặt trời chiếu sáng (ban đêm). Ngược lại, khi vệ tinh di chuyển từ cực bắc xuống cực nam, mặt đất được vệ tinh quan sát trong điều kiện chiếu sáng tốt (ban ngày), nên hầu hết các vệ tinh quan sát mặt đất hoạt động theo hình thức này. Đặc trưng chuyển động của vệ tinh theo quỹ đạo không chỉ được phân biệt theo hình dạng và góc nghiêng của quỹ đạo mà còn theo chu kỳ lặp lại của vệ tinh tại vị trí quan sát. Vì trái đất quay một vòng quay trục mất 24 giờ và vệ tinh chuyển động với vận tốc nhất định nên thời gian để vệ tinh hoàn tất quỹ đạo trở lại vị trí ban đầu có thể xác đinh được. Nếu thiết kế quỹ đạo để vệ tinh trở lại điểm thiên đỉnh trong một ngày thì được gọi là quỹ đạo có chu kỳ lặp một ngày. 21
22. Ngược lại, sau khoảng thời gian cố định (nhiều ngày) vệ tinh trở lại đỉểm thiên đỉnh như được minh hoạ trên hình 1.10 được gọi là quỹ đạo có chu kỳ lặp lại nhiều ngày. Vệ tinh quan sát mặt đất thường sử dụng quỹ đạo có chu kỳ lặp lại nhiều ngày vì nó cho phép bộ cảm biến nhìn bao phủ hầu hết các phần trên mặt đất dựa trên sự kết hợp chuyển động quay tương đối giữa mặt đất và vệ tinh. Khoảng thời gian tương ứng với chu kỳ quỹ đạo sẽ khác nhau ứng với từng loại vệ tinh, và khoảng thời gian mà vệ tinh hoàn tất chu kỳ quỹ đạo của nó cũng không giống với thời gian lặp lại vị trí chụp ban đầu của nó. Vì một số vệ tinh (như SPOT) có thể sử dụng kỹ thuật chụp ảnh với góc nhìn nghiêng cho phép rút ngắn thời gian chụp lại ảnh trên cùng một khu vực so với thời gian hoàn tất chu kỳ quỹ đạo. Khi chọn dữ liệu ảnh vệ tinh phục vụ cho công tác quan sát hay phân tích biến động cần phải xem xét vệ tinh có chu kỳ lặp (chụp ảnh) và chu kỳ quỹ đạo thích hợp nhất cho nhu cầu sử dụng. Bảng 1-4. thống kê chu kỳ lặp và chu kỳ quỹ đạo của vệ tinh Landsat, SPOT, và ADEOS Chu kỳ 18 ngày (Landsat-1-3) 26 ngày (SPOT-1-4) 41 ngày (ADEOS) lặp 16 ngày (Landsat-4,5,7) Chu kỳ Khoảng 103 phút (Landsat -1-3) Khoảng 101 phút Khoảng 101 phút quỹ đạo Khoảng 99 phút (Landsat) (SPOT -1-4) (ADEOS) 1.6. MỘT SỐ VỆ TINH VIỄN THÁM 1.6.1. Vệ tinh Landsat Vào năm 1967, tổ chức hàng không và vệ tinh quốc gia (NASA) được sự hỗ trợ của Bộ nội vụ Mỹ đã tiến hành chương trình nghiên cứu thăm dò tài nguyên trái đất ERTS (ERTS - Earth Resources Technology Satellite: Vệ tinh kỹ thuật thăm dò tài nguyên trái đất). Vệ tinh ERTS-1 được phóng vào ngày 23/6/1972. Sau đó NASA đổi tên chương trình ERTS thành Landsat, ERTS -1 được đổi tên thành Landsat 1. Vệ tinh Landsat bay qua xích đạo lúc 9h39 phút sáng. Cho đến nay, NASA đã phóng được 7 vệ tinh trong hệ thống Landsat (bảng 1-5) Bảng 1-5. Các thế hệ vệ tinh Landsat Vệ tinh Ngày phóng Ngày ngừng hoạt động Bộ cảm Landsat 1 23/6/1972 6/1/1978 MSS Landsat 2 22/1/1975 25/2/1982 MSS Landsat 3 05/3/1978 31/3/1983 MSS Landsat 4 16/7/1982 15/6/2001 TM, MSS Landsat 5 01/3/1984 Đang hoạt động TM, MSS Landsat 6 05/3/1993 Bị hỏng ngay khi phóng ETM Landsat 7 15/4/1999 Đang hoạt động ETM+ - Landsat MSS ( Landsat Multispectral Scanner) 22
23. Bộ cảm này được đặt trên các vệ tinh Landsat từ 1 đến 3 ở độ cao so với mặt đất là 919km và Landsat 4,5 ở độ cao 705 km, chu kỳ lặp là 18 ngày. Các bộ cảm MSS là những hệ thống máy quang học mà trong đó các yếu tố tách sóng riêng biệt được quét qua bề mặt Trái đất theo hướng vuông góc với hướng bay. MSS có 4 bộ lọc và tách sóng trong khi TM có 7 bộ. Landsat MSS có độ phân giải là 79m x79m, và gồm 4 kênh 1,2,3 và 4, trong đó kênh 1 và kênh 2 nằm trong vùng nhìn thấy còn kênh 3 và kênh 4 nằm trong vùng cận hồng ngoại. - Landsat TM, ETM (Landsat Thematic Mapper) Từ năm 1982 vệ tinh Landsat 4 được phóng và mang thêm bộ cảm chuyên dùng để thành lập bản đồ chuyên đề gọi là bộ cảm TM (Thematic Mapper). Vệ tinh Landsat 7 mới được phóng vào quỹ đạo tháng 4/1999 với bộ cảm TM cải tiến gọi là ETM (Enhanced Thematic Mapper). Hệ thống này là một bộ cảm quang học ghi lại năng lượng trong vùng nhìn thấy: hồng ngoại phản xạ, trung hồng ngoại và hồng ngoại nhiệt của quang phổ. Nó thu thập những ảnh đa phổ mà có độ phân giải không gian, phân giải phổ, chu kỳ và sự phản xạ cao hơn Landsat MSS. Landsat TM, ETM có độ phân giải không gian là 30x30 m cho 6 kênh (1, 2, 3, 4, 5, 7) và kênh 6 hồng ngoại nhiệt có độ phân giải không gian là 120x120 m. Trên vệ tinh Landsat bộ cảm có ý nghĩa quan trọng nhất và được sử dụng nhiều nhất là TM. Bộ cảm TM có các thông số chính được nêu trong bảng 1-6. Hình 1.11. Vệ tinh Landsat Vệ tinh Landsat TM, ETM bay ở độ cao 705 km, mỗi cảnh TM có độ phủ là 185x170 (km), chu kỳ lặp là 16 ngày. Có thể nói TM, ETM là bộ cảm quan trọng nhất trong việc nghiên cứu tài nguyên và môi trường. Bảng 1-6. Đặc trưng chính của bộ cảm và độ phân giải không gian Độ phân Loại bộ cảm Kênh Bước sóng (µm) Loại giải không gian Kênh 1 0,45 ÷ 0,52 Chàm 30 m Kênh 2 0,52 ÷ 0,60 Lục đỏ 30 m TM Kênh 3 0,63 ÷ 0,69 Đỏ 30 m Thematic Kênh 4 0,76 ÷ 0,90 Cận hồng ngoại 30 m Mapper Kênh 5 1.55 ÷ 1,75 Hồng ngoại trung 30 m (Landsat-1-5) Kênh 6 10,4 ÷ 12,5 Hồng ngoại nhiệt 120 m Kênh 7 2,08 ÷ 2,35 Hồng ngoại trung 30 m MSS Kênh 4 0,5 ÷ 0,6 Lục 80 m Multi Spectral Kênh 5 0,6 ÷ 0,7 Đỏ 80 m Scanner Kênh 6 0,7 ÷ 0,8 Cận hồng ngoại 80 m (Landsat-1-5) Kênh 7 0,8 ÷ 1,1 Cận hồng ngoại 80 m 23
24. Chàm Kênh 1 0,45 ÷ 0,52 30 m Lục đỏ Kênh 2 0,53 ÷ 0,61 30 m Đỏ Kênh 3 0,63 ÷ 0,69 30 m Cận hồng ngoại TM Kênh 4 0,75 ÷ 0,90 30 m Hồng ngoại trung Thematic Kênh 5 1.55 ÷ 1,75 30 m Hồng ngoại nhiệt Mapper Kênh 6 10,4 ÷ 12,5 60 m Hồng ngoại trung (Landsat-1-5) Kênh 7 2,09 ÷ 2,35 30 m Lục đến cận hồng Kênh 8 (Pan) 0,52 ÷ 0,9 15 m ngoại 1.6.2. Vệ tinh Spot Trên mỗi vệ tinh Spot được trang bị một hệ thống tạo ảnh nhìn thấy có độ phân giải cao HRV (High Resolution Visible imaging system). Các thế hệ vệ tinh SPOT 1 đến 3 có 3 kênh phổ phân bố trong vùng sóng nhìn thấy ở các bước sóng xanh lục, đỏ và gần hồng ngoại. Năm 1998 Pháp phóng vệ tinh SPOT 4 với hai bộ cảm HRVIR và thực vật (Vegetation Instrument). Ba kênh phổ đầu của HRVIR tương đương với 3 kênh phổ truyền thống của HRV. Năm 2002 Pháp đã phóng thành công vệ tinh SPOT 5 với độ phân giải cao hơn: 2,5 m; 5m; 10m. Vệ tinh SPOT bay ở độ cao 832 km, nghiêng so với mặt phẳng quỹ đạo 9807, bay qua xích đạo lúc 10h30' sáng với chu kỳ lặp lại là 23 ngày. Mỗi cảnh có độ phủ là 60 km x 60 km. Tư liệu SPOT được sử dụng nhiều không chỉ cho việc nghiên cứu tài nguyên mà còn sử dụng cho công tác xây dựng, hiệu chỉnh bản đồ và quy hoạch sử dụng đất. Bộ cảm HRV là máy quét điện tử CCD - HRV có thể thay đổi góc quan sát nhờ một gương định hướng. Gương này cho phép thay đổi hướng quan sát 270 so với trục thẳng đứng nên dễ Hình1.12. Vệ tinh SPOT 5 dàng thu được ảnh lập thể. Các thông số của ảnh vệ tinh Spot như ở bảng 1-7. Bảng 1-7. Các thông số ảnh của vệ tinh Spot. Bộ cảm Phổ điện từ Độ phân giải Bước sóng Panchromatic (Toàn sắc) 2.5 m or 5 m 0.48 - 0.71 µm B1 : green (Xanh lục) 10 m 0.50 - 0.59 µm SPOT 5 B2 : red (Đỏ) 10 m 0.61 - 0.68 µm B3 : near infrared (Cận HNgoại) 10 m 0.78 - 0.89 µm B4 : mid infrared (MIR) (Giữa HN) 20 m 1.58 - 1.75 µm 24
