Cơ sở viễn thám-Chương 3 doc

Phân tử AgCl bị lộ sáng Phân tử AgCl không bị lộ sángPhân tử Ag Lớp nhũ t†ơng có chứa AgCl Đế phim hoặc giấy ảnh A Các tia sáng tới Hình 3.2: Cấu tạo phim ảnh đen trắng A, quá trình lộ

Chtơng 3

Đặc điểm các loại t| liệu Viễn thám v~ các ph|ơng pháp thu nhận t| liệu viễn thám

Trong viễn thám có hai dạng t† liệu cơ bản lμ t† liệu ảnh (ảnh photograph, ảnh

image) vμ t † liệu số (digital data: băng từ, đĩa từ ) Phần nμy sẽ giới thiệu chung về

động của các photon ánh sáng lμm cho các nguyên tử bạc đ†ợc giải phóng khỏi phân

tử muối halogen (hình 3.1 ; 3.2)

Halogen bạc

Thể nhx t‡ơng (emulson)

Nền (polyester) Bồi

Hạt halogen bạc

Gelatin

Thể nhũ t‡ơng (emulson)Nền giấy

Lớp phủ Gelatin

Hình 3.1: Sơ đồ cấu tạo của phim ( a ) vμ giấy ảnh đen trắng (b)

Phân tử AgCl bị lộ sáng Phân tử AgCl không bị lộ sáng

Phân tử Ag Lớp nhũ t†ơng có chứa AgCl

Đế phim hoặc giấy ảnh

A

Các tia sáng tới

Hình 3.2: Cấu tạo phim ảnh đen trắng (A), quá trình lộ sáng (B)

vμ tráng phim đen trắng (C)

Khi tráng phim, các nguyên tử bạc đ†ợc giải phóng sẽ liên kết để tạo thμnh lớp phân tử bạc bền vững mờ đục, không cho ánh sáng truyền qua vμ bám vμo đế phim, ng†ời ta gọi đó lμ quá trình hình thμnh hình ảnh (latent image) Khi rửa phim sự t†ơng tác đó đ†ợc ng†ng tụ nhờ dung dịch hóa chất vμ những chỗ mμ nhũ t†ơng còn ch†a bị ánh sáng tác động vμo sẽ đ†ợc rửa trôi đi vμ chỉ còn lại đế phim trong suốt Nh† vậy khu vực nμo bị tác động ánh sáng sẽ có mμu đen trên phim âm bản, phần còn lại sẽ trong suốt

Phim âm bản có hình ảnh ng†ợc lại với thực tế Quá trình in ảnh hoặc tạo phim d†ơng bản lμ quá trình rọi sáng ng†ợc trở lại với việc dùng phim âm bản lμm tấm lọc sáng để tạo nên một d†ơng bản có đặc điểm độ sáng giống nh† điều kiện thực tế ban đầu

Trên phim, phần đ†ợc chiếu sáng 100% sẽ trở nên đen vμ phần bị che kín hoặc không đ†ợc chiếu sáng 100% sẽ có mμu trắng Độ tối sáng của hình ảnh phụ thuộc vμo số l†ợng hạt nhũ t†ơng bị tác động ánh sáng để giải phóng bạc Mỗi hạt có kích th†ớc rất nhỏ Nếu khối l†ợng khoảng 1Pm3 thì đã chứa tới 1010 nguyên tử bạc Nh†vậy nếu với diện tích 6,5cm2 bề mặt phim sẽ có khoảng 150 triệu hạt (trong khi đó với băng từ thì chỉ có 3.200 phần tử có từ để thu tín hiệu) Với cấu tạo nh† vậy, phim

ảnh sẽ có độ phân giải cao vμ có khả năng nhạy cảm với toμn bộ dải nhìn thấy vμ phần hồng ngoại phản xạ (0,38 - 0,9Pm) Phim ảnh có thể thu nhận tín hiệu ảnh sáng trong những điều kiện chiếu sáng vμ điều kiện khí quyển khác nhau

