đề cương cơ sở GIS và viễn thám

Cường độ năng lượng phản xạ được đolường để phân biệt giữa các đối tượng với nhau.. Năng lượng phản xạ được phân chia ứng với từng bước sóng khác nhauthông qua kinh lọc

ĐỀ CƯƠNG ÔN THI

Môn học: Cơ sở GIS Và viễn thám

Câu 1: Khái niệm và nguyên lý hoạt động của hệ thống viễn thám (sử dụng sơ đồ gồm 7 yếu tố).

1, Khái niệm:

Viễn thám là một ngành khoa học có lịch sử phát triển lâu đời Sự phát triển của khoa

học viễn thám bắt đầu từ mục đích quân sự khi nghiên cứu các ảnh chụp sử dụng phim vàgiấy ảnh từ khinh khí cầu, máy bay Ngày nay, cùng sự phát triển của khoa học kỹ thuật,viễn thám được ứng dụng trong nhiều ngành khoa học khác nhau như quân sự, địa chất, địalý, môi trường, khí tượng, thủy văn, nông nghiệp, lâm nghiệp,

Định nghĩa:

“Viễn thám là khoa học nghiên cứu các thực thể, hiện tượng trên trái đất từ xa mà không cần tiếp xúc trực tiếp vào nó”.

2, Nguyên lý hoạt động của hệ thống viễn thám:

Trong viễn thám, nguyên tắc hoạt động của nó liên quan giữa sóng điện từ từ nguồn phát vàvật thể quan tâm

1 Nguồn phát năng lượng (A) - yêu cầu đầu tiên cho viễn thám là có nguồn năng lượng phát

xạ để cung cấp năng lượng điện từ tới đối tượng quan tâm

2 Sóng điện từ và khí quyển (B) - khi năng lượng truyền từ nguồn phát đến đối tượng, nó sẽ

đi vào và tương tác với khí quyển mà nó đi qua Sự tương tác này có thể xảy ra lần thứ 2 khinăng lượng truyền từ đối tượng tới bộ cảm biến

3 Sự tương tác với ñối tượng (C) - một khi năng lượng gặp đối tượng sau khi xuyên qua

khí quyển, nó tương tác với đối tượng Phụ thuộc vào đặc tính của đối tượng và sóng điện từmà năng lượng phản xạ hay bức xạ của đối tượng có sự khác nhau

4 Việc ghi năng lượng của bộ cảm biến (D) - sau khi năng lượng bị tán xạ hoặc phát xạ từ

đối tượng, một bộ cảm biến để thu nhận và ghi lại sóng điện từ

5 Sự truyền tải, nhận và xử lý (E) - năng lượng được ghi nhận bởi bộ cảm biến phải được

truyền tải đến một trạm thu nhận và xử lý Năng lượng được truyền đi thường ở dạng điện.Trạm thu nhận sẽ xử lý năng lượng này để tạo ra ảnh dưới dạng hardcopy hoặc là số

6 Sự giải đoán và phân tích (F) - ảnh được xử lý ở trạm thu nhận sẽ được giải đoán trực

quan hoặc được phân loại bằng máy để tách thông tin về đối tượng

7 Ứng dụng (G) - đây là thành phần cuối cùng trong quy trình xử lý của công nghệ viễn

thám Thông tin sau khi được tách ra từ ảnh có thể ñược ứng dụng ñể hiểu tốt hơn về đốitượng, khám phá một vài thông tin mới hoặc hỗ trợ cho việc giải quyết một vấn đề cụ thể

Câu 2: 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

- Loại nguồn phát và tín hiệu thu nhận

- Dải phổ của các thiết bị thu

3 phương thức phân loại viễn thám như sau:

a Phân loại theo nguồn năng lượng được sử dụng (loại nguồn phát và tín hiệu thu

nhận), kỹ thuật viễn thám bao gồm:

- Viễn thám bị động: sử dụng năng lượng mặt trời hoặc năng lượng do vật thể bức xạ

(ở điều kiện nhiệt độ thường, các vật thể tự phát ra bức xạ hồng ngoại)

- Viễn thám chủ động: thiết bị thu nhận phát ra nguồn năng lượng tới vật thể rồi thu

nhận tín hiệu phản xạ lại

b Phân loại theo vùng bước sóng sử dụng (theo dải phổ của các thiết bị thu): ứng với

vùng bước sóng sử dụng , viễn thám có thể được phân thành 3 loại cơ bản:

- Viễn thám trong dải sóng nhìn thấy và hồng ngoại phản xạ: nguồn năng lượng sử

dụng là bức xạ mặt trời, ảnh viễn thám nhận được dựa vào sự đo lường năng lượng vùngánh sáng nhìn thấy và hồng ngoại được phản xạ từ vật thể và bề mặt trái đất Ảnh thu đượcbởi kỹ thuật viễn thám này được gọi là ảnh quang học

- Viễn thám hồng ngoại nhiệt: nguồn năng lượng sử dụng là bức xạ nhiệt do chính vật

thể sản sinh ra Ảnh thu được bởi kỹ thuật viễn thám này được gọi là ảnh nhiệt

- Viễn thám siêu cao tần: trong viễn thám siêu cao tần 2 kỹ thuật chủ động và bị động

đều được áp dụng Viễn thám bị động thu lại sóng vô tuyến cao tần với bước sónglớn hơn 1mm mà được bức xạ tự nhiên hoặc phản xạ từ một số đối tượng Vì có bướcsóng dài nên năng lượng thu nhận được của kỹ thuật viễn thám siêu cao tần bị động thấphơn viễn thám trong dải sóng nhìn thấy Đối với viễn thám siêu cao tần chủ động

(Radar), vệ tinh cung cấp năng lượng riêng và phát trực tiếp đến các vật thể, rồi thu lạinăng lượng do sóng phản xạ lại từ các vật thể Cường độ năng lượng phản xạ được đolường để phân biệt giữa các đối tượng với nhau Ảnh thu được từ kỹ thuật viễn thám nàyđược gọi là ảnh Radar.

c 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)

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, nghĩalà 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 hoặcgần vuông góc so với mặt phẳng xích đạo của Trái Đất Tốc độ quay của vệ tinh khác vớitốc độ quay của trái đất và được thiết kế riêng sao cho thời gian thu ảnh trên mỗi vùng lãnhthổ trên mặt đất là cùng giờ địa phương và thời gian lặp lại là cố định đối với một vệ tinh (vídụ LANDSAT là 18 ngày, SPOT là 23 ngày )

Câu 3: Khái niệm về vật mang, bộ cảm Phương pháp quét dọc, quét ngang.

