A. Lý thuyết 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 (remotesensing) là môn khoa học thuthập các thông tin về một đốitượng, một khu vực hoặc mộthiện tượng từ một khoảngcách nào đó mà không có sựtiếp xúc trực tiếp với đốitượng hoặc hiện tượng đó. • Các thành phần cơ bản: 1. Đối tượng quan sát 2. Thiết bị ghi nhận (sensors) 3. Vật truyền tải thông tin. • Quá trình của viễn thám: Quá trình 1: truyền năng lượng và thu nhận sóng đt 1. Nguồn phát năng lượng (A) 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. Sự tương tác này có thể xảy ra lần thứ 2 khi năng lượng truyền từ đối tượng tới bộ cảm biến. 3. Sự tương tác với đối tượng (C) – sau khi xuyên qua khí quyển, nó tương tác với đối tượng. Phụ thuộc vào đặc tính của đối tượng và sóng điện từ mà 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, bộ cảm biến 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 bản cứng hoặc là số. Quá trình 2: Giải đoán, phân tích và sử dụng 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 qui trình xử lý của công nghệ viễn thám. Thông tin sau khi được tách ra từ ảnh có thể được ứng dụng để hiểu tốt hơn về đối tượng, khám phá một vài thông tin mới hoặc hỗ trợ cho việc giải quyết một vấn đề cụ thể.
Trang 1XỬ LÝ ẢNH VIỄN THÁM
A. Lý thuyết
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 (remotesensing) là môn khoa học thuthập cácthông tin về một đốitượng, một khu vực hoặc mộthiện tượng
từ một khoảngcách nào đó mà không có sựtiếp xúc trực tiếpvới đốitượng hoặc hiện tượng đó
• Các thành phần cơ bản:
1 Đối tượng quan sát
2 Thiết bị ghi nhận (sensors)
3 Vật truyền tải thông tin
• Quá trình của viễn thám:
Quá trình 1: truyền năng lượng và thu nhận sóng đt
1 Nguồn phát năng lượng (A) - nguồn năng lượng phát xạ để cungcấp năng lượng điện từ tới đối tượng quan tâm
2 Sóng điện từ và khí quyển (B) - khi năng lượng truyền từnguồn phát đến đối tượng, nó sẽ đi vào và tương tác với khíquyển Sự tương tác này có thể xảy ra lần thứ 2 khi năng lượngtruyền từ đối tượng tới bộ cảm biến
3 Sự tương tác với đối tượng (C) – sau khi xuyên qua khí quyển, nótương tác với đối tượng Phụ thuộc vào đặc tính của đối tượng vàsóng điện từ mà 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 bịtán xạ hoặc phát xạ từ đối tượng, bộ cảm biến thu nhận và ghi lạisóng 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
Trang 2Năng lượng được truyền đi thường ở dạng điện Trạm thu nhận sẽ
xử lý năng lượng này để tạo ra ảnh dưới dạng bản cứng hoặc là số
Quá trình 2: Giải đoán, phân tích và sử dụng
6 Sự giải đoán và phân tích (F) - ảnh được xử lý ở trạm thu nhận sẽđược giải đoán trực quan hoặc được phân loại bằng máy để táchthông tin về đối tượng
7 Ứng dụng (G) - đây là thành phần cuối cùng trong qui trình xử lýcủa công nghệ viễn thám Thông tin sau khi được tách ra từ ảnh cóthể được ứng dụng để hiểu tốt hơn về đối tượng, khám phá mộtvài thông tin mới hoặc hỗ trợ cho việc giải quyết một vấn đề cụthể
Câu 2 Ảnh hưởng của khí quyển đến sự truyền sáng
- 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 hàm truyền khí quyển:
+) Là giải pháp gần đúng hay được sử dụng
+) Mọi thông số đều dựa trên trạng thái trung bình của khí quyển
kể cả các hạt bụi lơ lửng và hơi nước
- Phương pháp sử dụng các số liệu quan trắc thực địa:
+) Tiến hành đo đạc bức xạ các đối tượng nghiên cứu ngay tại thờiđiểm 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 thực hiệnđược
- Phương pháp khác:
Trang 3+) Một số vệ tinh được trang bị các bộ cảm biến đặc biệt chuyên thu nhận các tham số trạng thái khí quyển đồng thời với các bộ cảm thu nhận ảnh
+) Việc hiệu chỉnh khí quyển được tiến hành ngay trong quá trình bay
Câu 3.Trình bày độ phân giải của ảnh số trong viễn thám.
