Phần 1 của giáo trình Cơ sở viễn thám (Ngành Trắc địa) cung cấp cho học viên những nội dung về: tổng quan kỹ thuật viễn thám; bộ cảm và phân loại bộ cảm; một số vệ tinh viễn thám; truyền và thu số liệu vệ tinh; lý thuyết phản xạ phổ của đối tượng tự nhiên;... Mời các bạn cùng tham khảo!
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH Chủ biên Th.s Ngơ Thị Hài GIÁO TRÌNH CƠ SỞ VIỄN THÁM DÙNG CHO SINH VIÊN ĐẠI HỌC TRẮC ĐỊA (LƯU HÀNH NỘI BỘ) Năm 2018 Chương TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT VIỄN THÁM Nội dung chương trình bày kiến thức viễn thám, xạ điện từ, hệ thống phân loại ảnh viễn thám, phân loại cảm Các tư liệu sử dụng viễn thám số hệ thống vệ tinh viễn thám Mục đích chương giúp cho người đọc tiếp cận sở khoa học viễn thám, trình hình thành phát triển viễn thám Các hệ thống vệ tinh khả ứng dụng tư liệu vệ tinh nghiên cứu tài nguyên môi trường 1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA VIỄN THÁM Viễn thám khoa học, thực phát triển mạnh mẽ qua ba thập kỷ gần đây, mà công nghệ vũ trụ cho ảnh số, bắt đầu thu nhận từ vệ tinh quĩ đạo trái đất vào năm 1960 Tuy nhiên, viễn thám có lịch sử phát triển lâu đời, bắt đầu việc chụp ảnh sử dụng phim giấy ảnh Từ thể kỷ XIX, vào năm 1839, Louis Daguerre (1789 - 1881) đưa báo cáo công trình nghiên cứu hóa ảnh, khởi đầu cho ngành chụp ảnh Bức ảnh đầu tiên, chụp bề mặt trái đất từ khinh khí cầu, thực vào năm 1858 Gaspard Felix Tournachon - nhà nhiếp ảnh người Pháp Tác giả sử dụng khinh khí cầu để đạt tới độ cao 80m, chụp ảnh vùng Bievre, Pháp Một ảnh chụp bề mặt trái đất từ khinh khí cầu ảnh vùng Bostom tác giả James Wallace Black, 1860 Việc đời ngành hàng không thúc đẩy nhanh phát triển mạnh mẽ ngành chụp ảnh sử dụng máy ảnh quang học với phim giấy ảnh, nguyên liệu nhạy cảm với ánh sáng (photo) Công nghệ chụp ảnh từ máy bay tạo điều kiện cho nghiên cứu mặt đất ảnh chụp chồng phủ cho khả nhìn ảnh (stereo) Khả giúp cho việc chỉnh lý, đo đạc ảnh, tách lọc thơng tin từ ảnh có hiệu cao Một ngành chụp ảnh, thực phương tiện hàng khơng máy bay, khinh khí cầu tàu lượn phương tiện không khác, gọi ngành chụp ảnh hàng không Các ảnh thu từ ngành chụp ảnh hàng không gọi không ảnh Bức ảnh chụp từ máy bay, thực vào năm 1910, Wilbur Wright, nhà nhiếp ảnh người Ý, việc thu nhận ảnh di động vùng gần Centoceli thuộc nước Ý (bảng 1-1) Chiến tranh giới thứ (1914 - 1918) đánh dấu giai đoạn khởi đầu công nghệ chụp ảnh từ máy bay cho mục đích qn Cơng nghệ chụp ảnh từ máy bay kéo theo nhiều người hoạt động lĩnh vực này, đặc biệt việc làm ảnh đo đạc ảnh Những năm sau đó, thiết kế khác loại máy chụp ảnh phát triển mạnh mẽ Đồng thời, nghệ thuật giải đốn khơng ảnh đo đạc từ ảnh phát triển mạnh, sở hình thành ngành khoa học đo đạc ảnh (photogrametry) Đây ngành ứng dụng thực tế việc đo đạc xác đối tượng từ liệu ảnh chụp Yêu cầu địi hỏi việc phát triển thiết bị xác cao, đáp ứng cho việc phân tích khơng ảnh Trong chiến tranh giới thứ hai (1939 - 1945) khơng ảnh dùng chủ yếu cho mục đích quân Trong thời kỳ này, việc phát triển cơng nghệ radar, cịn đánh dấu phát triển ảnh chụp sử dụng phổ hồng ngoại Các ảnh thu từ nguồn lượng nhân tạo radar, sử dụng rộng rãi quân Các ảnh chụp với kênh phổ hồng ngoại cho khả triết lọc thông tin nhiều Ảnh mầu, chụp máy ảnh, dùng chiến tranh giới thứ hai Việc chạy đua vào vũ trụ Liên Xô cũ Hoa Kỳ thúc đẩy việc nghiên cứu trái đất viễn thám với phương tiện kỹ thuật đại Các trung tâm nghiên cứu mặt đất đời, quan vũ trụ châu Âu ESA (Aeropian Remote sensing Agency), Chương trình Vũ trụ NASA (Nationmal Aeromautics and Space Administration) Mỹ Ngoài thống kê trên, kể đến chương trình nghiên cứu trái đất viễn thám nước Canada, Nhật, Pháp, Ấn Độ Trung Quốc Bức ảnh đầu tiên, chụp trái đất từ vũ trụ, cung cấp từ tàu Explorer-6 vào năm 1959 Tiếp theo chương trình vũ trụ Mercury (1960), cho sản phẩm ảnh chụp từ quỹ đạo trái đất có chất lượng cao, ảnh màu có kích thước 70mm, chụp từ máy tự động Vệ tinh khí tượng (TIR0S-1), phóng lên quĩ đạo trái đất vào tháng năm 1960, mở đầu cho việc quan sát dự báo khí tượng Vệ tinh khí tượng NOAA, hoạt động từ sau năm 1972, cho liệu ảnh có độ phân giải thời gian cao nhất, đánh dấu cho việc nghiên cứu khí tượng trái đất từ vũ trụ cách tổng thể cập nhật ngày Bảng 1-1 Tóm tắt phát triển viễn thám qua kiện Thời gian (Năm) 1800 1839 1847 1850-1860 1873 1909 1910-1920 1920-1930 1930-1940 1940 1950 1950-1960 12-4-1961 1960-1970 1972 1970-1980 1980-1990 1986 1990 đến Sự kiện Phát tia hồng ngoại Bắt đầu phát minh kỹ thuật chụp ảnh đen trắng Phát dải phổ hồng ngoại phổ nhìn thấy Chụp ảnh từ khinh khí cầu Xây dựng học thuyết phổ điện từ Chụp ảnh từ máy bay Giải đốn từ khơng trung Phát triển ngành chụp đo ảnh hàng không Phát triển kỹ thuật radar (Đức, Mỹ, Anh) Phân tích ứng dụng ảnh chụp từ máy bay Xác định dải phổ từ vùng nhìn thấy đến khơng nhìn thấy Nghiên cứu sâu ảnh cho mục đích qn Liên xơ phóng tàu vũ trụ có người lái chụp ảnh trái đất từ vũ trụ Lần sử dụng thuật ngữ viễn thám Mỹ phóng vệ tinh Landsat-1 Phát triển mạnh mẽ phương pháp xử lý ảnh số Mỹ phát triển hệ vệ tinh Landsat Pháp phóng vệ tinh SPOT vào quĩ đạo Phát triển cảm thu đa phổ, tăng dải phổ kênh phổ, tăng độ phân giải bộ cảm Phát triển nhiều kỹ thuật xử lý Sự phát triển viễn thám, liền với phát triển công nghệ nghiên cứu vũ trụ, phục vụ cho nghiên cứu trái đất hành tinh khí Các ảnh chụp (stereo), thực theo phương đứng xiên, cung cấp từ vệ tinh Gemini (1965), thể ưu công việc nghiên cứu trái đất Tiếp theo, tầu Apolo cho sản phẩm ảnh chụp đa phổ, có kích thước ảnh 70mm, chụp trái đất, cho thông tin vô hữu ích nghiên cứu mặt đất Ngành hàng không vũ trụ Nga đóng vai trị tiên phong nghiên cứu Trái Đất từ vũ trụ Việc nghiên cứu trái đất thực tàu vũ trụ có người Soyuz, tàu Meteor Cosmos (từ năm 1961), trạm chào mừng Salyut Sản phẩm thu ảnh chụp thiết bị quét đa phổ phân giải cao, MSU-E (trên Meteor - priroda) Các ảnh chụp từ vệ tinh Cosmos có dải phổ nằm kênh khác nhau, với kích thước ảnh 18 x 18cm Ngồi ra, ảnh chụp từ thiết bị chụp KATE-140, MKF-6M trạm quỹ đạo Salyut, cho kênh ảnh thuộc dải phổ 0.40 đến 0.89μm Độ phân giải mặt đất tâm ảnh đạt 20 x 20m Tiếp theo vệ tinh nghiên cứu trái đất ERTS(sau đổi tên Landsat-1), vệ tinh hệ Landsat-2, Landsat-3, Landsat-4 Landsat-5 Ngay từ đầu, ERTS-1 mang theo cảm quét đa phổ MSS với bốn kênh phổ khác nhau, cảm RBV (Return Beam Vidicon) với ba kênh phổ khác Ngoài vệ tinh Landsat-2, Landsat-3, cịn có vệ tinh khác SKYLAB (1973) HCMM (1978) Từ 1982, ảnh chuyên đề thực vệ tinh Landsat TM-4 Landsat TM-5 với kênh phổ từ dải sóng nhìn thấy đến hồng ngoại nhiệt Điều tạo nên ưu nghiên cứu trái đất từ nhiều dải phổ khác Ngày nay, ảnh vệ tinh chuyên đề từ Landsat-7 phổ biến với giá rẻ ảnh vệ tinh Landsat TM-5, cho phép người sử dụng ngày có điều kiện để tiếp cận với phương pháp nghiên cứu môi trường qua liệu vệ tinh (hình 1.1) Dữ liệu ảnh vệ tinh SPOT Pháp khởi đầu từ năm 1986, trải qua hệ SPOT-1, SPOT-2, SPOT-3, SPOT-4 SPOT-5, đưa sản phẩm ảnh số thuộc hai kiểu phổ, đơn kênh (panchoromatic) với độ phân dải không gian từ 10 x 10m đến 2,5 x 2,5m, đa kênh SPOT- XS (hai kênh thuộc dải phổ nhìn thấy, kênh thuộc dải phổ hồng ngoại) với độ phân giải khơng gian 20 x 20m Đặc tính ảnh vệ tinh SPOT cho cặp ảnh phủ chồng cho phép nhìn đối tượng (stereo) khơng gian ba chiều Điều giúp cho việc nghiên cứu bề mặt trái đất đạt kết cao, việc phân tích yếu tố địa hình Các ảnh vệ tinh Nhật, MOS-1, phục vụ cho quan sát biển (Marine Observation Satellite) Công nghệ thu ảnh vệ tinh thực vệ tinh Ấn Độ IRS-1A, tạo ảnh vệ tinh LISS thuộc nhiều hệ khác Trong nghiên cứu môi trường khí hậu trái đất, ảnh vệ tinh NOAA có độ phủ lớn có lặp lại hàng ngày, cho phép nghiên cứu tượng khí hậu xảy khí nhiệt độ, áp suất nhiệt đới dự báo bão Sự phát triển lĩnh vực nghiên cứu trái đất viễn thám đẩy mạnh áp dụng tiến khoa học kỹ thuật với việc sử dụng ảnh radar Viễn thám radar tích cực, thu nhận ảnh việc phát