1, Khái niệm về vật mang, bộ cảm:

a, Vật mang

Phương tiện dùng để mang các bộ cảm tới độ cao và vị trí mong muốn để thu nhậnnăng lượng bức xạ và phản xạ từ các vật thể trên bề mặt tạo ra ảnh quang học hay ảnh radađược gọi là vật mang Hiện nay, vật mang rất đa dạng, có thể là khinh khí cầu, máy bay, vệtinh, tàu vũ trụ,

b, Bộ cảm

b, bộ cảm

Khái niệm: Thiết bị dùng để cảm nhận sóng điện từ phản xạ hay bức xạ từ vật thể được

gọi là bộ cảm biến (Sensor)

Nhiệm vụ:

Bộ cảm biến bao gồm các tế bào quang điện thực hiện nhiệm vụ thu nhận năng lượngsóng điện từ phản xạ hay bức xạ từ vật thể theo từng bước sóng xác định Sau đó, nănglượng sóng điện từ được bộ cảm biến chuyển thành tín hiệu điện Tiếp theo, tín hiệu điệnliên tục này được chuyển thành tín hiệu số (chuyển đổi tín hiệu điện thành một số nguyênhữu hạn gọi là giá trị số của pixel) tương ứng với năng lượng sóng điện từ nhận được banđầu

2,

Phương pháp quét dọc, quét ngang

Hệ thống quét dùng để thu thập dữ liệu trên cơ sở sử dụng nhiều bước sóng khác nhauđược gọi là máy quét đa phổ MSS Đây là hệ thống quét sử dụng cả trên máy bay và vệ tinh.Có hai phương pháp quét chính: quét vuông góc với tuyến chụp, quét dọc tuyến chụp

- Quét vuông góc với tuyến chụp

Trước hết ta làm quen với thuật ngữ : trường nhìn không đổi và trường nhìn

Trường nhìn không đổi (Instantanneous Field of View – IFOV) là góc không gian tương

ứng với một đơn vị chia mẫu trên mặt đất Lượng thông tin ghi được trong IFOV tương ứngvới gía trị của pixel

Góc nhìn tối đa mà một bộ cảm có thể thu được sóng điện từ được gọi là trường nhìn (Field of View FOV) Khoảng không gian trên mặt đất do FOV tạo ra chính là bề rộng tuyến

chụp

Quá trình quét vuông góc với tuyến chụp được thực hiện như sau :

Gương quay chuyển động trong mặt phẳng vuông góc với đường bay được sử dụng đểdịch chuyển trường nhìn không đổi IFOV tạo thành dòng quét vuông góc với hương dichuyển của vệ tinh Năng lượng phản xạ được phân chia ứng với từng bước sóng khác nhau(thông qua kinh lọc phổ) được bộ tách sóng đo lường năng lượng ứng với từng kênh phổ vàchuyển thành giá trị số của từng pixel Sau khi kết thúc dòng quét, gương quay trả về vị tríban đầu để tạo dòng kế tiếp nhờ sự dịch chuyển đồng bộ của vệ tinh, kết quả nhận được ảnhvệ tinh là tập hợp của các dòng ảnh liên tiếp nhau

Trường nhìn không đổi IFOV của bộ cảm biến và độ cao của vệ tinh xác định độ phângiải mặt đất và góc nhìn tối đa mà một bộ cảm có thể thu được sóng điện từ (được quét bởi

gương quay) được gọi là trường nhìn (field of view – FOV) Khoảng không gian trên mặt đất

do FOV tạo nên tương ứng với độ cao của vệ tinh chính là bề rộng tuyến chụp và còn dượcsử dụng để xác định bề rộng của ảnh vệ tinh

- Quét dọc tuyến chụp

Quét dọc tuyến chụp sử dụng các hệ thống quét điện tử hoặc bộ tách sóng tuyến tính đểghi nhận năng lượng bức xạ ứng với dòng quét cố định vuông góc với phương chuyển độngcủa vệ tinh Bộ tách sóng mảng tuyến tính được xây dựng tại mặt phẳng tạo ảnh của hệthống lăng kính cho phép tạo thành dòng quét vuông góc với hướng di chuển của vệ tinh.Mỗi bộ tách sóng riêng biệt đo lường năng lượng phản xạ ứng với từng pixel được phânchia với từng bước sóng khác nhau (thông qua kính lọc phổ) Trong phương pháp này, mỗi

bộ tách sóng mảng tuyến tính riêng sẽ đảm nhiệm việc đo lường năng lượng ứng với từngkênh phổ và kích thước của IFOV ứng với bộ tách sóng riêng biệt sẽ xác định độ phân giảimặt đất của ảnh vệ tinh

 Từ 2 phương pháp cơ bản cho thấy, các phần tử của ảnh vệ tinh thường có dạnghình vuông và thể hiện một khu vực nào đó trên mặt đất Điều quan trọng cần chú ýđó là phân biệt rõ ràng giữa kích thước của pixel ảnh với độ phân giải không gian,đối với ảnh vệ tinh điều này không phải tương ứng trong mọi trường hợp Nóichung, ảnh chỉ thể hiện được những vật thể lớn gọi là ảnh có độ phân giải thấp, cònảnh cho phép tách các đối tượng nhỏ và thấy đủ chi tiết trên mặt đất được gọi là ảnhcó độ phân giải cao Độ phân giải càng cao thì diện tích mặt đất được thể hiện trênmột pixel ảnh càng nhỏ, hiện nay các bộ cảm biến đặt trên vệ tinh phục vụ cho mục

đích quân sự được thiết kế sao cho thu được càng nhiều thông tin càng tốt, nên ảnhnhận được thường có độ phân giải cao hơn so với ảnh do các công ty thương mạicung cấp.

