Câu 1: hệ thống viễn thám Hình. Nguyên lý thu nhận ảnh vệ tinh Hệ thống viễn thám thường bao gồm 7 phần tử có quan hệ chặt chẽ với nhau. Theo trình tự hoạt động của hệ thống, chúng ta có: 1. Nguồn năng lượng. Thành phần đầu tiên của một hệ thống viễn thám là nguồn năng lượng để chiếu sáng hay cung cấp năng lượng điện từ tới đối tượng quan tâm. Có loại viễn thám sử dụng năng lượng mặt trời, có loại tự cung cấp năng lượng tới đối tượng. 2. Những tia phát xạ và khí quyển. Vì năng lượng đi từ nguồn năng lượng tới đối tượng nên sẽ phải tương tác với vùng khí quyển nơi năng lượng đi qua. Sự tương tác này có thể lặp lại ở một vị trí không gian nào đó vì năng lượng còn phải đi theo chiều ngược lại, tức là từ đối tượng đến bộ cảm. 3. Sự tương tác với đối tượng. Sự tương tác này có thể là truyền qua đối tượng, bị đối tượng hấp thu hay bị phản xạ trở lại vào khí quyển. 4. Thu nhận năng lượng bằng bộ cảm. Sau khi năng lượng được phát ra hay bị phản xạ từ đối tượng, chúng ta cần có một bộ cảm từ xa để tập hợp lại và thu nhận sóng điện từ. Năng lượng điện từ truyền về bộ cảm mang thông tin về đối tượng. 5. Sự truyền tải, thu nhận và xử lý. Năng lượng được thu nhận bởi bộ cảm cần phải được truyền tải, thường dưới dạng điện từ, đến một trạm tiếp nhậnxử lý nơi dữ liệu sẽ được xử lý sang dạng ảnh. Ảnh này chính là dữ liệu thô. 6. Giải đoán và phân tích ảnh. Ảnh thô sẽ được xử lý để có thể sử dụng được. Để lấy được thông tin về đối tượng người ta phải nhận biết được mỗi hình ảnh trên ảnh tương ứng với đối tượng nào. Công đoạn để có thể “nhận biết” này gọi là giải đoán ảnh. 7. Ứng dụng. Đây là phần tử cuối cùng của quá trình viễn thám, được thực hiện khi ứng dụng thông tin mà chúng ta đã chiết được từ ảnh để hiểu rõ hơn về đối tượng mà chúng ta quan tâm, để khám phá những thông tin mới, kiểm nghiệm những thông tin đã có ... nhằm giải quyết những vấn đề cụ thể. Nguyên lý của hệ thống viễn thám : Nguồn năng lượng phát ra từ mặt trời (hoặc từ vệ tinh, từ vật thể) tới đối tượng tự nhiên. Các đối tượng tự nhiên sẽ phản xạ lại một phần năng lượng chiếu tới. Bộ cảm gắn trên vệ tinh thực hiện nhiệm vụ thu nhận năng lượng phản xạ từ các đối tượng tự nhiên và chuyển thành tín hiệu số (dạng ảnh hoặc không phải dạng ảnh). Sau đó các tín hiệu này được truyền xuống trạm thu mặt đất (trực tiếp hoặc gián tiếp). Tiếp theo là công tác phân tích, giải đoán chiết tách thông tin (F) để ứng dụng vào từng mục đích cụ thể (G).
