Những kiến thức cơ bản về viễn thám

Tiến bộ của cơng nghệ rada cho phép Mục đích: Giúp người học nắm được một số vấn đề chính sau: - Lịch sử phát triển của RS trên thế giới và Việt Nam - Định nghĩa, nguyên lý làm việc và

CHƯƠNG 3: NHỮNG KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ RS

1 Lịch sử phát triển

Trên thế giới

Thuật ngữ ‘Viễn Thám’ được đưa ra vào năm 1960 bởi Evelyn Pruitt thuộc viện Hải quân Hoa Kỳ Tuy nhiên, lịch sử viễn thám đã cĩ từ trước Đầu tiên là các bức ảnh chụp từ một khinh khí cầu gần Paris 1858 Suốt 50 năm sau đã cĩ sự tiến bộ rõ rệt đĩ

là thiết kế máy ảnh và làm phim nhũ Năm 1909, phi cơng Wilbur Wright đã chụp bức ảnh đầu tiên từ máy bay khi bay qua vùng Centocelli ở Ý Hầu hết ảnh khơng chụp theo phương ngang mà xiên xuống mặt đất Phổ biến là hình ảnh những thành phố lớn

và các danh lam thắng cảnh Qua đây, các nhà khoa học nhận thấy tiềm năng chụp ảnh trên khơng là cơng cụ tạo ra bản đồ và từng bước khoa học quan trắc phát triển

Mãi đến chiến tranh thế giới thứ nhất, chụp ảnh trên khơng được sử dụng với quy mơ lớn và cĩ hệ thơng Máy ảnh được thiết kế đặc biệt để do thám trên khơng và

xử lý nhanh chĩng để cĩ thể chụp hàng nghìn tấm ảnh mỗi ngày Song song đĩ, cơng nghệ giải đốn ảnh để cĩ những thơng tin bổ ích cũng được phát triển Bằng cách quan sát diễn biến về con người và cơ sở trên mặt đất trong thời gian dài sẽ giúp cho các nhà chiến lược dự đốn được quá trình thao diễn quân sự Đến cuối chiến tranh thế giới thứ nhất, đã cĩ những cải tiến đáng kể về máy bay, thiết bị xử lý của máy ảnh và số lượng người cĩ kinh nghiệm chụp ảnh trên khơng, xử lý ảnh tăng lên đáng kể

Những cải tiến về thiết bị chụp ảnh được giới thiệu và những năm 1920 và 1930

và chụp ảnh trên khơng trở thành nguồn thơng tin tin cậy để biên tập bản đồ Chụp ảnh trên khơng chưa được sử dụng phổ biến Chủ yếu các nhà địa lý, lâm nghiệp và nhà quy hoạch ở Châu Âu và Bắc Mỹ đã sử dụng nĩ cho những nghiên cứu với về địa lý với quy mơ nhỏ của mình ở Châu Phi và Nam Mỹ Phim màu được phát triển lần đầu trong thời kỳ này nhưng rất ít sử dụng cho mãi đến chiến tranh thế giới thứ 2 Một vài lĩnh vực nghiên cứu khoa học đã khởi xướng và tạo nền tảng cho cơng nghệ viễn thám sau này

Chiến tranh thế giới thứ 2 đã tạo tiền đề cho việc phát triển nhanh cơng nghệ viễn thám Việc phân tích ảnh trên khơng phục vụ cho trinh sát quân sự lại được áp dụng Cơng nghệ giải đốn ảnh trở nên tinh vi và đĩng vai trị quan trọng cho những nghiên cứu vùng ven biển Khả năng chụp xuyên qua nước, đặc biệt là ảnh màu đã tạo điều kiện thuận tiện cho việc thu thập thơng tin về độ sâu, chướng ngại vật trên nền đáy biển khi mà bản đồ hàng hải cĩ thể khơng cĩ

Những thước phim hồng ngoại đã xuất hiện trong thời gian chiến tranh nhằm phát hiện quân ngụy trang Mạng lưới Rada được dựng lên vào những năm 1940 để cung cấp sớm những cảnh báo cho máy bay Tiến bộ của cơng nghệ rada cho phép

Mục đích: Giúp người học nắm được một số vấn đề chính sau:

- Lịch sử phát triển của RS trên thế giới và Việt Nam

- Định nghĩa, nguyên lý làm việc và thành phần trong RS

- Các yếu tố ảnh hưởng đến năng lượng sĩng điện từ, phản xạ phổ

- Các loại RS và những vệ tinh RS

- Tổng thể vật mang, bộ cảm biến trong RS

phát triển giám sát và nhận ra những thiết bị trong phạm vi hẹp Rada cung cấp hình ảnh thực ñịa hình và vị trí mục tiêu nhưng ñộ chính xác phụ thuộc vào ñiều kiện thời tiết và ánh sáng Rada giúp xác ñịnh vị trí ñể ném bôm kể cả ban ñêm, trong ñiều kiện thời tiết xấu, nó cũng rất hữu ích cho hàng hải ven biển