Độ phân giải: là kích thước của các điểm ảnh trên ảnh
- Đây là thông số quan trọng nhất đặc trưng cho khả năng cung cấp thông tin của ảnh viễn thám
- Phân loại: gồm:
1 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 nhỏ nhất có thể phân biệt trên ảnh
- Do đặc tính của đầu thu, độ phân giải không gian phụ thuộc vào
2 thông số được thiết kế sẵn là:
+ FOV (Field of view-trường/góc nhìn)
+IFOV (instantaneous field of view - trường/góc nhìn tức thì)
2 Độ phân giải phổ là số lượng và kích thước của các khoảng
bước sóng mà các bộ cảm thu nhận và ghi lại dữ liệu
=> Không phải toàn bộ giải sóng điện từ được sử dụng trong thu nhận ảnh viễn thám
- Các khoảng bước sóng này được 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
3.Độ phân giải thời gian: là khoảng thời gian nhất định mà bộ
cảm chụp lại vùng đã chụp
=> Nếu khoảng thời gian lặp càng nhỏ thì thông tin thu thập (hay ảnh chụp) càng nhiều
Trang 44 Độ phân giải bức xạ: là khả năng nhạy cảm của các thiết bị thu
để phát hiện những sự khác nhau rất nhỏ trong năng lượng sóng điện từ
- Ảnh ghi nhận ở các mức độ xám khác nhau
VD: ảnh ghi nhận ở dạng 8 bit => có 256 giá trị màu
- Ảnh đa phổ: RGB => có 16 triệu màu
Câu 4.Trình bày phổ phản xạ của 1 số đối tượng tự nhiên.
Phản xạ phổ của các đối tượng thực vật:
+ Thực vật: phụ thuộc vào sắc tố, cấu trúc tế bào, thành phần nước
và đặc biệt là diệp lục
Diệp lục sẽ:
Quyết định tính chất màu sắc của ánh sáng phát xạ
Hấp thụ tia sáng màu lam & đỏ
Phát xạ rất mạnh các tia sáng màu lục => các 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
+ Đất cát: phản xạ mạnh nhưng nếu độ ẩm tăng thì sự phản xạ giảm
+Đất sét: phản xạ mạnh nhưng khi độ ẩm cao thì đất có màu tối đi.+ Hàm lượng chất hữu cơ: đất có chất hữu cơ cao thì khả năng phản xạ thấp
Phản xạ phổ của đất:Phụ thuộc vào:
1 Thành phần cơ giới: tỉ lệ đất cát, thịt, sét…
2 Độ ẩm: khô, ẩm hay bão hoà
3 Thành phần hữu cơ của đất
4 Oxit sắt và một số khoáng vật màu khác
5 Độ nhám bề mặt: nếu thấp: phản xạ nhiều hơn còn cao thì phản
xạ ít hơn…
Trang 5Câu 5.Khái niệm bộ cảm và phân loại chúng.
