Giáo trình kỹ thuật viễn thám và thông tin địa lý

Kỹ thuật viễn thám với những thành phần khác nhau của nó có thể xem như một sự mô phỏng, sự mở rộng khả năng của hệ thống tự nhiên “Mắt - Não ” nghĩa là ta có mối tương đồng như sau: mắt

Kỹ thuật viễn thám với những thành phần khác nhau của nó có thể xem như một sự mô phỏng, sự mở rộng khả năng của hệ thống tự nhiên “Mắt - Não ” nghĩa là ta có mối tương đồng như sau:

mắt ⇔ não

Như vậy viễn thám thông qua kỹ thuật hiện đại không tiếp cận với đối tượng mà xác định

nó qua thông tin ảnh chụp từ khoảng cách vài chục mét tới vài nghìn km

Kỹ thuật viễn thám là một kỹ thuật đa ngành, nó liên kết nhiều lĩnh vực khoa học và kỹ thuật khác nhau trong các công đoạn khác nhau như:

- Thu nhận thông tin;

- Tiền xử lý thông tin;

- Phân tích và giải đoán thông tin;

- Đưa ra các sản phẩm dưới dạng bản đồ chuyên đề và tổng hợp

Vì vậy có thể định nghĩa Viễn thám là sự thu nhận và phân tích thông tin về đối tượng mà không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tượng nghiên cứu Bằng các công cụ kỹ thuật, viễn thám

có thể thu nhận các thông tin, dự kiện của các vật thể, các hiện tượng tự nhiên hoặc một vùng lãnh thổ nào đó ở một khoảng cách nhất định Chính vì ở một vị trí độ cao như vậy cho nên khả năng thu nhận thông tin ảnh trong một khoảng phổ điện từ rất lớn đối với môi trường quả đất

1.2 Bước phát triển của kỹ thuật viễn thám và hệ thông tin địa lý

1.2.1 Sự phát triển của kỹ thuật viễn thám

Sự phát triển của kỹ thuật viễn thám gắn liền với sự phát triển của kỹ thuật chụp ảnh Năm 1858 G.F.Toumachon người Pháp đã sử dụng khinh khí cầu bay ở độ cao 80 mét để chụp ảnh từ trên không, từ sự việc này mà năm 1858 được coi là năm khai sinh ngành kỹ thuật Viễn

Thám Năm 1894 Aine Laussedat đã khởi dẫn một chương trình sử dụng ảnh cho mục đích thành lập bản đồ địa hình

Sự phát triển của ngành hàng không đã tạo nên một công cụ tuyệt vời trong việc chụp ảnh từ trên không những vùng lựa chọn và có điều khiển Những bức ảnh đầu tiên được chụp từ máy bay do Xibur Wright thực hiện năm 1909 trên vùng Centocalli ở Italia Các máy ảnh tự động có độ chính xác cao dần dần được đưa vào thay thế các máy ảnh chụp bằng tay

Năm 1929 ở Liên Xô cũ đã thành lập Viện nghiên cứu ảnh hàng không Leningrad, viện

đã sử dụng ảnh hàng không để nghiên cứu địa mạo, thực vật, thổ nhưỡng Vào những năn 1930 người ta bắt đầu chụp ảnh màu và đồng thời bắt đầu thực hiện nhiều nghiên cứu nhằm tạo ra các lớp phủ nhạy với bức xạ gần hồng ngoại có tác dụng hữu hiệu trong việc loại bỏ ảnh hưởng tán

xạ và mây mù của khí quyển Trong chiến tranh thế giới lần thứ hai những cuộc thử nghiệm nghiên cứu các tính chất phản xạ phổ của bề mặt địa hình và chế thử các lớp cản quang cho chụp ảnh màu hồng ngoại đã được tiến hành Dựa trên kỹ thuật này một kỹ thuật do thám hàng không

đã ra đời

Trong vùng sóng dài của sóng điện từ, các hệ thống siêu cao tần tích cực (RADAR) đã được thiết kế và sử dụng từ đầu thế kỷ này Đầu tiên người ta sử dụng để theo dõi và phát hiện những vật thể chuyển động, nghiên cứu tầng ion Trong chiến tranh thế giới thứ hai, kỹ thuật RADAR phát triển mạnh mẽ Ngày nay sự ứng dụng của nó trong lĩnh vực thăm dò tài nguyên

đã trở nên đa dạng và phong phú Nhiều hệ thống RADAR đã được sử dụng để tiến hành nghiên cứu khí quyển tầng cao, thấp, các cấu trúc bề mặt và gần bề mặt vỏ trái đất, các lớp phủ trên bề mặt trái đất, các tính chất của bề mặt đại dương Các hệ thống RADAR được thiết kế và chế tạo với nhiều hình thức khác nhau từ những máy đo cao (altimeter) nhằm đo đạc địa hình, máy đo tán xạ (Scatterometerdo) sự gồ ghề của bề mặt địa hình cho đến các hệ thống RADAR tạo ảnh Vào giữa những năm 50 này người ta tập trung nghiên cứu nhiều vào việc phát triển các

hệ thống RADAR ảnh cửa mở thực Cùng thời gian đó công việc nghiên cứu chế tạo các hệ thống RADAR có cửa mở tổng hợp (Syntheric aparture radar - SAR) cũng được xúc tiến nghiên cứu Các hệ thống này có kích thuớc nhỏ hơn nhiều so với hệ thống có của mở thực và cho phép thu được ảnh có độ phân giải cao, những công việc nhằm hoàn thiện SAR đang được tiến hành

và nhiều máy thu SAR đã được phóng lên quỹ đạo như SEASAT SAR (1978), Shurtle Imaging Radar SIR-A (1981) và SIR-B (1984)

Vào năm 1956, người ta đã tiến hành thử nghiệm khả năng ảnh máy bay trong việc phân loại và phát hiện kiểu thực vật Vào những năm 1960 nhiều cuộc thử nghiệm về ứng dụng ảnh hồng ngoại màu và ảnh đa phổ đã được tiến hành dưới sự bảo trợ của cơ quan hàng không vũ trụ quốc gia Hoa Kỳ

Từ những thành công trong nghiên cứu trên vào ngày 23-7-1972 Mỹ đã phóng vệ tinh nhân tạo Landsat đầu tiên mang đến khả năng thu nhận thông tin có tính toàn cầu về các hành tinh ( kể cả Trái Đất ) và môi trường chung quanh

Những máy đặt trên vệ tinh nhân tạo Trái Đất cung cấp thông tin có tính toàn cục về động thái của mây, lớp phủ thực vật, cấu trúc địa mạo, nhiệt độ và gió trên bề mặt đại dương

Do tốc độ di chuyển nhanh, độ phủ của ảnh vệ tinh rất lớn nên việc theo dõi động thái của nhiều hiện tượng, đặc biệt là các hiện tượng xảy ra trong khí quyển diễn ra vô cùng thuận lợi

Sự tồn tại tương đối lâu của vệ tinh trên quỹ đạo cũng như khả năng lặp lại đường bay của nó cho phép theo dõi những biến đổi theo mùa, theo hàng năm và trong khoảng thời gian tương đối dài của các đối tượng trên mặt đất như sự biến đổi lớp băng trên vùng cực, sự phát triển của sa mạc, nạn phá rừng, trồng rừng, sự biến đổi lòng sông vv

Hiện nay trong viễn thám công nghệ số chiếm ưu thế, các thông tin Viễn thám được sử dụng kết hợp chặt chẽ với hệ thông tin địa lý (GIS) và hệ định vị bằng vệ tinh (GPS) đã đem lại hiệu quả cao và làm cho công nghệ viễn thám ngày càng thực sự đóng góp vai trò quan trọng trong phát triển kinh tế - xã hội và đảm bảo an ninh quốc phòng

Để phát triển công nghệ viễn thám nói riêng và công nghệ vũ trụ nói chung nhiều nước

đã thành lập cơ quan hàng không vũ trụ quốc gia NASA của Mỹ, IKI của Nga, NASDA của Nhật Bản, CNES của Pháp, CSA của Canađa cũng như trung tâm viễn thám quốc gia như ở Trung Quốc, Canađa Nhiều nước trên thế giới đã thành lập các công ty viễn thám như công ty SPOT của Pháp, RADARSAT của Canađa EOSAT của Mỹ Các cơ quan Hàng không vũ trụ liên quốc gia cũng đã được thành lập như Cơ quan Hàng không vũ trụ Châu âu (ESA), Công ty hàng không quân sự và vũ trụ Châu âu (EADS) Trong khu vực Châu á, các nước Nhật Bản, ấn Độ, Trung Quốc và Hàn Quốc đã đạt được những thành tựu to lớn trong phát triển công nghệ viễn thám Trong khối ASEAN các nước như như Thái Lan, Indonesia và Singapore đã có các trạm thu ảnh vệ tinh, các tư liệu viễn thám đang được sử dụng phổ biến và đã xây dựng được những

cơ sở nghiên cứu và ứng dụng mạnh Các nước thành viên mới như Lào, Mianma cũng đã bắt đầu tiếp cận với công nghệ viễn thám

Đáng chú ý là nhiều quốc gia đang triển phát khắp các châu lục đều đã hình thành những trung tâm viễn thám quốc gia, đóng vai trò như các cơ quan chuyển giao kỹ thuật vào các mục đích điều tra tài nguyên thiên nhiên, điều kiện tự nhiên và bảo vệ quản lý môi trường

Trong vòng hơn thập kỷ gần đây kỹ thuật viễn thám được hoàn thiện dần dần không những với những thiết bị thu đặc biệt mà nhiều nước dự kiến kế hoạch sẽ phóng vệ tinh điều tra tài nguyên như Nhật, ấn Độ, các nước Châu Âu, đã chế tạo nhiều thiết bị thu (sensor) có độ phân giải cao như TM (Thematic mapper ), rađa, hồng ngoại nhiệt, máy phổ kế tạo ảnh cho phép nâng

số kênh phổ lên hàng trăm kênh khác nhau Tổ chức EOS dự định phóng vệ tinh mang máy thu MODIS (100 kênh) và HIRIS (200 kênh) lên quỹ đạo Nhiều phần mền xử lý ảnh số đã ra đời làm cho nó thành một kỹ thuật quan trọng trong việc điều tra điều kiện và đánh giá tài nguyên thiên nhiên quản lý và bảo vệ môi trường

Ngày nay tia Laze cũng bắt đầu được ứng dụng trong viễn thám Hiện nay nó được ứng dụng chủ yếu cho các mục đích nghiên cứu trong khí quyển, làm bản đồ địa hình và nghiên cứu lớp phủ bề mặt bằng hiệu ứng huỳnh quang

Viễn thám ngày nay đã cung cấp những thông tin tổng hợp hoặc những thông tin tức thời