Trong những năm 1950 hệ thống ảnh hồng ngoại ñược phát triển, nó cung cấp hình ảnh bức xạ của vật thể và ñịa vật Hệ thống hồng ngoại không phụ thuộc vào ánh sáng nhưng nó không thể vượt qua ñám mây Trong thời gian này Side Looking Airborne Radar (SLAR) phát triển ñã cải thiện ñược những hạn chế của PPI Rada Cả hai hệ thống thiết kế sử dụng trong quân sự do vậy nó chỉ hoạt ñộng vài năm trong lĩnh vực dân sự

Năm 1957, U.S.S.R (Liên Xô) ñã tung ra SPUTNIK-1, ñánh dấu sự bắt ñầu của

‘thời ñại không gian’ Năm 1959, vệ tinh EXPLORER-6 của US ñã truyền hình ảnh của trái ñất ñược chụp từ vệ tinh Vệ tinh khí tượng ñầu tiên của thế giới TIROS-1 ñược phóng vào năm 1960, nó là tiền thân của những vệ tinh thời tiết thời nay Những

vệ tinh trong không gian có vai trò ñặc biệt trong việc tạo ra nhận thức cho con người

về khả năng lập bản ñồ và giám sát mặt ñất từ dữ liệu của những vệ tinh này Những bức ảnh ñầu tiên về trái ñất ñược chụp từ vệ tinh ñã mang ñến sự ngạc nhiên cho mọi người bởi tính chi tiết về ñặc ñiểm trên mặt ñất trong phạm vi rộng lớn

Sau này, Mỹ và Liên Xô ñã ñưa những Camera và máy quét ñặc biệt ñể chụp ảnh phục vụ cho ñánh giá tài nguyên Trong khi chứng minh những giá trị của hình ảnh không gian, họ sớm nhận ra vệ tinh này không có tính toàn cầu Những hạn chế trên ñã ñược khắc phục phần lớn bằng việc phát triển hàng loạt vệ tinh tài nguyên trái ñất LANDSAT của Mỹ Vệ tinh này hoạt ñộng ở quỹ ñạo thấp LANDSAT và những

hệ thống tương tự sau này ñã cung cấp ảnh không gian với mức chi tiết hơn và giúp ích cho những nghiên cứu trên biển, cho dù thời gian xuất hiện của nó ít

Ngoài những vệ tinh ñang hoạt ñộng trong không gian, ñã có một hệ thống ñang ñược thử nghiệm ñể giám sát môi trường biển Trong số này, nổi bậc nhất là vệ tinh NIMBUS-7 dùng chụp ảnh màu về vùng ven biển - Coastal Zone Colour Scanner (CZCS) và vệ tinh SEASAT với những bộ cảm biến chuyên dụng ñể nghiên cứu biển Trong một vài năm gần ñây, Liên Xô và Mỹ ñã có những vệ tinh viễn thám riêng cho họ

Máy bay vẫn còn ñóng vai trò chính trong viễn thám vì tính linh hoạt về ñộ cao, lịch trình và khả năng bổ sung cảm biến dễ dàng Tùy thuộc vào yêu cầu thông tin của người sử dụng và nguồn lực sẵn có, máy bay phù hợp với nghiên cứu viễn thám có tính thay ñổi về ñộ cao, ñộng cơ … Máy bay còn ñược sử dụng ñể thử nghiệm các bộ cảm biến trước khi ñưa lên vệ tinh

Những tiến bộ nhanh chóng của công nghệ máy tính ñã có những ảnh hưởng lên tất cả các khía cạnh của Viễn Thám Sự quan tâm nhất của người sử dụng ñó sự phát triển công nghệ xử lý ảnh phục vụ cho phân tích dữ liệu; chương trình máy tính ñể nắn ảnh, nâng cao chất lượng và khai thác dữ liệu; tốc ñộ xử lý của máy tính cho phép một ngươig dùng có thể thực hiện phân tích dữ liệu ở một khu vực rộng lớn trong một thời gian ngắn

Với những tiến bộ trong công nghệ thu thập và phân tích dữ liêu Ngày nay, Viễn thám cũng ñang gặp thách thức lớn ñó là làm sao cung cấp những thông tin tiện

lợi, kịp thời đến người cần nĩ Điều này cần cĩ cơ sở hạ tầng để truy cập, xử lý, phân phối và cĩ một cộng đồng cĩ thể áp dụng nĩ cho mục đích của mình