sóng dài siêu tần thu tia phản hồi, cho phép thực nghiên cứu độc lập, khơng phụ thuộc vào mây Sóng radar có đặc tính xuyên qua mây, lớp đất mỏng thực vật nguồn sóng nhân tạo, nên có khả hoạt động ngày đêm, không phụ thuộc vào nguồn lượng mặt trời Các ảnh tạo nên hệ radar kiểu SLAR ghi nhận cảm Seasat Đặc tính sóng radar thu tia phản hồi từ nguồn phát với góc xiên đa dạng Sóng nhạy cảm với độ ghồ ghề bề mặt vật, chùm tia radar phát tới, ứng dụng cho nghiên cứu cấu trúc khu vực Cơng nghệ máy tính ngày phát triển mạnh mẽ với sản phẩm phần mềm chuyên dụng, tạo điều kiện cho phân tích ảnh vệ tinh dạng số ảnh radar Thời đại bùng nổ Internet, công nghệ tin học với kỹ thuật xử lý ảnh số, kết hợp với Hệ thông tin Địa lý (GIS), cho khả nghiên cứu trái đất viễn thám ngày thuận lợi đạt hiệu cao 1.2 KHÁI NIỆM CƠ BẢN CỦA VIỄN THÁM 1.2.1 Định nghĩa Viễn thám (Remote sensing - tiếng Anh) hiểu khoa học nghệ thuật để thu nhận thông tin đối tượng, khu vực tượng thơng qua việc phân tích tài liệu thu nhận phương tiện Những phương tiện khơng có tiếp xúc trực tiếp với đối tượng, khu vực với tượng nghiên cứu Thực cơng việc thực viễn thám - hay hiểu đơn giản: Viễn thám thăm dò từ xa đối tượng tượng mà khơng có tiếp xúc trực tiếp với đối tượng tượng Mặc dù có nhiều định nghĩa khác viễn thám, định nghĩa có nét chung, nhấn mạnh "viễn thám khoa học thu nhận từ xa thông tin đối tượng, tượng trái đất" Dưới định nghĩa viễn thám theo quan niệm tác giả khác *Viễn thám nghệ thuật, khoa học, nói nhiều vật khơng cần phải chạm vào vật (Ficher nnk, 1976) *Viễn thám quan sát đối tượng phương tiện cách xa vật khoảng cách định (Barret Curtis, 1976) *Viễn thám khoa học lấy thông tin từ đối tượng, đo từ khoảng cách cách xa vật khơng cần tiếp xúc với Năng lượng đo hệ viễn thám lượng điện từ phát từ vật quan tâm (D A Land Grete, 1978) *Viễn thám ứng dụng vào việc lấy thông tin mặt đất mặt nước trái đất, việc sử dụng ảnh thu từ đầu chụp ảnh sử dụng xạ phổ điện từ, đơn kênh đa phổ, xạ phản xạ từ bề mặt trái đất (Janes B Capbell, 1996) *Viễn thám "khoa học nghệ thuật thu nhận thông tin vật thể, vùng, tượng, qua phân tích liệu thu phương tiện không tiếp xúc với vật, vùng, tượng khảo sát ".( Lillesand Kiefer, 1986) *Phương pháp viễn thám phương pháp sử dụng lượng điện từ ánh sáng, nhiệt, sóng cực ngắn phương tiện để điều tra đo đạc đặc tính đối tượng (Theo Floy Sabin 1987) 1.2.2 Nguyên lý viễn thám Sóng điện từ phản xạ xạ từ vật thể nguồn cung cấp thông tin chủ yếu đặc tính đối tượng Ảnh viễn thám cung cấp thông tin vật thể tương ứng với lượng xạ ứng với bước sóng xác định Đo lường phân tích lượng phản xạ phổ ghi nhận ảnh viễn thám, cho phép tách thơng tin hữu ích lớp phủ mặt đất khác tương tác xạ điện từ vật thể Thiết bị dùng để cảm nhận sóng điện từ phản xạ hay xạ từ vật thể gọi cảm biến.Bộ cảm biến máy chụp ảnh máy quét.Phương tiện mang cảm biến gọi vật mang (máy bay, khinh khí cầu, tàu thoi vệ tinh…) Hình 1.2 thể sơ đồ nguyên lý thu nhận ảnh viễn thám Nguồn lượng thường sử dụng viễn thám xạ mặt trời, lượng sóng điện từ vật thể phản xạ hay xạ cảm biến đặt vật mang thu nhận Thông tin lượng phản xạ vật thể ảnh viễn thám thu nhận xử lí tự động máy giải đoán trực tiếp từ ảnh dựa kinh nghiệm chuyên gia Cuối cùng, liệu thông tin liên quan đến vật thể thượng khác mặt đất ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác như: nông lâm nghiệp, địa chất, khí tượng, mơi trường… Hình 1.2 Nguyên lý thu nhận liệu viễn thám Toàn q trình thu nhận xử lí ảnh viễn thám chia thành phần sau: - Nguồn cung cấp lượng - Sự tương tác lượng với khí - Sự tương tác với vật thể bề mặt đất - Chuyển đổi lượng phản xạ từ vật thể thành liệu ảnh - Hiển thị ảnh số cho việc giải đốn xử lí Năng lượng sóng điện từ lan truyền qua mơi trường khí bị phân tử khí hấp thụ hình thức khác tuỳ thuộc vào bước sóng cụ thể Trong viễn thám, người ta thường quan tâm đến khả truyền sóng điện từ khí quyển, tưọng chế tương tác sóng điện từ với khí có tác động mạnh đến thông