ứng dụng viễn thám trong nghiên cứu địa chất

bộ cảm3.1 Phân loại bộ cảm Trên hình 4 là các kiểu bộ cảm chính hiện đang sử dụng hoặc đang đợc nghiên cứu phát triển trong viễn thám.. Các t liệu của máy chụp ảnh thờng đợc sử dụng cho

bộ giáo dục và đào tạotrờng đại học mỏ địa chất

Bài giảng

ứng dụng kỹ thuật viễn thám trong nghiên cứu địa chất

Tác giả: Pts Nguyễn Đình Dơng

Hà Nội 1994

Lời nói đầu.

Bài giảng ứng dụng phơng pháp viễn thám trong nghiên cứu địa chất

đợc biên soạn để giảng dạy trong 30 tiết Trong khuôn khổ thời gian eohẹp nh vậy khó có thể trình bày hết đợc những điểm cơ bản của côngnghệ viễn thám, một công nghệ phát triển mạnh mẽ đa dạng về nội dung

kỹ thuật cũng nh các lĩnh vực ứng dụng Ngời viết tuy đã cố gắng đa vàonhững gì đợc coi là trọng tâm nhất nhng chắc hẳn không tránh khỏinhững thiếu sót nhất định Phần lớn những từ vựng chuyên môn của viễnthám đợc sử dụng theo anh ngữ ( đã đợc quốc tế hoá ) và ở nớc ta do việcxây dựng hệ thống từ vựng chuyên môn cho bộ môn viễn thám cha đợcthực hiện vì thế việc chuyển dịch các từ chuyên môn tiếng anh sang tiếngviệt chắc rằng có nhiều sơ xuất, tác giả rất mong sự thông cảm của cácbạn đồng nghiệp và mong nhận đợc những góp ý chân thành nhằm hoànthiện bài giảng này tốt hơn Tác giả xin cám ơn Trờng đại học Mỏ-Địachất đã tạo điều kiện cho tác giả đợc tham gia giảng dạy môn học này tạitrờng

4.1 Nguyªn lý c¬ b¶n cña viÔn th¸m siªu cao tÇn 14 4.2 Bøc x¹ siªu cao tÇn vµ sù suy gi¶m cña nã 15

4.5 An ten vµ nh÷ng tÝnh chÊt c¬ b¶n cña chóng 17

5 C¸c bé c¶m sö dông trong viÔn th¸m siªu cao tÇn 18

8.3 C¸c khu«n d¹ng t liÖu sè trong viÔn th¸m 27

12.1 Tăng cờng chất lợng và chiết tách đặc tính 50

14 ứng dụng phơng pháp viễn thám trong điều tra và quản lý tài nguyên

1 tổng quan về kỹ thuật viễn thám

Viễn thám tiếng Anh Remote Sensing, tiếng Pháp La Teledetection

-có thể đợc định nghĩa nh một phơng thức thu nhận thông tin về các đối ợng từ một khoảng cách nhất định, không có những tiếp xúc trực tiếp vớichúng Các thông tin thu đợc là kết quả của việc giải mã hoặc đo đạcnhững biến đổi mà đối tơng tác động tới môi trờng xung quanh nh trờng

t-điện từ, trờng âm thanh hoặc trờng hấp dẫn Tuy vậy khái niệm viễn thámvẫn đợc hiểu nhiều nhất từ góc độ của kỹ thuật điện từ, nó bao trùm mọigiải phổ của sóng điện từ từ sóng radio tần số thấp cho đến sóng siêu caotần, sóng hồng ngoại xa, hồng ngoại gần, sóng nhìn thấy, tia cực tím, tia x

và tia gama

Sự phát triển của viễn thám gắn liền với sự phát triển của chụp ảnh.Bức ảnh đầu tiên đợc chụp vào năm 1839, năm 1849 Aime Laussedat đãkhởi đầu một chơng trình sử dụng ảnh cho mục đích thành lập bản đồ địahình Năm 1858 ngời ta đã bắt đầu sử dụng khinh khí cầu để chụp ảnh từtrên không Sự phát triển của ngành hàng không đã cung cấp cho việcchụp ảnh từ trên không những công cụ tuyệt vời trong việc chụp ảnhnhững vùng chọn lựa và có điều khiển Những bức ảnh đầu tiên chụp từmáy bay đã đợc Wilbur Wright thực hiện năm 1909 trên vùng Centocalli,Italia

Vào giữa những năm 1930 ngời ta đã có thể chụp ảnh màu và đồngthời bắt đầu thực hiện nhiều cuộc nghiên cứu nhằm tạo ra các lớp cảmquang nhạy với bức xạ gần hồng ngoại có tác dụng hữu hiệu trong việcloại bỏ ảnh hởng tán xạ và mù khí quyển Trong chiến tranh thế giới thứhai, những cuộc thử nghiệm nghiên cứu các tính chất phản xạ phổ của bềmặt địa hình và chế thử các lớp cảm quang cho việc chụp ảnh màu hồngngoại đã đợc tiến hành Dựa trên thành tựu này một kỹ thuật mới - kỹthuật do thám hàng không đã đợc xây dựng

Vào năm 1956, ngời ta đã tiến hành một số cuộc bay chụp nhằm thửnghiệm khả năng của ảnh máy bay trong việc phân loại và phát hiện cáckiểu thực vật Vào đầu những năm 1960 nhiều cuộc thử nghiệm về ứngdụng ảnh hồng ngoại màu và ảnh đa phổ đã đợc tiến hành dới sự bảo trợcủa cơ quan hàng không vũ trụ quốc gia Hoa kỳ Những thành công tronglĩnh vực này đã đa đến sự phóng vệ tinh Landsat vào những năm 1970 Sựứng dụng vệ tinh nhân tạo đã mang đến khả năng thu nhận thông tin cótính toàn cầu về các hành tinh trong đó có cả trái đất và môi trờng xungquang chúng Những bộ cảm đặt trên vệ tinh nhân tạo trái đất cung cấpthông tin có tính toàn cục về động thái của các tầng mây, lớp phủ thựcvật, cấu trúc địa mạo, nhiệt độ và gió trên bề mặt đại dơng Do tốc độ dichuyển nhanh chóng, độ chùm phủ không gian của vệ tinh rất lớn nênviệc theo dõi động thái của nhiều hiện tợng, đặc biệt là các hiện tợng xảy

ra trong khí quyển đợc thực hiện vô cùng thuận lợi Sự tồn tại tơng đối lâucủa vệ tinh trên quỹ đạo cũng nh khả năng lặp lại đờng bay của nó chophép theo dõi những biến đổi theo mùa, theo chu kỳ năm hoặc lâu hơndiễn biến phát triển của các đối tợng nh lớp băng vùng cực, sự phát triểncủa xa mạc và nạn phá rừng nhiệt đới

Hiện nay t liệu viễn thám vệ tinh đợc sử dụng nhiều nhất là của các

vệ tinh khí tợng và vệ tinh tài nguyên Vệ tinh NOAA đợc phóng lần đầutiên lên quỹ đạo năm 1978 và đã cung cấp ảnh theo chế độ cập nhật với

độ phân giải không gian 1.1 km tại điểm ngay dới vệ tinh Từ năm 1972

đến nay Hoa Kỳ đã phóng 5 vệ tinh tài nguyên Hai vệ tinh đầu trang bị

bộ cảm đa phổ 4 kênh MSS với độ phân giải 80 m Một kênh hồng ngoạivới độ phân giải 240 m đã đợc bổ xung thêm cho bộ cảm MSS trên vệ tinhLandsat 3 Ngoài t liệu MSS vệ tinh Landsat 4 và 5 còn cung cấp thêmmột loại t liệu mới là TM với 7 kênh phổ và độ phân giải không gian là 30

m đối với giải sóng nhìn thấy và 120 m cho giải sóng hồng ngoại nhiệt.Pháp cũng đã phóng vệ tinh SPOT năm 1985 với bộ cảm HRV trên 3 kênhphổ có độ phân giải 20 m và một kênh toàn sắc có độ phân giải 10 m.Năm 1988 Nhật Bản cũng đã phóng vệ tinh quan sát biển MOS-1 Vệtinh này trang bị bộ cảm MESSR với một số thông số kỹ thuật tơng đơngvới MSS Độ phân giải không gian đợc nâng lên thành 50 m ấn Độ cũng

đã phóng thành công vệ tinh tài nguyên của mình với một bộ cảm có cáctính năng kỹ thuật tơng đơng với MSS

Liên Xô trớc đây cũng là một cờng quốc trong lĩnh vực viễn thám.Công nghệ chủ yếu của họ dựa trên các bộ cảm tơng tự dùng phim chứkhông sử dụng các hệ thống quang điện tử Những t liệu dạng này có độphân giải không gian cao nhng kém về độ phân giải phổ

