Đề cương XỬ LÝ ẢNH VIỄN THÁM

Câu 1. Khái niệm viễn thám. Trình bày các thành phần cơ bản và quá trình của viễn thám. So sánh ảnh sự giống và khác nhau giữa ảnh số và ảnh viễn thám. Viễn thám là môn khoa học thu thập các thông tin về một đối tượng, một khu vực, một hiện tượng từ một khoảng cách nào đó mà không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tượng hay hiên tượng đó. Thành phần: 1. Nguồn năng lượng: thành phần đầu tiên của một hệ thống viễn thám là nguốn năng lượng đê 2. Những tia phát xạ và khí quyển. 3. Sự tương tác với đối tượng 4. Thu nhận năng lượng bộ cảm 5. Sự truyền tải, thu nhận và xử lý 6. Giải đoán và phân tích ảnh 7. Ứng dụng. Quá trình của viễn thám: 1. Sự hiện diện của nguồn năng lượng điện từ 2. Sự lan truyền nguồn năng lượng điện từ đến bầu khí quyển 3. Sự tương tác giữa sóng điện từ với bề mặt trái đất. 4. Sự lan truyền năng lượng phản xạ từ bề mặt trái đất đến sensor 5. Các sensor ghi nhận dữ liệu 6. Dữ liệu được truyền về trạm mặt đất và ghi vào băng từ 7. Phân tích, xử lý dữ liệu

XƯ LÝ ẢNH VIỄN THÁM

Câu 1 Khái niệm viễn thám Trình bày các thành phần cơ bản

và quá trình của viễn thám So sánh ảnh sự giống và khác nhau giữa ảnh số và ảnh viễn thám.

- Viễn thám là môn khoa học thu thập các thông tin về một đối tượng, một khu vực, một hiện tượng từ một khoảng cách nào đó

mà không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tượng hay hiên tượng đó

- Thành phần:

1. Nguồn năng lượng: thành phần đầu tiên của một hệ thống viễn thám là nguốn năng lượng đê

2. Những tia phát xạ và khí quyển

3. Sự tương tác với đối tượng

4. Thu nhận năng lượng bộ cảm

5. Sự truyền tải, thu nhận và xử lý

6. Giải đoán và phân tích ảnh

7. Ứng dụng

- Quá trình của viễn thám:

1 Sự hiện diện của nguồn năng lượng điện từ

2 Sự lan truyền nguồn năng lượng điện từ đến bầu khí quyển

3 Sự tương tác giữa sóng điện từ với bề mặt trái đất

4 Sự lan truyền năng lượng phản xạ từ bề mặt trái đất đến sensor

5 Các sensor ghi nhận dữ liệu

6 Dữ liệu được truyền về trạm mặt đất và ghi vào băng từ

7 Phân tích, xử lý dữ liệu

Câu 2 Ảnh hưởng của khí quyển đến sự truyền sáng

- Các bước sóng 0.3µm hoàn toàn bị hấp thụ bởi tần ozon

- Các loại mây + hạt nước hấp thụ hoặc làm tán xạ các bước sóng

Câu 3 Trình bày độ phân giải của ảnh số trong viễn thám

- Độ cao viễn thám: là độ cao mà các thiết bị viễn thám có thể

hoạt động mà không cần tiếp xúc với đối tượng

- Độ phân giải là kích thước của các điểm ảnh trên ảnh -> là thông

số quan trọng nhất đặc trưng cho khả năng thông tin ảnh viễn thám

- Phân loại: Độ phân giải không gian, độ phân giải thời gian, độ phân giải phổ, độ phân giải phản xạ

• Độ phân giải không gian: là kích thước của pixel trên mặt đất.

