Bài giảng viễn thám GIS

HỌC PHẦN CƠ SỞ GIS VÀ VIỄN THÁM ĐẠI HỌC ĐH3QM Nội dung gồm 4 chương: Chương 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT VIỄN THÁM Chương 2: ẢNH VỆ TINH QUANG HỌC VÀ XỬ LÝ ẢNH VỆ TINH QUANG HỌC Chương 3: TỔNG QUAN VỀ GIS Chương 4: NHẬP VÀ PHÂN TÍCH DỮ LIỆU TRONG GIS Phân bổ thời gian: Lý thuyết: 41 tiết Thảo luận, thực hành, kiểm tra: 19 tiết Tài liệu học tập: Sách, giáo trình chính: Giáo trình “ Cơ sở GIS và viễn thám”, trường ĐH Tài nguyên và Môi trường Hà Nội. Tài liệu tham khảo: + Nguyễn Ngọc Thạch, 1997: Viễn thám trong nghiên cứu tài nguyên và môi trường, nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật. + Phạm Vọng Thành, 2009. Viễn Thám (dùng cho ngành quản lý đất đai) trường ĐH nông nghiệp I Hà Nội. + Dương Đăng Khôi, Giáo trình hệ thống thông tin địa lý, trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội, 2012. + GS.TS Nguyễn Trường Xuân, Cơ sở hệ thống thông tin địa lý, đại học Mỏ Địa chất. + Cục Bản đồ Bộ Tổng Tham Mưu, Hệ thống thông tin địa lý. + PGS.TS Phạm Vọng Thành , Hệ thống thông tin địa lý, đại học Mỏ Địa chất. + Lê Bảo Tuấn, Hệ thống thông tin địa lý, đại học Huế, Đại học khoa học.

HỌC PHẦN CƠ SỞ GIS VÀ VIỄN THÁM ĐẠI HỌC ĐH3QM

Nội dung gồm 4 chương:

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT VIỄN THÁM

Chương 2: ẢNH VỆ TINH QUANG HỌC VÀ XỬ LÝ ẢNH VỆ TINH QUANG HỌCChương 3: TỔNG QUAN VỀ GIS

Chương 4: NHẬP VÀ PHÂN TÍCH DỮ LIỆU TRONG GIS

Phân bổ thời gian:

Lý thuyết: 41 tiết

Thảo luận, thực hành, kiểm tra: 19 tiết

Tài liệu học tập:

- Sách, giáo trình chính:

Giáo trình “ Cơ sở GIS và viễn thám”, trường ĐH Tài nguyên và Môi trường Hà Nội.

- Tài liệu tham khảo:

+ Nguyễn Ngọc Thạch, 1997: Viễn thám trong nghiên cứu tài nguyên và môi trường, nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật.

+ Phạm Vọng Thành, 2009 Viễn Thám (dùng cho ngành quản lý đất đai) trường

ĐH nông nghiệp I Hà Nội

+ Dương Đăng Khôi, Giáo trình hệ thống thông tin địa lý, trường Đại học Tài

nguyên và Môi trường Hà Nội, 2012

+ GS.TS Nguyễn Trường Xuân, Cơ sở hệ thống thông tin địa lý, đại học Mỏ - Địa chất + Cục Bản đồ Bộ Tổng Tham Mưu, Hệ thống thông tin địa lý

+ PGS.TS Phạm Vọng Thành , Hệ thống thông tin địa lý, đại học Mỏ - Địa chất + Lê Bảo Tuấn, Hệ thống thông tin địa lý, đại học Huế, Đại học khoa học.

Phần I CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT VIỄN THÁM

1.1 KHÁI NIỆM VÀ NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA VIỄN THÁM

1.1.1 Khái niệm về viễn thám

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 và giấy 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, địa lý, môi trường, khí tượng, thủy văn, nông nghiệp, lâm nghiệp,

Theo nghĩa rộng, viễn thám là ngành khoa học nghiên cứu việc đo đạc, thu thập thông tin về một đối tượng, sự vật bằng cách sử dụng thiết bị đo tác động một cách gián tiếp với đối tượng nghiên cứu Từ những ảnh chụp phim ban đầu thu nhận từ khinh khí cầu, máy bay, …hiện nay, nguồn dữ liệu chính trong viễn thám là ảnh số thu nhận từ các hệ thống vệ tinh quan sát Trái đất Có rất nhiều định nghĩa khác nhau về viễn thám, nhưng xét cho cùng tất cả các định nghĩa đều có một đặc điểm chung, nhấn

mạnh “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” Một số định nghĩa tiêu biểu về viễn thám

của các nhà khoa học khác nhau như:

1 Viễn thám là một nghệ thuật, khoa học, nói ít nhiều về một sự vật không cần phải

chạm vào vật đó (Ficher and others, 1976);

2 Viễn thám là quan sát về một đối tượng bằng một phương tiện cách xa vật trên một

khoảng cách nhất định (Barrer and Curtis, 1976);

3 Viễn thám là một khoa học về lấy thông tin từ một đối tượng, được đo từ một khoảng cách xa vật không cần tiếp xục với nó Năng lượng được đo trong các hệ viễn

thám hiện nay là năng lượng điện từ phát ra từ vật quan tâm (Landgrete, 1978);

4 Viễn thám là ứng dụng vào việc lấy thông tin về mặt đất và mặt nước của Trái đất bằng việc sử dụng các ảnh thu được từ một đầu chụp ảnh sử dụng bức xạ phổ điện từ,

đơn kênh hoặc đa phổ, bức xạ hoặc phản xạ từ bề mặt Trái đất (Janes Capbell, 1996);

5 Viễn thám là khoa học và nghệ thuật thu nhân thông tin về một vật thể, một vùng, hoặc một hiện tượng, qua phân tích dữ liệu thu được bởi những phương tiện không

tiếp xúc với vật, vùng hoặc hiện tượng khi khảo sát (Likkesand and Kiefer, 1986);

Nguồn tài nguyên chủ yếu sử dụng trong viễn thám là sóng điện từ hoặc được phản xạ, hoặc bức xạ từ vật thể Thiết bị dùng để cảm nhận sóng điện từ phản xạ hoặc bức xạ từ vật thể được gọi là bộ cảm biến (sensor) Bộ cảm biến có nhiệm vụ chuyển đổi giá trị điện từ sang giá trị số để thu được ảnh số (digital number) Phương tiện dùng để mang các bộ cảm được gọi là vật mang Hiện nay, vật mang rất đa dạng, có thể là khinh khí cầu, máy bay, vệ tinh, tàu vũ trụ,

1.1.2 Lịch sử hình thành và xu hướng phát triển

Một số tài liệu nghiên cứu cho rằng, lịch sử phát triển của viễn thám có thể tính từ thế ký thứ 4 trước công nguyên khi Aristote sáng tạo ra camera – obscura (obscura - dark) Mặc dù những thành tựu đáng kể trong lý thuyết quang học đã đạt được từ thế kỷ 17 cũng như thấu kính quang học đã xuất hiện sớm hơn, bước phát triển thực sự đầu tiên của khoa học viễn thám là vào giữa thế kỷ 19 Vào năm 1839, Louis Daguerre đã đưa ra báo cáo công trình nghiên cứu về hóa ảnh photo, khởi đầu cho ngành chụp ảnh Bức ảnh đầu tiên chụp bề mặt trái đất từ khinh khí cầu được thực hiện vào năm

cầu ở độ cao 80 m để chụp ảnh vùng Bievre nước Pháp Từ sự việc này, năm 1858 được coi là năm khai sinh của kỹ thuật viễn thám Năm 1860, James Black đã chụp ảnh vùng Boston, Mỹ cũng từ khinh khí cầu Năm 1863, Mackwell đã tìm ra các định luật về sóng điện từ, kết quả này là cơ sở vật lý cơ bản của lý thuyết viễn thám.

Chiến tranh thế giới thứ nhất (1914 - 1918) đánh dấu giai đoạn khởi đầu của công nghệ chụp ảnh từ máy bay phục vụ mục đích quân sự Công nghệ chụp ảnh từ máy bay đã kéo theo sự ra đời của rất nhiều thiết kế về các loại máy chụp ảnh, là cơ sở hình thành một ngành khoa học mới: đo đạc ảnh (photogrammetry) Năm 1929 ở Liên

Xô cũ đã thành lập Viện nghiên cứu ảnh hàng không Leningrad, viện đã sử dụng ảnh hàng không để nghiên cứu địa mạo, thực vật, thổ nhưỡng

Trong thời gian chiến tranh thế giới thứ 2 đã chứng kiến những bước nhảy thực sự trong kỹ thuật viễn thám Ngành khoa học đo đạc ảnh đã phát triển lên tầm cao mới: tạo ra các dụng cụ cảm biến bước sóng hồng ngoại, các hệ thống radar, Trong thời gian này đã chứng kiến những cuộc thử nghiệm nghiên cứu các tính chất phản xạ phổ của bề mặt địa hình và chế thử các lớp cảm quang cho chụp ảnh màu hồng ngoại Dựa trên kỹ thuật này, một kỹ thuật do thám hàng không đã ra đời Trong vùng sóng dài của sóng điện từ, các hệ thống siêu cao tần (RADAR) đã được thiết kế và sử dụng để theo dõi và phát hiện những vật thể chuyển động, nghiên cứu tầng ion Vào những năm 50 của thế kỷ 20 người ta tập trung nghiên cứu nhiều vào việc phát triển các hệ thống radar tạo ảnh có cửa mở thực (RAR), đồng thời hệ thống radar có cửa mở tổng hợp (Syntheric Aparture Radar - SAR) cũng được xúc tiến nghiên cứu Vào năm 1956, tại Mỹ đã tiến hành thử nghiệm khả năng dủng ảnh hàng không trong việc phân loại và phát hiện kiểu thực vật Đến những năm 1960, các cuộc thử nghiệm về ứng dụng ảnh hồng ngoại màu và đa phổ đã được tiến hành

Năm 1972, một mốc quan trọng trong lịch sử phát triển viễn thám được đánh dấu với việc Mỹ đã phóng thành công lên quỹ đạo vệ tinh nghiên cứu tài nguyên thiên nhiên LANDSAT Sự kiện này mang đến khả năng thu nhận thông tin có tính chất toàn cầu về môi trường xung quanh Cho đến hiện nay, đã có 8 vệ tinh trong chương trình LANDSAT được thực hiện, trong đó có 7 vệ tinh được phóng thành công lên quỹ đạo Hiện nay, vệ tinh LANDSAT 8 sau khi phóng thành công lên quỹ đạo đầu năm 2013 đang hoạt động tốt và cung cấp một kho dữ liệu lớn trong nghiên cứu tài nguyên Trái đất

Trong những năm 60, 70 thế kỉ 20, tàu Apollo đã chụp Trái đất dưới dạng ảnh nổi và đa phổ, cho ra các thông tin hữu ích trong nghiên cứu mặt đất Ngành hàng không vũ trụ Liên Xô (cũ) và Nga ngày nay đã đóng vai trò tiên phong trong nghiên cứu Trái đất từ vũ trụ Các nghiên cứu đã được thực hiện trên các tàu vũ trụ có người như Soynz, Meteor, Cosmos hoặc trên các trạm Salyut Sản phẩm thu được là các ảnh chụp trên các thiết bị quét đa phổ độ phân giải cao, như MSU - E (trên Meteor - priroda) Các bức ảnh chụp từ vệ tinh Cosmos có 5 kênh phổ khác nhau, với kích thước 18 x 18 cm Ngoài ra các ảnh chụp từ các thiết bị chụp KATE - 140, MKF - 6M trên trạm quỹ đạo Salyut cho ra 6 kênh ảnh thuộc dải phổ từ 0.4 µm đến 0.89 µm Độ phân giải mặt đất tại tâm ảnh đạt 20m

Kỹ thuật viễn thám đã được đưa vào sử dụng ở Việt Nam từ năm 1976 để điều tra quy hoạch rừng Mốc quan trọng để đánh dấu sự phát triển của kỹ thuật viễn thám ở Việt Nam là sự hợp tác nhiều bên trong khuôn khổ của chương trình vũ trụ quốc tế (Inter Cosmos) nhân chuyến bay vũ trụ kết hợp Liên Xô – Việt Nam tháng 07 năm

1980 Kết quả nghiên cứu các công trình khoa học này được trình bày trong hội nghị

khoa học về kỹ thuật vũ trụ năm 1982 nhân tổng kết các thành tựu khoa học của chuyến bay vũ trụ năm 1980, trong đó một phần quan trọng là kết quả sử dụng ảnh đa phổ MKF - 6M vào mục đích thành lập một loạt bản đồ chuyên đề như địa chất, đất, sử dụng đất, tài nguyên nước, thủy văn, rừng, Cột mốc quan trọng nhất đánh dấu sự phát triển của kỹ thuật viễn thám ở Việt Nam là sự kiện vệ tinh viễn thám VNREDSat