tin cảm biến thu nhận Khí có đặc điểm quan trọng tưong tác khác xạ điện từ có bước sóng khác Đối với viễn thám quang học, nguồn lượng cung cấp chủ yếu mặt trời có mặt thay đổi các phân tử nước khí (theo khơng gian thời gian) có lớp khí ngun nhân gây chủ yếu gây nên sụ biến đổi lượng phản xạ từ mặt đất đến cảm biến Khoảng 75% lượng mặt trịi chạm đến lớp ngồi khí truyền xuống mặt đất q trình lan truyền sóng điện từ ln bị khí hấp thụ, tán xạ khúc xạ trước đến cảm biến Các loại khí oxy, nitơ, cacbonic, ôzôn, hơinước… phân tử lơ lửng khí tác nhân ảnh hưỏng đến suy giảm lưọng sóng điện từ q trình lan truyền Để hiểu rõ chế tương tác sóng điện từ khí việc chọn phổ điện từ để sử dụng cho việc thu nhận ảnh viễn thám, bảng 1-2 thể đặc điểm cuả dải phổ điện từ thường sử dụng kỹ thuật viễn thám Bảng 1-2 Đặc điểm dải phổ điện từ sử dụng kỹ thuật viễn thám Dải phổ điện từ Bước sóng Tia cực tím 0,3 ÷ 0,4μm Tia nhìn thấy 0,4 ÷ 0,76μm Cậnhồngngoại Hồng ngoại trung Hồng ngoại nhiệt 0,77÷1,34μm 1,55 ÷ 2,4μm Vơ tuyến (rada) 1mm ÷ 30cm ÷ 22μm Đặc điểm Hấp thụ mạnh lớp khí tầng cao (tầng ôzôn), thu nhận lượng dải sóng cung cấp tượng lại bảo vệ người tránh tác động tia cực tím Rất bị hấp thụ oxy, nước lượng phản xạ cực đại ứng với bước sóng 0,5μm khí Năng lượng dải sóng cung cấp giữ vai trò viễn thám Năng lượng phản xạ mạnh ứng với bước sóng cận hồng ngoại từ 0,77 ÷ 0,9μm Sử dụng chụp ảnh hồng ngoại theo dõi biến đổi thực vật từ 1,55 ÷ 2,4μm Một số vùng bị nước hấp thụ mạnh,dải sóng giữ vai trị phát cháy rừng hoạt động núi lửa Bức xạ nhiệt trái đất lượng cao bước sóng 10μm Khí khơng hấp thụ mạnh lượng bước sóng lớn 2cm, cho phép thu nhận lượng ngày lẫn đêm, không bị ảnh hưởng mây, sương mù hay mưa 1.2.3 Khái niệm xạ điện từ Bức xạ điện từ trình truyền lượng điện từ sở dao động điện trường từ trường khơng gian Bức xạ điện từ vừa có tính chất sóng tính chất hạt.Tính chất sóng xác định bước sóng λ, tần số v tốc độ lan truyền C, mối liên quan chúng thể theo công thức: λ=C/v (C=299,793km/s môi trường chân khơng) Tính chất hạt mơ tả theo tính chất photon hay quang lượng tử lượng E thể sau: E=h.v (h số Plank) Q trình lan truyền sóng điện từ qua môi trường vật chất tạo phản xạ, hấp thụ, tán xạ xạ sóng điện từ hình thức khác tuỳ thuộc vào bước sóng Hình 1.3 Bức xạ sóng điện từ Phổ tồn dải sóng điện từ mang tên khác tia gama, tia X, tia cực tím, sóng nhìn thấy, tia hồng ngoại sóng cực ngắn Hinh 1.4 cho thấy bảng phân loại sóng điện từ kênh phổ dùng viễn thám bt u t vựng cc tớm (0,3ữ0,4àm), súng ỏnh sỏng (0,4ữ0,7àm), hng ngoi nhit (8,0ữ10,0àm) Cỏc súng hng ngoi ngn sử dụng rộng rãi phân loại thạch học Sóng hồng ngoại nhiệt sử dụng đo nhiệt, sóng microwave sử dụng kỹ thuật radar Viễn thám thường sử dụng tính chất xạ điện từ tần số hay bước sóng, hướng lan truyền, biên độ mặt phẳng phân cực để thu nhận thông tin từ đối tượng Ví dụ, tần số hay bước sóng liên quan tới màu sắc vật thể vùng ánh sáng nhìn thấy Trong vùng hồng ngoại (infrared-IR) có bước súng cú t (0.7ữ10,0àm), k thut vin thng s dng súng hng ngoi phn x (0,7ữ3,0àm) Hỡnh 1.4 Di tần số sử dụng viễn thám Trong vùng hng ngoi (infrared-IR) cú bc súng cú t (0.7ữ10,0àm), k thuật viễn thám thường sử dụng sóng hồng ngoại phản x (0,7ữ3,0àm) Tu thuc vo bc súng in t phn xạ hay xạ từ vật thể thu nhận cảm biến tạo ảnh viễn thám có màu sắc khác Thể màu tư liệu ảnh vệ tinh giữ vai trò quan trọng việc giải đoán ảnh mắt, ảnh đa phổ gồm kênh ghi nhận tương ứng vùng phổ đỏ, lục xanh chàm cho phép tái tạo màu tự nhiên hình hiển thị ảnh Ví dụ, có màu lục ảnh cảm nhận người ngồi thực tế, chất diệp lục hấp thụ ánh sáng có bước sóng lục Ngược lại, thơng tin ghi nhận vùng phổ thơng khơng nhìn thấy (sóng hồng ngoại) tổ hợp màu với kênh phổ hồng ngoại không cho màu tự nhiên, trường hợp gọi tổ hợp màu hồng ngoại Trên tổ hợp màu này, dối tượng thể film hồng ngoại 10 2.2 ĐẶC ĐIỂM PHỔ CỦA CÁC ĐỐI TƯỢNG TỰ NHIÊN Đặc tính phản xạ phổ đối tượng tự nhiên hàm nhiều yếu tố Các đặc tính