Đồ án nghiên cứu phương pháp xác định vị trí phân bố một số loại khoáng sản sử dụng ảnh vệ tinh đa phổ độ phân giải trung bình

Đảm bảo sự phát triển lâu dài của hệ thông giám sát với chi phíthấp nhờ sử dụng nguồn nhân lực trong nước, tiết kiệm được ngoại tệ nhà nướcphải bỏ ra hàng năm để mua ảnh viễn thám, Sự ph

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VIỄN THÁM VÀ ĐẶC TRƯNG ẢNH LANDSAT 8

1.1 Lịch sử ra đời và phát triển của kỹ thuật viễn thám 8

1.2 Nguyên lý hoạt động và các thành phần của hệ thống viễn thám 13

1.3 Một số yếu tố ảnh hưởng tới năng lượng sóng điện từ 16

1.4 Phân loại viễn thám 18

1.5 Ưu nhược điểm của viễn thám 18

1.6 Ứng dụng của kỹ thuật viễn thám 19

1.7 Đặc điểm cơ bản của ảnh vệ tinh Landsat 21

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP CHỈ SỐ VÀ ỨNG DỤNG TRONG PHÁT HIỆN KHOÁNG CHẤT SÉT, OXIT SẮT 24

2.1 Cơ sở lý thuyết 24

2.1.1 Phổ phản xạ của khoáng vật 24

2.1.2 Đường cong phổ và dấu hiệu phổ 24

2.1.3 Những quá trình nguyên- phân tử tác động tới đặc tính phổ 25

2.1.4 Phổ của các hợp phần Ion trong các dải phổ điện từ khác nhau và phổ phản xạ của một số khoáng vật 28

2.1.5 Phổ của khoáng vật: 30

2.2 Chỉ số khoáng sản sét, khoáng sản Oxit sắt: 31

2.2.1 Phương pháp tỷ số ảnh 32

2.2.2 Chỉ số khoáng sản sét, oxit sắt 32

2.3 Phương pháp nghiên cứu khả năng phân bố khoáng sản sét, khoáng sản

oxit sắt dựa trên chỉ số khoáng sản 34

2.4 Phương pháp tổ hợp màu ảnh tỷ số 37

CHƯƠNG III: PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH THÀNH PHẦN CHÍNH VÀ ỨNG DỤNG TRONG PHÁT HIỆN KHOÁNG CHẤT SÉT, OXIT SẮT 40

3.1 Phương pháp phân tích thành phần chính 40

3.1.1 Giới thiệu chung 40

3.1.2 Các bước tính thành phần chính 44

3.2 Ứng dụng phương pháp phân tích thành phần chính trong nghiên cứu sự phân bố khoáng sản sét, oxit sắt 46

3.3 Ứng dụng kỹ thuật Crosta nghiên cứu sự phân bố khoáng sản sét, oxit sắt……….48

CHƯƠNG IV: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 52

4.1 Dữ liệu và đặc điểm vùng nghiên cứu 52

4.1.1 Dữ liệu 52

4.1.2 Khu vực nghiên cứu 53

4.2 Kết quả xác định sự phân bố oxit sắt, khoáng sản sét băng phương pháp tỷ số ảnh 56

4.2.1 Lập bản đồ khoáng sản sét 56

4.2.2 Lập bản đồ khoáng sản oxit sắt 58

4.2.3 Phương pháp tổ hợp màu ảnh tỉ số 60

4.3 Kết quả xác định sự phân bố oxit sắt, khoáng sản sét bằng phương pháp phân tích thành phần chính 63

4.3.1 Lập bản đồ khoáng sản sét 63

4.3.2 Lập bản đồ oxit sắt 65

4.3.3 Thành lập bản đồ phân bố khoáng vật bằng Kỹ thuật Crosta 67

4.4 Phân tích, đánh giá 70

KẾT LUẬN 74

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 76

MỞ ĐẦU

Cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật kéo theo sự phát triển của các lĩnh vựcnhư công nghệ thông tin, công nghệ sinh học,công nghệ vũ trụ…, đặc biệt là kỹthuật viễn thám nhằm tạo cơ hội đi tắt đón đầu, phát huy lợi thế cạnh tranh, đẩynhanh quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa và chủ động hội nhập Cùng vớinhững thành tựu trong công nghệ vũ trụ và sự phát triển của công nghệ thôngtin, kỹ thuật viễn thám đã hình thành và phát triển mang lại những hiệu quả chonhiều hoạt động kinh tế xã hội quan trọng như: điều tra cơ bản, khai thác vàquản lý tài nguyên, giám sát và bảo vệ môi trường, phòng chống và giảm nhẹthiên tai, tổ chức và quản lý lãnh thổ cũng như an ninh, quốc phòng Nhờ đó, kỹthuật viễn thám có một vị trí quan trọng trong chiến lược phát triển lâu bền củamọi quốc gia

Ở các nước phát triển, kỹ thuật viễn thám là một trong các lĩnh vực khoahọc công nghệ được chú trọng phát triển hàng đầu Ở Việt Nam, kỹ thuật viễnthám được ứng dụng từ những năm 1980, đã đem lại những kết quả đáng khích

lệ và khẳng định tính ưu việt của kỹ thuật này về mọi mặt Tuy nhiên, kỹ thuậtviễn thám ở Việt Nam còn phát triên chậm và theo đánh giá chung là chậm hàngchục năm so với các nước trên thế giới, chưa tương xứng với tiềm năng và chưađáp ứng được các yêu cầu thực tiễn Trong 10 năm trở lại đây, kỹ thuật viễnthám ở Việt Nam phát triển nhanh cùng với sự phát triển kinh tế đất nước Nhậnthấy vai trò quan trọng của kỹ thuật viễn thám trong phát triển kinh tế xã hội,chính phủ đã có những định hướng quan trọng cho việc phát triển kỹ thuật này.Năm 2003, bộ khoa học - công nghệ đã trình lên chính phủ đề án “kế hoạch tổngthể về ứng dụng và phát triển kỹ thuật viễn thám tại Việt Nam đến năm 2010”,với các dự án về xây dựng trạm thu ảnh vệ tinh, đòa tạo các kỹ sư, cán bộ phục

vụ cho kỹ thuật viễn thám Đến năm 2006, chiến lược phát triển công nghệ vũtrụ và kỹ thuật viễn thám được thủ tướng chính phủ phê duyệt, nhằm định hướngviệc phát triển kỹ thuật viễn thám tương xứng với tiềm năng, đáp ứng được yêu

cầu trong sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, đưa khoa học vàcông nghệ trở thành động lực phát triển kinh tế xã hội.

1 Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu:

Hiện nay, Việt Nam đang hợp tác với các nước phát triển như Pháp, Nhật,Bỉ,… về mặt kỹ thuật chế tạo vệ tinh nhằm từng bước làm chủ kỹ thuật viễnthám Năm 2009, chính phủ Pháp và Việt Nam ký hiệp định thư tài chính, cấpnguồn kinh phí cho dự dán thiết kế vệ tinh viễn thám đa phổ VNREDSAT - 1với tổng kinh phí là 72.5 triệu USD Sau hơn một năm chuẩn bị, tới năm 2011,Pháp đã khởi công thiết kế, chế tạo vệ tinh viễn thám đầu tiên cho Việt Nam.Ngày 07/ 5/ 2013, vệ tinh VNREDSAT - 1 được đưa thành công lên quỹ đạo,đây là cột mốc quan trọng đánh dấu bước phát triển mới trng lĩnh vực công nghệ

vũ trụ của Việt Nam Thành công của dự án vệ tinh VNREDSAT – 1 mang ýnghĩa chính trị, kinh tế, xã hội to lớn, góp phần củng cố quốc phòng, an ninh,qua đó khẳng định chủ quyền quốc gia Việt Nam trong không gian, đồng thờixác định vị thế của Việt Nam trong quá trình hội nhập Nhưng quan trọng nhất,

là chúng ta sẽ chủ động có được nguồn tư liệu ảnh vệ tinh, chủ động vị trí, tọa

độ cần chụp ảnh để có thể theo dõi hiện trạng mặt đất, biển và hải đảo một cách

có hiệu quả Đảm bảo sự phát triển lâu dài của hệ thông giám sát với chi phíthấp nhờ sử dụng nguồn nhân lực trong nước, tiết kiệm được ngoại tệ nhà nướcphải bỏ ra hàng năm để mua ảnh viễn thám,

Sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật viễn thám đặt ra các yêu cầu phân tích,giải đoán ảnh viễn thám phục vụ cho nghiên cứu tài nguyên khoáng sản Tàinguyên khoáng sản là nguồn lực quan trọng để công nghiệp hóa, hiện đại hóađất nước, nó là nguyên liệu cho rất nhiều ngành kinh tế như sản xuất nănglượng, vật liệu xây dựng, kim loại, phục vụ cho nông nghiệp, công nghiệp,…