1 (Vietnam Natural Resources, Environment and Disaster - monitoring Satellite - 1A) được phóng thành công lên quỹ đạo vào 07/05/2013 tại sân bay vũ trụ Kourou (Pháp) Hiện nay, VNREDSat 1 bắt đầu cung cấp dữ liệu ảnh phục vụ nhu cầu quốc phòng, an ninh cũng như nghiên cứu, giám sát tài nguyên môi trường ở nước ta

Từ những năm 1990 nhiều ngành đã đưa kỹ thuật viễn thám vào ứng dụng trong thực tiễn như các ngành khí tượng, đo đạc và bản đồ, địa chất khoáng sản, quản lý tài nguyên rừng và đã thu được những kết quả rõ rệt Kỹ thuật viễn thám kết hợp với hệ thống thông tin địa lí GIS đã được ứng dụng để thực hiện nhiều đề tài nghiên cứu khoa học và nhiều dự án có liên quan đến điều tra khảo sát điều kiện tự nhiên và tài nguyên thiên nhiên, giám sát môi trường, giảm thiểu tới mức thấp nhất thiên tai ở một số vùng Hiện nay, viễn thám ở nước ta đã chuyển dần từ công nghệ tương tự (analog) sang công nghệ số kết hợp với GIS giúp xử lý nhiều loại ảnh đạt yêu cầu cao về độ chính xác với quy mô sản xuất công nghiệp

1.1.3 Phân loại viễn thám

Sự phân biêt 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

Bài giảng này giới thiệu ba phương thức phân loại viễn thám sau:

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

Hình1.1: Viễn thám bị động và chủ động

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 vùng ánh sáng nhìn thấy và hồng ngoại được phản xạ từ vật thể và bề mặt trái đất Ảnh thu được bởi 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 hai kỹ thuật chủ động và bị

động đều được áp dụng Viễn thám bị động thu lại sóng vô tuyến cao tần với bước sóng lớn hơn 1mm mà được bức xạ tự nhiên hoặc phản xạ từ một số đối tượng Vì có bước sóng dài nên năng lượng thu nhận được của kỹ thuật viễn thám siêu cao tần bị động thấp hơn 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 lại năng lượng do sóng phản xạ lại từ các vật thể Cường độ năng lượng phản xạ được đo lường để phân biệt giữa các đối tượng với nhau Ảnh thu được từ kỹ thuật viễn thám này được gọi là ảnh Radar

Hình 1.2: Các bước sóng sử dụng trong viễn thám

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) (hình 1.3)

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

Trên hai nhóm vệ tinh nói trên đều có thể áp dụng nhiều phương pháp thu nhận thông tin khác nhau tùy theo sự thiết kế của nơi chế tạo

Hình 1.3 Vệ tinh địa tĩnh (trái) và Vệ tinh quỹ đạo gần cực (phải)

1.1.4 Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật viễn thám

a Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật viễn thám

Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật viễn thám là thu nhận năng lượng phản hồi của sóng điện từ chiếu tới vật thể, thông qua bộ cảm biến (sensor) giá trị phản xạ phổ này sẽ được chuyển về giá trị số

Bộ cảm biến là các thiết bị tạo ra ảnh về sự phân bố năng lượng phản xạ hay phát xạ của các vật thể từ mặt đất theo những phần nhất định của quang phổ điện từ Bộ cảm biến 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 biến sẽ chuyển thành tín hiệu số (chuyển đổi tín hiệu điện thành một số nguyên hữu hạn – giá trị pixel) tương ứng với năng lượng bức xạ ứng với từng bước sóng do bộ cảm biến nhận được trong dải phổ đã xác định Nguyên lý thu nhận ảnh viễn thám được mô tả như hình 1.4 dưới đây

Hình 1.4 Nguyên lý thu nhận dữ liệu viễn thám

Sóng điện từ dùng trong viễn thám tuân theo các định luật bức xạ điện từ (định luật Plank, định luật Wien, Stefan – Bontzmann, …) và hệ phương trình Maxwell Năng lượng phổ dưới dạng sóng điện từ, cùng cho thông tin về một vật thể từ nhiều góc độ sẽ góp phần phân loại vật thể một cách chính xác hơn

b Các thành phần chính của một hệ thống viễn thám

Một hệ thống viễn thám thường bao gồm 7 phần tử có quan hệ chặt chẽ với nhau Trình tự hoạt động của các thành phần trong hệ thống viễn thám được mô tả trong hình sau:

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

năng lượng để chiếu sáng hay cung cấp năng lượng điện từ tới đối tượng cần nghiên cứu Trong viễn thám chủ động sử dụng năng lượng phát ra từ nguồn phát đặt trên vật mang, còn trong viễn thám bị động, nguồn năng lượng chủ yếu là bức xạ mặt trời

Những tia phát xạ và khí quyển (B): bức xạ điện từ từ nguồn phát tới đối tượng

nghiên cứu sẽ phải tương tác qua lại với khí quyển nơi nó đi qua

Sự tương tác với đối tượng (C): sau khi truyền qua khí quyển đến đối tượng, năng

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

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

hoặc bị phản xạ từ đối tượng, cần có bộ cảm biến để tập hợp lại và thu nhận sóng điện từ Năng lượng điện từ truyền về bộ cảm sẽ mang thông tin của đối tượng

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

được truyền tải (thường dưới dạng điện từ) đến một trạm thu nhận dữ liệu để xử lý sang dạng ảnh Ảnh này là dữ liệu thô

Phân loại và phân tích ảnh (F): ảnh thô sẽ được xử lý để có thể sử dụng trong

các mục đích khác nhau Để nhận biết được các đối tượng trên ảnh cần phải giải đoas chúng Ảnh được phân loại bằng việc kết hợp các phương pháp khác nhau (phân loại bằng mắt, phân loại thực địa, phân loại tự động, )

Ứng dụng (G): đây là thành phần cuối cùng của hệ thống viễn thám, được thực

hiện khi ứng dụng thông tin thu nhận được trong qúa trình xử lý ảnh vào các lĩnh vực, bài toán cụ thể

1.1.5 Các ứng dụng của viễn thám

Với những ưu điểm nổi bật so với các phương pháp nghiên cứu truyền thống, lĩnh vực ứng dụng của viễn thám rất đa dạng Hiện nay, kỹ thuật viễn thám đã được ứng dụng rộng rãi trong nông nghiệp, lâm nghiệp, nghiên cứu biển, hải đảo, trong địa chất, môi trường, … và thu được những thành tựu to lớn Trong nông – lâm nghiệp, kỹ thuật viễn thám được ứng dụng nhằm xác định các loài thực vật, dự báo mùa vụ và đánh giá khả năng sinh trưởng của cây trồng, kiểm kê rừng, đánh giá mật độ lớp phủ, dự báo và phát hiện cháy rừng, …Trong địa chất, kỹ thuật viễn thám đã được sử dụng rộng rãi nhằm phát hiện và lập bản đồ phân bố các loại khoáng sản, lập bản đồ cấu trúc các lớp địa chất, địa mạo, nghiên cứu dự báo động đất, núi lửa, …Ứng dụng viễn thám trong nghiên cứu biển và tài nguyên nước là một trong những lĩnh vực đạt được những kết quả quan trọng nhất Kỹ thuật viễn thám đã được sử dụng để nghiên cứu biến động đường bờ, nghiên cứu quần thể động – thực vật biển, theo dõi các dòng chảy và độ đục/trong của nước, …

Ở nước ta, kỹ thuật viễn thám bắt đầu được sử dụng từ những thập kỷ cuối của thế kỷ XX, ban đầu nhằm thành lập và hiệu chỉnh bản đồ địa hình, bản đồ chuyên đề các tỉ lệ Ngày nay, tư liệu ảnh vệ tinh đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, từ lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất, giám sát tài nguyên nước, tài nguyên rừng, dự báo năng suất lúa, …

Lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất Cho đến nay, ảnh vệ tinh đã được nhiều

cơ quan ở nước ta sử dụng để thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất phủ trùm các vùng lãnh thổ khác nhau, từ khu vực nhỏ đến tỉnh, vùng và toàn quốc Bản đồ hiện trạng sử dụng đất của các vùng như Tây Nguyên, đồng bằng sông Cửu Long, đồng

bằng sông Hồng,… được thành lập trong khuôn khổ các chương trình điều tra tổng hợp, đều đã sử dụng ảnh vệ tinh như một nguồn tài liệu chính Những bản đồ này được thành lập trong những năm 1989, 1990 và do các cơ quan nghiên cứu khoa học và điều tra cơ bản thực hiện Bản đồ được thành lập chủ yếu ở tỉ lệ 1: 250 000.

Bản đồ hiện trạng sử dụng đất toàn quốc năm 1990 tỉ lệ 1: 1 000 000 được thành lập bằng nhiều nguồn tài liệu, trong đó ảnh vệ tinh LANDSAT - TM Bản đồ này do Tổng cục Quản lý ruộng đất (nay thuộc Bộ Tài nguyên và Môi trường), cùng một số các cơ quan khác thực hiện Bên cạnh đó, năm 1993 Tổng cục Quản lý đất đai, Cục Đo đạc và Bản đồ Nhà nước (Bộ Tài nguyên và Môi trường), Trung tâm Khoa học Tự nhiên và Công nghệ Quốc gia, Viện Điều tra Quy hoạch rừng, Viện Quy hoạch

và Thiết kế Nông nghiệp (Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn) đã thành lập bản

đồ hiện trạng sử dụng đất toàn quốc tỉ lệ 1: 250 000 bằng ảnh LANDSAT - TM

Bản đồ hiện trạng sử dụng đất cấp tỉnh và các khu vực hẹp hơn của một số địa phương cũng được thành lập bằng ảnh vệ tinh Những bản đồ này thường được thành lập ở các tỉ lệ 1:100 000 (cấp tỉnh) đến 1: 25 000 (khu vực cụ thể) và do các Viện thuộc Trung tâm Khoa học Tự nhiên và Công nghệ Quốc gia, Viện Quy hoạch và Thiết kế nông nghiệp, Trung tâm Viễn thám thuộc Bộ Tài nguyên và Môi trường và một số Trường Đại học thực hiện trong khuôn khổ các đề tài nghiên cứu và các dự án Năm 2000, một số Sở Tài nguyên và Môi trường đã tiến hành thử nghiệm thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất bằng ảnh vệ tinh Trung tâm Viễn thám, Bộ Tài nguyên Môi trường đã thành lập bình đồ ảnh vũ trụ tỷ lệ 1: 10 000 phục vụ kiểm kê đất đai của

13 tỉnh trong đợt kiểm kê đất năm 2005

Từ 1979 ảnh vệ tinh được bắt đầu sử dụng trong việc xây dựng bản đồ hiện trạng rừng và trở thành một công cụ quan trọng trong điều tra quy hoạch và thiết kế kinh doanh rừng Ảnh vệ tinh LANDSAT TM được sử dụng rất nhiều trong xây dựng các bản đồ rừng cấp vùng và toàn quốc (1985 -1990) trong Chương trình “Điều tra, đánh giá và theo dõi diễn biến tài nguyên rừng toàn quốc, giai đoạn 1991-1995”, nghiên cứu biến động rừng ngập mặn trong 20 năm ở Minh Hải, dự án Mê Công

“Theo dõi, đánh giá biến động lớp phủ rừng” (Forest Cover Monitoring) Ảnh vệ tinh LANDSAT ETM+ được sử dụng trong Chương trình “Điều tra, đánh giá và theo dõi diễn biến tài nguyên rừng toàn quốc, giai đoạn 2001 - 2005” để lập bản đồ rừng và sử dụng đất cho 64 tỉnh, thành phố hoàn toàn bằng công nghệ xử lý ảnh số Ảnh vệ tinh SPOT được sử dụng trong các Chương trình “Điều tra, đánh giá và theo dõi diễn biến tài nguyên rừng toàn quốc, giai đoạn 1996-2000” để xây dựng bản đồ hiện trạng rừng

và sử dụng đất cấp tỉnh tỷ lệ 1:100.000, dự án phục hồi rừng ngập mặn Cà Mau, dự án

“Phát triển hệ thống thông tin rừng nhiệt đới – Information System Development Project for Tropical Forests” Ảnh vệ tinh độ phân giải cao Quickbird được sử dụng trong việc xây dựng bản đồ hiện trạng rừng và sử dụng đất tỷ lệ 1:10000 cho 2 lâm trường M’drac và Nam Nung (2004 - 2005), các xã vùng đệm thuộc dự án Bảo vệ và Phát triển những vùng đất ngập nước ven biển miền Nam Việt Nam do WB tài trợ (2005)

