Nghiên cứu xác định biến động bề mặt địa hình khu vực miền núi bằng kỹ thuật radar giao thoa đa thời gian

Tín hiệu sóng phản hồi trên bề mặt địa hình khác nhau: a- ảnh hưởng của bộ cảm/hình học của địa hình trên ảnh SLR theo Lewis, 1976; b- tín hiệu phản hồi của sóng radar trên các bề mặt kh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học:

PGS.TS Trần Vân Anh

HÀ NỘI - 2018

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan rằng luận văn thạc sĩ khoa học này là công trình nghiên cứu của riêng tôi Những số liệu được sử dụng trong luận văn trung thực Kết quả nghiên cứu này chưa được công bố trong bất kì công trình nghiên cứu nào

từ trước đến nay

Hà Nội, ngày 22 tháng 10 năm 2018

Tác giả luận văn

Đoàn Ngọc Dũng

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

GIẢI THÍCH CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT iv

DANH MỤC BẢNG BIỂU v

DANH MỤC HÌNH vi

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VIỄN THÁM RADAR 6

1.1 Radar và lịch sử phát triển Radar 6

1.1.1 Giới thiệu về Radar 6

1.1.2 Lịch sử phát triển của viễn thám Radar 6

1.1.3 So sánh viễn thám Radar với viễn thám trong dải sóng nhìn thấy và hồng ngoại (VIR) 7

1.1.4 Các kênh phổ sử dụng trong Radar và ứng dụng 9

1.2 Hợp phần của một hệ Radar đơn giản 11

1.3 Hệ Radar nhìn xiên SLAR 12

1.3.1 Nguyên lý hoạt động của SLAR 12

1.3.2 Thuật ngữ thường dùng đối với một hệ SLAR 13

1.3.3 Độ phân giải không gian 14

1.4 Hệ Radar mở thực RAR và tổng hợp SAR 18

1.4.1 Hệ Radar mở thực RAR (Real Aperture Radar) 18

1.4.2 Hệ Radar tổng hợp SAR (Synthetic Aperture Radar) 18

1.5 Đặc tính của ảnh Radar nhìn xiên 19

1.5.1 Biến dạng tỷ lệ ảnh theo tầm 20

1.5.2 Biến dạng hình học theo đặc tính địa hình 21

1.5.3 Thị sai ảnh (parallax) 22

1.5.4 Đốm ảnh (spectacle) 22

1.5.5 Sự thay đổi chiếu sáng của ảnh Radar theo tầm 23

1.5.6 Đặc tính truyền tín hiệu Radar 23

1.6 Tín hiệu sóng phản hồi của Radar 24

1.6.1 Phương trình Radar 24

1.6.2 Các yếu tố ảnh hưởng do đặc tính của hệ Radar 25

1.6.3 Các yếu tố địa hình 28

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA INSAR 33

2.1 Nguyên lý của InSAR 33

2.2 Đánh giá chất lượng của một cặp ảnh giao thoa 36

2.3 Những yếu tố ảnh hưởng đến việc tạo InSAR 38

2.3.1 Các nguồn nhiễu 38

2.3.2 Ảnh hưởng của khí quyển 40

2.4 Ứng dụng InSAR để xác định biến dạng bề mặt địa hình 42

CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG KỸ THUẬT INSAR TRONG XÁC ĐỊNH BIẾN ĐỘNG BỀ MẶT ĐỊA HÌNH KHU VỰC HUYỆN BÁT XÁTTỈNH LÀO CAI 47

3.1 Đặc điểm tự nhiên khu vực thực nghiệm 47

3.1.1 Vị trí địa lý, địa hình huyện Bát Xát 47

3.1.2 Mạng lưới thủy văn Lào Cai 49

3.1.3 Đặc điểm của yếu tố khí tượng khu vực Lào Cai 49

3.1.4 Tình trạng sạt lở khu vực huyện Bát Xát tỉnh Lào Cai 50

3.2 Phần thực nghiệm đối với vùng nghiên cứu khu vực huyện Bát Xát 54

3.2.1 Phương pháp và dữ liệu sử dụng 54

3.2.2 Kết quả xử lý ảnh 63

3.2.3 Kết quả 66

KẾT LUẬN 69

GIẢI THÍCH CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

ASAR Advanced Synthetic Aperture Radar

AMI Active Microwave Instrumentation

DEM Digital Elevation Model

DInSAR Differential Interferometri SAR

GCP Ground Control Point

InSAR Interferometry SAR

NIR Cận hồng ngoại

PRISM Pantromatic RS Instrument for Stereo Mapping RADAR Radio Detection and Ranging

RAR Real Aperture Radar

SAR Synthetic Aperture Radar

SIR Shuttle Imaging Radar

SLAR Side Looking Airborne Radar

SLC Single Look Complex

SRTM Shuttle Radar Terrain Mission

UTM Universal Transfer Mercator

VIR Visible InfraRed

WGS World Geodetic System

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Các đặc tính chung của Radar 8

Bảng 1.2 So sánh Radar và VIR 8

Bảng 1.3 Bước sóng và tần số sóng dùng trong viễn thám Radar 10

Bảng 1.4 Các ứng dụng của các kênh sóng Radar 11

Bảng 1.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến tín hiệu thu Radar 25

Bảng 1.6 Độ gồ ghề của một số kênh Radar với góc tới 450 30

(Theo Sabin, 1997) 30

Bảng 3.1 Thống kê số lượng các điểm trượt lở đất đá theo quy mô, kiểu sườn xảy ra trượt và hiện tượng sử dụng đất huyện Bát Xát 52

Bảng 3.2 Thống kê số lượng các điểm trượt lở đất đá và kiểu trượt huyện Bát Xát 52

Bảng 3.3 Thống kê số lượng các điểm trượt lở đất đá gây thiệt hại các loại huyện Bát Xát 52

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Bước sóng sử dụng trong viễn thám 9 Hình 1.2 Cấu trúc cơ bản của một hệ Radar 11 Hình 1.3 Nguyên tắc hoạt động của một hệ SLAR(a)- Địa vật và năng lượng phản hồi; (b)- Chuyển đổi tín hiệu sang cường độ tín hiệu theo thời gian 12 Hình 1.4.Nguyên lý hoạt động của một hệ SLAR 13 (a)- Truyền một xung radar chỉ trường sóng tại khoảng thời gian từ 1-17; 13 (b)- Kết quả tia phản hồi 13 Hình 1.5 Minh họa một số khái niệm dùng trong SLAR 14 Hình 1.6 Độ dài xung, độ rộng của chùm, chùm vuông của hệ SLAR mở thực 14 Hình 1.7 Các đối tượng phân giải khác nhau 16 Hình 1.8 Độ phân giải tầm xiên 16 Hình 1.9 Phân giải theo phương vị đo bởi khoảng cách của cung xác định độ rộng của chùm theo góc B tại anten hoặc góc  tại mặt đất 17 Hình 1.10 Xác định độ phân giải của Radar độ mở tổng hợp 19 Hình 1.11 Thay đổi độ phân giải theo tầm 20 Hình 1.12 Sự khác nhau về đường ảnh theo tầm mặt và tầm xiên, khi độ dài của xung A1,B1 và C1 theo tầm xiên khác nhau (theo Thomas M Lillesand

và Raph W Kiefer, 2000) 20 Hình 1.13 Hiện tượng co ngắn (a) và biến dạng co ngắn (b) trên ảnh Radar 21 Hình 1.14.Thu ảnh Radar tạo ảnh nổi từ hai hướng khác nhau (a) và hai đường bay khác nhau (b) 22 Hình 1.15 Nhiễu đốm spectacle 23 Hình 1.16 Các kiểu phân cực trong viễn thám Radar 24