Ở Việt Nam

Cơng nghệ viễn thám đã được ứng dụng ở Việt Nam từ những năm 70 của thế

kỷ 20 Thời gian đầu là một vài cơ quan ở trong nước đã thu nhận ảnh vệ tinh phục vụ cho các ứng dụng thuộc lĩnh vực địa chất và lâm nghiệp Thời gian tiếp theo, những ứng dụng được mở rộng thêm cho các lĩnh vực khác như là nơng nghiệp, giám sát mơi trường và thiên thai, quy hoạch, nghiên cứu khoa học… Trong khoảng thời gian từ

1979 đến 1980 một vài tổ chức ở Việt Nam đã bắt đầu nắm bắt cơng nghệ viễn thám Trong 10 năm tiếp theo, viễn thám đã được mở rộng cho những nghiên cứu và thí nghiệm để xác định phương pháp và khả năng sử dụng dữ liệu viễn thám cho việc giải quyết nhiệm vụ an sinh xã hội ở Việt Nam Giai đoạn 1990-1995, bên cạnh tiếp tục việc mở rộng những nghiên cứu và thí nghiệm, nhiều lĩnh vực đã sử dụng cơng nghệ viễn thám vào trong những ứng dụng của cuộc sống và đã gặt hái được những kết quả

cĩ ý nghĩa về cơng nghệ, khoa học và kinh tế

Hiện nay, một số tổ chức đã hoạt động một cách chuyên nghiệp trong lĩnh vực viễn thám Các tổ chức này tập trung nhiều ở cơ quan nhà nước và phân tán từ trung ương đến địa phương như là cán bộ ngành, cục, tỉnh, viện và trường đại học Số lượng các cơ quan này gia tăng tới hàng chục tổ chức với hàng trăm cán bộ làm nhiệm vụ trong lĩnh vực viễn thám Các cán bộ này được đào tạo cả trong và ngồi nước Cơng nghệ viễn thám đã trở nên một trong những cơng cụ được sử dụng phổ biến ở Việt Nam cho nghiên cứu khoa học, quản lý và tạo bản đồ tài nguyên thiên nhiên Cơng nghệ viễn thám đã được đầu tư tổ chức trong Bộ tài nguyên và mơi trường như trung tâm viễn thám, viện nghiên cứu địa chất và khống sản đã nghiên cứu nhiều đề tài liên quan tới viễn thám Mục đích của chúng là để nâng cao chất lwngj và hiệu quả những nghiên cứu cơ bản Nhiều dự án nghiên cứu khoa học về cơng nghệ viễn thám được thiện hiện tại viện khoa học và cơng nghệ Việt Nam và những trường đại học về các lĩnh vực về biển, sinh thái, khoa học trái đất, nghiên cứu mơi trường và quy hoạch

Từ thời gian bắt đầu đến nay, những tổ chức tham gia vào hoạt động trong lĩnh vực viễn thám ở Việt Nam đã thu thập được nhiều dữ liệu viễn thám từ những ngụồn khác nhau với những thời điểm khác nhau và đa dạng về loại ảnh Tuy nhiên, dữ liệu ảnh viễn thám phổ biến nhất là ảnh vệ tinh cĩ độ phân giải thấp và trung bình (độ phân giải trong khoảng 5-20m) Mục đích chính của việc sử dụng dữ liệu này là để phục vụ cho những nghiên cứu và ứng dụng chỉ địi hỏi độ chính xác trung bình và thấp như quản lý tài nguyên mơi trường, giám sát biến động mơi trường và nguồn tài nguyên thiên nhiên, cập nhật thơng tin cho các bản đồ tỷ lệ nhỏ và trung bình hoặc các bản đồ chuyên đề Những phương pháp để giải đốn và phân loại những đối tượng và thơng tin là những phương pháp thủ cơng được dựa trên những kinh nghiệm và kiến thức của chuyên gia trong lĩnh vực giải đốn ảnh hàng khơng Từ những năm cuối của thế kỷ 20

và đầu thế kỷ 21 nhiều tổ chức, viện nghiên cứu đã ứng dụng những phương pháp dựa trên pixel cho việc phân loại một cách tự động như là phương pháp hình hộp, khoảng cách ngắn nhất, phương pháp xác suất nhất

Gần đây, các tổ chức đã bắt đầu sử dụng các ảnh cĩ độ phân giải khơng gian cao (độ phân giải nhỏ hơn 5m) đến những ứng dụng mới địi hỏi độ chính xác cao như cập nhật dữ liệu khơng gian cho bản đồ tỷ lệ lớn Tuy nhiên, việc phân loại, trích lọc

thông tin từ những phương pháp cũ ñã thể hiện nhiều vấn ñề như là hiện tượng muối

và tiêu rất nhiều, hay rất khó phân loại các ñối tượng theo mục ñích sử dụng và ñể giải quyết vấn ñề này các tổ chức ñã sử dụng lại phương pháp trích lọc thông tin trên ảnh bằng phương pháp thủ công