25. Monospectral 10 m 0.61 - 0.68 µm B1 : green 20 m 0.50 - 0.59 µm SPOT 4 B2 : red 20 m 0.61 - 0.68 µm B3 : near infrared 20 m 0.78 - 0.89 µm B4 : mid infrared (MIR) 20 m 1.58 - 1.75 µm Panchromatic 10 m 0.50 - 0.73 µm SPOT 1 B1 : green 20 m 0.50 - 0.59 µm SPOT 2 B2 : red 20 m 0.61 - 0.68 µm SPOT 3 B3 : near infrared 20 m 0.78 - 0.89 µm 1.6.3. Vệ tinh MOS (Marine Obersevation Satellite) Vệ tinh MOS-1 là thế hệ đầu tiên được Nhật bản phóng vào quỹ đạo tháng 2 năm 1987 để quan sát đại dương và nghiên cứu môi trường biển, sau đó MOS-1b (tháng 2/1990) với 3 thiết bị đo phổ chính có phạm vi vùng phổ tương tự như bộ cảm biến đa phổ của vệ tinh Landsat. Các thông số kỹ thuật chính của bộ cảm biến và độ phân giải không gian của ảnh vệ tinh MOS được liệt kê ở bảng 1-8 và bảng 1-9 Bảng 1-8. Đặc trưng chính của bộ cảm và độ phân giải không gian Loại bộ cảm Kênh Bước sóng (µm) Loại Độ phân giải MESSR Kênh 1 0,51 ÷ 0,59 Lục 50 m Bức xạ kế tự quét Kênh 2 0,61 ÷ 0,69 Đỏ 50 m Đa phổ Kênh 3 0,72 ÷ 0,80 Cận hồng ngoại 50 m Kênh 4 0,80 ÷ 1,10 Cận hồng ngoại 50 m MSR Bức xạ kế quét 23 ± 0,2 GHz Vô tuyến cao tần 32 km Vô tuyến tần cao 31,4 ± 0,25 GHz Vô tuyến cao tần 23 km VTIR Kênh 1 0,5 ÷ 0,7 Nhìn thấy 900 km Nhìn thấyvà nhiệt Kênh 2 6,0 ÷ 7,0 Hồng ngoại nhiệt 2700 km Bức xạ kế hồng ngoại Kênh 3 10,5 ÷ 11,5 Hồng ngoại nhiệt 2700 km Kênh 4 11,5 ÷ 12,5 Hồng ngoại nhiệt 2700 km Bảng 1-9. Đặc trưng chính của quỹ đạo và vệ tinh MOS Độ cao 909 km Thời gian hoàn tất Khoảng 103 phút bay chu kỳ quỹ đạo Quỹ đạo Đồng bộ mặt trời Năm phóng vào quỹ đạo 1987 ( MOS -1) 1990( MOS -1b) Chu kỳ lặp 17 ngày 1.6.4. Vệ tinh IRS (Indian Remote Sensing Satellite) Một loạt các vệ tinh viễn thám của Ấn độ được phóng lên quỹ đạo để thực hiện việc nghiên cứu toàn bộ phần lục địa của bề mặt trái đất, bao gồm vệ tinh IRS-1 phóng vào đầu năm 1988 và đến tháng 12/1995 vệ tinh thế hệ thứ ba IRS-1C được đưa vào quỹ đạo với ba bộ cảm chính PAN (Panchromatic) kênh đơn với độ phân giải cao, LISS-3 (Linear Imaging Self- scanning sensor) với độ phân giải trung bình cho cả bốn kênh phổ và WiFS(Wide Field Sensor) 25
26. ứng với hai kênh phổ có độ phân giải thấp. Ngoài ra, vệ tinh IRS có thể tạo ảnh lập thể ứng với kênh toàn sắc (PAN) giống như ảnh SPOT nhưng góc quan sát nghiêng của vệ tinh IRS là 26 độ. Bảng 1-10. Đặc trưng chính của các bộ cảm và độ phân giải không gian của chúng Độ phân Độ phân Loai bộ cảm Kênh Bước sóng Loại giải giải (µm) (IRS -1C) (IRS -1D ) PAN P 0,50 ÷ 0,75 Nhìn thấy (lục đến cận 5,8 m 5,2 ÷ 5,8 m Bộ cảm toàn sắc hồng ngoại) LISS -3 Kênh2 0,52 ÷ 0,59 Nhìn thấy (lục đến vàng) 24 m 21 ÷ 23 Bộ cảm trợ quét Kênh3 0,62 ÷ 0,68 Nhìn thấy (lục đến đỏ ) 24 m 21 ÷ 23 ảnh tuyến tính Kênh4 0,77 ÷ 0,86 Cận hồng ngoại 24 m 21 23 Kênh5 1,55 ÷ 1,70 Hồng ngoại trung 70 m 63 70 Ảnh IRS có độ phân giải cao sử dụng rất tốt trong việc thành lập bản đồ và quy hoạch thành phố, ảnh đa phổ do LISS-3 thu nhận có đặc tính tương tự như Landsat TM từ kênh 1 đến kênh 4 nên sử dụng tốt cho việc phân biệt thực vật, thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất và quy hoạch tài nguyên thiên nhiên. Các thông số kỹ thuật chính của bộ cảm biến và độ phân giải không gian cuả ảnh vệ tinh IRS được liệt kê ở bảng 1-10 và bảng 1-11 cho thấy các đặc trưng chính cuả vệ tinh và quỹ đạo ứng với IRS-1C và IRS-1D (phóng năm 1997). Bảng 1-11. Đặc trưng chính của quỹ đạo và vệ tinh IRS Thông số quỹ đạo IRS -1C IRS -1D Độ cao bay 817 km 780 km (trên xích đạo) Quỹ đạo Đồng bộ mặt trời Đồng bộ mặt trời Chu kỳ lặp 24 ngày 25 ngày Thời gian hoàn tất chu kỳ quỹ đạo - - Năm phóng vệ tinh 1995 1997 1.6.5. Vệ tinh IKONOS IKONOS là loại vệ tinh thương mại đầu tiên có độ phân giải cao (1m) được đưa vào không gian tháng 9/1999 do Công ty Space Imaging (Hoa Kỳ) và bắt đầu phổ biến ảnh độ phân giải cao từ tháng 3/2000. Bộ cảm biến OSA (Optical sensor assembly) của vệ tinh IKONOS sử dụng nguyên lý quét điện tử và có khả năng thu đồng thời ảnh toàn sắc và đa phổ. Ngoài khả năng tạo ảnh có độ phân giải cao nhất vào thời điểm năm 2000, ảnh IKONOS còn có độ phân giải bức xạ rất cao vì sử dụng đến 11bít để ghi nhận năng lượng phản xạ. Nhiều ứng dụng cho việc quản lý đô thị và quy hoạch tại các thành phố lớn trên thế giới đã chứng minh cho ưu thế của ảnh IKONOS độ phân giải cao, trong tương lai ảnh độ phân giải cao sẽ giữ vai trò quan trọng trong việc thành lập bản đồ và quan sát thành phố. IKONOS chuyển động theo quỹ đạo đồng bộ mặt trời ở độ cao 680km và góc nghiêng của mặt phẳng quỹ đạo là 98,2 độ. Vệ tinh IKONOS có chu kỳ lặp lại là 14 ngày (thời gian chụp 26
27. lại trên cùng vùng đất chỉ từ 1 đến 3 ngày) và thời gian đi qua xích đạo là 10h30 sáng, với bề rộng tuyến chụp là 11km. Các thông số cơ bản của bộ cảm biến và độ phân giải không gian của ảnh vệ tinh IKONOS được kê ra ở bảng 1-12 Bảng 1-12. Đặc trưng chính của quỹ đạo và vệ tinh IKONOS Tên của cảm biến Kênh Bước sóng (µm) Độ phân giải OSA Bộ cảm toàn sắc P 0,45 ÷ 0,90 1m Bộ cảm đa phổ Kênh 1 0,45 ÷ 0,52 4m Kênh 2 0,52 ÷ 0,60 Kênh 3 0,63 ÷ 0,69 Kênh 4 0,76 ÷ 0,90 Ảnh IKONOS được sử dụng không chỉ để thành lập và cập nhật bản đồ địa hình tỷ lệ trung bình, giám sát phân tích biến động mà còn có thể tạo ra hình ảnh thực cho khu vực phục vụ dịch vụ kinh doanh và du lịch. Các loại ảnh vệ tinh thương mại có độ phân giải cao khác có thể sử dụng hiện nay như: Orbvieww-3, Quickbird, và EROS-A1. 1.6.6. Vệ tinh WorldWiew-2 Được phóng lên quỹ đạo ngày 8 tháng 10 năm 2009 tại Vandenberg, California, Hoa Kỳ. -Thu nhận ảnh có độ phân giải: 0,46 m (toàn sắc); 1,8 m (đa phổ); 0,52m (toàn sắc) ; 2.4 m (đa phổ) (tại góc chụp 20°) hình 1.13 và hình 1.14. Hình 1.13. Vệ tinh World Wiew 2 Hình 1.14. Các kênh phổ của bộ cảm vệ tinh World - Diện tích thu nhận/1 ảnh: 16,4 km x 16,4 km - Chu kỳ: 1,1 ngày (ở 1m GSD) hoặc ít hơn và 3,7 ngày ở 200 (0,52 m GSD) 27
28. - Các kênh phổ: toàn sắc; 8 kênh đa phổ (4 kênh màu chuẩn: đỏ, lục, chàm, cận hồng ngoại-1 và 4 kênh màu mới: đỏ đậm, chàm tím, vàng, cận hồng ngoại-2) 1.6.7. Vệ tinh Cosmos Ảnh của Liên Xô có hai loại: a. ảnh có độ phân giải cao + Độ cao bay chụp 270km + Tiêu cự máy chụp ảnh f = 1000mm + Kích thước ảnh 30 x 30cm + Độ phân giải mặt đất 6 -7m + Độ phủ dọc > 60% b. Ảnh có độ phân giải trung bình + Độ cao bay chụp 250km + Tiêu cự máy chụp ảnh f = 200mm + Kích thước ảnh 18 x18cm + Độ phân giải mặt đất: 30m + Chụp ở 3 kênh phổ: 510 - 600m; 600 - 700m; 700 - 850m + Độ phủ dọc > 60% Tư liệu ảnh vệ tinh Cosmos, Landsat, Spot được sử dụng rộng rãi trên thế giới và ở Việt Nam. Hiện nay một thế hệ vật mang mới đang được nghiên cứu và phát triển cho mục đích tạo được vật mang có thời gian tồn tại lâu trong vệ tinh, mang được nhiều bộ cảm và sử dụng đa mục đích, đó là vật mang quĩ đạo cực POP (Polar orbit Platform). POP được cấu tạo từ các mô đun chính như trạm vệ tinh chính, tàu con thoi và phương tiện giao lưu giữa các trạm vệ tinh. POP được thiết kế theo nguyên lý các mô đun có thể thay thế được, như vậy POP có kích thước lớn nhưng thời gian tồn tại trong vệ tinh được tăng lên rất nhiều. 1.7. TƯ LIỆU SỬ DỤNG TRONG VIỄN THÁM Kết quả của việc thu nhận ảnh từ vệ tinh hay máy bay ta sẽ có những tấm ảnh ở dạng tương tự hay dạng số, lưu trữ trên phim ảnh hoặc trên băng từ. 1.7.1. Ảnh tương tự Ảnh tương tự là ảnh chụp trên cơ sở của lớp cảm quang halogen bạc, ảnh tương tự thu được từ các bộ cảm tương tự dùng phim chứ không sử dụng các hệ thống quang điện tử. Những tư liệu này có độ phân giải không gian cao nhưng kém về độ phân giải phổ. Nói chung 28