phụ thuộc vào điều kiện chiếu sáng, mơi trường khí bề mặt đối tượng thân đối tượng Sóng điện từ chiếu tới mặt đất, lượng tác động lên bề mặt trái đất xẩy tượng sau: - Phản xạ lượng - Hấp thụ lượng - Thấu quang lượng Năng lượng xạ chuyển đổi thành ba dạng khác Giả sử coi lượng ban đầu xạ EO chiếu xuống đối tượng chuyển thành lượng phản xạ E, hấp thụ E thấu quang ET Có thể mơ tả q trình theo cơng thức: Eo=E+E+ET Trong trình ta phải lưu ý hai điểm: (a) Thứ là: bề mặt đối tượng tiếp nhận lượng chiếu tới, tùy thuộc vào cấu trúc thành phần, cấu tạo vật chất điều kiện chiếu sáng mà thành phần E , E, E có giá trị khác đối tượng khác Do ta nhận ảnh đối tượng khác thu nhận lượng phản xạ khác Phụ thuộc vào cấu trúc bề mặt đối tượng, lượng phản xạ phổ phản xạ tồn phần, phản xạ phần, không phản xạ hướng hay phản xạ phần có định hướng (hình 2.2) a - Phản xạ toàn phần b - Phản xạ phần c - Tán xạ tồn phần (Khơng phản xạ hướng) d - Tán xạ phần (Phản xạ phần có định hướng) Hình 2.2 Một số phản xạ 37 Các dạng phản xạ từ bề mặt cần lưu ý đoán đọc điều vẽ ảnh vũ trụ ảnh máy bay xử lý hình ảnh thiếu thơng tin khu vực khảo sát Điều có nghĩa phải biết rõ thông số kỹ thuật thiết bị sử dụng, phản chụp, điều kiện chụp ảnh, yếu tố có vai trị định việc đốn đọc điều vẽ ảnh Thứ hai là: lượng chiếu tới đối tượng phản xạ phụ thuộc vào cấu trúc bề mặt đối tượng mà cịn phụ thuộc vào bước sóng lượng chiếu tới Do mà ảnh ta thấy hình ảnh đối tượng ghi nhận khả phản xạ phổ bước sóng khác khác Các hệ thống viễn thám chủ yếu ghi nhận lượng phản xạ phổ nên công thức (a) viết lại là: E = Eo - (E + ET) (b) Năng lượng phản xạ tổng lượng xạ trừ lượng hấp thụ lượng thấu quang Để nghiên cứu phụ thuộc lượng phản xạ phổ vào bước sóng điện từ ta đưa khái niệm khả phản xạ phổ Khả phản xạ phổ r bước sóng định nghĩa cơng thức : r E () (100%) E0 () (c) Để thấy rõ đặc tính phản xạ phổ phụ thuộc vào bước sóng ta xét đồ thị sau (hình 2.3) r(%) 60 40 20 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 Hình 2.3 Đặc tính phản xạ phổ số đối tượng tự nhiên - Đường đặc trưng phản xạ phổ thực vật - Đường đặc trưng phản xạ phổ đất khô - Đường đặc trưng phản xạ phổ nước 38 () Đặc tính phản xạ phổ thực vật Khả phản xạ phổ thực vật xanh thay đổi theo độ dài bước sóng Trên đồ thị (H.2.4) thể đường đặc trưng phản xạ phổ thực vật xanh vùng phản xạ phổ Trong vùng sóng ánh sáng nhìn thấy sắc tố ảnh hưởng đến đặc tính phản xạ phổ nó, đặc biệt chất clorophin cây, ngồi cịn số chất sắc tố khác đóng vai trị quan trọng việc phản xạ phổ thực vật Theo đồ thị ta thấy sắc tố hấp thụ xạ vùng sóng ánh sáng nhìn thấy vùng cận hồng ngoại, có nước nên hấp thụ xạ vùng hồng ngoại Cũng từ đồ thị ta thấy khả phản xạ phổ xanh vùng sóng ngắn vùng ánh sáng đỏ thấp Hai vùng suy giảm khả phản xạ phổ tương ứng với hai dải sóng bị clorophin hấp thụ Ở hai dải sóng này, clorophin hấp thụ phần lớn lượng chiếu tới, lượng phản xạ khơng lớn Vùng sóng bị phản xạ mạnh tương ứng với sóng 0,54 tức vùng sóng ánh sáng lục Do tươi mắt ta cảm nhận có màu lục Khi úa có bệnh, hàm lượng clorophin giảm lúc khả phản xạ phổ bị thay đổi có mầu vàng đỏ Cấu trúc Sắc tố (%) tế bào hưởng đến khả phản xạ phổ r Sắc tố hấp thụ 60 40 20 Các yếu tố ảnh Thành phần nước Những dải phổ hấp thụ Nước hấp thụ 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 Nhìn thấy Hồng ngoại Cận hồng ngoại Phản xạ phổ hồng ngoại 39 2,4 2,6 () Hình 2.4 Đặc tính phản xạ phổ thực vật 40 Ở vùng hồng ngoại ảnh hưởng chủ yếu lên khả phản xạ phổ hàm lượng nước Khả hấp thụ lượng (r) mạnh bước sóng 1,4; 1,9 2,7 Bước sóng 2,7 hấp thụ mạnh gọi dải sóng cộng hưởng hấp thụ, hấp thụ mạnh diễn sóng khoảng từ 2,66 - 2,73 Trên hình 2.5 cho thấy dải hồng ngoại khả phản xạ phổ mạnh bước sóng 1,6 2,2 - tương ứng với vùng hấp thụ nước Tóm lại: Khả phản xạ phổ loại thực vật khác đặc tính chung khả phản xạ phổ thực vật là: - Ở vùng ánh sáng nhìn thấy, cận hồng ngoại hồng ngoại khả phản xạ phổ khác biệt rõ rệt - Ở vùng ánh sáng nhìn thấy