Để có những số liệu đáng tin cậy làm cơ sở cho sự phát triển bền vững nền kinh

tế xã hội mỗi một nước phải có sự đánh giá tài nguyên khoáng sản của nướcmình Trong nhiều năm qua các chương trình quốc gia về thăm dò và đánh giá

tài nguyên khoáng sản đã được thực hiện ở nhiều nước phát triển và được triểnkhai ở các nước đang phát triển, trong đó có Việt Nam Phương pháp thăm dò vàđánh giá tài nguyên khoáng sản hiện nay không ngừng đổi mới và hoàn thiện.Một trong các phương pháp thăm dò khoáng sản đó là phương pháp ứng dụng

kỹ thuật viễn thám Đây là một phương pháp khá mới, các nghiên cứu về địachất, khoáng sản sử dụng ảnh vệ tinh ở Việt Nam còn ít và kết quả còn nhiềuhạn chế Để phục vụ cho mục đích nghiên cứu, thăm dò, phân tích các mỏkhoáng sản lộ thiên, đánh giá trữ lượng tài nguyên khoáng sản bằng kỹ thuật

viễn thám, tôi đã chọn đề tài “Nghiên cứu phương pháp xác định vị trí phân

bố một số loại khoáng sản sử dụng ảnh vệ tinh đa phổ độ phân giải trung bình” Trong đề tài này, không chỉ nghiên cứu cơ sở lý thuyết xây dựng các chỉ

số khoáng sản mà còn đưa ra một số phương pháp phân loại, đánh giá trữ lượngkhoáng sản như phương pháp phân tích thành phần chính, kỹ thuật Crosta,…làm căn cứ đáng tin cậy để xây dựng kế hoạch điều tra, khai thác khoáng sảnmột cách hợp lý

2 Mục tiêu của đề tài:

- Nghiên cứu cơ sở vật lý và nguyên lý hoạt động của kỹ thuật viễn thámcũng như đặc điểm ảnh vệ tinh đa phổ Landsat

- Nghiên cứu đặc tính phản xạ phổ của một số khoáng sản và các chỉ số oxitsắt và khoáng sản sét

- Nghiên cứu phương pháp phân tích thành phần chính và kỹ thuật Crosta

- Đánh giá và xây dựng bản đồ phân bố các khoáng sản oxit sắt và khoángsản sét bằng phương pháp tỉ số ảnh và bằng phương pháp phân tích thành phầnchính

3 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp tổng hợp: tổng hợp, nghiên cứu các tài liệu về viễn thám,ảnh vệ tinh, tài liệu về phân tích thành phần chính và một số tài liệu liên quanđến địa chất, khoáng sản

- Phương pháp thực nghiệm: So sánh, đánh giá, kiểm tra tính đúng đắn,chính xác của kết quả nghiên cứu của đồ án và các số liệu, tài liệu có được từnghiên cứu thực nghiệm.

- Phương pháp nghiên cứu tài liệu: Đọc và nghiên cứu các tài liệu có liênquan từ nhiều nguồn khác nhau như: sách điện tử, các bài báo khoa học, các tàiliệu nước ngoài,…

4 Kết cấu đồ án

Đồ án “Nghiên cứu phương pháp xác định vị trí phân bố một số loại khoáng sản sử dụng ảnh vệ tinh đa phổ độ phân giải trung bình” ngoài phần

mở đầu, kết luận, danh mục tài liệu tham khảo, đề tài gồm có 4 chương:

- Chương 1: Tổng quan về viễn thám và ảnh vệ tinh Landsat

- Chương 2: Phương pháp tỉ số và ứng dụng trong phát hiện khoáng sản sét

và oxit sắt

- Chương 3: Phương pháp phân tích thành phần chính và ứng dụng trongphát hiện khoáng sản sét và oxit sắt

- Chương 4: Kết quả thực nghiệm

Do thời gian hạn chế và kiến thức bản thân còn có hạn nên đồ án khôngtránh khỏi những sai sót, kính mong sự đóng góp ý kiến của thầy cô và các bạn

để đề tài được hoàn thiện hơn

Trong suốt quá trình làm đề tài, tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ,hướng dẫn nhiệt tình của thầy giáo Trịnh Lê Hùng cùng toàn thể các thầy côgiáo trong bộ môn trắc địa bản đồ

Tôi xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VIỄN THÁM VÀ ĐẶC TRƯNG ẢNH

LANDSAT 1.1 Lịch sử ra đời và phát triển của kỹ thuật viễn thám

a Ngoài nước

Viễn thám là ngành khoa học có lịch sử phát triển lâu đời, nghiên cứuthông tin về một vật, hiện tượng gián tiếp trên dữ liệu thu được bằng phươngpháp chụp ảnh hàng không, ảnh radar và ảnh vệ tinh Trên thực tế, có nhiều địnhnghĩa khác nhau về viễn thám, nhưng mọi định nghĩa đều có nét chung cho rằng

“Viễn Thám là khoa học thu nhận thông tin về vật, vùng mặt đất và các hiệntượng bằng nghiên cứu dữ liệu thu được gián tiếp từ một khoảng cách nhấtđịnh”

Viễn thám là một khoa học, thực sự phát triển mạnh mẽ hơn ba thập kỷgần đây, khi mà công nghệ vũ trụ đã cho ra ảnh số, bắt đầu thu nhận từ các vệtinh trên quỹ đạo của trái đất Thuật ngữ “Viễn Thám” được đưa ra vào năm

1960 bởi Evelyn Pruitt thuộc viện Hải quân Hoa Kỳ Tuy nhiên, lịch sử viễnthám đã có từ trước Bắt đầu bằng việc chụp ảnh sử dụng phim và giấy ảnh Đầutiên là các bức ảnh chụp từ một khinh khí cầu gần Paris năm 1858 Năm 1909,phi công Wilbur Wright đã chụp bức ảnh đầu tiên từ máy bay khi bay qua vùngCentocelli ở Ý Mãi đến chiến tranh thế giới thứ nhất, chụp ảnh hàng khôngđược sử dụng với quy mô lớn và có hệ thống Đến cuối chiến tranh thế giới thứnhất, đã có những cải tiến đáng kể về máy bay, thiết bị xử lý của máy ảnh và sốlượng người có kinh nghiệm chụp ảnh trên không, xử lý ảnh tăng lên đáng kể.Những cải tiến về thiết bị chụp ảnh được giới thiệu và những năm 1920 và1930,chụp ảnh trên không trở thành nguồn thông tin tin cậy để biên tập bản đồ Chiến tranh thế giới thứ Hai đã tạo tiền đề cho việc phát triển nhanh chóng

kỹ thuật viễn thám Công nghệ giải đoán ảnh trở nên tinh vi và đóng vai trò quantrọng cho những nghiên cứu vùng ven biển Khả năng chụp xuyên qua nước, đặcbiệt là ảnh màu đã tạo điều kiện thuận tiện cho việc thu thập thông tin về độ sâu,

chướng ngại vật dưới đáy biển, điều mà bản đồ hàng hải không có Năm 1940,Mạng lưới Radar được dựng lên để cung cấp sớm những cảnh báo cho máy bay.Tiến bộ của công nghệ radar cho phép phát triển giám sát và nhận ra những thiết

bị trong phạm vi hẹp Radar cung cấp hình ảnh địa hình và vị trí mục tiêu và độchính xác không phụ thuộc vào điều kiện thời tiết và ánh sáng Trong nhữngnăm 1950 hệ thống ảnh hồng ngoại được phát triển, nó cung cấp hình ảnh bức

xạ của vật thể và địa vật

Năm 1957, Liên Xô phóng vệ tinh SPUTNIK - 1, đánh dấu sự bắt đầu của

“thời đại không gian” Năm 1959, vệ tinh EXPLORER - 6 của Mỹ đã truyền

hình ảnh của trái đất được chụp từ vệ tinh Năm 1960, vệ tinh khí tượng đầu tiêncủa thế giới TIROS - 1 đã được phóng lên, nó là tiền thân của những vệ tinh thờitiết ngày nay Những vệ tinh trong không gian có vai trò đặc biệt giúp chúng ta

có thể lập bản đồ và giám sát mặt đất từ dữ liệu của những vệ tinh này

Năm 1972, Mỹ đã phóng thành công vệ tinh nhân tạo LANDSAT, mangđến khả năng thu nhận thông tin có tính chất toàn cầu và môi trường xungquanh Hiện nay, chương trình LANDSAT vẫn được tiếp tục và vệ tinhLANDSAT - 7 đã cung cấp một kho dữ liệu lớn về tài nguyên thiên nhiên cũngnhư đánh giá biến động của môi trường Sự phát triển của viễn thám được thểhiện trong bảng 1.1

Cùng với việc phát triển mạnh mẽ của công nghệ vũ trụ, công nghệ thôngtin, công nghệ máy tính, ngày nay viễn thám kết hợp với hệ thống thông tin địa

lý (GIS) đang phát triển một cách nhanh chóng cùng với các sản phẩm phầnmềm chuyên dụng, tạo điều kiện cho phân tích ảnh vệ tinh dạng số hoặc ảnhradar Các ứng dụng của viễn thám cũng rất đa dạng, trong các vấn đề về Nôngnghiệp, lâm nghiệp, sử đụng đất đai, nghiên cứu địa chất - khoáng sản, nghiêncứu tài nguyên nước, giám sát môi trường,… ngoài ra, viễn thám còn được ứngdụng trong các vấn đề an ninh quốc phòng, phát triển kinh tế xã hội, v…v