để có thể khắc phục một loạt các vấn đề thiên tai, theo dõi sự biến động của các tài nguyên hồi phục ( nước, sinh vật )

1.2.2 Sự phát triển của hệ thông tin địa lý và định nghĩa

Hiện nay công nghệ thông tin phát triển rất mạnh mẽ không những ở các nước phát triển

mà còn ở các nước đang phát triển trong đó có Việt Nam, nhiều công nghệ tiên tiến đang được nghiên cứu áp dụng trong đó có công nghệ thông tin chuyên nghiệp như Hệ thông tin địa lý

Lịch sử phát triển của Hệ thông tin địa lý có thể nói bắt đầu từ việc xây dựng các bản đồ Vào thế kỷ 18, nhu cầu phân định , quản lý biên giới, lãnh thổ trở nên cấp bách các quốc gia bắt đầu công việc vẽ bản đồ có một cách hệ thống Vấn đề dữ liệu lúc này đã mang tính toàn cầu, vì vậy nó cần được xác định một cách chính xác và khách quan Xuất phát từ yêu cầu đó đã ra đời phương pháp lập bản đồ và các phương pháp tính toạ độ Như vậy bản đồ được thành lập một cách khoa học và có hệ thống ở đây có thể phân biệt hai loại bản đồ cơ bản, đó là bản đồ địa hình là loại thông tin chung cho mọi loại bản đồ chuyên đề khác, loại thứ hai là bản đồ chuyên

đề Thuật ngữ " bản đồ chuyên đề" được sử dụng rất rỗng rãi và không chỉ cho bản đồ về những mục tiêu chung như " đất ", " nước " mà còn được dùng để biểu diễn rất chi tiết các tính chất, thuộc tínhcủa đối tượng nghiên cứu

Mọi bản đồ đều có đặc điểm chung, đó là dự liệu bản đồ được vẽ trên giấy hoặc phim Thông tin được biểu diễn dưới dạng điểm, đường và vùng Các đới tượng đị lý được thể hiện trên bản đồ bằng nhiều kỹ xảo, chẳng hạn bằng các ký hiệu, các màu sắc hoặc text mà các ý nghĩa của chúng được để trong phần chú giải, ở đó người ta ghi lại thông tin một cách chi tiết hơn

Như vậy bản đồ giấy cùng với chú giải tạo thành một cơ sở dự liệu có một số hệ quả vô cùng quan trọng cho công tác thu thập dữ liệu, mã hoá các thông tin đựơc ghi trong chú giải Đó là:

- Dữ liệu nguyên thủy là dữ liệu có dung lượng rất lớn, hoặc đã được phân loại một cách

rõ ràng hiểu được và dễ biểu diễn được Vì vậy một số thông tin thứ yếu có thể bị bỏ qua;

- Bản đồ được vẽ một cách chính xác và những thể hiện của các đối tượng phức tạp đều phải rất rõ ràng;

- Bản đồ được chia thành nhiều mảnh;

- Khi dữ liệu được đưa lên bản đồ, nó không dễ dàng xoá được hoặc bổ sung tổng hợp thêm dữ liệu khác;

- Bản đồ giấy là các dữ liệu tĩnh, nó khó khăn áp dụng phép phân tích không gian một cách định lượng;

Từ những năm 1960 người ta đã sử dụng máy tính trong lĩnh vực bản đồ học, tất nhiên mới ở mức độ trợ giúp vẽ và in Từ năm 1977 các thử nghiệm sử dụng máy tính trong công tác bản đồ có những bước tiến rõ rệt thể hiện ở các điểm sau:

1 Tăng tốc độ làm việc với bản đồ;

2 Giá thành sản phẩm hạ;

3 Bản đồ gần với mục đích sử dụng của người dùng;

4 Có thể làm bản đồ khi không cần kỹ xảo hoặc vắng kỹ thuật viên;

5 Có khả năng biểu diễn khác nhau cho cùng một dữ liệu

6 Dễ dàng cập nhật dữ liệu mới;

7 Có khả năng phân tích tổng hợp các dữ liệu thống kê và bản đồ;

8 Hạn chế sử dụng bản đồ in, hạn chế tác hại làm giảm dữ liệu;

9 Có khả năng thành lập các bản đồ rất khó làm bằng tay, ví dụ như bản đồ 3 chiều;

10 Thành lập bản đồ trong đó có sự lựa chọn và thủ tục tổng quát hoá chắc chắn và rõ ràng

Việc ứng dụng máy tính trong công việc bản đồ cho thấy nó đã phát triển song song tự động hoá công tác thu thập dữ liệu, phân tích dữ liệu, biểu diễn nhiều lĩnh vực rông lớn như: địa chính, giao thông công chính, địa hình, địa lý, đất, nghiên cứu hoá học, ảnh, quy hoạch thành phố, nông thôn, mạng, viễn thám, xử lý ảnh,

Do có nhiều công việc trùng nhau và có nhiều công việc phải phối hợp từ nhiều ngành được giải quyết bằng một hệ thống chung, liên kết nhiều dạng xử lý số liệu không gian như: Bản

đồ, CAD, ảnh, phân tích không gian, nội suy và ký thuật viễn thám nên cần phải phát triển một tập các công cụ để thu thập, lưu trử, tìm kiếm, biến đổi và hiển thị các dữ liệu không gian từ thế

giới thực nhàm thực hiện một mục đích cụ thể Tập các công cụ kể trên được giọi là Hệ thống Thông tin địa lý Đó là hệ thống thể hiện các đối tượng từ thế giới thực thông qua:

- Vị trí địa lý của đối tượng thông qua hệ toạ độ;

- Các thuộc tính của chúng mà không phụ thuộc vào vị trí;

- Các quan hệ không gian giữa các đối tượng (quan hệ topo)

Như vậy ta có thể định nghĩa Hệ thống Thông tin địa lý như sau:

Định nghĩa: Hệ thống Thông tin địa lý là một hệ thống bao gồm các phần mềm, các phần cứng và một cơ sở dữ liệu đủ lớn, có các chức năng thu thập, cập nhật, quản lý và phân tích, biểu diễn dữ liệuđịa lý phục vụ giải quyết các bài toán ứng dụng có liên quan tới vị trí địa lý trên bề mặt trái đất

1.3 Bước phát triển viễn thám và hệ thông tin địa lý ở Việt Nam

Kỹ thuật VT đã được đưa vào sử dụng ở Việt Nam từ năm 1976 (viện điều tra quy hoạch rừng) Nếu kể đến phương pháp ảnh máy bay thì nhiều ngành đã sử dụng sớm hơn như: lâm nghiệp, địa chất

Mốc quan trọng để đánh dấu sự phát triển của kỹ thuật VT ở Việt Nam là sự hợp tác nhiều bên trong khuôn khổ của chương trình vũ trụ quốc tế (Inter Kosmos) nhân chuyến bay vũ trụ kết hợp Xô-Việt tháng 7-1980 Đây là đợt thí nghiệm khoa học kỹ thuật VT đầu tiên ở Việt Nam có sự phối hợp 3 tầng nghiên cứu - tầng vũ trụ (có tàu vũ trụ Coliut-7 đặt thiết bị MKF-6)- tầng máy bay ( máy bay AH-30 đặt thiết bị MKF-6 ) và tầng khảo sát mặt đất Hai tầng mặt đất

và máy bay đều tiến hành đo phổ

Kết quả nghiên cứu các công trình khoa học này được trình bày trong hội nghị khoa học

về kỹ thuật vũ trụ năm 1982 nhân tổng kết các thành tựu khoa học của chuyến bay vũ trụ Xô - Việt năm 1980 trong đó một phần quan trọng là kết quả sử dụng ảnh đa phổ MKF-6 vào mục đích thành lập một loạt các bản đồ chuyên đề như: địa chất, đất, sử dụng đất, tài nguyên nước, thuỷ văn, rừng vv

Tiếp tục phát huy các kết quả đạt được UB nghiên cứu vũ trụ Việt Nam đã hình thành một tiến bộ khoa học trọng điểm “ Sử dụng các thành tựu vũ trụ ở Việt Nam ” mang mã số 48-07 trong đó có vấn đề Viễn thám Thông qua chương trình khoa học này kỹ thuật Viễn thám được

đặt ra để giải quyết các nhiệm vụ thực tiễn với tư cách như một công cụ của phương pháp điều tra cơ bản về tài nguyên thiên nhiên Chương trình trên tập trung vào các vấn đề :

- Thành lập các bản đồ địa chất, địa mạo, địa chất thuỷ văn, hiện trạng sử dụng đất rừng, biến động tài nguyên rừng, địa hình biến động của một số vùng cửa sông vv

- Vấn đề nghiên cứu các đặc trưng phổ phản xạ

- Vấn đề nhận dạng trong viễn thám để xây dựng các cơ sở cho phần mềm xử lý ảnh số

- Thông qua các dự án viện trợ quốc tế của UNDP và FAO như VIE 76/011 và VIE 83/004 Viện khoa học Việt Nam nay là Trung tâm Khoa học tự nhiên và công nghệ Quốc gia đã được trang bị một số thiết bị chính cho kỹ thuật VT Trong đó đáng chú ý nhất là

1 Hệ xử lý ảnh số ROBOTRON

2 Thiết bị tổng hợp ảnh màu

3 Phòng thí nghiệm kỹ thuật ảnh

Các thiết bị đặt ở Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh

Từ những năm 1990 bên cạnh việc mở rộng công tác nghiên cứu thử nghiệm nhiều ngành

đã đưa công nghệ viễn thám vào ứng dụng trong thực tiễn như các lĩnh vực khí tượng, đo đạc bản đồ, địa chất khoáng sản, quản lý tài nguyên rừng và đã thu được những kết quả rõ rệt về khoa học công nghệ và kinh tế góp phần thực hiện tốt các chức năng nhiệm vụ của ngành Công nghệ viễn thám kết hợp với hệ thông tin địa lý đã được ứng dụng để thực hiện nhiều đề tài nghiên cứu khoa học và nhiều dự án có liên quan đến điều tra khảo sát điều kiện tự nhiên và tài nguyên thiên nhiên, giảm sát môi trường, giảm thiểu tới mức thấp nhất các thiên tai ở một số vùng

Cũng từ 1990 viễn thám ở nước ta đã chuyển dần từng bước từ công nghệ tương tự sang công nghệ số kết hợp hệ thông tin địa lý vì vậy hiện nay chúng ta có thể xử lý nhiều loại ảnh đạt yêu cầu cao về độ chính xác với quy mô sản xuất công nghiệp Nhiều ngành, nhiều cơ quan đã trang bị các phần mềm mạnh phổ biến trên thế giới như các phần mềm ENVI, ERDAS, PCI, ER MAPPER, OCAPI, cùng với các ohần mềm để xây dựng hệ thông tin địa lý Tuy nhiên hiện nay việc sử dụng kết hợp công nghệ viễn thám với hệ thông tin địa lý (GIS) và GPS còn chưa đạt được hiệu quả cao