Trong vùng sóng dài của sóng điên từ, các hệ thống siêu cao tần chủ

động Ra đa đã đợc thiết kế và sử dụng từ đầu thế kỷ này Đầu tiên ngời ta

sử dụng chúng để theo dõi và phát hiện các vật thể chuyển động, nghiêncứu tầng ion Trong chiến tranh thế giới thứ hai kỹ thuật ra đa đã đợc pháttriển mạnh mẽ Ngày nay sự ứng dụng của nó trong lĩnh vực thăm dò tàinguyên đã trở nên rất đa dạng và phong phú Ngời ta đã sử dụng nhiều hệthống ra đa khác nhau để nghiên cứu đại dơng, khí quyển, các cấu trúctrên bề mặt và gần bề mặt của vỏ trái đất Các hệ thống ra đa rất đa dạng

và phong phú từ các loại dùng để đo độ cao, nhiệt độ cho đến các loại tánxạ kế tạo ảnh nghiên cứu tài nguyên

Khoảng giữa những năm 1950 ngời ta tập trung nghiên cứu ra đa cócửa mở thực Cùng trong thời gian đó công việc nghiên cứu ra đa có cửa

mở tổng hợp cũng đợc xúc tiến Các hệ thống này có kích thớc nhỏ hơnnhiều so với hệ thống có cửa mở thực và cho phép thu đợc các ảnh có độphân giải cao

Tia la ze cũng đã bắt đầu đợc ứng dụng trong viễn thám Hiện nay nó

đợc ứng dụng chủ yếu cho các mục đích nghiên cứu khí quyển, làm bản

đồ địa hình và nghiên cứu lớp phủ bề mặt bằng hiệu ứng huỳnh quang.Nhiều bộ cảm hiện đại đang đợc đầu t nghiên cứu và phát triển trong số

đó phải kể đến phổ kế tạo ảnh Phổ kế tạo ảnh cho phép nâng số kênh phổlên hàng trăm kênh khác nhau Tổ chức EOS dự định phóng vệ tinh mang

bộ cảm MODIS có 100 kênh và HIRIS có 200 kênh lên quỹ đạo vàokhoảng giữa những năm 1990

2 Cơ sở của viễn thám

2.1 Một số khái niệm cơ bản

Viễn thám đợc định nghĩa nh một khoa học và công nghệ mà nhờ nócác tính chất của vật thể quan sát đợc xác định, đo đạc hoặc phân tích màkhông cần tiếp xúc trực tiếp với chúng

Sóng điện từ hoặc đợc phản xạ hoặc đợc bức xạ từ vật thể thờng lànguồn t liệu chủ yếu trong viễn thám Tuy nhiên những dạng năng lợngkhác nh từ trờng, trọng trờng cũng có thể đợc sử dụng

Một thiết bị dùng để cảm nhận sóng điện từ phản xạ hay bức xạ từvật thể đợc gọi là bộ viễn cảm (remote sensor) thờng gọi tắt là bộ cảm.Các buồng chụp ảnh hoặc máy quét là những ví dụ về bộ viễn cảm

Một phơng tiện dùng mang các bộ cảm đợc gọi là vật mang(platform) Máy bay hoặc vệ tinh là những ví dụ về vật mang

Thuật từ viễn thám đợc sử dụng đầu tiên ở Mỹ vào những năm 1960 baohàm cả các lĩnh vực nh đo ảnh, giải đoán ảnh, địa chất ảnh

Các tính chất của vật thể có thể đợc xác định thông qua các năng ợng bức xạ hoặc phản xạ từ vật thể Viễn thám là một công nghệ nhằmxác định và nhận biết đối tợng hoặc các điều kiện môi trờng thông quanhững đặc trng riêng về phản xạ và bức xạ

Trên hình 1 là sơ đồ nguyên lý thu nhận t liệu viễn thám và nhữngtrình tự công nghệ cơ bản đợc sử dụng trong viễn thám

2.2 Bức xạ điện từ

Bức xạ điện từ truyền năng lợng điện từ trên cơ sở các dao động củatrờng điện từ trong không gian hoặc trong lòng các vật chất Quá trìnhlan truyền của sóng điện từ tuân theo định luật Maxwell Bức xạ điện từ

có các tính chất sóng và hạt

Tính chất sóng đợc xác định bởi bớc sóng, tần số và tốc độ lantruyền Tính chất hạt đợc mô tả theo các tính chất của quang lợng tử hayphoton Bức xạ điện từ có bốn tính chất cơ bản đó là tần số hay bớc sóng,

hớng lan truyền, biên độ và mặt phân cực Trên hình 2 là một số kháiniệm cơ bản của bức xạ điện từ và các thông tin có thể nhận biết đợcthông qua những tính chất của nó Bốn thuộc tính cơ bản của bức xạ điện

từ liên quan tới các nội dung thông tin khác nhau Ví dụ tần số hay bớcsóng liên quan tới màu sắc Hình dạng của vật thể dẫn tới sự phân cựckhác nhau

Tất cả các vật thể đều phản xạ, hấp thụ, phân tách và bức xạ sóng

điện bằng các cách thức khác nhau và các đặc trng này thờng đợc gọi là

đặc trng phổ

Các giải sóng điện từ đợc đặt tên khác nhau bắt đầu từ tia gama, tia

X, tia cực tím, sóng nhìn thấy, tia hồng ngoại và sóng vô tuyến Trên hình

3 là bảng phân loại sóng điện từ và các kênh phổ sử dụng trong viễnthám Nhìn chung giải phổ sử dụng trong viễn thám bắt đầu từ vùng cựctím ( 0.3 - 0.4 micro mét ), sóng ánh sáng ( 0.4 - 0.7 micro mét ), gầnsóng ngắn và hồng ngoại nhiệt Các sóng hồng ngoại ngắn mới đây đợc sửdụng rộng rãi trong phân loại thạch học Sóng hồng ngoại nhiệt đợc sửdụng trong đo nhiệt, sóng micro mét đợc sử dụng trong kỹ thuật ra đa

2.3 Phân loại viễn thám theo bớc sóng

Viễn thám có thể đợc phân thành ba loại cơ bản theo bớc sóng sửdụng:

a/ Viễn thám trong giải sóng nhìn thấy và hồng ngoại

b/ Viễn thám hồng ngoại nhiệt

c/ Viễn thám siêu cao tần

Trên hình 3 là sơ đồ phân loại viễn thám theo bớc sóng

Nguồn năng lợng chính sử dụng trong nhóm a là bức xạ mặt trời Mặttrời cung cấp một bức xạ có bớc sóng u thế ở 0.5 micro mét T liệu viễnthám thu đợc trong giải sóng nhìn thấy phụ thuộc chủ yếu vào sự phản xạ

từ bề mặt vật thể và bề mặt trái đất Vì vậy các thông tin về vật thể có thể

đợc xác định từ các phổ phản xạ Tuy nhiên ra đa sử dụng tia la ze là ờng hợp ngoại lệ không sử dụng năng lợng mặt trời

Nguồn năng lợng sử dụng trong nhóm b là bức xạ nhiệt do chính vậtthể sản sinh ra Mỗi vật thể trong nhiệt độ bình thờng đều tự phát ra mộtbức xạ có đỉnh tại bớc sóng 10 micro mét

Trong viễn thám siêu cao tần, hai loại kỹ thuật chủ động và bị động

đều đợc áp dụng Trong viễn thám siêu cao tần bị động thì bức xạ siêu caotần do chính vật thể phát ra đợc ghi lại, trong khi viễn thám siêu cao tầnchủ động lại thu những bức xạ tán xạ hoặc phản xạ từ vật thể

3 bộ cảm

3.1 Phân loại bộ cảm

Trên hình 4 là các kiểu bộ cảm chính hiện đang sử dụng hoặc đang

đợc nghiên cứu phát triển trong viễn thám Việc phân loại các bộ cảm cóthể đợc thực hiện theo nhiều khía cạnh khác nhau Có thể phân loại theogiải sóng thu nhận, cũng có thể phân loại theo kết cấu

Các bộ cảm bị động thu nhận các bức xạ do vật thể phản xạ hoặcphát xạ trong khi các bộ cảm chủ động lại thu đợc năng lợng do vật thểphản xạ từ một nguồn cung cấp nhân tạo Mỗi loại bộ cảm thuộc vào mỗinhóm trên còn đơc chia thành các hệ thống quét và không quét Sau đóchúng lại tiếp tục đợc chia thành loại tạo ảnh và không tạo ảnh Loại bộcảm hay đợc sử dụng nhiều trong viễn thám hiện nay là các loại buồngchụp, máy quét CCD và máy quét đa phổ quang cơ

Các bộ cảm quang học đợc đặc trng bởi các tính chất phổ, bộ cảm

và hình học Tính chất phổ đợc thể hiện thông qua các kênh phổ và bềrộng của chúng Các thiết bị dùng phim đợc đặc trng bởi độ nhạy củaphim, khả năng lọc của các kính lọc phổ và các tính chất quang học của

hệ thống thấu kính Các đặc trng bức xạ đợc xác định dựa theo sự thay đổicủa bức xạ điện từ trớc và sau khi đi qua hệ thống quang học Các đặc tr-

ng hình học đợc thể hiện qua các thông số nh trờng nhìn, trờng nhìnkhông đổi, độ trùng khớp giữa các kênh, biến dạng hình học