Bảng 1.1 Bảng tóm tắt sự phát triển của Viễn thám qua các sự kiện:

Thời gian

1800 Phát hiện ra tia hồng ngoại

1839 Bắt đầu phát minh kỹ thuật chụp ảnh đen trắng

1847 Phát hiện phổ hồng ngoại và phổ nhìn thấy

1850-1860 Chụp ảnh từ khinh khí cầu

1910-1920 Giải đoán từ không trung

1920-1930 Phát triển ngành chụp và đo ảnh hành không

1930-1940 Phát triển kỹ thuật Radar( Đức, Mỹ, Anh)

1940 Phân tích và ứng dụng ảnh chụp từ máy bay

1950 Phát hiện dải phổ từ vùng nhìn thấy đến không nhìn thấy1950-1960 Nghiên cứu sâu sắc về ảnh cho mục đích quân sự

1960-1970 Lần đầu tiên sử dụng thuật ngữ viễn thám

1972 Phóng vệ tinh Landsat-1

1973 Học thuyết về phổ điện từ

1970-1980 Phát triển mạnh mẽ phương pháp xử lý ảnh số

1980-1990 Phát triển thế hệ mới của vệ tinh Landsat

1990 đến nay Phát triển bộ cảm thu đa phổ, tăng dải phổ và kênh phổ, tăng

1, IKONOS, ENVISAT của Nhật, …

b Trong nước

Kỹ thuật viễn thám được ứng dụng ở Việt Nam từ những năm 70 của thế

kỷ 20 Thời gian đầu, một vài cơ quan ở trong nước thu nhận ảnh vệ tinh phục

vụ cho các ứng dụng thuộc lĩnh vực địa chất, và lâm nghiệp Thời gian tiếp theo,những ứng dụng mở rộng thêm cho các lĩnh vực khác như: nông nghiệp, giámsát môi trường và thiên tai, quy hoạch đất đai, nghiên cứu khoa học,…v…v Từ

1979 - 1980, một vài tổ chức ở Việt Nam đã bắt đầu nắm bắt kỹ thuật viễn thám.Trong 10 năm tiếp theo, viễn thám được ứng dụng cho các nghiên cứu và thínghiệm để xác định phương pháp và khả năng sử dụng dữ liệu viễn thám choviệc giải quyết nhiệm vụ an sinh xã hội ở Việt Nam Từ 1990 - 1995, nhiều lĩnhvực đã sử dụng viễn thám vào trong những ứng dụng của cuộc sống và gặt háiđược nhiều kết quả có ý nghĩa về công nghệ khoa học và kinh tế

Hiện nay, một số tổ chức đã hoạt động một cách chuyên nghiệp trong lĩnhvực viễn thám Các tổ chức này tập trung nhiều ở cơ quan nhà nước và phân tán

từ cơ quan tới địa phương như là cán bộ ngành, cục, tỉnh, viện, trường đại học

Kỹ thuật viễn thám trở thành một trong những công cụ được sử dụng phổ biến ởViệt Nam phục vụ cho nghiên cứu khoa học, quản lý và tạo bản đồ tài nguyênthiên nhiên Kỹ thuật viễn thám được đầu tư tổ chức trong bộ Tài Nguyên vàMôi Trường như trung tâm viễn thám, viện nghiên cứu địa chất và khoáng sản,

đã nghiên cứu nhiều đề tài về viễn thám, nâng cao chất lượng và hiểu quả nhữngnghiên cứu cơ bản trên những nghiên cứu về các lĩnh vực biển, sinh thái, khoahọc trái đất, nghiên cứu môi trường quy hoạch

Việc nghiên cứu và sử dụng viễn thám ở Việt Nam không ngừng đượcnâng cao Trước đây, ta sử dụng nguồn dữ liệu phổ biến là ảnh vệ tinh có độphân giải thấp và trung bình (độ phân giải khoảng 5 - 20m) Mục đích chính củaviệc sử dụng dữ liệu này là để phục vụ cho những nghiên cứu, ứng dụng chỉ đòihỏi độ chính xác thấp và trung bình như quản lý tài nguyên môi trường, giám sátbiến động môi trường và nguồn tài nguyên thiên nhiên, cập nhật thông tin chocác bản đồ tỷ lệ nhỏ và trung bình hoặc các bản đồ chuyên đề Gần đây, các tổchức đã bắt đầu sử dụng các ảnh có độ phân giải không gian cao (độ phân giải <

5m) đến những ứng dụng mới đòi hỏi độ chính xác cao như cập nhật dữ liệukhông gian cho bản đồ tỉ lệ lớn

Nhận thấy sự phát triển nhanh chóng và cấp thiết về ứng dụng kỹ thuật viễnthám trong cuộc sống,phát triển kinh tế xã hội Chính phủ nước ta đã có nhữngđịnh hướng cho sự phát triển công nghệ vũ trụ Ngày 14 / 6 / 2006, thủ tướngchính phủ đã ra quyết định về “chiến lược nghiên cứu và ứng dụng công nghệ vũtrụ đến năm 2020 Trong giai đoạn 2006 - 2020, đẩy mạnh chiều rộng và chiềusâu 4 lĩnh vực trong đó có viễn thám Ứng dụng viễn thám và các ngành khítượng thủy văn, tài nguyên và môi trường, cụ thể là nâng cao chất lượng dự báosớm mưa bão, lũ lụt, lũ quét, sạt lở đất và các loại tài nguyên khác, đánh giá biếnđổi khí hậu toàn cầu đến Việt Nam Định kỳ đánh giá biến động sử đụng đất,xây dựng cơ sở dữ liệu bản đồ chuyên đề số hóa dùng chung cho nhiều cơ quan

từ trung ương tới địa phương,…

Từ 2011 - 2020, đưa vào ứng dụng tại Việt Nam các thành tựu mới của vệtinh quan sát trái đất độ phân giải cao, vệ tinh định vị có độ chính xác rất cao,thiết bị mặt đất gọn nhẹ tích hợp nhiều chức năng Bên cạnh đó thành lập ủy ban

vũ trụ Việt Nam và Viện công nghệ vũ trụ để tập trung xây dựng khung pháp

lý, phát triển cơ sở hạ tầng, phần cứng, phần mềm và nguồn nhân lực cho việcphát triển các ứng dụng viễn thám ở Việt Nam

Hiện nay, ở Việt Nam nguồn ảnh vệ tinh phải mua của nước ngoài với giáthành rất đắt (từ 2.000 - 5.000 USD mỗi ảnh), mà phải sau hai tháng mới nhậnđược, nên số liệu và thông tin về đối tượng không mang tính thời sự Chính vìvậy, nước ta đã thiết kế, lắp ráp thành công vệ tinh viễn thám đa phổVNREDSAT - 1 và phóng lên quỹ đạo vào ngày 07/ 5/ 2013 Việc Việt Nam có

vệ tinh riêng, sẽ chủ động được nguồn tư liệu ảnh vệ tinh, chủ động vị trí tọa độcần chụp ảnh, theo dõi hiện trạng mặt đất, biển, hải đảo mà không phụ thuộc vàonguồn ảnh của nước ngoài

1.2 Nguyên lý hoạt động và các thành phần của hệ thống viễn thám

Nguyên lý hoạt động của viễn thám là sử dụng bức xạ điện từ tới vật thể vàthu lại tín hiệu phản hồi bằng bộ cảm ( hình 1.1) Sóng điện từ được phản xạhoặc bức xạ từ vật thể là nguồn cung cấp thông tin chủ yếu về đặc tính của đốitượng Ảnh viễn thám sẽ cung cấp thông tin về các vật thể tương ứng với nănglượng bức xạ ứng với từng bước sóng đã xác định Đo lường và phân tích nănglượng phản xạ phổ ghi nhận bởi ảnh viễn thám cho phép tách thông tin hữu ích

về từng loại lớp phủ mặt đất khác nhau do sự tương tác giữa bức xạ điện từ vàvật thể

Hình 1.1 Nguyên lý thu thập dữ liệu ảnh viễn thám

Thiết bị dùng để ghi nhận sóng điện từ phản xạ hay bức xạ từ vật thể đượcgọi là bộ cảm biến (Sensors) Bộ cảm biến có thể là các máy chụp ảnh hoặc máyquét Phương tiện mang các bộ cảm biến được gọi là vật mang Các vật mang cơbản hiện nay bao gồm khinh khí cầu,máy bay, vệ tinh,…v…v

Nguồn năng lượng sử dụng trong viễn thám bị động là bức xạ mặt trời,hoặc năng lượng của sóng điện từ do các vật thể phản xạ hay bức xạ được thu

nhận bởi bộ cảm biến đặt trên vật mang Ngược lại, trong viễn thám chủ động,nguồn năng lượng sử dụng được phát ra từ các nguồn phát trên vật mang.