Câu 4:Khái niệm, tính chất bức xạ điện từ Khái niệm cửa sổ khí quyển, độ phản

xạ phổ Đặc trưng phản xạ phổ của thổ nhưỡng, thực vật, nước.

1, Khái niệm, tính chất bức xạ điện từ:

Thuật ngữ bức xạ điện từ, do James Clerk Maxwell đặt ra, xuất phát từ những tínhchất điện và từ đặc trưng chung cho tất cả các dạng của loại năng lượng giống sóng này, nhưđược biểu lộ bởi sự phát sinh cả trường dao động điện và từ khi sóng truyền trong khônggian Ánh sáng khả kiến chỉ đại diện cho một phần nhỏ của phổ bức xạ điện từ, trải ra từ cáctia vũ trụ cao tần và tia gamma, qua tia X, ánh sáng cực tím, bức xạ hồng ngoại, và vi ba,cho tới các sóng vô tuyến bước sóng dài, tần số rất thấp

Sóng điện từ di chuyển theo hướng vuông góc với hướng dao động của cả vectơ điệntrường (E) và từ trường (B) Hai trường năng lượng dao động vuông góc với nhau và daođộng cùng pha theo dạng đồ thị hàm số sin Các vectơ điện trường và từ trường không chỉvuông góc với nhau mà còn vuông góc với phương truyền sóng Để đơn giản hóa minh họa,người ta thường quy ước bỏ qua các vectơ biểu diễn điện trường và từ trường dao động, mặcdù chúng vẫn tồn tại

Khi lan truyền, sóng điện từ mang theo năng lượng, động lượng và thông tin Sóngđiện từ với bước sóng nằm trong khoảng 400 nm và 700 nm có thể được quan sát bằng mắtngười và gọi là ánh sáng Bức xạ điện từ truyền năng lượng trên cơ sở các dao động trườngđiện từ trong không gian hoặc trong lòng các vật chất

Bức xạ điện từ có tính chất sóng và hạt:

a, Tính chất sóng của bức xạ điện từ được xác định bởi bước sóng, tần số và tốc độ

truyền Năng lượng ánh sáng có tính chất bức xạ tự nhiên với 2 trường điện và từ có hướngvuông góc với nhau, chuyển động tuân theo nguyên lý của sóng điều hòa

Phương trình truyền ánh sáng:

C = v λ

Trong đó:

C: hằng số tốc độ ánh sáng ( ~ 3*108m/s)

v: tần số dao động của ánh sáng

λ: bước sóng của ánh sáng

b, Tính chất hạt được mô tả theo tính chất quang lượng tử (photon) Ánh sáng bao

gồm rất nhiều phân tử nhỏ riêng biệt đc gọi là các proton hay lượng tử (quanta) Năng lượngcủa mỗi lượng tử đc xác định theo công thức sau:

Tất cả các vật thể đều phản xạ và hấp thụ, phân tách và bức xạ sóng điện từ theo cáccách khác nhau và đặc trưng này được gọi là đặc trưng phổ Hiện tượng phản xạ phổcó liên quan mật thiết với môi trường mà sóng điện từ lan truyền Dải sóng điện từđược coi là dải sóng có bước sóng từ 0.1 micromet đến 100 km.

Căn cứ vào bước sóng, sóng điện từ được chia làm các loại sau:

 Sóng tử ngoại: có bước sóng từ 0.1μm đến 0.4 μm ;

 Bức xạ điện từ ở bước sóng nhìn thấy: có bước sóng từ 0.4 μm đến 0.7 μm ;

 Bức xạ hồng ngoại: cận hồng ngoại (0.7 μm – 1.3 μm ), hồng ngoại ngắn (1.3 μm – 3

μm ), giữa hồng ngoại (3 μm – 8 μm ), hồng ngoại nhiệt (8 μm – 14 μm), hồng ngoại xa (14

μm – 1mm);

 Sóng radio: Sóng micro, sóng cực ngắn, sóng ngắn (HF)…

2, Khái niệm cửa sổ khí quyển, độ phản xạ phổ:

Cửa sổ khí quyển: Trong dải phổ, dải sóng mà ở đó năng lượng được truyền qua

nhiều nhất thì đc gọi là các cửa sổ khí quyển.Trong các cửa sổ khí quyển thì dải nhìnthấy là vùng rộng nhất và năng lượng ánh sáng đc truyền qua cũng mạnh nhất

Độ phản xạ phổ p(λ): là tỉ lệ phần trăm của năng lượng rơi xuống đối tượng và

được phản xạ trở lại Với cùng 1 đối tượng, độ phản xạ phổ ở các bước sóng khác nhau làkhác nhau Khả năng phản xạ phổ của các vật thể là một trong những thông số cơ bản nhấtcần biết khi phân loại ảnh vệ tinh Khả năng phản xạ phổ phụ thuộc vào bước sóng của sóngđiện từ Ở các bước sóng khác nhau, giá trị phản xạ phổ của một vật thể không giống nhau