3.1.2 Phim ảnh mu v khoa học về mu

3.1.2.1 Các mu cơ bản, các filter (các lọc mu) v tam giác mu

Mắt con ng†ời có thể phân biệt nhiều mức mμu sắc hơn lμ các mức độ sáng

Khoa học về mμu chia các mμu cơ bản thμnh 2 nhóm: các mμu cộng (d †ơng) cơ bản vμ

các mμu trừ (âm) cơ bản Đặc điểm các mμu đó đ†ợc thể hiện trong khái niệm về tam giác mμu.

x Filter mμu: lμ các tấm lọc trong suốt đối với 1(hoặc 2) tia sáng đơn sắc,

nghĩa lμ chỉ cho một( hoặc 2 ) tia đơn sắc nhất định đi qua vμ không cho các tia sáng khác đi qua Trong thực tế có nhiều loại filter khác nhau: blue, green, red, cực tím, yellow

x Các mμu d †ơng-hay mμu cộng( additive colour ) lμ: Blue ( lơ )+ Green (

lục )+ Red ( đỏ ) khi kết hợp sẽ cho mμu White ( trắng)

x Cácmμu âm- hay mμu trừ(substractive colour ) lμ: Yellow (vμng) + Cyan

(chμm) + Magenta (đỏ da cam), khi kết hợp sẽ cho mμu Black (đen)

a Tổ hợp các mμu dơng b Tổ hợp các mμu âm

Hình 3.3: Kết hợp của các tia đơn sắc chính d‡ơng (+) vμ âm (-).

x Tam giác mμu: lμ tam giác đều có cấu tạo nh† sau (hình 3.4)

- Đỉnh tam giác lμ các mμu d†ơng (cộng cơ bản):

- Cạnh tam giác lμ các mμu âm (trừ):

Nguyên tắc hoạt động của các filter trong tam giác mμu:

- Các fitter mμu âm hấp thụ 1 mμu d †ơng ở đỉnh đối diện của tam giác vμ cho truyền qua 2 mμu d †ơng ở hai cạnh tam giác.

Ví dụ: filter mμu vμng (Yellow) hấp thụ ánh sáng xanh lơ (blue) vμ cho các tia

mμu đỏ (Red) vμ lục (Green) đi qua

- Ng †ợc lại các fitter mμu d†ơng lại hấp thụ 2mμu âm ở hai cạnh bên vμ cho qua 1mμu âm ở cạnh đối diện

Ví dụ: fitter mμu xanh lơ (Blue) thì hấp thụ hai mμu đỏ da cam (Magenta) vμ

chμm (Cyan), cho mμu vμng (Yellow )đi qua

Nguyên tắc trên đ†ợc áp dụng để chế tạo các tấm lọc fitter trong kỹ thuật chụp

ảnh hoặc trong kỹ thuật về mμu sắc

Hình 3.4: Tam giác mμu với các mμu cộng vμ các mμu trừ

bầu trời luôn có mμu xanh blue (xanh da trời) Kết quả sau khi lộ sáng vμ định hình,

phim âm bản xuất hiện các mμu âm Khi in ảnh mμu, quá trình lộ sáng theo cơ chế ng†ợc lại lμ nhạy cảm với các tia mμu âm vμ nhuộm mμu d†ơng giống nh† mμu ban

đầu của đối t†ợng tự nhiên (hình 3.6)

Lớp nhạy cảm mμu xanh lam tạo lớp nhuộm mμu vμng Lọc mμu xanh lam

Lớp nhạy mμu mμu lục tạo mμu magenta Lớp nhạy mμu đỏ tạo lớp nhuộm mμu cyan

Nền

Lớp đáy a) Mặt cắt chung

Lớp nhuộm vμng kiểm soát ánh sáng mμu xanh lam

Lớp nhuộm magenta kiểm soát mμu lục

Lớp nhuộm mμu cyan kiểm soát mμu đỏ

Xanh lam Xanhlục Đỏ

b) Độ nhạy phổ của các lớp phim mμu

Hình 3.5: Cấu trúc của phim hoặc ảnh mμu vμ cơ chế tạo mμu của các lớp nhũ t‡ơng

Đối t†ợng

ánh sáng Đỏ Lục Lam Trắng Đen Nhuộm mμu Nhạy cảm phổ

phim âm bản (sau khi

3.1.3 Phim mu hồng ngoại

Trên nguyên tắc nhạy cảm phổ ng†ời ta chế tạo ra loại nhũ t†ơng có nhạy cảm với phổ hồng ngoại, loại phim nμy tr†ớc đây đ†ợc dùng để phát hiện sự ngụy trang trong quân sự Hiện nay đ†ợc dùng rộng rãi cho nhiều mục đích khác nhau