Lực phân giải là một hệ số cho phép xác định sự giới hạn về mặtquan trắc không gian của một thiết bị quang học Giới hạn phân giải làkhoảng cách nhỏ nhất có thể phát hiện đợc giữa hai điểm ảnh và giá trịnghịch đảo của nó là lực phân giải

Một mảng ánh sáng đợc bố trí theo thứ tự bớc sóng đợc gọi là phổ.Một chùm tia ánh sáng trắng đợc tách thành một phổ thông qua cácphần tử quang học nh lăng kính hoặc hệ thống lăng kính Trên hình 5 làmột số các lăng kính thông dụng sử dụng cho mục đích này

Ngoài việc sử dụng lăng kính trong việc tách phổ ngời ta còn dùngcác kính lọc phổ Trên hình 6 là sơ đồ cấu tạo của một số dạng kính lọcchính Kính lọc phổ có thể đợc chia thành ba loại chính nh kính lọc sóngdài, kính lọc sóng ngắn và kính lọc đơn phổ Kính lọc có thể chia thànhhấp thụ, giao thoa, nhiễu xạ và phân cực

3.2 Máy chụp ảnh

Các máy chụp ảnh thờng đợc sử dụng trong viễn thám có thể kể đến

là máy chụp hàng trắc, máy chụp ảnh đa phổ, máy chụp toàn cảnh

Các máy chụp ảnh hàng trắc đôi khi còn đợc gọi là máy chụp đo đạc

và chúng thờng đợc lắp trên máy bay hoặc tàu vũ trụ dùng vào mục đíchchụp ảnh đo đạc địa hình Những máy chụp tiêu biểu là máy RMK dohãng Carl Zeiss hay máy RC do hãng Leica Thuỵ sĩ chế tạo Những máychụp ảnh sử dụng trong viễn thám vệ tinh có thể kể đến là METRICCAMERA, máy chụp LFC ( Large Format Camera ) đặt trên tàu vũ trụcon thoi Máy chụp KFA 1000 do Nga chế tạo đặt trên vệ tinh COSMOS.Trên hình 6 là sơ đồ nguyên lý hoạt động và một số so sánh giữa các máychụp ảnh khác nhau

Các t liệu của máy chụp ảnh thờng đợc sử dụng cho các mục đích đo

đạc cho nên kết cấu của chúng phải thỏa mãn các điều kiện quang học vàhình học cơ bản nh sau :

- Quang sai máy chụp phải nhỏ

- Độ phân giải ống kính phải cao và độ nét của ảnh phải đợc bảo đảmtrong toàn bộ trờng ảnh

- Các yếu tố định hớng trong phải đợc xác định chính xác ví dụ : chiềudài tiêu cự, tọa độ điểm chính

- Quang trục của ống kính phải vuông góc với mặt phẳng phim

- Hệ thống chống nhòe phải đủ khả năng loại trừ ảnh hởng của chuyển

động tơng đối giữa vật mang và qủa đất đặc biệt trong trờng hợp chụp ảnh

từ vũ trụ

Trên hình 6 là sơ đồ nguyên lý máy chụp ảnh MKF-6 với 6 kênh phổ

do CHDC Đức chế tạo và đợc đặt trên trạm quỹ đạo Soyuz 22 của Nga

3.3 Máy quét quang cơ

Máy quét quang cơ về cơ bản là một bức xạ kế đa phổ mà nhờ nómột bức ảnh hai chiều đợc thu nhận dựa trên sự phối hợp chuyển độnggiữa vật mang và hệ thống gơng quay hoặc lắc vuông góc với quỹ đạochuyển động

Máy quét đa phổ quang cơ đợc cấu thành bởi những phần chính sau:

Các hệ thống quét đa phổ quang cơ có thể đợc đặt trên máy bay hoặc

vệ tinh Máy quét đa phổ MSS và TM của vệ tinh LANDSAT, AVHRR của

vệ tinh NOAA là những hệ thống máy quét đa phổ quang cơ đặt trên vệtinh Máy quét đa phổ M S 2 do hãng Daedalus chế tạo là ví dụ máy quét đaphổ quang cơ đặt trên máy bay

Trên hình 7 là sơ đồ nguyên lí hoạt động và thu nhận thông tin củamáy quét đa phổ quang cơ.

Những cấu phần chính của một máy quét đa phổ quang cơ là:

a Hệ thống quang học: hệ thống kính viến vọng phản xạ kiểuNewton, Cassegrain hoặc Ritchey-Chretien nhằm hạn chế sự lệch màu

đến mức tối thiểu

b Hệ thống tách phổ: các hệ thống gơng, lăng kính hoặc kính lọc đơnphổ thờng đợc sử dụng

c Hệ thống quét: các gơng quay hoặc lắc trong mặt phẳng vuông gócvới đờng bay là các phần tử quét cơ bản

d Bộ dò: năng lợng điện từ đợc chuyển đổi thành tín hiệu điện nhờ bộ

dò quang điện tử Các bộ khuếch đại quang học thờng đợc sử dụng chogiải sóng nhìn thấy và vùng tia cực tím Đối với vùng sóng hồng ngoạinhìn thấy ngời ta thơng dùng đi ốt Silicon Đi ốt ingium antimony (InSb)

đợc dùng cho vùng sóng ngắn và để đo bức xạ nhiệt ngời ta dùng đi ốtHqCdTe

e Hệ thống kiểm định: các tín hiệu điện đo đợc luôn bị ảnh hởng bởi

sự biến động độ nhậy của hệ thống dò, do vậy cần phải duy trì thờngxuyên một nguồn ánh sáng hoặc nhiệt có cờng độ ổn định làm nguồnnăng lợng chuẩn kiểm định thông số bộ cảm

So sánh với hệ thống quét điện tử (pushbroom) thì các hệ thống quétquang cơ có những u điểm Ví dụ trờng nhìn của hệ thống quang học cóthể nhỏ hơn, độ trùng khớp giữa các kênh phổ cao hơn và có thể thiết kế

đợc những hệ thống có độ phân giải cũng cao hơn Tuy vậy nhợc điểm cơbản của nó là tỷ số hiệu dụng tín hiệu - nhiễu lại nhỏ hơn so với hệ thốngquét điện tử

3.4 Máy quét điện tử CCD

Các hệ thống quét điện tử (Pushbroom scanner) hoặc bộ cảm mảngtuyến tính (linear array sensor) là hệ thống quét trong đó không có bộphận cơ học nh gơng quay Bộ phận ghi nhận tín hiệu chủ chốt là mảngtuyến tính các bộ dò bán dẫn cho phép ghi lại đồng thời từng hàng ảnh.Trên hình 8 là sơ đồ nguyên lý hoạt động của một hệ thống quét điện tử

và cấu trúc của máy quét MESSR trên vệ tinh MOS-1

Các hệ thống quét điện tử không có một bộ phận cơ học nào nên độ

ổn định hoạt động của nó là rất cao Tuy vậy thờng xuất hiện nhiễu trênmột hàng ảnh gây bởi sự chênh lệch độ nhậy giữa các bộ dò

Cặp thiết bị nạp (CCD) thờng đợc dùng cho bộ cảm mảng tuyến tínhnên đôi khi ngời ta thờng gọi chúng là bộ cảm tuyến tính CCD hay máy

chụp CCD HRV của vệ tinh SPOT, MESSR của MOS-1 và OPS củaJERS-1 là những ví dụ về bộ cảm tuyến tính CCD đặt trên vệ tinh

3.5 Phổ kế tạo ảnh

Phổ kế tạo ảnh là một dạng máy quét đa phổ có số lợng kênh phổ rất

lớn và bề rộng của các kênh phổ rất hẹp Về mặt cấu trúc và nguyên lýhoạt động nó tơng tự nh các máy quét đa phổ khác

Trên hình 9 là sơ đồ nguyên lý hoạt động của phổ kế tạo ảnhMODIS-T (Moderate Resolution Imaging Spectrometer - Tilt) Phổ kế này

dự định sẽ đặt trên vệ tinh EOS-a (US Earth Observing Sateltite).MODIS-T có một mảng 64 x 64 đầu dò cho phép thu 64 kênh phổ tronggiải sóng từ 0.4 đến 1.04 micro mét với bề ngang của tuyến bay là 64 km Các phổ kế tạo ảnh rất có ý nghĩa trong nghiên cứu thạch học vàphân tích màu nớc biển