Khả năng phản xạ phổ của vật thể phụ thuộc vào bước sóng được định nghĩa theocông thức sau đây:

rλ= Eρ( λ)

E0(λ).100%

Trong đó, Eρ(λ) – năng lượng phản xạ tại bước sóng λ;

Eo(λ) – năng lượng tới tại bước sóng λ

3, Đặc trưng phản xạ phổ của thổ nhưỡng, thực vật, nước:

Dựa trên đặc tính phổ của vật thể tại các bước sóng, các đối tượng tự nhiên được chia

ra thành các nhóm chính sau:

Đặc trưng phản xạ phổ của thổ nhưỡng Đặc trưng phản xạ chung nhất của thổ

nhưỡng là khả năng phản xạ phổ tăng theo độ dài bước sóng, đặc biệt là bước sóng cận hồngngoại và hồng ngoại nhiệt Ở dải sóng điện từ này, chỉ có năng lượng hấp thụ và năng lượng

phản xạ mà không có năng lượng thấu quang Với các loại đất 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 phầnhợp chất có trong đất mà biên độ của đồ thị phản xạ phổ sẽ khác nhau

Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng phản xạ phổ của thổ nhưỡng: cấu trúc bề mặt củađất, độ ẩm của đất (khi độ ẩm tăng, phản xạ sẽ giảm), hợp chất hữu cơ, vô cơ có trong đất.Khả năng phản xạ phổ của đất tỉ lệ nghịch với các yếu tố này

Đặc trưng phản xạ phổ của thực vật

Khả năng phản xạ phổ của thực vật phụ thuộc vào bước sóng điện từ Trong dải sóng

điện từ nhìn thấy, các sắc tố của lá cây ảnh hưởng đến đặc tính phản xạ phổ của nó, đặc biệtlà hàm lượng chất diệp lục (clorophyl) Trong dải sóng này, thực vật ở trạng thái tươi tốt vớihàm lượng diệp lục cao trong lá cây sẽ có khả năng phản xạ phổ cao ở bước sóng xanh lácây (green), giảm xuống ở vùng sóng đỏ (red) và tăng rất mạnh ở vùng sóng cận hồngngoại

Thực vật có khả năng hấp thụ năng lượng mạnh nhất ở các bước sóng 1.4 μm, 1.9

μm, 2.7 μm Bước sóng 2.7 μm hấp thụ năng lượng mạnh nhất gọi là dải sóng cộng hưởnghấp thụ (sự hấp thụ mạnh diễn ra với dải sóng trong khoảng từ 2.66 μm–2.73 μm) Khi hàmlượng nước chứa trong lá giảm đi, khả năng phản xạ phổ của lá cây cũng tăng lên đáng kể

Đặc trưng phản xạ phổ của nước

Khả năng phản xạ phổ của nước thay đổi theo bước sóng của bức xạ chiếu tới vàthành phần vật chất có trong nước Ngoài ra, khả năng phản xạ phổ của nước còn phụ thuộcvào bề mặt nước và trạng thái của nước

Đối với đường bờ nước, ở dải sóng hồng ngoại và cận hồng ngoại có thể phân biệtmột cách rõ ràng Nước có khả năng hấp thụ rất mạnh năng lượng ở bước sóng cận hồngngoại và hồng ngoại, do đó năng lượng phản xạ sẽ rất ít Ở dải sóng dài, khả năng phản xạphổ của nước khá nhỏ nên có thể sử dụng các kênh ở dải sóng ngoài để xác định ranh giớinước – đất liền

Trong nước chứa nhiều thành phần hữu cơ và vô cơ, cho nên khả năng phản xạ phổcủa nước phụ thuộc vào thành phần và trạng thái của nước Nước đục có khả năng phản xạphổ cao hơn nước trong, nhất là ở dải sóng dài Hàm lượng clorophyl cũng ảnh hưởng đếnkhả năng phản xạ phổ của nước (giảm khả năng phản xạ phổ ở dải sóng ngắn, tăng ở dảisóng màu xanh lá cây) Ngoài ra, một số yếu tố khác cũng ảnh hưởng đến khả năng phản xạphổ của nước, tuy không thể hiện rõ rệt qua sự khác biệt của đồ thị phổ: độ mặn của nướcbiển, hàm lượng khí metan, oxi, nitơ, cacbonic, trong nước

Câu 5: Khái niệm ảnh số Độ phân giải của ảnh vệ tinh

1, Khái niệm ảnh số:

Ảnh số được tạo bởi mảng hai chiều của các phần tử ảnh có cùng kích thước đượcgọi là pixel ảnh Mỗi pixel được xác định bởi tọa độ hàng (m), cột (n) và giá trị độ xám củanó g(m,n) Giá trị độ xám của pixel thay đổi theo tọa độ điểm (x,y) Tọa độ hàng và cột củamỗi pixel đều là các số nguyên Tọa độ số hóa là các giá trị rời rạc m, n được xác định nhưsau:

x=x0+m ∆ x

y= y0+m ∆ y

Trong đó m = 0, 1,…, M; n = 0, 1,…, N; ∆ x , ∆ y là bước nhảy số hóa Trong trườnghợp ∆ x=∆ y, M = N, các giá trị rời rạc được gán vào các giá trị độ xám g(m,n) tương ứngcủa các pixel ảnh Khi đó, ảnh được lấy mẫu và các giá trị độ xám được lượng tử hóa Như

vậy: ảnh số là một ma trận không gian của các đơn vị ảnh (pixel ảnh) được xếp theo dòng

và cột theo một trật tự nhất định dưới dạng số.