Đối với nông nghiệp Ứng dụng công nghệ viễn thám chủ yếu được triển khai

trong các công trình nghiên cứu đơn lẻ hay môt số các dự án do nước ngoài tài trợ Trong khuôn khổ các dự án “Quy hoạch nguồn nước lưu vực Srepok” và “Phát triển bền vững đất nông nghiệp Tây Nguyên” Viện Quy hoạch và Thiết kế Nông nghiệp đã phối hợp với một số cơ quan, tổ chức trong và ngoài nước lập bản đồ sử dụng đất trên

cơ sở giải đoán bằng mắt ảnh vệ tinh LANDSAT MSS, TM và SPOT Viện đã sử dụng

kết hợp các phần mềm xử lý ảnh viễn thám và GIS xây dựng bản đồ lớp phủ một số xã thí điểm tỉnh Bắc Kạn từ ảnh SPOT Một dự án thử nghiệm “Hệ thống thông tin cây trồng Việt Nam” đã thực hiện ở huyện Đại Từ, Thái Nguyên với mục tiêu cung cấp nhanh chóng, xác thực số liệu về qui mô diện tích cây trồng (trọng tâm là cây chè) từ

tư liệu viễn thám, so sánh số liệu thu thập từ nguồn này với thống kê và đề xuất một số giải pháp phát triển vùng sản xuất chè Dự án đã góp phần chứng minh khả năng lớn của công nghệ viễn thám và GIS trong đáp ứng kịp thời nhu cầu giám sát diễn biến diện tích cây trồng nông nghiệp và dự báo những vùng có thay đổi lớn ở cấp quốc gia, đồng thời tạo cơ sở khoa học tin cậy cho những quyết định về quy hoạch nông nghiệp nông thôn và những quyết sách về chuyển đổi cơ cấu nông nghiệp và phát triển nông sản hàng hóa Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn đã giao cho viện Quy hoạch và Thiết kế Nông nghiệp chủ trì dự án “ Điều tra hiện trạng sản xuất một số cây công nghiệp lâu năm toàn quốc (chè, cà phê, cao su, hồ tiêu và điều) ” Ảnh viễn thám SPOT 5 với độ phân giải 10m đa phổ và 2,5m toàn sắc được sử dụng trong điều tra diện tích các loại cây công nghiệp lâu năm trọng điểm

Nghiên cứu biến động sử dụng đất Nghiên cứu biến động sử dụng đất là một

trong những lĩnh vực quan trọng và khó khăn trong điều tra, giám sát môi trường, trong đó ảnh vệ tinh đã được sử dụng như một công cụ hữu hiệu Nhiều cơ quan nghiên cứu khoa học, điều tra cơ bản, giáo dục ở nước ta đã quan tâm đến ứng dụng công nghệ viễn thám để thực hiện nhiệm vụ này như Viện Địa lý, Địa chất, Vật lý, Nghiên cứu biển thuộc Trung tâm Khoa học Tự nhiên và Công nghệ Quốc gia, Trung tâm Viễn thám, Liên đoàn Bản đồ Địa chất thuộc Bộ Tài nguyên và Môi trường , đã tiến hành nhiều thử nghiệm dưới dạng các đề tài nghiên cứu, các dự án và đã thu được những kết quả ban đầu quan trọng

Trong chương trình của Cục Bảo vệ Môi trường, Trung tâm Viễn thám - Bộ Tài nguyên và Môi trường và một số cơ quan khác đã sử dụng ảnh vệ tinh đa thời gian để khảo sát biến động của bờ biển, lòng sông, biến động rừng ngập mặn, diễn biến rừng, biến động lớp phủ mặt đất và sử dụng đất (ở một số vùng) thành lập các bản đồ rừng ngập mặn tỉ lệ 1: 100 000 phủ trùm toàn dải ven biển và tỉ lệ lớn hơn cho từng vùng, bản đồ đất ngập nước toàn quốc tỉ lệ 1: 250.000

Sử dụng ảnh radar theo dõi lúa Cho đến nay ở Việt Nam đã có một số nghiên

cứu ứng dụng tư liệu viễn thám quang học như ảnh NOAA/AVHRR hoặc SPOT/Vegetation cho việc theo dõi sự tăng trưởng mùa màng, nói chung, và mùa vụ lúa nói riêng Tuy nhiên độ phân giải không gian của chúng (1 km) không cho phép theo dõi từng thửa ruộng Các tư liệu viễn thám quang học khác như LANDSAT và SPOT có thể sử dụng cho mục đích này, nhưng phần lớn thời gian gieo trồng lúa ở vùng nhiệt đới là mùa mưa, nhiều mây Vì vậy không hoặc ít khi có được ảnh quang học có chất lượng tốt Để khắc phục hạn chế này, các tư liệu viễn thám radar được sử dụng vì ảnh radar cho phép quan sát bề mặt trái đất độc lập với điều kiện thời tiết và sự chiếu sáng của mặt trời, thích hợp cho việc giám sát sự tăng trưởng cây lúa, lập bản đồ

và dự báo năng suất mùa vụ

Tại Việt Nam, thông qua một dự án hợp tác giữa viện nghiên cứu lúa IRRI, Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA) và Đại học Cần Thơ đã chọn một khu vực tại Đồng Bằng Sông Cửu Long làm thử nghiệm theo dõi lúa (1998) Trong khuôn khổ chương trình công nghệ thông tin IT 2000, Trung tâm liên ngành viễn thám và GIS thực hiện dự án nghiên cứu “Sử dụng tư liệu Radasat trong theo dõi lúa ở đồng bằng sông Cửu Long”

Có thể nói từ năm 2000 trở về trước, các nghiên cứu ở Việt Nam dừng ở mức lập bản

đồ các vùng trồng lúa từ ảnh radar Sau này, vấn đề theo dõi sinh trưởng và dự báo năng suất lúa bằng các tư liệu radar được thực hiện ở một số tỉnh thuộc đồng bằng sông Cửu Long (Sóc Trăng, An Giang) Trong đó tập trung chủ yếu vào nghiên cứu ứng dụng tư liệu viễn thám SAR đa thời gian để tìm hiểu mối quan hệ của chúng với chu kỳ sinh trưởng của cây lúa Trong khuôn khổ dự án thử nghiệm sử dụng ảnh ENVISAT ASAR theo dõi và dự báo lúa ở Bắc Bộ Việt Nam (2005), Viện Quy hoạch

và Thiết kế Nông nghiệp phối hợp với SARMAP đã tiến hành khảo sát trên 100 điểm

ở Thái Bình Nhìn chung, kết quả sử dụng tư liệu ảnh radar ở nước ta, nhất là trong nông nghiệp còn rất khiêm tốn do công nghệ xử lý khá mới mẻ và phức tạp, đặc điểm manh mún, xen kẽ trong phương thức canh tác Nhưng về lâu dài, nó rất phù hợp với Việt Nam bởi cho phép quan sát bề mặt trái đất độc lập với điều kiện thời tiết và sự chiếu sáng của mặt trời

Việc ứng dụng công nghệ viễn thám để giám sát tài nguyên và môi trường ở nước ta trong thời gian qua tuy đã thu được một số kết quả song còn ít, tản mạn và trên thực tế chưa đáp ứng được nhu cầu Các ứng dụng công nghệ viễn thám chủ yếu mới tập trung vào lĩnh vực hiện chỉnh bản đồ địa hình, thành lập một số bản đồ chuyên đề, bước đầu đề cập đến ứng dụng công nghệ viễn thám phục vụ quản lý đất đai và một số khía cạnh của môi trường Thực tế đó đòi hỏi phải đẩy mạnh ứng dụng rộng rãi công nghệ viễn thám phục vụ quản lý tài nguyên thiên nhiên và giám sát môi trường Để đạt được nhiệm vụ trên việc đầu tư công nghệ mới nhằm xây dựng đồng bộ hệ thống thu nhận, xử lý dữ liệu và áp dụng tư liệu ảnh vũ trụ là yêu cầu cần thiết với nước ta hiện nay

1.2 BỘ CẢM BIẾN VÀ VỆ TINH VIỄN THÁM

1.2.1 Khái niệm, phân loại bộ cảm

a Khái niệm, nhiệm vụ của 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)

Hình 1.6.Sơ đồ phân loại bộ cảm

Đặc trưng chủ yếu của bộ cảm biến là số kênh phổ được sử dụng, độ phân giải không gian, bề rộng tuyến chụp

* Các phương pháp quét cơ bản thường sử dụng trong việc tạo ảnh đa phổ

Hệ thống quét dùng để thu thập dữ liệu trên cơ sở sử dụng nhiều bước sóng khác nhau được gọi là máy quét đa phổ MSS (multispectral scanner) 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 ứng với 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 :

Hình 1.7 : Trường nhìn, trường nhìn không đổi, tạo ảnh đa phổ theo phương pháp quét ngang tuyến chụp

Gương quay (A) chuyển động trong mặt phẳng vuông góc với đường bay được sử dụng để dịch chuyển trường nhìn không đổi IFOV tạo thành dòng quét vuông góc với hương di chuyển 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 (B- delectors) đo lường năng lượng ứng với từng kênh phổ và chuyển thành giá trị số của từng pixel Sau khi kết thúc dòng quét, gương quay trả về vị trí ban đầu để tạo dòng kế tiếp nhờ sự dịch chuyển đồng bộ của vệ tinh, kết quả nhận được ảnh vệ tinh là tập hợp của các dòng ảnh liên tiếp nhau

Trường nhìn không đổi IFOV (C) của bộ cảm biến và độ cao của vệ tinh xác định

độ phân giải mặt đất (D) và góc nhìn tối đa (E) 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 (F) và còn dược sử dụng để xác định bề rộng của ảnh vệ tinh

- Quét dọc tuyến chụp

Bề rộng tuyến chụp

FOV

Độ phân giải mặt đất

IFOV

Quét dọc tuyến chụp sử dụng các hệ thống quét điện tử hoặc bộ tách sóng tuyến tính để ghi nhận năng lượng bức xạ ứng với dòng quét cố định vuông góc với phương chuyển động của vệ tinh Bộ tách sóng mảng tuyến tính (A) được xây dựng tại mặt phẳng tạo ảnh (B) của hệ thống lăng kính (C) cho phép tạo thành dòng quét vuông góc

với hướng di chuển của vệ tinh Mỗi bộ tách sóng riêng biệt (delector – diod quang

điện) đo lường năng lượng phản xạ ứng với từng pixel (D) được phân chia 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 từng kênh phổ và kích thước của IFOV ứng với bộ tách sóng riêng biệt sẽ xác định độ phân giải mặt đất của ảnh vệ tinh

Hình 1.9 Tạo ảnh đa phổ theo phương pháp quét dọc tuyến chụp

Từ hai phương pháp cơ bản cho thấy, các phần tử của ảnh vệ tinh thường có dạng hình vuông và thể hiện một khu vực nào đó trên mặt đất Điều quan trọng cần chú ý đó

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 Nếu bộ cảm biến có

độ phân giải không gian là 20m và một ảnh thu được từ bộ cảm biến này được thể hiện đúng độ phân giải thì mỗi pixel tương ứng cho diện tích 20× 20m trên mặt đất Trong trường hợp này kích thước của pixel và độ phân giải không gian là như nhau Tuy nhiên các thiết bị hhiển thị ảnh có thể cho phép thể hiện với những kích thước của pixel khác nhau so với độ phân giải không gian của ảnh vệ tinh

Nói chung, ảnh chỉ thể hiện được những vật thể lớn gọi là ảnh có độ phân giải thấp, còn ảnh cho phép tách các đối tượng nhỏ và thấy đủ chi tiết trên mặt đất được gọi

là ảnh có độ phân giải cao Độ phân giải càng cao cao thì diện tích mặt đất được thể hiện trên một 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 ảnh nhận được thường có độ phân giải cao hơn so với ảnh do các công ty thương mại cung cấp, Ngoài ra, khái niệm tỷ lệ ảnh cũng cho biết mức độ chi tiết được cung cấp bởi ảnh vệ tinh, đó là tỷ số giữa khoảng cách trên ảnh với khoảng cách thực trên

mặt đất Nếu tỷ lệ ảnh là 1:100.000 thì một đối tượng có chiều dài 1cm trên ảnh sẽ có chiều dài thật trên mặt đất là 100.000cm (1km) Ảnh có tỷ lệ nhỏ khi tỷ số này nhỏ và

ngược lại gọi là ảnh tỷ lệ lớn (ví dụ ảnh có tỷ lệ 1:5000 được xem là ảnh có tỷ lệ lớn

và cung cấp nhiều chi tiết hơn ảnh có tỷ lệ 1: 10 000)

c Bộ cảm biến sử dụng trong viễn thám vệ tinh

* Máy quét quang cơ

Máy quét quang cơ là thiết bị sử dụng một bức xạ kế đa phổ để tạo ảnh hai chiều dựa trên sự phối hợp chuyển động giữa vệ tinh và hệ thống gương quét vuông góc với hướng bay Để đơn giản, ta chỉ xét kết hợp một detector (cảm nhận năng lượng ứng với một kênh phổ) và một gương quay sao cho đường quét trên mặt đất là một đường thẳng vuông góc với hướng chuyển động của vệ tinh Trong cách này, bề mặt trái đất được quét thành từng dòng liên tục khi vệ tinh dịch chuyển với vận tốc nhất định