Thông tin về năng lượng phản xạ của vật thể được ghi nhận bằng ảnh viễnthám và thông qua xử lý tự động trên máy hoặc gIải đoán trực tiếp trên ảnh dựatrên kinh nghiệm của chuyên gia Kết quả thu được là các dữ liệu hoặc thông tin

liên quan đến các vật thể và hiện tượng khác nhau trên mặt đất sẽ được ứngdụng vào nhiều lĩnh vực như lâm nghiệp,nông nghiệp, tài nguyên môi trường,khoáng sản, khí tượng, địa chất, thủy sản, môi trường, …

Hệ thống viễn thám thường gồm 7 phần có quan hệ chặt chẽ với nhau theotrình tự hoạt động của hệ thống (hình 1.2)

Hình 1.2 Các thành phần chính của hệ thống viễn thám

Nguồn năng lượng (A): thành phần đầu tiên của một hệ thống viễn thám là

nguồn năng lượng để chiếu sáng hay cung cấp năng lượng điện từ tới đối tượngquan tâm Có loại viễn thám sử dụng năng lượng mặt trời, có loại tự cung cấpnăng lượng tới đối tượng Thông tin viễn thám thu nhận được là dựa vào nănglượng từ đối tượng đến thiết bị nhận, nếu không có nguồn năng lượng chiếusáng hay truyền tới đối tượng sẽ không có năng lượng đi từ đối tượng tới thiết bịnhận

Những tia phát xạ và khí quyển (B): Vì năng lượng đi từ nguồn năng

lượng tới đối tượng nên sẽ phải tương tác qua lại với vùng khí quyển nơi nănglượng đi qua Sự tương tác này có thể lặp lại ở một vị trí không gian nào đó vìnăng lượng còn phải đi theo chiều ngược lại, tức là từ đối tượng tới bộ cảm

Sự tương tác với đối tượng (C): một khi được truyền qua khí quyển tới đối

tượng, năng lượng sẽ tương tác với đối tượng Phụ thuộc vào đặc điểm của cảđối tượng và sóng điện từ, sự tương tác này có thể là truyền qua đối tượng, bịđối tượng hấp thụ, hay bị đối tượng phản xạ trở lại khí quyển

Thu nhận năng lượng bằng bộ cảm (D): sau khi năng lượng được phát ra

hay phản xạ từ đối tượng, chúng ta cần có bộ cảm từ xa để tập hợp lại và thunhận sóng điện từ Năng lượng điện từ truyền về bộ cảm mang thông tin của đốitượng

Sự truyền tải, thu nhận và xử lý (E): năng lượng được thu nhận từ bộ cảm

cần phải được truyền tải, thường dưới dạng điện từ, đến một trạm tiếp nhận - xử

lý nơi dữ liệu sẽ được xử lý sang dạng ảnh Ảnh này chính là dữ liệu thô

Giải đoán và phân tích ảnh(F): ảnh thô sẽ được xử lý để có thể sử dụng

được Để lấy được thông tin về đối tượng người ta phải nhận biết được mỗi hìnhảnh trên ảnh tương ứng với đối tượng nào Công đoạn để có thể “nhận biết” nàygọi là giải đoán ảnh Ảnh được giải đoán bằng một hoặc nhiều phương pháp.Các phương pháp này là giải đoán bằng mắt, giải đoán tự động, giải đoán bằng

kỹ thuật số, hay các công cụ điện tử để lấy được thông tin về các đối tượng củakhu vực đã chụp ảnh

Ứng dụng(G): đây là phần tử cuối cùng của quá trình viễn thám, được thực

hiện khi ứng dụng thông tin mà chúng ta đã chiết được từ ảnh để hiểu rõ hơn vềđối tượng mà chúng ta quan tâm, để khám phá những thông tin mới, kiểmnghiệm những thông tin đã có,… nhằm giải quyết những vấn đề cụ thể

1.3 Một số yếu tố ảnh hưởng tới năng lượng sóng điện từ

Năng lượng của sóng điện từ khi lan truyền trong khí quyển sẽ bị cácphần tử khí hấp thụ dưới các hình thức khác nhau, tùy thuộc vào từng bước sóng

cụ thể Các vùng phổ không bị ảnh hưởng mạnh bởi môi trường khí quyển cònđược gọi là cửa sổ khí quyển được chọn để sử dụng cho thu nhận ảnh viễn thám

Hình 1.3: Vùng phổ sử dụng trong viễn thám ít bị hấp thu

năng lượng bởi khí quyển

Các bước sóng ngắn hơn 0.3µm hầu như bị hấp thụ bởi tầng Ôzôn, vùngánh sáng nhìn thấy do mặt trời cung cấp rất ít khi bị hấp thụ bởi khí quyển vànăng lượng sóng điện từ ứng với bước sóng 0.5µm có ưu thế cho việc thu nhậnảnh viễn thám Bức xạ nhiệt của trái đất có năng lượng cao nhất tại bước sóng10µm trong vùng của sổ khí quyển,và sóng vô tuyến cao tần có bước sóng lớnhơn 1mm cũng rất ít khi bị hấp thụ bởi khí quyển (hình 1.3) Do đó, ảnh viễnthám nhận được thường dựa vào sự đo lường năng lượng phản xạ của sóng điện

từ nằm trong vùng sóng vô tuyến cao tần (ảnh radar) là trường hợp ngoại lệkhông sử dụng năng lượng mặt trời

Trong viễn thám, người ta thường quan tâm tới khả năng lan truyền sóngđiện từ trong khí quyển, vì các hiện tượng và cơ chế tương tác giữa sóng điện từvới khí quyển sẽ ảnh hưởng lớn tới thông tin được thu nhận bởi bộ cảm biến.Khí quyển có đặc điểm quan trọng đó là các bức xạ điện từ có bước sóng khác

nhau sẽ tương tác khác nhau với khí quyển Khả năng lan truyền sóng điện từtrong khí quyển được thể hiện trong bảng 1.2.

Bảng 1.2 Khả năng lan truyền sóng điện từ trong khí quyển

Dải phổ điện từ Bước sóng

Tia cực tím 0.3 - 0.4

Hấp thụ mạnh bởi khí quyển ở tầngOzôn ,không thể thu nhận năng lượng dodải sóng này cung cấp nhưng hiện tượngnày lại bảo vệ con người khỏi tác độngcủa tia cực tím

Ánh sáng nhìn

Rất ít khi bị hấp thụ bởi oxy, hơi nước vànăng lượng phản xạ cực đại ứng với bướcsóng 0.5 µm trong khí quyển Năng lượng

do dải sóng này cung cấp giữ vai trò quantrọng trong viễn thám

Hồng ngoại gần

trung bình

0.77 - 1.341.55 - 2.4

Năng lượng phản xạ mạnh ứng với cácbước sóng hồng ngoại gần từ 0.77-0.9µm,

sử dụng trong chụp ảnh hồng ngoại theodõi sự biến đổi thực vật từ 1.55-2.4 µm

Hồng ngoại

Một số vùng bị hấp thu mạnh bởi hơinước, dải sóng này giữ vai trò trong pháthiện cháy rừng và hoạt động của núi lửa

từ 3.5-5µm Bức xạ nhiệt của trái đất cónăng lượng cao nhất tại bước sóng 10µm

Vô tuyến

Khí quyển không hấp thụ mạnh nănglượng các bước sóng lớn hơn 2cm, chophép thu nhận năng lượng cả ngày lẫnđêm, không ảnh hưởng bởi mây, sương

mù, hay mưa

1.4 Phân loại viễn thám

Viễn thám có thể được phân làm 3 loại cơ bản ứng với vùng bước sóng sửdụng:

Viễn thám trong dải sóng nhìn thấy và hồng ngoại phản xạ: Nguồn năng

lượng chính là bức xạ mặt trời Ảnh viễn thám được thu nhận dựa trên sự đolường năng lượng vùng ánh sáng nhìn thấy và hồng ngoại được phản xạ từ bềmặt vật thể và trái đất Ảnh thu được bởi kỹ thuật viễn thám này gọi chung làảnh quang học

Viễn thám hồng ngoại nhiệt: Nguồn năng lượng sử dụng là các bức xạ

nhiệt do chính vật thể sản sinh ra, hầu như mỗi vật thể trong nhiệt độ bìnhthường đều tự phát ra một bức xạ, ảnh thu được bởi kỹ thuật viễn thám này gọi

là ảnh nhiệt

Viễn thám siêu cao tần: Trong viễn thám siêu cao tần, hai loại kỹ thuật chủ

động và bị động đều được áp dụng Chúng sử dụng nguồn năng lượng phản xạhay phát xạ của các đối tượng trong dải sóng 1mm – 1m Viễn thám siêu cao tần

bị động thu nhận bức xạ do chính vật thể phát ra, còn viễn thám cao tần chủđộng sẽ thu nhận năng lượng phản xạ từ các vật thể

1.5 Ưu nhược điểm của viễn thám

So với các phương pháp nghiên cứu tài nguyên môi trường truyền thống,

kỹ thuật viễn thám có những ưu điểm vượt trội:

- Độ phủ chùm không gian của tư liệu gồm các thông tin về tài nguyên, môitrường trên diện tích lớn của trái đất kể cả những khu vực rất khó đến được nhưrừng nguyên sinh, đầm lầy và hải đảo

- Có khả năng giám sát sự biến đổi của tài nguyên, môi trường trái đất dochu kỳ quan trắc lặp và liên tục trên cùng một đối tượng mặt đất của các máythu viễn thám Khả năng này cho phép kỹ thuật viễn thám ghi nhận lại được sựbiến đổi của tài nguyên, môi trường, giúp giám sát, kiểm kê tài nguyên thiênnhiên và môi trường

- Sử dụng các dải phổ khác nhau để quan trắc các đối tượng (ghi nhận đốitượng), nhờ khả năng này mà tư liệu viễn thám được ứng dụng cho nhiều mụcđích, trong đó có nghiên cứu về khí hậu, nhiệt độ, môi trường của trái đất.