4 viễn thám siêu cao tần

4.1 Nguyên lý cơ bản của viễn thám siêu cao tần

Viễn thám siêu cao tần sử dụng bức xạ siêu cao tần với bớc sóng từmột cho đến vài chục cen ti mét cho phép quan sát vật thể trong mọi thờitiết không bị ảnh hởng bởi các điều kiện khí quyển nh mây hay ma Đây

là những u điểm cơ bản mà kỹ thuật viễn thám trong giải sóng nhìn thấyhoặc hồng ngoại không thể có đợc Hơn nữa chỉ có kỹ thuật này mới cungcấp đợc những thông tin về gió trên mặt biển, hớng sóng Những thôngtin này đợc phân tích dựa trên hiệu ứng Doppler, sự phân cực của chùmtia phản xạ, hoặc chùm năng lợng tán xạ mà trong giải sóng nhìn thấyhoặc gần hồng ngoại là không thể có đợc Tuy nhiên nhợc điểm cơ bảncủa nó là yêu cầu các công nghệ xử lý và phân tích hiện đại

Có hai loại viễn thám siêu cao tần : chủ động và bị động

Kỹ thuật chủ động thu nhận năng lợng tán xạ của chùm tia do máyphát phát ra sau khi tới đợc bề mặt vật thể Các ra đa có cửa mở tổng hợp(Synthetic aperture radar), tán xạ kế siêu cao tần (microwavescatterometer), ra đa đo độ cao v.v là những ví dụ về bộ cảm siêu cao tầnchủ động

Kỹ thuật bị động thu nhận và phân tích bức xạ siêu cao tần do chínhvật thể phát ra Bức xạ kế siêu cao tần là ví dụ về bộ cảm siêu cao tần bị

động

Trên hình 10 là sơ đồ nguyên lý của viễn thám siêu cao tần chủ động

và bị động

Cơ sở toán lý của viễn thám siêu cao tần đợc xây dựng trên phơngtrình ra đa và các định luật của Rayleigh Jeans.

4.2 Bức xạ siêu cao tần và sự suy giảm của nó

Sự suy giảm của bức xạ siêu cao tần gây bởi sự hấp thụ của khí

quyển hay sự tán xạ trong không khí do các hạt bụi lơ lửng gây nên Độsuy giảm của sóng siêu cao tần có thể đợc diễn tả nh một hàm số mũtrong đó khoảng cách từ nguồn phát đến vật phản xạ là đối số cơ bản.Trong một môi trờng khí quyển đồng nhất sự suy giảm sẽ tăng một cách tỉ

lệ với khoảng cách Độ suy giảm theo một đơn vị khoảng cách đợc gọi là

độ suy giảm đặc trng Trong trờng hợp quan sát từ vệ tinh do khoảng cách

từ bộ cảm và vật thể quan sát quá lớn nên sự suy giảm của bức xạ thu đợcphụ thuộc chủ yếu vào trạng thái khí quyển và thành phần của nó trên đ-ờng truyền Đặc biệt hơi nớc trong khí quyển gây nên sự suy giảm rấtmạnh nên ngời ta có thể lợi dụng đặc tính này để xác định hàm lợng hơinớc

Bề mặt trái đất tự bức xạ một lợng nhỏ năng lợng siêu cao tần, sóngnhìn thấy và bức xạ nhiệt Bức xạ nhiệt của vật đen tuyệt đối trong vùngsóng nhìn thấy và gần hồng ngoại nhiệt tuân theo định luật Plank Bức xạnhiệt trong vùng sóng siêu cao tần tuân theo định luật Rayleigh Jeans Một vật thể thật không có đầy đủ các tính chất của vật đen tuyệt đối

đôi khi còn đợc gọi là vật xám bức xạ ra một năng lợng tuy nhỏ hơn vật

đen tuyệt đối nhng luôn ổn định Nhiệt độ chói (brightness temperature)

bề mặt và hệ số tán xạ

Trong trờng hợp bề mặt vật chất là trơn nhẵn thì bức xạ siêu cao tần

sẽ bị phản xạ là chính Cờng độ của chùm tia phản xạ đợc định nghĩa bởi

định luật Fresnel

Khi mức độ gồ ghề của bề mặt vật chất tăng lên thì ngoài thành phầnphản xạ còn bắt đầu xuất hiện thành phần tán xạ Thành phần phản xạ đ-

ợc gọi là thành phần đồng hớng và thành phần tán xạ đợc gọi là thànhphần không đồng hớng (coherent and incoherent)

Khi bề mặt vật chất hoàn toàn là gồ ghề thì thành phần phản xạ hoàntoàn triệt tiêu và chỉ còn tồn tại thành phần tán xạ Sự tán xạ nh vậy tuântheo định luật Rayleigh và Fraunhofer

Theo định luật này bề mặt đợc gọi là bằng phẳng nếu:

∆ h < / 8 cos λ θ (theo Rayleigh)

∆ h < / 32 cos λ θ (theo Fraunhofer)

Hệ số tán xạ ngợc đợc định nghĩa theo công thức:

σ σ = / A i i Trong đó

σ i Năng lợng siêu cao tần chiếu xuống bề mặt A i

Hệ số tán xạ ngợc phụ thuộc vào độ gồ ghề của bề mặt và góc chiếucủa chùm tia xuống bề mặt Đồ thị trên hình 11 thể hiện khái quát sự phụthuộc này

Cờng độ của bức xạ tán xạ là tỷ lệ thuận với sự bất liên tục của độcảm ứng điện từ và mật độ của những vùng đồng nhất trong môi trờngkhảo sát

4.5 An ten và những tính chất cơ bản của chúng

An ten là một thiết bị nhằm biến đổi một dao động điện thành sóng

điện từ và ngợc lại An ten dùng để phát hoặc thu các sóng điện từ

An ten trong viễn thám siêu cao tần đợc chia thành 3 kiểu chính đó

là an ten dạng sừng, an ten phản xạ gơng và an ten mảng

An ten dạng sừng đợc sử dụng làm nguồn cung cấp năng lợng chocác an ten phản xạ, nguồn cung cấp bức xạ kiểm định trong đo nhiệt hoặccho các hệ thống ra đa chủ động

An ten phản xạ ví dụ nh an ten parabol và Cassegrain đợc tạo bởi haiphần chính đó là gơng phản xạ và nguồn phát sóng An ten phản xạ đợc

sử dụng trong bức xạ kế siêu cao tần, máy đo độ cao và tán xạ kế

An ten mảng đợc cấu tạo bởi một mảng liên kết tuyến tính, đều hoặckhông đều các phần tử phát sóng hoặc thu sóng lỡng cực An ten mảng đ-

ợc sử dụng trong các hệ ra đa có cửa mở tổng hợp (SAR)

An ten đợc sử dụng để phát hoặc thu sóng điện từ theo một hớngnhất định trong không gian nên có thể coi an ten là một bộ lọc khônggian của sóng điện từ (spatial filter)

Các tính chất của an ten có thể đơc khảo sát dựa trên phân tích chuỗiFurie cho bức xạ đợc phát hoặc thu Nếu cửa mở của an ten là vô hạn thìbức xạ phát ra có dạng xung Trong thực tế cửa mở của an ten là thực (cókích thớc giới hạn) nên chùm tia phát ra đợc chia thành các chùm tiachính và phụ Một chùm tia đợc định nghĩa giữa hai điểm có cờng độbằng 0 Chùm tia có cờng độ lớn nhất là chùm tia chính

5 Các bộ cảm sử dụng trong viễn thám siêu cao tần

5.1 Các loại bộ cảm siêu cao tần

Các bộ cảm siêu cao tần có thể đợc chia thành hai nhóm chính: chủ

- Hàm lợng muối trong nớc biển

- Hơi nớc trong khí quyển

- Nhiệt độ không khí và thành phần khí quyển

Bộ cảm siêu cao tần chủ động gồm ba nhóm chính: tán xạ kế siêu caotần, máy đo độ cao siêu cao tần và ra đa tạo ảnh

Tán xạ kế siêu cao tần thờng đợc sử dụng để ghi nhận các thông tinsau:

Máy đo độ cao siêu cao tần dùng để xác định

- Địa hình mặt biển, hình dạng geoid

- Chiều cao của sóng biển

- Sự biến động của dòng biển

- Địa hình và các vấn đề địa chất

- Địa hình đáy biển

5.2 Ra đa cửa mở thực

Ra đa cửa mở thực (real aperture rada) hoạt động theo nguyên lý trênhình 13 Ra đa phát ra một chùm tia hẹp chuyển động trong mặt phẳngvuông góc với hớng bay và thu nhận chùm tia tán xạ từ các đối tợng Bứcxạ thu đợc đợc chuyển thành tín hiệu điện và đợc lu lại dới dạng số

Độ phân giải của t liệu đợc chia làm hai loại đó là độ phân giải theochiều vuông góc với hớng bay (range direction) và dọc theo tuyến bay(azimuth direction)