phần lớn lượng bị hấp thụ clorophin có cây, phần nhỏ thấu qua lại bị phản xạ Ở vùng hồng ngoại nhân tố ảnh hưởng lớn đến khả phản xạ phổ hàm lượng nước, vùng độ ẩm cao, lượng hấp thụ cực đại Ảnh hưởng cấu trúc tế bào vùng hồng ngoại khả phản xạ phổ không lớn hàm lượng nước (%) r Hấp thụ nước 100 Phản xạ 80 60 40 20 0,5 0,9 1,3 1,7 2,1 2,5 () Hình 2.5 Đặc tính hấp thụ nước 41 Khi hàm lượng nước giảm khả phản xạ phổ tăng lên đáng kể (hình 2.6) Độ ẩm < 40% r(%) 80 Độ ẩm 40 54% Độ ẩm 54 66% 60 40 20 Độ ẩm >66% () 0,5 0,7 0,9 1,1 1,31,5 1,7 1,9 2,1 2,3 2,5 Hình 2.6 Đặc tính phản xạ phổ thực vật Đặc tính phản xạ phổ thổ nhưỡng Đường đặc trưng phản xạ phổ đa số thổ nhưỡng không phức tạp thực vật Hình 2.7 thể khả phản xạ phổ ba loại đất trạng thái khơ Đặc tính chung chúng khả phản xạ phổ tăng theo độ dài bước sóng, đặc biệt vùng cận hồng ngoại hồng ngoại Ở có lượng hấp thụ lượng phản xạ, mà khơng có lượng thấu quang Tuy nhiên với loại đất cát có thành phần cấu tạo, chất hữu vô khác nhau, khả phản xạ phổ khác Tùy thuộc vào thành phần hợp chất mà biên độ đồ thị phản xạ phổ khác Các yếu tố chủ yếu ảnh hưởng đến phản xạ phổ đất cấu trúc bề mặt đất, độ ẩm đất, hợp chất hữu cơ, vô r(% Đất bùn 80 60 Đất bụi 40 Đất cát 20 0,5 0,9 1,3 1,7 2,1 2,5 42 () Hình 2.7 Đặc tính phản xạ phổ thổ nhưỡng 43 Cấu trúc đất phụ thuộc vào tỷ lệ sét, bụi, cát Sét hạt mịn đường kính nhỏ 0,002mm, bụi có đường kính 0,002mm - 0,05mm, cát có đường kính 0,05mm - 2mm Tùy thuộc tỷ lệ thành phần ba loại đất mà tạo nên loại đất có tên khác Với đất hạt mịn khoảng cách hạt nhỏ chúng sít gần Với hạt lớn khoảng cách chúng lớn hơn, khả vận chuyển khơng khí độ ẩm dễ dàng Khi ẩm ướt, hạt cát bọc màng mỏng nước, độ ẩm lượng nước loại đất cao độ ẩm ảnh hưởng lớn đến khả phản xạ phổ chúng 100 Độ ẩm 04% 80 60 40 Độ ẩm 512% Độ ẩm 2232% 20 0,5 0,9 1,3 1,7 2,1 2,5 () Hình 2.8 Khả phản xạ phổ đất phụ thuộc vào độ ẩm Khi độ ẩm tăng khả phản xạ phổ bị giảm (hình 2.8) Do hạt nước rơi vào cát khô ta thấy cát bị thẫm hơn, chênh lệch rõ rệt đường đặc trưng 1, 2, Tuy nhiên cát ẩm mà có thêm nước khơng thẫm màu (do chênh lệch đường đường 3) Một yếu tố ảnh hưởng đến khả phản xạ phổ hợp chất hữu đất Với hàm lượng chất hữu từ 0,5 - 5,0% đất có mầu nâu xẫm Nếu hàm lượng hữu thấp đất có mầu nâu sáng Ơ xít sắt ảnh hưởng tới khả phản xạ phổ đất Khả phản xạ phổ tăng hàm lượng xít sắt đất giảm xuống, vùng phổ nhìn thấy (có thể làm giảm tới 40% khả phản xạ phổ hàm lượng xít sắt tăng lên) Khi bỏ xít sắt khỏi đất, khả phản xạ phổ đất tăng lên rõ rệt dải sóng từ 0,5 - 1,1 với bước sóng lớn 1,0 khơng có tác dụng 44 Như nói có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến khả phản xạ phổ đất, nhiên chúng có liên quan chặt chẽ với Cấu trúc, độ ẩm, độ mịn bề mặt, hàm lượng chất hữu xít sắt yếu tố quan trọng Vùng phản xạ xạ phổ sử dụng để ghi nhận thơng tin hữu ích đất cịn hình ảnh hai vùng phổ dấu hiệu để đốn đọc điều vẽ đặc tính đất Một điểm quan trọng cần lưu ý biên độ đồ thị khả phản xạ phổ loại đất khác xa nhìn chung khác ổn định nhiều dải sóng khác Đối với thực vật phải nhờ khả phản xạ phổ phụ thuộc bước sóng (tức đốn đọc điều vẽ kênh khác nhau), với thổ nhưỡng làm vậy, khác biệt khả phản xạ phổ quan trọng nhiều đặc tính phản xạ phổ chúng phải đoán đọc điều vẽ dải sóng nhìn thấy Đặc tính phản xạ phổ nước Cũng trên, khả phản xạ phổ nước thay đổi theo bước sóng xạ chiếu tới thành phần vật chất có nước Khả phản xạ phổ phụ thuộc vào bề mặt nước trạng thái nước Trên kênh hồng ngoại cận hồng ngoại đường bờ nước phát dễ dàng, số đặc tính nước cần phải sử dụng dải sóng nhìn thấy để nhận biết r(%) 50 40 30 20 10 0,4 Hấp thụ Phản xạ 0,5 0,6 () 0,7 Hình 2.9 Khả phản xạ hấp thụ nước Trong điều kiện tự nhiên, mặt nước lớp mỏng nước hấp thụ mạnh lượng dải cận hồng ngoại hồng ngoại (hình 2.9) vậy, lượng phản xạ Vì khả phản xạ phổ nước dải sóng dài nhỏ nên việc sử dụng kênh sóng dài để chụp cho ta khả đoán đọc điều vẽ thủy văn, ao hồ Ở dải sóng nhìn thấy khả