29. loại ảnh này thường có độ méo hình lớn do ảnh hưởng của độ cong bề mặt trái đất. Vệ tinh Cosmos của Nga thường sử dụng loại bộ cảm này. 1.7.2. Ảnh số Ảnh số là dạng tư liệu ảnh không lưu trên giấy ảnh hoặc phim. Nó được chia thành nhiều phân tử nhỏ thường được gọi là pixel. Mỗi pixel tương ứng với một đơn vị không gian. Quá trình chia mỗi ảnh tương tự thành các pixel được gọi là chia mẫu (Sampling) và quá trình chia các độ xám liên tục thành một số nguyên hữu hạn gọi là lượng tử hóa. Các pixel thường có dạng hình vuông. Mỗi pixel được xác định bằng tọa độ hàng và cột. Hệ tọa độ ảnh thường có điểm 0 ở góc trên bên trái và tăng dần từ trái sang phải đối với chỉ số cột và từ trên xuống đối với chỉ số hàng. Trong trường hợp chia mẫu một ảnh tương tự thành một ảnh số thì độ lớn của pixel hay tần số chia mẫu phải được chọn tối ưu. Độ lớn của pixel quá lớn thì chất lượng ảnh sẽ tồi, còn trong trường hợp ngược lại thì dung lượng thông tin lại quá lớn. Hình 1.15 chỉ ra sơ đồ nguyên lý chia mẫu và lượng tử hóa. Ảnh số được đặc trưng bởi một số thông số cơ bản về hình học bức xạ bao gồm: - Trường nhìn không đổi là góc không gian tương ứng với một đơn vị chia mẫu trên mặt đất. Lượng thông tin ghi được trong trường hình không đổi tương ứng với giá trị pixel. - Góc nhìn tối đa mà bộ cảm có thể thu được sóng điện từ gọi là trường nhìn. Khoảng không gian trên mặt đất do trường nhìn tạo nên chính là bề rộng tuyến bay. - Vùng bé nhất trên mặt đất mà bộ cảm nhận được gọi là độ phân giải mặt đất. Đôi khi hình chiếu của một pixel lên mặt đất được gọi là độ phân giải. Bởi vì ảnh số được ghi lại theo những dải phổ khác nhau nên người ta gọi là tư liệu đa phổ (hình 1.16). Năng lượng sóng điện từ sau khi tới bộ dò được chuyển thành tín hiệu điện và sau khi lượng tử hóa trở thành ảnh số. Trong toàn bộ dải sóng tương tự thu được chỉ có phần biến đổi tuyến tính được lượng tử hóa. Hai phần biên của tín hiệu không được xét đến vì chúng chứa nhiều nhiễu và không giữ được quan hệ tuyến tính giữa thông tin và tín hiệu. Xác định ngưỡng nhiễu là một việc hết sức cẩn thận. Chất lượng của tư liệu được đánh giá qua tỷ số tín hiệu/nhiễu. Tỷ số tín hiệu/nhiễu được định nghĩa thông qua biểu thức sau: S = 20*lg (S/N)[dB]. Nratio Thông tin được ghi theo đơn vị bit. Trong xử lý số, đơn vị xử lý thường là byte. Do vậy đối với tư liệu có số bit nhỏ hơn hoặc bằng 8 thì được lưu ở dạng 1 byte (vì 1 byte bằng 8 bit) và 29
30. tư liệu số có số bit lớn hơn 8 được lưu ở dạng 2 byte hay trong 1 từ. Trong 1 byte có thể lưu được 256 cấp độ xám, còn trong 1 từ có thể lưu được 65536 cấp độ xám. Ngoài các thông tin ảnh, trong mỗi lần lưu trữ người ta phải lưu thêm nhiều thông tin bổ trợ khác như : số hiệu của ảnh, ngày, tháng, năm, các chỉ tiêu chất lượng. fd f: Độ tương tự fd: Độ lượng tử hoá V: Đơn vị cường độ n: Số nguyên (n-0,5)V f < (n+0,5)V fd =n V Sai số lượng tử hoá: f-fd (Phần bóng) f b. Khái niệm lượng tử hoá Ra Vào 30
31. c. Lượng tử hóa trong trường hợp tín hiệu có chứa nhiễu Hình 1.15. Sơ đồ nguyên lý chia mẫu và lượng tử hóa Hình 1.16. Sơ đồ mô tả mối tương quan giữa các khái niệm 1.7.3. Số liệu mặt đất. Số liệu mặt đất là tập hợp các quan sát mô tả, đo đạc về các điều kiện thực tế trên mặt đất của các vật thể cần nghiên cứu nhằm xác định mối tương quan giữa tín hiệu thu được và bản thân các đối tượng. Nói chung các số liệu mặt đất cần phải được thu thập đồng thời trong cùng một thời điểm với số liệu vệ tinh hoặc trong một khoảng thời gian sao cho các sự thay đổi của các đối tượng nghiên cứu trong thời gian đó không ảnh hưởng tới việc xác định mối quan hệ cần tìm. Số liệu mặt đất được sử dụng cho các mục đích sau: - Thiết kế các bộ cảm - Kiểm định các thông số kỹ thuật của bộ cảm. - Thu thập các thông tin bổ trợ cho quá trình phân tích và hiệu chỉnh số liệu. Khi khảo sát thực địa ta cần thu thập các số liệu : a. Các thông tin tổng quan và thông tin chi tiết về đối tượng nghiên cứu như chủng loại, trạng thái, tính chất phản xạ và hấp thụ phổ, hình dáng bề mặt, nhiệt độ 31
32. b. Các thông tin về môi trường xung quanh, góc chiếu và độ cao mặt trời, cường độ chiếu sáng, trạng thái khí quyển, nhiệt độ, độ ẩm không khí, hướng và tốc độ gió. 32
33. Do việc thu thập số liệu mặt đất là công việc tốn kém thời gian và kinh phí cho nên người ta thường thành lập các khu vực thử nghiệm trong đó có đầy đủ các đối tượng cần theo dõi và đo đạc. 1.7.4. Số liệu định vị mặt đất Để có thể đạt được độ chính xác trong quá trình hiệu chỉnh hình học cần phải có các điểm định vị trên mặt đất có tọa độ địa lý đã biết. Những điểm này thường được bố trí tại những nơi mà vị trí của nó có thể thấy được dễ dàng trên ảnh và bản đồ. Hiện nay người ta sử dụng hệ thống định vị toàn cầu GPS vào mục đích này. 1.7.5. Bản đồ và số liệu địa hình Để phục vụ cho các công tác nghiên cứu của viễn thám cần phải có những tài liệu địa hình và chuyên đề sau : - Bản đồ địa hình tỷ lệ 1/25.000 hoặc 1/50.000. Trên bản đồ địa hình có thể lấy được toạ độ các kiểm tra phục vụ việc hiệu chỉnh hình học hoặc các thông số độ cao nhằm khôi phục lại mô hình thực địa. - Bản đồ chuyên đề Các bản đồ chuyên đề sử dụng đất, rừng, địa chất tỷ lệ khoảng 1/5.000 đến 1/25.000 rất cần cho việc nghiên cứu chuyên đề,chọn vùng mẫu và phân loại. Nếu các bản đồ này được số hóa và lưu trong máy tính thì có thể được sử dụng để xây dựng cơ sở dữ liệu hệ thông tin địa lý. - Bản đồ kinh tế xã hội Các ranh giới hành chính, hệ thống giao thông, các chỉ số thống kê công nông nghiệp cũng là các thông tin quan trọng có thể được khai thác trong viễn thám. - Mô hình số địa hình Bên cạnh các dạng bản đồ truyền thống, trong viễn thám còn sử dụng một dạng số liệu khác đó là mô hình số địa hình hay mô hình số độ cao được tạo ra từ đường bình độ, lưới số liệu độ cao phân bố đều, lưới số liệu độ cao phân bố ngẫu nhiên hay các hàm mô tả b ề mặ t 33
34. 1.8. TRUYỀN VÀ THU SỐ LIỆU VỆ TINH Khác với phương pháp chụp ảnh hàng không, ảnh viễn thám được truyền từ vệ tinh về các trạm thu trên mặt đất thông qua việc sử dụng anten phát sóng điện từ có tần số rất cao, từ vài GHz đến vài chục GHz để làm sóng tải (do dữ liệu cần truyền rất lớn) chuyển ảnh và các thông tin bổ trợ về các trạm thu (vì vệ tinh luôn luôn chuyển động trên quỹ đạo đến khi kết thúc nhiệm vụ, nó không hạ xuống mặt đất để chuyển ảnh như máy bay). Dữ liệu truyền từ vệ tinh không chỉ ảnh viễn tham đơn thuần mà còn chứa nhiều thông tin bổ trợ khác (nhiệt độ, thông số kỹ thuật của vệ tinh). Tất cả các dữ liệu được truyền dưới dạng số PCM (Pulse Code Modulation- điều biến mã xung) nên có ưu thế hơn hẳn các phương pháp truyền khác vì nó cho phép loại bỏ các nhiễu mà năng lượng tiêu thụ cho việc phát sóng cũng rất nhỏ. Thông thường dữ liệu truyền từ vệ tinh viễn thám có thể nhận trực tiếp từ các trạm thu trên mặt đất. Tuy nhiên, việc thiết lập hệ thống truyền và thu thông tin như vậy có nhược điểm là chỉ thực hiện được khi trạm thu và vệ tinh viễn thám nằm trong tầm nhìn của nhau. Tùy theo loại vệ tinh, người ta sử dụng một trong ba phương pháp cơ bản để truyền tín hiệu của năng lượng sóng điện từ sau khi tới được bộ cảm được chuyển thành tín hiệu số và được anten của vệ tinh tuyền về trạm thu trên mặt đất. Ảnh vệ tinh, sau khi xử lý tại trạm thu sẽ cung cấp cho người sử dụng ở nhiều cấp độ khác nhau. - Dữ liệu ảnh viễn thám được truyền trực tiếp nếu trạm thu mặt đất nằm trong tầm nhìn của vệ tinh (A) - Trong trường hợp ngược lại, dữ liệu sẽ được vệ tinh lưu trữ và sẽ phát về trạm thu trên mặt đất vào thời điểm mà tầm nhìn giữa vệ tinh và trạm thu được đảm bảo (B). Phương pháp truyền dữ liệu viễn thám cơ bản này được gọi là MDR (Mission Data Recorder- truyền dữ liệu ghi lại). MDR cho phép thu nhận thông tin tại những vùng mà trạm thu tại mạt đất không bao phủ và sau đó có thể truyền lại thông tin này khi vệ tinh bay qua trạm thu. Vệ tinh NOAA, SPOT đều có trang bị hệ thống MDR. Hình1.17. Sơ đồ nguyên lý hoạt động truyền dữ liệu từ vệ tinh 34