+ Mức độ chi tiết của các đối tượng trên ảnh phụ thuộc vào độ phân giải không gian

+ Cho biết các đối tượng min có thể phân biệt trên ảnh

+ Do đặc tính của đầu thu, độ phân giải không phụ thuộc vào haithông số được thiết kế sẵn: FOV (Field of View- trường góc nhìn) , IFOV (Insttantaneous FOV- trường góc nhìn tức thì)

Cho biết phạm vi không gian

mà đầu thu có thể thu nhận

được sóng điện từ từ đối tượng

Cho biết phạm vi không gian

mà đầu thu có thể thu nhận được sóng điện từ tại một thời

Với một góc nhìn, vệ tinh nào

cao hơn sẽ có khoảng thu ảnh

lớn hơn

Pixel mang giá từ giá trị tổng hợp từ giá trị bức xạ của các đối tượng trong một góc IFOV được thu nhận cùng một lúc

• Độ phân giải phổ: là số lượng và kích thước của các khoảng

bước sóng mà các bộ cảm ứng thu nhận và ghi lại dữ liệu

->không phải toàn bộ giải sóng điện từ được thu nhận trong ảnh viễn thám

+ Các khoảng bước sóng này gọi là các kênh -> Độ phân giải

phổ là số lượng các kênh ảnh

+ Độ phân giải phổ càng cao thì thông tin thu thập từ đối tượng

càng nhiều

+ Ảnh thông thường có từ 3- 10 kênh phổ.

• Độ phân giải thời gian: là khoản thời gian nhất định mà bộ cảm

chụp lại vùng đã chọn

+ Nếu thời gian lặp càng nhỏ thì thông tin thông tin thu thập

(hay ảnh chụp được) càng nhiều

Câu 4 Trình bày phổ phản xạ của 1 số đối tượng tự nhiên.

- Phổ phản xạ là hiện tượng mà phần năng lượng phản hồi từ một

bề mặt theo góc đối xứng với góc tới Gồm phản xạ toàn phần, không hoàn toàn, tán xạ toàn phần và tán xạ không toàn phần

- Đường cong phổ phản xạ là hàm thể hiện sự tương quan giữa năng lượng phản xạ phổ và bước sóng của tia sáng

- Phổ phản xạ của các đối tượng tự nhiên:

• Thực vật: phụ thuộc vào các sắc tố, cấu trúc tế bào, thành phần

nước và đặc biệt là chất diệp lục (bước sóng từ 0.45 – 0.67 µm) Diệp lục sẽ:

+ Quyết định tính chất màu sắc của ánh sáng phát xạ.

+ Hấp thụ tia sáng màu lam, đỏ

+ Phản xạ rất mạnh các tia sáng màu lục -> lá cây có màu xanh.+ Hàm lượng diệp lục giảm -> Sự phát xạ của các tia màu xanh giảm và thay bởi các tia khác

Chú ý:

+ Xét dưới dạng hàm, đường cong phổ phản xạ của thực vật là

giống nhau, chỉ khác nhau về phần giá trị

+ Ký hiệu chỉ số thực vật: NDVI

+ Sự phản xạ của cụm thực vật trên ảnh ảnh hưởng bởi môi trường sống của thực vật (thành phần thổ nhưỡng, độ ẩm của đất,chất đất…) ->tùy vào từng dải sáng

• Phản xạ phổ của đất phụ thuộc:

1. Thành phần cơ giới: tỷ lệ đất cát, đất thịt, đất sét…

2. Độ ẩm: khô, ẩm hay bão hòa

3. Thành phần hữu cơ của đất

4. Oxit sắt và một số khoáng vật màu khác

5. Độ nhám bề mặt: thấp thì phản xạ nhiều hơn và nhược lại độ nhám cao khi phản xạ ít hơn

 Sự phản xạ phổ của đất phụ thuộc vào tính chất của đất khô hay đất ẩm

 Yếu tố nước trong đất quyết định sự suy giảm khả năng phản xạ phổ của đất (ở bước sóng từ 0.5 – 2.5 µm)

• Phản xạ phổ của nước: nước trong chỉ phản xạ mạnh ở vùng

sóng của tia sáng xanh lơ (Blue) , yếu dần khi sang vùng tia xanh

lục (Green) , triệt tiêu ở cuối dải sóng đỏ (Red) Phản xạ phổ phụthuộc vào tính chất của nước:

 Khi tính chất nước thay đổi, hình dạng đường cong và giá trị phổphản xạ sẽ bị thay đổi

• Phản xạ phổ của đá: giá trị phổ phản xạ phụ thuộc vào nhiều

yếu tố cảu đá: mức độ chứa nước, cấu trúc, cấu tạo, thành phần khoáng vật, bề mặt…

 Các đối tượng khác nhau trong cùng nhóm đối tượng sẽ có

đường cong phổ phản xạ tương đối giống nhau, chỉ khác nhau vềcác chi tiết nhỏ trên đường cong

Câu 5 Khái niệm bộ cảm và phân loại chúng.

- Bộ cảm (bộ cảm biến điện từ- sensor) là thiết bị chứa các con mắt điện tử dùng để quan sát và bức xạ Một sensor chứa hàng nghìn con mắt điện tử

- Bộ cảm chỉ thu nhận năng lượng sóng điện từ phản xạ hay bức

xạ từ vật thể theo từng bước sóng xác định Năng lượng sóng điện từ sau khi tới được bộ cảm được chuyển thành tín hiệu số (chuyển đổi tín hiệu điện thành 1 số nguyên hữu hạn gọi là giá trị của pixel) tương ứng với năng lượng bức xạ ứng với từng bước sóng do bộ cảm nhận được trong dải phổ đã xác định

 Ưu, nhược điểm:

 Ghi nhận cả ngày lẫn đêm, hay tất cả các mùa trong năm, ngay

cả điều kiện thời tiết xấu

 Có thể bổ sung nguồn thông tin đối tượng quan tâm trogn thời điểm bộ cảm thụ động không cung cấp được.

 Cần có nguồn năng lượng lớn đủ sức thay thế cho nguồn năng lượng tự nhiên

 Ưu, nhược điểm:

 Phụ thuộc vào nguồn năng lượng tự nhiên

 Bộ cảm này hoạt động kém tại

 những vùng ở gần vĩ độ cực

 Ảnh hưởng bởi điều kiện thời tiết

- VD: Vệ tinh Landsat, SPOT, IRS…

Câu 6 Khái niệm hệ thống thu ảnh viễn thám và phân loại chúng.

- Hệ thống thu ảnh viễn thám:

- Phân loại: Một số loại vệ tinh viễn thám:

 Tài nguyên mặt đất: LANDSAT, SPOT

 Tài nguyên biển: MOS, MODIS

 Tài nguyên mặt đất độ phân giải cao: OBVIEW, IKONOS,

QUICKBIRD

 Khí tượng: GOES, NOAA

 Các vệ tinh quan sát mặt đất hay vệ tinh tài nguyên:

 Quan sát tài nguyên trên mặt đất: LANDSAT, SPOT, IKONOS, QUICKBIRD

 Quan sát tài nguyên biển: MOS, MODIS

 Quỹ đạo đồng bộ mặt trời

 Độ phân giải không gian trung bình và cao

 Độ phân giải thời gian trung bình, hiện nay có thể điều khiển từtrạm mặt đất

 Dải quét bao phủ gần như toàn bộ trái đất

bị ảnh hưởng bởi thời tiết

- Radar chủ động (lidar): là phương pháp viễn thám với cường độ mạnh, các tia laser được phóng xuống địa hình rồi phản hồi trở lại, ghi lại các tín hiệu điện hoặc từ

- Đặc điểm:

• Độ phân giải không gian:

+ Độ phân giải của 1 ảnh radar phụ thuộc vào độ dài xung và độrộng của chùm ăngten

+ Gồm độ phân giải theo hướng bắn và độ phân giải theo

phương vị

 Độ phải giải theo hướng bắn: là khả năng phân cách hai đối

tượng không gian nằm gần nhau theo hướng tia bắn radar

 Công thức tính: R(r) = R(r): độ phân giải theo hướng bắn; c: vậntốc ánh sáng; thời gian cho một xung; : góc ép

 Khi vật có sự phân cách đủ lớn thì độ phân giải theo hướng bắn được thể hiện trên mặt đất và gọi là độ phân giải mặt đất

 Độ phân giải phương vị: được xác định bằng độ rộng của dải quét tia radar và sự liên hệ giữa góc phương vị của tia β do tia angten phát ra và độ phân giải theo hướng bắn trên mặt đất.