Trang 1CƠ SỞ VIỄN THÁM Câu 1: hệ thống viễn thám
Hình Nguyên lý thu nhận ảnh vệ tinh
Hệ thống viễn thám thường bao gồm 7 phần tử có quan hệ chặt chẽ với nhau Theo trình tự hoạt động của hệ thống, chúng ta có:
1 Nguồn năng lượng Thành phần đầu tiên của một hệ
thống viễn thám là nguồn năng lượng để chiếu sáng hay cung cấp năng lượng điện từ tới đối tượng quan tâm Có loại viễn thám sử dụng năng lượng mặt trời, có loại tự cung cấp năng lượng tới đối tượng
2 Những tia phát xạ và khí quyển Vì năng lượng đi từ
nguồn năng lượng tới đối tượng nên sẽ phải tương tác với vùng khí quyển nơi năng lượng đi qua Sự tương tác này có thể lặp lại ở một vị trí không gian nào đó vì năng lượng còn phải đi theo chiều ngược lại, tức là từ đối tượng đến bộ cảm
3 Sự tương tác với đối tượng Sự tương tác này có thể là
truyền qua đối tượng, bị đối tượng hấp thu hay bị phản xạ trở lại vào khí quyển
4 Thu nhận năng lượng bằng bộ cảm Sau khi năng
lượng được phát ra hay bị phản xạ từ đối tượng, chúng ta cần
Trang 2có một bộ cảm từ xa để tập hợp lại và thu nhận sóng điện từ Năng lượng điện từ truyền về bộ cảm mang thông tin về đối tượng
5 Sự truyền tải, thu nhận và xử lý Năng lượng được thu
nhận bởi bộ cảm cần phải được truyền tải, thường dưới dạng điện từ, đến một trạm tiếp nhận-xử lý nơi dữ liệu sẽ được xử
lý sang dạng ảnh Ảnh này chính là dữ liệu thô
6 Giải đoán và phân tích ảnh Ảnh thô sẽ được xử lý để
có thể sử dụng được Để lấy được thông tin về đối tượng người ta phải nhận biết được mỗi hình ảnh trên ảnh tương ứng với đối tượng nào Công đoạn để có thể “nhận biết” này gọi là giải đoán ảnh
7 Ứng dụng Đây là phần tử cuối cùng của quá trình viễn
thám, được thực hiện khi ứng dụng thông tin mà chúng ta đã chiết được từ ảnh để hiểu rõ hơn về đối tượng mà chúng ta quan tâm, để khám phá những thông tin mới, kiểm nghiệm những thông tin đã có nhằm giải quyết những vấn đề cụ thể Nguyên lý của hệ thống viễn thám :
Nguồn năng lượng phát ra từ mặt trời (hoặc từ vệ tinh, từ vật thể) tới đối tượng tự nhiên
Các đối tượng tự nhiên sẽ phản xạ lại một phần năng lượng chiếu tới Bộ cảm gắn trên vệ tinh thực hiện nhiệm vụ thu nhận năng lượng phản xạ từ các đối tượng tự nhiên và chuyển thành tín hiệu số (dạng ảnh hoặc không phải dạng ảnh)
Sau đó các tín hiệu này được truyền xuống trạm thu mặt đất (trực tiếp hoặc gián tiếp) Tiếp theo là công tác phân tích, giải đoán chiết tách thông tin (F) để ứng dụng vào từng mục đích
cụ thể (G)
Trang 3Câu 2: trình bày nội dung phương pháp phân loại có kiểm định ,không kiểm định
-phân loại có kiểm định
- Trong phân loại có kiểm định, người phân tích dựa trên những thông tin biết trước đó về đặc tính phổ của các lớp, tiến hành lấy mẫu nhằm tạo nên các ranh giới cho mỗi lớp trong không gian phổ Sau đó thì mỗi pixel trong ranh giới của 1 lớp
sẽ được phân chia về lớp đó
Quá trình phân loại có kiểm định bao gồm các bước sau:
- Xây dựng hệ thống chú giải:
+ Với mỗi lớp, chọn ra môt tập các pixel tiêu biểu cho lớp đó gọi là tập mẫu
+ Các tập mẫu có thể lấy được từ đi thực địa, từ bản đồ, hay ảnh độ phân giải cao
+ Các tập mẫu được dùng để xác định các pixel của ảnh vào từng lớp chú giải bằng các thuật toán phân loại Các thuật toán phân loại Có một số phương pháp phân loại:
- Thuật toán phân loại theo xác suất cực đại (Maximum likelihood)
- Thuật toán phân loại theo khoảng cách ngắn nhất (Minimum distance)
- Thuật toán phân loại hình hộp
+Tạo ảnh (hoặc bản đồ) phân loại, tính toán các thống kê của việc phân loại
+Phân loại không kiểm định
Là việc phân loại thuần túy theo tính chất phổ mà không biết
rõ tên hay tính chất của lớp phổ đó và việc đặt tên chỉ là tương đối Khác với phân loại có kiểm định ,phân loại không kiểm
Trang 4định không tạo các vùng mẫu mà chỉ là việc phân lớp phổ và quá trình phân lớp phổ đồng thời là quá trình phân loại
Các pixel được gộp lớp, các lớp kết quả không biết trước và
số lớp cũng có thể không biết trước
Phân loại không giám định có thể được dùng như một phương tiện để sơ bộ tìm hiểu sự chia lớp của một vùng sắp khảo sát hay trong trường hợp thông tin về các lớp phủ là không đầy
đủ, hoặc thậm chí không có
Điểm khác nhau về khả năng ứng dụng
- Phân loại có kiểm định: Dùng trong trường hợp có đầy
đủ thông tin về các lớp phủ
- Phân loại không kiểm định: Dùng trong trường hợp thông tin về các lớp phủ là không đầy đủ, hoặc thậm chí không có, hoặc dùng để phân loại sơ bộ trước khi phân loại có kiểm định
-Câu 3 Phân loại viễn thám theo nguồn năng lượng sử
dụng và theo bước sóng? Cho ví dụ?