Hình 1.17 (a)- kênh X (HH) nông nghiệp cho tín hiệu phản hồi dạng phân tán (bề mặt gồ ghề); (b)- tín hiệu phản hồi của mặt gần phẳng trên kênhL cho

tín hiệu thu được yếu, ảnh tối 26

Hình 1.18 Ảnh Radar vùng núi Oachita kênh K (a)- phân cực HH; (b) - phân cực HV (theo Thomas M Lillesand và Ralph W Kiefer, 2000) 26

Hình 1.19 Ảnh hưởng của góc hạ trên cùng một địa hình trên ảnh Radar SAR tại nước Ý (theo Ravi P Gupta, 1992) 27

Hình 1.20 Góc và hướng nhìn khác nhau ảnh hưởng trên ảnh Radar, a- mặt địa hình dốc ; b- 4 vị trí khác nhau trong chụp ảnh Radar và biểu diễn ở dạng mặt cắt; c- kết quả ảnh Radar (Theo Koopmans, 1983 b) 27

Hình 1.21 Sự thay đổi của các góc tới do địa hình, hướng chùm anten không đổi; (a)- góc tới nhỏ, (b) - góc tới trung bình, (c)- góc tới lớn (không có tia phản hồi) 28

Hình 1.22 Tín hiệu sóng phản hồi trên bề mặt địa hình khác nhau: (a)- ảnh hưởng của bộ cảm/hình học của địa hình trên ảnh SLR (theo Lewis, 1976); (b)- tín hiệu phản hồi của sóng radar trên các bề mặt khác nhau 29

Hình 1.23 Bề mặt gồ ghề tưởng tượng do biến đổi độ cao Biến đổi độ cao ngẫu nhiên đặt trên bề mặt điều hòa và phẳng 30

Hình 1.24 Kênh X và kênh L phản xạ từ các mặt địa hình có độ gồ ghề thay đổi 30

Hình 1.25 Các kiểu tán xạ trong môi trường điện môi khác nhau 31

Hình 1.26 Tán xạ khối, (a)- tia tới truyền qua và sau đó tán xạ trong vật liệu không đồng chất; (b)- tán phản xạ thể tích trong môi trường cây 31

Hình 2.1 Sự lệch pha, cộng hưởng và triệt tiêu 34

Hình 2.2 Vân giao thoa trên mặt đất từ hai nguồn sóng Radar SAR 34

Hình 2.3 Cường độ và pha 35 Hình 2.4 Hình ảnh pha giao thoa với tương quan cao (a) và tương quan thấp (b)38

Hình 2.5 Biểu diễn hình học sự biến đổi của địa hình 42 Hình 2.6 Nguyên lý của phương pháp InSAR giao thoa vi phân Three-pass 45 Hình 3.1 Bản đồ hành chính khu vực Lào Cai 48 Hình 3.2 Sơ đồ phân bố các vị trí được giải đoán có biểu hiện trượt lở đất đá trên địa bàn huyện Bát Xát 51 Hình 3.3 Sơ đồ phân bố các vị trí được xác định xảy ra trượt lở đất đá trên địa bàn huyện Bát Xát 51 Hình 3.4 Sơ đồ vị trí điểm trượt lở đất đá tại thôn Sùng Hoàng, xã Phìn Ngan, huyện Bát Xát 51 Hình 3.5 Ảnh AlOS PALSAR trên Google Earth 57 Hình 3.6 Quy trình xử lý PSInSAR 61 Hình 3.7 Ví dụ tương quan (coherence) của các cặp ảnh ALOS PalSAR2007_08_10-2007_11_10 65 Hình 3.8 Sạt lở đất ở giai đoạn 2007-2010 66 Hình 3.9 Sạt lở đất trung bình trong giai đoạn 2007-2010 bằng ảnh Radar 67

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay, viễn thám ngày càng được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực như thủy văn, địa chất, môi trường, giao thông, động đất, sinh thái học,…Hệ thống viễn thám bao gồm hệ thống viễn thám chủ động và hệ thống viễn thám bị động Hệ thống chủ động tự cung cấp năng lượng phát sáng và thu nhận tín hiệu phản xạ để tạo ảnh của bề mặt trái đất, ngược lại hệ thống bị động phụ thuộc vào các nguồn năng lượng khác (ví dụ: năng lượng mặt trời)

để tạo ảnh Trong hệ thống chủ động, vệ tinh viễn thám có nhiều bộ cảm biến thu nhận phổ từ dải sóng nhìn thấy, hồng ngoại đến vùng sóng siêu cao tần Radar (Radio Detection and Ranging) là một hệ thống chủ động hoạt động trong vùng sóng siêu cao tần

Dữ liệu viễn thám là các ảnh viễn thám quang học hoặc viễn thám siêu cao tần thường được dùng làm nền cho các bản đồ chuyên đề tỉ lệ lớn với độ chính xác cao Tuy nhiên, theo quan điểm ứng dụng, chiều thứ ba (ví dụ: cao

độ hoặc độ cao so với mặt nước biển) của các vật thể trên bề mặt trái đất là quan trọng nhất Các ứng dụng thực tế như mô hình hóa môi trường, nghiên cứu lượng mưa, các vùng sạt lở đất, mô hình hóa động đất, mô hình thủy lực… đều đòi hỏi các thông tin về chiều thứ ba của vật thể.Từ cao độ hoặc độ cao các điểm ở các thời điểm khác nhau chúng ta có thể tính toán ra sự thay đổi của bề mặt tại điểm quan trắc

Sự thay đổi bề mặt của các điểm quan trắc có thể được xác định bằng cách đo đạc ngoài thực địa Công tác đo đạc ngoài thực địa cho cao độ với độ chính xác cao, nhưng mất nhiều thời gian, nhân công, chi phí và chỉ cung cấp thông tin về điểm Các thông tin về sự thay đổi bề mặt của điểm không đủ để cung cấp cho các ứng dụng nghiên cứu dựa trên phân tích vùng, thường đòi hỏi các thông tin không gian

