Một số khái niệm cơ bản về viễn thám

Viễn thám Remote sensing Là môn khoa học nghiên cứu về phương pháp thu thập, đo đạc, nghiên cứu, phân tích thông tin của một đối tượng, sự vật từ xa bằng cách sử dụng thiết bị đo qua

CƠ SỞ GIS & VIỄN THÁM

Nội dung thảo luận

Câu 1: Viễn thám là gì? Cho ví dụ

Câu 2: Phân loại viễn thám

Câu 3: Hệ thống viễn thám & nguyên lý HĐ

Câu 4: Ứng dụng viễn thám

Câu 5: Cơ sở vật lý của viễn thám

Câu 1: Viễn thám là gì?

Viễn thám (Remote sensing)

Là môn khoa học nghiên cứu về phương pháp

thu thập, đo đạc, nghiên cứu, phân tích thông tin

của một đối tượng, sự vật từ xa bằng cách sử dụng

thiết bị đo qua tác động một cách gián tiếp với đối

tượng nghiên cứu mà không cần tiếp xúc trực tiếp

với đối tượng đó

Vệ tinh do thám Kobalt-M Nga (Nguồn:

Viễn thám không chỉ tìm hiểu bề mặt của Trái Đất hay các hành tinh mà nó còn có thể thăm dò được cả trong các lớp sâu bên trong các hành tinh Trên Trái Đất, người ta có thể sử dụng máy bay dân dụng, chuyên dụng hay các vệ tinh nhân tạo để thu phát các ảnh viễn thám

Câu 1: Viễn thám là gì?

Câu 2: Phân loại viễn thám

Theo quỹ đạo Theo nguồn năng lượng Theo chiều dài bước sóng Khoảng cách từ thiết bị chụp đến đối tượng

Phân loại viễn thám

1 Phân loại theo nguồn năng lượng

Viễn thám bị động (Passive sensor) Viễn thám chủ động (Active sensor)

Theo nguồn năng lượng

Mặt trời là nguồn năng lượng chủ yếu trong viễn thám Năng lượng mặt trời vừa phản chiếu đối tượng vừa hấp thụ và toả năng lượng

a.Viễn thám chủ động (active sensor) b Viễn thám bị động (Passive sensor)

Nguồn phát bức xạ là mặt trời hoặc từ các vật chất tự nhiên( các vật thể tự phát ra tia bức xạ hồng ngoại)

Viễn thám bị động là kỹ thuật quan sát khi nguồn bức xạ điện từ chứa thông tin về vật thể

do chính vật thể phát ra hoặc tán xạ từ những nguồn bức xạ không chịu sự kiểm soát.

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.

Thuận lợi của hệ thống này là có thể làm việc

trong mọi điều kiện thời tiết các mùa trong

năm và mọi thời điểm trong ngày

1 Phân loại theo nguồn năng lượng

• Ví dụ -viễn thám bị động :viễn thám quang học dựa trên sự chiếu xạ của mặt trời, viễn thám nhiệt dùng đo nhiệt độ bề mặt trái đất v.v

• Ví dụ-viễn thám chủ động: Viễn thám rada,…

1 Phân loại theo nguồn năng lượng

2 Phân loại theo bước sóng

c Viễn thám siêu cao tần a.Viễn thám trong dải sóng nhìn thấy và

hồng ngoại)

Theo bước sóng

b.Viễn thám hồng ngoại nhiệt

a Viễn thám trong dải sóng nhìn thấy và hồng ngoại

 Mặt trời là nguồn năng lượng chủ yếu đối với nhóm này Nó cung cấp một bức xạ có bước sóng

ưu thế ở 0,5μm Tư liệu viễn thám thu được trong dải sóng nhìn thấy phụ thuộc chủ yếu vào sự phản xạ từ bề mặt vật thể và bề mặt Trái đất Các thông tin về vật thể được xác định từ các phổ phản xạ

2 Phân loại theo bước sóng

b Viễn thám hồng ngoại nhiệt.