Độ phân giải vuông góc với hớng bay hay độ phân giải ngang phụthuộc vào độ hẹp của xung điện Tuy nhiên nếu giảm đại lợng này quánhiều với mục đích tăng độ phân giải thì nhiễu trong tín hiệu thu đợccũng sẽ tăng theo Cho nên cần phải chọn độ hẹp vừa phải và kết hợpnhiều biện pháp kỹ thuật khác nhau nhằm có thể tăng độ phân giải màvẫn khống chế đợc nhiễu

Độ phân giải dọc theo tuyến bay hay độ phân giải dọc phụ thuộc vào

bề rộng của chùm tia và khoảng cách tới nguồn phát.Để đạt đợc độ phângiải cao ngời ta sử dụng những an ten có kích thớc lớn (đạt đợc chùm tiahẹp) và bớc sóng ngắn Tuy nhiên không thể lắp một an ten có bán kính 1

km với bớc sóng 25 cm để đạt đợc độ phân giải 25 m ở khoảng cách 100

km trên các vật mang vũ trụ đợc Cho nên ra đa có cửa mở thực có nhiềugiới hạn trong việc cải thiện độ phân giải dọc

5.3 Ra đa cửa mở tổng hợp

So với ra đa có cửa mở thực thì ra đa có cửa mở tổng hợp (SAR) cókhả năng tăng đợc độ phân giải dọc với cùng một kích thớc an ten vàcùng tần số phát sóng Tuy vậy việc xử lý t liệu SAR phức tạp hơn nhiều

so với t liệu ra đa cửa mở thực Trên hình 14 là sơ đồ mô tả mối tơngquan giữa ra đa cửa mở thực và ra đa cửa mở tổng hợp Khác với RAR,SAR liên tục thu tín hiệu tán xạ từ vật thể trong quá trình phát sóng Khi

mà vật mang luôn chuyển động và có sự biến động về khoảng cách giữanguồn phát và vật thể (ví dụ gây bởi sự bất ổn định trong vận tốc của vậtmang) thì sẽ xảy ra hiệu ứng Dopller Hiệu ứng này tạo ra những khókhăn trong quá trình xử lý số liệu, do vậy các vật mang của hệ thống SARphải có độ ổn định trong quá trình bay rất cao

5.4 Cơ sở hình học của ảnh ra đa và một số tính chất của chúng

ảnh ra đa thu đợc bị ảnh hởng bởi nhiều yếu tố hình học gây bởi cơchế tạo ảnh, cấu trúc địa hình Những ảnh hởng này đợc mô tả khái quáttrên hình 15 Có ba hiện tợng đáng chú ý trong quá trình giải đoán và xử

lý ảnh ra đa là phủ chồng (lay over), co ngắn (fore shortening) và khuấtbóng (shadow)

Hiện tợng phủ chồng xảy ra khi góc xiên (off nadir angle) ở vị trí mà

đỉnh của đối tợng quan sát lại gần máy phát hơn chân của nó Hiện tợng

co ngắn xảy ra khi hình chiếu lớn hơn hình chiếu Hiện tợng khuất bóngthờng xuất hiện khi đối tợng cần quan sát nằm khuất sau một đối tợngkhác do vậy chùm tia bức xạ siêu cao tần không thể chiếu vào vật đó đợc Vấn đề xử lý t liệu ra đa là tơng đối phức tạp vì tín hiệu thu đợckhông phải là ảnh mà những sự biến đổi về pha gây bởi địa hình Quátrình xử lý nhằm tạo ra một t liệu ảnh có cấp độ xám tỷ lệ với cờng độ tínhiệu tán xạ thu đợc đợc gọi là tái tạo ảnh (image reconstruction) Trênhình 16 là sơ đồ quy trình tái tạo ảnh áp dụng cho t liệu SAR Quá trìnhtái tạo ảnh đợc chia làm hai giai đoạn chính đó là nén ngang và dọc Mục

đích của việc nén là chuyển tín hiệu từ dạng diện về dạng điểm Ngời tathờng dùng phép biến đổi Furie vào mục đích này và đồng thời xác địnhluôn cả hàm đặc trng (reference function) Trong quá trình tạo ảnh có mộtvấn đề rất khó giải quyết đó là nhiễu hạt tiêu (pepper noise) gây bởi cácnhiễu tần số cao

Reyleigh-bản hiện đang sử dụng trên các vệ tinh Đó là máy quét hình nón (conicalscanning) và máy quét ngang tuyến bay (cross track scanning).

Tán xạ kế có thể đo đợc các tín hiệu thông qua nguồn năng lợng tánxạ từ bề mặt vật thể Do các giải sóng sử dụng rất hẹp cho nên nó đợc sửdụng để thu nhận các thông tin mà các bộ cảm thông thờng không thểphát hiện đợc Có hai loại tán xạ kế cơ bản hiện đang đợc sử dụng đó làtán xạ kế kiểu xung (pulse type) và phát sóng liên tục (continuos wavetype)

6 Vật mang và qũy đạo bay

6.1 Phân loại vật mang

Một phơng tiện dùng để bố trí các bộ cảm trên đó đợc gọi là vậtmang (platform) Vệ tinh và máy bay là những vật mang cơ bản Tuy vậycòn có nhiều loại vật mang khác có độ cao hoạt động từ vài chục mét trởlên

Trên hình 18 là bảng phân loại các vật mang theo độ cao Nhìnchung có thể chia chúng thanh những nhóm chính sau

- Vệ tinh địa tĩnh

- Vệ tinh tài nguyên

- Các vật mang quỹ đạo thấp

- Các vật mang tầng máy bay

- Các vật mang tầng thấp

Vật mang Chiều cao Hình thức

quansát

Chú thích

Vệ tinh địa

tĩnh

36,000km

Quan sát từmột điểm cố định

GMS

Vệ tinh quỹ

đạo tròn

500 km-1000km

Quan sát đều

đặn theo chu kỳ

LANDSAT,SP

OT MOS-1Tàu vũ trụ

con thoi

240 - 350 km Quan sát

không đều, theotừng cuộc thínghiệmBóng thám

không 100 m -100km nhiều đối tợngNghiên cứu

khác nhauMáy bay

6.2 Chuyển động của vật mang trong khí quyển và sự ổn định của chúng

Vật mang khi chuyển động trong vũ trụ, khí quyển chịu nhiều tác

động của môi trờng xung quanh.Đó là các tác động nh áp xuất, mật độkhông khí và nhiệt độ Những tác động này dẫn đến sự mất ổn định thếcủa vật mang khi chuyển động trên quỹ đạo của mình Thế của vật mang

đợc phân chia thành những phần chính sau:

- Các góc quay quanh 3 trục toạ độ

- Các dao động ngẫu nhiên không thể đo đợc

Các đại lợng mô tả thế của vật mang có thể thấy đợc trên hình 13 Để cóthể xác định chính xác thế của vật mang nhằm hiệu chỉnh chính xác hình học t liệu thu đợc cần phải liên tục ghi lại các thông số cơ bản mô tả thế của vật mang Đó là những thiết bị chính sau:

- Máy ghi nhật ký bay (flight recorder)

6.3 Quỹ đạo bay và các thông số cơ bản

Một tập hợp các thông số cơ bản mô tả quỹ đạo chuyển động của vậtmang đợc gọi là các thông số quỹ đạo bay Có 6 thông số cơ bản của quỹ

đạo chuyển động tuân theo định luật Kepler áp dụng cho các vật thểchuyển động trong vũ trụ

Theo định luật này thì vệ tinh có thể đợc coi nh một vật thể quayxung quanh trái đất trong một mặt phẳng quỹ đạo không có tác động củalực hấp dẫn của mặt trăng và mặt trời Thực ra thì vẫn tồn tại tơng tácgiữa các truờng hấp dẫn của trái đất, mặt trăng và mặt trời Nhng trong

nhiều bài toán thực tế thì ảnh hởng của mặt trăng và mặt trời có thể bỏqua vì chúng nhỏ hơn nhiều so với tác động của trọng trờng trái đất.