- Cung cấp nhanh các tư liệu ảnh số có độ phân giải cao và siêu cao, là dữliệu cơ bản cho việc thành lập và hiệu chỉnh hệ thống bản đồ quốc gia và hệthống cơ sở dữ liệu địa lý quốc gia

Bên cạnh những ưu điểm cơ bản trên, kỹ thuật viễn thám cũng tồn tại một sốnhược điểm chính sau:

- Để xử lý và phân tích dữ liệu ảnh vệ tinh yêu cầu chuyên môn cao và kinhnghiệm trong thực hành

- Đối với những vùng nghiên cứu có diện tích nhỏ, sử dụng kỹ thuật viễnthám không kinh tế do giá thành cao

- Các phần mềm để xử lý ảnh vệ tinh có giá thành cao

- Nếu kết quả giải đoán ảnh viễn thám chưa được kiểm tra bằng công tácngoại nghiệp, việc sử dụng có thể sẽ có nhiều hạn chế

1.6 Ứng dụng của kỹ thuật viễn thám

Với những ưu điểm nổi bật trên, kỹ thuật viễn thám được sử dụng rộng rãitrên thế giới trong nghiên cứu, giam sát tài nguyên môi trường Từ mục đích banđầu dùng trong quân sự, ngày nay kỹ thuật viễn thám được ứng dụng trong hầukhắp các lĩnh vực kinh tế, môi trường và mang lại hiệu quả to lớn

Ứng dụng trong nghiên cứu Địa chất: viễn thám từ lâu được sử dụng để

giải đoán các thông tin địa chất Dữ liệu viễn thám dùng để giải đoán là các ảnhmáy bay, ảnh vệ tinh và ảnh radar Các lĩnh vực dùng dữ liệu này có thể kể đến

là địa mạo, cấu trúc địa chất, trầm tích, khoáng sản, dầu mỏ, địa tầng, địa chấtcông trình, nước ngầm và các nghiên cứu về địa chất môi trường

Ứng dụng trong nghiên cứu địa mạo: các dạng địa hình được thể hiện rất

rõ trên ảnh viễn thám(địa hình kiến tạo, núi lửa, địa hình sông suối, địa hìnhthành tạo do cát, thành tạo do băng,…) và được giải đoán một cách hữu hiệu

- Cấu trúc địa chất: giải đoán bề mặt và đọ dốc của tầng trầm tích, các yếu

tố uốn nếp, đứt gãy,…

- Nghiên cứu thạch học: xác định các loại đá trầm tích, macma, biến chất vàthành tạo xen kẽ Nghiên cứu trật tự địa tầng và tương quan tuổi

- Khai khoáng và khai thác dầu

- Điều tra khảo sát nước ngầm, điều tra địa chất công trình

- Ứng dụng trong núi lửa và năng lượng địa nhiệt

- Các ứng dụng trong nghiên cứu địa động lực

Nghiên cứu môi trường, khí hậu: viễn thám là phương tiện hữu hiệu để

nghiên cứu môi trường đất liền(thực vật, xói mòn, ô nhiễm), Biển(đo nhiệt độ,màu nước biển, gió, sóng), và khí quyển(tầng Azone, mây, mưa, nhiệt độ khíquyển),dự báo bão và nghiên cứu khí hậu qua các dữ liệu thu về từ vệ tinh khítượng

Nghiên cứu thực vật và rừng: viễn thám cung cấp ảnh có diện phủ toàn

cầu nghiên cứu thực vật theo mùa vụ, tháng, năm Thực vật là đối tượng đầu tiên

mà ảnh viễn thám vệ tinh thu được Trên ảnh viễn thám chúng ta có thể tính toánsinh khối, độ trưởng thành và sâu bệnh dựa trên chỉ số thực vật Nghiên cứucháy rừng qua các ảnh vệ tinh

Nghiên cứu nước, băng và thủy văn: mặt nước và hệ thống dòng chảy

được thể hiện rất rõ trên ảnh vệ tinh và có thể khoanh vùng chúng được Dữ liệuảnh vệ tinh được ghi nhận trong mùa lũ, là dữ liệu được sử dụng để tính toándiện tích thiên tai và tăng khả năng dự báo lũ lụt

Ứng dụng trong việc nghiên cứu các hành tinh khác: các dữ liệu viễn

thám thu từ vệ tinh cho phép nghiên cứu mặt trăng và các vì sao

1.7 Đặc điểm cơ bản của ảnh vệ tinh Landsat

Chương trình vệ tinh Landsat do NASA sáng lập với mục đích nghiên cứumặt đất từ vệ tinh trên quỹ đạo trái đất không người lái Thế hệ đầu tiên củaLandsat mang tên vệ tinh công nghệ tài nguyên trái đất (Earth ResourcesTechcology Satellite), viết tắt là ERTS, vào năm 1975 đổi tên thành Landsat

Vệ tinh Landsat - 1 được phóng lên quỹ đạo ngày 23 / 7 / 1972 và hoạtđộng tới ngày 06 / 1 / 1978 Landsat - 1 được thiết kế để thu nhận ảnh đa phổtrên mặt đất một cách hệ thống, lặp lại và có độ phân giải trung bình đa phổ Các vệ tinh tiếp theo của Landsat là Landsat - 2, 3, 4, 5, 6 và Landsat - 7.Công nghệ ghi ảnh trên các thế hệ vệ tinh Landsat lần lượt sử dụng các bộ cảmngày càng hoàn thiện và tốt hơn nhiều, từ độ phân giải thấp đến độ phân giảicao, theo trật tự là RBV (Return Beam vidicon), đa phổ (MSS), chuyên đề (TM),chuyên đề nâng cao (ETM), chuyên đề nâng cao (ETM+)

Nguồn dữ liệu ảnh Landsat đa dạng, phong phú, phổ biến trên toàn cầu.Đặc biệt là dữ liệu của vệ tinh Landsat - 7 Vệ tinh Landsat - 7 được thiết kếthêm kênh phổ toàn sắc, có dải sóng 0.5 - 0.9µm và độ phân giải 15 x 15m Điềunày cho phép chồng ảnh với các kênh phổ khác nhau của bộ cảm biến ETM đểtạo ra ảnh tổ hợp màu với độ phân giải cao hơn

Hiện nay, ảnh Landsat có nhiều thế hệ với số lượng kênh phổ và độ phângiải khác nhau Tuy nhiên, thế hệ ảnh Landsat TM thu từ vệ tinh Landsat - 4, 5

và ảnh Landsat ETM+ được thu từ vệ tinh Landsat - 7 được sử dụng phổ biếnnhất Ảnh Landsat TM gồm có 7 kênh Trong đó 6 kênh phổ nằm trên dải sóngnhìn thấy và hồng ngoại với độ phân giải không gian 30mx30m và một dải phổhồng ngoại nhiệt ở kênh 6, độ phân giải 120m x 120m để đo nhiệt độ bề mặt.Đặc tính của các kênh phổ ảnh landsat TM được thể hiện trong bảng 1.3

Ảnh Landsat ETM+ bao gồm 8 kênh phổ ở các bước sóng có bản giống ảnhLandsat TM Điều khác biệt là ở Landsat ETM+, kênh hồng ngoại nhiệt có độphân giải cao hơn (60m) và có thêm kênh toàn sắc với độ phân giải không gian

là 15m Điều này cho phép chồng ghép ảnh với các kênh phổ khác nhau của bộcảm biến ETM để tạo ra ảnh tổ hợp màu với độ phân giải cao hơn (15 x 15m).Đặc tính các kênh phổ của ảnh Landsat ETM+ được thể hiện trong bảng 1.4.

