Tài liệu Chương 5 VIỄN THÁM REMOTE SENSING pdf

Sensor bộ cảm biến: thiết bị tách bức xạ hay phản xạ sóng từ vật thể Cameras, Scanners Platform vật mang: phương tiện mang bộ cảm biến Vệ tinh địa tĩnh Cao độ :36.000Km Quan sát từ 1 vị

Chương 5 VIỄN THÁM

REMOTE SENSING

5.1 Nguyên tắc cơ bản về viễn thám

5.2 Bộ cảm biến

5.3 Vật mang

5.4 Các vệ tinh viễn thám

5.5 Dữ liệu sử dụng trong viễn thám

5.6 Giải đoán ảnh

5.1 NGUYÊN TẮC CƠ BẢN VỀ VIỄN THÁM

FUNDAMENTALS OF REMOTE SENSING

5.1.1 Lịch sử công nghệ Trắc Địa

Technological history of Surveying

• 11C - 12C : La bàn (Hàng hải)

• 14C - 15C : Kinh độ (quan sát mặt trăng)

• 16C : World Atlas

• 17C : Lưới tam giác (Snell, Pháp)

• 18C : Lưới chiếu Bản đồ ở Pháp

Cassini Map (1:86.400)Đồng hồ độ chính xác caoKinh độ chính xác (John Harrison, Anh)

• 19C : Không ảnh (bắt đầu của RS)

Thành lập bản đồ hiệu quả hơn

20C : Thời kỳ áp dụng điện tử trong TĐ

1940 : Rada

1950 : Đo dài quang điện (Computer)

1960 : Chụp ảnh từ vệ tinh (NNSS)

Navy Navigation Satellite System

1970 : Aûnh số vệ tinh (LANDSAT 1972)

1980 : CCD Image Sensor

(Charge Coupled Devices)

: Geographical Information System GIS

1990 : Global Positioning System - GPS

5.1.2 Nguyên lý của viễn thám (Principle of Remote Sensing)

Thu thập, đo lường và phân tích thông tin của vật thể mà không có sự tiếp xúc trực tiếp.

Vật thể

Computer

• Sóng điện từ

• Sóng âm

Bức xạ hay phản xạ

Sóng từ các vật thể khác

Dữ liệu & thông tin vật thể

Sensor

Xử lý dữ liệu

5.1.3 Khái niệm về viễn thám (Concept of Remote Sensing)

Bức xạ hay phản xạ sóng điện từ là nguồn năng lượng sử dụng phổ biến trong viễn thám.

Sensor (bộ cảm biến): thiết bị tách bức xạ hay phản xạ sóng từ vật thể (Cameras, Scanners) Platform (vật mang): phương tiện mang bộ cảm biến

Vệ tinh địa tĩnh Cao độ :36.000Km Quan sát từ 1 vị trí cố địnhVệ tinh quỹ đạo tròn 500Km - 1.000Km Quan sát đều theo chu kỳ

Tàu con thoi 240Km - 350Km Quan sát không đều (theo dự án)

Máy bay 10Km - 12Km Nghiên cứu nhiều đối tượng khác nhau

5.1.4 Đặc trưng bức xạ sóng điện từ (Characteristics of Electro-Magnetic Radiation)

5.1.5 Thang sóng điện từ (Wavelength Regions of Electro-Magnetic Radiation)

Cực tím (Ultraviolet) 0,3 - 0,4 µm ÁS nhìn thấy (Visible light) 0,4 - 0,7 µm

Gần hồng ngoại sóng ngắn & nhiệt (Near shortwave & thermal infrared) 0,7 - 14 µm

Sóng siêu cao tần (Micro wave) 1mm - 1 m: Kỹ thuật Radar

Hồng ngoại phản xạ (Reflective infrared) 0,7 - 3 µm: Phản xạ chủ yếu từ ánh sáng mặt trời

5.1.6 Các loại viễn thám (Types of Remote Sensing): 3 loại ứng với vùng bước sóng sử dụng

• Vùng nhìn thấy và hồng ngoại phản xạ (Visible and Reflective Infrared Remote Sensing)

Dữ liệu nhận được dựa vào phản xạ năng lượng mặt trời từ các vật thể Cực đại với λ= 0,5µm

• Hồng ngoại nhiệt (Thermal Infrared Remote Sensing)

