Ghi lại các bức xạ được phát ra hay phản xạnày và áp dụng những hiểu biết về cách thức các bức xạ này đi qua khí quyển trái đất và tương tác với vật thể, các nhà phân tích viễn thám hi
Trang 1Môn học: Viễn thám và GIS
Trang 2 Ghi lại các bức xạ được phát ra hay phản xạ
này và áp dụng những hiểu biết về cách thức
các bức xạ này đi qua khí quyển trái đất và
tương tác với vật thể, các nhà phân tích viễn
thám hiểu biết thêm về đặc điểm của các vật thể trên bề mặt trái đất như cây cối, kiến tạo, đất, đá hay nước.
Hầu hết mọi vật thể đều phát bức xạ điện từ, chỉ trừ các vật thể phát bức xạ điện từ bằng không;
Hầu hết mọi vật thể phản xạ bức xạ điện từ
được phát ra từ các vật thể khác;
Ghi lại các bức xạ được phát ra hay phản xạ
này và áp dụng những hiểu biết về cách thức
các bức xạ này đi qua khí quyển trái đất và
tương tác với vật thể, các nhà phân tích viễn
thám hiểu biết thêm về đặc điểm của các vật thể trên bề mặt trái đất như cây cối, kiến tạo, đất, đá hay nước.
Trang 31 Giới thiệu
Giải đoán ảnh viễn thám phụ thuộc vào sự hiểu biết về bức xạ điện từ và tương tác của nó với các bề mặt và khí quyển Đây chính là một trong những chủ đề chính của viễn thám.
Dạng phổ biến nhất của bức xạ điện từ là ánh sáng nhìn thấy, chỉ là một phần rất nhỏ (nhưng rất quan trọng) trong toàn bộ phổ điện từ.
Tuy nhiên phần lớn hơn của phổ điện từ ngoài dải nhìn thấy cũng cần quan tâm bởi những
khác biệt so với dải phổ ánh sáng nhìn thấy.
Giải đoán ảnh viễn thám phụ thuộc vào sự hiểu biết về bức xạ điện từ và tương tác của nó với các bề mặt và khí quyển Đây chính là một trong những chủ đề chính của viễn thám.
Dạng phổ biến nhất của bức xạ điện từ là ánh sáng nhìn thấy, chỉ là một phần rất nhỏ (nhưng rất quan trọng) trong toàn bộ phổ điện từ.
Tuy nhiên phần lớn hơn của phổ điện từ ngoài dải nhìn thấy cũng cần quan tâm bởi những
khác biệt so với dải phổ ánh sáng nhìn thấy.
Trang 42 Phổ điện từ
Năng lượng điện từ được phát theo một vài
cách như:
Thay đổi mức năng lượng của các electron,
Tạo gia tốc sạc điện,
Năng lượng điện từ được phát theo một vài
cách như:
Thay đổi mức năng lượng của các electron,
Tạo gia tốc sạc điện,
Trang 52 Phổ điện từ
Các bức xạ mặt trời bị hấp thụ bởi bề mặt trái
đất và rồi tái bức xạ năng lượng nhiệt Năng
lượng này có thể dùng để tạo ảnh viễn thám cho
dù ảnh này rất khác ảnh chụp thường.
Bức xạ khác do con người tạo ra, ví dụ như ảnh radar, có thể sử dụng trong viễn thám.
Bức xạ điện từ bao gồm:
Điện trường (E): độ lớn biến thiên theo phương
vuông góc với hướng truyền sóng
Từ trường (H): hướng theo góc phải và cùng pha vớiđiện trường
Các bức xạ mặt trời bị hấp thụ bởi bề mặt trái
đất và rồi tái bức xạ năng lượng nhiệt Năng
lượng này có thể dùng để tạo ảnh viễn thám cho
dù ảnh này rất khác ảnh chụp thường.
Bức xạ khác do con người tạo ra, ví dụ như ảnh radar, có thể sử dụng trong viễn thám.