Khái niệm:Một thiết bị dùng để cảm nhận song điện từ phản xạ
hoặc bức xạ từ vật thể được gọi là bộ viễn cảm thường gọi tắt là
bộ cảm Máy chụp ảnh hoặc máy quét là những bộ viễn cảm
Phân loại:
Bộ cảm chủ động(Active sensor): Là bộ cảm biến phát ra
nguồn nănglượng điện từ đến các vật thể.Khi chùm tia nănglượng này tới cácvật thể thì nó phát xạ về thiết bị ghinhận
=> Ưu, nhược điểm :
- Ghi nhận cả ngày lẫn đêm, hay tất cảcác mùa trong năm,ngay cả điềukiện thời tiết xấu
- Có thể bổ sung nguồn thông tin đốitượng quan tâm trognthời điểm bộ
cảm thụ động không cung cấp được
- Cần có nguồn năng lượng lớn đủ sứcthay thế cho nguồnnăng lượng tự
nhiên
VD: Radar SLR, SLAR
Bộ cảm thụ động (Passive sensor): Ghi nhận sóng phản xạ
của vật thểkhi có nguồn năng lượng tự nhiênhoặc ghi nhậnsóng bức xạ phát ratừ chính vật thể đó Bộ cảm thụ động cóthể ghi nhậnbức xạ nhiệt của các vật thể này cả
ngày lẫn đêm
- Ưu khuyết điểm:
+) Phụ thuộc vào nguồn năng lượng tựnhiên
+) Bộ cảm này hoạt động kém tạinhững vùng ở gần vĩ độ cực.+) Ảnh hưởng bởi điều kiện thời tiết
- VD: Vệ tinh Landsat, SPOT, IRS…
Trang 6Câu 6 Khái niệm hệ thống thu ảnh viễn thám và phân loại chúng.
Khái niệm HT thu ảnh viến thám:
Khái niệm: Hệ thống thu ảnh viến thám: là chụp 1 khung lên địahình để ghi nhận hình ảnh trong thời gian mở ống kính của máychụp ảnh
Phân loại hệ thống chụp ảnh viễn thám
• Ảnh quét đa phổ (Multiple spectral): lượng kênh phổ< 10
• Ảnh quét siêu phổ (supperspectral): lượng kênh phổ> 10
• Ảnh quét siêu siêu phổ (hyperspectral imageries): có số lượngkênh phổ từ 200 hơn
- Dựa vào cách thức quét, có 3 hệ thống tạo ảnh quét đa phổ
• Hệ thống tạo ảnh theo kiểu quét ngang (across track whisk broom scanning)
scanning-• Hệ thống tạo ảnh theo quét dọc (Along track scanning – Pushbroom scanning)
• Hệ thống tạo ảnh theo kiểu quét bên sườn : Radar
- Dựa vào bước sóng trong dãy phổ điện từ, ảnh được chụp từ hệthống quét đa phổ có 3 loại:
Trang 7- Ảnh quang học: hệ thống quét đa phổ sử dụng bước sóng vùng cậncực tím, nhìn thấy, cận hồng ngọai (0,3 – 3 micromet).
- Ảnh nhiệt: hệ thống quét đa phổ sử dụng bước sóng vùng hồngngọai giữa ( 3 – 1mm)
- Ảnh radar: hệ thống quét đa phổ sử dụng bước sóng vùngmicrowave (1mm-1m)
Câu 7.Nêu khái niệm về viễn thám Radar và Radar chủ động.Trình bày đặc điểm về độ phân giải không gian, bóng, độ nhám bề mặt và khả năng tạo ảnh lập thể của Radar (lấy ví dụ minh họa).
• Viễn thám Radar là viễn thám sử dụng bức xạ 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
• Viễn thám radar chủ động: Viễn thám Laser(LIDAR):
- Sử dụng tia laser để thăm dò các đối tượng
- Là phương pháp viễn thám với cường độ mạnh, các tia laserđược phóng xuống địa hình rồi phản hồi trở lại, ghi lại thành cáctín hiệu điện hoặc từ
- Tín hiệu trở về có cường độ khác nhau do tác động của các đốitượng tự nhiên, khoảng cách từ đối tượng đến thiết bị
- => Các tín hiệu laser thu được có thể phản ánh 1 số tính chất củađối tượng như độ cao của cây, sinh khối, độ sâu đáy của vùng cónước che phủ…
a) Độ phân giải không gian.