Bảng 1.3 một số thông số các kênh phổ ảnh Landsat TM

Kênh Bước sóng

Độ phân giảikhông gian(m)

Lưu trữ(bit)

Lưu trữ(bit)

TM 2 0.52 - 0.6 Xanh lục

Dùng để đánh giá trạng thái của thựcvật, phân biệt giữa các loại thảm thựcvật,…

Dùng để phân biệt thực vật và đất,theo dõi tình trạng thực vật, phân loạithực vật,lập bản đồ ranh giới giữa cácloại đất và ranh giới hình thành địachất,…

TM 4 0.76 - 0.9 Cận hồng

ngoại

Xác định bề mặt đất và nước, xácđịnh đường bờ, xác định cây trồng,các kiểu thực vật, trạng thái và sinhkhối, độ ẩm của đất,…

TM 5 1.55 - 1.75 Giữa hồng

ngoại

Xác định độ ẩm của thực vật và đất,giám sát thảm thực vật, tách tuyết vàmây,…

TM 6 10.4 - 12.5 Hồng ngoại

nhiệt

Sử dụng để đo vẽ bản đồ nhiệt mặtđất, nhiệt độ của thảm thực vật, ứngdụng trong địa chất, xác định hoạtđộng địa chất,…

TM 7 2.08 - 2.35 Giữa hồng

ngoại

Xác định các loại đá và khoáng vật,xác định độ ẩm thực vật,…

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP CHỈ SỐ VÀ ỨNG DỤNG TRONG PHÁT

HIỆN KHOÁNG CHẤT SÉT, OXIT SẮT 2.1 Cơ sở lý thuyết

2.1.1 Phổ phản xạ của khoáng vật

Phổ phản xạ là thông tin quan trọng nhất mà viễn thám thu được về các đốitượng Dựa vào đặc điểm phổ phản xạ (cường độ, dạng đường cong ở các dảisóng khác nhau) có thể phân tích, so sánh và nhận diện các đối tượng trên bềmặt trái đất Thông qua thông tin về phổ phản xạ là thông tin đầu tiên, là tiền đềcho các phương pháp phân tích, giải đoán ảnh trong viễn thám, đặc biệt là xử lýsố

Hiểu lý thuyết về phản xạ năng lượng phổ điện từ của các đối tượng địachất, khoáng vật cho phép ta giải đoán được chúng trên dữ liệu viễn thám.Thông tin về một khoáng vật trong tự nhiên có thể thu được bằng việc giải đoángián tiếp đặc tính phổ và cấu trúc ảnh của nó trên ảnh viễn thám trong các giảiphổ khác nhau Mỗi đối tượng trên mặt đất có đường cong phổ khác nhau, điều

đó cho phép ta giải đoán các đối tượng này theo đường cong phổ của chúng Cáctrạng thái chuyển đổi năng lượng phổ điện từ và phổ của các hợp phần ion trongcác dải phổ được xem xét

2.1.2 Đường cong phổ và dấu hiệu phổ

Trong viễn thám, đường cong phổ thường được đặc trưng bởi các dấu hiệusau:

Hấp thụ chọn lọc: là hiện tượng phổ điện từ tới vật và một phần của nó bị

hấp thụ Hiện tượng này xảy ra với vùng phổ phản xạ năng lượng mặt trời (sóngnhìn thấy, sóng hồng ngoại, và hồng ngoại sóng ngắn) Năng lượng phản xạ bịhấp thụ và vì vậy bộ cảm nhận giá trị của năng lượng phản xạ /phát xạ yếu hơn

so với các dải sóng khác

Phản xạ chọn lọc: trong trường hợp này, phổ thu được trên bộ cảm là năng

lượng phản xạ năng lượng đến từ nguồn mặt trời tới vật và các giá trị phổ cao cóthể dẫn đến phân cách chùm sóng đơn

Phát xạ chọn lọc cao và thấp: nhiều vật có khả năng đánh dấu bởi phát xạ

cao hoặc thấp ở vài dải sóng nhất định

Dấu hiệu phổ là đặc tính hoặc nhóm đặc tính riêng của đường cong phổ chophép giải đoán chúng trên một vật xác định

2.1.3 Những quá trình nguyên- phân tử tác động tới đặc tính phổ

a Những dạng chuyển đổi trạng thái năng lượng

Trạng thái năng lượng của một vật là một hàm số tương quan giữa vị trí tương đối và trạng thái của các phần tử cấu tạo nên vật tại thời điểm đó Tổng

năng lượng của hệ nguyên - phân tử hợp thành từ 4 trạng thái năng lượng khác

nhau: chuyển đổi, quay, dao động, điện tử Để chuyển đổi từ trạng thái năng

lượng này sang trạng thái năng lượng khác cần có một năng lượng nhất định Sựchuyển đổi năng lượng này cũng khác nhau trên các phần của phổ điện từ khácnhau Các mức năng lượng có thể kể ra là:

- Mức năng lượng chuyển đổi

- Mức năng lượng quay: là năng lượng động học do quay của các phân tử.

- Mức năng lượng dao động: liên quan tới sự chuyển động của các nguyên

tử tương đối với nhau Mức năng lượng này xảy ra tại dải phổ hồng ngoại nhiệt

và hồng ngoại sóng ngắn Sự thay đổi mức năng lượng giao động của âm bội và

tổ hợp xảy ra bởi phát xạ phổ điện từ ở dải sóng hồng ngoại sóng ngắn

- Mức năng lượng điện tử: liên quan tới cấu hình các điện tử xung quanh

hạt nhân hoặc ở liên kết Sự thay đổi mức năng lượng điện tử đòi hỏi một lượngnăng lượng lớn Lượng năng lượng này cùng với sự liên kết của nó với sự thayđổi mức năng lượng dao động gây ra bởi các photon trên dải sóng nhìn thấy,sóng hồng ngoại gần, sóng cực tím và tia X Photons của tia Gamma gây ra liênquan tới sự chuyển đổi điện tích

b Các quá trình điện tử:

Quá trình này xảy ra chủ yếu trên dài sóng nhìn thấy và hồng ngoại gần.Các quá trình xảy ra này có thể giải thích theo quan niệm sau:

- Hiệu ứng chuyển đổi điện tích

Trong một số chất, năng lượng tới có thể bị hấp thụ, đạt đến mức nănglượng điện tử và chúng dịch chuyển giữa các ion lân cận nhưng không hoàn toàn

ở trạng thái di động Điều này gọi là hiệu ứng chuyển đổi điện tích và thườngxảy ra với FeO (một oxit có mặt rộng rãi trong các khoáng vật và đá) Khoảngchuyển đổi điện tích này nằm chủ yếu trên dải phổ từ cực tím đến giáp ranh phổnhìn thấy Trên hình 2.1a, ta thấy đường cong phổ phản xạ của một khoáng vậtchứa FeO, tại khoảng giải sóng ngắn bị hấp thụ nên có giá trị rất thấp

Hình 2.1 Ví dụ về hấp thụ kênh phổ do quá trình điện tử a, đường cong

phản xạ phổ của Jarosite, Hematit, Geothit bị hấp thu mạnh ở dải sóng cực tím và xanh lam do hiệu ứng chuyển đổi điện tích b, đường cong phản xạ

của các khoáng vật Stibnit, Cinnabar, Realgar và Sulphur bị hấp thụ tại

dải sóng cực tím- nhìn thấy rất rõ rệt (Hunt, 1980).

- Hiệu ứng hấp thụ các kênh phổ dẫn điện:

Trong một vài chất bán dẫn như Sulphite, hầu như tất cả các photons nănglượng lớn hơn ngưỡng giá trị bị hấp thụ, nhảy từ mức năng lượng điện tử lênmức năng lượng kênh dẫn Hình 2.1b, thể hiện rõ điều này, đường cong phổ bịhấp thụ dưới ảnh hưởng của hiệu ứng này

- Chuyển tiếp điện tử trong kim loại chuyển tiếp:

Đặc tính này thường xảy ra với sắt tại dải sóng 0.87µm, 0.35µm và phụkênh phổ 0.5µm Các ion Sắt có các kênh phổ 1µm, 1-2µm và 0.55-0.57µm.Kim loại Cu(0.8 µm), Ni(1.25 µm, 0.4 µm), Cr(0.55 µm, 0.45 µm, 0.35 µm)

- Hiệu ứng trường tinh thể

Hiệu ứng trường tinh thể là hiện tượng mà mức năng lượng đối với một Ion

sẽ khác nhau đối với mỗi trường tinh thể Đối với các nguyên tố chuyển tiếp như

Ni, Gr, Cu, Co, Mn,… là dạng 3 lớp điện tử định ra các mức năng lượng Cáclớp điện tử này không được bảo vệ Vì vậy mức năng lượng bị ảnh hưởng bởicác trường tinh thể, và các điện tử có thể lấy giá trị năng lượng mới phụ thuộctrường tinh thể Trong trường hợp này, khi ở mức năng lượng mới, có sự chuyểntiếp giữa các mức năng lượng Kết quả của sự hấp thụ phổ được quyết định bởihóa trị của các ion (Fe2+¿, Fe3+ ¿ ¿

¿) và số tọa độ, bởi vị trí đối xứng và mức độ cácđiểm bị biến dị Ví dụ về các oxit sắt khi ở các trường tinh thể khác nhau bị hấpthụ ở các dải phổ khác nhau được Hunt đưa ra năm 1980 thể hiện trong hình 2.2

Hình 2.2 Hiệu ứng trường tinh thể (Hunt, 1980)

c Các quá trình giao động

Đối với đại đa số vật chất trên trái đất, các quá trinh dao động phân tử thường xảy ra ở dải phổ hồng ngoại sóng ngắn và hồng ngoại nhiệt.Hiện tượng này gây ra đường cong phổ bị giãn hoặc bị uốn cong Có 3 đoạngiao động: Cơ bản( ở trong dải hồng ngoại trung, >3.5 µm),âm bội và tổ hợp (ởtrong dải sóng 1-3 µm) Các nhóm khoáng vật Silicat, carbonat, Hydroxit,Phosphat và sulphat, nitrat có hiện tượng phổ do quá trình này.

nguyên-2.1.4 Phổ của các hợp phần Ion trong các dải phổ điện từ khác nhau và phổ phản xạ của một số khoáng vật