Sáu thông số quỹ đạo cơ bản của một vật chuyển động trong vũ trụlà:

- Thời điểm bay qua điểm gần nhất

Trên hình 15 là sơ đồ mô tả các thông số quỹ đạo bay theo định luậtKepler

Quỹ đạo chuyển động của vệ tinh đợc chia thành nhiều loại dựa theohình dạng quỹ đạo, góc nghiêng, chu kỳ và tần xuất lặp

Quỹ đạo đồng bộ trái đất là quỹ đạo mà trên nó vệ tinh chuyển độngcùng một vận tốc góc nh trái đất nghĩa là nó quay một vòng trên quỹ đạocủa mình mất 24 giờ hay 86164.1 giây Quỹ đạo đồng bộ trái đất với gócnghiêng 0 độ đợc gọi là quỹ đạo địa tĩnh Các vệ tinh địa tĩnh luôn treo lơlửng tại một điểm trên không trung do vậy nó đợc sử dụng vào nhiều mục

đích quan sát khí tợng hoặc truyền tin

Quỹ đạo đồng bộ mặt trời đợc các vệ tinh tài nguyên sử dụng nhiềuvì u điểm của nó luôn tạo đợc một điều kiện chiếu sáng ổn định

Quỹ đạo có chu kỳ lặp một ngày (recurent) và nhiều ngày recurent) là những quỹ đạo mà vệ tinh trở lại điểm nadir trong cùng mộtngày hoặc sau nhiều ngày

(semi-7 các vệ tinh viễn thám

Một vệ tinh mang bộ cảm viễn thám đợc gọi là vệ tinh viễn thám(remote sensing satellite) hay vệ tinh quan sát mặt đất (earth observationsatellite) Các vệ tinh viễn thám có thể đợc chia thành các nhóm chínhsau:

- Vệ tinh địa tĩnh ví dụ GMS

- Vệ tinh khí tợng ví dụ NOAA

- Vệ tinh tài nguyên ví dụ LANDSAT, SPOT

Các hệ thống thiết bị chính của vệ tinh viễn thám là nh sau:

- Hệ thống kiểm tra theo dõi tuyến bay

- Hệ thống kiểm tra hoạt động của vệ tinh

- Hệ thống thu nhận số liệu

Trên hình 21 là sơ đồ vệ tinh JERS-1 của Nhật Bản và các hệ thốngthiết bị chính

7.1 LANDSAT

Vệ tinh Landsat là vệ tinh viễn thám đầu tiên đợc phóng lên quỹ đạonăm 1972 Cho đến nay đã có 5 thế hệ vệ tinh Landsat đã đợc phóng lênquỹ đạo Trên hình 22 là một số thông số cơ bản của vệ tinh Landsat Tliệu vệ tinh Landsat là t liệu viễn thám hiện đang đợc sử dụng rộng rãitrên toàn thế giới và kể cả Việt Nam

a Quỹ đạo vệ tinh Landsat 4,5 và 6 đợc đặc trng bởi các thông sốchính sau:

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

- Quỹ đạo đồng bộ mặt trời và bán lặp lại

- Thời điểm bay qua xích đạo 9:39 sáng

đất 185 x 170 km Mỗi cảnh đợc đánh số theo hệ quy chiếu toàn cầu gồm

số hiệu của hàng và tuyến (path, row) Các giá trị của pixel đợc mã 8 bittức là cấp độ xám ở trong khoảng 0-255

7.2 SPOT

Vệ tinh SPOT đợc phóng lên quỹ đạo lần đầu tiên vào tháng 2 năm

1986 Mỗi vệ tinh SPOT đợc trang bị hai bộ cảm HRV (High ResolutionVisible imaging system) cho phép thu ảnh lập thể hoặc toàn cảnh.Nguyên lý hoạt động và một số thông số bộ cảm của vệ tinh SPOT đợcnêu trên hình 23

a Quỹ đạo

- Độ cao bay: 830 km, góc nghiêng của mặt phẳng quỹ đạo 98.7 độ

- Quỹ đạo đồng bộ mặt trời và bán lặp lại

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

- Chu kỳ lặp: 26 ngày trong chế độ quan sát bình thờng

b Bộ cảm

Bộ cảm HRV không phải là máy quét quang cơ mà là máy quét điện

tử CCD HRV có thể thay đổi góc quan sát nhờ một gơng định hớng

G-ơng này cho phép thay đổi hớng quan sát 27 độ nên có thể thu đợc ảnhlập thể.

c T liệu

Mỗi cảnh của SPOT phủ một vùng trên mặt đất rộng 60 x 60 km.Mỗi cảnh đợc xác định theo số hiệu trong hệ thống quy chiếu lới toàn cầuSPOT GRS

7.3 Các vật mang quỹ đạo cực

Các vật mang quỹ đạo cực POP (Polar orbit platform) là thế hệ vậtmang mới đang đợc nghiên cứu và phát triển cho mục đích tạo đợc vậtmang có thời gian tồn tại lâu trong vũ trụ, mang đợc nhiều bộ cảm và sửdụng đa mục đích POP đợc cấu tạo từ các mô dul chính nh trạm vũ trụchính, tàu con thoi và phơng tiện giao lu giữa các trạm vũ trụ POP đợcthiết kế theo nguyên lý các mô dul có thể đợc thay thế Một cấu trúc nhvậy đơng nhiên tạo ra một hệ thống có kích thớc lớn nhng thời gian tồntại trong vũ trụ cũng đợc tăng lên rất nhiều

8 t liệu sử dụng trong viễn thám

8.1 T liệu số

Các bức ảnh có cấp độ xám hoặc màu sắc thay đổi liên tục ví dụ nh

ảnh chụp thông thờng lu trên phim hoặc giấy ảnh đợc gọi là ảnh tơng tự

ảnh số là một dạng t liệu ảnh không lu trên giấy ảnh hoặc phim Nó đợcchia thành nhiều phần tử nhỏ thờng đợc gọi là pixel Mỗi pixel tơng ứngvới một đơn vị không gian Quá trình chia một ảnh tơng tự thành cácpixel đợc gọi là chia mẫu (sampling) và chia cấp độ xám liên tục thànhmột số nguyên hữu hạn là lợng tử hóa Các pixel thờng có hình dạngvuông, tuy vậy các pixel hình tam giác hay hình lục lăng cũng có thể đợctính đến Mỗi pixel đợc xác định bằng tọa độ hàng, cột Hệ tọa độ ảnh th-ờng có điểm 0 ở góc trên bên trái và tăng dần từ trái sang phải đối với tọa

độ cột và từ trên xuống dới đối với chỉ số hàng Trong quá trình chia mẫu

từ một ảnh tơng tự thành ảnh số thì độ lớn của pixel hay tần xuất chiamẫu phải đợc chọn tối u Trong trờng hợp pixel quá lớn thì chất lợng ảnh

sẽ tồi còn trong trờng hợp ngợc lại thì dung lợng thông tin cần lu trữ lạiqúa lớn Ngời ta sử dụng bổ đề Shannon để tìm đợc ngỡng chia mẫu tối u

Bổ đề đợc phát biểu nh sau: Sẽ không bị mất thông tin nếu việc chia mẫu

đợc thực hiện với độ lớn bằng nửa tần xuất cực đại của chùm sóng tơng tựnguyên bản Trên hình 24 là sơ đồ nguyên lý chia mẫu và lợng tử hóa một

ảnh tơng tự

8.2 Các tính chất của t liệu số

T liệu ảnh số đợc đặc trng bởi một số thông số cơ bản về hình học,bức xạ Sau đây là giới thiệu khái quát các thông số cơ bản

Trờng nhìn không đổi (instantaneous field of view) IFOV đợc địnhnghĩa là góc không gian tơng ứng với một đơn vị chia mẫu trên mặt đất.Lợng thông tin ghi đợc trong IFOV tơng ứng với giá trị của pixel

Góc nhìn tối đa mà một bộ cảm có thể thu đợc sóng điện từ đợc gọi

là trờng nhìn (field of view) IFOV Khoảng không gian trên mặt đất doFOV tạo nên chính là bề rộng tuyến bay

Mộ vùng bé nhất trên mặt đất mà bộ cảm có thể cảm nhận đợc đợcgọi là độ phân giải mặt đất Đôi khi hình chiếu của một pixel lên mặt đấtcũng đợc gọi là độ phân giải mặt đất

Bởi vì t liệu số đợc ghi lại theo những giải phổ khác nhau nên ngời tagọi là t liệu đa phổ, đa kênh hoặc nhiều band Trên hình 25 là sơ đồ mô tảmối tơng quan giữa các khái niệm vừa nêu

Năng lợng sóng điện từ sau khi tới đợc bộ dò đợc chuyển thành tínhiệu điện và sau khi đợc lợng tử hóa trở thành t liệu số Trong toàn bộ giảisóng tơng tự thu đơc chỉ có phần biến đổi tuyến tính đợc lợng tử hóa Haiphần biên của tín hiệu không đợc xét đến vì chúng một phần chứa nhiềunhiễu phần khác không giữ đợc quan hệ tuyến tính giữa thông tin và tínhiệu Xác định ngỡng nhiễu là một việc hết sức cẩn thận Chất lợng của tliệu đợc đánh giá qua thông số tỷ số tín hiệu-nhiễu (signal to noise ratio)

Tỷ số tín hiệu nhiễu đợc định nghĩa thông qua biểu thức sau:

Thông tin đợc lu theo đơn vị bit Thông thờng các t liệu viễn thám số

đợc ghi theo 6,7 hoặc 8 bit Riêng t liệu vệ tinh NOAA dùng 10 bit để ghi.Trong xử lý số, đơn vị xử lý thờng là byte 1 byte = 8 bit Do vậy đối với tliệu đợc mã với số bit nhỏ hơn hoặc bằng 8 thì đợc lu ở dạng 1 byte (bytetype) và t liệu có số bit lớn hơn 8 đợc lu ở dạng 2 byte hay trong một từ(word type) Trong một byte có thể lu đợc 256 cấp độ xám còn trong một

từ có thể lu đơc 65536 cấp xám

Khối lợng t liệu đợc lu đợc xác định nh sau:

A (byte) = số hàng x số cột x số kênh x số bit / 8

8.3 Các khuôn dạng t liệu số trong viễn thám

T liệu số đợc ghi lại và tổ chức theo những trật tự nhất định gọi làkhuôn dạng (format) Trên hình 26 là các khuôn dạng thông dụng của tliệu ảnh số

Khuôn dạng BSQ (Band Sequence) là khuôn dạng trong đó các kênhphổ đợc lu tuần tự hết kênh này sang kênh khác.