2, Độ phân giải của ảnh vệ tinh:

Độ phân giải là thông số cơ bản nhất phản ánh chất lượng và tính năng của ảnh vệtinh mà dựa vào đó ta có thể xác định khả năng phân loại, nghiên cứu vật thể Độ phân giảiảnh vệ tinh bao gồm: độ phân giải không gian, độ phân giải thời gian, độ phân giải phổ và

độ phân giải bức xạ Đối với từng bài toán, phải xác định được yêu cầu cụ thể về mặt kỹthuật đối với các thông số trên Ví dụ, khi nghiên cứu biến động thực vật cần dữ liệu ảnh vệtinh đa phổ, chụp ở các thời gian khác nhau, trên ảnh không có mây Khi thành lập và hiệnchỉnh bản đồ, tùy thuộc vào tỉ lệ bản đồ mà yêu cầu với các thông số trên khác nhau Bản đồ

tỉ lệ 1:100 000 có thể dùng ảnh vệ tinh độ phân giải không gian 30 x 30 m; bản đồ tỉ lệ 1: 25

000 có thể dùng ảnh vệ tinh độ phân giải 10 x 10 m

2.1 Độ phân giải không gian

Độ phân giải không gian của ảnh vệ tinh là kích thước nhỏ nhất của một đối tượng

hay khoảng cách tối thiểu giữa hai đối tượng liền kề có khả năng phân biệt được trên ảnh.Ảnh có độ phân giải không gian càng cao thì có kích thước pixel càng nhỏ Độ phân giảinày phụ thuộc vào kích thước của pixel ảnh, độ tương phản hình ảnh, điều kiện khí quyểnvà các thông số quỹ đạo của vệ tinh

Độ phân giải không gian cũng được gọi là độ phân giải mặt đất khi hình chiếu củamột pixel tương ứng với một đơn vị chia mẫu trên mặt đất

Dựa vào độ phân giải không gian, ảnh vệ tinh có thể được chia làm các loại cơ bảnsau: ảnh vệ tinh độ phân giải siêu cao (độ phân giải không gian trên 1m), ảnh vệ tinh độphân giải cao (1 – 10m), ảnh vệ tinh độ phân giải trung bình (10 – 100m) và ảnh vệ tinh độphân giải thấp (>100m)

2.2 Độ phân giải bức xạ

Để lưu trữ, xử lý và hiển thị ảnh vệ tinh trong máy tính kiểu raster, tùy thuộc vào sốbit dùng để ghi nhận thông tin, mỗi pixel sẽ có giá trị hữu hạn ứng với từng cấp độ xám Độphân giải bức xạ là khả năng nhạy cảm của các thiết bị thu để phát hiện những sự khác nhaurất nhỏ trong năng lượng sóng điện từ (số bit dùng để ghi nhận thông tin ảnh vệ tinh) Phầnlớn dữ liệu ảnh viễn thám hiện nay được lưu trữ ở dạng 8 bit, một số ảnh vệ tinh độ phângiải cao có thể lưu trữ ở dạng 16 bit Ảnh vệ tinh được lưu trữ ở dạng 8 bit sẽ có 256 cấp độxám (0 – 255), 16 bit có 65536 cấp độ xám (0 – 65535)

2.3 Độ phân giải phổ

Cùng một vùng phủ mặt đất tương ứng, các pixel sẽ cho giá trị riêng biệt theo từngvùng phổ ứng với các bước sóng khác nhau Do đó, thông tin được cung cấp theo từng loạiảnh vệ tinh khác nhau không chỉ phụ thuộc vào số bit dùng để ghi nhận, mà còn phụ thuộc

vào phạm vi bước sóng Độ phân giải phổ thể hiện bởi kích thước và số kênh phổ, bề rộng

phổ hoặc sự phân chia vùng phổ mà ảnh vệ tinh có thể phân biệt một số lượng lớn các bướcsóng có kích thước tương tự, cũng như tách biệt được các bức xạ từ nhiều vùng phổ khácnhau

Ngoài ra, độ phân giải phổ thể hiện độ nhạy tuyến tính của bộ cảm biến trong khảnăng phân biệt sự thay đổi nhỏ nhất của cường độ phản xạ sóng từ các vật thể

2.4 Độ phân giải thời gian

Độ phân giải thời gian là thời gian chụp lặp lại tại cùng một vị trí của ảnh vệ tinh.

Độ phân giải thời gian cho biết số ngày (hoặc giờ) mà hệ thống cảm biến của vệ tinh sẽquay lại để chụp một vị trí nhất định Do vậy, độ phân giải thời gian không liên quan đến

các thiết bị ghi ảnh mà chỉ liên quan đến khả năng khi lặp lại của vệ tinh Ảnh được chụpvào các ngày khác nhau cho phép so sánh đặc trưng bề mặt theo thời gian Ưu điểm của độphân giải thời gian là cho phép cung cấp thông tin chính xác hơn và nhận biết sự biến độngcủa khu vực cần nghiên cứu

Câu 6: Phân tích ảnh bằng mắt: Khái niệm, các dấu hiệu.

Phân tích ảnh bằng mắt là công việc có thể áp dụng một cách dễ dàng trong mọi điềukiện và có thể phục vụ cho nhiều nội dung nghiên cứu khác nhau: nghiên cứu lớp phủ mặtđất, nghiên cứu rừng, thổ nhưỡng, địa chất, địa mạo, thuỷ văn, sinh thái, môi trường Kếtquả phân loại ảnh bằng mắt có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong việc lẫy mẫu phân loạiphục vụ việc phân loại tự động có kiểm định

Ưu điểm lớn nhất của phương pháp phân loại ảnh bằng mắt là đơn giản, nhanh chóngvà phát huy được trí tuệ của người sử dụng

Tuy nhiên, nhược điểm cơ bản của phương pháp này là độ chính xác không cao vàphụ thuộc vào khả năng của người phân loại Bên cạnh đó, phương pháp phân loại bằng mắtkhông thể xử lý lượng thông tin lớn cũng như không phát hiện được các đối tượng ngụytrang Phương pháp này thông thường chỉ sử dụng trong trường hợp phân loại các đối tượngđơn giản (cây cối, nhà cửa, sông hồ) và tỏ ra có hiệu quả với ảnh độ phân giải không giancao