• Phân loại theo nguồn sử dụng(nguồn tín hiệu):
- Viễn thám chủ động: nguồn tia tới là tia sáng phát ra từ các thiết bị nhân tạo, thường là các máy phát đặt trên các thiết bị bay
ví dụ : RADAR và LiDAR là những ví dụ về bộ cảm chủ
động trong khi đó có thời gian trễ giữa lúc phát ra và thu nhận sóng điện từ trong quá trình đo đạc để xác định vị trí, vận tốc
và phương hướng di chuyển của một đối tượng
- Viễn thám bị động: nguồn phát bức xạ là mặt trời hoặc từ các vật chất tự nhiên
Trang 5ví dụ : các bộ cảm viễn thám thụ động như phim trong nhiếp ảnh hồng ngoại, thiết bị tích hợp sạt và máy đo sóng radio
• Phân loại theo bước sóng:
- Viễn thám trong dải sóng nhìn thấy và hồng ngoại:
- 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
ví dụ : Nghiên cứu hiện tượng tán sắc của ánh sáng
- 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
ví dụ : Nghiên cứu sinh khối thảm thực vật cây lương thực tại Việt Nam Làm chủ công nghệ chế tạo động cơ, các chi tiết, cụm chi tiết quan trọng trong sản xuất, lắp ráp ôtô, tàu thủy, toa xe, máy xây dựng nhằm tạo ra các phương tiện vận tải thay thế nhập khẩu và tiến tới xuất khẩu
Trang 6Câu 4: Trình bày đặc trưng phản xạ phổ của thực vật? Phát biểu các khái niệm về độ phân giải của ảnh vệ tinh?
Khả năng phản xạ phổ của thực vật thay đổi theo chiều dài bước song
Phản xạ mạnh ở vùng sóng hồng ngoại gần(λ>720nm),hấp thụnm),hấp thụ mạnh ở vùng sóng đỏ(λ=680nm),hấp thụ->720nm),hấp thụnm)
- Trong vùng ánh sáng nhìn thấy các sắc tố của lá cây ảnh hưởng đến đặc tính phản xạ phổ của nó, đặc biệt là chất
clorophin trong lá cây
- Thực vật phản xạ phổ cao nhất ở bước song màu lục (0nm),hấp thụ,5-0nm),hấp thụ.6 m)(Tương ứng với dải sóng màu lục –green )trong vùng nhìn thấy có màu xanh lục Khi diệp lục tố giảm đi thực vật chuyển sang khả năng phản xạ ánh sang màu đỏ trội hơn , dẫn đến lá cây có màu vàng
Trang 7- Các đặc trưng phản xạ phổ của thực vật nổi bật nhất ở vùng hồng ngoại gần(0nm),hấp thụ.7-1.4μm), là vùng bước sóng mà thực m), là vùng bước sóng mà thực vật có phản xạ cao nhất Mức độ phản xạ của thực vật phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố khác nhau, có thể kể đến là lượng chlổphyll(diệp lục), độ dày tán lá và cấu trúc tán lá
- Vùng cận hồng ngoại do trong lá cây có nước nên nó hấp thụ bức xạ vùng hồng ngoại do đó phản xạ phổ của lá cây giảm
- Khi lá cây bị úa hoặc có bệnh , hàm lượng clorophin trong lá giảm đi lúc đó khả năng phản xạ phổ cũng bị thay đổi
và trên ảnh vệ tinh lá cây có màu vàng đỏ
- Ở vùng hồng ngoại ảnh hưởng chủ yếu đến khả năng phản xạ phổ của lá cây là hàm lượng nước trong lá khi hàm lượng nước trong lá cây giảm đi thig khả năng phản xạ phổ của lá cây tăng lên đáng kể
Tóm lại : khả năng phản xạ phổ cả mỗi loại thực vật khác nhau là khác nhau Đặc tính chung nhất về khả năng phản xạ phổ của thực vật là:
Ở vùng ánh sáng nhìn thấy,vùng hồng ngoại và cận hồng ngoại khả năng phản xạ phổ khác nhau,phần lớn năng lượng
bị hấp thụ bởi chất diệp lục có trong lá cây,1 phần nhỏ thấu qua lá còn lại bị phản xạ
Ở vùng cận hồng ngoại,cấu trúc lá làm khả năng phản xạ phổ tăng lên rõ rệt
Ở vùng hồng ngoại,nhân tó ảnh hưởng lớn tới khả năng phản xạ phổ của lá là hàm lượng nước trong lá.Khi độ ẩm trong lá cao,năng lượng hấp thu là cực đại
Các khái niệm về độ phân giải của ảnh vệ tinh:
Trang 8- Độ phân giải là:số điểm ảnh(pixel) có trên 1 đơn vị chiều dài của hình ảnh đó
- Độ phân giải không gian là kích thước của pixel trên mặt đất hay kích thước của các đối tượng nhỏ nhất có khả năng phân biệt trên ảnh
- Độ phân giải thời gian là thời gian để các bộ cảm thu nhận tín hiệu mặt đất
- Độ phân giải phổ là số lượng và kích thước của các
khoảng phổ mà các bộ cảm thu nhận và ghi lại dữ liệu
- 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 song điện từ
-Câu 5: Trình bày khái niệm về vật mang, bộ cảm?Trình bày các dạng quỹ đạo cơ bản của vệ tinh viễn thám?