Đến nay ở Việt Nam vẫn chưa có Trung tâm Viễn thám Quốc gia nhưng do yêu cầu cấp thiết của ngành nên đã hình thành 20 Trung tâm và phòng viễn thám, đó là các cở sở nghiên cứu

và đưa tiến bộ kỹ thuật viễn thám vào ứng dụng vào công tác chuyên môn như :

- Trung tâm viễn thám Tổng cục địa chính

- Phòng viễn thám của Viện điều tra Quy hoạch Rừng bộ Lâm nghiệp (cũ), nay là bộ Nông Nghiệp và Phát triển Nông thôn

- Các phòng địa chất ảnh của Liên đoàn địa chất - Bản đồ địa chất và intergeo của Tổng cục địa chất

- Trung tâm viễn thám và địa chất - Viện địa chất, trung tâm KH tự nhiên và CNQG

- Trung tâm liên ngành Viễn Thám & GIS của TTKHTN và CNQG với Bộ Nông nghiệp

và phát triển Nông thôn

- Bộ phận viễn thám của Viện Quy hoạch và Thiết kế Nông nghiệp bộ Nông nghiệp và phát triển Nông thôn

- Các trạm thu ảnh vệ tinh khí tượng của Tổng cục Khí tượng Thủy văn

Những cơ sở này được trang bị một số máy móc thiết bị cần thiết cho kỹ thuật viễn thám Trong những năm qua đội ngũ những người làm công tác viễn thám bằng hình thức đào tạo ngắn hạn trong và ngoài nước đã lên tới con số hàng trăm người Do tính chất đa ngành và đạt hiệu quả cao nên trong một thời gian ngắn nhiều ngành đã chủ động và đòi hỏi cần nhanh chóng đưa tiến bộ kỹ thuật Viễn thám vào như một nhiệm vụ của ngành Tuy nhiên do một số khó khăn về thiết bị cũng như tư liệu viễn thám (phim ảnh, băng từ) nên việc ứng dụng kỹ thuật này còn nhiều hạn chế

Đại hội Đảng cộng sản Việt Nam lần thứ IX đã đề ra chiến lược phát triển kinh tế - xã hội 2001 - 2010 Giai đoạn này Việt Nam có những nhiệm vụ to lớn về phát triển kinh tế - xã hội theo hướng vươn tới sự phát triển bền vững trên cơ sở sử dụng hợp lý tài nguyên thiên nhiên, bảo vệ môi trường và giảm thiểu thiên tai Để đạt được mục tiêu này các ngành, các cơ quan quản lý nhà nước cũng như các cơ quan quy hoạch, thiết kế cần được cung cấp kịp thời các thông tin liên quan đến tài nguên thiên nhiên, môi trường, thiên tai và các mặt về kinh tế - xã hội trên phạm vi từng vùng, miền cũng như trên cả nước Bên cạnh đó nước ta có một giải biên giới dài trên đất liền và vùng thềm lục địa rộng lớn bao quanh nên lĩnh vực an ninh quốc phòng cũng cần được cung cấp các thông tin các mặt kịp thời để tránh mọi bất ngờ về chiến lược cũng như

để chỉ đạo chiến thuật

Trước tình hình trên đã đặt ra nhiều nhiệm vụ về ứng dụng phát triển công nghệ viễn thám ở Việt Nam, trong đó các nhu cầu cấp bách trong giai đoạn 2001 - 2010 (theo dự thảo của

đề án " Kế hoạch tổng thể về ứng dụng và phát triển công nghệ viễn thám ở Việt Nam giai đoạn

2001 - 2010 " của bộ Khoa học công nghệ và môi trường III-2002) bao gồm:

- Ứng dụng công nghệ viễn thám trong công tác khí tượng và điều tra khảo sát tài nguyên, trước hết là tài nguyên khoáng sản, tài nguyên rừng, tài nguyên đất, tài nguyên nước cũng như trong công tác bản đồ trên phạm vi toàn quốc

- Ứng dụng công nghệ viễn thám cho mục đích giám sát bảo vệ môi trường và phòng chống thiên tai

- Ứng dụng công nghệ viễn thám để phục vụ cho câc chương trình phát triển kinh tế xã hội

- Ứng dụng công nghệ viễn thám trong điều tra nghiên cứu biển

- Ứng dụng công nghệ viễn thám phục vụ các nhiệm vụ an ninh quốc phòng

- Đẩy mạnh nghiên cứu triển khai công nghệ viễn thám

Câu hỏi chương I

1 Các khái niệm về viễn thám

2 Những bước phát triển viễn thám ở Việt Nam

Chương II CƠ SỞ KỸ THUẬT VIỄN THÁM 2.1 Giới thiệu chung

2.1.1 Đặc tính của sóng điện từ

Viễn thám là một khoa học và một nghệ thuật của sự nghiên cứu các thông tin thu nhận được thông qua sự phân tích các dữ kiện nhận được bằng các công cụ kỹ thuật mà không tiếp xúc với đối tượng, một vùng hoặc một hiện tượng nào đấy

Sự thu nhận dữ kiện (data acquisition) có thể dưới nhiều dạng khác nhau có thể dưới dạng phân bố các năng lượng điện từ hay các trường vật lý Trong phần này chúng ta chỉ đề cập đến các thiết bị thu (sensor) năng lượng điện từ thông thường được đặt trên vệ tinh hay trên máy bay

Sóng điện từ tương tác với vật chất theo nhiều cơ chế khác nhau phụ thuộc vào thành phần vật chất, cấu trúc của bản thân đối tượng Những cơ chế tương tác này thay đổi một cách rõ nét một số đặc tính của sóng điện từ ví dụ như thành phần phổ, sự phân cực, cường độ và hướng phản xạ làm cho mỗi đối tượng xác định một cách duy nhất

Mức độ phản xạ hoặc hấp thụ của một vật ở thể khí trong vùng sóng hồng ngoại hoặc milimet sẽ cho ta xác định được thành phần, mật độ cũng như nhiệt độ của nó

Thành phần phổ phản xạ của một vật ở thể rắn trong giải sóng nhìn thấy và hồng ngoại cho ta thấy thông tin về thành phần hoá học và trong một số trường hợp cả cấu trúc mạng tinh thể của nó

Mức độ phân cực cũng như thành phần phổ phản xạ của chùm tia rađa từ bề mặt của đối tượng giúp ta phán đoán được mức độ gồ ghề, cấu trúc hình học và một số hằng số điện từ của bản thân bề mặt và lớp gần bề mặt của đối tượng

Cường độ bức xạ của một vật trong vùng sóng nhiệt và sóng micromet cho phép ta xác định tính chất nhiệt của đối tượng

Cường độ và đặc tính phổ của chùm tia X hoặc Gama cung cấp thông tin về cấu trúc hạt nhân của vật phản xạ

Như vậy để xác định được hoàn toàn đầy đủ mọi thông tin về một đối tượng nào đó cần phải khảo sát nó trong toàn bộ giải phổ sóng điện từ

Trong vùng sáng nhìn thấy và sóng hồng ngoại máy thu (sensor) nhận được tín hiệu gồm

Trong vùng sóng radar do khả năng phân biệt của tần số thấp gây nên bởi các lớp phản xạ khác nhau, tín hiệu thu được bao gồm tán xạ từ bề mặt, trong lòng đối tượng và của lớp cận bề mặt Bởi vậy một hệ thống radar bao gồm các bước sóng khác nhau sẽ cho phép nghiên cứu cấu trúc bên trong cũng như sự phân bố các lớp của vật thể trên bề mặt Trái Đất

Hình 2.1 Hệ thống thông tin viễn thám

Hình 2.2 Các băng phổ sử dụng trong Viễn thám

Sự tồn tại của khí quyển làm giảm đi khả năng lan truyền của sóng điện từ và tăng phần nhiễu của tín hiệu thu được Sự có mặt của mây mù, bụi và những thành phần khác làm tăng thêm ảnh hưởng tiêu cực này Người ta đã tìm ra được những khoảng sóng mà trong đó ảnh hưởng của khí quyển là nhỏ nhất Những khoảng sóng này gọi là cửa sổ khí quyển Tất cả các máy thu viễn thám đều được thiết kế những giải phổ nằm trong các cửa sổ khí quyển này

2.1.2 Các quá trình của kỹ thuật Viễn thám

Có thể nói trong kỹ thuật viễn thám có 2 quá trình chính đó là thu nhận dữ kiện (data acquisition) và phân tích dữ kiện (data analysis)

Đối với quá trình thứ nhất : Ta có nguồn năng lượng (a), sự truyền năng lượng qua khí quyển (b), năng lượng tác động qua lại với các yếu tố mặt đất (c), Các sensors đặt trên máy bay hoặc vệ tinh (tàu vũ trụ) (d) Các sản phẩm thu nhận được từ các sensors có thể ở dạng hình ảnh hoặc dạng số (e) Tóm lại ở quá trình thứ nhất chúng ta dùng các sensors để nhận các năng lượng điện từ phản xạ từ bề mặt trái đất

Quá trình thứ hai - phân tích dữ kiện, sẽ tiến hành giải đoán bằng mắt các thông tin ảnh hoặc bằng máy tính để xử lý các thông tin thu được dưới dạng số (f)

Tất cả các thông tin xử lý được sau này sẽ được thể hiện dưới dạng bản đồ, biểu bảng hoặc các báo cáo (g) và cuối cùng các sản phẩm này được chuyển giao cho những người sử dụng

để phục vụ cho các yêu cầu hay nhiệm vụ cụ thể

Hình 2.3 Các quá trình kỹ thuật viễn thám 2.2 Các nguồn năng lượng và nguyên tắc bức xạ

Năng lượng sóng điện từ được đề cập bởi hai lý thuyết: lý thuyết sóng và lý thuyết hạt ánh sáng nhìn thấy được chỉ là một trong nhiều dạng của năng lượng điện từ Sóng rađio, nhiệt năng tia cực tím và tia X cũng là những dạng năng lượng của năng lượng điện từ Tất cả các

năng lượng này về bản chất giống nhau và bức xạ theo một quy luật hình Sin với tốc độ của ánh sáng và tuân theo phương trình sau :

Hình 2.4 Sóng điện từ

Trên giải phổ điện từ (bảng 2.1) khoảng nhìn thấy chiếm một khoảng rất hẹp mà mắt người có thể nhận biết từ 0.4 μm đến khoảng 0.7 μm Màu xanh (blue) ứng với khoảng phổ 0.4 - 0.5μm, màu xanh lá cây (green) ứng với 0.5 - 0.6μm và màu đỏ (red) ứng với 0.6 - 0.7 μm Năng lượng cực tím nằm sát với khoảng nhìn thấy về phía sóng ngắn về phía sóng dài tiếp theo vùng nhìn thấy là sóng phản xạ hồng ngoại (IR) và tiếp đến là vùng hồng ngoại Sóng radio chiếm một vùng dài hơn Trên bảng 2-1 là sự phân bố các giải sóng điện từ