 Ra=9,7RG x β

 Trong đó: RG: Khoảng cách theo hướng bắn trên mặt đất

β: góc phương vị của radar

 Khu vực đó trên ảnh có màu đen -> gọi là bóng

 Có 2 yếu tố chi phối dộ dài của ảnh radar:

 Đối tượng có sự chênh cao tương đối với đáy thì bóng càng dài

 Càng xa hướng bay (góc ép càng nhỏ) thì bóng càng dài

• Độ nhám bề mặt của ảnh radar:

 Là thông số quan trọng của ảnh radar

 Độ xám (gồ ghề) được xác định theo tiêu chuẩn Reiileigh

 Bề mặt được coi là gồ ghề khi h > và ngược lại

• Khả năng tại ảnh lập thể của radar:

 Hai ảnh radar chụp ở 2 góc ép khác nhau cùng hướng bay hoặc

từ hai hướng ngược nhau hoặc từ hai độ cao khác nhau sẽ cho khả năng tạo ảnh lập thể

 Tạo ảnh radar lập thể theo nguyên tắc giao thoa sóng phản hồi, với năng lượng là hàm của bước sóng radar và thời gian truyền -> cho độ chính xác rất cao

Câu 8 Nêu khái niệm về viễn thám Radar và Radar bị động Trình bày đặc điểm về độ phân giải không gian, độ méo hình học, hiệu ứng phản xạ góc và hệ số phản xạ thể tích của

Radar (lấy ví dụ minh họa)

- Viễn thám radar là viễn thám siêu cao tần từ 1cm đến 1m cho phép quan sát vật thể trong mọi thời điểm trong ngày và không

bị ảnh hưởng bởi thời tiết

- Radar bị động: là phương pháp viễn thám dựa trên nguyên tắc

kỹ thuật của lĩnh vực bức xạ điện từ (với nguồn năng lượng của ánh sáng mặt trời)

- Đặc điểm:

• Độ phân giải không gian:

+ Độ phân giải của 1 ảnh radar phụ thuộc vào độ dài xung và độrộng của chùm ăngten

+ Gồm độ phân giải theo hướng bắn và độ phân giải theo

phương vị

 Độ phải giải theo hướng bắn: là khả năng phân cách hai đối

tượng không gian nằm gần nhau theo hướng tia bắn radar

 Công thức tính: R(r) = R(r): độ phân giải theo hướng bắn; c: vậntốc ánh sáng; thời gian cho một xung; : góc ép

 Khi vật có sự phân cách đủ lớn thì độ phân giải theo hướng bắn được thể hiện trên mặt đất và gọi là độ phân giải mặt đất

 Độ phân giải phương vị: được xác định bằng độ rộng của dải quét tia radar và sự liên hệ giữa góc phương vị của tia β do tia angten phát ra và độ phân giải theo hướng bắn trên mặt đất

+ Phụ thuộc hướng bắn của tia radar

+ Trên hình ảnh thu theo hướng bắn, kích thước của các đối tượng theo xu hướng càng xa, hướng bắn càng bị méo, hình ảnh của đối tượng càng bị kéo dài hơn

 Độ lệch của địa hình: phụ thuộc vào hướng bay và hướng bắn của tia và góc ép tia tới các đối tượng có chiều cao lớn hơn thì đỉnh có xu hướng tiến gần tới đường bay hơn phần đáy của đối

tượng còn phần thấp của địa hình có xu hướng nằm ở xa đường bay hơn.