Khuôn dạng BIL (Band Interleaved by Line) là khuôn dạng trong đó

t liệu đợc ghi theo từng hàng Mỗi hàng đợc ghi tuần tự theo kênh phổ vàsau tổ hợp kênh phổ của hàng này lại chuyển sang hàng khác

Khuôn dạng BIP ( Band Interleaved by Pixel) là khuôn dạng mà cáckênh phổ đợc cách nhau bởi các pixel Mỗi pixel đợc lu tuần tự theo cáckênh, sau khi kết thúc tổ hợp phổ của pixel này lại chuyển sang tổ hợpphổ của pixel khác

Ngoài các thông tin ảnh, trong mỗi một lần lu trữ ngời ta phải lunhiều thông tin bổ trợ khác nữa Những thông tin này đợc gọi là thông tin

bổ trợ Các thông tin bổ trợ đợc lu ở các khuôn dạng chuẩn nh WSF( Wolrd Standard Format) hoặc LTWG (Landsat Technical WorkingGroup) Trong mục thông tin bổ trợ lu trữ các thông số kỹ thuật về quátrình thu thông tin, số hiệu của ảnh, ngày, tháng, năm, các chỉ tiêu chất l-ợng

8.4 Số liệu mặt đất

Số liệu mặt đất là một tập hợp các quan sát, mô tả, đo đạc về các

điều kiện thực tế trên mặt đất trong đó các vật thể cần nghiên cứu tồn tạinhằm xác định mối tơng quan giữa tín hiệu thu đợc và bản thân các đối t-ợng Nói chung các số liệu mặt đất cần phải đợc thu thập đồng thời trongcùng một thời điểm với số liệu vệ tinh hoặc trong một khoảng thời giansao cho các sự thay đổi của các đối tợng nghiên cứu trong thời gian đókhông ảnh hởng tới việc xác định các mối quan hệ cần tìm

Số liệu mặt đất đợc sử dụng cho các mục đích sau:

- Thiết kế các bộ cảm

- Kiểm định các thông số kỹ thuật của bộ cảm

- Thu thập các thông tin bổ trợ cho quá trình phân tích và hiệu chỉnh

số liệu

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

a Các thông tin tổng quan cũng nh chi tiết về đối tợng nghiên cứu

nh chủng loại, trạng thái, tính chất phản xạ và hấp thụ phổ, hình dáng bềmặt, nhiệt độ

b Các thông tin về môi trờng xung quanh, góc chiếu và độ cao mặttrời, cờng độ chiếu sáng, trạng thái khí quyển, nhiệt độ, độ ẩm không khí,hớng và tốc độ gió

Tuy nhiên tùy vào từng trờng hợp cụ thể mà các thông tin cần thuthập có thể khác nhau về chủng loại cũng nh mức độ chi tiết.

Do việc thu thập số liệu mặt đất là một công việc tốn kém thời gian

và kinh phí cho nên ngời ta thờng thành lập các khu vực polygon thửnghiệm trong đó có đầy đủ các đối tợng cần theo dõi và đo đạc

8.5 Số liệu định vị mặt đất

Để có thể đạt đợc các độ chính xác trong qúa trình hiệu chỉnh hìnhhọc cần phải có các điểm định vị trên mặt đất có toạ độ địa lý đã biết.Những điểm này thờng đợc bố trí tại những nơi mà vị trí của nó có thểthấy đợc dễ dàng trên ảnh và bản đồ Tuy nhiên không phải lúc nào cũng

có thể lấy hoặc đo tọa độ của nó một cách dễ dàng cho nên hiện nay ngời

ta sử dụng nhiều hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global positioningsystem) vào mục đích này

GPS là một kỹ thuật xác định vị trí dựa trên vệ tinh Trên hình 27 làsơ đồ nguyên lý xác định toạ độ của kỹ thuật GPS Có hai phơng pháp

định vị đợc sử dụng đó là định vị đơn điểm và định vị tuơng đối

Định vị đơn điểm là phơng pháp xác định toạ độ dựa trên một bộcảm Đô chính xác tọa độ đợc xác định là khoảng 10-30 m Có 4 ẩn sốcần tìm là và Chính vì vậy cần phải có ít nhất 4 vệ tinh đợc nhìn thấy

đồng thời cùng một lúc trên bầu trời Hệ thống định vị toàn cầu GPS có

18 vệ tinh bay ở độ cao 20 000 km với 3 quỹ đạo khác nhau và mỗi quỹ

đạo có 6 vệ tinh cho phép tại bất cứ điểm nào của trái đất cũng nhìn thấy

4 vệ tinh trên bầu trời trong cùng một thời điểm

Định vị tơng đối là phơng pháp xác định tọa độ dựa trên tọa độ của

điểm cho trớc Trong trờng hợp này chỉ cần hai vệ tinh GPS đợc trôngthấy trong cùng một thời điểm Độ chính xác của phơng pháp này phụthuộc vào khoảng cách từ điểm cho trớc đến điểm cần đo và thờng trongkhoảng 2-5 cm đối với vị trí và 20 đến 30 cm cho độ cao

b Bản đồ chuyên đề Các bản đồ chuyên đề nh sử dụng đất, rừng, địachất v.v tỷ lệ khoảng từ 1/50 000 đến 1/250 000 rất cần thiết cho việcnghiên cứu chuyên đề, chọn vùng mẫu và phân loại Nếu các bản đồ này

đợc số hoá và lu trữ trong máy tính thì có thể đợc sử dụng để xây dựng cơ

sở dữ liệu hệ thông tin địa lý

c Bản đồ kinh tế xã hội Các ranh giới hành chính, hệ thống giaothông, các chỉ số thống kê nông, công nghiệp cũng là những thông tinquan trọng có thể đợc khai thác trong viễn thám

Bên cạnh các dạng số liệu bản đồ truyền thống nh đã đề cập ở trêncòn có một dạng số liệu khác đang ngày càng đợc sử dụng rộng rãi trongnhiều lĩnh vực khác nhau kể cả viễn thám đó là mô hình số địa hình(digital terrain model) hay DEM (digital elevation model)

Có bốn phơng pháp chính để tạo ra DTM

1) Đờng bình độ

Thông thờng trên các bản đồ địa hình độ cao đợc thể hiện thông qua

đờng bình độ với một khoảng cao đều nhất định phụ thuộc vào tỷ lệ bản

đồ

2) Lới số liệu độ cao phân bố đều

Đối với máy tính thì số liệu lu ở dạng lới dễ sử dụng nhất Toàn bộ bềmặt địa hình đợc chia thành từng ô nhỏ, mỗi ô đợc cất giữ với các số liệu

độ cao Tại những điểm ngoài điểm nút thì các giá trị độ cao đợc nội suydựa theo bốn điểm lân cận gần nhất

3) Điểm độ cao phân bố ngẫu nhiên

Các điểm độ cao phân bố ngẫu nhiên đợc tổ chức thành lới tam giác.Việc sử dụng lới tam giác có u thế trong việc kiểm tra mật độ các điểm

nh vậy tiết kiệm đợc không gian lu trữ nhng cũng có yếu điểm là việc tínhtoán, tìm kiếm sẽ phức tạp và lâu hơn trong trờng hợp lới đều

4) Các hàm mô tả bề mặt

Các hàm mô tả bề mặt bậc 3, 4 hoặc cao hơn có thể đợc sử dụng.Ngời ta cũng sử dụng hàm spline vào việc mô tả toán học một bề mặt Trên hình 28 là hai dạng lới cơ bản đợc áp dụng trong việc tái tạomô hình số địa hình

8.7 Truyền và thu số liệu vệ tinh

Các số liệu truyền từ vệ tinh không phải chỉ chứa riêng các t liệu viễnthám mà còn chứa nhiều thông tin bổ trợ khác nữa Tất cả các số liệu đợctruyền dới dạng số dới dạng PCM (pulse code modulation) Việc sử dụngtín hiệu số u việt hơn hẳn các phơng pháp truyền khác vì nó cho phép loại

bỏ mọi nhiễu, năng lợng tiêu thụ cho việc phát sóng cũng rất nhỏ Vì số ợng t liệu cần truyền là rất lớn nên cần sử dụng các giải sóng có tần số rấtcao từ vài GHZ đến vài chục GHZ làm sóng tải thông tin