Hệ thống Viễn thám thông thường chỉ thực hiện ở một vài vùng như vùng nhìn thấy, phản xạ hồng ngoại, hồng ngoại nhiệt hoặc một phần của sóng rađio ở đây cần chú ý phân biệt

sự khác nhau giữa vùng phản xạ hồng ngoại và hồng ngoại nhiệt Vùng hồng ngoại nhiệt có quan

hệ trực tiếp với sự thụ cảm nhiệt còn đối với phản xạ hồng ngoại nhiệt thì không

Bảng 2-1 Các giải phổ điện từ

Giải phổ Bước sóng

(micromet)

Đặc điểm

Tia gama 0.0003μm - Bức xạ tối thường bị hấp thụ toàn bộ bởi tầng khí quyển phía

trên và không có khả năng dùng trong VT

0.03- 0.4μm - Các bức xạ tối có bước sóng nhỏ hơn 0.3μm hoàn toàn bị hấp

thụ bởi tầng ozôn của khí quyển

Vùng tia

cực tím

chụp ảnh

0.3 - 0.4μm - Truyền qua khí quyển ghi nhận được vào phim và các photo

detecter nhưng bị tán xạ mạnh trong khí quyển

0.7 - 10μm - Phản xạ lại bức xạ mặt trời không có thông tin về tính chất

nhiệt của đối tượng Băng từ 0.7 - 1.1 μm được nghiên cứu với phim và gọi là hồng ngoại gần

Vùng hồng

ngoại nhiệt

3-5 đến 14μm

8 Các chỉ số khí quyển chính ở nhiệt ghi được hình ảnh của các bước sóng này, yêu cầu phải có máy quét quang cơ và hệ thống máy thu đặc biệt gọi là hệ thống

“ vibicol ” không phải bằng phim

Vùng cực

ngắn

0.1 - 30 cm - Các bước sóng dài hơn có thể hay vùng rađa xuyên qua mây,

sương mù và mưa Các hình ảnh có thể ghi được trong dạng chủ động hay bị động

Vùng rađa 0.1 - 30 cm - Dạng “ chủ động của VT sóng sóng cực ngắn ” Hình ảnh rađa

được ghi lại ở các băng sóng khác nhau

Vùng rađio > 30 cm - Là vùng có bước sóng dài nhất trong phổ điện từ Một vài

sóng rada được phân ra với các bước sóng rất dài được sử dụng trong vùng sóng này

Năng lượng của một quantum được xác định theo công thức :

Như vậy ta thấy rằng năng lượng của một quantum phụ thuộc vào độ dài của bước sóng

Độ dài của sóng càng lớn thì năng lượng càng nhỏ (xem hình 2.5) Điều này có một mối liên quan hết sức quan trọng trong viễn thám Từ một điểm các tia sóng dài như phát xạ sóng micro

từ một mục tiêu của mặt đất sẽ khó thu nhận hơn so với các bức xạ của sóng ngắn hơn như là năng lượng hồng ngoại nhiệt

Hình 2.5 Nguồn năng lượng và mối quan hệ với bầu khí quyển ở các giải sóng

Mặt trời là một nguồn bức xạ hiển nhiên nhất cho viễn thám.Theo lý thuyết hạt tất cả các vật có nhiệt độ trên nhiệt độ tuyệt đối (0o K hay là - 273oC) đều phát ra năng lượng, tổng năng lượng càng tăng khi nhiệt độ càng tăng và được tính theo định luật Stephan-Boltzman

M = σ T4 Trong đó: M - tổng năng lượng phát ra từ bề mặt vật thể (W/m2)

σ - hằng số Stephan-Boltzman ( = 5.6697.10-8 W/m2/OoK)

T - Nhiệt độ tuyệt đối

Phương trình trên được xác định cho vật thể đen, chính là nguồn phát xạ mà năng lượng phát xạ là năng lượng hấp thụ phát xạ phản hồi

Một số hệ thống thu sensor cần phải sử dụng nguồn năng lượng riêng như hệ thống radar thì được goị là hệ thống “ chủ động “ (active) còn hệ thống thu sensor thu nhận nhờ năng lượng

tự nhiên có được thì được gọi là hệ thống “ thụ động “ (passive) Có thể nêu ví dụ như một máy ảnh chụp có đèn chiếu là chủ động còn chụp không đèn là thụ động

2.3 Những tác động của năng lượng đối với các đối tượng bề mặt đất

Khi một bức xạ sóng điện từ lan truyền tới bề mặt trái đất, nó có thể bị phản xạ, hấp thụ

và truyền qua Theo định luật bảo toàn năng lượng sự tương quan giữa các phần có thể được mô

tả theo công thức sau :

Ei ( λ ) = E R ( λ ) + E A ( λ ) + E T ( λ ) Trong đó :

E i ( λ ) - năng lượng của chùm tia bức xạ tới;

E R ( λ ) - năng lượng của chùm tia bị phản xạ;

E A ( λ ) - năng lượng của chùm tia bị hấp thụ;

E T ( λ ) - năng lượng của chùm tia truyền qua

Sự tương quan giữa các phần năng lượng E R, E A, E T phụ thuộc vào hai yếu tố sau: Thứ nhất tỷ lệ năng lượng phản xạ, hấp thụ và truyền tải sẽ khác nhau đối với các đối tượng khác nhau phụ thuộc vào thành phần và cấu trúc bề mặt của nó

Thứ hai tỷ lệ năng lượng phản xạ, hấp thụ và truyền tải trên cùng một đối tượng cũng rất khác nhau ở những bước sóng khác nhau Vì vậy hai đối tượng có thể phân biệt được trong cùng một giải bước sóng nhưng nó lại rất khác nhau ở bước sóng khác nhau

Có rất nhiều hệ thống viễn thám hoạt động trên những độ dài bước sóng mà năng lượng phản xạ chiếm ưu thế Ta có thể giải thích mối liên hệ về cân bằng năng lượng theo phương trình sau:

E R ( λ ) = Ei ( λ ) - [ E A ( λ ) + E T ( λ ) ]

Những đặc điểm về phản xạ của những đối tượng trên bề mặt trái đất có thể định lượng bằng việc xác định phần năng lượng phản xạ Như vậy thành phần phổ phản xạ được xác định theo tỷ lệ sau:

E R ( λ )

p λ = ⎯⎯⎯⎯ × 100 %

Ei ( λ ) Trong đó : p λ - Thành phần phổ phản xạ tính bằng %;

E R ( λ ) - Năng lượng của bước sóng λ được phản xạ từ vật thể;

Ei ( λ ) - Năng lượng của bước sóng λ tới trên bề mặt của vật thể

Từ đường cong phổ phản xạ cho ta biết được đặc tính phổ của vật thể và có ảnh hưởng lớn trong việc chọn vùng độ dài bước sóng mà dữ liệu viễn thám thu nhận được cho mục đích ứng dụng thực tế

Thực vật nhìn chung phản xạ yếu trong giải sóng nhìn thấy Sự phản xạ của chúng bị ảnh hưởng trước tiên bởi hàm lượng diệp lục Chất diệp lục hấp thụ hơn 90% năng lượng trong giải sóng blue (0.45 μm) và red (0.65 μm) Giữa hai vùng hấp thụ này là vùng phản xạ ở bước sóng 0.55 μm, năng lượng phản xạ vào khoảng 20%

Trong vùng sóng hồng ngoại gần sự phản xạ của thực vật tăng lên đột ngột ở bước sóng 0.68 - 0.7 μm

Hình 2.6 Đường cong phản xạ phổ điển hình của nước, thực vật và đất

Trong vùng phổ hồng ngoại có bước sóng ngắn sự phản xạ giảm đi khi bước sóng tăng lên Mức độ phản xạ trong vùng sóng hồng ngoại gần phụ thuộc vào kiểu thực vật vì thế có thể căn cứ vào nó để phân loại phủ thực vật

Hình 2.7 Phản xạ phổ của các loại thực vật khác nhau

Trong hình 2.7 cho thấy đường cong phổ phản xạ của thực vật rụng lá hàng năm và thực vật lá kim Đường cong cho mỗi kiểu đối tượng được biểu thị như là một giải giá trị chứ không phải là một đường đơn

Hình 2.8 Đường cong phổ phản xạ của các loại đá và khoáng chất khác nhau

Từ các hình trên cho ta quyết định về sự lựa chọn một hệ cảm nhận giúp cho việc thành lập bản đồ về những vùng rừng đã tách biệt được cây rụng lá và cây lá kim Việc lựa chọn bằng mắt cũng có thể là một cách nhưng nó gây ra nhiều vấn đề khó khăn Chẳng hạn, những đường cong độ phản xạ cho mỗi kiểu cây hầu như phủ lên tất cả phần nhìn thấy của giải phổ, vì vậy mắt thường có thể cùng nhìn thấy một bóng màu xanh lá cây nhưng khó nhận ra được cây rụng lá hay cây lá kim Tuy nhiên ta có thể suy đoán bằng những chuẩn dạng như kích thước, độ nét, vị trí nhưng việc nhận dạng rất khó khi ở trên cao, khi các cây xen lẫn nhau Vậy làm thế nào để phân biệt được hai loại dựa trên đặc tính của giải phổ? Chúng ta có thể làm việc này bằng cách sử dụng hệ thống bộ phận cảm nhận sensor để ghi lại băng cận hồng nhiệt, quét vào băng từ và đưa

ra kết quả trên máy tính

2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ phản xạ

2.4.1 Thành phần vật chất

Thực vật: Thực vật có màu sắc khác nhau do hấp thụ các giải sóng màu xanh (0.45 - 0.65 μm) khác nhau Nguyên nhân gây nên bởi hàm lượng nước ở trong lá và bề dày của lá vì trong vùng sóng này nước hấp thụ mạnh các sóng hồng ngoại vì vậy dễ dàng phân biệt được thực vật với các đối tượng khác bằng hai vùng phản xạ sóng xanh lá cây (green) và hồng ngoại gần (near infrared)

Nước : giải sóng 0.4 - 0.5 μm (blue) màu sắc của nước sẽ khác nhau tuỳ thuộc vào độ khoáng hoá, thành phần lơ lửng, chiết xuất của nước

Đất : thành phần vật chất trong đất (oxit kim loại, chất mùn, các chất khoáng, độ ẩm v.v

Đá : các loại đá khác nhau về thành phần vật chất sẽ có độ phản xạ khác nhau Ví dụ: cát,