Thông thường, việc tính toán sự thay đổi bề mặt của các đối tượng được thực hiện trên các công trình lớn đòi hỏi sự giám sát nghiêm ngặt về sự thay đổi, biến dạng Công việc được thực hiện bằng sự quan sát lặp nhiều chu kỳ tại các mốc gắn cố định trên công trình

Với sự ra đời của kỹ thuật SAR giao thoa (InSAR – Inteferometry SAR), chúng ta có thể phân tích và tách ra các thông tin biến dạng cho các yếu tố không gian với độ chính xác ở mức vài mm Theo đó, kỹ thuật trên đã tạo đà cho nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực như: nghiên cứu di chuyển của

đá trong địa chất học, biến đổi lớp vỏ trái đất trong địa chấn học, giám sát núi lửa toàn cầu, giám sát sạt lở đất, nghiên cứu băng trôi,…

Trong kỹ thuật InSAR, hai ảnh Radar thu nhận từ các vệ tinh nói trên của cùng một khu vực được chọn và tính độ lệch pha để tạo một ảnh giao thoa Pha trong ảnh giao thoa biến đổi từ pixel này đến pixel khác, và có thể dùng để hồi phục lại bề mặt địa hình, vận tốc và các vùng dịch chuyển Tuy nhiên, giá trị pha đo được chỉ là phần dư của phép chia hết cho 2π, nghĩa là giá trị của số nguyên lần 2π bị mất Vì vậy, nếu bề mặt biến dạng trên ảnh lớn hơn một nữa bước sóng Radar, và pha giao thoa tạo ra bị chệch hơn một chu kỳ, hay nếu kết hợp với đường đáy và bề mặt địa hình sẽ có một khoảng cao đều của địa hình bị mất, ảnh giao thoa phải cần một bước xử lý để hồi phục các chu kỳ bị mất Bước xử lý đó là lời giải của bài toán mở pha

Ưu điểm của SAR giao thoa trong các nghiên cứu các khoa học Trái đất

là kết quả của sự chính xác của các phương pháp giải bài toán mở pha Khi giao thoa làm mất đi một số nguyên lần chu kỳ trong giá trị pha đo được, nên việc hồi phục chính xác số chu kỳ bị mất là then chốt cho các nghiên cứu về biến dạng, thành lập mô hình độ cao số, thành lập bản đồ địa hình…

Việt Nam là một trong số những quốc gia nằm trong khu vực thường xuyên bị ảnh hưởng của sạt lở đất do khí hậu nhiệt đới ẩm gió mùa và địa

hình đồi núi khá nhiều Trong điều kiện biến đổi khí hậu toàn cầu đang diễn

ra khá gay gắt thì sạt lở đất ngày càng trở nên nguy hiểm, khốc liệt hơn Theo nghiên cứu của Lê Quốc Hùng(Lê Q.H, và nnk, 2015), hầu như năm nào ở nước ta vào mùa mưa cũng xảy ra sạt lở đất, gây thiệt hại rất lớn về người và tài sản Ở Việt Nam đã có nhiều nghiên cứu về sạt lở đất trong đó phải kể đến là: Nghiên cứu tai biến trượt lở tại các điểm dân cư vùng thủy điện Hòa Bình (Bùi Khôi Hùng, 1992), hay dự báo tai biến thiên nhiên ở tỉnh Hòa Bình (Nguyễn Ngọc Thạch, 2003) Nghiên cứu nguy cơ trượt lở ở miền núi Bắc Bộ

và giải pháp phòng tránh (Nguyễn Quốc Thành và nnk, 2005).Ngoài ra còn rất nhiều nghiên cứu khác như (Lê Thị Nghinh và nnk, 2003), (Nguyễn Trọng Yêm và nnk, 2004), (Trần Thanh Hà, 2004) Trong các nghiên cứu này có đề tài của Lê Quốc Hùng (2012-2015) với đề án điều tra, phân vùng cảnh báo nguy cơ trượt lở đất đá ở các vùng miền núi là một nghiên cứu khá công phu

và đã đưa ra được một số bản đồ cảnh báo nguy cơ trượt lở đất Các nghiên cứu này chủ yếu xác định trượt lở đất và cảnh báo trượt lở bằng một số phương pháp địa chất trong đó bản đồ phân bố trượt lở đất thường được tạo ra bằng điều tra trực tiếp ở thực địa kết hợp với giải đoán ảnh hàng không

Ở Việt Nam chúng ta, mới chỉ có một số cơ quan nghiên cứu ứng dụng

kỹ thuật này trong việc xây dựng mô hình độ cao số nói riêng, và ứng dụng trong các lĩnh vực khác nói chung.Tuy nhiên những nghiên cứu ứng dụng đó mới chỉ là bước đầu Hằng năm, do sự dịch chuyển nhẹ của cấu tạo bề mặt trái đất, mưa lớn, do con người khai thác gỗ không đúng nên gây ra hiện tượng sói mòn trượt lở đất ở các vùng cao như Lào Cai Do đó, việc xác định nhanh các khu vực này là cần thiết để tìm ra nguyên nhân gây ra sự thay đổi địa hình và

dự đoán sự thay đổi trong những năm tới Việc đưa ra những dự đoán kịp thời giúp các cơ quan quản lý và tổ chức đưa ra những biện pháp khắc phục, cũng như các quyết định phát triển kinh tế - xã hội cũng như cơ sở hạ tầng.Vì vậy công tác xác định nhanh sự thay đổi địa hình bằng Radar giao thoa là cần thiết

Xuất phát từ chính yêu cầu thực tế, tôi lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu xác định biến động bề mặt địa hình khu vực miền núi bằng kỹ thuật Radar giao thoa đa thời gian”

2 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu của Đề tài là thử nghiệm một phương pháp mới (InSAR) để xác định biến động bề mặt địa hình, trên cơ sở đó phân tích những ưu và nhược điểm của phương pháp

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Do phạm vi và mức độ rộng lớn của vấn đề xác định biến động bề mặt địa hình của kỹ thuật InSAR cũng như thời gian thực hiện đề tài có hạn nên tác giả chủ yếu tìm hiểu về cơ sở lý thuyết kỹ thuật InSAR, ứng dụng kỹ thuật InSAR trong xác định nhanh các vùng xuất hiện biến động bề mặt địa hình cũng như các thay đổi về bề mặt địa hình Các vấn đề khác trong kỹ thuật InSAR như bài toán đăng ký và tái chia mẫu ảnh, mô hình hóa đường đáy, đa

xử lý cho một chiến lược cụ thể,… sẽ không quan tâm kỹ trong đề tài này

4 Nội dung nghiên cứu

- Tạo giao thoa từ các cặp ảnh Radar

- Xây dựng mô hình số độ cao DEM

- Xác định sự thay đổi, biến dạng bề mặt địa hình từ ảnh Radar giao thoa

5 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp thống kê: Thu thập, tổng hợp, xử lý các thông tin và tài liệu liên quan