Thông thờng thì các t liệu đợc truyền và thu trực tiếp giữa vệ tinhviễn thám và trạm thu Hệ thống truyền thu thông tin nh vậy có nhiều nh-

ợc điểm do hạn chế tầm nhìn vì chỉ thực hiện đợc việc thu phát khi vệ tinhviễn thám nằm trong tầm nhìn của nhau

Có hai hệ thống truyền thu t liệu viễn thám chính đó là MDR(mission data recorder) và TDRS ( tracking and data relay satellite) Cảhai hệ thống này đều cho phép thu nhận thông tin tại những vùng không

có trạm thu Trên hình 29 là sơ đồ nguyên lý hoạt động của TDRS

9 giải đoán ảnh

9.1 Tách thông tin trong viễn thám

Việc tách thông tin trong viễn thám có thể phân thành 5 loại nh trênhình 30 Phân loại là một quá trình tách, gộp thông tin dựa trên các tínhchất phổ, không gian và thời gian của đối tợng Phát hiện biến động(change detection) là sự phát hiện và tách các sự biến động dựa trên t liệu

ảnh đa thời gian Chiết tách các thông tin tự nhiên tơng ứng với việc đonhiệt độ, trạng thái khí quyển, độ cao của vật thể dựa trên các đặc trngphổ hoặc thị sai của ảnh lập thể Xác định các chỉ số là việc tính toán cácchỉ số mới ví dụ nh chỉ số thực vật Xác định các đặc tính hoặc hiện t-ợng đặc biệt nh thiên tai, các cấu trúc tuyến tính, các biểu hiện tìm kiếmkhảo cổ v.v

Quá trình tách thông tin từ ảnh có thể đợc thực hiện bằng máy tínhhay giải đoán bằng mắt Mỗi phơng pháp đều có những u điểm và yếu

điểm của nó Việc xử lý dựa trên cả ngời và máy đợc thực hiện thông quanhững hệ thống xử lý tơng tác ngời máy

Do việc giải đoán dựa trên tri thức con ngời là tốn kém thời gian vàrất đắt nên ngời ta đang phát triển các hệ chuyên gia (expert system) Đó

là các hệ chơng trình máy tính có khả năng mô phỏng tri thức chuyên giacủa con ngời trong các lĩnh vực chuyên môn phục vụ cho việc giải đoán

®Ưc biÖt X¸c ®Þnh c¸c cÍu tróc tuyÕn tÝnh, kh¶o cư

Con ngíi

( gi¶i ®o¸n b»ng m¾t) îc c¸c tri thøc chuyªnCê thÓ khai th¸c

®-gia vµ kinh nghiÖmPh©n tÝch ®îc c¸cth«ng tin ph©n bỉkh«ng gian

Tỉn kÐm thíi gianKÕt qu¶ kh«ng

®ơng nhÍt

M¸y tÝnh

( Xö lý ¶nh )

Thíi gian xö lýng¾n

con ngíiKÕt qu¶ ph©n tÝchc¸c th«ng tin ph©n bỉkh«ng gian kÐm

9.2 Gi¶i ®o¸n ¶nh

Gi¶i ®o¸n ¶nh ®îc ®Þnh nghÜa nh mĩt qu¸ tr×nh t¸ch c¸c th«ng tin

®Þnh tÝnh còng nh ®Þnh lîng tõ ¶nh ra b¶n ®ơ dùa trªn c¸c tri thøc chuyªn

m«n hoƯc kinh nghiÖm cña ngíi gi¶i ®o¸n

Trong viÔn th¸m viÖc gi¶i ®o¸n ¶nh ®îc thùc hiÖn cho toµn c¶nh, mĩt

phÌn cña mĩt c¶nh, mĩt cƯp ¶nh lỊp thÓ hay mĩt ¶nh m¸y bay ®¬n lÎ S¬

®ơ tưng qu¸t cho viÖc gi¶i ®o¸n ¶nh ®îc nªu trªn h×nh 31

ChuÂn bÖ tò liỊu ¢nh

Khai th¤c c¤c thăng tin bđ trị

Šßc ¢nh Trºc Ơ¥c ¢nh

Ph¿n tÕch ¢nh

Th¡nh lÔp b¢n Ơâ chuyỊn Ờ

ChuÂn bÖ c¤c tò liÑu ¢nh Šßc c¤c thăng tin bđ trị v¡ ƠÖnh vÖ ¢nh theo b¢n dâ T¥o kho¤ gi¢i Ơo¤n

Šo Ơ¥c c¤c yÏu tô ƠÖnh lòịng Ph¿n tÕch c¤c yÏu tô v¡ gi¢i Ơo¤n c¤c Ơôi tòịng TrÒnh b¡y kÏt qu¢ gi¢i Ơo¤n

9.3 Lập thể học

Một cặp ảnh của cùng một đối tợng chụp từ hai điểm khác nhautrong không gian có thể đợc quan sát lập thể nếu đợc nhìn sao cho mắttrái chỉ nhìn thấy ảnh trái và mắt phải chỉ nhìn thấy ảnh phải Lập thể học

đợc xây dựng theo nguyên lý Porro-Koppe Nguyên lý Porro-Koppe đợcứng dụng để khôi phục mô hình lập thể Trên hình 32 là nguyên lý lập thểhọc và xác định độ cao dựa trên cặp ảnh lập thể

Thông thờng trong giải đoán ảnh kính lập thể hay đợc sử dụng Cóhai loại kính lập thể chính đó là kính lập thể thấu kính và kính lập thể g-

ơng

Quan sát lập thể cho phép xác định các thông số độ cao tức là quansát vật thể trong không gian 3 chiều Dựa trên mô hình không gian 3chiều việc giải đoán sẽ thuận lợi hơn nhiều Các yếu tố địa hình địa mạo

đợc xác định chính xác, việc tìm kiếm các đứt gãy trong địa chất cũngthuận tiện hơn Bản đồ thảm thực vật với sự phân bố loài theo đai caocũng có thể đợc thành lập dễ dàng

Nguyên tắc việc xác định độ cao dựa trên ảnh lập thể là việc xác

định đợc giá trị thị sai Thị sai đợc định nghĩa nh khoảng cách giữa hai

điểm ảnh của cùng một đối tợng sau khi chiếu lên cùng một mặt phẳng

Có hai loại thị sai là thị sai dọc Py và thị sai ngang Px Để có thể quan sát

đợc lập thể cần phải bố trí cặp ảnh sao cho thị sai dọc Py có giá trị bằng

0 Độ cao cần đợc xác định là hàm số của Px

9.4 Các yếu tố giải đoán ảnh và khoá giải đoán

Để giải đoán ảnh ngời ta căn cứ vào các đặc trng phổ phản xạ của cácthành tạo tự nhiên và sử dụng những dấu hiệu giải đoán

Các đặc trng phản xạ phổ của một số đối tợng tự nhiên chính có thể

đột ngột ở bớc sóng từ 0.68 đến 0.7 micro mét Trong vùng phổ hồngngoại có bớc sóng ngắn, sự phản xạ giảm đi khi bớc sóng tăng lên.Nguyên nhân gây nên hiện tợng này là ở chính hàm lợng nớc trong lá và

bề dày của lá, vì trong vùng sóng này nớc hấp thụ mạnh các sóng hồngngoại Vì vậy rất dễ dàng phân biệt đợc thực vật với các đối tợng khácbằng hai vùng phản xạ tại sóng lục và gần hồng ngoại

Mức độ phản xạ trong vùng sóng hồng ngoại gần phụ thuộc vào kiểuloại thực vật vì thế có thể căn cứ vào nó để phân loại thảm thực vật.Những yếu tố khác nh sự ô nhiễm, bệnh tật hoặc nền đất đá cũng ảnh h-ởng tới sự phản xạ vì vậy có thể thông qua sự biến động mức độ phản xạcủa cùng một kiểu loại thực vật đánh giá mức độ ô nhiễm, bệnh tật củacây hoặc thành phần hoá học của lớp đất đá bên dới chúng

đáy thuỷ vực Các vật chất lơ lửng hữu cơ hoặc vô cơ, mật độ các loại tảo,rêu sống trong nớc là nguyên nhân chính ảnh hởng tới sự phản xạ phổcủa nớc Trên ảnh đen trắng, nớc trong có màu sẫm trong khi đó nớc hồ

do lẫn nhiều tạp chất và nền đáy thờng nông nên có màu sáng hơn Trên

ảnh màu giả, nớc trong vẫn giữ màu đen nhng nớc hồ, ao lại có màu vàng.Ranh giới thủy vực có thể đợc xác định rõ ràng trên các ảnh trong giảisóng hồng ngoại

Phần lớn bề mặt trái đất có chứa sắt và các hợp chất của nó Sự phảnxạ phổ của nó đợc đặc trng bởi sự giảm đi đột ngột cờng độ phản xạ khichuyển từ vùng sóng nhìn thấy sang vùng sóng cực tím và sự hấp thụ