-Vật mang là phương tiện dùng để bố trí các bộ cảm biến trên
đó nhằm thu nhận thông tin từ mặt đất
-Bộ cảm là bộ phận thu nhận sóng điện từ được bức xạ , phản
xạ từ vật thể hoặc là bộ phận thu nhận hình ảnh từ vật thể tại thời điểm chụp ảnh
-Các dạng quỹ đạo cơ bản của vệ tinh viễn thám:
1 Vệ tinh địa tĩnh:
- Vệ tinh ở quỹ đạo địa tĩnh có chu kỳ bay đồng bộ với chu
kỳ quay của Trái Đất
- Di tần Doppler thấp, vệ tinh gần như cố định tại một chỗ, anten trạm mặt đất nhỏ không cần bám sát
- Chỉ cần 3 vệ tinh là có thể thiết lập được một hệ thống viễn thông toàn cầu - Góc nhìn từ vệ tinh xuống Trái Đất là
Trang 917.40nm),hấp thụ nên 42.4% diện tích bề mặt Trái Đất nằm trong tầm nhìn của vệ tinh
- Vệ tinh cho phép những trạm mặt đất nằm rải rác trong một khu vực rộng có thể kết nối với nhau
- Vệ tinh phải quay từ đông sang tây với vận tốc bằng vận tốc quay của trái đất xung quanh trục của nó
- Quỹ đạo phải là hình tròn (trường hợp đặc biệt của quỹ đạo Ellipsoil)
- Độ nghiêng của quỹ đạo (so với mặt phẳng xích đạo) vệ tinh phải bằng không
2 Vệ tinh quỹ đạo cực:
- Quay từ hướng bắc sang hướng nam và đi qua các địa cực trên đường đi
- Độ nghiêng của quỹ đạo so với mặt phẳng xích đạo là 90nm),hấp thụo
- Quỹ đạo đồng bộ với mặt trời
- Diện tích quan sát nhỏ hơn quỹ đạo cực
Câu 6: Các dạng tương tác năng lượng của bức xạ điện từ với đối tượng tự nhiên? Trình bày đặc tính phản xạ phổ của nước?
*Các dạng tương tác năng lượng của bức xạ điện từ với đối tượng tự nhiên
- Ba thành phần năng lượng cơ bản: phản xạ, hấp thụ, truyền qua
- Công thức cơ bản biểu diễn sự tương tác năng lượng với đối tượng tự nhiên
EI(r) = ER(r) +EA( r)+ ET( r)
Trang 10Trong đó EI: năng lượng điện từ chiếu xuống đối tượng
ER: năng lượng điện từ bị phản xạ
EA: năng lượng được đối tượng hấp thụ và chuyển thành năng lượng khác
ET: năng lượng được truyền qua
+ Tỷ lệ giữa các hợp phần trong công thức là khác nhau tùy thuộc vào đặc điểm đối tượng và bước sóng ta đang xét đến +Toàn bộ năng lượng này là bước sóng λ nào đó
*Đặc tính phản xạ phổ của nước
- Đặc điểm phản xạ phổ của nước phụ thuộc vào bước sóng của bức xạ chiếu tới và tính chất của đối tượng nước
*Độ mặn của nước
-Nước trong:
+Phản xạ mạnh ở các vùng sóng ở tia xanh lơ (blue)
+Yếu dần khi sang vòng sóng tia xanh lục (green)
+Triệt tiêu ở dải cuối cùng sóng đỏ (red)
-Nước đục pản xạ mạnh hơn nước trong do các tán xạ của các vật chất lơ lửng tồn tại trong nước
-Hàm lượng clorophyl:
+Giảm khả năng phản xạ phổ của nước ở bước sóng ngắn +Tăng khả năng phản xạ phổ ở bước sóng lục
*Độ sâu của nước
*Độ mặn của nước.