Phương pháp phân tích: Sử dụng các phương tiện và các công cụ tiện ích, phân tích logic các tư liệu, đánh giá khách quan các yếu tố để đưa ra kết luận chính xác làm cơ sở giải quyết các vấn đề đặt ra

Phương pháp so sánh: Tổng hợp các kết quả, so sánh, đánh giá, đưa ra các kết luận chính xác về vấn đề nêu ra

Phương pháp thực nghiệm: Tiến hành thực nghiệm để chứng minh cho các luận chứng khoa học đã đưa ra

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Ý nghĩa khoa học: Góp phần khẳng định khả năng ứng dụng của ảnh Radar trong xác định biến động bề mặt địa hình và mở ra những hướng nghiên cứu tiếp theo như trong quan trắc biến động, nghiên cứu biến đổi vỏ trái đất

Ý nghĩa thực tiễn: Đề tài góp phần vào việc làm đa dạng thêm các phương pháp xác định biến động bề mặt địa hình, đặc biệt giúp cho việc xác định biến động bề mặt địa hình một cách nhanh chóng, ít tốn kém mà vẫn đảm bảo yêu cầu độ chính xác

7 Cấu trúc của luận văn

Chương 1: Tổng quan về viễn thám Radar

Chương 2: Cơ sở lý thuyết của INSAR

Chương 3: Ứng dụng kỹ thuật IN SAR trong xác định biến động bề mặt địa

hình khu vực huyện Bát Xát tỉnh Lào Cai

8 Lời cảm ơn

Để hoàn thành luận văn này ngoài sự nỗ lực của bản thân, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tời PGS.TS Trần Vân Anh, người đã trực tiếp hướng dẫn giúp đỡ, đóng góp nhiều ý kiến trong quá trình chọn và nghiên cứu

đề tài

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình, các bạn bè, những người đã luôn bên tôi, động viên, giúp đỡ và tạo điều kiện để tôi thực hiện luận văn một cách tốt nhất

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VIỄN THÁM RADAR

1.1 Radar và lịch sử phát triển Radar

1.1.1 Giới thiệu về Radar

Radar (Radio Dectection And Ranging) là hệ thống tìm kiếm và đo khoảng cách bằng sóng radio chính là một dạng viễn thám chủ động mà nó có thể được đặt trên các máy bay hay vệ tinh, sử dụng chính nguồn sóng mà nó phát ra không phụ thuộc vào năng lượng mặt trời Một lượng lớn các thông tin hiện nay về môi trường và tài nguyên được thu nhận bởi bộ cảm hoạt động trên dải phổ của sóng Viễn thám sóng Radar không những chỉ sử dụng trong lĩnh vực quân sự như trước đây mà ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu môi trường của Trái đất, phục vụ cho khoa học và mục đích hoà bình Công nghệ Radar sử dụng nguồn sóng dài siêu tần, được phát ra từ một anten và thu nhận sóng phản hồi, là một phương tiện hữu hiệu của năng lượng nhân tạo, không còn phụ thuộc vào năng lượng mặt trời nên có thể nghiên cứu môi trường trong mọi lúc và mọi thời tiết Hệ viễn thám sử dụng nguồn năng lượng sóng Radar chủ động, do nguồn năng lượng từ Anten tạo ra và thu sóng

phản hồi gọi là hệ Radar chủ động và hệ thu năng lượng sóng Radar phát xạ

tự nhiên từ một vật trên mặt đất gọi là viễn thám Radar bị động Ngoài ra, các

hệ Radar có thể được phân loại theo các đặc tính như Radar tạo ảnh và Radar không tạo ảnh Radar được dùng để đo vận tốc chuyển động của vật, vận tốc gió Các thiết bị viễn thám Radar có thể được đặt trên mặt đất, máy bay, hoặc trên vệ tinh

1.1.2 Lịch sử phát triển của viễn thám Radar

Để nói về lịch sử phát triển của Radar thì phải kể đến hai mốc lịch sử quan trọng đó là năm 1873 Maxwell đã đưa ra phương trình điện từ Maxwell trong cuốn “Chuyên luận về điện và từ trường” và sau đó đã được Hertz làm

thí nghiệm chứng minh vào năm 1886 Hertz đã tạo ra và tìm thấy sóng radio đầu tiên và ông cũng đã chứng minh được là sóng đó có khả năng phản xạ và tán xạ Mặc dù hệ thống Radar đầu tiên được phát triển rất sớm vào năm 1903 nhằm mục đích giám sát tầu thủy, tránh việc đụng tàu trên biển cũng như trên sông nhưng sau đó cũng phải đến những năm 1930 thì Radar mới thực sự phát triển Năm 1930 Taylor (USA) và Watson- Watt thí nghiệm với chùm tia radio xung (Pulsed radio beam) Các nhà khoa học đã sử dụng antenna thiên văn phát sóng Radar về phía sao Kim và sao Hỏa sau đó thu năng lượng phản hồi nhằm khảo sát địa hình của hai sao này vào năm 1961 và 1963

Trong những năm 1950, khoa học đã thiết kế Radar kiểu SLAR (Radar nhìn xiên trên máy bay) Vào những năm 1960, việc phân loại SLAR và SAR (Radar độ mở tổng hợp) cho việc nghiên cứu tài nguyên thiên nhiên được thực hiện.Đầu năm 1991 có 3 vệ tinh mang thiết bị Radar được phóng thành công lên vũ trụ Đó là Almaz-1 của Liên xô cũ, ERS-1 của Cơ quan Vũ Trụ Châu Âu ESA, và JERS-1 của Nhật Năm 1995 Radarsat của Canada đã được phóng lên vũ trụ thành công Có thể nói rằng, trong những năm 1990, công nghệ vũ trụ đã đạt thành công lớn với việc đẩy nhanh ứng dụng của viễn thám Radar vũ trụ cho nghiên cứu khoa học và ứng dụng Sang đến đầu thế kỷ 21

đã có một số vệ tinh Radar có độ phân giải cao được phóng lên quỹ đạo chuyên phục vụ giám sát tài nguyên và biến động lớp vỏ trái đất ở mức độ chi tiết hơn đó là ALOS PALSAR của Nhật (2003), Envisat (2002) của châu Âu, TeraSAR-X của Đức (2007)

1.1.3 So sánh viễn thám Radar với viễn thám trong dải sóng nhìn thấy và hồng ngoại (VIR)

Viễn thám vệ tinh trong dải sóng nhìn thấy và hồng ngoại có nguồn năng lượng chính cung cấp là nguồn năng lượng tự nhiên và thường được gọi

là viễn thám quang học.Khác với viễn thám quang học, viễn thám Radar chủ

động sử dụng nguồn năng lượng tạo ra bởi xung điện từ nguồn anten, có bước sóng dài và có tần số đạt mức độ rất lớn gọi là siêu tần Đặc tính của viễn thám Radar là thu tia phản hồi mà thường được gọi là “năng lượng tán xạ ngược”, có bước sóng từ 0,75 cm-100 cm, với tần số từ 1 đến 40 GHz, có độ phân giải từ thấp đến cao, với góc nhìn xiên Viễn thám Radar và viễn thám sóng trong dải sóng nhìn thấy và hồng ngoại (VIR) được so sánh trong bảng bảng 1.2.Các đặc tính kỹ thuật của viễn thám Radar được liệt kê trong bảng 1.1