2, Các dấu hiệu phân loại ảnh:

Những yếu tố cơ bản để phân loại ảnh bằng bắt bao gồm kích thước, hình dạng, màusắc, vị trí, của đối tượng cần phân loại

Kích thước Thông tin biểu diễn hình dạng và kích thước đối tượng có ý nghĩa quan

trọng trong phân loại và phân tích ảnh bằng mắt Kích thước của đối tượng tùy thuộc vào tỷlệ ảnh, kích thước có thể được xác định nếu lấy kích thước đo được trên ảnh nhân vớinghịch đảo tỷ lệ của ảnh Do vậy, khi phân loại ảnh bằng mắt, điều quan trong phải xác địnhđược độ phân giải không gian, kích thước pixel cũng như tỉ lệ ảnh Đối với ảnh vệ tinh độphân giải cao, kích thước các ngôi nhà có thể được nhận thấy rõ Ngược lại, trên ảnh vệ tinh

độ phân giải trung bình và thấp không thể phân biệt bằng mắt các ngôi nhà riêng biệt mà chỉphát hiện được các khu nhà, khu đô thị

Hình dạng Là đặc trưng bên ngoài tiêu biểu cho đối tượng và có ý nghĩa quan trọng

trong giải đoán ảnh Hình dạng đặc trưng cho mỗi đối tượng khi nhìn từ trên cao xuốngđược coi là dấu hiệu giải đoán ảnh quan trọng (ruộng thường có dạng hình vuông hay chữnhật, khu vực chung cư cao tầng khác với nhà riêng lẻ, )

Bóng râm: Khi nguồn phát năng lượng (mặt trời hay radar) không nằm ngay trên

đỉnh đầu hoặc trong trường hợp chụp ảnh xiên sẽ xuất hiện bóng của đối tượng Căn cứ theobóng của vật thể có thể xác định được chiều cao của chúng, trong ảnh radar bóng râm là yếu

tố giúp cho việc xác định địa hình và hình dạng mặt đất Tuy nhiên, bóng râm trong ảnh vệtinh quang học thường làm giảm khả năng giải đoán đối với khu vực nhiều nhà cao tầng, rấtkhó khăn trong việc xác định diện tích của vật thể Trong nhiều trường hợp, bóng râm domây tạo ra dẫn đến việc không thể phân loại được đối tượng bị bóng râm che phủ

Độ đậm nhạt – độ sáng Là tổng hợp năng lượng phản xạ bởi bề mặt của đối tượng.

Mỗi vật thể được thể hiện bằng một cấp độ sáng nhất định tỷ lệ với cường độ phản xạ ánhsáng của nó (ảnh đen trắng biến thiên từ trắng đến đen tuyền, ảnh màu thì tone ảnh sẽ cho

độ đậm nhạt màu để phân biệt các vật thể khác nhau) Độ đậm nhạt của ảnh là yếu tố rấtquan trọng và cơ bản trong việc giải đoán ảnh

Màu sắc Là một yếu tố rất thuận lợi trong việc xác định chi tiết các đối tượng Ví

dụ, các kiểu loài thực vật vật có thể được phát hiện dễ dàng qua màu sắc (ngay cả chonhững người không có kinh nghiệm) Trong phân tích ảnh bằng mắt khi sử dụng ảnh hồngngoại màu, các đối tượng khác nhau sẽ có tone màu khác nhau, đặc biệt sử dụng ảnh đa phổ

tổ hợp màu Tùy theo mục tiêu giải đoán, việc chọn lựa các kênh phổ để tổ hợp màu sẽ hiểnthị được tốt nhất các đối tượng mà người giải đoán quan tâm

Cấu trúc Là tần số lặp lại của sự thay đổi cấu trúc tone ảnh cho một khu vực cụ thể

trên ảnh quang học Cấu trúc còn là một tập hợp của nhiều đối tượng nhỏ phân bố thườngtheo một quy luật nhất định trên một vùng ảnh mà trong một mối quan hệ với đối tượng cầnnghiên cứu, các đối tượng nhỏ này sẽ quyết định đối tượng đó có cấu trúc là mịn hay sầnsùi

Hình mẫu Liên quan đến việc sắp xếp của các đối tượng về mặt không gian và mắt

người giải đoán có thể phân biệt được Đây là dạng tương ứng với vật thể theo một quy luậtnhất định, nghĩa là sự lặp lại theo trật tự cụ thể của tone ảnh hay cấu trúc sẽ tạo ra sự phânbiệt và đồng thời có thể nhận biết được hình mẫu Hình mẫu cung cấp thông tin từ sự đồngnhất về hình dạng của chúng

Mối liên quan Sự phối hợp tất cả các yếu tố giải đoán, môi trường xung quanh hoặc

mối liên quan của đối tượng nghiên cứu với các đối tượng khác sẽ cung cấp một thông tingiải đoán quan trọng để xác định chính xác đối tượng

Khóa giải đoán ảnh

Khóa giải đoán là chuẩn giải đoán cho đối tượng nhất định bao gồm tập hợp các yếu

tố và dấu hiệu do người giải đoán thiết lập, nhằm trợ giúp cho công tác giải đoán nhanh vàđạt kết quả chính xác thống nhất cho các đối tượng từ nhiều người khác nhau Kết quả giảiđoán chủ yếu phụ thuộc vào khóa giải đoán, thông thường khóa giải đoán được thành lậpdựa trên những vùng nghiên cứu thử nghiệm đã được điều tra kỹ lưỡng Bằng cách sử dụngkhóa giải đoán, người giải đoán có thể phát triển mở rộng và phân tích cho nhiều vùng kháctrên cơ sở cùng một loại tư liệu cũng như cùng mùa và thời gian chụp ảnh do đó giúp chocông tác giải đoán nhanh hơn và đảm bảo được tính thống nhất trong quá trình giải đoán

Câu 7: Xử lý ảnh số: khái niệm, các bước cơ bản Phân loại ảnh: có giám sát và không giám sát.