- Độ phân giải của 1 ảnh radar phụ thuộc vào độ dài của xung và
độ rộng của chùm anten
- Gồm: độ phân giải theo hướng bắn và độ phân giải theo phươngvị
Phân giải theo hướng bắn: là khả năng phân cách 2 đối tượng
không gian nằm gần nhau theo hướng bắn tia radar
Độ phân giải phương vị: Được xác định bằng độ rộng của dải quét
tia radar và sự liên
Trang 8hệ giữa góc phương vị của tia β do anten phát ra và độ phân giảitheo hướng bắn trên mặt đất.
- Khu vực đó trên ảnh có màu đen và gọi là bóng radar
- Có 2 yếu tố chi phối độ dài bóng trong 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
e)Khả năng tạo ảnh lập thể của ảnh radar:
- Hai ảnh radar chụp ở 2 góc ép khác nhau cùng hướng bay hoặc
từ 2 hướng ngược nhau hoặc từ 2 độ cao khác nhau sẽ cho khảnăng 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
Trang 9Câu 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 sử dụng bức xạ siêu cao tần từ 1cmđến 1m cho phép quan sát vật thể trong mọi thời điểm trong ngày
và không bị ảnh hưởng bởi thời tiết
Viễn thám radar bị động:
- Dựa trên nguyên tắc kỹ thuật của lĩnh vực bức xạ điện từ
- Do nguồn bức xạ tia radar là nguồn tự nhiên phản hồi lại ánh sáng mặt trời nên rất yếu
- Để thu được tín hiêu radar này cần sử dụng nguyên tắc biểu thị nhiệt độ anten: là hệ thống hiệu chỉnh tín hiệu nhiệt của anten
- Chỉ chụp ảnh vào ban ngày
Méo hình học của ảnh Radar:
ϖ Sự méo hệ thống của ảnh:
- Phụ thuộc vào 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
ϖ Độ lệch của địa hình: phụ thuộc vào hướng bay và hướng bắn của tia và góc ép của tia
- Các đối tượng có chiều cao lớn hơn thì đỉnh có xu hướng tiến gần tới hướng 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 vật có độ nhám lớn
- Tia radar tới được phản xạ tại vị trí góc của đối tượng và năng lượng radar phản hồi trở về là cực đại
- Hiện tượng phản xạ góc xảy ra phụ thuộc vào độ nhám của đối tượng: gồm chiều cao đối tượng và bước sóng của tia radar
Trang 10Câu 9.Trình bày đặc điểm về ảnh của viễn thám hồng ngoại nhiệt.
Khái niệm: Phương pháp viễn thám hồng ngoại nhiệt là phươngpháp ghi nhận bức xạ nhiệt ở dải sóng hồng ngoại nhiệt ( từ 3 đến
14 µm) Vì bức xạ nhiệt có cường độ yếu, lại bị hấp thụ mạnh bởikhí quyển, nên để thu được các tín hiệu nhiệt phải có thiết bị quétnhiệt với độ nhạy cảm cao
- Trên ảnh hồng ngoại độ sáng của ảnh sẽ thể hiện nhiệt độ của đốitượng, vùng nóng nhiệt độ sẽ cao, ảnh sẽ có màu từ sáng đếntrắng Vùng lạnh sẽ có màu đen, xám Mức độ xám sẽ thể hiệnthang nhiệt độ của ảnh của khu vực
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 phải tiến hành hiệu chỉnh bức xạ:
- Do độ nhạy của cảm biến
- Do địa hình và góc chiếu mặt trời
- Do ảnh hướng của tầng khí quyển