 Mỗi vật thể ở nhiệt độ bình thường đều tự phát ra một bức xạ có đỉnh tại bước sóng 10μm Nguồn năng lượng sử dụng đối với viễn thám hồng ngoại nhiệt do chính vật thể sản sinh ra

2 Phân loại theo bước sóng

Đo nhiệt độ với máy ảnh hồng ngoại So với một cây khỏe mạnh, nhiệt độ của cây bị bệnh cao hơn

c Viễn thám siêu cao tần

Nguồn năng lượng sử dụng đối với viễn thám siêu cao tần bị động do chính vật thể phát ra Bức xạ

kế siêu cao tần là bộ cảm thu nhận và phân tích bức xạ siêu cao tần của vật thể

Viễn thám siêu cao tần sử dụng bức xạ siêu cao tần có bước sóng từ một đến vài chục centimet Nguồn

năng lượng sử dụng đối với viễn thám siêu cao tần chủ động được chủ động phát ra từ máy phát Ra

-đa chủ động phát ra nguồn năng lượng tới các vật thể, sau đó thu lại được những bức xạ, tán xạ hoặc phản xạ từ vật thể

2 Phân loại theo bước sóng

Sử dụng viễn thám siêu cao tần để phát hiện và tìm tâm chấn của động đất

Vệ tinh quỹ đạo cực (hay gần cực)

Vệ tinh địa tĩnh

Theo quỹ đạo

Căn cứ vào đặc điểm quỹ đạo, có thể chia ra thành 2 nhóm vệ tinh.

3 Phân loại theo quĩ đạo

3 Phân loại theo quĩ đạo

a 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

• Ví dụ về vệ tinh địa tĩnh:

Vệ tinh Vinasat 1 có quỹ đạo 132°E (cách trái đất 35.768

Km)

Vệ tinh Vinasat 2 có quỹ đạo 131,8°E

3 Phân loại theo quĩ đạo

b.Vệ tinh quỹ đạo

cực

(hay gần cực)

 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 thu lặp lại là cố định đối với 1 vệ tinh

so với mặt phẳng xích đạo của trái đất

3 Phân loại theo quĩ đạo

4 Khoảng cách từ thiết bị chụp đến đối tượng

Câu 3: Hệ thống viễn thám và nguyên lý hoạt động

Hệ thống viễn thám điển hình (lý tưởng)

- Là 1 hệ thống sử dụng các phương tiện thu nhận thông tin bằng nhiều cách, nhiều phương tiện và nhiều tầng khảo sát

- Đa số chương trình viễn thám sử dụng năng lượng tự nhiên, cung cấp từ Mặt trời song trên thực tế, nguyên lý bức xạ của 1 vật đen lại được ứng dụng cho các nghiên cứu trong viễn thám

Hệ thống viễn thám

Khi xét về khía cạnh truyền và thu nhận thông tin viễn thám, cấu trúc của một hệ thống viễn thám lý tưởng bao gồm

các hợp phần sau:

Nguồn năng lượng này có thể cung cấp năng lượng trên toàn bộ các dải phổ một cách đồng nhất,

rõ ràng với năng lượng cao và không phụ thuộc vào thời gian và vị trí

Khí quyển không can thiệp

Tương tác đồng nhất giữa năng

lượng và vật chất

Đó là môi trường khí quyển không có sự tương tác vào nguồn năng lượng truyền qua nó, kể cả lúc truyền đến hoặc phản xạ ngược từ Trái Đất

Người sử dụng phải có trình độ hiểu biết cả về kỹ thuật viễn thám và về chuyên môn của

Nguồn năng lượng đồng

nhất

Hệ thống viễn thám

Là thiết bị thu có độ nhạy cảm rất cao trên toàn bộ các dải sóng, từ đó làm rõ nét mọi đặc điểm của đối tượng do có độ sang tuyệt đối (hay phát xạ tuyệt đối) trên hình ảnh thu được

Một thiết bị thu hoàn hảo

Hệ thống thu nhận thông tin mặt

đất cùng thời gian

Đối tượng sử dụng

Đồng thời với thời điểm thu nhận hình ảnh, các thiết bị đó và công việc thu thập tài liệu mặt đất phải được tiến hành đồng thời, thông tin phải có cùng khuôn dạng để dễ dàng phân tích

Người sử dụng phải có trình độ hiểu biết cả về kỹ thuật viễn thám và chuyên môn của mình

Khi xét về khía cạnh truyền và thu nhận thông tin viễn thám, cấu trúc của một hệ thống viễn thám lý tưởng bao gồm các hợp phần sau:

Nguyên lí cơ bản của viễn thám

 Viễn thám nghiện cứu đối tượng bằng giải toán và tách lọc thông tin từ dữ liệu ảnh chụp hàng không , hoặc bằng việc giải đoán ảnh vệ tinh dạnh số

 Các dữ liệu dưới dạng ảnh chụp và ảnh số được thu nhận dựa trên việc ghi nhận năng lượng bức xạ và song phản hồi phát ra từ vật thể khi khảo sát Năng lượng phổ dưới dạng song điện từ , nằm trên các dải phổ khác nhau , cùng cho thông tin về một vật thể từ nhiều góc độ sẽ góp phần giải đoán đối tượng một cách chính xã hơn

Đa dạng độ phân giải

Đa thời gian

Đa nguồn dữ liệu

Giari toán tách lọc thông tin từ

dữ liệu ảnh viễn thám được thực

hiện dựa cách tiếp cận khác

Câu 4: Phạm vi ứng dụng của viễn thám

• Khí tượng: dùng để dự báo thời tiết, dự báo thiên tai liên quan đến biến đổi nhiệt độ bề mặt đất, mây

• Bản đồ: là công cụ đắc lực phục vụ cho ngành bản đồ, thành lập các loại bản đồ địa hình và bản đồ

chuyên đề ở nhiều tỉ lệ khác nhau

• Nông-Lâm nghiệp: theo dõi mức độ biến đổi thảm phủ thực vật, độ che phủ rừng

• Địa chất: Theo dõi tốc độ sa mạc hoá, tốc độ xâm thực bờ biển, phân tích những cấu trúc địa chất trên

mặt cũng như bên trong lòng đất (vỏ trái đất)

• Môi trường: Nghiên cứu môi trường đất liền (xói mòn, ô nhiễm), môi trường biển ( nhiệt độ, gió sóng)

Ví dụ

•

Phạm vi ứng dụng của viễn thám

3 Viễn thám trong nông - lâm nghiệp 4 Ứng dụng công nghệ viễn thám trong môi 4 Ứng dụng công nghệ viễn thám trong môi

Ví dụ

•

Phạm vi ứng dụng của viễn thám

Phạm vi ứng dụng của viễn thám

Cơ sở vật lý của viễn thám

Bức xạ điện từ

Bức xạ điện từ tương tác với khí quyển

Cửa sổ khí quyển

Bức xạ điện từ tương tác với đối tượng TN

Bức xạ điện từ tương tác với khí quyển

• Năng lượng ánh sáng có tính chất bức xạ tự nhiên với 2 trường điện từ và từ có hướng vuông góc với nhau, chuyển động thông qua nguyên lý của sóng điều hòa

• Được xác định bởi bước sóng λ,tần số v và tốc độ lan truyền C,mối liên quan giữa chúng thể hiện theo công thức:

Tính chất sóng

λ = C/v (C= 299,793km/s)

• Tính chất hạt được mô tả theo tính chất của photon hay quang lượng tử và năng lượng Q được thể hiện như sau:

• Đường cong bức xạ màu đen cho các đối tượng bao gồm mặt trời và trái đất tương ứng xấp

xỉ với 6000K và 300K

• Diện tích dưới mỗi đường cong có thể được tổng hợp để tính toán tổngsố năng lượng bức xạ tạo ra của từng đối tượng

• Như vậy ,mặt trời sáng hơn vì nhiệt độ của nó lớn hơn Khi nhiệt độ tăng,bước sóng có được

sẽ thay đổi theo các bước sóng ngắn hơn của quang phổ

Phát xạ của bức xạ điện từ:

Quang phổ điện từ

• Định nghĩa: Là dải liên tục của các tia sáng ứng với các bước sóng khác nhau.Sự phân chia thành các dải phổ liên quan đến tính chất bức xạ tự nhiên của các đối tượng, từ đó hình thành nên các phương pháp viễn thám khác nhau

• Các dải sóng của quang phổ điện từ:

2 Bức xạ điện từ tương tác với đối tượng tự nhiên

Bức xạ điện từ

thực vật

Đá

nước

đất

• Nước trong chỉ phản xạ mạnh ở vùng sóng của tia xanh lơ.Tuy nhiên đối với độ sâu lớn hơn 40m, tất

cả bức xạ của khoảng nhìn thấy bị hấp thụ và nước được thể hiện trên ảnh hoàn toàn đen