phản xạ phổ nước tương đối phức tạp Viết phương trình cân lượng nghiên cứu khả phản xạ phổ nước dải sóng nhìn thấy: 45 E() = E() + EH() + ET() E() = E() + E() + E Như hình 2.10 nước cất bị hấp thụ lượng dải sóng nhỏ 0,6 thấu quang nhiều lượng dải sóng ngắn Nước biển, nước nước cất có chung đặc tính thấu quang, nhiên độ thấu quang nước đục giảm rõ rệt bước sóng dài có độ thấu quang lớn r(%) 50 25 10 2,5 0,5 0,25 1- Nước sông 2- Nước đại dương 3- Nước gần bờ 4- Nước vịnh 0,1 0,4 0,5 0,7 0,6 () Hình 2.10 Khả phản xạ phổ số loại nước Khả thấu quang cao hấp thụ dải sóng nhìn thấy chứng tỏ lớp nước mỏng (ao, hồ nông) hình ảnh viễn thám ghi nhận dải sóng nhìn thấy nhờ lượng phản xạ chất đáy: cát, đá Tuy nhiên điều kiện tự nhiên lúc lý tưởng nước cất Thông thường nước chứa nhiều tạp chất hữu vơ khả phản xạ phổ nước phụ thuộc vào thành phần trạng thái nước Các nghiên cứu cho thấy nước đục có khả phản xạ phổ cao nước trong, dải sóng dài Người ta xác định với độ sâu tối thiểu 30m, nồng độ tạp chất gây đục 10mg/ lít, khả phản xạ phổ lúc hàm số thành phần nước khơng cịn ảnh hưởng chất đáy Độ thấu quang nước phụ thuộc vào bước sóng sau: Bảng 2-1 Mối quan hệ bước sóng độ thấu quang nước Bước sóng 0,5 0,6 0,6 0,7 0,7 0,8 0,8 1,1 Độ thấu quang Đến 10m 3m 1m Nhỏ 10cm 46 Người ta chứng minh khả phản xạ phổ nước phụ thuộc nhiều vào độ đục nước, dải sóng 0,6 0,7 người ta phát độ đục nước khả phản xạ phổ có mối liên hệ tuyến tính Hàm lượng clorophin nước yếu tố ảnh hưởng tới khả phản xạ phổ nước Nó làm giảm khả phản xạ phổ nước bước sóng ngắn tăng khả phản xạ phổ nước bước sóng có mầu xanh Ngồi cịn số yếu tố khác có ảnh hưởng lớn tới khả phản xạ phổ nước, có nhiều đặc tính quan trọng khác nước rõ qua khác biệt phổ độ mặn nước biển, hàm lượng khí mêtan, ơxi, nitơ, cacbonic… nước 2.3 MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN PHẢN XẠ PHỔ CỦA CÁC ĐỐI TƯỢNG TỰ NHIÊN Để đoán đọc điều vẽ đối tượng tự nhiên có hiệu ta phải xác định ảnh hưởng yếu tố không gian - thời gian, khí đến khả phản xạ phổ đối tượng tự nhiên mặt đất 2.3.1 Ảnh hưởng yếu tố không gian-thời gian Yếu tố không gian Người ta chia thành hai loại: yếu tố không gian cục yếu tố không gian địa lý Yếu tố cục thể chụp ảnh loại đối tượng, ví dụ trồng theo hàng, luống trồng theo mảng lớn khả phản xạ phổ hai loại trồng đem lại khả phản xạ phổ khác Yếu tố địa lý thể loại thực vật điều kiện sinh trưởng khác theo vùng địa lý khả phản xạ phổ khác Yếu tố thời gian thể Khi góc mặt trời hạ thấp ta có hình ảnh núi có bóng đối tượng hai sườn núi, bên chiếu sáng bên không chiếu sáng tạo nên khả phản xạ phổ khác Để khống chế ảnh hưởng yếu tố không gian, thời gian đến khả phản xạ phổ ta cần thực theo số phương án sau: - Ghi nhận thông tin vào thời điểm mà khả phản xạ phổ đối tượng khác xa khả phản xạ phổ đối tượng khác - Ghi nhận thông tin vào lúc mà khả phản xạ phổ đối tượng không khác biệt - Ghi nhận thông tin thường xuyên, định kỳ qua khoảng thời gian định - Ghi nhận thông tin điều kiện môi trường định, ví dụ góc mặt trời tối thiểu, mây 10%, qua số ngày định 47 Yếu tố thời gian Thực phủ mặt đất số đối tượng khác thường hay thay đổi theo thời gian Do khả phản xạ phổ thay đổi theo thời gian Ví dụ rụng vào mùa đông xanh tốt vào mùa xuân, mùa hè, lúa có màu biểu bề mặt khác theo thời vụ Vì đốn đọc điều vẽ ảnh cần biết rõ thời vụ, thời điểm ghi nhận ảnh đặc điểm đối tượng cần đốn đọc điều vẽ 2.3.2 Ảnh hưởng khí Khi xem xét hệ thống ghi nhận số liệu thông tin viễn thám ta thấy lượng xạ từ mặt trời chiếu xuống đối tượng mặt đất phải qua tầng khí quyển, sau phản xạ từ bề mặt trái đất lượng lại truyền qua khí tới máy ghi thơng tin vệ tinh Do khí ảnh hưởng lớn tới khả phản xạ phổ đối tượng tự nhiên Bề dày khí (khoảng 2.000km) ảnh hưởng tới tia sáng từ mặt trời chiếu xuống, cịn vệ tinh viễn thám bề dày khí ảnh hưởng tới số liệu thơng qua tham số độ cao bay vệ tinh Khí ảnh hưởng tới số liệu vệ tinh viễn thám hai đường tán xạ hấp thụ lượng Sự biến đổi