Máy quét đa phổ quang cơ được cấu thành bới những phần chính sau:

Hệ thống quang học: Hệ thống kĩnh viễn vọng phản xạ kiểu Newton,

Cassegrain hoặc Ritchey-Chretien nhằm hạn chế sự lệch màu đến mức tối thiểu

Hệ thống tách phổ thường sử dụng hệ thống gương, lăng kính hoặc kính lọc

phổ

Hệ thống quét: các gương quay hoặc dao động trong mặt phẳng vuông góc với

đường bay

Bộ tách sóng (phân tích): chuyển đổi năng lượng điện từ thành tín hiệu điện (sử

dụng diode quang điện) Các bộ khuyếch đại quang điện thường được sử dụng cho dải sóng nhìn thấy và vùng cực tím Đối với vùng sóng gần hồng ngoại và khả kiến dùng diode silicon, diode ingium antimony (InSb) được dùng cho vùng sóng ngắn và để đo bức xạ nhiệt dùng diode HpCdTe

Hệ thống kiểm định (kiểm tra): Tín hiệu điện đo được luôn bị ảnh hưởng bởi sự

biến động độ nhạy của hệ thống tách sóng, do vậy cần phải duy trì thường xuyên một nguồn sáng có cường độ ổn định làm nguồn năng lượng chuẩn kiểm định tín hiệu điện

Các hệ thống quét đa phổ quang cơ có thể được đặt trên máy bay hoặc vệ tinh

Máy quét đa phổ MSS (Multispectral Scanner System) và TM (Thematic Mapper) của

vệ tinh LANDSAT AVHRR (Advance Very High Resolution Radiometer) của vệ tinh

NOAA là những hệ thống quáy quét đa phổ quang cơ đặt trên vệ tinh Máy quét đa phổ MS do hãng Daedalus chế tạo là ví dụ máy quét đa phổ quang cơ đặt trê máy bay

So sánh với hệ thống quét điện tử thì máy quét đa phổ quang cơ có những ưu điểm là trường nhìn của hệ thống quang học có thể nhỏ hơn, sai số trùng khớp giữa cá kênh phổ cao hơn và hệ thống cho độ phân giải cũng cao hơn Tuy nhiên, nhược điểm

cơ bản của nó là tỷ số hiệu dụng giữa tín hiệu và nhiễu lại nhỏ hơn so với hệ thống quét điện từ (do thời gian tích hợp tại bộ tách quang không thể kéo dài)

* Máy quét điện từ

Các hệ thống quét điện từ hoặc bộ cảm mảng tuyến tính là hệ thống không có

bộ phận quét cơ học, nhưng với bộ cảm mảng tuyến tính (tách sóng bán dẫn) cho phép ghi nhận tín hiệu năng lượng phản xạ ứng với từng kênh phổ bằng cách tạo từng hàng ảnh cố định vuông góc với phương chuyển động của vệ tinh Khi vệ tinh chuyển động,

hệ thống quét điện từ dịch chuẻn đồng thời từng bộ phận tách sóng riêng biệt (detector – diodquang điện) đo lường năng lượng phản xạ ứng với từng pixel được phân chia

ứng với từng dòng ảnh Kết quả nhận được ảnh vệ tinh là tập hợp của các dòng ảnh liên tiếp nhau và trong phương pháp này, mỗi bộ tách sóng mảng tuyến tính riêng biệt

sẽ đảm nhiệm việc đo lường năng lượng ứng với từng kênh phổ

Về cấu tạo, các máy quét điện từ chỉ có hệ thống thấu kính quang học nhằm tách các dòng ảnh đồng thời vuông góc với hướng bay Các thiết bị nạp hay còn gọi là thiết bị đổi kiểu thường được dùng cho bộ cảm mảng tuyến tính nên còn được gọi là

bộ cảm tuyến tính CCD (hay máy chụp CCD) Thực chất của CCD là chip silicon giữ vai trò biến đổi năng lượng phản xạ thu được sang dòng điện, cấu tạo giống như các diod quang điện có cùng đặc tính được ghép lại với nhau thành một hàng để cảm nhận đồng thời giá trị độ sáng ứng với từng pixel Do máy chụp CCD không có một bộ phận

cơ học nào nên độ ổn định trong hoạt động của nó là rất cao Tuy nhiên, trên một hàng ảnh thường bị xuất hiện nhiễu gây ra bởi sự chênh lệch độ nhạy giữa các bộ tách sóng riêng biệt Bộ cảm biến HRV của vệ tinh SPOT, MESSR của MOS-1 và OPS của JERS-1 là những loại bộ cảm tuyến tính CCD đặt trên vệ tinh đang được sử dụng hiện nay

1.2.2 Vật mang và quỹ đạo bay

a Giới thiệu chung về vật mang

Phương tiện mang các Sensor gọi là vật mang Vật mang có thể là máy bay, khinh khí cầu, tàu con thoi hoặc vệ tinh…

Để bộ cảm biến thu nhận năng lượng bức xạ và phản xạ từ các vật thể trên bề mặt đất tạo ra ảnh quang học hay ảnh rađa, các bộ cảm được bố trí trên vật mang là một phương tiện dùng để đưa các bộ cảm đến một độ cao và vị trí mong muốn sao cho việc thu nhận thông tin từ mặt đất đạt hiệu quả cao nhất, đáp ứng cho nhiều mục đích ứng dụng khác nhau

Vệ tinh và máy bay là những vật mang cơ bản thường được sử dụng trong viễn thám Chụp ảnh từ máy bay (tạo ảnh hàng không) có thể xem là dạng đầu tiên của viễn thám và tồn tại như một phương pháp được sử dụng khá rộng rãi trong thành lập bản

đồ địa hình và chuyên để phục vụ công tác quản lý tài nguyên thiên nhiên và giám sát môi trường cũng như quy hoạch và quản lý đô thị…

Ngoài ra còn nhiều loại vật mang khác có độ cao hoạt động từ vài chục mét trở lên như: thang trượt của các cần cẩu; máy bay không người lái… để chụp ảnh các khu vực nhỏ trên mặt đất , khinh khí cầu dùng để nghêin cứu nhiều đối tượng khác nhau, tàu con thoi thực hiện theo chương trình thí nghiệm khác nhau

Vệ tinh viễn thám cho phép nhìn thấy một vùng rộng trên mặt đất bao gồm nhiều đối tượng có ưu thế là cung cấp ảnh đa phổ và đa thời gian cho toàn thế giới Ảnh vệ tinh có các ưu điểm sau:

- Bao phủ một vùng rộng trên mặt đất

- Khu vực cần nghiên cứu được chụp lặp lại thường xuyên nhiều lần theo chu kỳ

- Ảnh được xử lý và phân tích trên máy tính

- Chi phí tương đối thấp tính trên một đơn vị diện tích vùng phủ của ảnh

Tuy nhiên, ảnh vệ tinh có độ phân giải mặt đất thấp hơn so với ảnh hàng không

Hình 1.11 : Vệ tinh Modiss và ALOS

b Quỹ đạo vệ tinh

Các vệ tinh nhân tạo thường chuyển động theo lộ trình đã được thiết kế trước sao cho phù hợp với khả năng và mục tiêu của bộ cảm biến được đặt trên vệ tinh Lộ trình được thiết kế để vệ tinh chuyển động trong vũ trụ sẽ được xác định bởi 6 thông số cơ bản của định luật Kepler áp dụng cho các vật thể chuyển động trong vũ trụ được gọi là quỹ đạo của vệ tinh Sự lựa chọn quỹ đạo tuỳ thuộc vào giá trị của tập hợp các thông

số cơ bản này, thông thường các vệ tinh khác nhau sẽ chuyển động theo những quỹ đạo khác nhau được phân biệt bởi:

- Những độ cao khác nhau so với mặt đất

- Theo quỹ đạo elip nằm trong một mặt phẳng có góc nghiêng khác nhau so với mặt phẳng chứa xích đạo

- Theo thời gian vệ tinh di chuyển hoàn tất một vòng quay trên quỹ đạo, còn được

gọi là chu kỳ của quỹ đạo.

- Theo khoảng thời gian cố định mà vệ tinh trở lại đúng vị trí chụp ảnh ban đầu,

khi vệ tinh di chuyển sẽ tạo nên tuyến chụp trên mặt đất có bề rộng cố định còn được gọi là độ rộng của tuyến chụp Vì trái đất quay nên vệ tinh sẽ chụp theo tuyến khác trên mặt đất sau mỗi chu kỳ tiếp theo, sau khoảng thời gian cố định vệ tinh sẽ lặp lại vị trí ban đầu và khoảng thời gian này được gọi là tần suất lặp lại hay chu kỳ lặp).

Nhìn chung dựa theo quỹ đạo chuyển động của vệ tinh so với trái đất và mặt trời

có thể chia quỹ đạo vệ tinh thành các loại cơ bản như sau:

Quỹ đạo đồng bộ trái đất: là quỹ đạo mà vệ tinh chuyển động cùng một vận tốc

góc với trái đất, nghĩa là vệ tinh quay một vòng trên quỹ đạo mất thời gian là 24 giờ

Vệ tinh chuyển động trên quỹ đạo đồng bộ trái đất và nếu mặt phẳng quỹ đạo có góc

nghiêng bằng 0 được gọi là quỹ đạo địa tĩnh Các vệ tinh địa tĩnh có độ cao khoảng

36000km và luôn treo lơ lửng tại một điểm trên không trung (đứng yên so với bề mặt trái đất) Do đó, vệ tinh địa tĩnh cho phép quan sát và thu thập thông tin liên tục trên một vùng cụ thể và được sử dụng thích hợp vào mục đích quan sát khí tượng hoặc truyền tin…Vệ tinh Vinasat của Việt Nam (ngày phóng) là vệ tinh thông tin, có quỹ đạo địa tĩnh Với độ cao lớn, các vệ tinh khí tượng địa tĩnh có thể giám sát thời tiết và dạng mây bao phủ trên toàn bộ bán cầu của trái đất

Quỹ đạo đồng bộ mặt trời : là quỹ đạo cho phép vệ tinh chuyển động theo hướng

Bắc – Nam kết hợp với chuyển động quay của trái đất (Tây - Đông) sao cho vệ tinh luôn luôn nhìn bề mặt trái đất tại thời điểm có sự chhiếu sáng tốt nhất của mặt trời Như vậy góc nghiêng của mặt phẳng quỹ đạo này gần với góc nghiêng của trục quay trái đất (so với mặt phẳng xích đạo) nên còn được gọi là quỹ đạo gần cực Những vệ tinh chuyển động theo quỹ đạo đồng bộ mặt trời sẽ thu thập thông tin trên vùng nào đó của trái đất theo giờ địa phương nhất định và vị trí của vệ tinh sẽ thay đổi theo điều kiện chiếu sáng của mặt trời trong một năm Loại quỹ đạo này đảm bảo điều kiện chiếu sáng của mặt trời là như nhau khi thu thập ảnh vệ tinh trên cùng khu vực cụ thể theo các ngày và từng mùa khác nhau trong năm Các vệ tinh tài nguyên thường sử dụng quỹ đạo đồng bộ mặt trời vì có ưu điểm luôn tạo được một điều kiện chiếu sáng

ổn định Đây là yếu tố quan trọng cho vịêc giám sát sự thay đổi giá trị phổ giữa các ảnh mà không cần hiệu chỉnh do điều kiện chiếu sáng khác nhau

Quỹ đạo có chu kỳ lặp một ngày và nhiều ngày: là những quỹ đạo mà cho phép vệ tinh trở lại điểm đỉnh đầu trên khu vực chụp ảnh trong cùng một ngày hoặc sau nhiều ngày

Hình 1.12 Các dạng quỹ đạo, tuyến chụp khi vệ tinh di chuyển

Một vệ tinh bao giờ cũng đặc trưng bởi các thông số sau:

Độ cao bay (km)

Chu kỳ lặp (ngày)

Thời gian bay qua xích đạo (giờ địa phương)

Góc nghiêng của quỹ đạo (độ)

Dạng quỹ đạo

Số kênh phổ có khả năng ghi nhận được

c Truyền và thu dữ liệu vệ tinh

Khác với phương pháp chụp ảnh hàng không, ảnh viễn thám được truyền từ vệ tinh về các trạm thu trên mặt đất thông qua việc sử dụng anten phát sóng điện từ có tần

số rất cao, từ vài GHz đến vài chục GHz để làm sóng tải (do dữ liệu cần truyền rất lớn), chuyển ảnh và các thông tin liên quan về các trạm thu (vì vệ tinh luôn chuyển động trên quỹ đạo đến khi két thúc nhiệm vụ, nó không đáp xuống mặt đất để chuyển ảnh như máy bay) Dữ liệu truyền từ vệ tinh không chỉ ảnh viễn thám đơn thuần mà còn chứa nhiều thông tin hỗ trợ khác(nhiệt độ, thông số kỹ thuật của vệ tinh …) Tất

cả các dữ liệu được truyền dưới dạng số PCM (Pulse Code Modulation) nên có ưu thế hơn hẳn các phương pháp khác vì nó cho phép loại bỏ mọi nhiễu, năng lượng tiêu thụ cho việc phát sóng cũng rất nhỏ Thông thường dữ liệu truyền từ vệ tinh viễn thám có thể nhận trực tiếp từ các trạm thu trên mặt đất Tuy nhiên thiết lập hệ thống truyền và thu thông tin như vậy có nhược điểm là chỉ thực hiện được khi trạm thu và vệ tinh viễn thám nằm trong tầm nhìn của nhau

Tuỳ theo loại vệ tinh, người ta sử dụng một trong ba phương pháp cơ bản để

truyền tín hiệu của năng lượng sóng điện từ sau khi tới được bộ cảm biến được chuyển thành tín hiệu số và được Anten của vệ tinh truyền về trạm thu trên mặt đất Ảnh vệ tinh sau khi được xử lý Ẩtị trạm thu sẽ được cung cấp cho ngời sử dụng ở nhiều cấp đọ khác

- Dữ liệu ảnh viễn thám được truyền trực tiếp nếu trạm thu mặt đất nằm trong tầm nhìn của vệ tinh (A).