Bức xạ điện từ bao gồm:
Điện trường (E): độ lớn biến thiên theo phương
vuông góc với hướng truyền sóng
Từ trường (H): hướng theo góc phải và cùng pha vớiđiện trường
Trang 62 Phổ điện từ
Trang 7 Các đặc trưng của năng lượng điện từ:
Bước sóng: khoảng cách từ đỉnh sóng này tới đỉnh kếtiếp, đo bằng đơn vị đo độ dài thông thường
Tần số: đo bằng số đỉnh qua 1 điểm cố định trong
một khoảng thời gian nào đó Đơn vị đo hertz
Biên độ: là độ cao của mỗi đỉnh Biên độ được dùng
để đo mức năng lượng theo oát (watt)
Pha: độ lệch của đỉnh so với đỉnh của một sóng khác,
đo bằng đơn vị góc Hai sóng đồng pha (in phase) khidịch pha bằng 0 độ, lệch pha (out of phase) khi dịchpha khác 0
Các đặc trưng của năng lượng điện từ:
Bước sóng: khoảng cách từ đỉnh sóng này tới đỉnh kếtiếp, đo bằng đơn vị đo độ dài thông thường
Tần số: đo bằng số đỉnh qua 1 điểm cố định trong
một khoảng thời gian nào đó Đơn vị đo hertz
Biên độ: là độ cao của mỗi đỉnh Biên độ được dùng
để đo mức năng lượng theo oát (watt)
Pha: độ lệch của đỉnh so với đỉnh của một sóng khác,
đo bằng đơn vị góc Hai sóng đồng pha (in phase) khidịch pha bằng 0 độ, lệch pha (out of phase) khi dịchpha khác 0
Trang 82 Phổ điện từ
Trang 9 Vận tốc của năng lượng điện từ là hằng số:
c = 299,792 km/giây
Quan hệ giữa tần số và bước sóng:
: Tần số : Bước sóng
Trong viễn thám, dải phổ thường được định nghĩa theo bước sóng ( µ m, mm, m).
Vận tốc của năng lượng điện từ là hằng số:
c = 299,792 km/giây
Quan hệ giữa tần số và bước sóng:
: Tần số : Bước sóng
Trong viễn thám, dải phổ thường được định nghĩa theo bước sóng ( µ m, mm, m).
Trang 102 Phổ điện từ
Trang 113 Các dải phổ điện từ chính
Toàn bộ phổ của năng lượng bức xạ từ mặt trời không
có ranh giới rõ ràng giữa các dải phổ dẫn đến có thể cócác định nghĩa khác nhau về dải phổ trong các tài liệu
Trang 123 Các dải phổ điện từ chính
Bảng trên không liệt kê 2 dải bước sóng quan trọng là:
Dải 0.3 – 15 µ m: là dải có thể phản xạ hay khúc xạ với gương hay thấu kính
Dải 0.38 – 3.0 µ m: là dải được sử dụng trực tiếp trong viễn thám.
Trang 143 Các dải phổ điện từ chính
Phổ cực tím (Ultraviolet)
Thực tế là bức xạ điện từ quan trọng cho viễn thám bắt đầu từ vùng cực tím, vùng bước sóng ngắn nằm giữa vùng tia X và vùng ánh sáng
nhìn thấy.
Vùng cực tím phân chia thành
Vùng cực tím gần (UV-A) 0.32 – 0.40 µm
Vùng cực tím xa (UV-B) 0.32 – 0.28 µm
Vùng cực tím extreme (UV-C) dưới 0.28 µm
Vùng cực tím được phát hiện bởi nhà khoa học Đức Johann Wilhelm Ritter năm 1801.
Phổ cực tím (Ultraviolet)
Thực tế là bức xạ điện từ quan trọng cho viễn thám bắt đầu từ vùng cực tím, vùng bước sóng ngắn nằm giữa vùng tia X và vùng ánh sáng
nhìn thấy.
Vùng cực tím phân chia thành
Vùng cực tím gần (UV-A) 0.32 – 0.40 µm
Vùng cực tím xa (UV-B) 0.32 – 0.28 µm
Vùng cực tím extreme (UV-C) dưới 0.28 µm
Vùng cực tím được phát hiện bởi nhà khoa học Đức Johann Wilhelm Ritter năm 1801.
Trang 153 Các dải phổ điện từ chính
Phổ cực tím (Ultraviolet)
Ultraviolet có nghĩa là “beyond the violet” là
vùng ngay ngoài vùng tím, với bước sóng ngắn nhất con người có thể nhìn thấy.
Bức xạ cực tím gần còn được được biết đến với khả năng phát ra huỳnh quang (fluorescence)
nghĩa là phát bức xạ nhìn thấy khi chiếu vào một
số vật liệu Điều này là tốt đối với một số dạng viễn thám.
Tuy nhiên bức xạ cực tím dễ dàng bị tán xạ bởi khí quyển trái đất vậy nên không được sử dụng cho viễn thám các vật liệu trái đất.
Phổ cực tím (Ultraviolet)
Ultraviolet có nghĩa là “beyond the violet” là
vùng ngay ngoài vùng tím, với bước sóng ngắn nhất con người có thể nhìn thấy.
Bức xạ cực tím gần còn được được biết đến với khả năng phát ra huỳnh quang (fluorescence)
nghĩa là phát bức xạ nhìn thấy khi chiếu vào một
số vật liệu Điều này là tốt đối với một số dạng viễn thám.
Tuy nhiên bức xạ cực tím dễ dàng bị tán xạ bởi khí quyển trái đất vậy nên không được sử dụng cho viễn thám các vật liệu trái đất.
Trang 18 Do dải rộng nên tính chất của bức xạ thay đổi nhiều
và được phân chia thành 2 loại:
Do dải rộng nên tính chất của bức xạ thay đổi nhiều
và được phân chia thành 2 loại:
Trang 193 Các dải phổ điện từ chính
Năng lượng vi ba (microwave)
Bước sóng dài nhất dùng trong viễn thám có dải
từ 1 mm đến 1 µm
Bước sóng ngắn nhất trong dải này có tính chất tương
tự năng lượng nhiệt của hồng ngoại xa
Các bước sóng dài hơn trong vùng vi ba nhập với dảibước sóng vô tuyến dung trong viễn thông
Năng lượng vi ba (microwave)
Bước sóng dài nhất dùng trong viễn thám có dải
từ 1 mm đến 1 µm
Bước sóng ngắn nhất trong dải này có tính chất tương
tự năng lượng nhiệt của hồng ngoại xa
Các bước sóng dài hơn trong vùng vi ba nhập với dảibước sóng vô tuyến dung trong viễn thông
Trang 20quanta hay photons Kích cỡ của mỗi đơn vị tỷ
lệ với tần số của năng lượng bức xạ.
: Năng lượng bức xạ: Hằng số
quanta hay photons Kích cỡ của mỗi đơn vị tỷ
lệ với tần số của năng lượng bức xạ.
: Năng lượng bức xạ: Hằng số
: Tần số
Mô hình của Plank giải thích hiệu ứng quang
điện.
Trang 214 Các luật bức xạ
Newton cho rằng năng lượng điện từ lan truyền như sóng như hiện tượng khúc xạ với lăng kính.
Maxwell là người đầu tiên định nghĩa toán học
mô hình sóng của bức xạ điện từ Đây là mô
hình tốt nhất giải thích một số tính chất của năng lượng điện từ.
Kirchhoff:
Tất cả các vật thể có nhiệt độ trên 0 độ tuyệt đối đều
có nhiệt độ và phát bức xạ Năng lượng bức xạ nhiềuhay ít và bước sóng được phát phụ thuộc nhiệt độ
của vật thể Nhiệt độ càng cao, năng lượng bức xạtăng, bước sóng ở mức phát đỉnh càng ngắn
Newton cho rằng năng lượng điện từ lan truyền như sóng như hiện tượng khúc xạ với lăng kính.
Maxwell là người đầu tiên định nghĩa toán học
mô hình sóng của bức xạ điện từ Đây là mô
hình tốt nhất giải thích một số tính chất của năng lượng điện từ.
Kirchhoff:
Tất cả các vật thể có nhiệt độ trên 0 độ tuyệt đối đều
có nhiệt độ và phát bức xạ Năng lượng bức xạ nhiềuhay ít và bước sóng được phát phụ thuộc nhiệt độ
của vật thể Nhiệt độ càng cao, năng lượng bức xạtăng, bước sóng ở mức phát đỉnh càng ngắn
Trang 224 Các luật bức xạ
Vật đen lý tưởng: hấp thụ tất cả bức xạ đến, khôngphản xạ Vật đen phát năng lượng hiệu quả tuyệt đối,năng lượng phát chỉ thay đổi theo nhiệt độ
Kirchhoff cho rằng các vật đen ở cùng nhiệt độ có tỷ
số giữa bức xạ phát và bức xạ hấp thụ là như nhau
Kirchhoff cho rằng các vật đen ở cùng nhiệt độ có tỷ
số giữa bức xạ phát và bức xạ hấp thụ là như nhau
Trang 234 Các luật bức xạ
Stefan-Boltzmann: quan hệ giữa tổng bức xạ phát (tính theo W hay có thể oát.cm-2) và nhiệt
độ T (theo nhiệt độ tuyệt đối, oK).
Bức xạ tổng cộng từ một vật đen tỷ lệ với lũy thừa 4của nhiệt độ tuyệt đối
Vật đen phát nóng phát nhiều năng lượng hơn vậtđen nguội
Stefan-Boltzmann: quan hệ giữa tổng bức xạ phát (tính theo W hay có thể oát.cm-2) và nhiệt
độ T (theo nhiệt độ tuyệt đối, oK).
Bức xạ tổng cộng từ một vật đen tỷ lệ với lũy thừa 4của nhiệt độ tuyệt đối
Vật đen phát nóng phát nhiều năng lượng hơn vậtđen nguội
Trang 244 Các luật bức xạ
Luật thay thế Wien: quan hệ giữa bước sóng bức xạ phát và nhiệt độ của vật đen
λ: bước sóng khi bức xạ maximum
T: nhiệt độ tuyệt đối
Trang 255 Tương tác với khí quyển
Tất cả các bức xạ được sử dụng cho viễn thám đều phải đi qua khí quyển.
Nếu cảm biến được đạt trên máy bay ở độ cao thấp thì ảnh hưởng của khí quyển có thể bỏ qua.
Ngược lại, trong trường hợp năng lượng bức xạ tới cảm biến được đặt trên vệ tinh sau khi đi qua khí quyển, tác động từ khí quyển gây ảnh hưởng lớn đến chất lượng ảnh viễn thám và số liệu đầu
ra của cảm biến.
Do vậy cần thiết phải nghiên cứu tương tác của năng lượng điện từ với khí quyển.
Trang 265 Tương tác với khí quyển
Tất cả các bức xạ được sử dụng cho viễn thám đều phải đi qua khí quyển.
Nếu cảm biến được đạt trên máy bay ở độ cao thấp thì ảnh hưởng của khí quyển có thể bỏ qua.
Ngược lại, trong trường hợp năng lượng bức xạ tới cảm biến được đặt trên vệ tinh sau khi đi qua khí quyển, tác động từ khí quyển gây ảnh hưởng lớn đến chất lượng ảnh viễn thám và số liệu đầu
ra của cảm biến.
Do vậy cần thiết phải nghiên cứu tương tác của năng lượng điện từ với khí quyển.
Trang 275 Tương tác với khí quyển
Tán xạ (scattering)
Là hiện tượng đổi hướng của năng lượng điện từ gây ra bởi các hạt lơ lửng trong khí quyển hay
các phân tử gas khí quyển.
Tán xạ xảy ra nhiều hay ít phụ thuộc kích thước của các hạt trên, mật độ hạt, bước sóng bức xạ,
độ sâu khí quyển mà năng lượng đó đi xuyên
qua.
Do tán xạ mà một phần chùm tia bức xạ mặt trời hướng trở lại không gian, một phần hướng tới bề mặt trái đất.
Tán xạ (scattering)
Là hiện tượng đổi hướng của năng lượng điện từ gây ra bởi các hạt lơ lửng trong khí quyển hay
các phân tử gas khí quyển.
Tán xạ xảy ra nhiều hay ít phụ thuộc kích thước của các hạt trên, mật độ hạt, bước sóng bức xạ,
độ sâu khí quyển mà năng lượng đó đi xuyên
qua.
Do tán xạ mà một phần chùm tia bức xạ mặt trời hướng trở lại không gian, một phần hướng tới bề mặt trái đất.
Trang 285 Tương tác với khí quyển
Trang 295 Tương tác với khí quyển
Tán xạ (scattering)
Cuối những năm 1890, nhà khoa học Anh
Rayleigh cho rằng trong khí quyển chỉ có các khí gas, tán xạ ánh sáng càng tăng mạnh ứng với
các bước sóng càng ngắn.
Tán xạ Rayleigh xảy ra khi các hạt khí quyển có đường kính nhỏ hơn nhiều so với bước sóng của bức xạ Các hạt có thể là các hạt bụi rất nhỏ, một
số phân tử khí gas lớn hơn như Ni-tơ, ô-xy.
Tán xạ Rayleigh xảy ra chủ yếu trong khí quyển,
độ cao lên đến 9-10Km.
Tán xạ (scattering)
Cuối những năm 1890, nhà khoa học Anh
Rayleigh cho rằng trong khí quyển chỉ có các khí gas, tán xạ ánh sáng càng tăng mạnh ứng với
các bước sóng càng ngắn.
Tán xạ Rayleigh xảy ra khi các hạt khí quyển có đường kính nhỏ hơn nhiều so với bước sóng của bức xạ Các hạt có thể là các hạt bụi rất nhỏ, một
số phân tử khí gas lớn hơn như Ni-tơ, ô-xy.
Tán xạ Rayleigh xảy ra chủ yếu trong khí quyển,
độ cao lên đến 9-10Km.
Trang 305 Tương tác với khí quyển
Tán xạ (scattering)
Tán xạ Rayleigh phụ thuộc bước sóng.
Trang 315 Tương tác với khí quyển
Trang 325 Tương tác với khí quyển
Tán xạ Mie (Mie scattering): là tán xạ gây bởi các hạtkhí quyển lớn hơn như bụi, phấn hoa, khói và giọt nước
Các hạt này dường như rất nhỏ so với quan sát của conngười nhưng thực ra lại lớn hơn nhiều lần các hạt gây tán
xạ Rayleigh Đường kính của các hạt gây tán xạ Mie
tương đương bước sóng của bức xạ bị tán xạ
Tán xạ Mie cũng phụ thuộc bước sóng và ảnh hưởng tớimột dải rộng các bước sóng trong và gần dải ánh sángnhìn thấy
Khi phân tích tán xạ Mie cần xem xét cả kích thước, hìnhdạng và cả thành phần của các hạt
Tán xạ Mie xảy ra chủ yếu ở vùng thấp của khí quyển (độcao 0 – 5Km) nơi tập trung các hạt khí quyển lớn hơn
Tán xạ Mie (Mie scattering): là tán xạ gây bởi các hạtkhí quyển lớn hơn như bụi, phấn hoa, khói và giọt nước
Các hạt này dường như rất nhỏ so với quan sát của conngười nhưng thực ra lại lớn hơn nhiều lần các hạt gây tán
xạ Rayleigh Đường kính của các hạt gây tán xạ Mie
tương đương bước sóng của bức xạ bị tán xạ
Tán xạ Mie cũng phụ thuộc bước sóng và ảnh hưởng tớimột dải rộng các bước sóng trong và gần dải ánh sángnhìn thấy
Khi phân tích tán xạ Mie cần xem xét cả kích thước, hìnhdạng và cả thành phần của các hạt
Tán xạ Mie xảy ra chủ yếu ở vùng thấp của khí quyển (độcao 0 – 5Km) nơi tập trung các hạt khí quyển lớn hơn
Trang 335 Tương tác với khí quyển
Tán xạ không phụ thuộc bước sóng
(nonselective scattering): là tán xạ gây bởi các hạt
có kích thước lớn hơn nhiều bước sóng của bức xạ bị tánxạ
Ví dụ với bức xạ trong và gần dải ánh sáng nhìn thấy
những hạt lớn như giọt nước, bụi máy bay
Mọi bước sóng nhìn thấy bị tán xạ như nhau và ta thấy nógiống như khói trắng hay khói xám
Tán xạ không phụ thuộc bước sóng
(nonselective scattering): là tán xạ gây bởi các hạt
có kích thước lớn hơn nhiều bước sóng của bức xạ bị tánxạ
Ví dụ với bức xạ trong và gần dải ánh sáng nhìn thấy
những hạt lớn như giọt nước, bụi máy bay
Mọi bước sóng nhìn thấy bị tán xạ như nhau và ta thấy nógiống như khói trắng hay khói xám
Trang 345 Tương tác với khí quyển
Ảnh hưởng của tán xạ
Tán xạ làm cho khí quyển như có độ sáng của nó.
Trong vùng ánh sáng nhìn thấy, bóng râm không hẳn
là đen mà chỉ là tối, ta vẫn có thể nhìn thấy vật thể trong bóng dâm bởi ánh sáng bị đổi hướng bởi các hạt trên đường đi của tia mặt trời.
Với viễn thám, tán xạ có một số hệ quả quan trọng.
Do dán xạ Rayleigh phụ thuộc bước sóng, dải phổ bức xạ màu xanh (blue) và cực tím bị ảnh hưởng
nhiều nhất bởi tán xạ nên không được coi là hữu ích trong viễn thám.
Ảnh hưởng của tán xạ
Tán xạ làm cho khí quyển như có độ sáng của nó.
Trong vùng ánh sáng nhìn thấy, bóng râm không hẳn
là đen mà chỉ là tối, ta vẫn có thể nhìn thấy vật thể trong bóng dâm bởi ánh sáng bị đổi hướng bởi các hạt trên đường đi của tia mặt trời.
Với viễn thám, tán xạ có một số hệ quả quan trọng.
Do dán xạ Rayleigh phụ thuộc bước sóng, dải phổ bức xạ màu xanh (blue) và cực tím bị ảnh hưởng
nhiều nhất bởi tán xạ nên không được coi là hữu ích trong viễn thám.
Trang 355 Tương tác với khí quyển
Ảnh hưởng của tán xạ
Các thiết bị viễn thám thường loại trừ các bức xạ
bước sóng ngắn như xanh (blue) và cực tím sử dụng
bộ lọc hay giảm độ nhạy chất cảm quang của film ở dải bước sóng này.
Tán xạ làm cho các bức xạ từ bên ngoài đi vào vùng
mở của cảm biến dẫn đến là giảm chi tiết ảnh được ghi lại.
Tán xạ làm cho các vật thể tối trở nên sáng hơn và kết quả là vật sáng bị tối đi hay nói cách khác là làm giảm độ tương phản mà cảm biến ghi lại Nếu coi
ảnh “tốt” thể hiện bằng dải tương phản thì tán xạ làm giảm chất lượng ảnh.
Ảnh hưởng của tán xạ
Các thiết bị viễn thám thường loại trừ các bức xạ
bước sóng ngắn như xanh (blue) và cực tím sử dụng
bộ lọc hay giảm độ nhạy chất cảm quang của film ở dải bước sóng này.
Tán xạ làm cho các bức xạ từ bên ngoài đi vào vùng
mở của cảm biến dẫn đến là giảm chi tiết ảnh được ghi lại.
Tán xạ làm cho các vật thể tối trở nên sáng hơn và kết quả là vật sáng bị tối đi hay nói cách khác là làm giảm độ tương phản mà cảm biến ghi lại Nếu coi
ảnh “tốt” thể hiện bằng dải tương phản thì tán xạ làm giảm chất lượng ảnh.
Trang 375 Tương tác với khí quyển
Trang 385 Tương tác với khí quyển
Ảnh hưởng của tán xạ
IS: thay đổi tùy theo bề mặt và vật liệu, độ dốc địa
hình, hướng quan sát, góc chiếu xạ.
IO: thường được coi là hằng số trên một vùng rộng
ID: nhỏ so với các yếu tố khác nhưng thay đổi giữa các khu vực khác nhau và khó ước lượng.
Ví dụ trong trường hợp đặc biệt như khi trong bóng râm, bề mặt không nhận ánh sáng trực tiếp từ tia mặt trời thì coi IS=0, nhưng bóng râm có độ sáng của
chính nó là ID và mẫu phổ của vùng đó (có được từ
sự thay đổi của khu vực có bức xạ khuếch tán).
Ảnh hưởng của tán xạ
IS: thay đổi tùy theo bề mặt và vật liệu, độ dốc địa
hình, hướng quan sát, góc chiếu xạ.
IO: thường được coi là hằng số trên một vùng rộng
ID: nhỏ so với các yếu tố khác nhưng thay đổi giữa các khu vực khác nhau và khó ước lượng.
Ví dụ trong trường hợp đặc biệt như khi trong bóng râm, bề mặt không nhận ánh sáng trực tiếp từ tia mặt trời thì coi IS=0, nhưng bóng râm có độ sáng của
chính nó là ID và mẫu phổ của vùng đó (có được từ
sự thay đổi của khu vực có bức xạ khuếch tán).