lượng xạ mặt trời khí tán xạ hấp thụ sóng điện từ thành phần khí hạt ion khí Vì q trình mà phân bố phổ, phân bố góc phân bố không gian việc phát xạ đối tượng nghiên cứu yếu Sau xem xét ảnh hưởng khí hai đường tán xạ hấp thụ Hiện tượng tán xạ làm đổi hướng tia chiếu mà không làm lượng Tán xạ (hay phản xạ) có thành phần khơng khí ion có khí phản xạ tia chiếu tới, lớp khí dày đặc có mật độ khơng khí lớp không đồng nên tia chiếu truyền qua lớp gây tượng khúc xạ Hiện tượng hấp thụ diễn tia sáng không tán xạ mà lượng truyền qua ngun tử khơng khí khí nung nóng lớp khí Hiện tượng tán xạ tuyệt đối xảy khơng có hấp thụ lượng Trong hệ thống viễn thám lượng tia sáng bị tán xạ hướng, trường thu ống kính máy ghi thơng tin thật rộng thu toàn lượng tán xạ, ngược lại trường thu nhỏ thu phần lượng Các nguyên nhân gây tượng tán xạ hấp thụ lượng ánh sáng mặt trời là: - Do hấp thụ, khúc xạ lượng mặt trời phần tử khí 48 - Do hấp thụ có chọn lọc bước sóng nước, ozon hợp chất khơng khí khí - Do phản xạ (tán xạ lượng chiếu tới, không đồng khí hạt nhỏ khí quyển) Nếu gọi Eo lượng xạ toàn phần chiếu tới, E lượng bị hấp thụ, E lượng tán xạ, E lượng lại lọt qua ảnh hưởng tầng khí ta xác định hệ số hấp thụ hệ số phản xạ độ suốt T độ dày lớp khí theo công thức : E α α; Eo ρ Eρ ; Eo E T T Eo ++T=1 Đối với vật thể suốt : T=0;+=1 Đối với vật thể hấp thụ: +T=1 Hiện tượng tán xạ, xạ khí cịn phụ thuộc kích thước hạt gây tán xạ Khi lượng từ nguồn chiếu qua khí vào vùng mà kích thước hạt nhỏ gần bước sóng tượng tán xạ cịn phụ thuộc bước sóng Nếu vùng kích thước hạt lớn bước sóng nhiều hạt mưa ánh sáng tán xạ bao gồm: - Phản xạ bề mặt hạt nước - Xuyên qua hạt nước phản xạ nhiều lần hạt nước - Khúc xạ qua hạt nước Trong trường hợp tượng phản xạ phổ khơng phụ thuộc vào bước sóng xạ mà phụ thuộc vào thành phần khơng khí, nên sương mù dày đặc ta làm cho lượng bị tán xạ hết ảnh có màu trắng (năng lượng khơng lới máy thu thơng tin) Do ảnh tổ hợp màu mây ln có màu trắng Khí tác động đến xạ mặt trời qua đường phản xạ, hấp thụ cho lượng truyền qua Đối với viễn thám phần lượng truyền qua quan trọng Sau ta xét đồ thị đặc trưng cho tác động khí đến xạ lượng (hình 2.11) 49 r(%) Nguồn 100 75 50 25 0,3 1,0 100 1mm 10 1m Vùng nhìn thấy Hồng ngoại nhiệt Chụp ảnh Radio sóng ngắn Quét đa phổ 0,3 1,0 10 100 1mm 1m Hình 2.11 Cửa sổ khí Trên đồ thị trục hồnh biểu thị độ dài bước sóng , trục biểu thị hệ số phản xạ lượng nguồn theo phần trăm (%) r = = E x 100% Eo Ở vùng ánh sáng nhìn thấy lượng phản xạ phổ lớn cỡ gần 60% lượng chiếu tới phản xạ Đồ thị cho thấy dải sóng khác lượng xạ có mức độ phản xạ hấp thụ khác nhau: số bước sóng bị hấp thụ ít, số vùng khác lượng bị hấp thụ nhiều Đây "cửa sổ khí quyển" Hệ thống chụp ảnh vũ trụ thụ động sử dụng hữu hiệu "cửa sổ khí quyển", cịn hệ thống chụp ảnh vũ trụ chủ động sử dụng cửa sổ vùng sóng 1mm 1m Cửa sổ khí xạ mặt trời gồm (bảng 2-2) Các cửa sổ tính cho lớp khí nằm ngang dày lớp có hai mặt song song Khi tia chiếu xiên, ống kính góc rộng đặc tính cửa sổ khí thay đổi Các kênh sóng hệ thống viễn thám dải sóng phù hợp, có nghĩa chọn kênh cho thu sóng cửa sổ nói 50 Bảng 2-2 Số cửa sổ Bước sóng () 0,3 1,3 1,5 1,8 2,0 2,6 3,0 3,6 4,2 5,0 7,0 15,0 Hệ thống viễn thám đa phổ thường sử dụng cửa sồ 1, 2, ảnh hưởng phản xạ xạ rõ ràng 51 ... thám qua kiện Thời gian (Năm) 18 00 18 39 18 47 18 50 -1 8 60 18 73 19 09 19 10 -1 9 20 19 20 -1 9 30 19 30 -1 9 40 19 40 19 50 19 50 -1 9 60 12 -4 -1 9 61 1960 -1 9 70 19 72 19 70 -1 9 80 19 80 -1 9 90 19 86 19 90 đến Sự kiện Phát tia hồng... đạo 18 ngày (Landsat -1 - 3) 16 ngày (Landsat-4,5,7) Khoảng 10 3 phút (Landsat -1 - 3) Khoảng 99 phút (Landsat) 26 ngày (SPOT -1 - 4) 41 ngày (ADEOS) Khoảng 10 1 phút (SPOT -1 - 4) Khoảng 10 1 phút (ADEOS) 1. 6... (bảng 1- 5) Bảng 1- 5 Các hệ vệ tinh Landsat Vệ tinh Ngày phóng Ngày ngừng hoạt động Landsat 23/6 /19 72 6 /1/ 1978 Landsat 22 /1/ 1975 25/2 /19 82 Landsat 05/3 /19 78 31/ 3 /19 83 Landsat 16 /7 /19 82 15 /6/20 01 Landsat