Sử dụng năng lượng bức xạ từ các vật thể Cực đại ứng với λ= 10µm

• Vùng sóng cực ngắn (Microwave Remote Sensing): Chủ động và bị động

Viễn thám bị động: ghi nhận bức xạ sóng cực ngắn từ các vật thể

VT chủ động: ghi nhận phản xạ sóng từ các vật thể khi được cung cấp năng lượng riêng (Radar)

5.1.7 Phản xạ phổ của lớp phủ mặt đất (Spectral reflectance of Land covers)

5.2 BỘ CẢM BIẾN (SENSORS) 5.2.1 Phân loại (Types of Sensors)

Phân loại (Types of Sensors)

5.2.2 Đặc tính của bộ cảm quang học (Characteristics of Optical Sensors)

Phổ Kênh phổ & bề rộng của chúng

Độ nhậy của phim, khả năng của kính lọc phổ

Bức xạ Mức độ nhiễu

Độ nhậy tuyến tính

Hình học Trường nhìn; trường nhìn không đổi

Biến dạng…

5.2.3 Máy quét quang cơ (Optical Mechanical Scanner)

ĐN: Máy đo bức xạ đa phổ tạo ảnh 2 chiều dựa trên sự phối hợp chuyển động của platform và

gương quay quét vuông góc với hướng bay

Cấu tạo: Hệ thống quang học: thấu kính thiên văn; Phổ ký: gương lưỡng sắc, lọc ánh sáng

Hệ thống quét: gương quay hoặc dao động;

Bộ tách sóng (phân tích): chuyển năng lượng điện từ sang tín hiệu điện (Diod quang điện )

Hệ thống kiểm tra (tham khảo): nguồn sáng có cường độ và nhiệt độ cố định để kiểm tra tín hiệu điện

LANDSAT: MSS (Multispectral Scanner System) TM (Thematic mapper)

NOAA: AVHRR (Advandced Very High Resolution Radiometer)

Ưu điểm: góc nhìn hẹp ⇒ sai số giữa các dải sóng nhỏ; độ phân giải cao

Nhược: tỉ số (tín hiệu / nhiễu) nhỏ

(do thơì gian tích hợp tại bộ tách quang không thể kéo dài)

5.2.4 Máy quét điện tử (Pushbroom Scanner)

ĐN: Máy không có gương quét cơ học, nhưng cho phép tạo dòng ảnh đồng thời dựa trên mảng

tuyến tính của tách sóng bán dẫn

Cấu tạo: Nhờ thấu kính quang, dòng ảnh được tách đồng thời vuông góc với hướng bay

CCD (Charge Couple Devices) được sử dụng phổ biến cho bộ cảm mảng tuyến tính

SPOT: HRV (High Resolution Visible imaging system)

MOS-1: MESSER

Ưu điểm: ổn định cơ học cao

Nhược: nhiễu trên một số dòng (do khác biệt giữa các bộ tách sóng)

5.3 VẬT MANG (PLATFORMS)

5.3.1 Phân loại (Types of Platforms)

Vệ tinh địa tĩnh Cao độ: 36.000Km Vệ tinh quỹ đạo tròn 500Km - 1.000Km

Cao độ của Platforms xác định độ phân giải của mặt đất nếu IFOV (instantaneous field of view)

của bộ cảm biến là constant

5.3.2 Vị thế của Platforms (Attitude of Platforms)

Môi trường xung quanh ⇒ Mất ổn định: góc quay quanh 3 trục & dao động ngẫu nhiên

Biết vị thế chính xác (thông số mô tả vị thế) ⇒ Hiệu chỉnh hình học chính xác dữ liệu thu được(Tốc độ & cao đô kế, Radar Doppler, Xác định đường chân trời, Camera vô tuyến, Nhật ký bay

5.3.3 Các phần tử quỹ đạo của vệ tinh (Orbital Elements of Satellite)

Vệ tinh chuyển động theo định luật Kepler ⇒ 6 phần tử cơ bản

Kích thước & hình dạng: A & e; Mặt phẳng: i & h; Vị trí bán trục lớn: g; Vị trí vệ tinh: V

5.3.4 Quỹ đạo của vệ tinh (Orbit of Satellite)

Chuyển động Vệ tinh ⇒ Kích thước & hình dạng; góc nghiêng; chu kỳ & tần xuất lặp

Quỹ đạo đồng bộ trái đất (Geosynchronous orbit): cùng vận tốc gốc với TĐ (24h # 86164,1”)

Nếu góc nghiêng = 0 ⇒ Quỹ đạo địa tĩnh (Geostationary orbit): Meteorological & Communication S.