*Bức xạ mặt trời hấp thụ hoàn toàn vùng hồng ngoại và vùng cận hồng ngoại
Trang 11Câu 7: Dữ liệu vệ tinh được truyền xuống trạm thu mặt đất như thế nào? Phương thức lưu trữ dữ liệu ảnh vệ
tinh?
- Dữ liệu truyền xuống trạm mặt đất theo ba cách:
+ Truyền trực tiếp
+ Lưu trữ đến khi có tầm nhìn thích hợp đến các trạm thu thì truyền
+ Qua vệ tinh chuyển tiếp
- Phương thức lưu trữ dữ liệu ảnh vệ tinh
Hình ảnh của đối tượng không gian có thể được ghi nhận trên nhiều kênh phổ khác nhau Mỗi một kênh cho ra giá trị phổ dưới dạng số riêng về cùng một đối tượng được ghi Quá trình chuyển đổi sóng điện từ sang tín hiệu điện và lưu trữ trên băng từ được thực hiện trực tiếp trên vệ tinh hoặc truyền tải trực tiếp xuống các trạm thu vệ tinh mặt đất Dữ liệu ảnh số được lưu trữ trên băng từ tương thích cho máy tính CCT
(Computer Compatible Tape) hoặc trên CD-ROM dưới khuôn dạng của các tệp ảnh số mà máy tính có thể đọc được
Thông thường dữ liệu trên băng từ ghi nhận về một vùng chụp bao gồm 3 tệp thông tin chính sau:
1 Tệp đầu ghi nhận thông tin chú giải về dữ liệu còn gọi
là tệp header, ví dụ thông tin về band phổ, độ phân giải, giờ, ngày tháng thu ảnh
2 Tệp thứ hai ghi nhận thông tin về chú giải như nắn chỉnh phổ hoặc nắn chỉnh hình học, cấu trúc của tệp (cách lưu trữ )
3 3 Tệp chính có độ lớn nhất gọi là tệp dữ liệu
Trang 124 Dữ liệu ảnh số cấu thành từ 3 tệp này thông thường được lưu trữ theo các cấu trúc khác nhau là: BSQ, BIL hoặc BIP
5 Cấu trúc dữ liệu theo BIL (band interleaved by lines): Cấu trúc BIL là cấu trúc dữ liệu được lưu trữ tất cả các băng theo thứ tự dòng không phô thuộc vào số kênh Giá trị số của tất cả các kênh sẽ lần lượt ghi nhận theo thứ tự từ dòng một cho đến hết Ghi nhận theo kiểu BIL sẽ cho ra một tệp dữ liệu chung cho tất cả các kênh ảnh
6 Cấu trúc dữ liệu kiểu BSQ (band sequential ):Trong cấu trúc dữ liệu kiểu này tất cả dữ liệu thuộc một kênh ảnh được lưu trữ riêng thành một tệp Nếu như ảnh số về một khu vực nào đó bao gồm nhiều kênh thì sẽ có bấy nhiêu tệp về dữ liệu
Ví dụ, ảnh SPOT có ba kênh thì cần có 3 tệp riêng để lưu trữ
7 -Cấu trúc dữ liệu kiểu BIP ( band inteleaved by pixel)
8 Trong cấu trúc này, ghi nhận theo kiểu pixel 1, line1, kênh1, pixel 1 line 1 kênh 2, pixel 1 line 1 kênh 3
Câu 8: Trình bày khái niệm giải đoán ảnh bằng mắt? Đặc điểm của giải đoán ảnh bằng mắt?
- KN giải đoán ảnh bằng mắt:
Giải đoán bằng mắt là sử dụng mắt người cùng với trí tuệ để tách chiết các thông tin từ tư liệu viễn thám dạng hình ảnh
- Đặc điểm giải đoán ảnh bằng mắt:
Trong việc xử lý thông tin viễn thám thì 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