35. - Dữ liệu được chuyển trực tiếp qua hệ thống vệ tinh TDRS (Tracking and Data Relay Satellite- hệ thống vệ tinh dẫn đường và tiếp sóng dữ liệu) để truyền về mặt đất. Vệ tinh (C) do NASA phóng dùng để truyền dữ liệu của vệ tinh Landsat bao gồm một số vệ tinh viễn thông vận hành trên quỹ đạo địa tĩnh, phương pháp này cho phép chuyển dữ liệu viễn thám từ vệ tinh này sang vệ tinh khác cho đến khi thực hiện được việc truyền dữ liệu đến trạm thu trên mặt đất thích hợp (Hình 1.17) Hình1.18. Quy trình xử lý ảnh vệ tinh Dữ liệu thu nhận được từ trạm thu trên mặt đất là dữ liệu số cần phải loại bỏ các nhiễu, hiệu chỉnh khí quyển, biến dạng hình học và chuyển đổi về khuôn dạng chuẩn của ảnh viễn thám. Hình 1.18 thể hiện quy trình xử lý ảnh vệ tinh trước khi cung cấp cho người giải đoán. Sau đó ảnh vệ tinh được ghi vào băng từ hoặc đĩa CD cùng với các tham số bổ trợ của ảnh vệ tinh. Ví dụ, ảnh Landsat khi cấp cho người dùng người ta còn cấp cả các tham số bổ trợ sau: Satellite: SPOT- 5 Sensor : TM Obs. Date: 1997/09/24 Orbital direction: D Path-row: 112-28 Cloud coverage: 01 Processing level: BK Map projection: UTM Resampling methoth: CC Logical format: CEOS-BSQ Center latitude: N45.982 Center longitude: E135.733 Number of pixels: 6920 Number of lines: 5965 35
36. Chương 2 LÝ THUYẾT PHẢN XẠ PHỔ CỦA ĐỐI TƯỢNG TỰ NHIÊN Nội dung chính của chương trình bày lý thuyết về năng lượng bức xạ mặt trời, những đặc tính phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên và những yếu tố ảnh hưởng đến khả năng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên. Mục đích là giúp sinh viên nắm được đặc tính phản xạ phổ của từng đối tượng tự nhiên và sự ảnh hưởng của các yếu tố không gian, thời gian và khí quyển đến khả năng phản xạ phổ của các đối tượng. Từ đó có thể áp dụng vào thực tiễn trong việc lựa chọn các kênh phổ thích hợp khi nghiên cứu các đối tượng cụ thể. 2.1. NĂNG LƯỢNG BỨC XẠ MẶT TRỜI Ta biết rằng mọi đối tượng tự nhiên đều phản xạ năng lượng mặt trời chiếu lên chúng một cách xác định, đặc trưng cho trạng thái và bản chất các đối tượng đó. Phương pháp thụ động ghi nhận ảnh là thu nhận ánh sáng phản xạ từ đối tượng do mặt trời chiếu xuống. Hiện nay đa số các hệ thống thu nhận ảnh vũ trụ (trừ hệ thống rađa) hoạt động theo phương pháp thụ động. Vì vậy khi nghiên cứu nguồn sáng trong hệ thống viễn thám ta chủ yếu xét đến mặt trời. Các nghiên cứu về vật lý cho thấy: mật độ phổ của năng lượng ánh sáng mặt trời là một hằng số của bước sóng. Trên đồ thị hình 2.1 cho thấy đường đặc trưng phổ của vật đen tuyệt đối ở 60000 K. M(W/m2)  Đường bức xạ phổ của vật đen tuyệt đối. Đường bức xạ phổ của mặt trời ở 60000K 2500 • Đường bức xạ phổ của mặt trời quan sát ở mặt đất 2000 • 1500 • 1000 • 500 • • • • • • • () 0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Hình 2.1. Đường đặc trưng phổ của vật đen tuyệt đối Qua đồ thị hình 2.1 cũng thấy được mật độ phổ của mặt trời bị biến dạng khi đi qua khí quyển và trở thành một đường cong phức tạp. 36
37. 2.2. ĐẶC ĐIỂM PHỔ CỦA CÁC ĐỐI TƯỢNG TỰ NHIÊN Đặc tính phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên là hàm của nhiều yếu tố. Các đặc tính này phụ thuộc vào điều kiện chiếu sáng, môi trường khí quyển và bề mặt đối tượng cũng như bản thân các đối tượng. Sóng điện từ chiếu tới mặt đất, năng lượng của nó sẽ tác động lên bề mặt trái đất và sẽ xẩy ra các hiện tượng sau: - Phản xạ năng lượng. - Hấp thụ năng lượng. - Thấu quang năng lượng. Năng lượng bức xạ sẽ chuyển đổi thành ba dạng khác nhau như trên. Giả sử coi năng lượng ban đầu bức xạ là EO thì khi chiếu xuống các đối tượng nó sẽ chuyển thành năng lượng phản xạ E , hấp thụ E và thấu quang ET. Có thể mô tả quá trình trên theo công thức: Eo=E +E +ET (a) Trong quá trình này ta phải lưu ý hai điểm: Thứ nhất là: khi bề mặt đối tượng tiếp nhận năng lượng chiếu tới, tùy thuộc vào cấu trúc các thành phần, cấu tạo vật chất hoặc điều kiện chiếu sáng mà các thành phần E , E , E sẽ có những giá trị khác nhau đối với các đối tượng khác nhau. Do vậy ta sẽ nhận được các tấm ảnh của các đối tượng khác nhau do thu nhận năng lượng phản xạ khác nhau. Phụ thuộc vào cấu trúc bề mặt đối tượng, năng lượng phản xạ phổ có thể phản xạ toàn phần, phản xạ một phần, không phản xạ về một hướng hay phản xạ một phần có định hướng (hình 2.2) a - Phản xạ toàn phần b - Phản xạ một phần c - Tán xạ toàn phần (Không phản xạ về một hướng) d - Tán xạ một phần (Phản xạ một phần có định hướng) Hình 2.2. Một số phản xạ 37
38. Các dạng phản xạ từ các bề mặt như trên cần được lưu ý khi đoán đọc điều vẽ các ảnh vũ trụ và các ảnh máy bay nhất là khi xử lý hình ảnh thiếu các thông tin về các khu vực đang khảo sát. Điều đó có nghĩa là phải biết rõ các thông số kỹ thuật của thiết bị được sử dụng, các phản chụp, điều kiện chụp ảnh, vì những yếu tố này có vai trò nhất định trong việc đoán đọc điều vẽ ảnh. Thứ hai là: năng lượng chiếu tới đối tượng được phản xạ không những phụ thuộc vào cấu trúc bề mặt đối tượng mà còn phụ thuộc vào bước sóng của năng lượng chiếu tới. Do vậy mà trên ảnh ta thấy hình ảnh đối tượng do ghi nhận được khả năng phản xạ phổ của các bước sóng khác nhau sẽ khác nhau. Các hệ thống viễn thám chủ yếu ghi nhận năng lượng phản xạ phổ nên công thức (a) có thể viết lại là: E = Eo - (E + ET) (b) Năng lượng phản xạ bằng tổng năng lượng bức xạ trừ năng lượng hấp thụ và năng lượng thấu quang. Để nghiên cứu sự phụ thuộc của năng lượng phản xạ phổ vào bước sóng điện từ ta đưa ra khái niệm khả năng phản xạ phổ. Khả năng phản xạ phổ r của bước sóng được định nghĩa bằng công thức : E () r .(100%) (c)  E0() Để thấy rõ đặc tính phản xạ phổ phụ thuộc vào bước sóng ta xét đồ thị sau (hình 2.3) r ( % ) 60 • 2 40 • 20 • 1 3 •••••••••••() 0 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 Hình 2.3. Đặc tính phản xạ phổ của một số đối tượng tự nhiên 1 - Đường đặc trưng phản xạ phổ của thực vật. 2 - Đường đặc trưng phản xạ phổ của đất khô. 3 - Đường đặc trưng phản xạ phổ của nước. 38