đá bazan, đá granit, đá phiến (do chứa các khoáng vật khác nhau)

2.5 Hệ thống thông tin viễn thám

Hệ thống các thông tin viễn thám thu nhận được nhờ các công cụ thiết bị khác nhau từ một khoảng cách nhất định đối với đối tượng nghiên cứu Như trên đã nêu kỹ thuật Viễn thám được phát triển trên cơ sở thu nhận các năng lượng điện từ phản xạ từ bề mặt trái đất Tuỳ thuộc vào các công cụ thu nhận thông tin mà người ta chia ra làm hai loại

1) Hệ thống thông tin ảnh ( photographic information );

2) Hệ thống thông tin không ảnh ( nonphotographic information )

c Hệ thống khung (framing systems)

Hệ thống còn được gọi là buồng chụp ảnh (Framing camera) - Hệ thống thu nhận liên tục hình ảnh của một vùng hay một khung lên địa hình Các buồng chụp cảnh sử dụng phim cho phép thu nhận được các ảnh có kích thước lớn, mật độ thông tin cao và độ chính xác hình học tốt Nhược điểm của nó thể hiện trong việc chuyển phim về trái đất (Mắt người ta cũng có thể xem như hệ thống khung)

Hình 2.9 Hệ thống khung (Framming Camera)

Các loại máy ảnh thường là các loại máy ảnh bản đồ (mapping camera) trong đó có loại dùng vào mục đích thăm dò, các loại camera chụp toàn cảnh hoặc loại camera chụp theo từng băng hẹp Các loại máy này có thể sử dụng phim đen trắng, phim màu, phim hồng ngoại, phim màu hồng ngoại.v.v

Vidicon là một dạng của máy chụp ảnh vô tuyến mà nó ghi lại hình ảnh lên một lớp bề mặt nạp cảm ưngs điện từ Các buồng chụp cảnh sử dụng phim điện tử (electronic framing camera) cho phép chụp được ảnh trên nhiều giải phổ khác nhau, tư liệu thu được ở dạng số, độ

ổn định hình học tốt, rất khó chụp ở vùng rộng lớn

d Hệ thống quét (scanning systems)

Hệ thống sử dụng các tế bào quang điện (detector) với trường nhìn hẹp, trường nhìn này quét dọc theo địa hình để tạo hình ảnh Khi các phần tử của năng lượng điện từ phát ra hoặc phản

xạ lại từ địa hình gặp đột ngột các detector và các tín hiệu điện từ được xuất hiện mà sự khác nhau tỷ lệ với số lượng photon - các tín hiệu điện từ được khuếch đại và ghi lại trên băng từ sau

đó tạo nên hình ảnh

Tất cả các hệ thống quét thực hiện quét các trường nhìn của các detector dọc theo địa hình tạo nên một loạt các tia song song Có bốn kiểu quét là quét dọc, quét ngang, quét vòng cung và quét bên sườn

Hình 2.10 Quét dọc địa hình

Hình 2.11 Quét ngang địa hình

Hệ thống quét điện tử (Push broom scaner) có nhiều ưu điểm, trong đó phải kể đến sự ổn định hình học trong từng hàng Tuy vậy yếu điểm chính nằm trong việc sử dụng hệ thống quang học có trường nhìn rộng

Hiện nay trong kỹ thuật viễn thám các loại máy ảnh đa phổ được sử dụng rộng rãi như

có thể tiếp tục xử lý và giải đoán ảnh

Các thiết bị quét thường phân làm hai loại: máy quét đa phổ (multiscanner) và máy quét đường (linescanner)

Hình 2.12 Sơ đồ hệ thống quét và thu hình ảnh LANDSAT

Ưu điểm của máy quét đa phổ là thu được một giải sóng rộng từ 0.3μm (cực tím) đến hồng ngoại nhiệt (10 - 12 μm) Do khả năng quét trong một khoảng phổ rộng như vậy nên các thông tin thu được hết sức quý giá để giải quyết nhiều nhiệm vụ mà các máy ảnh đa phổ không giải quyết được Chính nhờ ưu việt này mà hiện nay người ta dần dần thay thế các thiết bị camera bằng các thiết bị quét

Các thông tin thu được do thiết bị quét có thể xử lý bằng các phương pháp tổng hợp màu hoặc xử lý bằng máy tính điện tử và sẽ cho kết quả về các tư liệu phân tích

Hệ thống các sensor chủ động (active) là các loại chụp ảnh hệ thống rada Các thông tin thu nhận được sẽ xử lý trên các thiết bị máy tính điện tử

2.5.2 Hệ thống thông tin không bằng ảnh

Hệ thống thông tin không bằng ảnh được sử dụng trong kỹ thuật viễn thám gồm :

c Các thông tin về phổ

Đây là loại thông tin viễn thám hết sức quan trọng và ngày càng sử dụng rộng rãi trong KTVT Có thể xác định các giá trị phản xạ phổ tự nhiên của các đối tượng nghiên cứu ở mặt đất

để suy ra bản chất và phát hiện trực tiếp không cần thông qua ảnh Thí dụ với sự hiểu biết đầy đủ

về phổ phản xạ một số khoáng sản kim loại có thể giúp phát hiện các thân quặng chính xác và dự đoán được trữ lượng

d Các thông tin về trường vật lý

Các thông tin này là các trường vật lý của quả đất như từ trường, trọng lực, phóng xạ Các trường vật lý này sẽ phản ánh được bản chất vật lý của các đối tượng nằm trên hoặc nằm dưới sâu trong thạch quyển Kết hợp thông tin này với thông tin viễn thám ảnh trên và các tài liệu mặt đất khác sẽ giúp ta có những hiệu chỉnh đầy đủ không những trên bề mặt của trái đất mà còn có thể xuống sâu hơn Các thông tin này đặc biệt cần thiết và quan trọng trong lĩnh vực địa chất khoáng sản

Tính chất của các thông tin này phụ thuộc rất lớn vào khoảng cách tới đối tượng nghiên cứu, vì vậy hầu hết các thiết bị thông tin đều đặt trên các vật mang (vecteur)

Đối với tầng vũ trụ từ khoảng 150 km trở lên tới 36 000 km các vật mang các sensor gồm:

- Tàu vũ trụ có người điều khiển ( Liên Xô )

- Tàu vũ trụ con thoi ( Mỹ )

- Vệ tinh tài nguyên Trái đất (Thí dụ: Landsat - Mỹ, Spot - Pháp, MOS-1 Nhật, ấn Độ vv

- Vệ tinh khí tượng ( Mỹ, Liên Xô, Nhật vv )

Đối với tầng máy bay từ độ cao 1 - 100 km có:

- Máy bay có độ cao lớn

- Máy bay có độ cao trung bình

- Máy bay có độ cao thấp

- Máy bay trực thăng

Vệ tinh Landsat là tên chung cho hệ thống các vệ tinh chuyên dùng vào mục đích thăm

dò tài nguyên Trái đất Đầu tiên nó mang tên ERTS ( Earth Resource Technology Sectellite ) -

kỹ thuật vệ tinh thăm dò Trái đất

Hệ thống vệ tinh Landsat cho tới nay có thể nói là hệ thống vệ tinh mang tính chất quốc

tế vì các lý do:

- Với vệ tinh Landsat trong "bầu trời mở" cho phép thu được hình ảnh trên toàn bộ trái đất

- Trung tâm tư liệu EROS (EDC) của Mỹ thu được toàn bộ các bức ảnh

- Mọi người sử dụng ở khắp các nước trên thế giới đều có thể mua các bức ảnh này với giá ưu tiên giống nhau và có thể mua ở các trạm thu khác nhau

Hệ thống vệ tinh Landsat phóng lên vũ trụ và hoạt động qua các thời kỳ như sau:

Landsat 1: được phóng lên quỹ đạo ngày 23-7-1972 và ngừng hoạt động ngày 6-1- 1978 Landsat 2 : được phóng lên quỹ đạo ngày 22-1-1975 và ngừng hoạt động 27-7-1983 Landsat 3 : được phóng lên quỹ đạo ngày 5-3-1978 và ngừng hoạt động ngày 7-9-1983 Landsat 4 : được phóng lên quỹ đạo ngày 16-7-1982, đang hoạt động

Landsat 5 : được phóng lên quỹ đạo ngày 1-3-1984, đang hoạt động

Landsat 6 : được phóng lên quỹ đạo nhưng không thành công do bị nổ sau khi phóng Landsat 7 : được phóng lên quỹ đạo ngày 25-4-1999, đang hoạt động

Quỹ đạo các vệ tinh này nghiêng một góc 98o-99o tạo một góc thế sai cùng một hướng và cùng một tốc độ góc mà chuyển động trung bình của mặt trời quanh trái đất khoảng 1o/ ngày Như vậy những quỹ đạo này đồng bộ với mặt trời do đó ánh sáng không thay đổi trên vùng quét

cho nên ảnh thu được ở một vùng nhất định bao giờ cũng vào một thời điểm nhất định Đây chính là điểm rất quan trọng của vệ tinh trong việc điều tra tài nguyên của trái đất Giờ bay của

vệ tinh Landsat thường bay vào khoảng 9 h oo - 9 h 30’ sáng (giờ Hà Nội) và nhờ vậy tránh được những phản chiếu

Độ cao bay của các vệ tinh Landsat 1,2 và 3 trung bình cách mặt đất khoảng 920 Km, còn

vệ tinh 4 và 5 thấp hơn Khoảng cách giữa các quỹ đạo n đến n + 1 vào khoảng 2760km tiến về phía tây Từ vòng n đến vòng n + 1 mất 24 giờ cộng thêm vài phút nhưng đến vòng thứ n + 14 không trùng với quỹ đạo của vòng n mà còn cách 159 km về phía tây Như vậy cứ một ngày vệ

tinh Landsat 1,2 và 3 bay được 14 vòng quanh trái đất và số ngày để nó bay vào vòng quỹ đạo cũ

là 18 ngày hay (251 vòng) Nếu 2 vệ tinh cùng hoạt động thì cứ 9 ngày tại một điểm có thể nhận

Hình 2.15 Quỹ đạo bay và đường quét của Landsat 4, 5, và 7

Trên hệ thống vệ tinh Landsat ( 1,2,3 ) thường đặt 2 loại sensor khác nhau:

a - Hệ thống quét đa phổ MSS (MSS - multispectral scanner )

Hình 2.16 Hệ thống quét đa phổ MMS

b - Hệ thống vô tuyến truyền hình RBV (RBV- return beam vidicon)

Đối với các vệ tinh Landsat 4,5 thì ngoài hệ thống quét đa phổ còn đặt một sensor mới -

hệ thống TM (Thematic mapper)

Hình 2.17 Hệ thống TM (Thematic mapper)

Một số thông số kỹ thuật của MSS :