Thấy ñược sự phát triển nhanh và cấp thiết về ứng dụng công nghệ viễn thám trong cuộc sống, sự phát triển kinh tế xã hội trên thế giới Chính phủ nước ta ñã có những ñịnh hướng cho sự phát triển công nghệ vũ trụ Ngày 14/6/2006, thủ tướng chính phủ ñã ra quyết ñịnh về ‘chiến lược nghiên cứu và ứng dụng công nghệ vũ trụ ñến năm 2020’ Trong giai ñoạn 2006-2010, ñẩy mạnh chiều rộng và chiều sâu 4 lĩnh vực trong ñó có viễn thám Ứng dụng viễn thám vào các ngành khí tượng thủy văn, tài nguyên và môi trường cụ thể lạ nâng cao chất lượng dự báo sớm mưa bão, lũ, lũ quét, sạc lở ñật và các loại thiên tai khác, ñánh giá biến ñổi khí hậu toàn cầu ñến Việt Nam Định kỳ ñánh giá biến ñộng sử dụng ñất ñai, xây dựng cơ sở dữ liệu bản ñồ chuyên ñề

số hóa dùng chung cho nhiều cơ quan từ trung ương ñến ñịa phương Với các ngành nông nghiệp, thủy sản, ñiều tra tài nguyên thì mở rộng ứng dụng viễn thám trong việc xây dựng quy trình dự báo sản lượng lúa các vùng trồng lúa trọng ñiểm, dự báo lũ lụt, khô hạn, cháy rừng; trong quy hoạch nuôi trồng thủy sản và ñánh bắt hải sản; trong nghiên cứu các hiện tượng tài nguyên dầu khí, nước ngầm …

Từ năm 2011 ñến 2020 ñưa vào ứng dụng tại Việt Nam các thành tựu mới của

vệ tinh quan sát trái ñất ñộ phân giải rất cao, vệ tinh ñịnh vị có ñộ chính xác rất cao, thiết bị mặt ñất gọn nhẹ tích hợp nhiều chức năng Bên cạnh ñó thành lập Ủy ban vũ trụ Việt Nam và Viện công nghệ vũ trụ ñể tập trung xây dựng khung pháp lý, phát triển cơ sở hạ tầng, phần cứng, phần mềm và nguồn nhân lực cho việc phát triển các ứng dụng của công nghệ vũ trụ ở Việt Nam

2 Định nghĩa Viễn thám

Nói một cách nôm na trong “viễn thám” có hai từ “viễn” và “thám” “Viễn” có nghĩa là xa, từ xa, không tiếp xúc với ñối tượng “Thám” có nghĩa là tìm hiểu, lấy thông tin về ñối tượng Ta có thể hiểu một cách ñơn giản viễn thám là một ngành khoa học nghiên cứu ñối tượng mà không tiếp xúc trực tiếp với chúng Trong tiếng Anh, viễn thám là “remote sensing”, thường ñược viết tắt là RS

Nếu nói một cách khoa học thì chúng ta có thể dùng ñịnh nghĩa sau: Viễn thám

là một khoa học thu nhận thông tin của bề mặt trái ñất mà không tiếp xúc trực tiếp với

bề mặt ấy Điều này ñược thực hiện nhờ vào việc quan sát và thu nhận năng lượng phản xạ, bức xạ từ ñối tượng và sau ñó phân tích, xử lý, ứng dụng những thông tin nói trên (theo CCRS)

3 Nguyên lý làm việc của RS

Sóng ñiện từ ñược phản xạ hoặc bức xạ từ vật thể là nguồn cung cấp thông tin chủ yếu về ñặc tính của ñối tượng Ảnh viễn thám sẽ cung cấp thông tin về các vật thể tương ứng với năng lượng bức xạ ứng với từng bước xóng ñã xác ñịnh Đo lường và phân tích năng lượng phản xạ phổ ghi nhận bởi ảnh viễn thám cho phép tách thông tin hữu ích về từng loại lớp phủ mặt ñất khác nhau do sự tương tác giữa bức xạ ñiện từ và vật thể

Một thiết bị dùng ñể cảm nhận sóng ñiện từ phản xạ hay bức xạ từ vật thể ñược gọi là ‘bộ cảm biến – Sensors’ Bộ cảm biến có thể là các máy chụp ảnh hoặc máy

quét Phương tiện mang các sensors ñược gọi là ‘vật mang’ Vật mang có thể là máy bay, khinh khí cầu, tàu con thoi hay vệ tinh….hình 3.1 thể hiện một số vật mang:

Hình 3.1: (a-IKONOS 2), (b-OrbView 2 (SeaStar)), (c-EROS A1) ,

(d-NOAA 12, 14, 16), (e-RADARSAT 1), (f-SPOT 1, 2, 4)

Hình 3.2: Nguyên lý thu thập dữ liệu ảnh viễn thám

Nguồn năng lượng chính thường sử dụng trong viễn thám là bức xạ mặt trời, năng lượng của sĩng điện từ do các vật thể phản xạ hay bức xạ được thu nhận bởi bộ cảm biến đặt trên vật mang

Thơng tin về năng lượng phản xạ của các vật thể được ghi nhận bởi ảnh viễn thám và thơng qua xử lý tự động trên máy hoặc giải đốn trực tiếp từ ảnh dựa trên kinh nghiệm của chuyên gia Cuối cùng, các dữ liệu hoặc thơng tin liên quan đến các vật thể

và hiện tượng khác nhau trên mặt đất sẽ được ứng dụng vào trong nhiều lĩnh vực khác nhau như nơng lâm nghiệp, khí tượng, mơi trường, địa chất, thủy sản…

Hình 3.3, thể hiện sơ đồ quy trình cơng nghệ cơ bản được sử dụng trong việc tách thơng tin hữu ích từ ảnh viễn thám

Hình 3.3: Nguyên lý thu nhận và quy trình xử lý dữ liệu viễn thám Tồn bộ quá trình thu nhận và xử lý ảnh viễn thám cĩ thể chia thành 5 thành phần cơ bản sau:

- Nguồn cung cấp năng lượng

- Sự tương tác của năng lượng với khí quyển

- Sự tương tác với các vật thể trên bề mặt trái đất

- Chuyển đổi năng lượng phản xạ từ vật thể thành dữ liệu ảnh số bởi bộ cảm biến

- Hiển thị ảnh số cho việc giải đốn và xử lý

Nguồn năng lượng (A): 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 Cĩ loại viễn thám sử

dụng năng lượng mặt trời, cĩ loại tự

cung cấp năng lượng tới đối tượng

Thơng tin viễn thám thu thập được là

dựa vào năng lượng từ đối tượng đến

Hình 3.4: Những thành phần trong RS

thiết bị nhận, nếu khơng cĩ nguồn năng lượng chiếu sáng hay truyền tới đối tượng sẽ khơng cĩ năng lượng đi từ đối tượng đến thiết bị nhận

Những tia phát xạ và khí quyển (B): Vì năng lượng đi từ nguồn năng lượng

tới đối tượng nên sẽ phải tác qua lại với vùng khí quyển nơi năng lượng đi qua Sự tương tác này cĩ thể lặp lại ở một vị trí khơng gian nào đĩ vì năng lượng cịn phải đi theo chiều ngược lại, tức là từ đối tượng đến bộ cảm

Sự tương tác với đối tượng (C): Một khi được truyền qua khơng khí đến đối

tượng, năng lượng sẽ tương tác với đối tượng tuỳ thuộc vào đặc điểm của cả đối tượng

và sĩng điện từ Sự tương tác này cĩ thể là truyền qua đối tượng, bị đối tượng hấp thu hay bị phản xạ trở lại vào khí quyển

Thu nhận năng lượng bằng bộ cảm (D) Sau khi năng lượng được phát ra hay

bị phản xạ từ đối tượng, chúng ta cần cĩ một bộ cảm từ xa để tập hợp lại và thu nhận sĩng điện từ Năng lượng điện từ truyền về bộ cảm mang thơng tin về đối tượng

Sự truyền tải, thu nhận và xử lý (E) 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 thơ

Giải đốn và phân tích ảnh (F): Ảnh thơ sẽ được xử lý để cĩ thể sử dụng

được Để lấy được thơng tin về đối tượng người ta phải nhận biết được mỗi hình ảnh trên ảnh tương ứng với đối tượng nào Cơng đoạn để cĩ thể “nhận biết” này gọi là giải đốn ảnh Ảnh được giải đốn bằng một hoặc kết hợp nhiều phương pháp Các phương pháp này là giải đốn thủ cơng bằng mắt, giải đốn bằng kỹ thuật số hay các cơng cụ điện tử để lấy được thơng tin về các đối tượng của khu vực đã chụp ảnh

Ứng dụng (G): Đây là phần tử cuối cùng của quá trình viễn thám, được thực

hiện khi ứng dụng thơng 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 thơng tin mới, kiểm nghiệm những thơng tin đã cĩ nhằm giải quyết những vấn đề cụ thể