Về nguyên tắc, phim hồng ngoại vẫn có 3 lớp song khả năng nhạy cảm lại chuyển về phía hồng ngoại cụ thể lμ (hình 3.7):

Lớp nhạy phổ hồng ngoại gần (vμ xanh lam -blue) (tạo lớp nhuộm mμu xanh chμm (cyan)

Lớp nhạy mμu lục (vμ blue) (tạo lớp nhuộm mμu vμng) Lớp nhạy mμu đỏ (vμ xanh lam) tạo lớp nhuộm mμu

đỏ t†ơi magenta Nền

Lớp đáy

Xanh lam

(blue)

Xanh lục (green)

Hình 3.7: Cấu trúc độ nhậy của phim hồng ngoại: (a)- mặt cắt;

(b) - độ nhậy của 3 lớp mμu (theo Lillesand, Thomas M vμ Ralph W Kiefer, 2000)

- Lớp tạo mμu Yellow: nhạy cảm với ánh sáng Green

- Lớp tạo mμu Magenta: nhạy cảm với ánh sáng Red

- Lớp tạo mμu Cyan: nhạy cảm với ánh sáng hồng ngoại gần (NIR)

Cả 3 lớp nhũ t†ơng đều nhạy cảm với ánh sáng Blue vμ đ†ợc loại ra bằng cách đặt một fitter phía trên ống kính Hiện nay, phim hồng ngoại có phủ thêm một lớp mμu vμng trong suốt thay thế cho filter

Cần l†u ý rằng khái niệm hồng ngoại không nói lên sự nóng mμ chỉ nói lên dải hồng ngoại phản xạ dùng để chụp ảnh Đặc điểm mμu của các đối t†ợng thay đổi khác nhau giữa phim mμu ảnh th†ờng vμ phim mμu hồng ngoại (bảng 3.1)

Bảng 3.1: Đặc điểm mμu của đối t‡ợng trên phim mμu thông th‡ờng vμ hồng ngoại

th†ờng

Trên phim mμu hồng

ngoạiThực vật khỏe:

Xanh lục Xanh vμng - vμng

Hồng đến xanh lơ

Xanh chμm Vμng đến trắng

Xanh xẫm - đen

Xanh lơ sáng

Rất rõ Ngoμi phim mμu hồng ngoại, còn có phim cực tím, chụp tia X, đ†ợc sử dụng trong y học còn việc ghi hình ảnh ở vùng hồng ngoại nhiệt đ†ợc thực hiện theo ph†ơng pháp quét để tạo hình ảnh vμ các loại ảnh nμy sẽ đ†ợc đề cập ở phần sau

3.2 ảnh số, cấu trúc vμ ph‡ơng pháp l‡u trữ dữ liệu viẽn thám trong

ảnh số

3.2.1 Cấu trúc hình ảnh quét (Image - ảnh số)

- Hình ảnh số lμ một ma trận không gian của tập hợp các pixel (Picture

element) sắp xếp theo hμng vμ cột Vị trí của mỗi pixel đ†ợc xác định theo tọa độ hμng vμ cột trên ảnh tính từ góc trên cùng bên trái Tùy theo hệ thống quét ảnh mμ kích th†ớc của hình ảnh (diện tích quét trên mặt đất) Ví dụ với hệ thống Landsat MSS lμ 185 x 185km, với hệ thống SPOT lμ 65 x 65km, ảnh NOAA lμ 2400 x 2400km…