Quỹ đạo đồng bộ mặt trời (Sun synchronous orbit): mặt phẳng quỹ đạo quay theo chiếu sáng của MT/year

Vệ tinh tài nguyên (Landsat ) sử dụng phổ biến vì điều kiện chiếu sáng ổn định

Quỹ đạo có chu kỳ lặp (Semi-recurrent orbit): Vệ tinh trở lại điểm Nadir trong ngày hoặc sau nhiều ngày

5.4 CÁC VỆ TINH VIỄN THÁM

(REMOTE SENSING SATELLITES)

5.4.1 Khái niệm

Các vệ tinh này được phân biệt bởi các đặc trưng về độ cao, quỹ đạo và bộ cảm biến được sử dụng Vệ tinh viễn thám có thể được chia thành các nhóm chính sau:

Vệ tinh khí tượng địa tĩnh: GMS (Geosynchronous Meteorological Satellite) 36.000km

Vệ tinh khí tượng quỹ đạo cực: NOAA (quan sát khí tượng &ø giám sát thực phủ) 850km

Vệ tinh tài nguyên: Landsat - 705km, SPOT - 832km… (quan sát tài nguyên mặt đất) Các hệ thống thiết bị chính của vệ tinh viễn thám bao gồm:

Kiểm tra theo dõi tuyến bay TACS (Tracking And Control System)

Hệ thống kiểm tra hoạt động của vệ tinh (Operation Control System)

Hệ thống thu nhận số liệu (Data Acquisition System)

5.4.2 Vệ tinh Landsat

Vệ tinh Landsat là vệ tinh viễn thám đầu tiên được phóng lên quỹ đạo năm 1972 Cho đến nay đã có 7 thế hệ vệ tinh Landsat đã được phóng lên quỹ đạo và dữ liệu được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới được cung cấp từ 15 trạm thu phục vụ quản lý tài nguyên và giám sát môi trường Riêng vệ tinh Landsat 7 phóng vào 15/04/99 mang bộ cảm ETM+ cung cấp kênh hồng ngoại nhiệt (band 6) với độ phân giải 60m, và thêm kênh ảnh toàn sắc (panchromatic) 15m.

5.4.2 Vệ tinh Landsat (tt)

a Quỹ đạo vệ tinh Landsat 4, 5, 6 và 7 được đặc trưng bởi các thông số sau:

Độ cao bay: 705 km, góc nghiêng mặt phẳng quỹ đạo: 98 độ

Quỹ đạo đồng bộ mặt trời và bán lặp lại (chu kỳ lặp 16 ngày)

Thời điểm bay qua xích đạo 9:39 sáng

Bề rộng tuyến chụp: 185km

b Bộ cảm:

MSS (Multispectral Scanner) và TM (Thematic Mapper)

Cả hai bộ cảm biến này đều là máy quét quang cơ

Dữ liệu cung cấp bởi TM và MSS được chia thành các cảnh phủ một vùng trên mặt đất 185x170km được đánh số theo hệ quy chiếu toàn cầu gồm số liệu của tuyến và hàng (path, row) Các giá trị của pixel được mã 8 bit tức là cấp độ xám

ở trong khoảng 0 - 255.

5.4.2 Veä tinh Landsat (tt)

5.4.3 Vệ tinh SPOT

Vệ tinh SPOT-1 được cơ quan hàng không Pháp phóng lên quỹ đạo năm 1986, sau đó vào các năm 1990, 1993 và 1998 lần lượt các vệ tinh SPOT-2, 3 và 4

được đưa vào hoạt động Đây là loại vệ tinh có khả năng cho ảnh lập thể dựa trên nguyên lý thám sát nghiêng SPOT-5 phóng vào năm 2002 có kênh toàn sắc với độ phân giải 5m, 2,5m, các kênh đa phổ là 10m, riêng kênh hồng ngoại sóng ngắn (1,58 – 1,75 micro m) là 20m.