- Trong trường hợp ngược lại, dữ liệu được lưu trữ bởi vệ tinh (B) và sẽ phát về trạm thu trên mặt đất vào thời điểm mà tầm nhìn giữa vệ tinh và trạm thu được đảm

bảo Phương pháp truyền dữ liệu viễn thám cơ bản này được gọi là MDR (Mission Data Recorder) MDR cho phép thu nhận thông tin tại những vùng mà trạm thu tại

mặt đất không bao phủ và sau đó có thể truyền lại thông tin này khi vệ tinh bay qua trạm thu Vệ tinh NOAA, SPOT đều có trang bị hệ thống MDR

Dữ liệu được chuyển tiếp thông qua hệ thống TDRSS (Tracking and Data Relay Satelite System) để truyền về mặt đất Vệ tinh (C) còn gọi là TDRS (được phóng

bởi NASA để truyền dữ liệu của vệ tinh Landsat) bao gồm một số vệ tinh viễn thông vận hành trên quỹ đạo địa tĩnh, phương pháp này cho phép chuyển dữ liệu viễn thám

từ vệ tinh này sang vệ tinh khác cho đến khi thực hiện được việc truyền dữ liệu đến trạm thu trên mặt đất thích hợp.

Hình 1.13 Các phương pháp truyền và thu dữ liệu vệ tinh

Dữ liệu nhận được bởi các trạm thu trên mặt đất là dữ liệu số cần được loại bỏ mọi nhiễu, hiệu chỉnh khí quyển, biến dạng hình học và chuyển đổi vào khuôn dạng chuẩn của ảnh viễn thám

Sau đó ảnh vệ tinh được ghi vào băng từ hoặc CD bao gồm cả các tham số có liên quan đến ảnh vệ tinh

Bảng 1 : Ví dụ ảnh Landsat cung cấp cho người sử dụng có các dữ liệu bỏ sung được thể hiện như sau:

Obs.Date: 1997/09/24 Orbital direction: DPath-row: 112-28 Cloud coverection: 01Processing level: BK Map projection: UTMResampling method: CC Logical format: CEOS-BSQCenter latitude: N45.982 Center longtitude: E135.733Number of pixel: 6920 Number of lines: 5965

Ngoài ra, nhà cung cấp thường cho người sử dụng xem ảnh quick-look trước khi mua, đây là dạng có độ phân giải thấp hơn nhưng có thể biết rõ về độ phủ của ảnh và ảnh hưởng của mây che khu vực nhiều hay ít tại thời điểm chụp

1.2.3 Các vệ tinh giám sát tài nguyên

a Vệ tinh LANDSAT

Vào năm 1967, tổ chức hàng không và vệ tinh quốc gia (NASA) được sự hỗ trợ của Bộ nội vụ Mỹ đã tiến hành chương trình nghiên cứu thăm dò tài nguyên trái đất ERTS (ERTS – Earth Resources Technology Satellite: Vệ tinh kỹ thuật thăm

dò tài nguyên trái đất) Vệ tinh ERTS - 1 được phóng vào ngày 23/6/1972 Sau đó NASA đổi tên chương trình ERTS thành Landsat, ERTS -1 được đổi tên thành Landsat 1 Vệ tinh Landsat bay qua xích đạo lúc 9h39 phút sáng Cho đến nay, NASA

đã phóng được 7 vệ tinh trong hệ thống Landsat (bảng 2)

Landsat 5 01/3/1984 Đang hoạt động TM, MSS

Landsat 6 05/3/1993 Bị hỏng ngay khi phóng ETM

Landsat 7 15/4/1999 Đang hoạt động ETM+

- Landsat MSS ( Landsat Multispectral Scanner)

Bộ cảm này được đặt trên các vệ tinh Landsat 1 đến 3 ở độ cao so với mặt đất là 919km và Landsat 4 và 5 ở độ cao 705 km, chu kỳ lặp là 18 ngày Các bộ cảm MSS là những hệ thống máy quang học mà trong đó các yếu tố tách sóng riêng biệt được quét qua bề mặt Trái đất theo hướng vuông góc với hướng bay MSS có 4 bộ lọc

và tách sóng trong khi TM có 7 bộ

Landsat MSS có độ phân giải là 79m x 79m, và gồm 4 kênh 1,2,3 và 4, trong

đó kênh 1 và kênh 2 nằm trong vùng nhìn thấy còn kênh 3 và kênh 4 nằm trong vùng cận hồng ngoại

- Landsat TM, ETM (Landsat Thematic Mapper)

Từ năm 1982 vệ tinh Landsat 4 được phóng và mang thêm bộ cảm chuyên dùng để thành lập bản đồ chuyên đề gọi là bộ cảm TM (Thematic Mapper) Vệ tinh Landsat 7 mới được phóng vào quỹ đạo tháng 4/1999 với bộ cảm TM cải tiến gọi là ETM (Enhanced Thematic Mapper) Hệ thống này là một bộ cảm quang học ghi lại năng lượng trong vùng nhìn thấy: hồng ngoại phản xạ, trung hồng ngoại và hồng ngoại nhiệt của quang phổ Nó thu thập những ảnh đa phổ mà có độ phân giải không gian, phân giải phổ, chu kỳ và sự phản xạ cao hơn Landsat MSS Landsat TM, ETM

có độ phân giải không gian là 30 x 30 m cho 6 kênh (1, 2, 3, 4, 5, 7) và kênh 6 hồng ngoại nhiệt có độ phân giải không gian là 120 x 120 m

Trên vệ tinh Landsat, bộ cảm có ý nghĩa quan trọng nhất và được sử dụng nhiều nhất là TM Bộ cảm TM có các thông số chính được nêu trong bảng 2.4

Bảng 3 Đặc trưng chính của bộ cảm và độ phân giải không gian

(µm)

Loại

Độ phân giải không gian

TM Thematic

Mapper

(Landsat 1-5)

Kênh 1Kênh 2Kênh 3Kênh 4Kênh 5Kênh 6Kênh 7

0,45 ÷ 0,520,52 ÷ 0,600,63 ÷ 0,690,76 ÷ 0,901.55 ÷ 1,7510,4 ÷ 12,52,08 ÷ 2,35

ChàmLục đỏĐỏCận hồng ngoại Hồng ngoại trung Hồng ngoại nhiệt Hồng ngoại trung

0,5 ÷ 0,60,6 ÷ 0,70,7 ÷ 0,80,8 ÷ 1,1

LụcĐỏCận hồng ngoạiCận hồng ngoại

0,45 ÷ 0,520,53 ÷ 0,610,63 ÷ 0,690,75 ÷ 0,901.55 ÷ 1,7510,4 ÷ 12,52,09 ÷ 2,350,52 ÷ 0,9

ChàmLục đỏĐỏCận hồng ngoại Hồng ngoại trung Hồng ngoại nhiệt Hồng ngoại trung Lục đến cận hồng ngoại

b Vệ tinh SPOT

Trên mỗi vệ tinh SPOT được trang bị một hệ thống tạo ảnh nhìn thấy có độ phân giải cao HRV (High Resolution Visible imaging system)

Các thế hệ vệ tinh SPOT 1 đến 3 có 3 kênh phổ phân bố trong vùng sóng nhìn thấy ở các bước sóng xanh lục, đỏ và gần hồng ngoại Năm 1998, Pháp phóng vệ tinh SPOT 4 với hai bộ cảm HRVIR và thực vật (Vegetation Instrument) Ba kênh phổ đầu của HRVIR tương đương với 3 kênh phổ truyền thống của HRV Năm 2002, Pháp đã phóng thành công vệ tinh SPOT 5 với độ phân giải cao hơn: 2,5 m; 5m; 10m

Vệ tinh SPOT bay ở độ cao 832 km, nghiêng so với mặt phẳng quỹ đạo 98o7, bay qua xích đạo lúc 10h30' sáng với chu kỳ lặp lại là 23 ngày Mỗi cảnh có

độ phủ là 60 km x 60 km Tư liệu SPOT được sử dụng nhiều không chỉ cho việc nghiên cứu tài nguyên mà còn sử dụng cho công tác xây dựng, hiệu chỉnh bản đồ và quy hoạch sử dụng đất Bộ cảm HRV là máy quét điện tử CCD - HRV có thể thay đổi góc quan sát nhờ một gương định hướng Gương này cho phép thay đổi gương định hướng Gương này cho phép thay đổi hướng quan sát ±270 so với trục thẳng đứng nên dễ dàng thu được ảnh lập thể Các thông số của ảnh vệ tinh SPOT như bảng

Bảng 3 Các thông số ảnh của vệ tinh SPOT

SPOT 5

Panchromatic (Toàn sắc) B1 : green

(Xanh lục)

B2 : red (Đỏ)

B3 : near infrared (Cận HNgoại)

B4 : mid infrared (MIR) (Giữa HN)

c Vệ tinh MOS (Marine Observation Satellite)

Vệ tinh MOS - 1 là thế hệ đầu tiên được Nhật Bản phóng vào quỹ đạo tháng

2 năm 1987 để quan sát đại dương và nghiên cứu môi trường biển, sau đó MOS - 1b (tháng 2/1990) với 3 thiết bị đo phổ chính có phạm vi vùng phổ tương tự như bộ cảm biến đa phổ của vệ tinh Landsat Các thông số kỹ thuật chính của bộ cảm biến và độ phân giải không gian của ảnh vệ tinh MOS được liệt kê ở bảng 4 và bảng 5

Bảng 4 Đặc trưng chính của bộ cảm và độ phân giải không gian

MESSR

Bức xạ kế tự quét

Đa phổ

Kênh 1Kênh 2Kênh 3Kênh 4

0,51 ÷ 0,590,61 ÷ 0,690,72 ÷ 0,800,80 ÷ 1,10

LụcĐỏCận hồng ngoạiCận hồng ngoại

Vô tuyến cao tần

Vô tuyến cao tần

0,5 ÷ 0,76,0 ÷ 7,010,5 ÷ 11,511,5 ÷ 12,5

Nhìn thấyHồng ngoại nhiệt Hồng ngoại nhiệt Hồng ngoại nhiệt

900 km

2700 km

2700 km

2700 km

Bảng 6 Đặc trưng chính của quỹ đạo và vệ tinh MOS

Độ cao

bay 909 km Thời gian hoàn tất chu kỳ quỹ đạo Khoảng 103 phút

Quỹ đạo Đồng bộ mặt trời Năm phóng vàoquỹ đạo 1987 ( MOS -1) 1990( MOS -1b)Chu kỳ lặp 17 ngày

d Vệ tinh IRS (Indian Remote Sensing Satellite)