- Phần tử ảnh (picture element) lμ một đơn vị nhỏ nhất về không gian trên một file ảnh vμ nó chính lμ pixel ảnh hay một ô đơn vị trong ma trận ô vuông Vị trí

của đơn vị ảnh lμ vị trí dòng vμ cột Vị trí thật của đơn vị ảnh sẽ đ†ợc tham chiếu với một hệ tọa độ đ†ợc dùng nh† hệ tọa độ địa lý, UTM, Gauss, mặt phẳng nhμ n†ớc (State plane) Thông số của mỗi pixel trên ảnh lμ : hμng (row), cột ( colum )

vμ giá trị số DN ( digital Number ) Mỗi pixel có 3 giá trị: X, Y vμ Z Trong đó X, Y

lμ tọa độ hμng cột vμ Z lμ giá trị độ sáng (DN )của hình ảnh vμ giá trị nμy liên quan

đến tính chất phổ của các đối t†ợng, giá trị Z th†ờng đ†ợc chuyển thμnh giá trị số của nhiều (0 vμ 1) Độ sáng của hình ảnh đ†ợc ghi ở 8 bit ( 28 = 256) với 256 cấp

độ: 0 lμ đen vμ 255 lμ trắng

Kích th†ớc của mỗi pixel đ†ợc xác định bởi góc nhìn tức thời (IFOV) của hệ thống quét Còn kích th†ớc của cả ảnh đ†ợc xác định bởi tr†ờng nhìn (hay góc quét)của hệ thống (FOV) Kích th†ớc trên mặt đất của mỗi pixel đ†ợc quan niệm lμ

độ phân giải không gian của hình ảnh số

Ví dụ : hình ảnh của Landsat MSS (Multispectrial Scanner Satellite) với 4 band phổ có 2.340 đ†ờng quét (với mỗi đ†ờng rộng 79m) vμ 3.240 cột (mỗi cột rộng 57m) (hình 3.9)

L†ợng pixel trong một ảnh đ†ợc tính bằng (số hμng)x (số cột) x (số band

phổ), đây lμ một con số rất lớn (hình 3.8)

Kích th†ớc của 1 pixel lμ 57 x 79m song ng†ời ta tính t†ơng đối cho độ phân giải không gian lμ 79 x 79m Tổng số pixel trong 1 band của 1 hình ảnh (1 ảnh) lμ:

2340 x 3240 = 7.58160.000 | 7,6.106

pixel

Độ sáng của các pixel đ†ợc ghi ở 4 band phổ có khác nhau: band 4, 5, 6 ghi ở tỉ

lệ 7 bít (0 - 127 hay 128 mức), band 7 ghi ở tỉ lệ 6 bít (0 - 63 hay 64 cấp)

Hình 3.9: Cấu trúc ảnh Landsat MSS (A) vμ Landsat TM (B)

Để tiện xử lý trong máy tính ng†ời ta chuyển thμnh tỉ lệ 8 bít hoặc số thực Với

4 band, số pixel lμ 7,6 x 106 x 4 | 30 x106 pixel Đối với từng loại hệ thống thu ảnh khác nhau thì số l†ợng các pixel trong ảnh cũng khác nhau, liên quan đến kích th†ớc

ảnh, số band phổ, kích th†ớc pixel ảnh (độ phân giải không gian) tức lμ liên quan

đến số hμng, số cột

Hình ảnh của đối t†ợng không gian có thể đ†ợc ghi nhận trên nhiều kênh phổ khác nhau Mỗi một kênh cho ra giá trị phổ d†ới dạng số riêng về cùng một đối t†ợng đ†ợc ghi Quá trình chuyển đổi sóng điện từ sang tín hiệu điện vμ l†u trữ trên băng từ đ†ợc thực hiện trực tiếp trên vệ tinh hoặc truyền tải trực tiếp xuống các trạm thu vệ tinh mặt đất Dữ liệu ảnh số đ†ợc l†u trữ trên băng từ t†ơng thích cho máy

tính CCT (Computer Compatible Tape) hoặc trên CD-ROM d†ới khuôn dạng của

các tệp ảnh số mμ máy tính có thể đọc đ†ợc Thông th†ờng dữ liệu trên băng từ ghi nhận về một vùng chụp bao gồm 3 tệp thông tin chính sau:

1 Tệp đầu ghi nhận thông tin chú giải về dữ liệu còn gọi lμ tệp header, ví dụ

thông tin về band phổ, độ phân giải, giờ, ngμy tháng thu ảnh

2 Tệp thứ hai ghi nhận thông tin về chú giải nh† nắn chỉnh phổ hoặc nắn chỉnh hình học, cấu trúc của tệp (cách l†u trữ )

3 Tệp chính có độ lớn nhất gọi lμ tệp dữ liệu

3.2.2 Ph‡ơng thức l‡u trữ tệp ảnh số

Dữ liệu ảnh số cấu thμnh từ 3 tệp nμy thông th†ờng đ†ợc l†u trữ theo các cấu trúc khác nhau lμ: BSQ, BIL hoặc BIP (hình 3.10)

Cấu trúc dữ liệu theo BIL (band interleaved by lines)

Cấu trúc BIL lμ cấu trúc dữ liệu đ†ợc l†u trữ tất cả các băng theo thứ tự dòng không phụ thuộc vμo số kênh Giá trị số của tất cả các kênh sẽ lần l†ợt ghi nhận theo thứ tự từ dòng một cho đến hết Ghi nhận theo kiểu BIL sẽ cho ra một tệp dữ liệu chung cho tất cả các kênh ảnh

Cấu trúc dữ liệu kiểu BSQ (band sequential )

Trong cấu trúc dữ liệu kiểu nμy tất cả dữ liệu thuộc một kênh ảnh đ†ợc l†u trữ riêng thμnh một tệp Nếu nh† ảnh số về một khu vực nμo đó bao gồm nhiều kênh thì

sẽ có bấy nhiêu tệp về dữ liệu Ví dụ, ảnh SPOT có ba kênh thì cần có 3 tệp riêng để l†u trữ

đ†ờng quét 1

đ†ờng quét m

đ†ờng quét m

Hình 3.10: Sơ đồ cấu trúc dữ liệu kiểu BSQ, BIl vμ BIP

Cấu trúc dữ liệu kiểu BIP ( band inteleaved by pixel)

Trong cấu trúc nμy, ghi nhận theo kiểu pixel 1, line1, kênh1, pixel 1 line 1 kênh 2, pixel 1 line 1 kênh 3

Một số lu ý về khuôn dạng ảnh t liệu viễn thám nh sau:

Đối với sản phẩm ảnh ra, th†ờng lμ đ†ợc l†u trữ dạng BSQ vì có 3 band: R

(red- đỏ),G ( Green-lục ), B(Blue-lam)

Trong các t† liệu viễn thám th†ờng có thêm các thông tin về cấu trúc dữ liệu, các thông số của vệ tinh, thông số của khí quyển vμ điều kiện chiếu sáng file l†ucác thông tin nμy gọi lμ phần đầu của t† liệu (header) , hoặc có thể ghi thμnh file riêng gọi lμ file trợ giúp (Auxilary Data )

Kể từ năm 1982, hình ảnh do vệ tinh thu th†ờng đ†ợc l†u trong một khuôn

dạng chuẩn gọi lμ khuôn dạng chuẩnthế giới (World Standard Format-WSF), hay LTWG (Specified by Landsat Technical Working Group).

Mặt khác, hai khuôn dạng dữ liệu lμ BIL vμ BSQ cũng đ†ợc chọn lμ hai khuôn dạng trong số những khuôn dạng chuẩn thế giới

Hiện nay, một số vệ tinh của các n†ớc khác lại ghi dữ liệu ở những khuôn dạng riêng của từng hệ thống, vì vậy, các phần mềm xử lý ảnh cũng luôn có sự bổ sung để

vμ đặc điểm của hình ảnh hoμn toμn khác nhau

3.3.1 Chụp ảnh theo nguyên tắc khung (Framming)

Sử dụng máy ảnh vμ phim ảnh để tạo hình ảnh của đối t†ợng d†ới mặt đất Thông th†ờng ng†ời ta áp dụng ph†ơng pháp nμy cho việc chụp ảnh máy bay song cũng có thể chụp từ về tinh hoặc tμu vũ trụ Chụp theo nguyên tắc khung, về ý nghĩa

lμ chụp một khung lên địa hình để ghi nhận hình ảnh trong thời gian mở ống kính của máy chụp ảnh