5 Yếu tố ảnh hưởng đến năng lượng sĩng điện từ

Năng lượng của sĩng điện từ khi lan truyền qua mơi trường khí quyển sẽ bị các phần tử khí hấp thụ dưới các hình thức khác nhau tùy thuộc vào từng bước sĩng cụ thể Trục ngang trong hình 3.5 thể hiện giá trị bước sĩng và trục đứng thể hiện % năng lượng ứng với từng bước sĩng cụ thể khi truyền qua khí quyển Các vùng phổ mà khơng bị ảnh hưởng mạnh bởi mơi trường khí quyển (cịn được gọi là cửa sổ khí quyển) sẽ được chọn để sử dụng cho việc thu nhận ảnh viễn thám Các bước sĩng ngắn hơn 0,3µm hầu như bị hấp thụ bởi tầng Ơzơn, nhưng vùng ánh sáng khả kiến do mặt trời cung cấp rất ít bị hấp thu bởi khí quyển và năng lượng sĩng điện từ ứng với bước sĩng 0,5µm cĩ ưu thế cho việc thu nhận ảnh viễn thám Bức xạ nhiệt của trái đất cĩ năng lượng cao nhất tại bước sĩng 10µm trong vùng cửa số khí quyển và sĩng vơ tuyến cao tần với bước sĩng lớn hơn 1mm cũng rất ít bị hấp thu bởi khí quyển Do đĩ, ảnh viễn thám nhận được thường dựa vào sự đo lường năng lượng phản xạ của sĩng điện từ nằm trong vùng sĩng vơ tuyến cao tần (ảnh Rada) là trường hợp ngoại lệ khơng

sử dụng năng lượng mặt trời

Hình 3.5: Vùng phổ sử dụng trong viễn thám ít bị hấp thu năng lượng bởi khí quyển Trong viễn thám, người ta thường quan tâm ñến khả năng lan truyền sóng ñiện

từ trong khí quyển, vì các hiện tượng và cơ chế tương tác giữa sóng ñiện từ với khí quyển sẽ có tác ñộng mạnh ñến thông tin ñược thu nhận bởi bộ cảm biến Khí quyển

có ñặc ñiểm quan trọng ñó là tương tác khác nhau ñối với bức xạ ñiện từ có bước sóng khác nhau Đối với viễn thám quang học, nguồn năng lượng cung cấp chủ yếu là do mặt trời và sự có mặt cũng như thay ñổi các phân tử nước và khí (theo không gian và thời gian) có trong lớp khí quyển là nguyên nhân chủ yếu gây nên sự biến ñổi năng lượng phản xạ từ mặt ñất ñến bộ cảm biến Khoảng 75% năng lượng mặt trời khi chạm ñến lớp ngoài của khí quyển ñược truyền xuống mặt ñất và trong quá trình lan truyền sóng ñiện từ luôn bị hấp thu, tán xạ và khúc xạ bởi khi quyển trước khi ñến bộ cảm biến Các loại khí như Oxy, Nitơ, Cacbonic, Ôzôn, hơi nước,… và các phần tử lơ lửng trong khí quyển là tác nhân chính ảnh hưởng ñến sự suy giảm năng lượng sóng ñiện từ trong quá trình lan truyền

Để hiểu rõ hơn cơ chế tương tác giữa sóng ñiện từ và khí quyển, việc chọn phổ ñiện từ ñể sử dụng cho việc thu nhận ảnh viễn thám Bảng 3.1 thể hiện ñặc ñiểm của các dải phổ ñiện từ thường ñược sử dụng trong công nghệ viễn thám

Bảng 3.1: Đặc ñiểm của dải phổ ñiện từ sử dụng trong công nghệ viễn thám

Dải phổ ñiện từ Bước sóng Đặc ñiểm

Tia cực tím 0,3 ÷0,4µm Hấp thụ mạnh bởi khí quyển ở tầng cao (tầng

Ôzôn), không thể thu nhận năng lượng do dải sóng này cung cấp nhưng hiện tượng này lại bảo

vệ con người tránh bị tác ñộng bởi tia cực tím Khả kiến 0,4÷0,76µm Rất ít bị hấp thu bởi Ôxy, hơi nước và năng lượng

phản xạ cực ñại ứng với bước sóng 0,5µm trong khí quyển Năng lượng do dải sóng này cung cấp giữ vai trò quan trọng trong viễn thám

Hồng ngoại gần

trung bình

0,77÷1,34µm 1,55÷2,4µm

Năng lượng phản xạ mạnh ứng với các bước sóng hồng ngoại gần từ 0,77÷0,9µm Sử dụng trong chụp ảnh hồng ngoại theo dõi sự biến ñổi thực vật

từ 1,55÷2,4µm Hồng ngoại

nhiệt

3÷22µm Một số vùng bị hấp thụ mạnh bởi hơi nước, dải

sóng này giữ vai trò trong phát hiện cháy rừng và hoạt ñộng của núi lửa từ 3,5÷5µm Bức xạ nhiệt của trái ñất có năng lượng cao nhất tại bước sóng 10µm