Sau đây sẽ xét đường cong phổ phản xạ của các hợp phần ion trong các dảiphổ khác nhau:

- Dải phổ nhìn thấy và hồng ngoại gần (0.4-1µm)

Trong dải sóng này, chủ yếu là các kim loại chuyển tiếp như Fe, Mn, Cu,

Ni, Cr đặc trưng bởi sự thay đổi mức năng lượng điện tử Các nguyên tố tạo đánhư Si, Al, và các nhóm anion như oxit, hydroxit, carbonat, phosphat thiếu phổtrên dải sóng này

Ion oxit Feo bị hấp thụ phổ ở dải sóng ngắn bởi hiệu ứng điện tích Các ionchứa sắt bị hấp thụ ở phổ sóng 0.4µm, 0.5µm, 0.7µm, 0.87µm (oxit Fe), 1µm(amphibol, olivin); 0,7 µm, 1µm, 1,8 µm(pyroxen)

- Dải phổ hồng ngoại sóng ngắn(SWIR, 1-3µm):

Trong dải phổ này đặc trưng bởi các anion của các khoáng vật nhưhydroxit, carbonat, phosphat, và đỉnh của đường cong phổ bị dịch chuyển dohiệu ứng trường tinh thể

- Các ion hydroxit:

Các hợp phần này thường có ở khoáng vật Sét, chỉ ra kênh hấp thụ cơ sởgiao động trên dải 2.74 - 2.77µm do hiệu ứng trường tinh thể và hiệu ứng âm bộitại dải phổ 1.44µm Các ion hydroxit trong các hợp phần với Al, Mg, thể hiệnhấp thụ trên dải phổ 2.1-2.4µm ( hình 2.3a)

Hình 2.3 Phổ phản xạ trên dải hồng ngoại sóng ngắn a, phổ phản xạ

của khoáng vật sét (đường cong phổ có dịch chuyển, theo Rowan, 1983).

b, phổ khoáng vật chứa nước (Hunt, 1980).c , phổ phản xạ của các

- Hồng ngoại nhiệt(TIR, >3-3.5 µm):

Trong dải phổ này, cửa sổ tốt nhất để nghiên cứu một số loại khoáng vậttrong viễn thám là carbonat, silicat, nitrat, nitrit,hydroxit có phổ 8-14 µm.

- Thạch anh: bị hấp thụ trên dải hồng ngoại trung

- Pyroxen: bị hấp thụ do có chứa Ion Sắt trên dải phổ nhìn thấy, hồngngoại gần và hồng ngoại trung Sự hấp thụ còn ảnh hưởng do hiệu ứng trườngtinh thể

- Khoáng sản sét: kênh phổ hấp thụ trên dải sóng hồng ngoại gần do chứanước, ion hydroxyl và AL-OH, Mg-OH trên dải phổ hồng ngoại sóng ngắn và

do chứa silicate trên dải phổ hồng ngoại trung

- Cacbonat( canxit, magnesit, siderit, rhodocrosit), ion CO3−2 bị hấp thụ trêndải phổ SWIR và MIR Đối với siderit Fe2+¿¿ chuyển tiếp điện tử trên dải VNIR,rhodocrosite chứa Mn2 +¿¿ trên phổ bị hấp thụ trên sóng VNIR.

- Khoáng vật Sét chứa AL-OH ( phổ 2,2µm), Mg-OH( phổ 2,3µm) và chứaphân tử nước ở dải sóng 1,4µm và 0.9µm Hình 2.5 chỉ ra phổ của một vàikhoáng vật sét trong phòng thí nghiệm trên dải sóng hồng ngoại sóng ngắn

Hình 2.5 Phổ của một vài khoáng vật sét trong phòng thí nghiệm

trên dải sóng hồng ngoại giữa (SWIR)

2.2 Chỉ số khoáng sản sét, khoáng sản Oxit sắt:

Khoáng vật sét bao gồm các loại khoáng vật phylloosilicat giàu các oxit vàhidroxit của sillic và nhôm cũng như một lượng lớn nước tham gia vào việc tạocấu trúc và thay đổi theo từng loại đất sét Khoáng vật sét có thể giữ ẩm cho đất

và các yếu tố dinh dưỡng một cách hiệu quả Do đó, một lượng đất sét cụ thểtrong đất là rất cần thiết cho các loại thực vật và sản xuất nông nghiệp

Không chỉ đất sét, mà sắt cũng là một nhân tố quan trọng được tìm thấytrong các khoáng chất augite, biotite, hematite, hornblende, geothite,lepidocrocite, limonite, magnetite, and olivine Sắt rất quan trọng đối với sứckhỏe con người và thực vật Sắt có vai trò quan trọng trong sự phát triển chấtdiệp lục và sự tăng trưởng của cây trồng Thiếu sắt gây ra việc úa lá được biểu

hiện bởi những chiếc lá vàng úa và quả xấu ở thực vật Xác định sự phân bốkhông gian của hợp chất khoáng sản rất quan trọng đối với một số mô hìnhnghiên cứu môi trường và sinh thái Bằng việc Sử dụng các công cụ GIS và viễnthám nhiều ứng dụng trong thăm dò sự thay đổi khoáng sản oxit sắt, khoáng sảnsét, đá biến chất, khoáng sản đá tràng thạch, đá hoa cương và các khoáng sảnkim loại màu đã được thực hiên thành công.

2.2.1 Phương pháp tỷ số ảnh

Để tạo ảnh chỉ số, ta thường sử dụng phép chia nhằm loại trừ ảnh hưởngcủa bóng râm, ảnh hưởng của địa hình, và tách biệt một số đặc tính các yếu tốđịa chất, nhấn mạnh các đối tượng cần quan tâm như vùng phủ thực vật, hay cáckhoáng sản lộ thiên,… Bằng cách chọn hai kênh thích hợp trong ảnh đa phổ,chia giá trị độ sáng tương ứng từng pixel của hai kênh ảnh gốc, sẽ nhận được giátrị độ sáng pixel của ảnh mới, gọi là ảnh tỷ số

BVij = BV ijK

Trong đó: BVijK - giá trị độ sáng pixel (i, j) kênh K ;

BVijL - giá trị độ sáng pixel (i, j) kênh LThực tế, việc quyết định chọn hai kênh phổ thích hợp trong ảnh đa phổ đểtạo ảnh tỷ số là một vấn đề không hề đơn giản, phải có cơ sở khoa học và nhữngnghiên cứu cụ thể, và cũng cần cần chú ý trường hợp BVijL = 0

2.2.2 Chỉ số khoáng sản sét, oxit sắt

Chỉ số khoáng sản là một phương pháp được sử dụng nhiều năm trong viễnthám, để hiển thị sự thay đổi giá trị phổ một cách có hiệu quả nhất Để xác địnhchỉ số khoáng sản ta dựa vào các đồ thị phản xạ phổ của các khoáng vật Đây làphương pháp làm nổi bật các đối tượng cụ thể dựa trên quang phổ hay cácnguyên tắc vật lý

Chỉ số khoáng sản được sử dụng để giám sát sự phân bố khoáng vật ở khuvực nghiên cứu Để nghiên cứu chỉ số khoáng sản, ta sử dụng các kênh phổ thểhiện rõ đặc tính phản xạ phổ của oxit sắt, khoáng sản sét Các kênh phổ sử dụng

để nghiên cứu chỉ số khoáng sản được thể hiện trong bảng 2.1

Bảng 2.1 Các kênh phổ sử dụng trong nghiên cứu chỉ số khoáng sản

Oxit sắt là một trong những khoáng chất có nhiều trong môi trường tựnhiên Theo đồ thị phản xạ phổ của oxit sắt được thể hiện trong hình 2.5, ta thấyrằng các khoáng sản oxit sắt phản xạ mạnh ở bước sóng 0.63 - 0.69 µm (kênh3)

và bị hấp thụ mạnh nhất ở bước sóng 0.4 – 0.52 µm (kênh 1) nên chúng thườngxuất hiện ở màu đỏ, hoặc màu nâu Do vậy để làm nổi bật oxit sắt trên ảnh vệtinh thường sử dụng tỷ số giữa kênh 3 và kênh 1, hay còn được gọi là chỉ số oxitsắt

Các khoáng sản sét đặc trưng cho sự thay đổi thủy nhiệt trong các loại đá

và rất hữu ích cho việc thăm dò khoáng sản trong viễn thám Theo đồ thị phản

xạ phổ của khoáng sản sét thể hiện trong hình 2.6, ta thấy các khoáng sản sétphản xạ rất mạnh ở bước sóng 1.55 – 1.75µm (kênh 5) và bị hấp thụ mạnh rấtmạnh ở bước sóng 2.05- 2.35 (kênh 7) Vì vậy, khi nghiên cứu khoáng sản sét,

để làm nổi bật nó ta sử dụng bởi tỷ lệ giữa hai kênh phổ là kênh 5 và kênh 7, haycòn gọi là chỉ số khoáng sản sét

Hình 2.6 Đồ thị phản xạ phổ của khoáng sản sét (McCord

và Others, 1998)