ảnh đ†ợc chụp đồng thời trong thời điểm mở cửa ống kính máy ảnh, diện tích mặt đất đ†ợc chụp phụ thuộc vμo ống kính của máy ảnh Những đặc điểm cơ bản của ảnh chụp theo nguyên tắc khung lμ: độ phân giải, tỉ lệ ảnh vμ độ lệch của địa hình lμ những đặc điểm cần quan tâm

Thông th†ờng cách chụp ảnh có hai kiểu: chụp đứng vμ xiên Chụp đứng khi máy ảnh có trục của máy nằm theo ph†ơng thẳng đứng Tuy nhiên chụp thẳng đứng tuyệt đối th†ờng không đạt đ†ợc vμ bao giờ cũng có độ lệch nhất định, độ lệch đó

từ 1-3 độ Khi trục của máy ảnh nằm xiên thì ảnh thu đ†ợc gọi lμ ảnh chụp nghiêng Nếu trên ảnh xuất hiện đ†ờng chân trời thì lúc đó, độ nghiêng của máy ảnh lμ quá lớn

3.3.1.1 Nguyên lý chụp ảnh ngyên tắc khung

Nguyên lý hoạt động cơ bản của máy ảnh đ†ợc tuân thủ theo hoạt động của một thấu kính lồi Hình ảnh của một vật đ†ợc ánh sáng ghi nhận vμ truyền qua thấu kính lồi in lại trên một mặt phẳng nằm sau thấu kính Trên mặt phẳng nμy đ†ợc bố trí cho phim chạy qua Sơ đồ của một máy ảnh đơn giản nhất đ†ợc minh họa trên hình 3.11

Máy ảnh sử dụng cho chụp ảnh khung lμ thiết bị quang học chính xác Hợp phần chính của nó bao gồm một thấu kính lồi vμ phim ghi nhận hình ảnh đặt đằng sau thấu kính Máy ảnh đ†ợc chia ra lμm 4 loại chính:

- Máy ảnh khung đơn thông dụng

- Hai máy chụp ảnh toμn cảnh

- Ba máy chụp ảnh theo đ†ờng

Máy ảnh loại nμy lμ máy ảnh sử dụng rộng rãi trong viến thám Hợp phần của máy ảnh bao gồm thấu kính lồi, ngăn để phim, vμ thiết bị hình nón Ngăn để phim - gọi lμ magazine, có chức năng giữ phim vμ cấu thμnh từ hai bộ phận trải vμ cuộn phim

- Bốn máy chụp đa kênh

3.3.1.2 Các loại máy ảnh chính dùng trong chụp ảnh khung

x Máy ảnh khung đơn phổ thông (hình 3.11)

Máy có thấu kính lồi đặt cách phim một khoảng nhất định Máy ảnh th†ờng có hai loại

- Loại dùng để lập bản đồ có chất l†ợng cao

- Loại máy chụp ở mức độ không chi tiết chủ yếu chỉ để nhận biết đối t†ợng

H†ớng bay Vùng chụp

H†ớng bay

Hệ g†ơng quay

Phim tịnh tiến sau mỗi lần thấu kính quay

Hình 3.12: Nguyên lý họat động của máy ảnh toμn cảnh

(Theo Lllesand vμ Kiefer, 1987)

x Máy ảnh chụp toμn cảnh:

Lμ loại máy ảnh sử dụng để chụp có hình ảnh khái quát về một vùng rộng lớn Trong quá trình chụp, máy có sự quay đồng thời ống kính trong quá trình chụp (hình 3.12)

Điểm tiêu cự lồi Thấu kính lồi

Tiêu cự tới

Mặt đất

Hình 3.11: Sơ đồ máy ảnh phổ thông khung đơn