Bảng 1.1 Các đặc tính chung của Radar

Đặc tính Nhìn thấy hồng- ngoại Sóng Radar

0,3 - 3m

105 - 106 MHz 1m đến vài km Nhìn đứng

Thu tia phản hồi Radar Hình học / diện chung 0,75 cm - 100 cm

15 - 1GHz 2,5m đến vài trăm m Nhìn xiên

Không Không

Có

Bề mặt

Có (dao động)

Có (dao động) Không

Thể tích

Quyển khí

Phụ thuộc vào:

Mây Mưa Ánh sáng Mặt trời Sương mù

Thể hiện

dữ liệu

Stereo Giao thoa

Đa phổ

Đa thời gian

Có Không

1.1.4 Các kênh phổ sử dụng trong Radar và ứng dụng

a Các kênh phổ chính sử dụng trong Radar

Sóng Radar là sóng siêu cao tần với bước sóng dài Tương quan giữa tần suất và bước sóng được diễn tả bằng công thức (1.1):

f là tần số (số lần xung trong một giây)

Hình 1.1 Bước sóng sử dụng trong viễn thám

Mỗi loại bước sóng Radar khác nhau với các tần số khác nhau sẽ cho chúng

ta những kênh phổ khác nhau sử dụng trong viễn thám Radar.Bảng 1.3 liệt kê các kênh sử dụng trong Radar và bước sóng  cùng tần số f của chùm xung

Bảng 1.3 Bước sóng và tần số sóng dùng trong viễn thám Radar

Kênh Bước sóng 

(cm)

Tần số f (GHz)

- Đo độ bốc hơi nước trong khí quyển;

- Đo hàm lượng nước trên đám mây;

- Đo độ cao;

- Vẽ bản đồ thành tạo của sông và biến động đường bờ

Cụ thể với các sóng Radar khác nhau sẽ có những ứng dụng khác nhau.Bảng 1.4 liệt kê các ứng dụng chính của từng kênh Radar

Bảng 1.4 Các ứng dụng của các kênh sóng Radar

0,4 - 1,6 GHz Xuyên qua đất, thu thông tin về các vật gần mặt đất, thông tin

về độ ẩm, khoảng không và trực diện

1,4 - 15 GHz Tất cả các vùng thời tiết, thông tin đặc tính bề mặt

15 - 22 GHz Đại dương Đo nhiệt độ bề mặt, độ gồ ghề và độmuối của

nước biển

22 GHz Xác định thông tin về hơi nước tại quyển khí, bằng việc sử

dụng đường hơi nước 22,235 GHz

60 GHz Xác định mặt cắt nhiệt độ của quyển khí

35, 94, 135,

225 GHz

Vùng có độ phân giải không gian cao với kích thước anten nhỏ

1.2 Hợp phần của một hệ Radar đơn giản

Một hệ Radar đơn giản mang chùm xung tạo nên bởi một máy nối với một anten Chùm xung do anten phát theo hướng tới vật thể và chùm tia phản hồi lại được anten thu ở thời điểm muộn hơn so với thời điểm phát xung Hệ anten Radar sử dụng một anten thu và phát tại một vị trí gọi là hệ Radar đơn Nếu một hệ Radar phát sóng bằng một anten và thu sóng phản hồi bằng anten khác thì hệ đó gọi là một hệ Radar kép Hình 1.2 minh hoạ cấu trúc cơ bản của một hệ Radar.Khi sóng qua anten sẽ được một bộ chỉnh duplexer điều chỉnh.Bộ phận kiểm soát (control) sẽ điều hành hoạt động của Radar.Tín hiệu đầu ra sẽ vào bộ phận CRT, trên phim hoặc dữ liệu băngtừ (tape)

Hình 1.2 Cấu trúc cơ bản của một hệ Radar

1.3 Hệ Radar nhìn xiên SLAR

Hệ Radar nhìn xiên lắp trên máy bay được viết tắt là SLAR (Side Looking Airborne Radar) Một chùm xung phóng từ Radar đặt trên máy bay

và tín hiệu phản hồi từ vật lại được chính Radar này thu nhận và truyền vào theo hệ thống xử lý, theo nguyên tắc được minh họa trên hình 1.3

1.3.1 Nguyên lý hoạt động của SLAR

Một SLAR được gắn trên máy bay thường có kích thước rộng khoảng 5m, nhìn xiên và hướng vuông góc với đường bay (hình 1.3)

Hình 1.3 Nguyên tắc hoạt động của một hệ SLAR(a)- Địa vật và năng lượng phản hồi; (b)- Chuyển đổi tín hiệu sang cường độ tín hiệu theo thời gian.

Đường phương

Hướng tầmTầm xa

Mặt đất phản hồi 1 năng lượng điện từ

Độ rộng vệtĐộcao

Cường độ

Thời gian

(a)

(b)

Thuật ngữ SLAR dùng cho máy bay nhưng phát triển cho cả vệ tinh và giữ nguyên tên Đôi khi có hai anten nhìn mặt đất theo cả hai phía vuông góc với đường bay Đối với một đường quét, Radar truyền một xung ngắn của năng lượng điện từ liên tục và đơn sắc, tạo nên một vệt đi hẹp trên mặt đất vuông góc với hướng bay (hình 1.4a) Radar thu sóng phản hồi từ mặt đất Sóng phản hồi ở điểm gần Radar sẽ thu trước và ở xa Radar sẽ thu chậm hơn (hình 1.4b) Sau khi tia phản hồi thu nhận hết, một xung sóng Radar mới được phát ra Dữ liệuRadar thu được ghi trên phim hoặc dạng số trong băng (tape) Đặc tính của một ảnh Radar thường bị méo hình học nên cần xử lý trước khi

sử dụng

1.3.2 Thuật ngữ thường dùng đối với một hệ SLAR

Hướng tầm (range direction): Hướng tầm là hướng Radar nhìn theo chiều ngang vuông góc với đường bay (hình 1.5 và hình 1.6) và chính là hướng truyền năng lượng xung

Chùm xung từ máy bay Tín hiệu phản hồi từ cây

Tín hiệu phản hồi từ nhà

Tín hiệu phản hồi từ nhàTín hiệu phản hồi từ cây

Hình 1.5 Minh họa một số khái niệm dùng trong SLAR

1.3.3 Độ phân giải không gian

Độ phân giải của một ảnh Radar trên mặt đất phụ thuộc vào độ dài của xung và độ rộng của anten (Hình1.6) Có hai khái niệm về phân giải không gian: phân giải theo tầm xiên (range) và phân giải theo phương vị (azimuth resolution)