39. 2.2.1. Đặc tính phản xạ phổ của thực vật Khả năng phản xạ phổ của thực vật xanh thay đổi theo độ dài bước sóng. Trên đồ thị (H.2.4) thể hiện đường đặc trưng phản xạ phổ thực vật xanh và các vùng phản xạ phổ chính. Trong vùng sóng ánh sáng nhìn thấy các sắc tố của lá cây ảnh hưởng đến đặc tính phản xạ phổ của nó, đặc biệt là chất clorophin trong lá cây, ngoài ra còn một số chất sắc tố khác cũng đóng vai trò quan trọng trong việc phản xạ phổ của thực vật. Theo đồ thị trên ta thấy sắc tố hấp thụ bức xạ vùng sóng ánh sáng nhìn thấy và ở vùng cận hồng ngoại, do trong lá cây có nước nên hấp thụ bức xạ vùng hồng ngoại. Cũng từ đồ thị trên ta có thể thấy khả năng phản xạ phổ của lá xanh ở vùng sóng ngắn và vùng ánh sáng đỏ là thấp. Hai vùng suy giảm khả năng phản xạ phổ này tương ứng với hai dải sóng bị clorophin hấp thụ. Ở hai dải sóng này, clorophin hấp thụ phần lớn năng lượng chiếu tới, do vậy năng lượng phản xạ của lá cây không lớn. Vùng sóng bị phản xạ mạnh nhất tương ứng với sóng 0,54. tức là vùng sóng ánh sáng lục. Do đó lá cây tươi được mắt ta cảm nhận có màu lục. Khi lá úa hoặc có bệnh, hàm lượng clorophin trong lá giảm đi lúc đó khả năng phản xạ phổ cũng sẽ bị thay đổi và lá cây sẽ có mầu vàng đỏ. Cấu trúc Các yếu tố chính ảnh Thành phần nước Sắc tố tế bào hưởng đến khả năng ⎬ phản xạ phổ của lá (%) r cây Sắc tố hấp thụ Nước hấp thụ ⎬ Những dải phổ hấp thụ 60 • 40 • 20 • •••••••••••() 0 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 Nhìn thấy Hồng ngoại Cận hồng ngoại Phản xạ phổ hồng ngoại Hình 2.4. Đặc tính phản xạ phổ của thực vật. 39
40. Ở vùng hồng ngoại ảnh hưởng chủ yếu lên khả năng phản xạ phổ của lá cây là hàm lượng nước trong lá. Khả năng hấp thụ năng lượng (r) mạnh nhất ở các bước sóng 1,4; 1,9 và 2,7. Bước sóng 2,7 hấp thụ mạnh nhất gọi là dải sóng cộng hưởng hấp thụ, ở đây sự hấp thụ mạnh diễn ra đối với sóng trong khoảng từ 2,66 - 2,73. Trên hình 2.5 cho thấy ở dải hồng ngoại khả năng phản xạ phổ của lá mạnh nhất ở bước sóng 1,6 và 2,2 - tương ứng với vùng ít hấp thụ của nước. Tóm lại: Khả năng phản xạ phổ của mỗi loại thực vật là khác nhau và đặc tính chung nhất về khả năng phản xạ phổ của thực vật là: - Ở vùng ánh sáng nhìn thấy, cận hồng ngoại và hồng ngoại khả năng phản xạ phổ khác biệt rõ rệt. - Ở vùng ánh sáng nhìn thấy phần lớn năng lượng bị hấp thụ bởi clorophin có trong lá cây, một phần nhỏ thấu qua lá còn lại bị phản xạ. Ở vùng hồng ngoại nhân tố ảnh hưởng lớn đến khả năng phản xạ phổ của lá là hàm lượng nước, ở vùng này khi độ ẩm trong lá cao, năng lượng hấp thụ là cực đại. Ảnh hưởng của các cấu trúc tế bào lá ở vùng hồng ngoại đối với khả năng phản xạ phổ là không lớn bằng hàm lượng nước trong lá. (%) r Hấp thụ của nước 100 • Phản xạ của lá cây 80 • 60 • 40 • 20 • • • • • • • 0 0,5 0,9 1,3 1,7 2,1 2,5 () Hình 2.5. Đặc tính hấp thụ của lá cây và của nước 40
41. Khi hàm lượng nước trong lá giảm đi thì khả năng phản xạ phổ của lá cây cũng tăng lên đáng kể (hình 2.6). r(%) 1. Độ ẩm 66% 40 • 1 2 20 • 3 4 • • • • • • • • • • • () 0,5 0,7 0,9 1,1 1,31,5 1,7 1,9 2,1 2,3 2,5 Hình 2.6. Đặc tính phản xạ phổ của thực vật. 2.2.2. Đặc tính phản xạ phổ của thổ nhưỡng Đường đặc trưng phản xạ phổ của đa số thổ nhưỡng không phức tạp như của thực vật. Hình 2.7 thể hiện khả năng phản xạ phổ của ba loại đất ở trạng thái khô. Đặc tính chung nhất của chúng là khả năng phản xạ phổ tăng theo độ dài bước sóng, đặc biệt là ở vùng cận hồng ngoại và hồng ngoại. Ở đây chỉ có năng lượng hấp thụ và năng lượng phản xạ, mà không có năng lượng thấu quang. Tuy nhiên với các loại đất cát có thành phần cấu tạo, các chất hữu cơ và vô cơ khác nhau, khả năng phản xạ phổ sẽ khác nhau. Tùy thuộc vào thành phần hợp chất mà biên độ của đồ thị phản xạ phổ sẽ khác nhau. Các yếu tố chủ yếu ảnh hưởng đến phản xạ phổ của đất là cấu trúc bề mặt của đất, độ ẩm của đất, hợp chất hữu cơ, vô cơ. r(% Đất bùn 80 • 60 • Đất bụi 40 • Đất cát 20 • • • • • • • () 0 0,5 0,9 1,3 1,7 2,1 2,5 Hình 2.7. Đặc tính phản xạ phổ của thổ nhưỡng 41
42. Cấu trúc của đất phụ thuộc vào tỷ lệ sét, bụi, cát. Sét là hạt mịn đường kính nhỏ hơn 0,002mm, bụi có đường kính 0,002mm - 0,05mm, cát có đường kính 0,05mm - 2mm. Tùy thuộc tỷ lệ thành phần của ba loại đất cơ bản trên mà tạo nên các loại đất có tên khác nhau. Với đất hạt mịn thì khoảng cách giữa các hạt cũng nhỏ vì chúng ở sít gần nhau hơn. Với hạt lớn khoảng cách giữa chúng lớn hơn, do vậy khả năng vận chuyển không khí và độ ẩm cũng dễ dàng hơn. Khi ẩm ướt, trên mỗi hạt cát sẽ bọc một màng mỏng nước, do vậy độ ẩm và lượng nước trong loại đất này sẽ cao hơn và do đó độ ẩm cũng sẽ ảnh hưởng lớn đến khả năng phản xạ phổ của chúng. 100 • 1. Độ ẩm 0 4% 80 • 2. Độ ẩm 5 12% 60 • 3. Độ ẩm 22 32% 40 • 20 • • • • • • • () 0 0,5 0,9 1,3 1,7 2,1 2,5 Hình 2.8. Khả năng phản xạ phổ của đất phụ thuộc vào độ ẩm Khi độ ẩm tăng khả năng phản xạ phổ cũng sẽ bị giảm (hình 2.8). Do vậy khi hạt nước rơi vào cát khô ta sẽ thấy cát bị thẫm hơn, đó là do sự chênh lệch rõ rệt giữa các đường đặc trưng 1, 2, 3. Tuy nhiên nếu cát đã ẩm mà có thêm nước cũng sẽ không thẫm màu đi mấy (do sự chênh lệch ít giữa đường 2 và đường 3). Một yếu tố nữa ảnh hưởng đến khả năng phản xạ phổ là hợp chất hữu cơ trong đất. Với hàm lượng chất hữu cơ từ 0,5 - 5,0% đất có mầu nâu xẫm. Nếu hàm lượng hữu cơ thấp hơn đất sẽ có mầu nâu sáng. Ô xít sắt cũng ảnh hưởng tới khả năng phản xạ phổ của đất. Khả năng phản xạ phổ tăng khi hàm lượng ô xít sắt trong đất giảm xuống, nhất là ở vùng phổ nhìn thấy (có thể làm giảm tới 40% khả năng phản xạ phổ khi hàm lượng ô xít sắt tăng lên). Khi bỏ ô xít sắt ra khỏi đất, thì khả năng phản xạ phổ của đất tăng lên rõ rệt ở dải sóng từ 0,5 - 1,1 nhưng với bước sóng lớn hơn 1,0 hầu như không có tác dụng. 42
43. Như trên đã nói có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến khả năng phản xạ phổ của đất, tuy nhiên chúng có liên quan chặt chẽ với nhau. Cấu trúc, độ ẩm, độ mịn bề mặt, hàm lượng chất hữu cơ và ô xít sắt là những yếu tố quan trọng. Vùng phản xạ và bức xạ phổ có thể sử dụng để ghi nhận thông tin hữu ích về đất còn hình ảnh ở hai vùng phổ này là dấu hiệu để đoán đọc điều vẽ các đặc tính của đất. Một điểm quan trọng cần lưu ý là mặc dù biên độ đồ thị khả năng phản xạ phổ của các loại đất có thể khác xa nhau nhưng nhìn chung những khác nhau này ổn định ở nhiều dải sóng khác nhau. Đối với thực vật chúng ta phải nhờ khả năng phản xạ phổ phụ thuộc bước sóng (tức là đoán đọc điều vẽ ở các kênh khác nhau), nhưng với thổ nhưỡng không thể làm được như vậy, mặc dù sự khác biệt về khả năng phản xạ phổ là quan trọng nhưng nhiều đặc tính phản xạ phổ của chúng phải đoán đọc điều vẽ ở các dải sóng nhìn thấy. 2.2.3. Đặc tính phản xạ phổ của nước Cũng như trên, khả năng phản xạ phổ của nước thay đổi theo bước sóng của bức xạ chiếu tới và thành phần vật chất có trong nước. Khả năng phản xạ phổ ở đây còn phụ thuộc vào bề mặt nước và trạng thái của nước. Trên kênh hồng ngoại và cận hồng ngoại đường bờ nước được phát hiện rất dễ dàng, còn một số đặc tính của nước cần phải sử dụng dải sóng nhìn thấy để nhận biết. r(%) Hấp • 50 thụ 40 • 30 • 20 • 10 • Phản xạ () ••• 0,4 0,5 0,6 0,7 Hình 2.9. Khả năng phản xạ và hấp thụ của nước. Trong điều kiện tự nhiên, mặt nước hoặc một lớp mỏng nước sẽ hấp thụ rất mạnh năng lượng ở dải cận hồng ngoại và hồng ngoại (hình 2.9) do vậy, năng lượng phản xạ rất ít. Vì khả năng phản xạ phổ của nước ở dải sóng dài khá nhỏ nên việc sử dụng các kênh sóng dài để chụp cho ta khả năng đoán đọc điều vẽ thủy văn, ao hồ Ở dải sóng nhìn thấy khả năng phản xạ phổ của nước tương đối phức tạp. Viết phương trình cân bằng năng lượng và nghiên cứu khả năng phản xạ phổ của nước ở dải sóng nhìn thấy: 43