• Những vật liệu lơ lửng, phù du và màu tự nhiên ( tanin từ các đầm lầy mang ra), làm tăng độ phản xạ của nước trong khoảng nhìn thấy

Thực vật

Sắc tố

Là một tổng thể các thành phần hữu cơ có chứa sắt, là một chất xúc tác đối với quá trình quang hợp ánh sáng Chức năng của sắc tố là hấp thụ bức xạ Mặt trời và cung cấp nó cho quá trình quang hợp Năng lượng bị hấp thụ trong khoảng từ 0.45 mm đến 0.68mm, tức là phần xanh lơ và đỏ của phổ nhìn thấy, chính vì vậy mà lá cây có màu xanh lục

Thành phần tế bào Nước trong tế bào làm hấp thụ một ít năng lượng ở khoảng sóng 1.4mm và 1.9mm Độ hấp thụ phụ thuộc vào

lượng tế bào chứa nước.Trong khoảng thấp hơn bước sóng 2.0mm, lá cây hấp thụ bức xạ hồng ngoại gần

• Ở vùng giữa hồng ngoại yếu tố ảnh hưởng đến khả năng phản xạ phổ của lá cây là hàm lượng nước,

độ ẩm càng cao năng lượng hấp thụ càng lớn

Thực vật

• Tùy thuộc vào loại đất mà khả năng phản xạ phổ sẽ khác nhau

• Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng phản xạ phổ của đất:

Đất

Cấu trúc của đất Nếu khoảng cách giữa các hạt đất lớn thì khả năng vận chuyển không khí và độ

ẩm cũng dễ dàng hơn nên ảnh hưởng đến khả năng phản xạ phổ của chúng

Nếu khoảng cách giữa các hạt đất lớn thì khả năng vận chuyển không khí và độ

ẩm cũng dễ dàng hơn nên ảnh hưởng đến khả năng phản xạ phổ của chúng

Khi độ ẩm tăng thì khả năng phản xạ phổ giảm

Hàm lượng oxi trong đất giảm thì khả năng phản xạ phổ tăng

Khi độ ẩm tăng thì khả năng phản xạ phổ giảm

Hàm lượng oxi trong đất giảm thì khả năng phản xạ phổ tăng

Hàm lượng chất

Hàm lượng chất Hàmlượng chất hữu cơ 0,5-5% thì đất có mầu nâu sẫmHàmlượng chất hữu cơ 0,5-5% thì đất có mầu nâu sẫm

Đất

• Có cấu tạo khối,khô.Có dạng đường cong phổ phản xạ tương tự như của đất song giá trị tuyệt đối thường cao hơn.

• Sự biến động giá trị phổ phản xạ của đá cũng giống như đất: Mức độ chứa nước, cấu trúc, thành phần khoáng vật,……

Đá

Bức xạ điện từ tương tác với khí quyển

• Năng lượng của sóng điện từ khi lan truyền qua môi trường khí quyển sẽ bị các phân tử khí hấp thụ dưới các hình thức khác nhau tuỳ thuộc vào từng bước sóng cụ thể Trong viễn thám, người ta thường quan tâm đến khả năng truyền sóng điện từ trong khí quyển, vì các hiện tưọng và cơ chế tương tác giữa sóng điện từ với khí quyển sẽ có tác động mạnh đến thông tin do bộ cảm biến thu nhận được

• Trong khí quyển Trái đất có chứa nhiều hỗn hợp khí,hơi nước và các hạt lơ lửng có kích thước hạt khác nhau đã gây ra hiện tượng hấp thụ và tán xạ năng lượng trong những vùng phổ nhất định, làm suy giảm năng lượng bức xạ Mặt trời trên đường đi của nó

Bức xạ điện từ tương tác với khí quyển

Sự hấp thụ:

của ánh sáng.Khi truyền qua khí quyển , hiện tượng hấp thụ năng lượng xảy ra khác nhau đối với một bước sóng nhất định.Hiện tượng hấp thụ năng lượng mặt trời của khí quyển là hơi nước, khí cacbonic

Cửa sổ khí quyển

và cho một số tia bức xạ có chiều dài sóng nhất định đi qua,tạo thành các "cửa sổ" khí quyển

mặt đất, nhờ đó các máy cảm biến có thể ghi nhận được nặng lượng ánh sáng.

ánh sáng được truyền qua cũng mạnh nhất