1, Xử lý ảnh số:

a, Khái niệm

Các dữ liệu ảnh vệ tinh thu được trong kỹ thuật viễn thám thường được lưu dưới dạngảnh số nên vấn đề xử lý ảnh số trong viễn thám giữ vai trò quan trọng

Có 2 nguồn dữ liệu chính:

 Ảnh tương tự do các máy chụp quang cơ cung cấp

 Ảnh số do các máy quét đa phổ cung cấp

- Để xử lý ảnh số thì dữ liệu bắt buộc phải được lưu trong hình thức số sao cho có thểlưu trữ vận hành và phân tích bởi máy tính

- Trường hợp ảnh số: dữ liệu được chuyển từ các băng từ lưu trữ mật độ cao HDDT(high density digital tape) vào các băng từ CCT (computer compatible tape) hay CD-ROMđể cho phép bất kỳ máy tính nào cũng có thể đọc được số liệu

- Trường hợp ảnh tương tự: phải được chuyển thành ảnh số thông qua các máy quét.-Xử lý ảnh:Các dữ liệu ảnh vệ tinh thu được trong viễn thám thường dưới dạng số vàđược xử lý bởi máy tính để tạo ảnh đã được giải đoán ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khácnhau

Có một số các phần mềm thương mại cũng như miễn phí dùng để xử lý ảnh số cho nhiềumục đích khác nhau: ví dụ như Envi, Erdas, PCI, Ermapper…

Các bước xử lý ảnh số

Nhìn chung đối với một ảnh viễn thám dưới dạng số thì việc xử lý được thực hiệnqua 4 bước dưới đây:

+ Tiền xử lý

+ Tăng cường chất lượng ảnh

+ Chuyển đổi ảnh

+ Phân loại ảnh

1 Tiền xử lý ảnh

Các phép Tiền xử lý là những công đoạn như khôi phục và hiệu chỉnh ảnh Nó được

sử dụng để hiệu chỉnh bức xạ và hiệu chỉnh hình học do những biến dạng gây ra bởi bộ cảm biến và vật mang

Tiền xử lý ảnh số bao gồm hiệu chỉnh hình học và bức xạ, thường được thực hiệntrên các máy tính lớn tại các trung tâm thu dữ liệu vệ tinh nhằm tạo ra một dữ liệu ảnh lýtưởng cung cấp cho người sử dụng

a, Hiệu chỉnh bức xạ

Để đảm bảo nhận được những giá trị chính xác của năng lượng bức xạ và phản xạcủa vật thể cho trên ảnh vệ tinh, cần phải thực hiện việc hiệu chỉnh nhằm loại trừ các nhiễutrước khi sử dụng ảnh Hiệu chỉnh bức xạ được phân thành ba nhóm chính sau:

+ Hiệu chỉnh do ảnh hưởng bởi bộ cảm biến

Nếu sử dụng các bộ cảm quang học, bao giờ cũng xảy ra trường hợp cường độ bức xạtại tâm lớn hơn tại góc Khi sử dụng các bộ cảm quang điện tử thì xác định số hiệu chỉnhbức xạ có thể thực hiện bằng cách xác định sự sai khác giữa cường độ bức xạ trước Sensor

và cường độ tín hiệu của chuẩn Ngoài ra, ảnh vệ tinh thu được trong một số trường hợp bịmất dòng ảnh, tạo vệt dòng ảnh và nhiễu ngẫu nhiên trên ảnh Những ảnh hưởng tạo ranhược điểm nhất định cần phải khôi phục để cung cấp ảnh cho người sử dụng.

+ Ảnh hưởng do địa hình và góc chiếu của mặt trời

* Bóng chói mặt trời: Tạo ra hiện tượng bức xạ của mặt đất ở vùng này sáng hơn ở

những vùng khác

* Bóng râm: là hiện tượng che khuất nguồn bức xạ bởi bản thân địa hình (vùng đồi,

núi, nhà cao tầng…)

* Góc chiếu của mặt trời: Do vị trị tương đối của trái đất với mặt trời thay đổi theo

thời gian trong ngày và mùa trong năm, làm cho vùng Bắc bán cầu có góc đứng của mặt trờivào mùa đông nhỏ hơn mùa hạ Kết quả là ảnh chụp vào các mùa khác nhau sẽ có cường độchiếu sáng của mặt trời khác nhau

+ Ảnh hưởng khí quyển

Rất nhiều các hiệu ứng khí quyển khác nhau như hấp thụ, phản xạ, tán xạ… ảnhhưởng tới chất lượng ảnh thu được Bức xạ mặt trời trên đường truyền xuống mặt đất bị hấpthụ, tán xạ một lượng nhất định trước khi tới mặt đất và năng lượng bức xạ phản xạ từ vậtthể cũng bị hấp thụ hoặc tán xạ trước khi tới được bộ cảm Do đó, bức xạ mà bộ cảm thuđược không phải chỉ đơn thuần năng lượng trực tiếp mà còn nhiều thành phần nhiễu khác.Hiệu chỉnh do ảnh hưởng khí quyển là giai đoạn tiền xử lý nhằm loại trừ ảnh hưởng củanhững thành phần bức xạ không mang thông tin hữu ích Để hiệu chỉnh khí quyển, người tathường sử dụng các mô hình khí quyển nhằm mô phỏng trạng thái khí quyển và áp dụng cácquy luật quang học để hiệu chỉnh