• Hiệu ứng phản xạ góc:

 Là hiện tượng tia radar chiếu tới các đối tượng có độ nhám lớn

 Tia radar tới được phản xạ tại vị trí góc của đối tượng và năng lượng radar phản hồi trỏe về là cực đại

 Hiện tượng phản xạ góc xảy ra phụ thuộc độ nhám của đối

tượng, gồm chiều cao đối tượng và bước sóng của tia radar

 Hệ số phản xạ thể tích là một hàm nhiều biến như bước sóng, phân cực của chùm tới, đặc tính điện môi và hình học của đối tượng

Câu 9 Trình bày đặc điểm về ảnh của viễn thám hồng ngoại nhiệt.

- Viễn thám hồng ngoại nhiệt là phương pháp ghi nhận các bức xạ

ở dải sóng hồng ngoại nhiệt từ 3-14µm

- Đặc điểm ảnh viễn thám hông ngoại nhiệt:

• Phân giải không gian và diện phủ mặt đất: ảnh quét đa phổ

ngang thường được ghi nhận từ độ cao 300- 12000m

 Độ phân giải không gian D được tính theo công thức:

 Ảnh ghi nhận bởi hệ quét đa phổ ngang chưa được nắn sẽ bị biếndạng hình học, đặc biệt trên đường vuông góc tới hướng bay.

• Thay đổi kích thước của pixel phân giải:

 Trong quét ngang, kích thước của điểm ảnh sẽ tăng dần khi xa đường tâm ảnh nadir

 Tại tâm nadir, độ phân giải mặt đất của đơn vị ảnh được tính bằng kích thước thật của pixel ảnh, phụ thuộc vào góc β, cao độ H’ và góc quay θ

 Độ phân giải tại rìa ảnh lớn gấp 3-4 lần độ phân giải điểm ảnh tạiđường tâm Kích thước của điểm ảnh sẽ tăng dần theo hướng từ nadir ra rìa ảnh

 Một vật được ghi nhận với một nhiệt độ sáng thì kích thước của vật đó phải lớn hơn độ phân giải mặt đất

• Biến dạng địa hình theo một chiều: Biến dạng địa hình chỉ ra theo một hướng Biến dạng này do khi đo phổ từ máy bay và có tính chất đều theo một hướng

• Biến dạng thông số bay: trên thực tế có rất nhiều yếu tố ảnh

hưởng đến sự biến dạng các thông số bay, kết quả là hình ảnh bị méo và lệch theo nhiều hình thức khác nhau

Câu 10 Trình bày các nguyên nhân phải tiến hành hiệu

chỉnh bức xạ ảnh và các hiệu ứng của các nguyên nhân đó gây ra trên ảnh.

- Nguyên nhân: Các tư liệu ảnh số thu thập được bao giờ cũng chịu một mức độ nhiễu nhất định  để loại bỏ nhiễu cần thực hiện tiền xử lý ảnh mà hiệu chỉnh bức xạ là một trong những phép tiền xử lý ảnh:

-> Để đảm bảo sự đồng nhất tương đối về mặt bức xạ thì cần hiệu chỉnh ảnh

- Độ nhạy của cảm biến quang:

• Thường xảy ra hiện tượng làm mờ ảnh, tức là trường hợp cường

độ bức xạ tại tâm ảnh lớn hơn tại các góc

• Đây là một sai lệch không thể tránh khỏi trong các hệ quang học

• Hiệu ứng mờ (Vignetting):

Vignetting = cosn θ

• Với: θ: góc tới, n=4

- Độ nhạy cảm của biến quang điện tử:

 Hiệu chỉnh bức xạ: là xác định sai số giữa cường độ bức xạ trướcống kính và cường độ mà thiết bị thực sự ghi nhận

 Dữ liệu bị lỗi: mất dòng ảnh, vệt dòng ảnh, nhiễu ngẫu nhiên

+) BV trên vệt ảnh bằng trị trung bình pixel xung quanh

+) Chuẩn hoá Histogram dựa trên histogram của các bộ tách sóng khác trên cùng một mảng tuyến tính

 Nhiễu ngẫu nhiên:

 Nguyên nhân: do sai số trong truyền dữ liệu hoặc bị

gián đoạn tạm thời

 Kết quả: tạo các điểm sáng hoặc sậm đen trên ảnh

 Hiệu chỉnh: sử dụng cửa sổ lọc để lọc tần số không

 Hiệu ứng: giống vignetting

 Hiệu chỉnh: ước tính đường cong bóng râm => Phân

tích chuỗi Fourier => loại bỏ thành phần tần số thấp

• Bóng râm:

 Nguyên nhân: do địa hình (khu vực đồi núi, toà nhà

cao tầng…)

 Hiệu ứng: che khuất nguồn bức xạ hoặc phản xạ

 Hiệu chỉnh: DEM, toạ độ vệ tinh (góc giữa tia bức xạ

và vector trực giao với bề mặt địa hình)

• Góc chiếu mặt trời:

 Nguyên nhân: do cường độ và góc chiếu của mặt

trời

 Hiệu ứng: ảnh chụp cùng khu vực vào các mùa khác

nhau sẽ có cường độ chiếu sáng khác nhau

 Hiệu chỉnh: dựa trên góc tới của mặt trời

- Ảnh hưởng của khí quyển:

• Bức xạ mà bộ cảm thu được không chỉ chứa riêng

năng lượng hữu ích mà còn chứa nhiều thành phần

nhiễu khác như tán xạ, bức xạ, hấp thụ từ vật thể…

• Hiệu chỉnh khí quyển là một công đoạn tiền xử lý

nhằm loại trừ những thành phần bức xạ không mang

thông tin hữu ích

• Các phương pháp hiệu chỉnh ảnh hưởng của khí quyển:

 Phương pháp sử dụng các số liệu quan trắc thực địa:

+) Tiến hành đo đạc bức xạ các đối tượng nghiên cứu ngay tại thời điểm bay chụp

+) Dựa trên sự khác biệt cường độ bức xạ thu được từ vệ

tinh và giá trị đo được để tiến hành hiệu chỉnh bức xạ

=> Thu được kết quả tốt nhưng không phải lúc nào cũng thựchiện được.

 Các phương pháp khác:

+) Một số vệ tinh được trang bị các bộ cảm biến đặc

biệt chuyên thu nhận các tham số trạng thái khí quyển đồngthời với các bộ cảm thu nhận ảnh

+) Việc hiệu chỉnh khí quyển được tiến hành ngay trong quá

trình bay

Câu 12 Tại sao phải hiệu chỉnh hình học? Trình bày các phương pháp hiệu chỉnh hình học và nguyên tắc chọn điểm khống chế mặt đất.

- Để đưa các toạ độ ảnh thực tế về toạ độ ảnh lý tưởng phải hiệu chỉnh hình học

 Hiệu chỉnh hình học là xây dựng được mối tương quan giữa hệ toạ độ ảnh đo và hệ toạ độ quy chiếu chuẩn

- Chọn phương pháp: phải dựa trên bản chất méo hình của tư liệu

nghiên cứu và số lượng điểm khống chế có thể được

 Hiệu chỉnh hệ thống: là hiệu chỉnh số liệu tham chiếu hay tính

chất hình học của bộ cảm biến sensor

 Hiệu chỉnh phi hệ thống: là hiệu chỉnh tổng quan giữa hệ toạ độ

ảnh và hệ toạ độ quy chiếu chuẩn (số điểm khống chế và phân

- Quy trình giải đoán ảnh bằng mắt:

1. Chuẩn bị: thu thập dữ liệu, đọc các thông tin bổ trợ và và định vịảnh theo bản đồ nền

2. Đọc ảnh: hình dạng, kiểu mẫu, lập khóa giải đoán

3. Trắc địa ảnh: đo chiều dài, độ cao, tỷ lệ, mật độ đối tượng

4. Phân tích ảnh: phân loại và định lượng các đối tượng

5. Thành lập bản đồ chuyên đề: trình bày các kết quả giải đoán và thể hiện trên bản đồ

- Nguyên tắc về yếu tố ảnh:

1. Tone ảnh: là tổng hợp lượng ánh sáng được phản xạ vào đối

tượng