Tiêu cự: 82.3 cm, Cửa mở: 3.6 và trường nhìn FOV : 11.56 độ

Một cảnh của vệ tinh Landsat chụp vùng có diện tích 185 km × 185 km, thu nhận ở 4 kênh phổ khác nhau

Bốn Kênh phổ theo 4 băng với các bước sóng như sau:

Số băng được quét cùng một lúc : 6

Kích thước pixel theo bề ngang 56 - 58 m

Kích thước pixel theo bề dọc 81.5 m

7 bits/pisel cho các kênh 4,5, 6 và 6 bist / pixel cho kênh 7

Độ phân giải mặt đất của các băng từ MSS - 4 đến MSS -7 là 80m, với băng 8 là 240m

Hệ thống vô tuyến truyền hình RBV ghi được ở 3 băng phổ :

- Băng 0.475 - 0.575 μm ứng với màu xanh blue và green

- Băng 0.580 - 0.680 μm ứng với màu vàng da cam đến bắt đầu đỏ

- Băng 0.690 - 0.830 μm ứng với đỏ đến hồng ngoại gần

Độ phân giải mặt đất là 40 m cho cả 3 băng

Vệ tinh Landsat 4, 5, và 7 có cải biến hơn so với các thế hệ trước.Độ cao trung bình của

vệ tinh là 705 km, góc nghiêng 98o Chu kì quỹ đạo là 99 phút hay 14,5 vòng ngày Khoảng cách giữa các quỹ đạo là 2752 km Chu kì lặp lại 1 điểm là 16 ngày Thời gian vệ tinh bay qua Hà Nội

và băng 6 - hồng ngoại nhiệt Độ phân giải các băng 1-5 và 7 là 30 m với băng 6 là 126 m Kích thước mỗi pixel là 79 × 79m

Số trạm thu TM của Landsat 4,5 ở châu á, úc có : Băng Cốc - Thái Lan, Tokyo - Nhật Bản, Hyderabad - Ấn Độ và Alice Springs - Úc

Đối với các loại vệ tinh Landsat ta có thể nêu một vài đặc trưng kỹ thuật sau :

Các thông số Vệ tinh 1, 2, 3 Vệ tinh 4, 5 & 7

Độ cao trung bình : 920 km 705 km

Góc nghiêng : 99o 98o

Chu kì quỹ đạo (vòng/ngày ): 102′ (14 v/ng.) 99′ (14,5 v/ng.)

Khoảng cách giữa 2 vòng quỹ đạo : 2760 km 2752 km

Chu kì lặp lại : 18 ngày 16 ngày

Thời gian hay giờ địa phương : 8h 30 - 9h 30 9h 45

Các thiết bị thu : MSS, RBV và DCS ( 1) MSS, TM, ETM+

Diện tích phủ : (185 × 185) km (185 x 185) km

Bảng 2.2 Các đặc trưng kỹ thuật của các loại thiết bị thu của vệ tinh Landsat

Băng 2: 0.580 - 0.680μm 6 bist 40 m Băng 3: 0.690 - 0.830μm 6 bist 40 m Băng đơn sắc: 0.475 - 0.575μm 6 bist 40 m

(1)Data collection system (DSC) hệ thống thu nhận thông tin sẽ chuyển về các trạm thu ở mặt đất

2.6.2 Vệ tinh SPOT

Vệ tinh SPOT của Pháp được phóng lên quỹ đạo năm 1986 nhờ tên lửa đẩy Arian, vệ tinh này mang hai đầu chụp dựa trên công nghệ quét chổi đẩy được gọi là HVR (Hight resolusion visible) thu ở hai kiểu ảnh toàn sắc và ảnh đa phổ

Vệ tinh SPOT bay ở độ cao 822 Km và chu kỳ lặp lại là 26 ngày, mỗi ảnh của SPOT có kích thước 60 x 60 Km Quỹ đạo của SPOT đồng trục với tương tự như của Landsat Quỹ đạo cắt

ở vị độ 40o bắc vào khoảng 10 giờ đến 10 giờ 30 sáng theo giờ địa phương, nghĩa là chậm hơn Landsat 1 giờ SPOT sử dụng một hệ thống tạo ảnh nhìn thấy có độ phân giải cao HVR, đây là

hệ thống quét dọc Độ phân giải đối với hệ thống quét đa phổ là 20 mét, còn hệ thống toàn sắc (Panchromatic) là 10 mét

Tiếp theo là các vệ tinh SPOT-2, 3 và SPOT-4 cũng dựa trên nguyên tắc hoạt động của SPOT-1 có cải tiến hơn, các đầu thu có thể chuyển động được, có thể chụp được ở phương thẳng đứng và xiên chính nhờ khả năng này mà ngoài ưu thế về độ phân giải cao các ảnh SPOT còn có khả năng nhìn lập thể rất có nhiều ưu thế quan trọng trong việc xây dựng bản đồ địa hình

Hình 2.18 Đầu thu chụp HVR của vệ tinh SPOT

Hệ thống quét HVR có các kênh phổ với các bước sóng như sau:

2.6.3 Vệ tinh quan sát biển MOS-1

Vệ tinh quan sát biển MOS - 1 (marine observation satellite) là vệ tinh quan sát biển đầu tiên của Nhật Bản Trên vệ tinh ngoài những máy thu khác nó còn trang bị máy thu MESSR (multispectral electronic self scanning radiometer) thu các thông tin phục vụ nghiên cứu bề mặt trái đất Vệ tinh bay ở độ cao 909 km, góc nghiêng 99o thời gian bay một vòng quanh trái đất

103 phút Chu kỳ lặp của vệ tinh là 17 ngày

Một số đặc trưng kỹ thuật của máy thu MESSR :

Kênh 1 : 0.51 - 0.59 μm Kênh 2 : 0.61 - 0.69 μm Kênh 3 : 0.72 - 0.80 μm Kênh 4 : 0.80 - 1.10 μm

Độ phân giải các kênh 50 mét

Kích thước một ảnh 100 × 100 km

Bist/ pixel - 6 bist

Máy MESSR cung cấp tư liệu tương tự như MSS của Landsat Điểm khác cơ bản là tài liệu có độ phân giải cao, tư liệu có giá thành rẻ hơn nhiều và đang thâm nhập vào Việt Nam

2.6.4 Tàu vũ trụ Liên Xô (cũ)

Tàu vũ trụ Liên Xô hoạt động trên độ cao 200 - 250 km với góc nghiêng là 51o 6 và chu

kì khoảng 89 phút Trên tàu vũ trụ thường đặt một số máy ảnh chụp tự động

Một trong những nhiệm vụ của trạm ″ Chào mừng 6 ″ của Liên Xô là chụp ảnh bề mặt trái đất với mục đích nghiên cứu tài nguyên thiên nhiên Trạm đặt máy ảnh đa phổ vũ trụ MKF - 6M do các chuyên gia Liên Xô và CHDC Đức

trước đây chế tạo Máy ảnh đa phổ MKF - 6 có 6 ống kính tương ứng với 6 cuộn phim khác nhau Sau đây là một vài thông số kỹ thuật chính :

Tiêu cự ống kính : 125 mm

Kích thước ảnh : 56 mm × 80 mm

Độ phân giải : 160 đường / mm

6 kính lọc với các bước sóng khác nhau 0.48 μm, 0.54 μm, 0.60 μm, 0.66 μm, 0.72 μm

2.6.5 Vệ tinh Ấn Độ

ấn độ bắt đầu phát triển chương trình Vệ tinh ấn độ IRS (Indian Remote Sensing Satellite) từ năm 1981 để hỗ trợ cho nền kinh tế của Ân độ trong các ngành như tài nguyên nước,

nông nghiệp, môi trường, địa chất, quản lý vùng biển Cơ quan Hàng không Vũ trụ của Ân độ

(Department of Space) là cơ quan của chính phủ chuyên cung cấp các dịch vụ dữ liệu từ các vệ

tinh IRS Dữ liệu của các vệ tinh IRS hiện nay được thu và phân phối ở một số nươc trên toàn

thế giới Với những Sensor có độ phân giải cao, ảnh của vệ tinh IRS đã trở thành tiền đề cho

nhiều ứng dụng mới trong quy hoạch và quản lý đô thị, trong xây dựng các bản đồ có tỉ lệ lớn

Hai vệ tinh IRS đầu tiên là IRS – 1A và IRS – 1B được tên lửa Vostok của Nga đưa lên

quỹ đạo vào tháng 3 năm 1988 và tháng 8 năm 1991 Vệ tinh IRS 1A đã ngừng hoạt động năm

1992 trong khi đó vệ tinh IRS 1B còn hoạt động cho đến cuối năm 1999

Vệ tinh IRS 1A và IRS 1B bay ở độ cao 905 km với góc nghiêng 99 độ và chu kỳ lặp lại

22 ngày Hai vệ tinh này mang 2 sensor LISS (Linear Imaging Self Scanning) và COD chụp ảnh

ở 4 kênh phổ:

Băng 3: 0.63 - 0.69μm 7 bist 72.5 m Băng 4: 0.76 - 0.90μm 7 bist 72.5 m

Băng 2: 0.52 - 0.60μm 7 bist 36.25 m Băng 3: 0.63 - 0.69μm 7 bist 36.25 m Băng 4: 0.76 - 0.90μm 7 bist 36.25 m Vào cuối năm 1999, Ân độ vẫn còn 5 vệ tinh đang hoạt động, trong đó có vệ tinh IRS 1 C

là do tên lửa Molniya của Nga đưa lên quỹ đạo Đây là tên lửa cuối cùng của Nga đưa vệ tinh

của Ân độ lên quỹ đạo theo chương trình hợp tác về Vũ trụ giữa Nga và Ân độ Vệ tinh IRS 1D

và IRS P3 đều được tên lửa PSLV của Ân độ đưa lên năm 1996

Cả hai vệ tinh IRS 1C và IRS 1D đều cho ảnh chụp có độ phân giải cao (5.8 m) ở kênh

toàn sắc (0.50 - 0.75) Với độ phân giải này vào đầu năm 1998, IRS đã trở thành vệ tinh thương

mại dân sự có độ phân giải lớn nhất Hai vệ tinh IRS 1C và IRS 1D đều mang sensor WiFS

(Wide Field Sensor) chụp được ảnh của khu vực lớn (770 km2/ảnh) ở 2 kênh phổ 0.63 – 0.69 và