Các phương pháp cơ bản sau đây thường được sử dụng:

* Phương pháp sử dụng hàm truyền bức xạ

* Phương pháp sử dụng dữ liệu thực mặt đất

* Các phương pháp khác

b Hiệu chỉnh hình học

Biến dạng hình học của ảnh được hiểu như sự sai lệch vị trí giữa toạ độ ảnh thực tế(đo được) và toạ độ ảnh lý tưởng được tạo bởi một bộ cảm có thiết kế hình học chính xác vàtrong các điều kiện thu nhận lý tưởng, nhằm loại trừ sai số giữa toạ độ ảnh thực tế và toạ độảnh lý tưởng cần phải tiến hành hiệu chỉnh hình học

Nguyên nhân sinh ra biến dạng hình học của ảnh là do tổng hợp từ hai nguồn sai sốchính:

- Nội sai gây ra bởi tính chất hình học của bộ cảm

- Ngoại sai gây bởi vị trí thế của vật mang và hình dáng của vật thể

Ngoài ra, sự thay đổi địa hình cũng gây nên biến dạng hình học của ảnh Tuy nhiên khimặt đất có sự chênh cao lớn thì khoảng cách trên ảnh trở nên lớn hơn Ảnh hưởng do sự thayđổi địa hình gây nên biến dạng tăng dần từ tâm ảnh ra các biên, các điểm trên mặt đất có độcao thấp hay cao hơn độ cao chuẩn tham chiếu (trong lúc chụp ảnh) đều bị biến dạng

Hiệu chỉnh hình học phải được thực hiện để loại trừ sự biến dạng về mặt hình họccủa ảnh Bản chất của hiệu chỉnh hình học là xây dựng mối tương quan giữa hệ toạ độ ảnhvà hệ toạ độ quy chiếu chuẩn (có thể là hệ toạ độ mặt đất vuông góc hoặc địa lý) dựa vàocác điểm khống chế mặt đất, vị thế của Sensor, điều kiện khí quyển …

Các bước thực hiện quá trình hiệu chỉnh hình học như sau:

+Chọn phương pháp

+ Kiểm tra độ chính xác: Sau khi đăng ký toạ độ ảnh, độ chính xác của việc hiệu

chỉnh hình học cần phải được kiểm tra bởi các cặp điểm GCP mà không tham gia trong quátrình chuyển đổi (điểm kiểm tra) Nếu dộ chính xác không thoả mãn tiêu chuẩn yêu cầu (sai

số 1 pixel) thì phải kiểm tra lại dữ liệu toạ độ được nhập

+ Nội suy và tái chia mẫu: là giai đoạn cuối cùng của hiệu chỉnh hình học, vì ảnh sau

khi hiệu chỉnh sẽ có sự thay đổi vị trí nên giá trị độ sáng của cá pixel cần phải được tính vàgán lại theo vị trí mới Phương pháp nội suy và tái chia mẫu nhằm xác định giá trị độ sáng củacác pixel trên ảnh đã hiệu chỉnh từ các giá trị độ sáng của các pixel trên ảnh gốc

2 Tăng cường chất lượng ảnh

Tăng cường chất lượng ảnh có thể được định nghĩa như một thao tác nổi bật hình ảnhsao cho người giải đoán ảnh dễ đọc, dễ nhận biết nội dung trên ảnh hơn so với ảnh gốc.Phương pháp cơ bản thường được sử dụng là biến đổi cấp độ xám, chuyển đổi histogram, tổ

hợp màu, chuyển đổi màu giữa hai hệ RGB red, green, blue) và HIS (Hue sắc, Intensity cường độ, Saturation - mật độ) nhằm phục vụ việc giải đoán bằng mắt (phân tích định tính).

Ngoài việc tăng cường chất lượng ảnh, bước tiếp theo trong xử lý ảnh vệ tinh làchiết tách thông tin đặc tính Đây là một thao tác nhằm phân loại, sắp xếp thông tin có sẵntrong ảnh theo các yêu cầu hoặc chỉ tiêu đưa ra dưới dạng hàm số (phục vụ phân tích chấtlượng)

Biến đổi cấp độ xám

Biến đổi cấp độ xám là một kỹ thuật tăng cường chất lượng ảnh đơn giản, do thực tếtrong ảnh thô giá trị phổ nhằm cung cấp thông tin hữu ích thường phân bố trong phạm vihẹp so với khả năng hiển thị của ảnh (nếu ảnh lưu 8 bits sẽ hiển thị đến 256 giá trị) Ý nghĩacủa việc biến đổi cấp độ xám là nhằm biến đổi khoảng giá trị cấp độ xám thực tế của ảnhgốc về khoảng cấp độ xám mà thiết bị hiển thị có khả năng thể hiện được Bằng cách này sẽtăng được độ tương phản giữa các đối tượng, làm cho ảnh rõ ràng hơn

Lọc không gian

Hiện tượng “muối và tiêu” trên ảnh phân loại, hoặc lốm đốm sinh ra trên ảnh gốc dosai số phát snh trong quá trình truyền dữ liệu hoặc bị gián đoạn tạm thời Do ảnh hưởng này,mọt số pixel trên ảnh có giá trị độ sáng lớn hay nhỏ hơn rất nhiều so với các pixel xungquanh Kết quả tạo ra các điểm sáng trắng hay sậm đen trên ảnh, làn ảnh hưởng đến việctách thông tin từ ảnh viễn thám Tăng cường hay cải tiến chất lượng ảnh bằng cách áp dụnghàm (hay toán tử lọc) trong không gian ảnh nhằm loại nhiễu ngẫu nhiên và các giá trị độtbiến của pixel trên ảnh, tạo ảnh mới mịn hơn so với ảnh gốc Biện pháp dùng cửa sổ lọc làkhá phổ biến

3 Chuyển đổi ảnh