44. E() = E () + EH() + ET() E() = E () + E () + E Như hình 2.10 nước cất bị hấp thụ ít năng lượng ở dải sóng nhỏ hơn 0,6 và thấu quang nhiều năng lượng ở dải sóng ngắn. Nước biển, nước ngọt và nước cất có chung đặc tính thấu quang, tuy nhiên độ thấu quang của nước đục giảm rõ rệt và bước sóng càng dài có độ thấu quang càng lớn. r(%) 50 1 1- Nước sông 25 2 2- Nước đại dương 10 3 3- Nước gần bờ 5 2,5 4 4- Nước ở vịnh 1 0,5 0,25 0,1 () 0,4 0,5 0,6 0,7 Hình 2.10. Khả năng phản xạ phổ của một số loại nước. Khả năng thấu quang cao và hấp thụ ít ở dải sóng nhìn thấy chứng tỏ rằng đối với lớp nước mỏng (ao, hồ nông) và trong thì hình ảnh viễn thám ghi nhận được ở dải sóng nhìn thấy là nhờ năng lượng phản xạ của chất đáy: cát, đá Tuy nhiên trong điều kiện tự nhiên không phải lúc nào cũng lý tưởng như nước cất. Thông thường trong nước chứa nhiều tạp chất hữu cơ và vô cơ vì vậy khả năng phản xạ phổ của nước phụ thuộc vào thành phần và trạng thái của nước. Các nghiên cứu cho thấy nước đục có khả năng phản xạ phổ cao hơn nước trong, nhất là những dải sóng dài. Người ta xác định rằng với độ sâu tối thiểu là 30m, nồng độ tạp chất gây đục là 10mg/ lít, thì khả năng phản xạ phổ lúc đó là hàm số của thành phần nước chứ không còn là ảnh hưởng của chất đáy. Độ thấu quang của nước phụ thuộc vào bước sóng như sau: Bảng 2-1. Mối quan hệ giữa bước sóng và độ thấu quang của nước Bước sóng Độ thấu quang 0,5 0,6  Đến 10m 0,6 0,7  3m 0,7 0,8  1m 0,8 1,1  Nhỏ hơn 10cm 44
45. Người ta đã chứng minh rằng khả năng phản xạ phổ của nước phụ thuộc rất nhiều vào độ đục của nước, ở dải sóng 0,6 0,7  người ta phát hiện rằng giữa độ đục của nước và khả năng phản xạ phổ có một mối liên hệ tuyến tính. Hàm lượng clorophin trong nước cũng là một yếu tố ảnh hưởng tới khả năng phản xạ phổ của nước. Nó làm giảm khả năng phản xạ phổ của nước ở bước sóng ngắn và tăng khả năng phản xạ phổ của nước ở bước sóng có mầu xanh lá cây. Ngoài ra còn một số yếu tố khác có ảnh hưởng lớn tới khả năng phản xạ phổ của nước, nhưng cũng có nhiều đặc tính quan trọng khác của nước không thể hiện được rõ qua sự khác biệt của phổ như độ mặn của nước biển, hàm lượng khí mêtan, ôxi, nitơ, cacbonic trong nước. 2.3. MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN PHẢN XẠ PHỔ CỦA CÁC ĐỐI TƯỢNG TỰ NHIÊN Để đoán đọc điều vẽ các đối tượng tự nhiên có hiệu quả ta phải xác định ảnh hưởng của các yếu tố không gian - thời gian, khí quyển đến khả năng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên trên mặt đất. 2.3.1. Ảnh hưởng của các yếu tố không gian-thời gian 1. Yếu tố không gian. Người ta chia thành hai loại: yếu tố không gian cục bộ và yếu tố không gian địa lý. Yếu tố cục bộ thể hiện khi chụp ảnh cùng một loại đối tượng, ví dụ cây trồng theo hàng, luống và cũng cây đó nhưng trồng theo mảng lớn thì khả năng phản xạ phổ của hai loại trồng này sẽ đem lại khả năng phản xạ phổ khác nhau. Yếu tố địa lý thể hiện khi cùng loại thực vật nhưng điều kiện sinh trưởng khác nhau theo vùng địa lý thì khả năng phản xạ phổ khác nhau. Yếu tố thời gian cũng có thể thể hiện. Khi góc mặt trời hạ thấp ta sẽ có hình ảnh núi có bóng và cùng một đối tượng trên hai sườn núi, một bên được chiếu sáng và một bên không được chiếu sáng đã tạo nên khả năng phản xạ phổ khác nhau Để có thể khống chế được ảnh hưởng của yếu tố không gian, thời gian đến khả năng phản xạ phổ ta cần thực hiện theo một số phương án sau: - Ghi nhận thông tin vào thời điểm mà khả năng phản xạ phổ của một đối tượng này khác xa khả năng phản xạ phổ của một đối tượng khác. - Ghi nhận thông tin vào những lúc mà khả năng phản xạ phổ của một đối tượng không khác biệt mấy. - Ghi nhận thông tin thường xuyên, định kỳ qua một khoảng thời gian nhất định. - Ghi nhận thông tin trong điều kiện môi trường nhất định, ví dụ góc mặt trời tối thiểu, mây ít hơn 10%, qua một số ngày nhất định 45
46. 2. Yếu tố thời gian. Thực phủ mặt đất và một số đối tượng khác thường hay thay đổi theo thời gian. Do vậy khả năng phản xạ phổ cũng thay đổi theo thời gian. Ví dụ cây rụng lá vào mùa đông và xanh tốt vào mùa xuân, mùa hè, hoặc lúa có màu biểu hiện bề mặt khác nhau theo thời vụ. Vì vậy khi đoán đọc điều vẽ ảnh cần biết rõ thời vụ, thời điểm ghi nhận ảnh và đặc điểm của đối tượng cần đoán đọc điều vẽ. 2.3.2. Ảnh hưởng của khí quyển Khi xem xét hệ thống ghi nhận các số liệu về thông tin viễn thám ta thấy rằng năng lượng bức xạ từ mặt trời chiếu xuống các đối tượng trên mặt đất phải qua tầng khí quyển, sau đó phản xạ từ bề mặt trái đất năng lượng lại được truyền qua khí quyển tới máy ghi thông tin trên vệ tinh. Do vậy khí quyển ảnh hưởng rất lớn tới khả năng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên. Bề dày khí quyển (khoảng 2.000km) ảnh hưởng tới những tia sáng từ mặt trời chiếu xuống, còn đối với các vệ tinh viễn thám thì bề dày của khí quyển ảnh hưởng tới số liệu thông qua tham số độ cao bay của vệ tinh. Khí quyển có thể ảnh hưởng tới số liệu vệ tinh viễn thám bằng hai con đường tán xạ và hấp thụ năng lượng. Sự biến đổi năng lượng bức xạ mặt trời trong khí quyển là tán xạ và hấp thụ sóng điện từ bởi các thành phần khí quyển và các hạt ion khí. Vì quá trình này mà sự phân bố phổ, phân bố góc và phân bố không gian do việc phát xạ của các đối tượng đang nghiên cứu yếu đi. Sau đây chúng ta xem xét ảnh hưởng của khí quyển ở cả hai con đường tán xạ và hấp thụ. Hiện tượng tán xạ chỉ làm đổi hướng tia chiếu mà không làm mất năng lượng. Tán xạ (hay phản xạ) có được là do các thành phần không khí hoặc các ion có trong khí quyển phản xạ tia chiếu tới, hoặc do lớp khí quyển dày đặc có mật độ không khí ở các lớp không đồng nhất nên khi tia chiếu truyền qua các lớp này sẽ gây ra hiện tượng khúc xạ. Hiện tượng hấp thụ diễn ra khi tia sáng không được tán xạ mà năng lượng được truyền qua các nguyên tử không khí trong khí quyển và nung nóng lớp khí quyển. Hiện tượng tán xạ tuyệt đối xảy ra khi không có sự hấp thụ năng lượng. Trong hệ thống viễn thám khi năng lượng tia sáng bị tán xạ về các hướng, nếu trường thu của ống kính máy ghi thông tin thật rộng thì sẽ thu được toàn bộ năng lượng tán xạ, ngược lại nếu trường thu nhỏ quá thì sẽ thu được một phần năng lượng. Các nguyên nhân chính gây ra hiện tượng tán xạ và hấp thụ năng lượng ánh sáng mặt trời là: - Do sự hấp thụ, khúc xạ năng lượng mặt trời của các phần tử trong khí quyển. 46
47. - Do sự hấp thụ có chọn lọc bước sóng của hơi nước, ozon và các hợp chất không khí trong khí quyển. - Do sự phản xạ (tán xạ năng lượng chiếu tới, do sự không đồng nhất của khí quyển và các hạt nhỏ trong khí quyển). Nếu gọi Eo là năng lượng bức xạ toàn phần chiếu tới, E là năng lượng bị hấp thụ, E là năng lượng tán xạ, E là năng lượng còn lại lọt qua được ảnh hưởng của tầng khí quyển thì ta có thể xác định được hệ số hấp thụ hệ số phản xạ và độ trong suốt T của độ dày lớp khí quyển theo công thức : E E ; E ; T T Eo Eo Eo + +T=1 Đối với vật thể trong suốt : T=0 ; + =1 Đối với vật thể ít hấp thụ: +T=1 Hiện tượng tán xạ, bức xạ trong khí quyển còn phụ thuộc kích thước hạt gây tán xạ. Khi năng lượng từ nguồn chiếu qua khí quyển vào những vùng mà kích thước hạt nhỏ và gần bằng bước sóng thì hiện tượng tán xạ còn phụ thuộc bước sóng. Nếu những vùng kích thước hạt lớn hơn bước sóng rất nhiều như hạt mưa thì ánh sáng tán xạ bao gồm: - Phản xạ trên bề mặt hạt nước. - Xuyên qua hạt nước hoặc phản xạ nhiều lần trong hạt nước. - Khúc xạ qua hạt nước. Trong trường hợp này hiện tượng phản xạ phổ không phụ thuộc vào bước sóng của bức xạ mà phụ thuộc vào thành phần không khí, nên sương mù dày đặc ta sẽ làm cho năng lượng bị tán xạ hết cho nên ảnh có màu trắng (năng lượng không lới được máy thu thông tin). Do đó trên ảnh tổ hợp màu mây luôn có màu trắng. Khí quyển tác động đến bức xạ mặt trời qua 3 con đường phản xạ, hấp thụ và cho năng lượng truyền qua. Đối với viễn thám phần năng lượng truyền qua là rất quan trọng. Sau đây ta xét đồ thị đặc trưng cho sự tác động của khí quyển đến bức xạ năng lượng (hình 2.11). 47