Hiệu ứng của các nguyên nhân:
Do độ nhạy của cảm biến:
- Cảm biến quang – hiệu ứng vignetting
• Hiệu chỉnh bức xạ: xác định sai khác giữa cường độ bức xạ trước
và sau sensor
Trang 11• Mất dòng ảnh:
• Nguyên nhân: bộ tách sóng của mảng tuyến tính không hoạt độnghoặc bị lỗi
• Kết quả: mất một hoặc nhiều dòng ảnh (BV trên dòng bị mất = 0)
• Hiệu chỉnh: Tính trị trung bình BV của các dòng ảnh xác địnhdòng bị ảnh hưởng BV của pixel trên dòng bị mất = TB BV cácpixel xung quanh
- Nhiễu ngẫu nhiên
• Nguyên nhân: sai số trong khí quyển dữ liệu hoặc bị gián đoạntạm thời
• Kết quả: tạo các điểm sáng hoặc sậm đen trên ảnh
• Hiệu chỉnh: sử dụng cửa sổ lọc
- Cảm biến từ- hiệu ứng uncertaindetector
Do địa hình và góc chiếu mặt trời: tạo hiệu ứng góc chiếu mặt trời
- Bóng chói
• Nguyên nhân: cường độ chiếu và góc chiếu của mặt trời
• Hiệu ứng: giống vigneting
• Hiệu chỉnh: ước tính đường cong bóng râm phân tích chuỗiFourier loại bỏ thành phần tần số thấp
- Bóng râm
• Nguyên nhân: địa hình (đồi núi, khu nhà cao tầng,…)
• Hiệu ứng: che khuất nguồn bức xạ hoặc phản xạ
• Hiệu chỉnh: DEM, tọa độ vệ tinh (góc giữa tia bức xạ và vectortrực giao với bề mặt địa hình)
- Góc chiếu mặt trời
Trang 12• Nguyên nhân: cường độ và góc chiếu của mặt trời.
• Hiệu ứng: ảnh chụp cùng khu vực vào các mùa khác nhau sẽ cócường độ chiếu sáng khác nhau
• Hiệu chỉnh: dựa trên góc tới của mặt trời
Do ảnh hưởng của khí quyển: gây ra hiệu ứng hập thụ và tán xạ
Câu 11.Trình bày và vẽ sơ đồ các bước tiến hành hiệu chỉnh bức xạ để đưa về phổ phản xạ đối tượng tại bề mặt đất.(không tìm thấy)
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.
Tại sao phải hiệu chỉnh hình học:
Trước quá trình phân tích, giải đoán, ảnh vệ tinh cần được nắnchỉnh hình học để hạn chế sai số vị trí và chênh lệch địa hình, saocho hình ảnh gần với bản đồ địa hình ở phép chiếu trực giaonhất.Kết quả giải đoán phụ thuộc rất nhiều vào độ chính xác củaảnh Do vậy, công đoạn nắn chỉnh hình học ảnh vệ tinh rất quantrọng cho các bước phân tích tiếp theo
Nắn chính: Mục đích của quá trình nắn là chuyển đổi các ảnh quétđang ở toạ độ hàng cột của các pixel về toạ độ trắc địa (toạ độthực - hệ toạ độ địa lý hoặc toạ độ phẳng) Nhằm thực hiện 3nhiệm vụ:
1 "Loại trừ" sai số vị trí điểm ảnh do góc nghiêng của ảnh gâyra
2 "Hạn chế" sai số vị trí điểm ảnh do chênh cao địa hình gây ra
3 Đưa tấm ảnh về tỷ lệ của bản đồ cần thành lập
Các PP hiệu chỉnh hình học
Lựa chọn các phương pháp:
Trang 13- Hiệu chỉnh hệ thống ( Systematic correction ) : số liệu thamchiếu hay tính chất hình học của cảm biến
- Hiệu chỉnh phi hệ thống ( Non-Systematic Correction ) : PP
• Quy trình giải đoán ảnh bằng mắt thường:
• Các yếu tố giải đoán ảnh (2 yếu tố):
- Các yếu tố ảnh: