Đề cương ôn thi môn viễn thám

 Công đoạn thu nhận dữ liệu Data Acquisition: Liên quan đến các yếu tố:Nguồn năng lượng bức xạ ; Môi trường truyền bức xạ ; Sự tương tác của bức xạvới các đối tượng mặt đất ; Hệ thống t

REMOTE SENSING

Mục lục

1 Nguyên lý viễn thám1.1 Hệ thống cảm biến từ xa

 Mục tiêu (Targets): Là các sự vật, hiện tượng đang nghiên cứu

 Nguồn năng lượng (Energy Sources): Sử dụng nguồn năng lượng tự nhiên haynhân tạo (hiện tượng chiếu xạ) Hoặc sử dụng nguồn năng lượng do chính đốitượng phát ra (hiên tượng phát xạ)

 Sự truyền năng lượng (Transmission): Liên quan đến môi trường

 Bộ cảm biến (Sensors): Ghi nhận lại sự biến thiên năng lượng sau khi tương tácvới mục tiêu và xử lý tạo ra hình ảnh

1.2 Các dạng viễn thám không gian

 Viễn thám thụ động (Passive-RS): Bức xạ điện từ từ các nguồn năng lượng tựnhiên (chủ yếu là mặt trời) chiếu xuống mặt đất Sau khi tương tác với các đốitượng, một phần tia bức xạ phản xạ trở lại không gian (Reflected Energy) mangtheo thông tin phản ánh bản chất của các đối tượng đó đến bộ cảm và được ghinhận lại Phần lớn đây là các hệ thống quang học (Optical Systems)

 Viễn thám chủ động (Active-RS): Bức xạ điện từ do các nguồn năng lượngnhân tạo trên các vật mang phát xuống mặt đất Sau khi tương tác với các đốitượng, một phần tia phản xạ hay tán xạ (Scattered) mang theo thông tin về cácđối tượng đó đến bộ cảm và được ghi nhận lại Chủ yếu là các hệ thống vi sóng(Radar)

 Viễn thám phát xạ (Emission-RS): Bức xạ điện từ phát ra từ chính các đốitượng trên mặt đất (Emitted) mang theo thông tin về bản chất của các đối tượng

đó đến bộ cảm, được bộ cảm ghi nhận lại và chuyển thành hình ảnh Các hệthống nhiệt (Thermal Systems)

1.3 Quá trình viễn thám

Hoạt động của hệ thống viễn thám điện từ là một quá trình thống nhất, bao gồm 2 côngđoạn chính với nhiều phân đoạn khác nhau:

 Công đoạn thu nhận dữ liệu (Data Acquisition): Liên quan đến các yếu tố:Nguồn năng lượng bức xạ ; Môi trường truyền bức xạ ; Sự tương tác của bức xạvới các đối tượng mặt đất ; Hệ thống thu nhận và Việc truyền dữ liệu về mặt đất.

 Công đoạn phân tích dữ liệu (Data Analysis): Liên quan đến việc: Xử lý dữliệu, tạo ảnh, giải đoán ảnh thu thập thông tin ; Hình thành các sản phẩm thôngtin , cung cấp cho người sử dụng…

1.4 Các hệ thống viễn thám điện từ

 Hệ thống viễn thám thị tần và hồng ngoại phản xạ (Optical-RS): Còn gọi là viễnthám quang học Sử dụng nguồn năng lượng chính là bức xạ mặt trời, hoạt độngtrong vùng quang phổ có bước sóng từ 0,3÷0,9 um, tạo ra ảnh quang học(Optical Images)

 Hệ thống viễn thám hồng ngoại nhiệt (Thermal-RS): Nguồn năng lượng sửdụng là bức xạ nhiệt do chính vật thể phát ra, hoạt động trong vùng phổ có bướcsóng khoảng từ 3÷15um, tạo ra ảnh nhiệt (Thermal Images)

 Hệ thống viễn thám siêu cao tần (Microwave-RS): Còn gọi là viễn thám visóng, sử dụng nguồn năng lượng chủ động, nằm trong vùng phổ vi ba có bướcsóng khoảng từ milimét đến mét

2 Bức xạ điện từ2.1 Sóng điện từ

Bức xạ điện từ (Electromagnetic Radiation) là một dạng vật chất đặc biệt tồn tại trong

tự nhiên Đây là thành phần không thể thiếu được của viễn thám không gian Bức xạđiện từ mang tính chất sóng và tính chất hạt

Các thuộc tính cơ bản của sóng điện từ gồm: Bước sóng; Tần số; Tốc độ truyền sóng;Hướng truyền; Sự phân cực…

 Bước sóng -Wavelength : Là khoảng cách giữa 2 đỉnh sóng liên tiếp nhau

 Tần số -Frequency : Là số lượng đỉnh sóng lớn nhất truyền qua một điểm cốđịnh trong không gian trong khoảng thời gian một giây

 Tốc độ truyền sóng -Velocity (c, m/s): Tất cả các loại bức xạ điện từ có bướcsóng và tần số khác nhau, nhưng đều truyền đi trong không gian với cùng mộttốc độ, được coi bằng với tốc độ ánh sáng trong môi trường chân không (xấp xỉ3.108m/s) Theo đó, thời gian bức xạ điện từ truyền từ mặt trời tới mặt đất mấtkhoảng 8 phút (tương đương với 149 triệu km) Quan hệ giữa 3 đại lượng trên

được biểu diễn bằng công thức: C = lamda * c

Tuy nhiên, khi truyền qua các môi trường vật chất có mật độ (hay chiết suất) khácnhau, tốc độ truyền sóng và bước sóng thay đổi còn tần số không đổi

 Hướng truyền và Sự phân cực

Khi tương tác với các thành phần vật chất khác nhau, sóng điện từ bị đổi hướng

do xảy ra hiện tượng khúc xạ (Refraction) hay phản xạ (Reflection) Cường độbức xạ cũng giảm dần theo khoảng cách lan truyền do sự hấp thụ của môitrường truyền sóng Ngoài ra, khi truyền qua một khe hẹp (hay lỗ nhỏ) sóngđiện từ bị nhiễu xạ, tán xạ hoặc giao thoa…

Sự phân cực (Polarization) xảy ra khi sóng điện từ truyền qua bộ lọc phân cực(dọc hoặc ngang) Khi đó chỉ những sóng có định hướng song song với hướngphân cực mới có thể truyền qua và ngược lại

2.2 Năng lượng điện từ

Theo thuyết lượng tử của A Einstain, bức xạ điện từ là một chùm hạt (Photons) mangnăng lượng điện từ (Electromagnetic Energy) Tính chất hạt của bức xạ được thể hiệnkhi các photons tương tác với các đối tượng mặt đất

- Năng lượng của một photon ánh sáng E (kJ/mol) có liên quan đến khối lượng của hạt(m), tốc độ truyền sóng (c), tần số () theo công thức, trong đó h là hằng số Planck

Theo đó, năng lượng bức xạ tỷ lệ thuận với tần số và tỷ lệ nghịch với bước sóng của

nó Bức xạ có bước sóng càng ngắn (tức tần số càng lớn) các photons mang nănglượng càng cao, sự tương tác với các đối tượng mặt đất càng mạnh và ngược lại

- Năng lượng phát xạ (dưới dạng nhiệt) của một vật đen tuyệt đối (tức vật có hệ số hấpthụ = 1) W (watt/m2) là một hàm của nhiệt độ bề mặt của nó T (oK), tuân theo địnhluật Stefan-Boltzmann, trong đó  -là hằng số Stefan-Boltzmann ( = 5,6697.10-8W.m-2.oK-4)

- Cường độ phát xạ nhiệt của vật đen tuyệt đối như là một hàm của bước sóng trong sựphụ thuộc vào nhiệt độ tuyệt đối của vật thể Khi nhiệt độ tăng, năng lượng phát xạtăng lên rất nhanh và cực đại năng lượng chuyển dịch về phía bước sóng ngắn Bướcsóng cực đại (hay cực trị bức xạ) tương ứng với năng lượng phát xạ lớn nhất đượctính theo định luật Wien, với A -là hằng số Wien (2,898m.oK)

Nhiệt độ mặt trời 5.900oK, cực trị bức xạ rơi vào bước sóng 502nm (Green), gầnvùng nhạy cảm nhất của mắt người Cơ thể người và động vật có nhiệt độ 300oK(27oC), cực trị bức xạ rơi vào bước sóng 10um, là vùng hồng ngoại xa…

2.3 Phổ điện từ

Phổ điện từ (Electromagnetic Spectrum) trong tự nhiên mang tính liên tục của các dảinăng lượng điện từ, phân bố theo tần số () hay bước sóng (), được chia thành nhiềuvùng (Regions) khác nhau Trong viễn thám, theo bước sóng tăng dần từ nhỏ nhất (10-10m) đến lớn nhất (10+10m), phổ điện từ được chia thành 7 vùng chính:

1 Tia Gamma (Gamma Rays)

2 Tia X quang (X Rays)

Chiếm tỷ lệ rất nhỏ trong toàn bộ dải phổ điện từ Nghĩa là, mắt người bình thường chỉ

có thể cảm nhận được vùng phổ có bước sóng từ  0,4÷0,7m và gọi là vùng quangphổ Quang phổ nhận được nhờ một lăng kính khi phân tách chùm ánh sáng trắngthành các ánh sáng có màu sắc khác nhau với bước sóng (hay tần số) xác định

Trong đó, ba màu: Lam (Blue); Lục (Green); Đỏ (Red) gọi là ánh sáng đơn sắc hay cácmàu cộng cơ bản Nếu tổ hợp với tỷ lệ bằng nhau của ba màu cộng cơ bản sẽ tạo raánh sáng trắng Các ánh sáng không đơn sắc trong tự nhiên là sự tổ hợp ở những tỷ lệkhác nhau của ba màu cộng cơ bản này

Hệ thống viễn thám quang học sử dụng 3 màu cộng cơ bản tương ứng với 3 kênh phổ(Channels) hay băng phổ (Bands): Band Blue (0,4÷0,5m); Band Green (0,5÷0,6m);Band Red (0,6÷0,7m), tạo ra các ảnh quang học

- Vùng hồng ngoại (InfraRed-IR)

Là phần cận sau của vùng thị tần, chiếm tỷ lệ tương đối lớn trong dải phổ điện từ, cóbước sóng khoảng từ 0,7÷>15m Vùng IR được chia ra dải hồng ngoại phản xạ(Reflected IR; 0,7÷3,0m) và dải hồng ngoại nhiệt (Thermal IR; 3÷ >15m)

Trong đó, dải hồng ngoại phản xạ chia thành 2 bands: Band Near IR (NIR,0,7÷1,3m) và Band ShortWave IR (SWIR, 1,3÷3,0m)

Dải hồng ngoại nhiệt được chia thành 3 bands:

Các kênh phổ có thể được chia theo bước sóng () hay tần số (v) Hiện nay nhiềukênh phổ đã và đang được nghiên cứu sử dụng để thu nhận hình ảnh, đặc biệt là cáckênh:

Hơn 99% tổng lượng khí quyển phân bố ở độ cao  80km Chia thành 4 tầng:

- Tầng đối lưu (Troposphere): Đặc trưng của tầng này là sự giảm đáng kể của nhiệt

độ theo độ cao ( 6,5oC/1km, lên đến trên 10km) Hầu hết các hiện tượng thời tiết,khí hậu xảy ra ở đây Một lớp bụi khí quyển (Aerosols) thường tồn tại gần mặt đất và

tụ tập theo hàm số mũ khi độ cao tăng lên, tới khoảng 2km

- Tầng bình lưu (Stratosphere): Đặc trưng của tầng này là nhiệt độ khá ổn định

trong phạm vi dưới 20km, sau đó tăng nhanh theo độ cao, lên tới khoảng 50km

Tầng ozone tồn tại chủ yếu trên đỉnh của tầng này (Stratopause)

- Tầng trung lưu (Mesosphere): Đặc trưng của tầng này là nhiệt độ giảm mạnh, từ

độ cao 50km đến khoảng 85km

- Tầng điện ly (Thermosphere): Tầng này kéo từ 85km đến  640km Nhiệt độ daođộng từ 500÷2000oK Các chất khí tồn tại dưới dạng lỏng, bị ion hóa do sự bắn phácủa các tia cực tím và tia vũ trụ Các vệ tinh viễn thám thường bay phía trên của tầngnày (độ cao khoảng 800km)

2.4.2 Ảnh hưởng của khí quyển trái đất

Khi truyền qua tầng khí quyển trái đất, các tính chất của bức xạ điện từ (hướng truyền,bước sóng, tốc độ, cường độ, sự phân cực, thành phần phổ…) bị thay đổi Nguyênnhân chính là do cơ chế tán xạ (Scattering) và hấp thụ (Absorption) của khí quyển gâyra

Khí quyển trái đất chỉ cho phép một số tia bức xạ nhất định xuyên qua với mức độkhác nhau, phụ thuộc chủ yếu vào bước sóng, tạo nên các cửa sổ khí quyển(Atmospheric Windows) Đồng thời hấp thụ một số tia có bước sóng đặc biệt, tạo racác bands hấp thụ

- Tán xạ (Scattering): Là hiện tượng năng lượng bức xạ bị phân tán khi tương tác vớicác phần tử có kích thước rất bé lơ lửng trong không khí, phụ thuộc chủ yếu vào bướcsóng và thành phần bụi khí quyển (Aerosol)

Các bức xạ sóng ngắn (tia cực tím) tán xạ mạnh gấp 16 lần so với các bức xạ sóng dài(tia đỏ) Bụi khí quyển có kích thước bé tán xạ mạnh các tia BLUE tạo nên một sự

“vẩn đục” có màu xanh trong khí quyển, cho ta cảm giác bầu trời xanh và sẽ xuất hiệnmàu đen khi hiện tượng tán xạ không xảy ra

Hiện tượng tán xạ làm mờ ảnh, giảm độ tương phản, độ nét… Tuy nhiên, có tác dụngnhất định trong việc chiếu sáng các phần che bóng của vật thể

- Hấp thụ (Absorption): Là hiện tượng làm mất năng lượng bức xạ do các thành phầnhóa học khác nhau trong khí quyển gây ra

Các loại tia sóng cực ngắn (Cosmic Rays) và phần lớn tia cực tím (Ultraviolet) bị ngăncản và hấp thụ bởi tầng ozon của khí quyển, nhờ vậy cho phép sự sống tồn tại trên tráiđất

Hiện tượng hấp thụ ảnh hưởng chính đến các bands thị tần và hồng ngoại Tuy nhiên,vùng thị tần bị hấp thụ tương đối ít Vùng hồng ngoại bị hấp thụ khá mạnh ở một sốbước sóng xen kẽ với các cửa sổ quang học do hơi nước và carbondioxide gây ra, tạonên nhiều băng hấp thụ Đặc biệt, vùng vi sóng và lớn hơn hầu như không bị hấp thụhay tán xạ bởi khí quyển

3 Hiện tượng phản xạ phổ3.1 Sự tương tác của bức xạ với mặt đất

Khi bức xạ mặt trời chiếu xuống mặt đất, năng lượng điện từ hay tia tới (IncidentEnergy) sẽ tương tác với các đối tượng mặt đất có thành phần vật chất khác nhau Kếtquả xảy ra ba hiện tượng chính: (1) Phản xạ (2) Truyền qua và (3) Hấp thụ Nghĩa là,năng lượng bức xạ điện từ được chuyển thành ba dạng năng lượng thành phần tươngứng: Năng lượng phản xạ ER(lamda); Năng lượng truyền qua ET() và Năng lượnghấp thụ EA()

- Phản xạ (Reflection): Hiện tượng một phần nhất định tia bức xa,sau khi tương tác vớicác đối tượng, từ bề mặt vật chất quay trở lại không gian theo các hướng khác nhau(còn gọi là hiện tượng bề mặt) Đây là hiện tượng được viễn thám quan tâm, đặc biệt làphần phản xạ trở lại theo hướng của tia tới

- Truyền qua (Transmission): Sự cho phép bức xạ đi qua các môi trường vật chất cómật độ (hay chiết suất) khác nhau trên bề mặt trái đất (còn gọi là hiện tượng bênngoài) Hiện tượng truyền qua gây ra sự biến đổi lớn về cường độ, hướng truyền, thànhphần phổ… của tia bức xạ

- Hấp thụ (Absorption): Hiện tượng năng lượng bức xạ điện từ làm nóng các thànhphần vật chất trên mặt đất khi tương tác (còn gọi là hiện tượng bên trong) Năng lượngđiện từ bị vật chất hấp thụ nhiều hay ít phụ thuộc vào bước sóng và loại vật thể Hiệntượng hấp thụ làm suy yếu cường độ bức xạ, thay đổi thành phần phổ…

Tỷ lệ phần trăm các dạng năng lượng thành phần (phản xa, truyền qua, hấp thụ) khôngchỉ phụ thuộc vào bản chất của đối tượng tương tác (như tính chất vật lý, thành phầnhóa học, loại lớp phủ, dạng bề mặt, trạng thái cấu trúc, đặc tính sinh học…) mà còn

phụ thuộc rất lớn vào bước sóng Nói cách khác: Năng lượng là một hàm của bước sóng trong sự phụ thuộc với bản chất của vật thể tương tác.

Nếu không kể đến ảnh hưởng của tầng khí quyển trái đất, theo địnhluật bảo toàn nănglượng, phương trình cần bằng năng lượng có thể được viết:

Trong dải thị tần, sự biến đổi phổ hấp thu và phản xạ có liên quan đến bước sóng, được thể hiện bằng màu sắc của vật thể Một vật cómàu lục vì nó phản xạ mạnh vùng

phổ màu xanh lục, một vật có màu đỏ vì nó hấp thụ tất cả các tia bức xạ khác ngoại trừtia đỏ…

Tùy thuộc các kiểu phản xạ trong mối quan hệ với nhiều yếu tố ảnhhưởng, các hệthống viễn thám, các bước sóng khác nhau… hình ảnh các đối tượng được ghi nhận có

độ xám (Tone), màu sắc (Color), độ sáng (Brightness), độ tương phản (Contrast)…khác nhau Đây là cơ sở quan trọng cho việc giải đoán ảnh viễn thám sau này

3.3 Hệ số phổ phản xạ

Năng lực phản xạ của vật chất có thể đặc trưng bằng một hệ số tương đối gọi là hệ sốphổ phản xạ (Reflectance) Hệ số phổ phản xạ của các đối tượng riêng biệt phụ thuộcchủ yếu vào bước sóng của tia tới, bản chất của vật thể, dạng bề mặt, trạng thái… và

có thể được xác định bằng đo đạc thực nghiệm

Kỹ thuật viễn thám ghi nhận lại sự thay đổi của năng lượng phản xạ từ các thành phầnvật chất khác nhau bằng việc xử lý và phân tích các hình ảnh của chúng Kết quả làxác định được bản chất của vật thể tạo ra sự thay đổi đó.

Biểu đồ hệ số phổ phản xạ của một đối tượng là một hàm của bước sóng gọi là đườngcong phổ phản xạ (Spectral Reflectance Curve)

Dạng đường cong cho biết bản chất các đặc trưng phổ của một vật, là yếu tố chỉ thịcho chủng loại, thành phần, trạng thái… của vật thể

Đường cong phổ phản xạ có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong việc chọn vùng phổ,trong đó các thông tin viễn thám được ghi nhận Là cơ sở để lựa chọn bộ cảm biến, sốkênh phổ, bề rộng từng kênh… và là căn cứ để phân loại các dạng lớp phủ mặt đất(Land Covers)

Việc đo bức xạ mặt trời (Solar Irradiation), bức xạ nhiệt (Thermal) và khả năng phản

xạ phổ (Reflectance) của các đối tượng có thể được thực hiện ngay trên mặt đất hay từcác bộ cảm trong không gian Tuy nhiên, sau khi đi qua khí quyển, phổ bức xạ mặt trời(Spectrum) tại mặt đất có thể bị biến đổi Năng lượng có ý nghĩa còn lại chỉ nằm trongphạm vi dải sóng khoảng từ 0,25÷3µm

đột biến (40%) và có sự khác biệt rõ rệt giữa các loại cây.

Đường cong phổ phản xạ của hai dạng thực vật đặc trưng lá kim (Coniferous) và lárộng (Deciduous) cho thấy, trong vùng thị tần khả năng phản xạ phổ đều yếu Do đó,bằng các loại bộ cảm thông thường khó có thể phân biệt được

Vấn đề sẽ được giải quyết nếu sử dụng bộ cảm hồng ngoại gần (NIR) Vì thực vật lárộng phản xạ rất mạnh với tia hồng ngoại nên xuất hiện độ xám trên ảnh sáng hơnnhiều so với thực vật lá kim Mặc dù có dạng đặc trưng chung, song đường cong phổphản xạ của các loài thực vật khác biệt khá rõ rệt ngay trong vùng VIS, đặc biệt làvùng NIR, cho phép khả năng phân biệt đến từng loài cây, loại hình sử dụng đất Cây

ăn quả (Citrus) phản xạ mạnh trong nhiềuvùng, nhất là vùng NIR Cà chua (Tomato)phản xạ mạnh trong vùng NIR, nhưng yếu nhất trong vùng VIS Trong khi đó, so vớicác loài cây khác, bông vải (Cotton) phản xạ yếu nhất trong vùng NIR

- Trong vùng hồng ngoại sóng ngắn (SWIR), khả năng phản xạ phổ của thực vật biếnthiên phức tạp, phụ thuộc chủ yếu vào loài cây, đặc biệt là lượng nước trong lá Nướchấp thụ mạnh các bands xung quanh dải phổ 1,45m và 1,95÷2,5µm

Ngoài phạm vi các bands hấp thụ, năng lực phản xạ phổ tăng lên khi lượng nước trong

lá giảm đi Đặc điểm này được sử dụng để nhận biết các loài cây và trạng thái củachúng… từ ảnh viễn thám

- Trong vùng hồng ngoại nhiệt (Thermal IR) có thể phát hiện được sự khô héo của câycối, thảm thực vật gây cháy, vùng bị cháy cũng như mức độ cháy…, nhất là vào banđêm

Trên cơ sở phân tích đặc trưng phổ của thực vật, các bands phổ sau

đây thường được sử dụng trong viễn thám quang học để nghiên cứu

thảm thực vật:

A: Band Blue (B)

B: Band Green (G)

C: Band Red (R)

D: Band Near Infrared (NIR)

E: Band ShortWave Infrared (SWIR)

3.4.2 Đối với đất

Năng lực phản xạ phổ phụ thuộc nhiều yếu tố, chủ yếu là độ ẩm, kích thước hạt, thànhphần khoáng, hàm lượng mùn, kết cấu, độ nhám bề mặt… Trong đó, độ ẩm đất (SoilMoisture) là yếu tố ảnh hưởng đáng kể

Trong vùng thị tần, hệ số phổ phản xạ tăng lên rất nhanh khi bước sóng tăng và biếnthiên phức tạp ở vùng hồng ngoại Độ ẩm càng cao năng lực phản xạ phổ của đất cànggiảm và ngược lại

3.4.3 Đối với nước

Đường cong đặc trưng cho thấy năng lực phản xạ phổ của nước rất thấp và chỉ xảy ratrong vùng thị tần Nước hấp thụ khá mạnh nhiều bước sóng khác nhau, ngay trong dảihồng ngoại gần, cho dù là nước trong tự nhiên (ao hồ, sông suối…) hay nước chứatrong vật thể (thực vật, đất…)

Hệ số phổ phản xạ phổ đạt cực đại ở cuối phổ Blue và giảm rất nhanh khi chuyển sangvùng hồng ngoại Vì vậy trên ảnh nước sạch thể hiện rất tối, trong khi nước bẩn (dotrầm tích khoáng) làm tăng khả năng phản xạ cuối phổ Red nên xuất hiện màu hơinâu…

4 Hệ thống quét hình4.1 Nguyên lý quét hình

- Nguyên tắc hoạt động của máy quét là sử dụng các tế bào quang điện hay bộ dò(Detectors) cảm nhận hình ảnh bề mặt trái đất theo các dòng quét (Scanlines) nganghay dọc so với hướng đường bay của vật mang

Thực chất là ghi nhận sự biến thiên của năng lượng điện từ phản xạ hay phát xạ từ cácđối tượng mặt đất theo từng bước sóng khác nhau trong một vùng phổ xác định

- Nhiệm vụ của bộ cảm biến (Sensors) là thu nhận năng lượng điện từ phản xạ hayphát xạ từ mặt đất theo từng bước sóng khác nhau trong một vùng phổ xác định Biếnđổi quang năng thành điện năng Chuyển tín hiệu điện thành tín hiệu số (giá trị củaPixels tương ứng với năng lượng bức xạ mà bộ cảm thu nhận được) để tạo ra ảnh số(Digital Images)

- Giá trị độ sáng của phần tử ảnh (Pixel Brightness Value) phụ thuộc vào khả nănglượng tử hóa (số bits) của thiết bị Số bits dùng để ghi nhận sự phân cấp độ xám (tức

sự thay đổi nhỏ nhất về cường độ sóng phản xạ từ vật) gọi là độ phân giải bức xạ Cácmáy quét hiện nay sử dụng mức lượng tử 8 bits cho phép ghi nhận thông tin trong 28 =

“trường nhìn tức thời”  (IFOV-Instantaneous Field of View), có kích thước tươngứng trên mặt đất (X, Y) gọi là phần tử phân giải mặt đất (Ground ResolutionElement), biểu thị cho độ phân giải của ảnh

• Độ phân giải hình học: Máy quét quang cơ cho độ phân giải hình học (kíchthước phần tử phân giải mặt đất) không đồng nhất

+ Máy quét quang điện tử (Pushbroon Scanner) Các dòng quét bề mặt đất vuông gócvới hướng bay được thực hiện một cách đồng thời theo nguyên lý phép chiếu xuyêntâm, nhờ cấu trúc đặc biệt của bộ cảm mảng tuyến tính CCD-Sensor.

• Độ phân giải hình học: Máy quét quang điện tử cho độ phân giải hình học (kíchthước phần tử mặt đất tương ứng với Pixel) đồng nhất theo cả 2 hướng, hướng bay vàhướng vuông góc với tuyến bay

Độ phân giải hình học được tính theo: Tốc độ bay của vật mang (v);

Thời gian lộ quang (t); Độ cao bay (H); Kích thước Pixel (x, y);

Bề rộng dải quét (F) và Số lượng phần tử của bộ cảm (n)

4.2 Phương pháp quét đa phổ

Máy quét đa phổ (Multispectral Scanner) là một phức hệ liên kết nhiều bộ cảm trongmột thể thống nhất Các tia phản xạ từ mặt đất trước khi tới cảm biến được tách sóngnhờ bộ tách phổ (Prism) hay các kính vật mang bộ lọc (Filters) thích hợp Ngoài ra,nhờ kết cấu đặc biệt của hệ thống, thiết bị này còn cho phép quét ảnh lập thể

4.3 Các thông số kỹ thuật cơ bản của máy quét

(1) Tổng số kênh phổ sử dụng

(2) Phạm vi quang phổ từng kênh

(3) Trường nhìn toàn bộ (FOV)

(4) Trường nhìn tức thời (IFOV) hay kích thước của Pixel

(5) Các đặc trưng về bức xạ (sự nhiễu, độ nhạy, số bits…) và thời

gian (thông số thời gian của bộ cảm, vệ tinh…)

• Nhóm vệ tinh tài nguyên: Dùng để điều tra giám sát tài nguyên trên mặt đất Sử dụngquỹ đạo cận cực đồng bộ mặt trời, độ cao bay từ 700-900km, mang các bộ cảm có độphân giải cao, nhiều kênh phổ Mục đích chính là giám sát biến động trên mặt đất và

thành lập bản đồ Hiện nay, có nhiều loại vệ tinh quan trắc trái đất, mang các thiết bịthu nhận khác nhau, phục vụ đa mục tiêu hay trong từng lĩnh vực nghiên cứu.

Vệ tinh viễn thám thường được phân loại theo độ phân giải không gian (SpatialResolution) của cảm biến sử dụng:

• Hệ thống vệ tinh độ phân giải thấp (>1km): Bao gồm các vệ tinh địa tĩnh

(Geostationary), vệ tinh khí tượng (Meteorological)

• Hệ thống vệ tinh độ phân giải trung (>100m÷1km): Gồm các vệ tinh: Terra-Modis;

EnviSat-Meris; Adeos2-GLI

• Hệ thống vệ tinh độ phân giải cao (>5m÷100m): Gồm các vệ tinh như LandSat; Spot

1, 2, 4; MOS; EO-1; IRS

• Hệ thống vệ tinh độ phân giải rất cao (>=1m÷5m): Gồm các vệ tinh: Ikonos;

Eros-A1; QuickBird; Spot-5; OrbView

• Hệ thống vệ tinh độ phân giải siêu cao (<1m): Các vệ tinh ALOS (Advanced Land

Observing Satellites): Ikonos (0,82m); QuickBird (0,61m); Pleiades-1 (0,5m);WorldView-1,2 (0,46m); GeoEye-1 (0,41m); GeoEye-2 (0,25m-năm 2013);WorldView-3 (năm 2014)…

4.4.1 Vệ tinh LandSat

Là hệ thống vệ tinh nghiên cứu tài nguyên trái đất(Earth Resource ObservationSystem-EROS) do cơ quan hàng không vũ trụ của Mỹ-NASA (The NationalAeronautics and Space Administration) thực hiện từ năm 1972 Cho phép thu nhậnhình ảnh toàn bộ bề mặt trái đất, truyền qua 15 trạm thu được quản lý thống nhất Quỹđạo chuyển động của vệ tinh theo hướng bắc nam, cận cực (nghiêng 98,20 so với xíchđạo), đồng bộ mặt trời (cùng giờ địa phương từ 9h30-10h30)

- Thế hệ thứ nhất bao gồm các vệ tinh LandSat-1 (1972), LandSat-2 (1975) vàLandSat-3 (1978), cung cấp hàng triệu bức ảnh có giá trị về bề mặt trái đất, hiện đãngừng hoạt động

- Thế hệ thứ 2 gồm các vệ tinh LandSat-4 (1982), LandSat-5 (1984) đang hoạt động

Vệ tinh LandSat-6 (1993) bị mất quỹ đạo, dự kiến hoạt động trong 20 năm, thực hiệnchức năng đa nhiệm, mang bộ cảm ETM (Enhanced Thematic Mapper) tương tự TM

và thêm băng Panchromatic (0,50÷0,86m)

- Thế hệ thứ 3, vệ tinh LandSat-7, được phóng lên quỹ đạo 7/1998, mang sứ mệnhcung cấp nguồn dữ liệu ảnh chất lượng cao (độ phân giải, dạng số, đã qua xử lý…) chongười sử dụng trên khắp thế giới, với giá thành hạ, phục vụ đa mục tiêu, nhanh chóngtiện lợi… trong thế kỷ 21.

- Bộ cảm MSS (MultiSpectral Scanner): Là hệ thống quét quang cơ dùng trên các thế

hệ vệ tinh LandSat-1÷5, có 4 kênh phổ, kéo dài từ 0,5÷1,1um

- Bộ cảm TM (Thematic Mapper): Là hệ thống quét quang cơ dùng trên các vệ tinhLandSat-4,5 cung cấp nhiều thông tin về bức xạ hơn so với MSS Có 7 kênh phổ, kéodài từ 0,45÷2,35m

- Bộ cảm ETM+ (Enhanced Thematic Mapper Plus): Là hệ thống nâng cấp của TMtrên vệ tinh LandSat-7 Hoạt động linh hoạt và hiệu quả trong nhiều lĩnh vực nghiêncứu

4.4.2 Vệ tinh SPOT

Là chương trình nghiên cứu không gian của Pháp (Systeme Pour l’Observation de laTerre) được triển khai thực hiện từ năm 1986, mở ra một kỷ nguyên mới trong lĩnh vựcviễn thám từ vũ trụ Bao gồm nhiều thế hệ vệ tinh:

Các vệ tinh SPOT-1 (1986), SPOT-2 (1990, hiện còn hoạt động) và

SPOT-3 (1993, hỏng năm 1997) trong hơn 10 năm thu gần 5 triệu tấm ảnh về bề mặtđất Các vệ tinh này mang cặp bộ cảm HRV (High Resolution Visible) SPOT-4 đượcphóng lên quỹ đạo đầu năm 1998, sử dụng thêm một số kênh phổ SPOT-5 phóng vàođầu năm 2002, mang bộ cảm mới HRG (High Resolution Geometry) độ phân giải caohơn phục vụ cho đa mục đích

- Bộ cảm HRV (High Resolution Visible): Là hệ thống quét quang điện tử(Pushbroom)

- Bộ cảm HRG (High Resolution Geometry) trên vệ tinh SPOT-5: Là bộ lập bản đồ đaphổ có độ phân giải hình học cao Cấu hình hoạt động tương tự bộ cảm HRV

4.4.3 Vệ tinh MOS

Là chương trình vệ tinh quan sát nghiên cứu bề mặt đại dương, thực vật, đất và nước

do NASDA thực hiện MOS-1 (1987) ngừng hoạt động năm 1995 MOS-1b (1990)ngừng hoạt động năm 1996 Mang bộ cảm: MESSR (Multispectral Electronic Self-

Scanning Radiometer); VTIR (Visible and Thermal Infrared Radiometer); MSR(Microwave Scanning Radiometer).

Là một vệ tinh trong chùm các vệ tinh ALOS (Advanced Land Observing Satellites)

do hãng DigitalGlobe (USA)thiết kế chế tạo, được phóng lên quỹ đạo 10/2001, nhằmcung cấp sản phẩm ảnh thương mại về bề mặt đất có độ phân giải không gian siêu cao

Vệ tinh QuickBird kéo dài hoạt động đến năm 2009

4.4.8 Vệ tinh WorldView

Là vệ tinh tiếp theo trong chùm vệ tinh ALOS do hãng DigitalGlobe (USA) thực hiện

có công suất cao Hệ thống thu ảnh toàn sắc được phóng lên ngày 18/9/2008 cung cấphình ảnh (Mono & Stereo) độ phân giải cao (0,46m) cho công nghiệp vũ trụ

4.4.9 Vệ tinh VNREDSat-1

Là hệ thống vệ tinh quang học độ phân giải cao quan sát trái đất đầu tiên của ViệtNam, do Cty AEDS Astrium France thiết kế chế tạo, có khả năng chụp ảnh toàn bộ bềmặt trái đất

5 Hệ thống Radar5.1 Các bộ phận chính

Radar (Radio Detection and Ranging) là hệ thống dò và đo khoảng cách bằng sóngradio Đây là hệ thống viễn thám chủ động sử dụng nguồn bức xạ siêu cao tần (ActiveMicrowaves) có bước sóng kéo dài từ milimét đến mét Hiện nay đang được ứng dụngrộng rãi trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu nhờ các ưu thế của nó:

• Sử dụng trong mọi điều kiện khí hậu, thời tiết, môi trường

• Cho phép hoạt động liên tục 24/24 giờ

• Có khả năng thu nhận cả tia phản xạ và phát xạ từ bề mặt đất

• Khả năng xâm nhập cực mạnh vào các lớp địa hình trái đất…

Radar là thiết bị đơn sắc, cho phép chụp lặp, hình ảnh có độ phân giải cao, sắc nét…,

có thể tạo mô hình lập thể và mô hình số Cung cấp thông tin hữu ích về khí quyển, đấtđai, đại dương…

Kỹ thuật radar truyền đi một chùm xung vô tuyến có cường độ cao (Pulses) đến mụctiêu và thu về sóng tán xạ ngược trở lại (backscatter) qua anten của máy Bằng cáchphân tích sóng phản hồi, vật phản xạ được định vị chính xác và đôi khi có thể xác địnhđược hình dạng

Chỉ với một lượng rất nhỏ sóng phản xạ, tín hiệu radio có thể dễ dàng thu nhận vàkhuyếch đại lên vài lần Vì thế, radar thích hợp để định vị các vật thể ở khoảng cách xa

mà sự phản xạ khác (âm thanh, ánh sáng…) quá yếu Tuy nhiên, sóng radio khôngtruyền được xa trong môi trường nước Do vậy, dưới biển không sử dụng được sóngradar mà phải dùng sóng siêu âm (Sonar)

Sóng radar bị tán xạ theo nhiều cách, phụ thuộc vào tỷ lệ giữa kích

thước vật tán xạ với bước sóng radio và hình dạng của vật

- Nếu bước sóng ngắn hơn nhiều so với kích thước vật, tia sóng sẽ dội lại tương tự nhưtia sáng phản chiếu gương (phản xạ mạnh)

- Nếu bước sóng lớn hơn so với kích thước của vật, vật thể sẽ bi phân cực tán xạ mạnh(hiện tượng tán xạ Rayleigh – hiệu ứng làm cho bầu trời có màu lam)

- Bước sóng radar càng ngắn độ phân giải hình ảnh càng cao, nhưng cần nguồn nănglượng lớn, năng lượng dễ bi hấp thu bởi vật thể nhỏ, không truyền được xa

Các bộ phận chính của hệ thống radar:

- Transmitter: Sản sinh ra năng lượng cao (trong thời gian ngắn), phát xung nănglượng vào không gian nhờ antena.

- Duplexer: Luân phiên giữa truyền và nhận sóng qua antena

- Receiver: Bộ thu, khuyếch đại và phản điều biến (Demodulate) tín hiệu phản xạ nhậnđược

- Antenna : Chuyển năng lượng truyền tín hiệu trong không gian

Microwave Radiometer: Thiết bị ghi nhận sự phát xạ vi sóng tự nhiên từ trái đất (dùng

đo hàm lượng nước trong khí quyển)

Radar Altimeter: Phát xung (pulses) tín hiệu vi sóng, ghi nhận tín hiệu tán xạ ngược từmặt đất (dùng xác định độ cao địa hình…)

Wind Scatterometer: Đo tốc độ và hướng gió trên mặt biển bằng cách gửi đi các xungdọc theo một số hướng, ghi nhận tín hiệu tán xạ ngược khuếch đại từ bề mặt nước, biếtđược sự “gồ ghề” của mặt biển (có liên quan đến tốc độ và hướng gió)

5.2 Nguyên lý hoạt động của Radar

Các chùm xung năng lượng vi sóng (Energy Pulses) được Antena phát xuống mặt đất.Sau khi tương tác với mục tiêu, năng lượng tánxạ phản hồi trở lại (Backscatters) đượccảm biến ghi nhận, khuếch đại, xử lý tạo ra độ xám (tones) và chuyển thành hình ảnh.Cường độ năng lượng tán xạ ngược (,wat) trong trường quan sát của bộ cảm đượcghi nhận theo chu kỳ thời gian micro giây (1µs = 10-6s)

Các bands phổ chủ yếu sử dụng trong hệ thống Radar bao gồm: Band-L (15÷30cm);Band-C (3,8÷7,5cm) và Band-X (2,4÷3,8cm)

Điểm đặc biệt của hệ thống Radar là sử dụng dạng thức quét ảnh bên sườn Looking) Theo đó, dải địa hình được quét nằm cách xa đường nadir, phụ thuộc vàogóc nhìn (Look Angle) Các dòng quét theo hướng vuông góc với hướng bay có bềrộng (Swath Width) phụ thuộc vào búp sóng (Main Beam)

Để cải thiện độ phân giải ảnh theo hướng phương vị, SAR sử dụng nguồn bức xạ điện

từ đồng pha (Coherent) cho khả năng phân giải không gian (X) đồng nhất trong toàndải quét, không phụ thuộc vào khoảng cách nghiêng

5.4 Các vệ tinh viễn thám Radar

Tàu con thoi có Anten linh động Độ cao bay 225km Sử dụng band L Thu ảnh stereo

Độ rộng dải ảnh 40km Độ phân giải không gian 25m SEASAT

5.4.6 SIR-C