0.77 – 0.86 với độ phân giải 190 m và sensor LISS 3 chụp được ảnh ở 4 kênh phổ với độ phân

giải 23.5 m

Vệ tinh IRS P5 được đưa lên quỹ đạo năm 1998 và IRS 2A được đưa lên quỹ đạo năm

2000, IRS 2B được đưa lên quỹ đạo năm 2004 với sensor mới LISS 4

IRS P4 (OCEANSAT 1) là vệ tinh được dùng chủ yếu để đo đạt và quan trắc các thông

số vật lý và sinh thái biển Với sensor OCM (Ocean Color Monitor) chụp được ảnh ở 8 kênh

phổ và sensor MSMR (Multi Frequency Scanning Microwave Radiometer) chụp được ảnh ở 4

kênh phổ, vệ tinh này cung cấp những khả năng quan trắc bở biển rất tốt

IRS P5 (CARTOSAT 1) với sensor cải tiến có độ phân giải 2.5m có thể cho ảnh lập thể

Vệ tinh này đã đáp ứng được yêu cầu của nhiều ứng dụng về mô hình bề mặt DTM (Digital Terrain Model) Vệ tinh này có thể cung cấp thông tin rất tốt để xây dựng bản đồ tỉ lệ 1:5000 với đường đồng mức 5m

IRS P6 (RESOURCESAR 1) được đưa lên quỹ đạo năm 2000, là vệ tinh tiên tiến nhất sử dụng chủ yếu cho các ứng dụng trong ngành nông nghiệp Vệ tinh này có những sensor sau: Camera LISS 4 cho ảnh ở 3 kênh phổ với độ phân giải 6 m; LISS 4 với 4 kênh phổ (R, G, NIR, SWIR) với độ phân giải 23 m; và WiFS cho ảnh ở 2 kênh với đội phân giải 80 m

Ngoài các vật mang chính nêu trên hiện nay đã có thêm nhiều nước đã phóng các vệ tinh nghiên cứu tài nguyên và môi trường của trái đất với các tính năng kỹ thuật ngày càng tiến bộ cải tiến khắc phục được các nhược điểm mà các loại vệ tinh cũ mắc phải (Trong 1/3 thế kỉ qua đã phóng trên dưới 3000 vệ tinh)

2.6.6 Các thiết bị thu nhận đặt trên tầng máy bay

Viễn thám máy bay là một bộ phận không thể thiếu được trong kỹ thuật viễn thám Với khoảng cách khác nhau các thông tin thu được sẽ bổ sung cho nhau để tăng độ chính xác và tin cậy

Để giải quyết các nhiệm vụ cụ thể trên một diện tích hẹp với mức độ chi tiết cao hơn người ta phải bổ sung các thông tin từ các tầng máy bay Thông thường ở tầng này tuỳ theo các thiết bị thu nhận : máy quét đa phổ hoặc máy ảnh đa phổ mà sử dụng các loại vật mang khác nhau

Hiện nay đối với tầng máy bay thường dùng 2 loại sensor chính sau :

1 - Máy quét đa phổ máy bay : Loại DS - 1250 ( Mỹ ) AADS - 1260 (MSS ) và QQDS -

1268 Các loại máy quét này có 11 kênh phổ với các bước sóng như sau :

độ cao 1 - 10 km

Độ phân giải trung bình của máy quét đa phổ máy bay tuỳ thuộc vào độ cao bay

Bảng 2.3 Độ phân giải máy quét đa phổ máy bay

Điều kiện bay Chiều cao cách Độ phân giải Bề ngang Diện tích

mặt đất (m) mặt đất (m) chụp (km) quét (km2/h) Bay thấp 500 1.25 1.2 325

Hình 2.22 Máy ảnh đa phổ ACD

Đối với các nước tham gia chương trình intercosmos thì dùng máy ảnh đa phổ MKF - 6 Ngoài loại này hiện nay thường dùng MSK - 4 loại này được lắp trên máy bay AH - 30 được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực nông nghiệp, địa chất, thuỷ văn, hải dương, địa lý, bản đồ bảo vệ môi trường và các lĩnh vực khác

Một số thông số kỹ thuật :

Tiêu cự ống kính : 125 mm

Góc quét : 38o Kích thước ảnh : 70 mm × 93 mm

Độ phân giải : 150 đường / mm

Các bước sóng của kính : 0.48 - 0.54 μm

Lọc màu : 0.60 - 0.68 μm

Tỷ lệ phủ 20%, 60% và 80%

Kích thước phim 71 mm (loại cuộn)

Hiệu thế làm việc 29-24 vôn Ngoài ra còn nhiều loại máy ảnh đa phổ khác như MB - 490 do hãng NAC (Nhật Bản)

và WiLLD (Thuỹ sỹ) hợp tác sản xuất trên nguyên tắc lắp ráp 4 máy ảnh RC.10 (của Thuỵ sỹ) tương ứng với 4 băng 4, 5, 6 và 7 của MSS thuộc vệ tinh Landsat (0.5-0.6 μm, 0.6-0.7 μm, 0.7-

0.8 μm và 0.8-1.1μm) Loại này chủ yếu dùng phim hồng ngoại ( IR của KoDak với kích thước

240 mm)

Hiện nay ở nước ta đang sử dụng loại máy AMC-System (Airborne multispectral camera system) do hãng Hasselblad engineering AB (Thụy Điển) sản xuất Với bốn máy ảnh sẽ được 3 kính lọc tương ứng với các bước sóng của SPOT và một máy có thể dùng phim toàn sắc panchromatic AMCS được lắp đặt trên máy bay AH-30 có thể chụp ở độ cao 5km Thời gian vừa qua Viện địa lý - Trung tâm khoa học tự nhiên và công nghệ quốc gia đã tiến hành chụp một số nơi như Đồng Tháp Mười, huyện duyên hải thành phố Hồ Chí Minh và cho kết quả tốt

Câu hỏi chương II

1 Các nguồn năng lượng và với các đối tượng trên mặt đất

2 Các yếu tố ảnh hưởng đến độphản xạ

3 Các hệ thống thông tin viễn thám gồm những hệ thống nào? Cách thu nhận

4 Các hệ thống thu nhận thông in viễn thám

CHƯƠNG III XỬ LÝ THÔNG TIN VIỄN THÁM

Vấn đề xử lý thông tin viễn thám là một trong những khâu quan trọng nhất của kỹ thuật viễn thám vì đây là quá trình trực tiếp xử lý các thông tin thu được theo những yêu cầu và đối tượng sử dụng nhất định Tuỳ thuộc vào chất lượng của giai đoạn này mà quyết định toàn bộ kết quả của phương pháp

Một trong những cơ sở của việc xử lý thông tin viễn thám là căn cứ vào đặc điểm phổ phản xạ của các đối tượng tự nhiên

3.1 Các đặc điểm của hình ảnh

Một bức ảnh là hình ảnh được ghi lại ở bước sóng từ 0.3 - 0.9 μm, ở đó sự tương tác giữa các chất hoá học nhạy cảm với ánh sáng trên phim chụp Các hình ảnh này có thể được mô tả dưới dạng các đặc tính chủ yếu và không chú ý đến bước sóng mà ở đó hình ảnh được ghi lại Những tính chất thông thường đó là: tỷ lệ, độ sáng, độ tương phản và độ phân giải

Tỷ lệ

Là tỷ số của khoảng cách giữa hai điểm của một ảnh tương ứng với khoảng cách trên mặt đất của chính hai điểm đó Ví dụ hai điểm trên cảnh cách nhau một khoảng là 10 cm, trên thực tế khoảng cách giữa hai điểm đó là 1000m, như vậy tỷ lệ ảnh là 1: 100.000 Tỷ lệ của hình ảnh được xác định bởi các yếu tố:

- Độ dài tiêu cự hiệu dụng của thiết bị VT

- Độ cao mà từ đó hình ảnh thu nhận được

- Yếu tố phóng đại được sử dụng trong in phóng ảnh

Độ sáng và tông ảnh

Sự khác nhau về cường độ của bức xạ điện từ phát ra từ địa hình tạo nên sự khác nhau về

độ sáng của hình ảnh Trên ảnh dương bản ( positive ) độ sáng của hình ảnh tỷ lệ với cường độ bức xạ phát ra từ các đối tượng

Độ sáng ( brightness ) là lượng ánh sáng tác động vào mắt Đó là sự nhạy cảm ánh sáng

của chủ thể mà có thể xác định được một cách tương đối Để đo cường độ của độ sáng người ta thường dùng quang kế (photometro ) Khi phân tích ảnh để phân biệt độ sáng của ảnh có thể hiệu chỉnh bởi thang cấp độ xám ảnh được phân ra các vùng có tông sáng, trung bình hay tối dựa vào thang độ xám (theo FLOYD, SABIN JR, 1986)

Trên ảnh hàng không, tông ảnh của một đối tượng được xác định bởi khả năng của đối tượng, phản xạ lại ánh sáng mặt trời chiếu xuống Mặc dù các ảnh hưởng của khí quyển và sự nhạy cảm phổ của phim cũng là yếu tố quan trọng Trên mỗi loại ảnh chụp, ở các giải sóng khác nhau tông ảnh được xác định bởi các tính chất vật lý khác nhau của đối tượng Trên ảnh hồng ngoại nhiệt tông ảnh của một đối tượng tỷ lệ với sự bức xạ nhiệt của đối tượng Trên ảnh rađa tông ảnh của một đối tượng được xác định bởi cường độ của những tia được truyền đi của năng lượng rađa và được phản xạ trở lại rồi ghi được bởi hệ thống anten thu nhận

Tỷ số tương phản ( constract ratio)

Là tỷ số giữa phần sáng nhất và tối nhất của một ảnh và xác định bằng công thức:

B max

CR = ⎯⎯⎯⎯

B min

ở đây : B max - độ sáng cực đại của một ảnh

B min - độ sáng cực tiểu của một ảnh hoặc cũng có thể dùng công thức:

Bmax - B min

CR = ⎯⎯⎯⎯

B max + B min

Có thể phân biệt các cấp độ tương phản khác nhau nếu tỷ lệ độ chói sáng từ 0 đến 10 thì

tỷ số tương phản sẽ như sau:

A - tương phản cao CR = 9/ 2 = 4.5

B - tương phản trung bình CR = 5/ 2 = 2.5

C - tương phản thấp CR = 3/ 2 = 1.5 Chú ý : Khi B min = 0 thì CR → vô cực

B min = B max thì CR là đồng nhất Slaters, P N (1983), **2 ** đã tổng quát hoá khái niệm này, trong đó ông đã mô tả các dạng khác nhau của sự tương phản Để bổ sung cho sự mô tả toàn bộ hình ảnh, tỷ số tương phản cũng được sử dụng để mô tả giữa các độ sáng của mộ đối tượng trên một ảnh với các độ sáng trên một nền kế cận Một yếu tố quan trong trong việc xác định khả năng phát hiện và nhận dạng các đối tượng là tỷ số tương phản

Hình 3.1 Ảnh có độ tương phản thấp, trung bình và cao

Các ảnh có độ tương phản thấp thường phù hợp với các vùng bị “ quét trôi đi ” với một tông ảnh gần đều như nhau Những nguyên nhân tạo nên một ảnh có độ tương phản thấp có thể là:

1 Các đối tượng trên mặt đất có sự giống nhau về đặc điểm điện từ ở một vài băng sóng nhất định mà hệ thống viễn thám ghi nhận lại được, nghĩa là bản chất của đối tượng là có tỷ số tương phản thấp

2 Sự tán xạ của năng lượng điện từ do khí quyển Điều này làm giẩm sự tương phản của hình ảnh ảnh hưởng này thường thể hiện ở vùng có bước sóng ngắn hơn trong các băng chụp ảnh viễn thám

3 Hệ thống viễn thám có thể bị làm giảm hiệu lực nhạy cảm để phát hiện và ghi nhận sự tương phản của địa hình Các kỹ thuật ghi nhận không chính xác cũng là kêt quả của việc tạo nên các ảnh có độ tương phản thấp mặc dù hình ảnh khi được ghi nhận bằng các phương tiện khác có

độ tương phản cao Khi tỷ số tương phản thấp, độ phân biệt yếu không xét đến nguyên nhân nào cũng có thể được nâng cao bằng các phương pháp xử lý kỷ thuật ảnh số

Độ phân giải không gian và năng lực phân giải (spatial resolution and resolving

power)

Độ phân giải được hiểu như là khả năng để phân biệt hai đối tượng ở liền nhau trong một bức ảnh, nói chính xác hơn là một khoảng cách tối thiểu giữa các đối tượng mà có thể nhận biết

và phân biệt được trên ảnh

Năng lực phân giải và độ phân giải không gian là hai khái niệm có sự liên hệ rất chặt chẽ Khái niệm năng lực phân giải được áp dụng cho một hệ thống tạo ảnh hay một thành phần của hệ thống, trong khi đó độ phân giải không gian được áp dụng cho một ảnh được tạo ra bởi hệ thống

đó

Ví dụ ống kính và phim của một hệ máy chụp ảnh thì mỗi loại đó có một đặc điểm về năng lực phân giải riêng và cùng với các yếu tố khác sẽ xác định độ phân giải của bức ảnh (ví dụ máy ảnh các kiểu, phim các kiểu)

3.2 Cấu tạo băng từ

Nhiều dạng ảnh viễn thám thường được ghi dưới dạng số và được xử lý bằng máy tính để tạo nên ảnh cho người giải đoán nghiên cứu Dạng đơn giản nhất của xử lý ảnh số là sử dụng hệ

xử lý nhỏ micro để chuyển ngược tài liệu trên băng từ thành phần ảnh với sự hiệu chỉnh tối thiểu Với phạm vi rộng hơn hệ máy tính lớn sẽ được sử dụng để hiệu chỉnh tài liệu và chuyển băng từ thành hình ảnh với chất lượng cao

Cấu trúc hình ảnh

Các bức ảnh bao gồm các phân tử nhỏ bé cùng diện tích hay giả là các phần tử ảnh, được sắp xếp theo hàng và cột vị trí của bất kì một phân tử ảnh nào (hay người ta còn gọi là pixel) đều được xác định trên hệ thống toạ độ x, y

Hình 3.2 Cấu trúc dữ liệu của ảnh

Trong ảnh Landsat pixel đầu tiên sắp xếp ở đầu góc bên trái của hình ảnh Mỗi pixel có một giá trị số gọi là số thứ tự hoá (digital number (DN )) giá trị đó ghi lại cường độ năng lượng điện từ rơi vào các phần diện tích đó trên mặt đất mà được hiển thị bằng 1 pixel Các số thứ tự hoá được kéo dài từ 0 đến số cao hơn trong thang cấp độ xám

Anh Landsat : tài liệu được thu bởi hệ thống quét đa phổ (MSS) và TM Landsat được ghi trên băng từ máy tính computer - compatable chúng có thể được xử lý để tạo nên hình ảnh

Cả hai hệ thống này được sử dụng hệ thống gương quang và quét các đường rộng 185 km dọc địa hình Quá trình quét là liên tục và chiều rộng là 170 km đối với ảnh TM

Tư liệu MSS Landsat : - Có độ phân giải mặt đất 79×57 m một bức ảnh bao gồm 2340 đường quét với chiều dài vùng là 185 km và rộng 79 m theo hướng quỹ đạo Mỗi đường quét gồm 3240 pixel

Độ xám của các băng 4,5 và 6 được ghi trên băng từ dùng tỷ lệ 7 bit còn băng 7 là 6 bit Phần lớn hệ thống xử lý sử dụng tỷ lệ 8 bit do vậy băng 4, 5 được khuyếch đại lên 2 lần và băng

7 lên 4 lần để chuyển đổi thành tỷ lệ 8 bit Như vậy tổng số một bức ảnh gồm 2340 × 3240 pixel

Tư liệu TM : Độ phân giải mặt đất 30×30 m một ảnh gồm 5965 đường quét với 185 km chiều dài đường quét, 30 mét rộng theo hướng quỹ đạo Mỗi đường quét gồm 6 167 pixel

Mỗi bức ảnh gồm 5965 × 6167 pixel cho mỗi băng sóng Tư liệu TM gồm 7 băng nên bộ nhớ nhiều hơn 8 lần so với ảnh tư liệu MSS

Hình 3.3 Các dạng lưu trữ dữ liệu của ảnh vệ tinh (3 kênh ảnh)

3.3 Giải đoán ảnh

3.3.1 Các bước giải đoán ảnh

Vấn đề xử lý thông tin viễn thám không những là một vấn đề kỹ thuật mà còn là nghệ thuật Một bức ảnh tốt, chính xác, rõ ràng qua đó mọi thông tin có thể nhận biết dễ dàng đòi hỏi người xử lý phải tinh thông nghiệp vụ, nắm chắc chuyên môn Cũng như một bức ảnh chụp bình thường, có thể so sánh một người thợ ảnh lâu năm và một người mới vào nghề

Quá trình xử lý thông tin viễn thám có thể phân làm 3 bước như sau :

1- Đọc ảnh : Nội dung chính là nhận dạng trên ảnh Ví dụ phân biệt vùng núi, rừng, sông

3.3.2 Các yếu tố của ảnh cần giải đoán

Ảnh là thể hiện năng lượng phản xạ, phát xạ hoặc truyền từ nhiều phần của sóng điện từ

và được thu dưới nhiều dạng, kích thước, tỷ lệ Cơ sở của việc đoán đọc (giải đoán) ảnh là sử dụng một cách hiệu quả nhất các thông tin thu được kể trên

Mặc dù có thể nêu ra rất nhiều các yếu tố ảnh cần xử lý giải đoán nhưng sau khi xem xét người ta đi đến kết luận cần nghiên cứu các yếu tố ảnh sau: kích thước, dạng, bóng, tông ảnh hay màu ảnh, kiến trúc, cấu trúc và vị trí của ảnh

1 Dạng (shape)

Thể hiện nét chung nhất hoặc những nét đặc thù của đối tượng nghiên cứu Dạng của một đối tượng là một nét đặc thù và khi nhận dạng chúng có thể sử dụng như một chỉ tiêu nhận biết

Ví dụ : sông, hồ, biển, đồi núi, toà lâu đài v.v Tất cả các dạng đương nhiên không phải là có thể

dự đoán được nhưng mỗi dạng sẽ cho một vài dấu hiệu đặc trưng cho những người giải đoán

2 Kích thước ( size )

Kích thước của một đối tượng trên một ảnh cần được xem xét trong mối quan hệ với tỷ lệ ảnh, với các vật chung quanh Ví dụ một toà nhà hay một khu nhà

Hình 3.4 Ví dụ về kích thước ảnh

3 Bóng (shadow)

Là một dấu hiệu quan trọng mà người giải đoán cần phải biết theo hai mặt trái ngược nhau: 1-Bóng hoặc đường của bóng là một đường viền của đối tượng và 2- Đối tượng nằm trong bóng với ảnh phản xạ rất yếu và khó phân biệt trên ảnh ảnh vệ tinh thường chụp vào lúc 9h 30 đến 10h căn cứ vào bóng trên ảnh có thể xác định độ cao tương đối của đối tượng, từ đó có thể phân biệt được các đối tượng

Hình 3.5 Ví dụ về bóng ảnh (shadow)

4 Tông ảnh

Được hiểu là lượng ánh sáng được phản xạ bởi đối tượng trên ảnh Độ sáng trên ảnh hay ngược lại là cấp độ xám thể hiện màu của đối tượng Đối với ảnh trắng đen tông ảnh cần phân biệt cấp độ xám một cách chi tiết vì từng cấp độ sáng phản ánh mức độ phản xạ của từng đối tượng khác nhau Mắt thường chỉ nhận biết được 16 cấp đô xám, đối với máy tính nhận biết được 256 cấp Để lưu giữ giá trị cấp độ xám của từng pixel người ta phải sử dụng một khoảng bộ nhớ nhất định Ví dụ như ảnh TM được mã 8 bít gồm 256 cấp độ xám từ 0-255

Hình 3.6 Ví dụ về tông ảnh (ton)

Có thể nêu một số ví dụ sau:

Tông đen → nước (băng 7);

Tông xám tối → + Các bề mặt gồ ghề có bóng của địa hình;

+ Đất ướt;

+ Thực vật rậm (băng 5);

+ Hồ chứa nước

Tông sáng → + Địa hình nhẵn, băng tuyết, cát

Tông đốm → + Đá có độ rỗng, thành phần hạt thay đổi,

+ Đá phân lớp + Các vệt thảm thực vật khác nhau

5 Màu ảnh

Màu của đối tượng trên ảnh màu giả (FCC) giúp cho người giải đoán có thể phân biệt được nhiều đối tượng có đặc điểm tông ảnh như nhau trên ảnh trắng đen Tổ hợp màu giả trong ảnh Landsat là xanh lơ (Blue), xanh lục (Green) và đỏ (Red) thể hiện các nhóm cơ bản là: thực vật từ màu hồng đến màu đỏ, nước xanh lơ nhạy đến xanh lơ sẫm, đất trống đá lộ có màu trắng Ngoài ba tổ hợp màu giả trên người ta có thể tạo nên rất nhiều màu giả khác bằng phương pháp quang học (dùng các tấm lọc màu) hoặc bằng kỹ thuật xử lý ảnh số Như vậy khi giải đoán các đối tượng trên ảnh màu giả phải có những định hướng ngay từ đầu về các tổ hợp màu giả, từ đó mới tránh được những lầm lẫn

6 Kiến trúc ảnh

Kiến trúc ảnh là tần suất biến đổi tông trên ảnh, nó là sản phẩm của tập hợp các yếu tố

mà khó phân biệt trên ảnh Nó là sản phẩm chung của các dấu hiệu riêng biệt như dạng, kích thước, cấu trúc và tông ảnh