48. r(%) Nguồn năng 100• l 75 • 50 • 25 • •••••• 0,3 1,0 10 100 1mm 1m Vùng nhìn thấy Chụp ảnh Hồng ngoại nhiệt Quét đa phổ Radio và sóng ngắn •••••• 0,3 1,0 10 100 1mm 1m Hình 2.11. Cửa sổ khí quyển Trên đồ thị trục hoành biểu thị độ dài bước sóng , một trục biểu thị hệ số phản xạ năng lượng nguồn theo phần trăm (%). r = = E x 100% Eo Ở vùng ánh sáng nhìn thấy năng lượng phản xạ phổ lớn nhất cỡ gần 60% năng lượng chiếu tới được phản xạ. Đồ thị cho thấy rằng ở mỗi dải sóng khác nhau năng lượng bức xạ có mức độ phản xạ và hấp thụ khác nhau: một số bước sóng bị hấp thụ ít, một số vùng khác năng lượng bị hấp thụ nhiều. Đây là "cửa sổ khí quyển". Hệ thống chụp ảnh vũ trụ thụ động sẽ sử dụng hữu hiệu "cửa sổ khí quyển", còn các hệ thống chụp ảnh vũ trụ chủ động sẽ sử dụng các cửa sổ ở vùng sóng 1mm 1m. Cửa sổ của khí quyển bức xạ mặt trời gồm (bảng 2-2). Các cửa sổ này tính cho lớp khí quyển nằm ngang dày như một lớp có hai mặt song song. Khi tia chiếu xiên, hoặc ống kính góc rộng đặc tính của các cửa sổ khí quyển cũng sẽ thay đổi. Các kênh sóng của hệ thống viễn thám là các dải sóng phù hợp, có nghĩa là chọn các kênh sao cho có thể thu được các sóng ở những cửa sổ nói trên. 48
49. Bảng 2-2 Số cửa sổ Bước sóng () 1 0,3 1,3 1,5 2 1,8 2,0 3 2,6 3,0 3,6 4 4,2 5,0 5 7,0 15,0 6 Hệ thống viễn thám đa phổ thường sử dụng các cửa sồ 1, 2, 3 và 6 vì ở đó ảnh hưởng phản xạ và bức xạ rất rõ ràng. 49
50. Chương 3 GIẢI ĐOÁN ẢNH VIỄN THÁM Nội dung chính của chương trình bày những vấn đề về xử lý ảnh và giải đoán ảnh. Bao gồm các khái niệm về giải đoán ảnh, các bước xử lý ảnh, phương pháp giải đoán ảnh bằng mắt và phương pháp giải đoán ảnh bằng xử lý số. Mục đích của chương giúp sinh viên nắm được khái niệm về giải đoán ảnh, phương pháp giải đoán ảnh bằng mắt và phương pháp giải đoán ảnh theo phương pháp số để từ đó có thể áp dụng hai phương pháp giải đoán ảnh này trong từng trường hợp cụ thể phục vụ cho các mục đích của ngành. 3.1. KHÁI NIỆM Giải đoán ảnh viễn thám là quá trình tách thông tin định tính cũng như định lượng từ ảnh dựa trên các tri thức chuyên ngành hoặc kinh nghiệm của người đoán đọc điều vẽ. Việc tách thông tin trong viễn thám có thể phân thành 5 loại: - Phân loại đa phổ. - Phát hiện biến động. - Chiết tách các thông tin tự nhiên. - Xác định các chỉ số. - Xác định các đối tượng đặc biệt. Phân loại đa phổ là quá trình tách gộp thông tin dựa trên các tính chất phổ, không gian và thời gian của đối tượng. Phát hiện biến động là phát hiện và phân tích các biến động dựa trên tư liệu ảnh đa thời gian. Chiết tách các thông tin tự nhiên tương ứng với việc đo nhiệt độ trạng thái khí quyển, độ cao của vật thể dựa trên các đặc trưng phổ hoặc thị sai của cặp ảnh lập thể. Xác định các chỉ số là việc tính toán các chỉ số mới, ví dụ chỉ số thực vật. Xác định các đặc tính hoặc hiện tượng đặc biệt như thiên tai, các cấu trúc tuyến tính, các biểu hiện tìm kiếm khảo cổ. Quá trình tách thông tin từ ảnh có thể được thực hiện bằng mát người hay máy tính. Việc giải đoán bằng mắt có ưu điểm là có thể khai thác được các tri thức chuyên môn và kinh nghiệm của con người, mặt khác việc giải đoán bằng mắt có thể phân tích được các thông tin phân bố không gian. Tuy nhiên phương pháp này có nhược điểm là tốn kém thời gian và kết quả thu được không đồng nhất. Việc xử lý bằng máy tính có ưu điểm là năng suất cao, thời gian xử lý ngắn, có thể đo được các chỉ số đặc trưng tự nhiên nhưng nó có yếu điểm là khó kết hợp với tri thức và kinh nghiệm của con người, kết quả phân tích các thông tin kém. Để khắc phục nhược điểm này, những năm gần đây người ta đang nghiên cứu các hệ chuyên gia, đó là các hệ chương trình máy tính có khả năng mô phỏng tri thức chuyên môn của con người phục vụ cho việc đoán đọc điều vẽ tự động. 50
51. Giải đoán ảnh viễn thám bao gồm các giai đoạn sau : - Nhập số liệu . Có hai nguồn tư liệu chính đó là ảnh tương tự do các máy chụp ảnh cung cấp và ảnh số do các máy quét cung cấp. Trong trường hợp ảnh số thì tư liệu ảnh được chuyển từ các băng từ lưu trữ mật độ cao HDDT và các băng từ CCT. Ở dạng này máy tính nào cũng đọc được số liệu. Các ảnh tương tự cũng được chuyển thành dạng số thông qua các máy quét. - Khôi phục và hiệu chỉnh ảnh. Đây là giai đoạn mà các tín hiệu số được hiệu chỉnh hệ thống nhằm tạo ra một tư liệu ảnh có thể sử dụng được. Giai đoạn này thường được thực hiện trên các máy tính lớn tại các Trung tâm thu số liệu vệ tinh. - Biến đối ảnh. Các quá trình xử lý như tăng cường chất lượng, biến đổi tuyến tính là giai đoạn tiếp theo. Giai đoạn này có thể thực hiện trên các máy tính nhỏ như máy vi tính trong khuôn khổ của một phòng thí nghiệm. - Phân loại. Phân loại đa phổ để tách các thông tin cần thiết phục vụ việc theo dõi các đối tượng hay lập bản đồ chuyên đề là khâu then chốt của việc khai thác tư liệu viễn thám. - Xuất kết quả. Sau khi hoàn tất các khâu xử lý cần phải xuất kết quả. 3.2. NHẬP DỮ LIỆU Đối với ảnh số thì tư liệu ảnh được chuyển từ băng từ lưu trữ mật độ cao HDDT vào băng từ CCT.Ở dạng này máy tính nào cũng đọc được số liệu.Vì vậy hệ nhập ảnh mô tả trong phần này được coi như một hệ chuyển đổi các ảnh tương tự đen trắng hay màu về dạng số. Chức năng cụ thể của từng hệ phục thuộc vào những yếu tố sau: - Kích thước của phim: Kích thước tối đa mà thiết bị có thể chuyển đổi được. - Độ phân giải: Mật độ điểm/inch (DPI). - Thang cấp độ xám: Bao nhiêu cấp độ sáng có thể chuyển đổi được hay nói cách khác mỗi pixel đầu ra được mã mấy bít. - Tốc độ chuyển đổi. - Điều kiện môi trường:Yêu cầu làm việc trong bóng tối hoàn toàn,trong ánh sáng mờ - Độ chính xác. Loại ảnh có thể chuyển đổi được: Film hoặc giấy. Các hệ nhập ảnh nhìn chung được thiết kế dựa trên những phương pháp quét ảnh chính sau: 51