Hướng đường phương

Xung vuông

Hướng tầm

Độ rộng của chùm

Độ dài của xung

Hình 1.6 Độ dài xung, độ rộng của chùm, chùm vuông của hệ SLAR mở thực

a Phân giải tầm xiên:

Phân giải là khả năng phân cách hai đối tượng không gian nằm gần nhau theo hướng tầm.Điều này đạt được khi tín hiệu phản hồi của tất cả các phần trên hai vật sẽ thu nhận bởi anten sẽ phải phân cách nhau Bất kỳ sự chồng tín hiệu từ hai vật sẽ gây ra hiện tượng mờ ảo Hiện tượng này được minh họa trên hình 1.7 Trong hình này A và B không phân giải vì khoảng cách của A và B theo tầm xiên (ví dụ = 23 m) nhỏ hơn 1/2 độ dài của xung, vì vậy gây ra hiện tượng là tín hiệu đến B được phản hồi trong thời gian đi đến

B thì tín hiệu kết thúc từ A tiếp tục được phản hồi đã gây ra hiện tượng chồng lập tín hiệu Do đó, A và B sẽ được coi như là một vật không phân cách nhau hay còn gọi là không phân giải Ngược lại, khoảng cách giữa C và D (tầm xiên) lớn hơn 1/2 khoảng cách của xung, nên tín hiệu phản hồi từ D và C khác nhau, phân cách hai vật và chúng được phân giải Phân giải theo tầm xiên phụ thuộc vào khoảng cách từ máy bay và R(r), xác định bởi thời gian của xung truyền năng lượng và bằng nửa độ dài của xung Độ phân giải giữa hai vật trên mặt đất gọi là phân giải mặt đất sẽ được tính dựa theo hình 1.7 theo theo công thức:

d

c r

R





cos2)( 

(1.2) Trong đó: R(r) là phân giải tầm xiên (mặt đất),

 là thời gian cho một độ dài của một xung,

c là vận tốc ánh sáng,

d là góc hạ

b Độ phân giải phương vị:

Độ phân giải theo phương vị Radar được xác định bởi độ rộng của một dải quét trên mặt đất bởi chùm sóng Radar Đối tượng được gọi là phân giải thì nó phải được phân cách trên mặt đất Hình 1.9 minh họa cho phân giải theo phương vị và được ký hiệu là Ra Hai vật A và B được gọi là phân giải (phân cách nhau) khi kích thước giữa A và B lớn hơn hoặc bằng độ phân giải theo phương vị Ra của chùm anten Trên hình 1.9 hai vật C và D không phân cách nhau (không phân giải) và khoảng cách CD < Ra

Độ phân giải phương vị Ra là độ dài của đường nối giữa hai điểm của cung tạo bởi chùm xung mà tâm chính là anten và bán kính là khoảng cách từ anten đến hai điểm Độ dài của cung được tính theo lượng giác theo công thức:

Phân giải tầm xiên = 1/2 độ dài xung

Hình 1.8 Độ phân giải tầm xiên

Ra = RS B (1.3) Trong đó :Ra là phân giải phương vị (độ dài của cung tạo bởi chùm xung),

RS là khoảng cách (bán kính) từ anten đến vật (tầm xiên),

B là góc của chùm xung tại anten đo bằng radian

Hình 1.9.Phân giải theo phương vị đo bởi khoảng cách của cung xác định độ

rộng của chùm theo góc B tại anten hoặc góc  tại mặt đất

Nếu ta biết được góc của chùm xung anten tại mặt đất là  radian, và tầm mặt đất Gr là hình chiếu của tầm xiên trên mặt đất, hay chính là khoảng cách của điểm trực tâm nadir đến vật, thì độ phân giải không gian theo phương vị sẽ được tính theo công thức sau:

Trên thực tế, độ rộng của chùm anten (góc đo bằng radian) B tỷ lệ thuận với bước sóng Radar  và tỷ lệ nghịch với độ dài của anten AL, nói một cách khác B được tính theo công thức:

AL

 

(1.5)

Từ các công thức nêu trên, độ phân giải phương vị của ảnh Radar được tính theo công thức tổng quát sau :

Trong đó: R s là khoảng cách của tầm xiên ( Slant range)

1.4 Hệ Radar mở thực RAR và tổng hợp SAR

1.4.1 Hệ Radar mở thực RAR (Real Aperture Radar)

Các nguyên lý vừa nói ở trên là cho một hệ Radar nhìn xiên SLAR mở thực RAR chỉ gồm một anten Một hạn chế là độ phân giải của RAR theo phương vị phụ thuộc vào độ lớn của tầm xiên Rs và vào kích thước của anten theo công thức (1.6)

Muốn tăng độ phân giải phương vị của Radar, tức là tạo ra khoảng các phân cách giữa hai đối tượng sẽ phân cách trên ảnh càng nhỏ, ta phải thực hiện theo hai cách: một là giảm tầm xiên nhỏ hơn, hai là tăng kích thước của anten Cả hai trường hợp này đều trái với viễn thám vì viễn thám vệ tinh luôn cách xa mặt đất Thứ hai, tăng kích thước của anten lại càng khó vì tăng trọng lượng mà vệ tinh không thể mang được Để khắc phục hai vấn đề trên, khoa học Radar đã tạo nên một hệ Radar tổng hợp SAR

1.4.2 Hệ Radar tổng hợp SAR (Synthetic Aperture Radar)

Dựa vào việc chuyển động của máy bay và công nghệ nghệ xử lý dữ liệu sóng phản hồi áp dụng thuật dịch chuyển Doppler bằng cách phân ra các khoảng tần số khác nhau của tín hiệu anten tạo ra cho hệ Radar tổng hợp

Độ rộng của chùm được tách ra làm 3 phần khác nhau về tần số: phần trước máy bay chùm xung sẽ có tần số cao hơn, phần sau máy bay sẽ có tần

số thấp hơn và ở giữa sẽ không có thay đổi

1.5 Đặc tính của ảnh Radar nhìn xiên

Đặc tính hình học của ảnh Radar nhìn xiên hoàn toàn khác với ảnh máy bay và ảnh vệ tinh quét Đặc tính khác biệt của ảnh Radar với ảnh hàng không

và ảnh quét đa phổ là do đặc tính nhìn xiên và đo thu tia phản hồi theo khoảng cách Một số đặc tính hình học của ảnh Radar:

flight path

r

Vùng trước máy bay tần số tín hiệu được thay đổi giảm đi Vùng trước máy bay tần số tín hiệu được thay đổi tăng lên

Vùng không thay đổi (Doppler không thay đổi)