5.4.3 Vệ tinh SPOT (tt)

a Quỹ đạo

Độ cao bay: 832km, góc nghiêng của mặt phẳng quỹ đạo 98.7 độ

Quỹ đạo đồng bộ mặt trời và bán lặp lại (chu kỳ lặp 26 ngày)

Thời điểm vệ tinh bay qua xích đạo 10:30 sáng.

b Bộ cảm

Bộ cảm HRV (High Resolution Visible) là máy quét điện tử CCD HRV có thể thay đổi góc quan sát nhờ một gương định hướng Gương này cho phép quan sát nghiêng 27 độ nên có thể thu được ảnh lập thể Riêng SPOT-4, 5 được trang bị bộ cảm HRVIR (High Resolution Visible and Middle Infrared)

5.4.3 Veä tinh SPOT (tt)

SPOT 5 Supermode natural colour composition 2,5m

Paris Eiffel tower

WORLDVIEW 2 0,5 m

Paris

5.5 DỮ LIỆU SỬ DỤNG TRONG VIỄN THÁM 5.5.1 Dữ liệu ảnh số

Các bức ảnh có cấp độ xám hoặc màu thay đổi liên tục ví dụ như ảnh chụp thông

thường lưu trên phim hoặc giấy ảnh được gọi là ảnh tương tự

Ảnh số là một dạng dữ liệu ảnh không lưu trên giấy ảnh hoặc phim, nó được chia

thành nhiều phần tử nhỏ thường được gọi là pixel (phần tử ảnh) Mỗi pixel tương ứng với một đơn vị không gian và có giá trị nguyên hữu hạn ứng với từng cấp độ

5.5.1 Dữ liệu ảnh số (tt)

Trường nhìn không đổi (instantaneous field of view) IFOV được định nghĩa là góc

không gian tương ứng với một đơn vị chia mẫu trên mặt đất Lượng thông tin ghi

được trong IFOV tương ứng với giá trị của pixel.

Góc nhìn tối đa mà một bộ cảm có thể thu được sóng điện từ được gọi là trường

nhìn (field of view) FOV Khoảng không gian trên mặt đất do FOV tạo nên chính là

bề rộng tuyến bay.

Diện tích nhỏ nhất trên mặt đất mà bộ cảm có thể thu nhận được gọi là độ phân giải

mặt đất Đôi khi hình chiếu của một pixel lên mặt đất cũng được gọi là độ phân giải

mặt đất.

Tương quan giữa IFOV và FOV Chụp ảnh đa phổ

5.5.1 Dữ liệu ảnh số (tt)

Các khuôn dạng ảnh số lưu trong viễn thám

5.5.2 Dữ liệu mặt đất

Dữ liệu mặt đất được sử dụng cho các mục đích sau:

Thiết kế bộ cảm;

Kiểm định các thông số kỹ thuật của bộ cảm (phạm vi bước sóng tối ưu, bề rộng của kênh phổ);

Cung cấp các thông tin hổ trợ cho quá trình phân tích (thu dữ liệu mẫu)

Hiệu chỉnh hình học dữ liệu ảnh Viễn thám (điểm tọa độ và khống chế ảnh).

Những thông tin sau cần được thu thập trong khi khảo sát thực địa:

Các thông tin tổng quan cũng như chi tiết về đối tượng nghiên cứu như: chủng loại, trạng thái, tính chất phản xạ và hấp thụ phổ, hình dáng bề mặt, nhiệt độ …

Các thông tin về môi trường xung quanh, góc chiếu và độ cao mặt trời, cường độ

5.5.3 Số liệu định vị mặt đất

GPS là một kỹ thuật xác định vị trí dựa trên vệ tinh với phương pháp định vị thường được sử dụng đó là định vị tuyệt đối và định vị tương đối.

Định vị tuyệt đối là phương pháp xác định tọa độ dựa vào một bộ thu (GPS receiver nhận tín

hiệu từ ít nhất 4 vêï tinh nhìn thấy đồng thời cùng một lúc trên bầu trời) với độ chính xác xác định tọa độ khoảng 10-20m.

Định vị tương đối là phương pháp xác định tọa độ dựa trên tọa độ của điểm cho trước Trong

trường hợp này chỉ cần hai vệ tinh GPS được trông thấy trong cùng một thời điểm Độ chính xác của phương pháp này phụ thuộc vào khoảng cách từ điểm cho trước đến điểm cần đo và thường trong khoảng 2-5cm đối với vị trí và 20 đến 30cm cho độ cao.

5.5.3 Số liệu định vị mặt đất (tt)

5.5.4 Dữ liệu bản đồ

Để phục vụ cho các công tác nghiên cứu khác nhau của viễn thám (xử lý & giải

đoán ảnh…), những bản đồ địa hình và chuyên đề sau đây cần thiết phải có :

Bản đồ địa hình, trên bản đồ địa hình có thể lấy được tọa độ các điểm kiểm

tra phục vụ việc hiệu chỉnh hình học hoặc các thông số độ cao nhằm tái tạo không gian ba chiều DEM (Digital Elevation Model - mô hình độ cao số) phục vụ việc nắn ảnh hoặc nhìn 3 chiều.