52. a. Quét cơ học Bức ảnh được đặt trên một ống hình trụ và quá trình quét được thực hiện bằng việc quay của ống và một tia sáng chiếu từ bên trong ra. Tốc độ quét theo phương pháp này nói chung không cao nhưng nó được sử dụng rộng rãi vì nó cho phép thực hiện việc chuyển đổi với độ chính xác cao và độ phân giải lớn. b. Máy quay vô tuyến Máy quay vô tuyến đôi khi cũng được sử dụng vì giá thành của nó rất rẻ. Tuy vậy nhược điểm của nó là độ phân giải thấp, độ chính xác vị trí không cao và độ phân giải về mầu cũng không cao. c. Buồng chụp CCD Các buồng chụp CCD có ưu thế hơn các máy quay vô tuyến vì chúng có độ phân giải cao hơn, chính xác hơn và kích thước cũng bé hơn. Đương nhiên giá thành của chúng là đắt hơn nhiều lần. d. Buồng chụp CCD mảng tuyến tính Buồng chụp CCD mảng tuyến tính làm việc trên nguyên lý chia đối tượng nghiên cứu thành nhiều hàng nhỏ và việc chuyển đổi được thực hiện tuần tự theo từng hàng một. Các máy quét làm theo nguyên lý này hiện nay rất phổ cập vì giá thành rẻ, chất lượng lại cao. 3.3. HIỆU CHỈNH ẢNH 3.3.1. Hiệu chỉnh bức xạ Tất cả các tư liệu số hầu như bao giờ cũng chịu một mức độ nhiễu xạ nhất định. Để loại trừ các nhiễu này cần phải thực hiện một số phép tiền xử lý. Khi thu các bức xạ từ mặt đất trên các vật mang vũ trụ, người ta thấy chúng có một số khác biệt so với trường hợp quan sát cùng đối tượng đó ở khoảng cách gần. Điều này chứng tỏ ở khoảng cách xa như vậy tổn tại một lượng nhiễu nhất định do góc nghiêng và độ cao mặt trời, một số điều kiện quang học khí quyển như sự hấp thụ, tán xạ, độ mù gây ra Chính vì vậy để bảo đảm được sự tương đồng nhất định về mặt bức xạ cần phải hiệu chỉnh ảnh. Các nguồn nhiễu bức xạ gồm 3 nhóm chính sau : 1. Các nguồn nhiễu do biến đổi độ nhậy của bộ cảm Trong trường hợp các bộ cảm thuần tuý quang học bao giờ cũng xảy ra trường hợp cường độ bức xạ tại tâm ảnh lớn hơn tại các góc. Hiện tượng này gọi là hiện tượng làm mờ ảnh. Đây là một sai lệch không thể tránh khỏi cho các hệ quang học. Khi sử dụng các bộ cảm quang điện tử thì sự chênh lệch giữa cường độ bức xạ trước ống kính và cường độ mà thiết bị thực sự ghi nhận cũng là một đại lượng cần đưa vào quá trình hiệu chỉnh. 52
53. 2. Các nguồn nhiễu do góc chiếu của mặt trời và do địa hình - Bóng chói mặt trời Bản thân mặt trời tạo bóng chói của mình trên mặt đất dưới dạng một vùng sáng hơn những vùng khác. Bóng chói mặt trời có thể được loại trừ cùng với hiện tượng làm mờ ảnh trên nguyên lý ứng dụng chuỗi Furie. - Bóng che Bóng che là hiện tượng che khuất nguồn bức xạ do bản thân địa hình. Để có thể loại trừ nó cần có số liệu mô hình số địa hình và toạ độ vật mang tại thời điểm thu tín hiệu. 3. Các nguồn nhiễu do trạng thái khí quyển Rất nhiều các hiệu ứng khí quyển khác nhau như hấp thụ, phản xạ, tán xạ ảnh hưởng tới chất lượng ảnh thu được. Người ta thường sử dụng các mô hình khí quyển để mô phỏng trạng thái khí quyển và áp dụng các qui luật quang hình học và quang khí quyển để giải quyết vấn đề này. 3.3.2. Hiệu chỉnh khí quyển Bức xạ mặt trời trên đường truyền xuống trái đất bị hấp thụ, tán xạ một lượng nhất định trước khi tới mặt đất và bức xạ, tán xạ từ vật thể cũng bị hấp thụ hay tán xạ trước khi tới được bộ cảm. Do vậy bức xạ mà bộ cảm thu được không chỉ chứa riêng năng lượng hữu ích mà còn chứa nhiều thành phần nhiễu khác nữa. Hiệu chỉnh khí quyển là một công đoạn tiền xử lý nhằm loại trừ những thành phần bức xạ không mang thông tin hữu ích. Có 3 nhóm phương pháp chính sử dụng trong hiệu chỉnh khí quyển là: phương pháp sử dụng hàm truyền khí quyển, phương pháp sử dụng số liệu quan trắc thực địa và các phương pháp khác. 1. Phương pháp sử dụng hàm truyền khí quyển Phương pháp sử dụng hàm truyền khí quyển là giải pháp gần đúng hay được sử dụng. Mọi thông số dựa trên trạng thái trung bình của khí quyển kể cả hàm lượng các hạt bụi lơ lửng và hơi nước. 2. Phương pháp sử dụng các số liệu quan trắc thực địa Trong phương pháp này người ta tiến hành đo đạc bức xạ các đối tượng cần nghiên cứu ngay tại thời điểm bay chụp. Sau đó dựa trên sự khác biệt cường độ bức xạ thu được trên vệ tinh và giá trị đo được người ta tiến hành hiệu chỉnh bức xạ. Phương pháp này cho kết quả rất tốt nhưng không phải lúc nào và ở đâu cũng thực hiện được. 3. Các phương pháp khác. Một số vệ tinh được trang bị các bộ cảm đặc biệt chuyên thu nhận các tham số trạng thái khí quyển đồng thời với các bộ cảm thu nhận ảnh và việc hiệu chỉnh khí quyển được tiến hành ngay trong quá trình bay. 53
54. 3.3.3. Hiệu chỉnh hình học ảnh Méo hình hình học là sai lệch vị trí giữa tọa độ ảnh thực tế đo được và tọa độ ảnh lý tưởng thu được từ bộ cảm có thiết kế hình học lý tưởng và trong các điều kiện thu nhận lý tưởng. Méo hình hình học gồm méo hình nội sai và méo hình ngoại sai. Méo hình nội sai sinh ra do tính chất hình học của bộ cảm và méo hình ngoại sai gây ra do vị trí của vật mang và hình dáng của vật thể. Để đưa các tọa độ ảnh thực tế về tọa độ ảnh lý tưởng phải hiệu chỉnh hình học. Bản chất của hiệu chỉnh hình học là xây dựng được mối tương quan giữa hệ tọa độ ảnh đo và hệ tọa độ qui chiếu chuẩn. Hệ tọa độ qui chiếu chuẩn có thể là hệ tọa độ mặt đất (hệ tọa độ vuông góc hoặc hệ tọa độ địa lý) hoặc hệ tọa độ ảnh khác. Các trình tự cơ bản của hiệu chỉnh hình học bao gồm : 1. Chọn lựa phương pháp Phương pháp được chọn lựa phải dựa trên bản chất méo hình của tư liệu nghiên cứu và số lượng điểm khống chế có thể được. 2. Xác định các tham số hiệu chỉnh Việc xác định các tham số hiệu chỉnh thông thường dựa trên việc thiết lập các mô hình toán học và các hệ số của mô hình này được tính theo phương pháp bình sai trên cơ sở các điểm đã biết tọa độ ảnh và tọa độ các điểm kiểm tra. Những biến đổi thường sử dụng trong thực tế là : Biến đổi Helmert : x = au + bv + c Số ẩn số là 4 y = - bu + av + d Biến đổi Affine : x = au + bv + c Số ẩn là 6 y = du + ev + f Biến đổi theo phép chiếu hình. x a v a u a = 1 2 3 Số ẩn là 8 a 7u a8 1 y a u a v a = 4 5 6 a 7u a8 1 Biến đổi đa thức : i-1 j-1 x =  aiju v i-1 j-1 y =  biju v Số ẩn phụ thuộc vào bậc đa thức 54
55. 3.4. BIẾN ĐỔI ẢNH 3.4.1. Tăng cường chất lượng và chiết tách đặc tính Tăng cường chất lượng ảnh là thao tác chuyển đổi nhằm tăng tính dễ đọc, dễ hiểu của ảnh cho người đoán đọc điều vẽ. Còn chiết tách đặc tính là thao tác nhằm phân loại, xắp xếp các thông tin có sẵn trong ảnh theo các yêu cầu hoặc chỉ tiêu đưa ra dưới dạng các hàm số. a. Tăng cường chất lượng ảnh Những phép tăng cường chất lượng ảnh thường được sử dụng là biến đổi cấp độ xám, biến đổi histogram, tổ hợp màu, biến đổi mầu giữa 2 hệ RGB vàHSI b. Chiết tách đặc tính Chiết tách đặc tính được thực hiện đối với 3 loại đặc tính chính: - Đặc tính phổ: Các màu sắc đặc biệt, gradient, tham số phổ. - Đặc tính hình học: Các cấu trúc đường, hình dáng, kích thước - Đặc tính cấu trúc: Mẫu, tần suất phân bố không gian, tính đồng nhất 3.4.2. Biến đổi cấp độ xám Biến đổi cấp độ xám là một kỹ thuật tăng cường chất lượng ảnh đơn giản nhằm biến đổi khoảng giá trị cấp độ xám mà thiết bị hiển thị có khả năng thể hiện được. Bằng cách biến đổi này hình ảnh trông sẽ rõ hơn. Có thể thực hiện phép biến đổi này dựa theo quan hệ y = f(x). Trong đó y là giá trị cấp độ xám sau biến đổi và x là giá trị cấp độ xám nguyên thuỷ. Hàm số f có thể là tuyến tính hoặc phi tuyến tính. Thường người ta sử dụng phép biến đổi tuyến tính và phép biến đổi dựa vào giá trị trung bình. 3.4.3. Thể hiện mầu trên tư liệu ảnh vệ tinh Để thể hiện mầu trên tư liệu ảnh viễn thám người ta phải tổ hợp mầu và hiện màu giả. a. Tổ hợp mầu Một bức ảnh mầu có thể được tổ hợp trên cơ sở gán 3 kênh phổ nào đó cho 3 mầu cơ bản. Có hai phương pháp trộn mầu đó là cộng mầu và trừ mầu. Trên hình 3.1 chỉ ra sơ đồ nguyên lý của việc trộn mầu. Nếu ta chia toàn bộ dải sóng nhìn thấy thành 3 vùng cơ bản là đỏ, lục, chàm và sau đó lại dùng ánh sáng trắng chiếu qua kính lọc đỏ, lục, chàm tương ứng ta thấy hầu hết các mầu tự nhiên đều được khôi phục lại. Phương pháp tổ hợp mầu đó được gọi là phương pháp tổ hợp mầu tự nhiên. 55