Một loạt các vệ tinh viễn thám của Ấn Đ ộ được phóng lên quỹ đạo để thực hiện việc nghiên cứu toàn bộ phần lục địa của bề mặt trái đất, bao gồm vệ tinh IRS-1 phóng vào đầu năm 1988 và đến tháng 12/1995 vệ tinh thế hệ thứ ba IRS-1C được đưa vào quỹ đạo với ba bộ cảm chính PAN (Panchromatic) kênh đơn với độ phân giải cao, LISS - 3 (Linear Imaging Self- scanning sensor) với độ phân giải trung bình cho cả bốn kênh phổ và WiFS(Wide Field Sensor) ứng với hai kênh phổ có độ phân giải thấp Ngoài ra, vệ tinh IRS có thể tạo ảnh lập thể ứng với kênh toàn sắc (PAN) giống như ảnh SPOT nhưng góc quan sát nghiêng của vệ tinh IRS là 26 độ

Bảng 8 Đặc trưng chính của các bộ cảm và độ phân giải không gian của chúng

(µm)

Loại

Độ phân giải (IRS -1C)

Độ phân giải (IRS –1D ) PAN

0,52 ÷ 0,590,62 ÷ 0,680,77 ÷ 0,861,55 ÷ 1,70

Nhìn thấy (lục đến vàng)Nhìn thấy (lục đến đỏ ) Cận hồng ngoại

TM từ kênh 1 đến kênh 4 nên sử dụng tốt cho việc phân biệt thực vật, thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất và quy hoạch tài nguyên thiên nhiên Các thông số kỹ thuật chính của bộ cảm biến và độ phân giải không gian cuả ảnh vệ tinh IRS được liệt kê ở bảng 2.8 và bảng 2.9 cho thấy các đặc trưng chính cuả vệ tinh và quỹ đạo ứng với IRS

- 1C và IRS - 1D (phóng năm 1997)

Bảng 9 Đặc trưng chính của quỹ đạo và vệ tinh IRS

Quỹ đạo Đồng bộ mặt trời Đồng bộ mặt trời

e Vệ tinh IKONOS

đưa vào không gian tháng 9/1999 do Công ty Space Imaging (Hoa Kỳ) và bắt đầu phổ biến ảnh độ phân giải cao từ tháng 3/2000 Bộ cảm biến OSA (Optical sensor assembly) của vệ tinh IKONOS sử dụng nguyên lý quét điện tử và có khả năng thu đồng thời ảnh toàn sắc và đa phổ Ngoài khả năng tạo ảnh có độ phân giải cao nhất vào thời điểm năm 2000, ảnh IKONOS còn có độ phân giải bức xạ rất cao vì sử dụng đến 11 bít để ghi nhận năng lượng phản xạ Nhiều ứng dụng cho việc quản lý đô thị và quy hoạch tại các thành phố lớn trên thế giới đã chứng minh cho ưu thế của ảnh IKONOS độ phân giải cao, trong tương lai ảnh độ phân giải cao sẽ giữ vai trò quan trọng trong việc thành lập bản đồ và quan sát thành phố.

IKONOS chuyển động theo quỹ đạo đồng bộ mặt trời ở độ cao 680km và góc nghiêng của mặt phẳng quỹ đạo là 98,2 độ Vệ tinh IKONOS có chu kỳ lặp lại là

14 ngày (thời gian chụp lại trên cùng vùng đất chỉ từ 1 đến 3 ngày) và thời gian đi qua xích đạo là 10h30 sáng, với bề rộng tuyến chụp là 11km Các thông số cơ bản của bộ cảm biến và độ phân giải không gian của ảnh vệ tinh IKONOS được kê ra ở bảng 2.10

Bảng 10 Đặc trưng chính của quỹ đạo và vệ tinh IKONOS

OSA

Bộ cảm toàn sắc

Bộ cảm đa phổ

Kênh 1Kênh 2Kênh 3Kênh 4

0,45 ÷ 0,900,45 ÷ 0,520,52 ÷ 0,600,63 ÷ 0,690,76 ÷ 0,90

1 m

4 m

Ảnh IKONOS được sử dụng không chỉ để thành lập và cập nhật bản đồ địa hình

tỷ lệ trung bình, giám sát phân tích biến động mà còn có thể tạo ra hình ảnh thực cho khu vực phục vụ dịch vụ kinh doanh và du lịch Các loại ảnh vệ tinh thương mại có

độ phân giải cao khác có thể sử dụng hiện nay như: Orbview - 3, Quickbird, và EROS

1.3 CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA VIỄN THÁM

1.3.1 Tính chất của bức xạ điện từ

Thuật ngữ bức xạ điện từ, do James Clerk Maxwell đặt ra, xuất phát từ những tính chất điện và từ đặc trưng chung cho tất cả các dạng của loại năng lượng giống sóng này, như được biểu lộ bởi sự phát sinh cả trường dao động điện và từ khi sóng truyền trong không gian Ánh sáng khả kiến chỉ đại diện cho một phần nhỏ của phổ bức xạ điện từ (hình 1.14), trải ra từ các tia 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 điện trường (E) và từ trường (B) Hai trường năng lượng dao động vuông góc với nhau

và dao động cùng pha theo dạng đồ thị hàm số sin Các vectơ điện trường và từ trường không chỉ vuông 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, mặc dù chúng vẫn tồn tại (hình 1.14)

Khi lan truyền, sóng điện từ mang theo năng lượng, động lượng và thông tin Sóng điện từ với bước sóng nằm trong khoảng 400 nm và 700 nm có thể được quan sát bằng mắt người và gọi là ánh sáng Bức xạ điện từ truyền năng lượng trên cơ sở các dao động trường điện từ trong không gian hoặc trong lòng các vật chất Quá trình truyền của sóng điện từ tuân theo định luật Maxwell Bức xạ điện từ có tính chất sóng và hạt

Hình 1.14 Bức xạ điện từ

Tính chất sóng của bức xạ điện từ được xác định bởi bước sóng, tần số và tốc độ truyền Tính chất hạt được mô tả theo tính chất quang lượng tử (photon) Bức xạ điện từ có 4 thông số cở bản: tần số (bước sóng), hướng truyền, biên độ và mặt phân cực

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

Hình 1.15 Phân loại sóng điện từ

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

6 Sóng rất dài (VLF): 10 km – 100 km

Hệ phương trình Maxwell

Ðể diễn tả trường điện từ một cách định lượng, Maxwell đã thiết lập nên hệ phương trình mang tên Maxwell Trước Maxwell, những hiểu biết của con người về các hiện tượng điện còn rời rạc, chưa được tập hợp và tổng quát hoá lại Ngay đến khoảng năm 1820, người ta vẫn còn quan niệm là điện và từ là hai hiện tượng khác nhau, không có liên hệ gì với nhau cả

Bảng 11 Hệ phương trình Maxwell

Phương trình Maxwell thứ nhất

=

S S

L

S d t

D S

d J l

d H

t

D J H rot

∂

∂ +

=

→

→

→

Phương trình Maxwell thứ hai

S d t

B l

d E

t

B E

Phương trình Maxwell thứ ba

Q dV S

d D

V S

→

∫B d S S

0

=

→

B div

Thí nghiệm của Oersted năm 1820 đã chứng tỏ rằng giữa điện và từ có liên quan, và dòng điện cũng gây nên tác dụng từ Ampere sau khi nghiên cứu kỹ về các hiện tượng điện từ, đã kết luận rằng mọi hiện tượng từ trong tự nhiên, kể cả từ tính của nam châm vĩnh cửu, đều được gây nên bởi dòng điện (giả thuyết về dòng điện phân tử của Ampere)

Sau đó, là những phát minh lớn của Faraday về hiện tượng cảm ứng điện từ Xuất phát từ quan điểm đúng đắn về sự liên quan chặt chẽ giữa các hiện tượng tự nhiên, Faraday cho rằng nếu dòng điện có thể gây nên tác dụng từ thì ngược lại, nam châm (hay các dòng điện) cũng có thể gây nên dòng điện Sau nhiều thí nghiệm, Faraday chứng minh được rằng điều đó là đúng Ðồng thời Faraday nêu lên ý kiến về vai trò của môi trường trung gian trong các hiện tượng điện Ông không thừa nhận sự

tương tác xa, và cho rằng tương tác điện và từ truyền qua một môi trường nào đó, và môi trường đó đóng vai trò cơ bản trong quá trình điện và từ

Maxwell đã phát triển những ý kiến của Faraday một cách sâu sắc và đã xây dựng nên những thuyết định lượng, dùng công cụ toán học Sự liên quan chặt chẽ giữa điện trường và từ trường được xây dựng trên cơ sở lý thuyết chắc chắn, và được biểu diễn bằng các phương trình Maxwell Vì thế thuyết Maxwell là một bước phát triển mới, hoàn thiện những hiểu biết của con người về điện Nó đưa ra khái niệm về điện từ trường, bao gồm điện trường và từ trường, có liên hệ chặt chẽ và chuyển hoá lẫn nhau

Các phương trình Maxwell bao gồm mọi định luật cơ bản của điện trường và từ trường, đó là những phương trình cơ bản, tổng quát của điện từ trường trong các môi trường đứng yên

Thuyết Maxwell không những giải thích được các hiện tượng đã biết, mà còn tiên đoán được nhiều hiện tượng mới, quan trọng Giả thuyết hoàn toàn mới trong thuyết của Maxwell là giả thuyết về trường của dòng điện dịch Trên cơ sở đó, Maxwell đã tiên đoán bằng lý thuyết sự tồn tại của sóng điện từ, tức là từ trường biến thiên, truyền trong không gian với vận tốc xác định

1.3.2 Tương tác năng lượng sóng điện từ trong khí quyển

Giữa bề mặt vỏ Trái đất và vật mang bao giờ cũng có một khoảng khí quyển ảnh hưởng trực tiếp tới quá trình truyền dẫn thông tin Những vật thể gây nên sự tương tác năng lượng sóng điện từ trong khí quyển bao gồm các phân tử khí và các hạt dạng lỏng hay rắn (aerosol, bụi, giọt nước) Các hạt này gây ra những biến đổi như hấp thụ, tán xạ và phản xạ năng lượng sóng điện từ Trong thực tế, các phần tử trong khí quyển hấp thụ năng lượng trong một số khoảng bước sóng nhất định gọi là các kênh hấp thụ Chỉ có bức xạ của sóng siêu cao tần và bước sóng dài hơn là có khả năng xuyên qua mây, mà không bị tán xạ, phản xạ hay hấp thụ

Khí quyển cũng là một nguồn bức xạ điện từ tự nhiên quan trọng Tương tác năng lượng sóng điện từ trong khí quyển diễn ra ở hai dạng: tỏa nhiệt của chính khí quyển và tỏa nhiệt do tái phân tán Khí quyển có đặc tính giống vật đen, sự tỏa nhiệt ở khí quyển có giá trị giống tỏa nhiệt của vật đen ở nhiệt độ 200 – 300 K Tính chất tỏa nhiệt của khí quyển phụ thuộc vào mặt cắt nhiệt của nó và có giá trị cao tại các kênh phổ mà nó hấp thụ nhiệt Sự tỏa nhiệt của khí quyển tuân thủ theo nguyên lý cân bằng nhiệt (định luật Kirchoff)

Đối với vật đen tuyệt đối, ở mọi giá trị nhiệt độ, giá trị hàm phổ biến là không đổi và bằng 1 Nếu giá trị hàm phổ biến không đổi và nhỏ hơn 1, vật được gọi là vật xám Đồ thị thể hiện khả năng hấp thụ bức xạ điện từ của vật đen, vật xám và các vật khác được thể hiện trên hình 1.7

Hình 1.15 Hàm phổ biến cho vật đen và các vật khác

Tái phân tán năng lượng tại khí quyển xảy ra do cơ chế của sự khuyếch tán và phụ thuộc vào hợp chất và thành phần của khí quyển Có hai kiểu tái phân tán năng lượng trong khí quyển: phân tán bức xạ kiểu Reyleigh (khi bức xạ tương tác với các phân tử của khí quyển và các hạt vật chất nhỏ hơn bước sóng của bức xạ điện từ) và kiểu Mie (xảy ra do các hạt trong khí quyển có kích thước bằng bước sóng của năng lượng được dùng trong viễn thám như hơi nước và bụi bẩn).