Phân giải phương vị xác

1.5.1 Biến dạng tỷ lệ ảnh theo tầm

Trong thu nhận tín hiệu ảnh Radar, có hai loại tín hiệu được ghi, tại tầm xiên và tầm mặt đất Nếu xung ra Radar không thay đổi độ dài trong quá trình truyền tín hiệu theo tầm xiên, thì tín hiệu phản hồi tầm mặt đất và độ dài xung Radar trên mặt đất sẽ khác nhau Giá trị này giảm dần theo hướng từ tầm mặt đất gần đến tầm mặt đất xa Trong trường hợp này độ phân giải mặt đất sẽ tăng dần theo chiều từ tầm gần đến tầm xa như minh họa trên hình 1.11 Ảnh Radar ghi nhận theo cấu trúc tầm xiên sẽ có độ phân giải không đổi khi Radar phát tín hiệu xung theo tầm xiên có giá trị bằng nhau Ngược lại, nếu có tỷ lệ ảnh không thay đổi trên mặt đất, hay những vật có kích thước bằng nhau trên tầm mặt đất có kích thước ảnh tầm mặt đất bằng nhau (hình 1.12), thì cho ra

độ dài xung trên tầm xiên sẽ khác nhau (khi độ dài xung Radar tại mặt đất bằng nhau)

Độ dài xung tầm xiên

Độ dài xung mặt đất, Độ dài xung mặt đất,

Hình 1.11 Thay đổi độ phân giải theo tầm

Đường ảnh theo cấu trúc tầm xiên

Độ cao H'

Đường ảnh theo tầm xiên

Hình 1.12 Sự khác nhau về đường ảnh theo tầm mặt và tầm xiên, khi độ dài của xung A 1 ,B 1 và C 1 theo tầm xiên khác nhau (theo Thomas M Lillesand

và Raph W Kiefer, 2000)

1.5.2 Biến dạng hình học theo đặc tính địa hình

Cũng như đối với các hệ thống quang học khác, đặc tính hình học của quá trình chụp ảnh Radar nói chung gây nên một số biến dạng hình học trên ảnh Tuy nhiên, điểm khác biệt chính của ảnh Radar đó là việc chụp ảnh nghiêng từ một phía và bản chất của Radar là hệ thống thiết bị đo khoảng cách Sự biến dạng hình ảnh xuất hiện bởi vì hệ thống Radar đo khoảng cách đến đối tượng trên mặt nghiêng chứ không phải khoảng cách thực nằm ngang trên bề mặt đất Điều này thể hiện trên hình 1.13a, mặc dù hai đối tượng A1

và B1 có cùng kích thước trên mặt đất, nhưng trên mặt nghiêng chúng có kích thước khác nhau (A2 và B2).Các đối tượng ở cạnh gần thường bị co lại so với đối tượng ở cạnh xa

Hình 1.13 Hiện tượng co ngắn (a) và biến dạng co ngắn (b) trên ảnh Radar

Khi đó, kích thước của đối tượng trên mặt đất là A1, sau khi chiếu lên mặt nghiêng sẽ co lại chỉ còn tương đương với độ dài A2.Khoảng cách nghiêng này dễ dàng được tính chuyển về khoảng cách ngang nhờ phép toán hình học cơ bản

Hình 1.13b cho thấy sự khác biệt về hình ảnh Radar khi được chiếu lên mặt nghiêng trên các đối tượng như ô thửa, đường xá ở phía bên trái bị nén

lại, và ảnh Radar được chuyển đổi về mặt nằm ngang, khi đó kích thước các đối tượng được thể hiện một cách chính xác

1.5.3 Thị sai ảnh (parallax)

Khi một vật được ghi ảnh từ hai đường bay khác nhau, các dịch chuyển địa hình khác nhau tạo nên thị sai trong các ảnh Radar nhìn xiên Những ảnh nổi stereo có thể thu nhận bằng việc thu dữ liệu từ các đường bay nhìn địa hình từ hai hướng ngược nhau như hình 1.14a Tuy nhiên ảnh Radar nổi thông thường được xây dựng bằng cặp ảnh của hai đường bay cạnh nhau hình 1.14b

1.5.4 Đốm ảnh (spectacle)

Tín hiệu tia phản hồi Radar thu nhận từ vật thể trên mặt đất có thể trong pha truyền hoặc ngoài pha theo các mức độ khác nhau Việc này gây ra trên ảnh những điểm sáng tối hay còn gọi là đốm ảnh (hình 1.15) Đốm ảnh có thể được xử lý bằng các môdul xử lý ảnh số như lọc ảnh, trung bình hóa, Tuy nhiên cũng không thể loại bỏ hoàn toàn hết các đốm này được Một công nghệ giảm đốm ảnh được sử dụng là xử lý đa nhìn Trong công nghệ này, nhiều ảnh Radar cho một vùng được tạo nên bằng việc sử dụng các phần khác nhau của Radar tổng hợp, kết quả giống như trung bình hóa ảnh và kết quả là

(a)

(b)

Hình 1.14.Thu ảnh Radar tạo ảnh nổi từ hai hướng khác nhau (a) và hai

đường bay khác nhau (b)

các ảnh được tạo nên có độ mịn hơn Số ảnh được sử dụng được gọi là số nhìn Càng nhiều ảnh được sử dụng để trung bình hóa thì càng cho ra kết quả tốt hơn

1.5.5 Sự thay đổi chiếu sáng của ảnh Radar theo tầm

Ảnh Radar tổng hợp thường chứa đựng một thay đổi chiếu sáng có tính chất hệ thống theo chiều của tầm Radar Điều này xảy ra do hai yếu tố hình học: thứ nhất là kích thước phân giải của pixel giảm dần từ tầm gần đến tầm

xa và làm giảm cường độ của tín hiệu phản hồi; thứ hai là tia phản hồi tỉ lệ nghịch với góc tới hay góc tới càng nhỏ thì tia phản hồi càng thấp

1.5.6 Đặc tính truyền tín hiệu Radar

Đối với bất kỳ hệ Radar nào, hai đặc tính chính trong việc truyền tín được ghi nhận là bước sóng và phân cực của xung năng lượng sử dụng Bước sóng và các kênh sóng Radar được liệt kê trong bảng 1.3 Khí quyển là tác nhân ảnh hưởng nghiêm trọng tới việc truyền sóng Radar ở bước sóng Radar<

4 cm Tín hiệu Radar có thể truyền đi và thu tia phản hồi theo mặt phẳng nằm ngang H hoặc theo phương đứng V Thực tế, tín hiệu phát và thu có thể có các trường hợp sau: VV, HH, VH, HV Một Radar có khả năng của 4 dạng phân cực trên gọi là Radar cầu phương Dưới đây mô tả các kiểu phân cực của phát

và truyền tín hiệu Radar

Triệt tiêu Cộng hưởng

Hình 1.15 Nhiễu đốm spectacle

a Phân cực giống nhau:

VV - phát phân cực đứng, thu phân cực đứng

HH - phát phân cực ngang, thu phân cực ngang

b Phân cực chéo:

HV - phát phân cực ngang, thu phân cực đứng

VH - phát phân cực đứng, thu phân cực ngang

Hình 1.16 Các kiểu phân cực trong viễn thám Radar

1.6 Tín hiệu sóng phản hồi của Radar

2 2

)4

t r

R

G P

P 

Trong đó: Pr - là năng lượng thu được (tín hiệu Radar phản hồi);

P t - là năng lượng sóng truyền đi;

G - anten thu được;

 - bước sóng;

Rs - tầm xiên;

- là tín hiệu phản hồi hữu ích từ bề mặt, còn gọi là mặt cắt Radar và nó phụ thuộc vào góc tới, độ gồ ghề của bề mặt, hằng số điện môi, bước sóng và phân cực

Góc tới của chùm sóng Radar lại phụ thuộc vào góc hạ, và hướng của địa hình Độ gồ ghề cũng là hàm của bước sóng và địa hình cục bộ Khi tăng

năng lượng sóng Radar Pt sẽ có ảnh hưởng trực tiếp đến tín hiệu của Radar Giá trị G của anten đo sự thất thoát của dòng trong vật liệu anten và đối với một anten thì giá trị này là hằng số Tín hiệu của Radar thu được phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau, nhưng có thể nhóm chúng vào hai loại chính: các yếu tố thuộc hệ Radar và các yếu tố địa hình

Bảng 1.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến tín hiệu thu Radar

Các yếu tố của

hệ

Bước sóng Phân cực của chùm Góc hạ Hướng nhìn (góc nhìn) Hướng nhìn, hướng cấu trúc chung

của địa hình Tầm xiên Độ cao, góc hạ, và địa hình Các yếu tố do

địa hình Góc tới cục bộ

Địa hình, hướng nhìn, góc hạ, độ cao bay

1.6.2 Các yếu tố ảnh hưởng do đặc tính của hệ Radar

Có 5 yếu tố ảnh hưởng do đặc tính của hệ Radar có thể kể ra sau đây:

a Bước sóng của Radar

Mỗi bước sóng Radar sẽ cho năng lượng phản hồi khác nhau Bảng 1.3 liệt kê các bước sóng Radar sử dụng trong viễn thám Các bước sóng có độ dài < 4 cm ít nhiều chịu ảnh hưởng của tác động do mưa, mây Bề mặt địa hình là gồ ghề với bước sóng ngắn kênh Ka nhưng có thể lại là phẳng với bước sóng trên kênh L (hình 1.17) Bước sóng ngắn nhạy cảm với bề mặt địa hình, còn bước sóng dài ít chịu ảnh hưởng của bề mặt gồ ghề hơn Sóng dài

có khả năng xuyên xuống một lớp mỏng của mặt đất (kênh L) cho thông tin

về đá gốc nằm dưới lớp phủ thực vật, đất

có sự tương phản rõ nét hơn so với 1.18b

Hình 1.17 (a)- kênh X (HH) nông nghiệp cho tín hiệu phản hồi dạng phân tán (bề mặt gồ ghề); (b)- tín hiệu phản hồi của mặt gần phẳng trên kênhL cho

tín hiệu thu được yếu, ảnh tối

(a)

(b)

Hình 1.18 Ảnh Radar vùng núi Oachita kênh K (a)- phân cực HH; (b) - phân

cực HV (theo Thomas M Lillesand và Ralph W Kiefer, 2000)

c Hướng nhìn

Hướng nhìn của sóng Radar tác động nên bề mặt địa hình là yếu tố rất quan trọng trong việc tạo ảnh Radar Hình ảnh 1.19 minh họa các vị trí địa hình với hướng nhìn khác nhau và kết quả của ảnh Radar thu trên các vị trí này

Hình 1.20 Góc và hướng nhìn khác nhau ảnh hưởng trên ảnh Radar, a- mặt địa hình dốc ; b- 4 vị trí khác nhau trong chụp ảnh Radar và biểu diễn ở dạng

mặt cắt; c- kết quả ảnh Radar (Theo Koopmans, 1983 b)

Hình 1.19 Ảnh hưởng của góc hạ trên cùng một địa hình trên ảnh Radar SAR

tại nước Ý (theoRavi P Gupta, 1992)

(a) (b) (c)

1.6.3 Các yếu tố địa hình

Radar cho ảnh về đối tượng mặt đất khác với ảnh chụp bằng phim và ảnh vệ tinh quét đa phổ Đặc tính của tín hiệu Radar phản hồi rất nhạy cảm

với địa hình Những yếu tố chính ảnh hưởng đến tín hiệu phản hồi là:góc tới

cục bộ, độ gồ ghề của địa hình, hằng số điện môi và hệ số tán xạ khối

a Góc tới cục bộ

Góc tới cục bộ hay địa phương là góc tạo bởi đường vuông góc với bề mặt địa hình tại tia sóng tới và hướng của chùm anten Góc tới nhỏ sẽ cho ra tia phản hồi mạnh, góc tới tăng dần thì năng lượng của sóng phản hồi sẽ yếu dần do tán sắc Khi góc tới  90 0 thì không có tín hiệu phản hồi nữa





sin8

Nếu giá trị h nhỏ hơn tỷ số trên thì bề mặt được coi là phẳng

TheoPeak và Oliver (1971) thay đổi tiêu chuẩn cho bề mặt địa hình theo các công thức:

Bề mặt phẳng nếu :





sin25



h

Theo tiêu chuẩn của Rayleigh người ta có thể phân loại độ gồ ghề của

bề mặt theo các hạng mịn, trung bình, gồ ghề, khác nhau cho một số kênh Radar Bảng 1.6 liệt kê các mức độ gồ ghề của địa hình cho một Radar tổng hợp có các kênh Radar Ka, X, và L Hình 1.24 là sơ đồ của các kênh X, L từ

bề mặt địa hình có sự thay đổi về mức độ gồ ghề

Hình 1.22 Tín hiệu sóng phản hồi trên bề mặt địa hình khác nhau: (a)- ảnh hưởng của bộ cảm/hình học của địa hình trên ảnh SLR (theo Lewis, 1976); (b)- tín hiệu phản hồi của sóng radar trên các bề mặt khác nhau

Phản xạ góc Tán xạ

Bảng 1.6 Độ gồ ghề của một số kênh Radar với góc tới 45 0

(Theo Sabin, 1997)

Trung bình căn bậc hai

của biến thiên độ cao

Hình 1.23 Bề mặt gồ ghề tưởng tượng do biến đổi độ cao Biến đổi độ cao

ngẫu nhiên đặt trên bề mặt điều hòa và phẳng

Hình 1.24 Kênh X và kênh L phản xạ từ các mặt địa hình có độ gồ ghề thay

Phẳng Phẳng

Phẳng giữa phẳng và gồ ghề

giữa phẳng và gồ ghề

gồ ghề

Kênh L: =15-30 cm Kênh X: =2,4-3,5 cm