2.3 Phương pháp nghiên cứu khả năng phân bố khoáng sản sét, khoáng sản oxit sắt dựa trên chỉ số khoáng sản

Phương pháp nghiên cứu dựa trên chỉ số khoáng sản của các khoáng sản sét

và oxit sắt Tất cả các chỉ số này được tính toán từ dữ liệu ảnh vệ tinh LandsatETM+ (Độ phân giải 30m) được chụp vào ngày 08/11/2007 và các thuật toánliên quan được thể hiện trong bảng 2.2

Bảng 2.2 Thuật toán xác định chỉ số khoáng sản sét và oxit sắt

Trong bài nghiên cứu này, tôi sử dụng phần mềm ERDAS-Imagine để tínhtoán các chỉ số khoáng sản Có thể sự dụng công cụ “Indices” được xây dựngsẵn trong ERDAS để tính các tỷ số khoáng sản Hoặc sử dụng công cụ

“Modeler”, một công cụ cung cấp cho chúng ta các toán tử cần thiết của mộtbiểu thức để mình tự thực hiện các tính toán Để thuận lợi cho việc phân loại,

đánh giá, giải thích, chúng ta sẽ đưa miền giá trị của tỷ số khoáng sản về khoảng

0-255

Để làm được điều này, ta sử dụng phương pháp kéo giãn tuyến tính Đây là

phương pháp đưa miền giá trị của ảnh đầu vào về miền giá trị L dưa trên phương

trình:

Y = X −X min

Trong đó, X là giá trị điểm ảnh đầu vào, X max là giá trị điểm ảnh lớn nhất

của ảnh đầu vào, X min là giá trị điểm ảnh nhỏ nhất của ảnh đầu vào, Y là giá trị

điểm ảnh của ảnh kết quả L là miền giá trị của điểm ảnh (ở đây, ta chọn L=

255)

Hình 2.7a Ảnh gốc và ảnh chỉ số khoáng sản sét

Hình 2.7b Ảnh gốc và ảnh chỉ số oxit sắt

Giá trị chỉ số càng cao, thì càng thể hiện rõ khu vực đó có nhiều khoángsản Vì vậy, trong hình ảnh chỉ số khoáng sản sét (hình 2.7a) khu vực có pixelmàu sáng dùng để chỉ khu vực có nhiều khoáng sản sét, và các pixel màu tối làkhu vực có ít khoáng sản sét Tương tự, trong hình ảnh chỉ số oxit sắt (hình2.7b), những pixel màu sáng là khu vực có nhiều oxit sắt, còn những pixel màutối là khu vực ít có oxit sắt

- Tạo bản đồ chỉ số oxit sắt, bản đồ khoáng sản sét:

Để tạo bản đồ chỉ số oxit sắt, ta sử dụng phương pháp phân lớp “Naturalbreaks” trong ArcGIS Đây là phương pháp phân loại dựa trên các nhóm tựnhiên vốn có của dữ liệu và các đối tượng sẽ được chia vào các lớp có ranh giớiđược thiết lập ở nơi có giá trị dữ liệu thay đổi lớn nhất Tiến hành phân lớp ảnhchỉ số, tất cả các chỉ số được tổng hợp trong 9 lớp, giúp chúng ta dễ dàng diễndải, phân loại

Có được 9 lớp chỉ số, dựa vào giá trị của các chỉ số, ta tiến hành phân loại 9lớp này thành 4 mức độ khác nhau là: rất hiếm, hiếm, trung bình và nhiều Sau

đó, tính diện tích bao phủ của từng lớp trên tổng diện tích của toàn khu vực

nghiên cứu Trên cơ sở đó, xác định không gian phân bố của khoáng sản sét vàoxit sắt.

Và cuối cùng, chúng ta tiến hành biên tập bản đồ nhờ vào phần mềm ArcGIS,bằng cách: Tô màu cho các lớp để dễ dàng diễn dải, thêm các yếu tố cần có chomột bản đồ

Tùy thuộc vào cách chúng ta đổ màu cho các khoảng tỷ số mà trong bản

đồ chỉ số khoáng sản oxit sắt và bản đồ khoáng sản sét, ta sẽ nhận thấy nhữngvùng có màu sắc gì là những khu vực có nhiều khoáng sản và ít khoáng sản

2.4 Phương pháp tổ hợp màu ảnh tỷ số

Tổ hợp màu là một phương pháp quan trọng và rất cần thiết cho quá trìnhgiải đoán tự động và giải đoán bằng mắt Ta có thể thực hiện bằng cách kết hợpcác kênh trong dải ánh sáng nhìn thấy và hồng ngoại, và cũng có thể thực hiện tổhợp màu các ảnh tỉ số với nhau

Các phương pháp tổ hợp màu phổ biến là phương pháp tổ hợp màu đúng 3,

2, 1; tổ hợp màu hồng ngoại gần 4, 3, 2; tổ hợp màu hồng ngoại sóng ngắn 7, 4,

3 hoặc 7, 4, 2 Trong tổ hợp màu đúng: kênh 3 là kênh red, kênh 2 là kênh green

và kênh 3 là kênh blue Các ảnh tổ hợp màu đúng gần giống với khoảng nhìnthấy của mắt người Nó được ứng dụng trong việc phân tích các đặc tính dướinước và độ che phủ của đất Tổ hợp màu hồng ngoại gần 4, 3, 2 thì có kênhhồng ngoại gần và kênh màu xanh nhìn thấy Các ảnh tổ hợp màu hồng ngoạigần cho ta hình ảnh thảm thực vật thể hiện ở các sắc thái màu đỏ khác nhau dothực vật trong dải sóng hồng ngoại phản xạ cao, nước có màu tối do hấp thụnăng lượng của các kênh trong dải sóng nhìn thấy màu đỏ và hồng ngoại gần Tổhợp hồng ngoại sóng ngắn 7, 4, 3 hoặc 7, 4, 2 chứa ít nhất một kênh hồng ngoạisóng ngắn, được ứng dụng trong việc phát hiện sự thay đổi, xáo trộn của các loạiđất, độ ẩm thảm thực vật,…

Phương pháp tổ hợp màu ảnh tỷ số là phương pháp kết hợp giữa phươngpháp tỷ số ảnh và phương pháp tổ hợp màu Phương pháp này sẽ cung cấp

những thông tin riêng biệt không có sẵn trong bất kỳ kênh ảnh đơn hay ảnh tổhợp màu của ảnh Landsat, mà nó làm nổi bất những thông tin rất hữu ích vàgiảm thiểu các thông tin không cần thiết trên ảnh vệ tinh

Các tỷ số kênh của 1.65 / 2.2 µm, 0.66 / 0.56 µm và 0.83 / 1.65 µm tươngứng với kênh 5 / kênh 7, kênh 3 / kênh 2 và kênh 4 / kênh 5 được lựa chọn chomàu đỏ, xanh lá cây và xanh da trời khi hiển thị Ta sẽ thu được kết quả như sau:khu vực giàu oxit sắt được thể hiện như màu xanh lá cây do sự hiện diện của sắtIII gây nên hiệu ứng chuyển đổi điện tích trong vùng tử ngoại Khu vực giàukhoáng chất sét được hiển thị như màu đỏ, do sự hiện diện của khoáng chấtthedydrous trong dải hấp thụ gần 2.2 µm Khu vực có màu vàng hoặc màu dacam đại diện cho khu vực mà cả oxit sắt và khoáng chất sét đều có mặt (chỉ sốAbrams, 1983)

Tập hợp các tỷ số được lựa chọn thể hiện đặc tính phổ của oxit sắt, khoángsản sét và thực vật Tỷ số kênh 4 / 3 hiển thị thực vật trong tông màu sáng dothực vật hấp thụ cao trong kênh 3 và phản xạ mạnh ở kênh 4 Khoáng sản sétđược tăng cường bằng tỷ số kênh 5 / 7 Oxit sắt và kim loại màu được tăngcường tốt nhất bởi tỷ số kênh 7 / 4, 7 / 1 hoặc 5 / 4 và 5 / 1 do hiệu ứng chuyểnđổi điện tích trong kênh cận hồng ngoại (0.87µm), ánh sáng nhìn thấy, và truyềnđiện tích trong tia cực tím và không ảnh hưởng trong phạm vi hồng ngoại sóngngắn Phần lớn tỷ số kênh 3 / 1 được sử dụng không thành công do sự khác biệtgiữa kênh 3 và kênh 1 là ít hơn nhiều so với sự kết hợp kênh hồng ngoại sóngngắn với kênh 1 hoặc kênh 4

Tổ hợp màu được tạo bởi các tỷ số kênh 7 / 4, 4 / 3, 5 / 7 được hiển thịtương ứng trong dải RGB Hình ảnh kết quả thu được có màu đỏ sẽ đại diện chokhu vực có chứa oxit sắt, màu xanh lá cây đại diện cho khu vực có thảm thực vật

và màu xanh da trời đại diện cho khu vực có nhiều khoáng sản sét ( Kaufmann,1988)

Tỷ số kênh 5 / 7 làm nổi bật khoáng sản sét Tuy nhiên, nó được quan sátthấy rằng tỷ số kênh 5 / 7 là nhạy cảm cả đến khu vực thảm thực vật Do vậy, để