Bản đồ chuyên đề như bản đồ sử dụng đất, rừng, địa chất v.v… rất cần thiết

và thích hợp cho việc nghiên cứu chuyên đề, chọn vùng mẫu và phân loại Nếu các bản đồ này được số hoá và lưu trữ trong máy tính thì có thể được sử dụng tích hợp với dữ liệu cung cấp bởi viễn thám để xây dựng cơ sở dữ liệu hệ thông tin địa lý (GIS).

Bản đồ kinh tế xã hội thể hiện các ranh giới hành chính, hệ thống giao

thông, phân bố dân số, thuế, giá đất, cũng như các chỉ số thống kê nông, công nghiệp… là những thông tin quan trọng có thể được khai thác hiệu quả trong viễn thám và GIS.

5.5.5 Dữ liệu độ cao số

5.6 GIẢI ĐOÁN ẢNH TRONG VIỄN THÁM

(IMAGE INTERPRETATION IN REMOTE SENSING)

5.6.1 Tách thông tin (Information extraction) trong ảnh viễn thám được phân chia thành 5 loại:

• Phân loại (Classification): dựa trên tính chất phổ, không gian & thời gian của đối tượng

• Phát hiện biến đổi (Change detection): tách các biến đổi dựa vào dữ liệu ảnh đa thời gian (multi-date

images)

• Tách các đại lượng vật lý (Extraction of physical quantities): nhiệt độ; trạng thái khí quyển; độ cao…

• Tách các chỉ số (Extraction of indices): tính toán các chỉ số được xác định mới (chỉ số thực vật, …)

• Xác định các đặc điểm (Identification of specific features): thiên tai; dấu hiệu tìm kiếm khảo cổ …

5.6.2 Phương pháp tách thông tin: Mắt & computer Nếu kết hợp ⇒ Man-Machine interactive system

Giải đoán bằng mắt Kết hợp tri thức & kinh nghiệm Tốn thời gian

(Image interpretation) Thông tin không gian tách hiệu quả Kết quả không đồng nhất

Có khả năng tách các đại lượng vật lý

5.6.2 Giải đoán ảnh (Image Interpretation)

Tách các thông tin định tính & định lượng (hình dạng; vị trí; chức năng; mối liên quan giữa các đối tượng…)

dựa trên tri thức & kinh nghiệm của chuyên gia

Đọc ảnh (Image reading) dựa trên khóa giải đoán (Interpretation keys): hình dạng, kích thước, màu của đối tượng

• Trắc lượng ảnh (Image measurement): đo dài, cao, vị trí, mật độ, nhiệt độ,… dựa vào dữ liệu chuẩn

• Phân tích ảnh (Image analysis): xác lập quan hệ giữa thông tin giải đoán & trạng thái hoặc hiện tượng thực

• Bản đồ chuyên đề (Thematic map - Interpretation map): thông tin sau khi tách được thể hiện trên bản đồ

5.6.3 Các yếu tố giải đoán ảnh (Image Interpretation Elements): 8 yếu tố được sử dụng phổ biến

• Kích thước (Size) kích thước của đối tượng tùy thuộc vào tỉ lệ của ảnh

• Hình dạng (Shape): có ý nghĩa quan trọng trong giải đoán Phi trường; cảng; nhà máy… xác định bởi hình dạng

• Bóng của đối tượng (Shadow): là trở ngại, nhưng cho thông tin về độ cao của đối tượng ( Tháp, nhà cao tầng…)

• Độ đậm nhạt (Tone): mỗi vật thể tương ứng với cấp độ xám nhất định (cát khô⇒ trắng; cát ướt ⇒ tối hơn …)

• Màu sắc (Color): tiện nhất cho việc xác định chi tiết các vật thể Đặc biệt khi sử dụng ảnh đa phổ tổ hợp màu

• Cấu trúc (Texture): tập hợp của nhiều mẫu nhỏ Ex.: bãi cỏ ⇒ mịn ; rừng ⇒ sần sùi (tùy thuộc độ phân giải)

• Hình mẫu (Pattern): dạng tương ứng với vật thể phân bố theo qui luật Ex.: dẫy nhà; ruộng lúa; giao lộ;

• Mối liên quan (Associated relationships): sự phối hợp tất cả các yếu tố, đặc trưng địa lý, các đặc trưng xung quanh đối tượng nghiên cứu ⇒ thông tin giải đoán quan trọng