Vô tuyến

(Rada)

1mm÷30cm Khí quyển không hấp thụ mạnh năng lượng các

bước sóng lớn hơn 2cm, cho phép thu nhận năng lượng cả ngày lẫn ñêm, không ảnh hưởng bởi mây, sương mù hay mưa

6 Phân loại ảnh viễn thám

Viễn thám có thể ñược phân thành 3 loại cơ bản ứng với vùng bước sóng sử dụng:

a Viễn thám trong dải sóng nhìn thấy và hồng ngoại phản xạ

Nguồn năng lượng chính là bức xạ mặt trời và ảnh viễn thám nhận ñược dựa vào sự ño lường năng lượng vùng ánh sáng khả kiến và hồng ngoại ñược phản xạ từ vật thể và bề mặt trái ñất Ảnh thu ñược bởi công nghệ viễn thám này ñược gọi chung

là ảnh quang học

b Viễn thám hồng ngoại nhiệt

Nguồn năng lượng sử dụng là bức xạ nhiệt do chính vật thể sản sinh ra, hầu như mỗi vật thể trong nhiệt ñộ bình thường ñều tự phát ra một bức xạ Ảnh thu ñược bởi công nghệ viễn thám này gọi là ảnh nhiệt

Hình 3.6: Nguồn năng lượng chính là bức xạ mặt trời

c Viễn thám siêu cao tần

Trong viễn thám siêu cao tần, hai loại kỹ thuật chủ ñộng và bị ñộng ñều ñược

áp dụng Viễn thám bị ñộng ghi lại năng lượng sóng vô tuyến cao tầng với bước sóng lớn hơn 1mm mà ñược bức xạ tự nhiên hoặc phản xạ từ một số ñối tượng

Trong hình 3.7a: Năng lượng nhận ñược có thể là từ bức xạ của khí quyển (1); phản xạ từ mặt ñất (2); bức xạ do chính vật thể phát ra (3) hay dựa vào bức xạ của mặt ñất (4)

Vì có bước sóng dài nên năng lượng thu nhận ñược của công nghệ viễn thám siêu cao tần bị ñộng thấp hơn so với viễn thám trong dải sóng khả kiến Đối với viễn thám siêu cao tần chủ ñộng (Radar – Radio detection and ranging), vệ tinh cung cấp năng lượng riêng và phát trực tiếp ñến các vật thể, rồi thu lại năng lượng do sóng phản

xạ lại từ các vật thể Cường ñộ năng lượng phản xạ ñược ño lường ñể phân biệt giữa các ñối tượng với nhau Ảnh thu ñược bởi kỹ thuật kiễn thám này ñược gọi là ảnh Rada, hai loại công nghệ viễn thám siêu cao tần (bị ñộng và chủ ñộng) thường ñược sử dụng trong việc tạo ảnh rada ñược thể hiện hình 3.7

Hình 3.7: (a-viễn thám bị ñộng) (b, c- viễn thám chủ ñộng)

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

ñồ ñịa hình và chuyên ñề phục vụ công tác quản lý tài nguyên thiên nhiên và giám sát môi trường cũng như quy hoạch và quản lý ñộ thị…

Ngoài ra còn có nhiều loại vật mang khác có ñộ cao hoạt ñộng từ vài chục mét trở lên như thang trượt của các cần cẩu, máy bay không người lái,… ñể chụp ảnh các khu vực nhỏ trên mặt ñất, khinh khí cầu cùng ñể nghiên cứu nhiều ñối tượng khác nhau, tàu con thôi thực hiện theo các chương trình thí nghiệm khác nhau

Hình 3.8: Các dạng vật mang ñược sử dụng trong công nghệ viễn thám

Vệ tinh nhân tạo bao gồm những vật mang ñược phóng vào không gian và chuyển ñộng theo những quỹ ñạo nhất ñịnh phục vụ công tác liên lạc viễn thông, ñịnh

vị và hàng hải, thám sát khí tượng và quan sát mặt ñất…

Vệ tinh viễn thám cho phép nhìn thấy một vùng rộng trên mặt ñất bao gồm tất

cả các ñối tượng và có ưu thế là cung cấp ảnh ña phổ, ña thời gian cho toàn thế giới Ảnh vệ tinh có các ưu ñiểm sau:

- Bao phủ một vùng rộng lớn trên trái ñât

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

- Ảnh ñược xử lý và phân tích trên máy tính

- Chi phí tương ñối thấp tính trên một ñơn vị diện tích vùng phủ của ảnh

Tuy nhiên, ảnh vệ tinh có ñộ phân giải mặt ñất thấp hơn so với ảnh hàng không Hiện nay, trên thị trường chỉ cung cấp ảnh vệ tinh có ñộ phân giải cao nhất là 0,6m nhưng trong tương lai gần với việc phóng các vệ tinh thương mại sẽ cho phép cung cấp các ảnh có ñộ phân giải cao hơn rất nhiều Tuy nhiên, giá thành của ảnh viễn thám

ñộ phân giải cao thường là yếu tố chính trong việc chọn lựa giữa các nhà cung cấp loại ảnh vệ tinh

Hình 3.9 thể hiện các vệ tinh nhân tạo

thông dụng ñang ñược sử dụng trong công nghệ

viễn thám có quỹ ñạo hoạt ñộng và ñộ phân giải

khác nhau

Các vệ tinh nhân tạo thường chuyển

ñộng theo lộ trình ñã ñược thiết kế trước sao

cho phù hợp vứi khả năng và mục tiêu của bộ

cảm biến ñược ñặt trên vệ tinh Lộ trình ñược

thiết kế ñể vệ tinh chuyển ñộng trong vũ trụ sẽ

ñược xác ñịnh bởi 6 thông số cơ bản theo ñịnh

luật Kepler áp dụng cho các vật thể chuyển

ñộng trong vũ trụ ñược gọi là quỹ ñạo của vệ tinh Sự lựa chọn quỹ ñạo tùy thuộc vào giá trị của tập hợp các thông số cơ bản này; thông thường các vệ tinh khác nhau sẽ chuyển ñộng theo những quỹ ñạo khác nhau ñược phân biệt bởi:

- Những ñộ cao khác nhau sơ với mặt ñất

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

- Theo thời gian vệ tinh di chuyển hoàn tất một vòng quay trên quỹ ñạo, còn ñược gọi là chu kỳ của quỹ ñạo

- Theo khoảng thời gian cố ñịnh mà vệ tinh trở lại ñúng vị trí chụp ảnh ban ñầu, còn ñược gọi là chu kỳ lặp lại của vệ tinh (do bộ cảm biến có trường nhìn cố ñịnh, nên khi vệ tinh di chuyển sẽ tạo nên tuyến chụp trên mặt ñất có bề rộng cố ñịnh còn ñược gọi là ñộ rộng của tuyến chụp Vì trái ñất quay nên vệ tinh sẽ chụp ảnh theo tuyến khác trên mặt ñất sau mỗi chu kỳ tiếp theo, sau khoảng thời gian cố ñịnh vệ tinh sẽ lặp lại vị trí ban ñầu và thời gian này ñược gọi là tần suất lặp lại hay chu kù lặp)

Hình 3.9 : Các vệ tinh nhân tạo thông dụng ñang ñược sử dụng

Cao ñộ vệ tinh ảnh hưởng ñến ñộ phân giải mặt ñất của ảnh khi khả năng của bộ cảm biến là cố ñịnh, chu kỳ lặp lại của vệ tinh giữ vao trò rất quan trọng trong việc cung cấp ảnh ña thời gian phục vụ công tác giám sát liên tục các biến ñộng trên bề mặt ñất Hình 3.10 minh họa quỹ ñạo, tuyến chụp và khả năng chụp phủ toàn bộ mặt ñất của vệ tinh khi lựa chọn các thông số cơ bản của quỹ ñạo ñể phù hợp với khả năng và mục tiêu của bộ cảm biến ñược ñặt trên vệ tinh

Nhìn chung dựa theo quỹ ñạo chuyển ñộng của vệ tinh so với trái ñất và mặt trời có thể chia quỹ ñạo vệ tinh thành các loại cơ bản sau:

Quỹ ñạo ñồng bộ trái ñất: là quỹ ñạ mà vệ tinh chuyển ñộng cùng một vận tốc

gốc với trái ñất, nghĩa là vệ tinh quay một vòng trên quỹ ñạo mất khoảng thừi gian 24giờ hay 86164,1 giây Vệ tinh chuyển ñộng trên quỹ ñạo ñồng bộ trái ñất và nếu mặt phẳng quỹ ñạo trùng với mặt phẳng chứa xích ñạo (có góc nghiên bằng không) ñược gọi là quỹ ñạo ñịa tĩnh Các vệ tinh ñịa tĩnh có ñộ cao khoảng 36000km và luôn treo lơ lửng tại một ñiểm trên không trung (ñứng yên so với bề mặt trái ñất) Do vậy, vệ tinh ñịa tĩnh cho phép quan sát và thu thập thông tin liên tục trên một vùng cụ thể và ñược