1.3.3 Tương tác năng lượng sóng điện từ với các đối tượng tự nhiên

Sóng điện từ chiếu tới mặt đất, năng lượng của nó sẽ tác động lên bề mặt vật thể và xảy ra các hiện tượng: phản xạ năng lượng, hấp thụ năng lượng và thấu quang năng lượng Năng lượng bức xạ sẽ chuyển đổi thành ba dạng năng lượng khác nhau Quá trình trên được mô tả theo công thức:

E0=Eρ+Eα +E

Trong đó: E0 – năng lượng ban đầu của bức xạ khi chiếu xuống;

Eρ- năng lượng phản xạ;

Eα- năng lượng hấp thụ;

E - năng lượng thấu quang

Năng lượng của bức xạ điện từ phụ thuộc vào cấu trúc bề mặt đối tượng Tùy thuộc đối tượng, năng lượng phản xạ phổ có thể phản xạ toàn phần, phản xạ một phần, tán xạ toàn phần, tán xạ một phần (hình 1.16)

Hình 1.16 Phản xạ toàn phần (a), phản xạ một phần (b), tán xạ toàn phần (c),

tán xạ một phần (d)

Độ hấp thụ năng lượng điện từ được tính là tỉ số giữa năng lượng phát xạ bị hấp thụ và năng lượng tới:

Năng lượng bức xạ điện từ chiếu tới đối tượng được phản xạ không những phụ thuộc vào bề mặt đối tượng mà còn phụ thuộc vào bước sóng Tại các bước sóng khác

nhau sẽ nhận được khả năng phản xạ phổ khác nhau Sự phụ thuộc của năng lượng phản xạ bức xạ điện từ vào bước sóng của một số đối tượng tự nhiên được mô tả trên hình 1.17.

Hình 1.17 Đặc trưng phản xạ phổ của một số đối tượng tự nhiên

1.3.4 Khả năng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên

Khả năng phản xạ phổ của các vật thể là một trong những thông số cơ bản nhất cần biết khi phân loại ảnh vệ tinh Khả năng phản xạ phổ phụ thuộc vào bước sóng của sóng điện 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 theo công thức sau đây:

%100.)(0

)(

λ

λρ

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 hồng ngoại 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 phần hợp 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 của đất, độ ẩm của đất, hợp chất hữu cơ, vô cơ có trong đất Khả năng phản xạ phổ của đất tỉ lệ nghịch với các yếu tố này

Hình 1.18 Đặc tính phổ của một số loại đất

Cấu trúc của thổ nhưỡng phụ thuộc vào thành phần sét, bụi cát có trong đất Sét là hạn mịn có đường kính nhỏ hơn 0.002mm, bụi có đường kính 0.002 – 0.05mm, cát có đường kính 0.05 – 2mm Với đất hạt mịn thì khoảng cách giữa các hạt nhỏ, với đất hạt lớn, khoảng cách giữa các hạt lớn hơn dẫn đến khả năng vận chuyển không khí và độ ẩm dễ dàng hơn Độ ẩm và lượng nước có trong đất ảnh hưởng lớn đến khả năng phản xạ phổ của thổ nhưỡng

Khả năng phản xạ phổ của thổ nhưỡng phụ thuộc vào độ ẩm của đất Khi độ ẩm tăng, khả năng phản xạ sẽ bị giảm (hình 1.19)

Hình 1.19 Khả năng phản xạ phổ phụ thuộc độ ẩm của thổ nhưỡng

Một yếu tố khác ảnh hưởng đến khả năng phản xạ phổ của thổ nhưỡng là hợp chất hữu cơ có trong đất Với hàm lượng hợp chất hữu cơ từ 0.5 – 5.0% đất sẽ có màu nâu sẫm (phản xạ phổ yếu) Nếu hàm lượng chất hữu cơ trong đất thấp hơn, khả năng phản xạ phổ sẽ cao hơn Khả năng phản xạ phổ của thổ nhưỡng còn phụ thuộc vào hàm lượng oxit sắt chứa trong đất Khả năng phản xạ phổ tăng khi hàm lượng oxit sắt trong đất giảm xuống (đặc biệt là vùng phổ nhìn thấy) Trong dải sóng điện từ này, khả năng phản xạ phổ có thể giảm đến 40% khi hàm lượng oxit sắt trong đất tăng lên Khi loại bỏ oxit sắt ra khỏi đất, khả năng phản xạ phổ tăng lên một cách rõ rệt, đặc biệt trong dải sóng điện từ 0.5 μm – 1.1 μm

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 biệt là hàm lượng chất diệp lục (clorophyl) Trong dải sóng này, thực vật ở trạng thái tươi tốt với hàm lượng diệp lục

cao trong lá cây sẽ có khả năng phản xạ phổ cao ở bước sóng xanh lá cây (green), giảm xuống ở vùng sóng đỏ (red) và tăng rất mạnh ở vùng sóng cận hồng ngoại (NIR).

Khả năng phản xạ phổ của lá cây ở vùng sóng ngắn và vùng ánh sáng đỏ thấp Hai vùng suy giảm khả năng phản xạ phổ này tương ứng với hai dải sóng bị chất diệp lục (clorophyl) hấp thụ Ở vùng sóng này, chất diệp lục hấp thụ phần lớn năng lượng chiếu tới, do vậy khả năng phản xạ phổ của lá cây không lớn Ở bước sóng xanh lá cây (green), khả năng phản xạ phổ của lá cây rất cao, do đó lá cây ở trạng thái tươi tốt được mắt người cảm nhận ở màu lục (green) Khi lá úa hoặc có bệnh, hàm lượng clorophyl giảm đi, khả năng phản xạ phổ cũng thay đổi, mắt người sẽ cảm nhận lá cây có màu vàng, đỏ Ở vùng sóng hồng ngoại, ảnh hưởng chủ yếu đến khả năng phản xạ phổ của lá cây là hàm lượng nước chứa trong lá

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 hưởng hấp thụ (sự hấp thụ mạnh diễn ra với dải sóng trong khoảng từ 2.66 μm–2.73 μm) Khi hàm lượng nước chứa trong lá giảm đi, khả năng phản xạ phổ của lá cây cũng tăng lên đáng kể

Hình 1.20 Một số yếu tổ ảnh hưởng đến khả năng phản xạ phổ của thực vật

Đặc trưng phản xạ phổ của nước Khả năng phản xạ phổ của nước thay đổi

theo bước sóng của bức xạ chiếu tới và thành phần vật chất có trong nước Ngoài ra, khả năng phản xạ phổ của nước còn phụ thuộc vào 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 biệt một cách rõ ràng Nước có khả năng hấp thụ rất mạnh năng lượng ở bước sóng cận hồng ngoại và hồng ngoại, do đó năng lượng phản xạ sẽ rất ít Ở dải sóng dài, khả năng phản xạ phổ của nước khá nhỏ nên có thể sử dụng các kênh ở dải sóng ngoài để xác định ranh giới nước – đất liền

Trong nước chứa nhiều thành phần hữu cơ và vô cơ, cho nên khả năng phản xạ phổ của nước phụ thuộc vào thành phần và trạng thái của nước Nước đục có khả năng

ảnh hưởng đến khả năng phản xạ phổ của nước (giảm khả năng phản xạ phổ ở dải sóng ngắn, tăng ở dải sóng màu xanh lá cây) Ngoài ra, một số yếu tố khác cũng ảnh hưởng đến khả năng phản xạ phổ của nước, tuy không thể hiện rõ rệt qua sự khác biệt của đồ thị phổ: độ mặn của nước biển, hàm lượng khí metan, oxi, nitơ, cacbonic, trong nước.

Độ thấu quang của nước phụ thuộc vào độ đục/trong Nước biển, nước ngọt, nước cất đều có chung đặc tính thấu quang, tuy nhiên với nước đục, độ thấu quang giảm rõ rệt và với bước sóng càng dài, độ thấu quang càng lớn Khả năng thấu quang cao và hấp thụ năng lượng ít ở dải sóng nhìn thấy đối với lớp nước mỏng (ao, hồ nông) và trong là do năng lượng phản xạ của lớp đáy: cát, đá,

Bảng 12 Độ thấu quang của nước phụ thuộc bước sóng

Hình 1.21 Khả năng thấu quang của một số loại nước

1.3.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên

Các đối tượng tự nhiên khác nhau có đặc trưng phản xạ phổ khác nhau Tuy nhiên, khả năng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên cũng chịu ảnh hưởng bởi một số yếu tố chung như yếu tố thời gian, không gian, khí quyển

Yếu tố thời gian.Yếu tố thời gian là một trong những yếu tố quan trọng nhất

ảnh hưởng đến khả năng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên, đặc biệt là các đối tượng có sự thay đối theo thời gian như lớp phủ thực vật Sự thay đổi theo thời gian của các đối tượng tự nhiên dẫn đến khả năng phản xạ phổ cũng thay đổi theo, ví dụ lúa có màu khác nhau theo thời vụ, cây rụng lá vào mùa đông nên khả năng phản xạ phổ cũng khác mùa hè, Do vậy, khi phân tích ảnh cần biết rõ thời vụ, thời điểm thu nhận ảnh và đặc điểm của đối tượng cần phân loại

Yếu tố không gian Yếu tố không gian bao gồm yếu tố không gian cục bộ và

yếu tố không gian địa lý Yếu tố không gian cục bộ thể hiện khi chụp ảnh cùng một loại đối tượng (cây trồng theo hàng và cây trồng theo mảng lớn có độ phản xạ phổ khác nhau) Yếu tố không gian địa lý thể hiện ở chỗ, cùng một loại đối tượng nhưng sinh trưởng ở các vùng khác nhau thì khả năng phản xạ phổ khác nhau Với các góc

chụp khác nhau, cùng một loại đối tượng 2 bên sườn núi sẽ có khả năng phản xạ phổ khác nhau,

Yếu tố khí quyển Khí quyển ảnh hưởng rất lớn đến khả năng phản xạ phổ của

đối tượng tự nhiên Khí quyển có thể ảnh hưởng đến số liệu viễn thám bằng hai cách: tán xạ (làm đổi hướng tia chiếu) và hấp thụ năng lượng Do vậy, trước khi phân loại các đối tượng trên ảnh, thông thường một bước bắt buộc là phải hiệu chỉnh khí quyển (atmospheric correction) nhằm giảm thiểu sự ảnh hưởng của các yếu tố khí quyển đến chất lượng ảnh

Chương 2: ẢNH VỆ TINH QUANG HỌC VÀ

XỬ LÝ ẢNH VỆ TINH QUANG HỌC 2.1 KHÁI NIỆM VỀ ẢNH SỐ

Dữ liệu viễn thám thường được sử dụng ở hai dạng: dữ liệu tương tự (analog data) và dữ liệu số (digital data) Dữ liệu tương tự có các giá trị liên tục theo thời gian Hầu hết các dữ liệu được thu thập bởi bộ cảm biến cũng là dữ liệu liên tục (nhiệt độ, không khí, ) Dữ liệu số là các dữ liệu có giá trị rời rạc theo thời gian như ảnh viễn thám thu nhận được từ các vệ tinh nhân tạo

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

n được xác định như sau:

Trong đó m = 0, 1,…, M; n = 0, 1,…, N; là bước nhảy số hóa Trong trường hợp , M = N, các giá trị rời rạc được gán vào các giá trị độ xám g(m,n) tương ứng của 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.

Giá trị độ xám Giá trị độ xám là sự mã hoá tương ứng cường độ sáng của mỗi điểm ảnh bởi một giá trị số Quá trình mã hoá này được nhờ hoạt động của các thiết bị tích điện kép (Charge Coupled Devices, CCD) trong các bộ cảm biến Khi dùng các bộ cảm biến này để chụp ảnh số hoặc quét ảnh, các hạt lượng tử ảnh sáng (photon) đập vào các pixel của CCD và tạo ra sự tích điện trong mỗi pixel đó Các điện tích gây ra bởi các lượng tử ánh sáng được truyền tới “bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số” Bộ chuyển đổi này đo các điện tích đó và chuyển chúng sang tín hiệu số tương ứng tuỳ theo độ lớn khác nhau của các điện tích (Bethel, 1990) Dưới dạng tín hiệu số, mỗi pixel được gán cho một giá trị số, các giá trị số này được thể hiện bằng mức độ xám tương ứng Các phần tử của ma trận độ xám g(m,n) có dạng:

Trên thực tế, ảnh số được lưu trữ với nhiều thang độ xám Để mở rộng thang độ xám của ảnh số phải dùng nhiều bit hơn để lưu trữ từng pixel, ảnh n bit có thang độ xám từ 0 đến (2n −1) Mã hoá hiện nay đang được sử dụng nhiều nhất và phổ thông nhất trong các công nghệ ảnh số là 256 cấp độ xám (8 bit), do vậy với 256 cấp độ xám mỗi pixel được mã hoá trên 8 bit ( = 1byte)

Ví dụ về ảnh số và giá trị độ xám của pixel ảnh được minh họa trên hình 2 1 dưới đây

Hình 2.1 Ma trận thể hiện giá trị các pixel trên ảnh LANDSAT ETM+

Ngày nay, dữ liệu viễn thám dùng để nghiên cứu và quan sát tài nguyên môi trường đa phần là dữ liệu ảnh số So với dữ liệu tương tự (ảnh phim), dữ liệu ảnh số có nhiều ưu điểm vượt trội như:

 Dữ liệu ảnh số chứa thông tin gốc về một đối tượng tốt hơn dữ liệu trên ảnh chụp phim có cùng độ phân giải (khi rửa phim có thể làm mất thông tin);

 Dữ liệu ảnh số cho phép xử lý tự động và phân loại nhanh;

 Dữ liệu ảnh số có dải phổ lớn và nhiều kênh hơn so với dữ liệu chụp trên phim ảnh;

 Dữ liệu ảnh số phủ một vùng rộng lớn hơn khả năng của ảnh chụp phim;

 Có thể lưu trữ gọn nhẹ trên máy tính;

 Truyền tải nhanh trên mạng;

 Ít khả năng hỏng như ảnh chụp phim

2.2 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 vệ tinh mà dựa vào đó ta có thể xác định khả năng phân loại, nghiên cứu vật thể Độ phân giải ảnh 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 kỹ thuật đối với các thông số trên Ví dụ, khi nghiên cứu biến động thực vật cần dữ liệu ảnh vệ tinh đa phổ, chụp ở các thời gian khác nhau, trên ảnh không có mây Khi thành lập và hiện chỉnh 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

2.2.1 Độ phân giải không gian (spatial resolution)

Độ phân giải không gian (Spatial resolution) 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 giải này phụ thuộc vào kích thước của pixel ảnh, độ tương phản hình ảnh, điều kiện khí quyển và 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 của một pixel tương ứng với một đơn vị chia mẫu trên mặt đất Ví dụ, ảnh vệ tinh LANDSAT 7 ở các kênh blue, green, red có độ phân giải 30 x 30 m, điều đó có nghĩa là trên các kênh ảnh này có thể nhận biết được vật thể có kích thước 30 x 30 m trên mặt đất

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

2.2.2 Độ phân giải bức xạ

Để lưu trữ, xử lý và hiển thị ảnh vệ tinh trong máy tính kiểu raster, tùy thuộc vào số bit dùng để ghi nhận thông tin, mỗi pixel sẽ có giá trị hữu hạn ứng với từng cấp độ xám (brightness value) 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 (số bit dùng để ghi nhận thông tin ảnh vệ tinh) Phần lớn dữ liệu ảnh viễn thám hiện nay được lưu trữ ở dạng 8 bit, một số ảnh vệ tinh độ phân giải cao có thể lưu trữ ở dạng 16 bit Ảnh vệ tinh được lưu trữ ở dạng 8 bit sẽ có 256 cấp độ xám (0 – 255), 16 bit có 65536 cấp độ xám (0 – 65535)

2.2.3 Độ phân giải phổ (spectral resolution)

Cùng một vùng phủ mặt đất tương ứng, các pixel sẽ cho giá trị riêng biệt theo từng vùng phổ ứng với các bước sóng khác nhau Do đó, thông tin được cung cấp theo từng loại ảnh 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 bước sóng có kích thước tương tự, cũng như tách biệt được các bức xạ từ nhiều vùng phổ khác nhau

Độ phân giải phổ thể hiện độ nhạy tuyến tính của bộ cảm biến trong khả năng phân biệt sự thay đổi nhỏ nhất của cường độ phản xạ sóng từ các vật thể Ví dụ, ảnh LANDSAT 7 có vùng phổ từ 0.45 μm đến 12.5 μm , bao gồm 8 kênh phổ, trong đó các kênh ở dải sóng nhìn thấy, cận hồng ngoại, giữa hồng ngoại có độ phân giải không gian 30 x 30m; kênh hồng ngoại nhiệt có độ phân giải 60 x 60m; kênh toàn sắc có độ phân giải 10 x 10m Ảnh siêu phổ (HyMap, AVIRIS) có thể chứa hàng trăm kênh phổ

2.2.4 Độ phân giải thời gian (temporal resolution)

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 tinih sẽ quay 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 chụp vào các ngày khác nhau cho phép so sánh đặc trưng bề mặt theo thời gian Ưu điểm của độ phân giải thời gian là cho phép cung cấp thông tin chính xác hơn và nhận biết sự biến động của khu vực cần nghiên cứu Hầu hết các vệ tinh đều bay qua cùng một điểm vào một khoảng thời gian cố định (từ vài giờ, vài ngày đến vài tuần) phụ thuộc vào quỹ đạo và độ phân giải không gian Ví dụ, độ phân giải thời gian của ảnh vệ tinh LANDSAT 7 là 16 ngày, của ảnh vệ tinh MODIS là 0.5 – 1 ngày phụ thuộc vào diện tích vùng chụp, của ảnh vệ tinh IKONOS là 3 ngày, Ảnh viễn thám

đa thời gian thường được sử dụng trong nghiên cứu biến động bề mặt Trái đất, xác

định khả năng sinh trưởng của cây trồng cũng như dự báo năng suất mùa vụ, nghiên cứu hiện trạng thực vật, …

2.3 KHUÔN DẠNG DỮ LIỆU ẢNH

Ảnh số được lưu trữ trong các thiết bị gọi là phương tiện lưu trữ Ngày nay, các phương tiện lưu trữ ảnh số rất đa dạng và phong phú, từ băng từ tương thích cho máy tính (computer compatible tape) hoặc trên CD – ROM dưới dạng các file mà máy tính đọc được Một file ảnh số thông thường có 3 file thông tin chính sau:

1 File header – ghi nhận thông tin chú giải về dữ liệu;

2 File ghi nhận thông tin về nắn chỉnh phổ, nắn chỉnh hình học, cấu trúc file ảnh số, ;

3 File chính có dung lượng lớn nhất (file dữ liệu)

Dữ liệu ảnh số cấu thành từ 3 file này thường được lưu trữ theo các khuôn dạng khác nhau bao gồm: BSQ, BIL, BIP Đây là sự phối hợp vị trí không gian (hàng, cột) và giá trị độ xám để thu nhận, lưu trữ, thể hiện và phân tích ảnh

Khuôn dạng dữ liệu kiểu BSQ (band sequence) – trong khuôn dạng dữ liệu

kiểu này tất cả các dữ liệu thuộc một kênh ảnh được lưu trữ riêng thành một file Nếu như ảnh số về một khu vực nào đó gồm bao nhiêu kênh ảnh thì sẽ có bấy nhiêu file dữ liệu

Khuôn dạng dữ liệu kiểu BSQ có ưu điểm là đễ đọc, cho phép chọn kênh bất kỳ và rất thuận tiện khi xuất ảnh hoặc tổ hợp màu ảnh vệ tinh

Khuôn dạng dữ liệu kiểu BIL (band interleave by lines) – là cấu trúc xen

đường trong băng phổ Giá trị số của các kênh sẽ lần lượt ghi nhận thứ tự từ dòng một cho đến hết và cho ra file dữ liệu chung cho tất cả các kênh ảnh

Khuôn dạng dữ liệu kiểu BIP (band Interleaved by Pixel ) – cấu trúc xen

pixel trong băng phổ, ghi nhận dữ liệu theo kiểu pixel 1, line 1, band 1, pixel 1, line 1, band 2, pixel 1, line 1, band 3, Trong khuôn dạng dữ liệu BIP, mỗi pixel ảnh được lưu trữ tuần tự theo các kênh, nghĩa là các kênh phổ được ghi theo hàng và cột của từng pixel Sau khi kết thúc tổ hợp phổ của pixel này lại chuyển sang tổ hợp phổ của pixel khác

Khuôn dạng dữ liệu kiểu BIP sử dụng thuận lợi trong phân loại tự động các đối tượng trên ảnh và xử lý ảnh đa biến

Định dạng ảnh số rất đa dạng và phong phú, từ các định dạng quen thuộc như BMP, GIF, JPEG, PNG đến các định dạng khác, trong đó có định dạng thô (RAW) giúp lưu trữ nhiều thông tin hơn về hình ảnh đã chụp Ảnh thô RAW là định dạng ảnh được coi là “âm bản” ảnh số (digital negative), chứa đầy đủ thông tin được cảm biến của máy ảnh ghi lại, chưa được xử lý và nén nhỏ thành các định dạng khác như JPEG Ngày nay, mỗi phần mềm xử lý ảnh vệ tinh (ENVI, ERDAS IMAGINE,…) lại sử dụng một định dạng khác nhau như IMG (ERDAS IMAGINE), HDR (ENVI)

2.4 PHÂN TÍCH ẢNH BẰNG MẮT

2.4.1 Khái niệm

Phân tích hay giải đoán ảnh bằng mắt là quá trình sử dụng mắt người cùng với trí tuệ để tách chiết các thông tin từ tư liệu viễn thám dạng hình ảnh Trong việc xử lý ảnh viễn thám, giải đoán bằng mắt (visual interpretaion) là công việc đầu tiên, phổ biến nhất và có thể áp dụng trong mọi điều kiện có trang thiết bị từ đơn giản đến phức tạp Việc phân tích ảnh bằng mắt có thể được trợ giúp bằng một số thiết bị quang học

từ đơn giản đến phức tạp như kính lúp, kính lập thể, kính phóng đại, kính tổ hợp mầu, nhằm nâng cao khả năng phân tích của mắt người Phân tích ảnh bằng mắt là công việc

có thể áp dụng một cách dễ dàng trong mọi điều kiện và có thể phục vụ cho nhiều nội dung nghiên cứu khác nhau: nghiên cứu lớp phủ mặt đất, nghiên cứu rừng, thổ nhưỡng, địa chất, địa mạo, thuỷ văn, sinh thái, môi trường Kết quả phân loại ảnh bằng mắt có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong việc lẫy mẫu phân loại phục 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 chóng và 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 và phụ thuộc vào khả năng của người phân loại Bên cạnh đó, phương pháp phân loại bằng mắt không thể xử lý lượng thông tin lớn cũng như không phát hiện được các đối tượng ngụy trang Phương pháp này thông thường chỉ sử dụng trong trường hợp phân loại các đối tượng đơn giản (cây cối, nhà cửa, sông hồ) và tỏ ra có hiệu quả với ảnh độ phân giải không gian cao

2.4.2 Các dấu hiệu phân loại

Những yếu tố cơ bản để phân loại ảnh bằng bắt bao gồm kích thước, hình dạng, màu sắc, 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 tỷ lệ ảnh, kích thước có thể được xác định nếu lấy kích thước đo được trên ảnh nhân với nghịch đảo tỷ lệ của ảnh Do vậy, khi phân loại ảnh bằng mắt, điều quan trong phải xác định được độ phân giải không gian, kích thước pixel cũng như tỉ lệ ảnh Đối với ảnh vệ tinh độ phân 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 chỉ phát 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 xuống được coi là dấu hiệu giải đoán ảnh quan trọng (ruộng thường có dạng hình vuông hay chữ nhật, 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 theo bóng 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 vệ tinh quang học thường làm giảm khả năng giải đoán đối với khu vực nhiều nhà cao tầng, rất khó khăn trong việc xác định diện tích của vật thể Trong nhiều trường hợp, bóng râm do mây 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 ánh sáng 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) Trong ảnh quang học, khi tổ hợp màu đúng 3, 2, 1, rừng tự nhiên có màu xanh đậm hơn rừng trồng, nước trong có màu xanh hơn nước chứa nhiều phù sa, Độ đậm nhạt của ảnh là yếu tố rất quan 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 cho những người không có kinh nghiệm) Trong phân tích ảnh bằng mắt khi sử dụng ảnh hồng ngoại 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 hiển thị 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 thường theo một quy luật nhất định trên một vùng ảnh mà trong một mối quan hệ với đối tượng cần nghiên cứu, các đối tượng nhỏ này sẽ quyết định đối tượng đó có cấu trúc là mịn hay sần sùi

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 luật nhất định, nghĩa là sự lặp lại theo trật tự cụ thể của tone ảnh hay cấu trúc

sẽ tạo ra sự phân biệt và đồng thời có thể nhận biết được hình mẫu Hình mẫu cung cấp thông tin từ sự đồng nhất 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 tin giải 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 và đạt kết quả chính xác thống nhất cho các đối tượng từ nhiều người khác nhau Kết quả giải đoán chủ yếu phụ thuộc vào khóa giải đoán, thông thường khóa giải đoán được thành lập dựa trên những vùng nghiên cứu thử nghiệm đã được điều tra kỹ lưỡng Bằng cách sử dụng khóa giải đoán, người giải đoán có thể phát triển mở rộng

và phân tích cho nhiều vùng khác trên cơ sở cùng một loại tư liệu cũng như cùng mùa

và thời gian chụp ảnh do đó giúp cho công tác giải đoán nhanh hơn và đảm bảo được tính thống nhất trong quá trình giải đoán

2.5 XỬ LÝ ẢNH SỐ

Các dữ liệu ảnh vệ tinh thu được trong kỹ thuật viễn thám thường được lưu dưới dạng ảnh 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 thể lưu 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-ROM để 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

-Các dữ liệu ảnh vệ tinh thu được trong viễn thám thường dưới dạng số và được xử

lý bởi máy tính để tạo ảnh đã được giải đoán ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau

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