Giáo trình cơ sở VIỄN THÁM

Sự kiện này mang đến khả năng thu nhận thông tin có tính chất toàn cầu vềmôi trường xung quanh.. Hai trường năng lượng dao động vuông góc với nhau vàdao động cùng ph

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

TS VŨ DANH TUYÊN

TS TRỊNH LÊ HÙNG ThS PHẠM THỊ THƯƠNG HUYỀN

CƠ SỞ VIỄN THÁM

HÀ NỘI 2013

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 4

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT VIỄN THÁM 4

1.1 MỞ ĐẦU 6

1.1.1 Khái niệm về viễn thám 6

1.1.2 Lịch sử hình thành và xu hướng phát triển 8

1.1.3 Các ứng dụng của viễn thám 11

1.2 NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA VIỄN THÁM 11

1.3 CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA VIỄN THÁM 15

1.3.1 Tính chất của bức xạ điện từ 15

1.3.2 Tương tác năng lượng sóng điện từ trong khí quyển 18

1.3.3 Tương tác năng lượng sóng điện từ với các đối tượng tự nhiên 19

1.3.4 Khả năng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên 21

1.3.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên 26

Chương 2: BỘ CẢM BIẾN VÀ VỆ TINH VIỄN THÁM 28

2.1 NHỮNG KHÁI NIỆM CHUNG VỀ BỘ CẢM BIẾN 28

2.2 BỘ CẢM BIẾN SỬ DỤNG TRONG KỸ THUẬT VIỄN THÁM 31

2.2.1 Máy quét quang cơ 31

2.2.2 Máy quét điện tử 31

2.2.3 Các bộ cảm biến thông dụng 32

2.3 VẬT MANG VÀ QUỸ ĐẠO BAY 33

2.4 VỆ TINH GIÁM SÁT TÀI NGUYÊN 37

2.4.1 Vệ tinh LANDSAT 37

2.4.2 Vệ tinh SPOT 40

2.4.3 Một số vệ tinh khác 41

Chương 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP VIỄN THÁM 46

3.1 VIỄN THÁM HÀNG KHÔNG 47

3.2 VIỄN THÁM HỒNG NGOẠI NHIỆT 51

3.2.1 Khái niệm và nguyên lý cơ bản 51

3.2.2 Đặc điểm hình học của ảnh hồng ngoại nhiệt 56

3.2.3 Khả năng ứng dụng của ảnh hồng ngoại nhiệt 57

3.3 VIỄN THÁM RADAR 65

3.3.1 Khái niệm và nguyên lý cơ bản 65

3.3.2 Đặc điểm hình học của ảnh radar 70

3.3.3 Khả năng ứng dụng của ảnh radar 74

Chương 4: ẢNH VỆ TINH QUANG HỌC VÀ XỬ LÝ ẢNH VỆ TINH QUANG HỌC 81 4.1 KHÁI NIỆM VỀ ẢNH SỐ 81

4.2 ĐỘ PHÂN GIẢI CỦA ẢNH VỆ TINH 83

4.2.1 Độ phân giải không gian 83

4.2.2 Độ phân giải bức xạ 84

4.2.3 Độ phân giải phổ 84

4.2.4 Độ phân giải thời gian 85

4.3 KHUÔN DẠNG DỮ LIỆU ẢNH 85

4.4 PHÂN TÍCH ẢNH BẰNG MẮT 87

4.4.1 Khái niệm 87

4.4.2 Các dấu hiệu phân loại 88

4.5 XỬ LÝ ẢNH SỐ 90

4.5.1 Tiền xử lý ảnh 90

4.5.2 Tăng cường chất lượng ảnh 101

4.5.3 Chuyển đổi ảnh 104

4.5.4 Phân loại ảnh 120

LỜI NÓI ĐẦU

Viễn thám là một ngành khoa học có lịch sử phát triển lâu đời, tuy nhiên sự pháttriển mạnh mẽ của khoa học viễn thám chỉ bắt đầu từ những thập kỷ cuối thế kỷ 20 Vớinhững ưu điểm nổi bật so với các phương pháp nghiên cứu truyền thống như độ phủ trùmrộng, có khả năng chụp lặp lại trong thời gian ngắn, có thể chụp ảnh những vùng mà việcđiều tra, thăm dò, đi lại rất khó khăn, … ngày nay kỹ thuật viễn thám đã được ứng dụnghiệu quả trong nghiên cứu, giám sát tài nguyên và môi trường cũng như trong mục đíchquân sự Ứng dụng viễn thám trong nghiên cứu tài nguyên, môi trường trở thành xuhướng phát triển tất yếu của mọi quốc gia, trong đó có Việt Nam

Ở Việt Nam, kỹ thuật viễn thám bắt đầu được sử dụng từ những năm cuối cuối củathế kỷ XX, ban đầu nhằm thành lập và hiệu chỉnh bản đồ địa hình, bản đồ chuyên đề cáctỉ lệ Ngày nay, cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, tư liệu ảnh vệ tinh đã đượcứng dụng trong nhiều lĩnh vực, từ lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất, giám sát tài nguyênnước, tài nguyên rừng, dự báo năng suất lúa, …Tháng 5 năm 2013, vệ tinh viễn thám đầutiên của nước ta mang tên VNREDSAT đã được phóng thành công lên quỹ đạo.VNREDSAT sẽ cung cấp nguồn dữ liệu ảnh phong phú phục vụ nghiên cứu, giám sát tàinguyên, môi trường và đảm bảo quốc phòng, an ninh Dự kiến trong thời gian tới, các thếhệ vệ tinh viễn thám tiếp theo, đặc biệt là viễn thám radar sẽ tiếp tục được triển khai nhằmchủ động nguồn tư liệu phục vụ nghiên cứu, sản xuất

Sự phát triển mạnh mẽ của khoa học Trái đất nói chung, kỹ thuật viễn thám nóiriêng dẫn tới nhu cầu cấp bách về nguồn nhân lực có chuyên môn cao về lĩnh vực này.Chuyên ngành Viễn thám đã được đưa vào đào tạo ở nhiều trường đại học ở trình độ kỹ

sư, cao học và nghiên cứu sinh cũng như các khóa ngắn hạn Mặc dù một số giáo trình đãđược xuất bản, trong thực tế giảng dạy ở Việt Nam vẫn còn thiếu giáo trình về viễn thámtừ mức cơ sở đến chuyên sâu Bên cạnh đó, chương trình đào tạo của các trường đại họccũng có đặc thù riêng đòi hỏi giáo trình về viễn thám cũng phải phù hợp với các lĩnh vựcđào tạo cụ thể của trường Mục đích của việc biên soạn cuốn “Cơ sở Viễn thám” nàynhằm làm giáo trình phục vụ sinh viên đại học các chuyên ngành thuộc khoa học Trái đấttại trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội Cuốn sách cung cấp những kiếnthức cơ bản, nền tảng nhất của kỹ thuật viễn thám, giúp sinh viên nắm được bản chất củakhoa học viễn thám, nguyên lý hoạt động, các phương pháp xử lý và phân loại ảnh Kiếnthức trong giáo trình cũng là kiến thức bắt buộc để sinh viên có thể theo học các học phầntiếp theo về viễn thám

Giáo trình “Cơ sở viễn thám” gồm 4 chương do TS Vũ Danh Tuyên làm chủ biên,các cán bộ giảng dạy có nhiều kinh nghiệm của Đại học Tài nguyên và Môi trường HàNội, Học viện Kỹ thuật Quân sự đảm nhận Phân chia nhiệm vụ viết các chương tronggiáo trình như sau:

1 TS Vũ Danh Tuyên, chủ biên, biên soạn chương 1,4.

2 TS Trịnh Lê Hùng, biên soạn chương 3,4.

3 Th.S Phạm Thị Thương Huyền, biên soạn chương 2.

Mặc dù được chuẩn bị kỹ lưỡng nhưng trong cuốn sách này chắc chắn còn tồn tạinhững thiếu sót Các tác giả rất mong được các nhà khoa học, các bạn sinh viên và độcgiả quan tâm góp ý để giáo trình được hoàn thiện hơn

Chúng tôi xin chân thành cảm ơn

Thay mặt nhóm biên soạn: TS Vũ Danh Tuyên

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT VIỄN THÁM

Theo nghĩa rộng, viễn thám là ngành khoa học nghiên cứu việc đo đạc, thu thậpthông tin về một đối tượng, sự vật bằng cách sử dụng thiết bị đo tác động một cách giántiếp với đối tượng nghiên cứu Từ những ảnh chụp phim ban đầu thu nhận từ khinh khícầu, máy bay, …hiện nay, nguồn dữ liệu chính trong viễn thám là ảnh số thu nhận từ cáchệ thống vệ tinh quan sát Trái đất Có rất nhiều định nghĩa khác nhau về viễn thám, nhưngxét cho cùng tất cả các định nghĩa đều có một đặc điểm chung, nhấn mạnh “viễn thám làkhoa học nghiên cứu các thực thể, hiện tượng trên trái đất từ xa mà không cần tác độngtrực tiếp vào nó” Một số định nghĩa tiêu biểu về viễn thám của các nhà khoa học khácnhau như:

1 Viễn thám là một nghệ thuật, khoa học, nói ít nhiều về một sự vật không cần phải

chạm vào vật đó (Ficher and others, 1976);

2 Viễn thám là quan sát về một đối tượng bằng một phương tiện cách xa vật trên một

khoảng cách nhất định (Barrer and Curtis, 1976);

3 Viễn thám là một khoa học về lấy thông tin từ một đối tượng, được đo từ mộtkhoảng cách xa vật không cần tiếp xúc với nó Năng lượng được đo trong các hệ

viễn thám hiện nay là năng lượng điện từ phát ra từ vật quan tâm (Landgrete, 1978);

4 Viễn thám là ứng dụng vào việc lấy thông tin về mặt đất và mặt nước của Trái đấtbằng việc sử dụng các ảnh thu được từ một đầu chụp ảnh sử dụng bức xạ phổ điện

từ, đơn kênh hoặc đa phổ, bức xạ hoặc phản xạ từ bề mặt Trái đất (Janes Capbell, 1996);

5 Viễn thám là khoa học và nghệ thuật thu nhân thông tin về một vật thể, một vùng,hoặc một hiện tượng, qua phân tích dữ liệu thu được bởi những phương tiện không

tiếp xúc với vật, vùng hoặc hiện tượng khi khảo sát (Likkesand and Kiefer, 1986);

Nguồn tài nguyên chủ yếu sử dụng trong viễn thám là sóng điện từ hoặc được phảnxạ, hoặc bức xạ từ vật thể Thiết bị dùng để cảm nhận sóng điện từ phản xạ hoặc bức xạ từvật thể được gọi là bộ cảm biến (sensor) Bộ cảm biến có nhiệm vụ chuyển đổi giá trị điệntừ sang giá trị số để thu được ảnh số (digital number) Phương tiện dùng để mang các bộ

cảm được gọi là vật mang Hiện nay, vật mang rất đa dạng, có thể là khinh khí cầu, máybay, vệ tinh, tàu vũ trụ,

Các thành phần chính của một hệ thống viễn thám

Một hệ thống viễn thám thường bao gồm 7 phần tử có quan hệ chặt chẽ với nhau.Trình tự hoạt động của các thành phần trong hệ thống viễn thám được mô tả trong hình sau:

Hình 1.1 Các thành phần trong hệ thống viễn thám

Nguồn năng lượng (A): thành phần đầu tiên của hệ thống viễn thám là nguồn năng

lượng để chiếu sáng hay cung cấp năng lượng điện từ tới đối tượng cần nghiên cứu Trongviễn thám chủ động sử dụng năng lượng phát ra từ nguồn phát đặt trên vật mang, còntrong viễn thám bị động, nguồn năng lượng chủ yếu là bức xạ mặt trời

Những tia phát xạ và khí quyển (B): bức xạ điện từ từ nguồn phát tới đối tượng

nghiên cứu sẽ phải tương tác qua lại với khí quyển nơi nó đi qua

Sự tương tác với đối tượng (C): sau khi truyền qua khí quyển đến đối tượng, năng

lượng sẽ tương tác với đối tượng tùy thuộc vào đặc điểm của đối tượng và sóng điện từ.Sự tương tác này có thể là sự truyền qua, sự hấp thụ hay bị phản xạ trở lại khí quyển

Thu nhận năng lượng bằng bộ cảm biến (D): sau khi năng lượng được phát ra hoặc

bị phản xạ từ đối tượng, cần có bộ cảm biến để tập hợp lại và thu nhận sóng điện từ Nănglượng điện từ truyền về bộ cảm sẽ mang thông tin của đối tượng

Sự truyền tải, thu nhận và xử lý (E): năng lượng được thu nhận bởi bộ cảm cần

được truyền tải (thường dưới dạng điện từ) đến một trạm thu nhận dữ liệu để xử lý sangdạng ảnh Ảnh này là dữ liệu thô

Phân loại và phân tích ảnh (F): ảnh thô sẽ được xử lý để có thể sử dụng trong các

mục đích khác nhau Để nhận biết được các đối tượng trên ảnh cần phải giải đoas chúng.Ảnh được phân loại bằng việc kết hợp các phương pháp khác nhau (phân loại bằng mắt,phân loại thực địa, phân loại tự động, )

Ứng dụng (G): đây là thành phần cuối cùng của hệ thống viễn thám, được thực hiện

khi ứng dụng thông tin thu nhận được trong qúa trình xử lý ảnh vào các lĩnh vực, bài toáncụ thể

1.1.2 Lịch sử hình thành và xu hướng phát triển

Một số tài liệu nghiên cứu cho rằng, lịch sử phát triển của viễn thám có thể tính từthế ký thứ 4 trước công nguyên khi Aristote sáng tạo ra camera – obscura (obscura -dark) Mặc dù những thành tựu đáng kể trong lý thuyết quang học đã đạt được từ thế kỷ

17 cũng như thấu kính quang học đã xuất hiện sớm hơn, bước phát triển thực sự đầu tiêncủa khoa học viễn thám là vào giữa thế kỷ 19 Vào năm 1839, Louis Daguerre đã đưa rabáo cáo công trình nghiên cứu về hóa ảnh photo, khởi đầu cho ngành chụp ảnh Bức ảnhđầu tiên chụp bề mặt trái đất từ khinh khí cầu được thực hiện vào năm 1858 bởi nhà nhiếpảnh người Pháp Gaspard Tournachon Ông đã sử dụng khinh khí cầu ở độ cao 80 m đểchụp ảnh vùng Bievre nước Pháp Từ sự việc này, năm 1858 được coi là năm khai sinhcủa kỹ thuật viễn thám Năm 1860, James Black đã chụp ảnh vùng Boston, Mỹ cũng từkhinh khí cầu Năm 1863, Mackwell đã tìm ra các định luật về sóng điện từ, kết quả nàylà cơ sở vật lý cơ bản của lý thuyết viễn thám

Hình 1.2 Ảnh viễn thám đầu tiên trên thế giới (vùng Bievre, Pháp, 1858)

Chiến tranh thế giới thứ nhất (1914 - 1918) đánh dấu giai đoạn khởi đầu của côngnghệ chụp ảnh từ máy bay phục vụ mục đích quân sự Công nghệ chụp ảnh từ máy bay đãkéo theo sự ra đời của rất nhiều thiết kế về các loại máy chụp ảnh, là cơ sở hình thành mộtngành khoa học mới: đo đạc ảnh (photogrammetry) Năm 1929 ở Liên Xô cũ đã thành lập

Viện nghiên cứu ảnh hàng không Leningrad, viện đã sử dụng ảnh hàng không để nghiêncứu địa mạo, thực vật, thổ nhưỡng

Trong thời gian chiến tranh thế giới thứ 2 đã chứng kiến những bước nhảy thực sựtrong kỹ thuật viễn thám Ngành khoa học đo đạc ảnh đã phát triển lên tầm cao mới: tạo

ra các dụng cụ cảm biến bước sóng hồng ngoại, các hệ thống radar, Trong thời gian nàyđã chứng kiến những cuộc thử nghiệm nghiên cứu các tính chất phản xạ phổ của bề mặtđịa hình và chế thử các lớp cảm quang cho chụp ảnh màu hồng ngoại Dựa trên kỹ thuậtnày, một kỹ thuật do thám hàng không đã ra đời Trong vùng sóng dài của sóng điện từ,các hệ thống siêu cao tần (RADAR) đã được thiết kế và sử dụng để theo dõi và phát hiệnnhững vật thể chuyển động, nghiên cứu tầng ion Vào những năm 50 của thế kỷ 20 người

ta tập trung nghiên cứu nhiều vào việc phát triển các hệ thống radar tạo ảnh có cửa mởthực (RAR), đồng thời hệ thống radar có cửa mở tổng hợp (Syntheric Aparture Radar -SAR) cũng được xúc tiến nghiên cứu Vào năm 1956, tại Mỹ đã tiến hành thử nghiệm khảnăng dủng ảnh hàng không trong việc phân loại và phát hiện kiểu thực vật Đến nhữngnăm 1960, các cuộc thử nghiệm về ứng dụng ảnh hồng ngoại màu và đa phổ đã được tiếnhành

Năm 1972, một mốc quan trọng trong lịch sử phát triển viễn thám được đánh dấuvới việc Mỹ đã phóng thành công lên quỹ đạo vệ tinh nghiên cứu tài nguyên thiên nhiênLANDSAT Sự kiện này mang đến khả năng thu nhận thông tin có tính chất toàn cầu vềmôi trường xung quanh Cho đến hiện nay, đã có 8 vệ tinh trong chương trình LANDSATđược thực hiện, trong đó có 7 vệ tinh được phóng thành công lên quỹ đạo Hiện nay, vệtinh LANDSAT 8 sau khi phóng thành công lên quỹ đạo đầu năm 2013 đang hoạt độngtốt và cung cấp một kho dữ liệu lớn trong nghiên cứu tài nguyên Trái đất

Trong những năm 60, 70 thế kỉ 20, tàu Apollo đã chụp Trái đất dưới dạng ảnh nổivà đa phổ, cho ra các thông tin hữu ích trong nghiên cứu mặt đất Ngành hàng không vũtrụ Liên Xô (cũ) và Nga ngày nay đã đóng vai trò tiên phong trong nghiên cứu Trái đất từvũ trụ Các nghiên cứu đã được thực hiện trên các tàu vũ trụ có người như Soynz, Meteor,Cosmos hoặc trên các trạm Salyut Sản phẩm thu được là các ảnh chụp trên các thiết bịquét đa phổ độ phân giải cao, như MSU - E (trên Meteor - priroda) Các bức ảnh chụp từvệ tinh Cosmos có 5 kênh phổ khác nhau, với kích thước 18 x 18 cm Ngoài ra các ảnhchụp từ các thiết bị chụp KATE - 140, MKF - 6M trên trạm quỹ đạo Salyut cho ra 6 kênhảnh thuộc dải phổ từ 0.4 µm đến 0.89 µm Độ phân giải mặt đất tại tâm ảnh đạt 20m

Kỹ thuật viễn thám đã được đưa vào sử dụng ở Việt Nam từ năm 1976 để điều traquy hoạch rừng Mốc quan trọng để đánh dấu sự phát triển của kỹ thuật viễn thám ở ViệtNam là sự hợp tác nhiều bên trong khuôn khổ của chương trình vũ trụ quốc tế (InterCosmos) nhân chuyến bay vũ trụ kết hợp Liên Xô – Việt Nam tháng 07 năm 1980 Kếtquả nghiên cứu các công trình khoa học này được trình bày trong hội nghị khoa học về kỹthuật vũ trụ năm 1982 nhân tổng kết các thành tựu khoa học của chuyến bay vũ trụ năm

1980, trong đó một phần quan trọng là kết quả sử dụng ảnh đa phổ MKF - 6M vào mụcđích thành lập một loạt bản đồ chuyên đề như địa chất, đất, sử dụng đất, tài nguyên nước,thủy văn, rừng, Cột mốc quan trọng nhất đánh dấu sự phát triển của kỹ thuật viễn thám ởViệt Nam là sự kiện vệ tinh viễn thám VNREDSat 1 ( Vietnam Natural Resources,Environment and Disaster - monitoring Satellite - 1A) được phóng thành công lên quỹđạo vào 07/05/2013 tại sân bay vũ trụ Kourou (Pháp) Hiện nay, VNREDSat 1 bắt đầucung cấp dữ liệu ảnh phục vụ nhu cầu quốc phòng, an ninh cũng như nghiên cứu, giám sáttài nguyên môi trường ở nước ta

Hình 1.3 Hình ảnh thủy điện Sông Bung 2, tỉnh Quảng Nam ngày

9/8/2013 do vệ tinh VNREDSAT - 1 chụp

Từ những năm 1990 nhiều ngành đã đưa kỹ thuật viễn thám vào ứng dụng trong thựctiễn như các ngành khí tượng, đo đạc và bản đồ, địa chất khoáng sản, quản lý tài nguyênrừng và đã thu được những kết quả rõ rệt Kỹ thuật viễn thám kết hợp với hệ thống thôngtin địa lí GIS đã được ứng dụng để thực hiện nhiều đề tài nghiên cứu khoa học và nhiềudự án có liên quan đến điều tra khảo sát điều kiện tự nhiên và tài nguyên thiên nhiên,giám sát môi trường, giảm thiểu tới mức thấp nhất thiên tai ở một số vùng Hiện nay, viễnthám ở nước ta đã chuyển dần từ công nghệ tương tự (analog) sang công nghệ số kết hợpvới GIS giúp xử lý nhiều loại ảnh đạt yêu cầu cao về độ chính xác với quy mô sản xuấtcông nghiệp

1.1.3 Các ứng dụng của viễn thám

Với những ưu điểm nổi bật so với các phương pháp nghiên cứu truyền thống, lĩnhvực ứng dụng của viễn thám rất đa dạng Hiện nay, kỹ thuật viễn thám đã được ứng dụng

rộng rãi trong nông nghiệp, lâm nghiệp, nghiên cứu biển, hải đảo, trong địa chất, môitrường, … và thu được những thành tựu to lớn Trong nông – lâm nghiệp, kỹ thuật viễnthám được ứng dụng nhằm xác định các loài thực vật, dự báo mùa vụ và đánh giá khảnăng sinh trưởng của cây trồng, kiểm kê rừng, đánh giá mật độ lớp phủ, dự báo và pháthiện cháy rừng, …Trong địa chất, kỹ thuật viễn thám đã được sử dụng rộng rãi nhằm pháthiện và lập bản đồ phân bố các loại khoáng sản, lập bản đồ cấu trúc các lớp địa chất, địamạo, nghiên cứu dự báo động đất, núi lửa, …Ứng dụng viễn thám trong nghiên cứu biểnvà tài nguyên nước là một trong những lĩnh vực đạt được những kết quả quan trọng nhất.Kỹ thuật viễn thám đã được sử dụng để nghiên cứu biến động đường bờ, nghiên cứu quầnthể động – thực vật biển, theo dõi các dòng chảy và độ đục/trong của nước, …

Ở nước ta, kỹ thuật viễn thám bắt đầu được sử dụng từ những thập kỷ cuối của thếkỷ XX, ban đầu nhằm thành lập và hiệu chỉnh bản đồ địa hình, bản đồ chuyên đề các tỉ lệ.Ngày nay, tư liệu ảnh vệ tinh đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, từ lập bản đồ hiệntrạng sử dụng đất, giám sát tài nguyên nước, tài nguyên rừng, dự báo năng suất lúa, …

Lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất Cho đến nay, ảnh vệ tinh đã được nhiều cơ

quan ở nước ta sử dụng để thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất phủ trùm các vùnglãnh thổ khác nhau, từ khu vực nhỏ đến tỉnh, vùng và toàn quốc Bản đồ hiện trạng sửdụng đất của các vùng như Tây Nguyên, đồng bằng sông Cửu Long, đồng bằng sôngHồng,… được thành lập trong khuôn khổ các chương trình điều tra tổng hợp, đều đã sửdụng ảnh vệ tinh như một nguồn tài liệu chính Những bản đồ này được thành lập trongnhững năm 1989, 1990 và do các cơ quan nghiên cứu khoa học và điều tra cơ bản thựchiện Bản đồ được thành lập chủ yếu ở tỉ lệ 1: 250 000

Bản đồ hiện trạng sử dụng đất toàn quốc năm 1990 tỉ lệ 1: 1 000 000 được thànhlập bằng nhiều nguồn tài liệu, trong đó ảnh vệ tinh LANDSAT - TM Bản đồ này do Tổngcục Quản lý ruộng đất (nay thuộc Bộ Tài nguyên và Môi trường), cùng một số các cơquan khác thực hiện Bên cạnh đó, năm 1993 Tổng cục Quản lý đất đai, Cục Đo đạc vàBản đồ Nhà nước (Bộ Tài nguyên và Môi trường), Trung tâm Khoa học Tự nhiên vàCông nghệ Quốc gia, Viện Điều tra Quy hoạch rừng, Viện Quy hoạch và Thiết kế Nôngnghiệp (Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn) đã thành lập bản đồ hiện trạng sử dụngđất toàn quốc tỉ lệ 1: 250 000 bằng ảnh LANDSAT - TM

Bản đồ hiện trạng sử dụng đất cấp tỉnh và các khu vực hẹp hơn của một số địaphương cũng được thành lập bằng ảnh vệ tinh Những bản đồ này thường được thành lậpở các tỉ lệ 1:100 000 (cấp tỉnh) đến 1: 25 000 (khu vực cụ thể) và do các Viện thuộcTrung tâm Khoa học Tự nhiên và Công nghệ Quốc gia, Viện Quy hoạch và Thiết kế nôngnghiệp, Trung tâm Viễn thám thuộc Bộ Tài nguyên và Môi trường và một số Trường Đạihọc thực hiện trong khuôn khổ các đề tài nghiên cứu và các dự án Năm 2000, một số SởTài nguyên và Môi trường đã tiến hành thử nghiệm thành lập bản đồ hiện trạng sử dụngđất bằng ảnh vệ tinh Trung tâm Viễn thám, Bộ Tài nguyên Môi trường đã thành lập bình

đồ ảnh vũ trụ tỷ lệ 1: 10 000 phục vụ kiểm kê đất đai của 13 tỉnh trong đợt kiểm kê đấtnăm 2005

Từ 1979 ảnh vệ tinh được bắt đầu sử dụng trong việc xây dựng bản đồ hiện trạngrừng và trở thành một công cụ quan trọng trong điều tra quy hoạch và thiết kế kinh doanhrừng Ảnh vệ tinh LANDSAT TM được sử dụng rất nhiều trong xây dựng các bản đồrừng cấp vùng và toàn quốc (1985 -1990) trong Chương trình “Điều tra, đánh giá và theodõi diễn biến tài nguyên rừng toàn quốc, giai đoạn 1991-1995”, nghiên cứu biến độngrừng ngập mặn trong 20 năm ở Minh Hải, dự án Mê Công “Theo dõi, đánh giá biến độnglớp phủ rừng” (Forest Cover Monitoring) Ảnh vệ tinh LANDSAT ETM+ được sử dụngtrong Chương trình “Điều tra, đánh giá và theo dõi diễn biến tài nguyên rừng toàn quốc,giai đoạn 2001 - 2005” để lập bản đồ rừng và sử dụng đất cho 64 tỉnh, thành phố hoàntoàn bằng công nghệ xử lý ảnh số Ảnh vệ tinh SPOT được sử dụng trong các Chươngtrình “Điều tra, đánh giá và theo dõi diễn biến tài nguyên rừng toàn quốc, giai đoạn 1996-2000” để xây dựng bản đồ hiện trạng rừng và sử dụng đất cấp tỉnh tỷ lệ 1:100.000, dự ánphục hồi rừng ngập mặn Cà Mau, dự án “Phát triển hệ thống thông tin rừng nhiệt đới –Information System Development Project for Tropical Forests” Ảnh vệ tinh độ phân giảicao Quickbird được sử dụng trong việc xây dựng bản đồ hiện trạng rừng và sử dụng đất tỷlệ 1:10000 cho 2 lâm trường M’drac và Nam Nung (2004 - 2005), các xã vùng đệm thuộcdự án Bảo vệ và Phát triển những vùng đất ngập nước ven biển miền Nam Việt Nam do

WB tài trợ (2005)

Đối với nông nghiệp Ứng dụng công nghệ viễn thám chủ yếu được triển khai

trong các công trình nghiên cứu đơn lẻ hay môt số các dự án do nước ngoài tài trợ Trongkhuôn khổ các dự án “Quy hoạch nguồn nước lưu vực Srepok” và “Phát triển bền vữngđất nông nghiệp Tây Nguyên” Viện Quy hoạch và Thiết kế Nông nghiệp đã phối hợp vớimột số cơ quan, tổ chức trong và ngoài nước lập bản đồ sử dụng đất trên cơ sở giải đoánbằng mắt ảnh vệ tinh LANDSAT MSS, TM và SPOT Viện đã sử dụng kết hợp các phầnmềm xử lý ảnh viễn thám và GIS xây dựng bản đồ lớp phủ một số xã thí điểm tỉnh BắcKạn từ ảnh SPOT Một dự án thử nghiệm “Hệ thống thông tin cây trồng Việt Nam” đãthực hiện ở huyện Đại Từ, Thái Nguyên với mục tiêu cung cấp nhanh chóng, xác thực sốliệu về qui mô diện tích cây trồng (trọng tâm là cây chè) từ tư liệu viễn thám, so sánh sốliệu thu thập từ nguồn này với thống kê và đề xuất một số giải pháp phát triển vùng sảnxuất chè Dự án đã góp phần chứng minh khả năng lớn của công nghệ viễn thám và GIStrong đáp ứng kịp thời nhu cầu giám sát diễn biến diện tích cây trồng nông nghiệp và dựbáo những vùng có thay đổi lớn ở cấp quốc gia, đồng thời tạo cơ sở khoa học tin cậy chonhững quyết định về quy hoạch nông nghiệp nông thôn và những quyết sách về chuyểnđổi cơ cấu nông nghiệp và phát triển nông sản hàng hóa Bộ Nông nghiệp và Phát triểnNông thôn đã giao cho viện Quy hoạch và Thiết kế Nông nghiệp chủ trì dự án “ Điều trahiện trạng sản xuất một số cây công nghiệp lâu năm toàn quốc (chè, cà phê, cao su, hồ

tiêu và điều) ” Ảnh viễn thám SPOT 5 với độ phân giải 10m ở các kênh đa phổ và 2,5m ởkênh toàn sắc được sử dụng trong điều tra diện tích các loại cây công nghiệp lâu nămtrọng điểm

Nghiên cứu biến động sử dụng đất Nghiên cứu biến động sử dụng đất là một

trong những lĩnh vực quan trọng và khó khăn trong điều tra, giám sát môi trường, trongđó ảnh vệ tinh đã được sử dụng như một công cụ hữu hiệu Nhiều cơ quan nghiên cứukhoa học, điều tra cơ bản, giáo dục ở nước ta đã quan tâm đến ứng dụng công nghệ viễnthám để thực hiện nhiệm vụ này như Viện Địa lý, Địa chất, Vật lý, Nghiên cứu biển thuộcTrung tâm Khoa học Tự nhiên và Công nghệ Quốc gia, Trung tâm Viễn thám, Liên đoànBản đồ Địa chất thuộc Bộ Tài nguyên và Môi trường , đã tiến hành nhiều thử nghiệmdưới dạng các đề tài nghiên cứu, các dự án và đã thu được những kết quả ban đầu quantrọng

Trong chương trình của Cục Bảo vệ Môi trường, Trung tâm Viễn thám - Bộ Tàinguyên và Môi trường và một số cơ quan khác đã sử dụng ảnh vệ tinh đa thời gian đểkhảo sát biến động của bờ biển, lòng sông, biến động rừng ngập mặn, diễn biến rừng, biếnđộng lớp phủ mặt đất và sử dụng đất (ở một số vùng) thành lập các bản đồ rừng ngậpmặn tỉ lệ 1: 100 000 phủ trùm toàn dải ven biển và tỉ lệ lớn hơn cho từng vùng, bản đồ đấtngập nước toàn quốc tỉ lệ 1: 250.000

Sử dụng ảnh radar theo dõi lúa Cho đến nay ở Việt Nam đã có một số nghiên

cứu ứng dụng tư liệu viễn thám quang học như ảnh NOAA/AVHRR hoặcSPOT/Vegetation cho việc theo dõi sự tăng trưởng mùa màng, nói chung, và mùa vụ lúanói riêng Tuy nhiên độ phân giải không gian của chúng (1 km) không cho phép theo dõitừng thửa ruộng Các tư liệu viễn thám quang học khác như LANDSAT và SPOT có thểsử dụng cho mục đích này, nhưng phần lớn thời gian gieo trồng lúa ở vùng nhiệt đới làmùa mưa, nhiều mây Vì vậy không hoặc ít khi có được ảnh quang học có chất lượng tốt.Để khắc phục hạn chế này, các tư liệu viễn thám radar được sử dụng vì ảnh radar chophép quan sát bề mặt trái đất độc lập với điều kiện thời tiết và sự chiếu sáng của mặt trời,thích hợp cho việc giám sát sự tăng trưởng cây lúa, lập bản đồ và dự báo năng suất mùa vụ

Tại Việt Nam, thông qua một dự án hợp tác giữa viện nghiên cứu lúa IRRI, Cơquan Vũ trụ Châu Âu (ESA) và Đại học Cần Thơ đã chọn một khu vực tại Đồng BằngSông Cửu Long làm thử nghiệm theo dõi lúa (1998) Trong khuôn khổ chương trình côngnghệ thông tin IT 2000, Trung tâm liên ngành viễn thám và GIS thực hiện dự án nghiêncứu “Sử dụng tư liệu RADARSAT trong theo dõi lúa ở đồng bằng sông Cửu Long” Cóthể nói từ năm 2000 trở về trước, các nghiên cứu ở Việt Nam dừng ở mức lập bản đồ cácvùng trồng lúa từ ảnh radar Sau này, vấn đề theo dõi sinh trưởng và dự báo năng suất lúabằng các tư liệu radar được thực hiện ở một số tỉnh thuộc đồng bằng sông Cửu Long (SócTrăng, An Giang) Trong đó tập trung chủ yếu vào nghiên cứu ứng dụng tư liệu viễn thámSAR đa thời gian để tìm hiểu mối quan hệ của chúng với chu kỳ sinh trưởng của cây lúa

Trong khuôn khổ dự án thử nghiệm sử dụng ảnh ENVISAT ASAR theo dõi và dự báo lúaở Bắc Bộ Việt Nam (2005), Viện Quy hoạch và Thiết kế Nông nghiệp phối hợp vớiSARMAP đã tiến hành khảo sát trên 100 điểm ở Thái Bình Nhìn chung, kết quả sử dụng

tư liệu ảnh radar ở nước ta, nhất là trong nông nghiệp còn rất khiêm tốn do công nghệ xửlý khá mới mẻ và phức tạp, đặc điểm manh mún, xen kẽ trong phương thức canh tác.Nhưng về lâu dài, nó rất phù hợp với Việt Nam bởi cho phép quan sát bề mặt trái đất độclập với điều kiện thời tiết và sự chiếu sáng của mặt trời

Việc ứng dụng công nghệ viễn thám để giám sát tài nguyên và môi trường ở nước

ta trong thời gian qua tuy đã thu được một số kết quả song còn ít, tản mạn và trên thực tếchưa đáp ứng được nhu cầu Các ứng dụng công nghệ viễn thám chủ yếu mới tập trungvào lĩnh vực hiện chỉnh bản đồ địa hình, thành lập một số bản đồ chuyên đề, bước đầu đềcập đến ứng dụng công nghệ viễn thám phục vụ quản lý đất đai và một số khía cạnh củamôi trường Thực tế đó đòi hỏi phải đẩy mạnh ứng dụng rộng rãi công nghệ viễn thámphục vụ quản lý tài nguyên thiên nhiên và giám sát môi trường Để đạt được nhiệm vụtrên việc đầu tư công nghệ mới nhằm xây dựng đồng bộ hệ thống thu nhận, xử lý dữ liệuvà áp dụng tư liệu ảnh vũ trụ là yêu cầu cần thiết với nước ta hiện nay

1.2 NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA VIỄN THÁM

Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật viễn thám là thu nhận năng lượng phản hồi củasóng điện từ chiếu tới vật thể, thông qua bộ cảm biến (sensor) giá trị phản xạ phổ này sẽđược chuyển về giá trị số

Bộ cảm biến là các thiết bị tạo ra ảnh về sự phân bố năng lượng phản xạ hay phátxạ của các vật thể từ mặt đất theo những phần nhất định của quang phổ điện từ Bộ cảmbiến chỉ thu nhận năng lượng sóng điện từ phản xạ hay bức xạ từ vật thể theo từng bướcsóng xác định Năng lượng sóng điện từ sau khi tới được bộ cảm biến sẽ chuyển thành tínhiệu số (chuyển đổi tín hiệu điện thành một số nguyên hữu hạn – giá trị pixel) tương ứngvới năng lượng bức xạ ứng với từng bước sóng do bộ cảm biến nhận được trong dải phổđã xác định Nguyên lý thu nhận ảnh viễn thám được mô tả như hình 1.4 dưới đây

Hình 1.4 Nguyên lý thu nhận dữ liệu viễn thám

Sóng điện từ dùng trong viễn thám tuân theo các định luật bức xạ điện từ (định luậtPlank, định luật Wien, Stefan – Bontzmann, …) và hệ phương trình Maxwell Năng lượngphổ dưới dạng sóng điện từ, cùng cho thông tin về một vật thể từ nhiều góc độ sẽ gópphần phân loại vật thể một cách chính xác hơn

1.3 CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA VIỄN THÁM

1.3.1 Tính chất của bức xạ điện từ

Thuật ngữ bức xạ điện từ, do James Clerk Maxwell đặt ra, xuất phát từ những tínhchất điện và từ đặc trưng chung cho tất cả các dạng của loại năng lượng giống sóng này,như được biểu lộ bởi sự phát sinh cả trường dao động điện và từ khi sóng truyền trongkhông gian Ánh sáng khả kiến chỉ đại diện cho một phần nhỏ của phổ bức xạ điện từ(hình 1.6), trải ra từ các tia vũ trụ cao tần và tia gamma, qua tia X, ánh sáng cực tím, bứcxạ hồng ngoại, và vi ba, cho tới các sóng vô tuyến bước sóng dài, tần số rất thấp

Sóng điện từ di chuyển theo hướng vuông góc với hướng dao động của cả vectơđiện trường (E) và từ trường (B) Hai trường năng lượng dao động vuông góc với nhau vàdao động cùng pha theo dạng đồ thị hàm số sin Các vectơ điện trường và từ trườngkhông chỉ vuông góc với nhau mà còn vuông góc với phương truyền sóng Để đơn giảnhóa minh họa, người ta thường quy ước bỏ qua các vectơ biểu diễn điện trường và từtrường dao động, mặc dù chúng vẫn tồn tại (hình 1.5)

Khi lan truyền, sóng điện từ mang theo năng lượng, động lượng và thông tin Sóngđiện từ với bước sóng nằm trong khoảng 400 nm và 700 nm có thể được quan sát bằngmắt người và gọi là ánh sáng Bức xạ điện từ truyền năng lượng trên cơ sở các dao độngtrường điện từ trong không gian hoặc trong lòng các vật chất Quá trình truyền của sóngđiện từ tuân theo định luật Maxwell Bức xạ điện từ có tính chất sóng và hạt

Hình 1.5 Bức xạ điện từ

Tính chất sóng của bức xạ điện từ được xác định bởi bước sóng, tần số và tốc độtruyền Tính chất hạt được mô tả theo tính chất quang lượng tử (photon) Bức xạ điện từcó 4 thông số cở bản: tần số (bước sóng), hướng truyền, biên độ và mặt phân cực

Tất cả các vật thể đều phản xạ và hấp thụ, phân tách và bức xạ sóng điện từ theocác cách khác nhau và đặc trưng này được gọi là đặc trưng phổ Hiện tượng phản xạ phổcó liên quan mật thiết với môi trường mà sóng điện từ lan truyền Dải sóng điện từ đượccoi là dải sóng có bước sóng từ 0.1 micromet đến 100 km

Hình 1.6 Phân loại sóng điện từ

Căn cứ vào bước sóng, sóng điện từ được chia làm các loại sau:

 Sóng tử ngoại: có bước sóng từ 0.1μm đến 0.4 μm ;

 Bức xạ điện từ ở bước sóng nhìn thấy: có bước sóng từ 0.4 μm đến 0.7 μm ;

 Bức xạ hồng ngoại: cận hồng ngoại (0.7 μm – 1.3 μm ), hồng ngoại ngắn (1.3 μm –

3 μm ), giữa hồng ngoại (3 μm – 8 μm ), hồng ngoại nhiệt (8 μm – 14 μm), hồngngoại xa (14 μm – 1mm);

 Sóng radio:

1 Sóng micro: milimet (EHF): bước sóng từ 1 mm – 10 mm, centimet (SHF): 1 cm –

6 Sóng rất dài (VLF): 10 km – 100 km

Hệ phương trình Maxwell

Ðể diễn tả trường điện từ một cách định lượng, Maxwell đã thiết lập nên hệphương trình mang tên Maxwell Trước Maxwell, những hiểu biết của con người về cáchiện tượng điện còn rời rạc, chưa được tập hợp và tổng quát hoá lại Ngay đến khoảngnăm 1820, người ta vẫn còn quan niệm là điện và từ là hai hiện tượng khác nhau, khôngcó liên hệ gì với nhau cả

Bảng 1.1 Hệ phương trình Maxwell

Phương trình Maxwell thứ

L

S d t

D S

d J l d H

t

D J H rot

Phương trình Maxwell thứ

S d t

B l

d E

t

B E

V S

Phương trình Maxwell thứ tư .  0

Thí nghiệm của Oersted năm 1820 đã chứng tỏ rằng giữa điện và từ có liên quan,và dòng điện cũng gây nên tác dụng từ Ampere sau khi nghiên cứu kỹ về các hiện tượngđiện từ, đã kết luận rằng mọi hiện tượng từ trong tự nhiên, kể cả từ tính của nam châmvĩnh cửu, đều được gây nên bởi dòng điện (giả thuyết về dòng điện phân tử của Ampere)

Sau đó, là những phát minh lớn của Faraday về hiện tượng cảm ứng điện từ Xuấtphát từ quan điểm đúng đắn về sự liên quan chặt chẽ giữa các hiện tượng tự nhiên,Faraday cho rằng nếu dòng điện có thể gây nên tác dụng từ thì ngược lại, nam châm (haycác dòng điện) cũng có thể gây nên dòng điện Sau nhiều thí nghiệm, Faraday chứng minhđược rằng điều đó là đúng Ðồng thời Faraday nêu lên ý kiến về vai trò của môi trườngtrung gian trong các hiện tượng điện Ông không thừa nhận sự tương tác xa, và cho rằng

tương tác điện và từ truyền qua một môi trường nào đó, và môi trường đó đóng vai trò cơbản trong quá trình điện và từ

Maxwell đã phát triển những ý kiến của Faraday một cách sâu sắc và đã xây dựngnên những thuyết định lượng, dùng công cụ toán học Sự liên quan chặt chẽ giữa điệntrường và từ trường được xây dựng trên cơ sở lý thuyết chắc chắn, và được biểu diễn bằngcác phương trình Maxwell Vì thế thuyết Maxwell là một bước phát triển mới, hoàn thiệnnhững hiểu biết của con người về điện Nó đưa ra khái niệm về điện từ trường, bao gồmđiện trường và từ trường, có liên hệ chặt chẽ và chuyển hoá lẫn nhau

Các phương trình Maxwell bao gồm mọi định luật cơ bản của điện trường và từtrường, đó là những phương trình cơ bản, tổng quát của điện từ trường trong các môitrường đứng yên

Thuyết Maxwell không những giải thích được các hiện tượng đã biết, mà còn tiênđoán được nhiều hiện tượng mới, quan trọng Giả thuyết hoàn toàn mới trong thuyết củaMaxwell là giả thuyết về trường của dòng điện dịch Trên cơ sở đó, Maxwell đã tiên đoánbằng lý thuyết sự tồn tại của sóng điện từ, tức là từ trường biến thiên, truyền trong khônggian với vận tốc xác định

1.3.2 Tương tác năng lượng sóng điện từ trong khí quyển

Giữa bề mặt vỏ Trái đất và vật mang bao giờ cũng có một khoảng khí quyển ảnhhưởng trực tiếp tới quá trình truyền dẫn thông tin Những vật thể gây nên sự tương tácnăng lượng sóng điện từ trong khí quyển bao gồm các phân tử khí và các hạt dạng lỏnghay rắn (aerosol, bụi, giọt nước) Các hạt này gây ra những biến đổi như hấp thụ, tán xạvà phản xạ năng lượng sóng điện từ Trong thực tế, các phần tử trong khí quyển hấp thụnăng lượng trong một số khoảng bước sóng nhất định gọi là các kênh hấp thụ Chỉ có bứcxạ của sóng siêu cao tần và bước sóng dài hơn là có khả năng xuyên qua mây, mà khôngbị tán xạ, phản xạ hay hấp thụ

Khí quyển cũng là một nguồn bức xạ điện từ tự nhiên quan trọng Tương tác nănglượng sóng điện từ trong khí quyển diễn ra ở hai dạng: tỏa nhiệt của chính khí quyển vàtỏa nhiệt do tái phân tán Khí quyển có đặc tính giống vật đen, sự tỏa nhiệt ở khí quyển cógiá trị giống tỏa nhiệt của vật đen ở nhiệt độ 200 – 300 K Tính chất tỏa nhiệt của khíquyển phụ thuộc vào mặt cắt nhiệt của nó và có giá trị cao tại các kênh phổ mà nó hấp thụnhiệt Sự tỏa nhiệt của khí quyển tuân thủ theo nguyên lý cân bằng nhiệt (định luậtKirchoff)

Định luật Kirchoff Tỉ số giữa năng lượng điện từ tỏa ra trên một phần diện tích

và phần năng lượng đến bị hấp thụ là không đổi với tất cả các vật trên cùng một nhiệt độ cho trước Khi một vật ở một trạng thái cân bằng nhiệt lượng, tổng năng lượng hấp thụ bằng tổng năng lượng tỏa ra (độ hấp thụ = độ tỏa nhiệt).

a f a

Hình 1.7 Hàm phổ biến cho vật đen và các vật khác

Tái phân tán năng lượng tại khí quyển xảy ra do cơ chế của sự khuyếch tán và phụthuộc vào hợp chất và thành phần của khí quyển Có hai kiểu tái phân tán năng lượngtrong khí quyển: phân tán bức xạ kiểu Reyleigh (khi bức xạ tương tác với các phân tử củakhí quyển và các hạt vật chất nhỏ hơn bước sóng của bức xạ điện từ) và kiểu Mie (xảy ra

do các hạt trong khí quyển có kích thước bằng bước sóng của năng lượng được dùngtrong viễn thám như hơi nước và bụi bẩn)

1.3.3 Tương tác năng lượng sóng điện từ với các đối tượng tự nhiên

Sóng điện từ chiếu tới mặt đất, năng lượng của nó sẽ tác động lên bề mặt vật thể vàxảy ra các hiện tượng: phản xạ năng lượng, hấp thụ năng lượng và thấu quang nănglượng Năng lượng bức xạ sẽ chuyển đổi thành ba dạng năng lượng khác nhau Quá trìnhtrên được mô tả theo công thức:

E0 EEE (1.2)Trong đó: E0 – năng lượng ban đầu của bức xạ khi chiếu xuống;

E - năng lượng phản xạ;

E - năng lượng hấp thụ;

E - năng lượng thấu quang

Năng lượng của bức xạ điện từ phụ thuộc vào cấu trúc bề mặt đối tượng Tùy thuộcđối tượng, năng lượng phản xạ phổ có thể phản xạ toàn phần, phản xạ một phần, tán xạtoàn phần, tán xạ một phần (hình 1.8)

Hình 1.8 Phản xạ toàn phần (a), phản xạ một phần (b), tán xạ toàn phần (c),

tán xạ một phần (d)

Độ hấp thụ năng lượng điện từ được tính là tỉ số giữa năng lượng phát xạ bị hấpthụ và năng lượng tới:

Năng lượng bức xạ điện từ chiếu tới đối tượng được phản xạ không những phụthuộc vào bề mặt đối tượng mà còn phụ thuộc vào bước sóng Tại các bước sóng khácnhau sẽ nhận được khả năng phản xạ phổ khác nhau Sự phụ thuộc của năng lượng phảnxạ bức xạ điện từ vào bước sóng của một số đối tượng tự nhiên được mô tả trên hình 1.9

Hình 1.9 Đặc trưng phản xạ phổ của một số đối tượng tự nhiên

1.3.4 Khả năng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên

Khả năng phản xạ phổ của các vật thể là một trong những thông số cơ bản nhất cầnbiết khi phân loại ảnh vệ tinh Khả năng phản xạ phổ phụ thuộc vào bước sóng của sóngđiện từ Ở các bước sóng khác nhau, giá trị phản xạ phổ của một vật thể không giốngnhau

Khả năng phản xạ phổ của vật thể phụ thuộc vào bước sóng được định nghĩa theocông thức sau đây:

% 100 ) ( 0

) (

Dựa trên đặc tính phổ của vật thể tại các bước sóng, các đối tượng tự nhiên đượcchia ra thành các nhóm chính sau (theo Krasova V.I., 2005):

Nhóm 1: khoáng sản và thổ nhưỡng Đặc trưng bởi sự tăng lên của hệ số phản xạ

phổ tại vùng bước sóng đỏ Khả năng phản xạ phổ của khoáng sản phụ thuộc vào cấu tạovà các thành phần trong khoáng sản Khả năng phản xạ phổ của thổ nhưỡng phụ thuộcvào nồng độ hợp kim sắt và chất mùn trong đất

Nhóm 2: thực vật Đặc trưng bởi khả năng phản xạ cao nhất ở bước sóng green

(0.55μm) và thấp nhất ở bước sóng đỏ (0.66 μm)

Nhóm 3: nước Đặc trưng bởi khả năng phản xạ thấp nhất và hệ số phản xạ giảm

liên tục trong dải sóng từ xanh nước biến (blue) đến đỏ (red)

Nhóm 4: tuyết Đặc trưng bởi giá trị phản xạ phổ cao nhất và giảm không nhiều

trong vùng sóng cận hồng ngoại Gần giống với khả năng phản xạ phổ của lớp tuyết phủlà mây Đặc tính phổ của mây có một số dải hẹp hấp thụ phổ trong vùng bước sóng dài

Tính chất chung cho tất cả các lớp đối tượng tự nhiên là sự giảm xuống của giá trịphản xạ phổ ở dải sóng 2 – 3 μm Chú ý rằng trên đường cong phổ của các đối tượng tựnhiên có 2 vùng giá trị phản xạ phổ thấp (1.43 μm và 1.93 μm) do nguyên nhân hấp thụnăng lượng sóng điện từ của nước

Đặc trưng phản xạ phổ của thổ nhưỡng Đặc trưng phản xạ chung nhất của thổ

nhưỡng là khả năng phản xạ phổ tăng theo độ dài bước sóng, đặc biệt là bước sóng cậnhồng ngoại và hồng ngoại nhiệt Ở dải sóng điện từ này, chỉ có năng lượng hấp thụ và

năng lượng phản xạ mà không có năng lượng thấu quang Với các loại đất có thành phần

cấu tạo các chất hữu cơ và vô cơ khác nhau, khả năng phản xạ phổ sẽ khác nhau Tùythuộc vào thành phần hợp chất có trong đất mà biên độ của đồ thị phản xạ phổ sẽ khácnhau

Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng phản xạ phổ của thổ nhưỡng: cấu trúc bề mặtcủa đất, độ ẩm của đất, hợp chất hữu cơ, vô cơ có trong đất.

Hình 1.10 Đặc tính phổ của một số loại đất

Cấu trúc của thổ nhưỡng phụ thuộc vào thành phần sét, bụi cát có trong đất Sét làhạn mịn có đường kính nhỏ hơn 0.002mm, bụi có đường kính 0.002 – 0.05mm, cát cóđường kính 0.05 – 2mm Với đất hạt mịn thì khoảng cách giữa các hạt nhỏ, với đất hạtlớn, khoảng cách giữa các hạt lớn hơn dẫn đến khả năng vận chuyển không khí và độ ẩmdễ dàng hơn Độ ẩm và lượng nước có trong đất ảnh hưởng lớn đến khả năng phản xạ phổcủa thổ nhưỡng

Khả năng phản xạ phổ của thổ nhưỡng phụ thuộc vào độ ẩm của đất Khi độ ẩmtăng, khả năng phản xạ sẽ bị giảm (hình 1.11)

Hình 1.11 Khả năng phản xạ phổ phụ thuộc độ ẩm của thổ nhưỡng

Một yếu tố khác ảnh hưởng đến khả năng phản xạ phổ của thổ nhưỡng là hợp chấthữu cơ có trong đất Với hàm lượng hợp chất hữu cơ từ 0.5 – 5.0% đất sẽ có màu nâu sẫm(phản xạ phổ yếu) Nếu hàm lượng chất hữu cơ trong đất thấp hơn, khả năng phản xạ phổsẽ cao hơn Khả năng phản xạ phổ của thổ nhưỡng còn phụ thuộc vào hàm lượng oxit sắtchứa trong đất Khả năng phản xạ phổ tăng khi hàm lượng oxit sắt trong đất giảm xuống

(đặc biệt là vùng phổ nhìn thấy) Trong dải sóng điện từ này, khả năng phản xạ phổ có thểgiảm đến 40% khi hàm lượng oxit sắt trong đất tăng lên Khi loại bỏ oxit sắt ra khỏi đất,khả năng phản xạ phổ tăng lên một cách rõ rệt, đặc biệt trong dải sóng điện từ 0.5 μm –1.1 μm.

Đặc trưng phản xạ phổ của thực vật Khả năng phản xạ phổ của thực vật phụ

thuộc vào bước sóng điện từ Trong dải sóng điện từ nhìn thấy, các sắc tố của lá cây ảnhhưởng đến đặc tính phản xạ phổ của nó, đặc biệt là hàm lượng chất diệp lục (clorophyl).Trong dải sóng này, thực vật ở trạng thái tươi tốt với hàm lượng diệp lục cao trong lá câysẽ có khả năng phản xạ phổ cao ở bước sóng xanh lá cây (green), giảm xuống ở vùngsóng đỏ (red) và tăng rất mạnh ở vùng sóng cận hồng ngoại (NIR)

Khả năng phản xạ phổ của lá cây ở vùng sóng ngắn và vùng ánh sáng đỏ thấp Haivùng suy giảm khả năng phản xạ phổ này tương ứng với hai dải sóng bị chất diệp lục(clorophyl) hấp thụ Ở vùng sóng này, chất diệp lục hấp thụ phần lớn năng lượng chiếutới, do vậy khả năng phản xạ phổ của lá cây không lớn Ở bước sóng xanh lá cây (green),khả năng phản xạ phổ của lá cây rất cao, do đó lá cây ở trạng thái tươi tốt được mắt ngườicảm nhận ở màu lục (green) Khi lá úa hoặc có bệnh, hàm lượng clorophyl giảm đi, khảnăng phản xạ phổ cũng thay đổi, mắt người sẽ cảm nhận lá cây có màu vàng, đỏ Ở vùngsóng hồng ngoại, ảnh hưởng chủ yếu đến khả năng phản xạ phổ của lá cây là hàm lượngnước chứa trong lá

Thực vật có khả năng hấp thụ năng lượng mạnh nhất ở các bước sóng 1.4 μm, 1.9

μm, 2.7 μm Bước sóng 2.7 μm hấp thụ năng lượng mạnh nhất gọi là dải sóng cộng hưởnghấp thụ (sự hấp thụ mạnh diễn ra với dải sóng trong khoảng từ 2.66 μm–2.73 μm) Khihàm lượng nước chứa trong lá giảm đi, khả năng phản xạ phổ của lá cây cũng tăng lênđáng kể

Hình 1.12 Một số yếu tổ ảnh hưởng đến khả năng phản xạ phổ của thực vật

Đặc trưng phản xạ phổ của nước Khả năng phản xạ phổ của nước thay đổi theo

bước sóng của bức xạ chiếu tới và thành phần vật chất có trong nước Ngoài ra, khả năngphản xạ phổ của nước còn phụ thuộc vào bề mặt nước và trạng thái của nước

Đối với đường bờ nước, ở dải sóng hồng ngoại và cận hồng ngoại có thể phân biệtmột cách rõ ràng Nước có khả năng hấp thụ rất mạnh năng lượng ở bước sóng cận hồngngoại và hồng ngoại, do đó năng lượng phản xạ sẽ rất ít Ở dải sóng dài, khả năng phản xạphổ của nước khá nhỏ nên có thể sử dụng các kênh ở dải sóng ngoài để xác định ranh giớinước – đất liền

Trong nước chứa nhiều thành phần hữu cơ và vô cơ, cho nên khả năng phản xạ phổcủa nước phụ thuộc vào thành phần và trạng thái của nước Nước đục có khả năng phảnxạ phổ cao hơn nước trong, nhất là ở dải sóng dài Hàm lượng clorophyl cũng ảnh hưởngđến khả năng phản xạ phổ của nước (giảm khả năng phản xạ phổ ở dải sóng ngắn, tăng ởdải sóng màu xanh lá cây) Ngoài ra, một số yếu tố khác cũng ảnh hưởng đến khả năngphản xạ phổ của nước, tuy không thể hiện rõ rệt qua sự khác biệt của đồ thị phổ: độ mặncủa nước biển, hàm lượng khí metan, oxi, nitơ, cacbonic, trong nước

Độ thấu quang của nước phụ thuộc vào độ đục/trong Nước biển, nước ngọt, nướccất đều có chung đặc tính thấu quang, tuy nhiên với nước đục, độ thấu quang giảm rõ rệtvà với bước sóng càng dài, độ thấu quang càng lớn Khả năng thấu quang cao và hấp thụnăng lượng ít ở dải sóng nhìn thấy đối với lớp nước mỏng (ao, hồ nông) và trong là donăng lượng phản xạ của lớp đáy: cát, đá,

Bảng 1.2 Đ thấu quang của nước phụ thu c bước sóng ộ thấu quang của nước phụ thuộc bước sóng ộ thấu quang của nước phụ thuộc bước sóng

Hình 1.13 Khả năng thấu quang của một số loại nước

Đặc trưng phản xạ phổ của khoáng vật Khoáng vật tạo thành từ các anion và

cation Phổ của chúng phụ thuộc vào các hiệu ứng ion, cation, anion hoặc trường tinh thể

Đối với oxit sắt và các hợp phần chứa sắt, phổ phản xạ hiển thị rõ trên dải sóng tím– xanh và tăng dần trên dải sóng nhìn thấy đến bước sóng màu đỏ

Thạch anh: bị hấp thụ phổ trên dải sóng giữa hồng ngoại

Pyroxen (chứa canxi): bị hấp thu phổ do có chứa ion sắt trên dải sóng nhìn thấy vàcận hồng ngoại, giữa hồng ngoại

Amphibol, mica và sét bị hấp thụ phổ trên dải sóng cận hồng ngoại do chứa nước,ion hydroxit, trên dải sóng hồng ngoại ngắn (SWIR) và giữa hồng ngoại (MIR) do chứasilicate

Hợp chất carbonat: bị hấp thụ trên dải phổ hồng ngoại ngắn và giữa hồng ngoại(đặc tính của ion carbonat),

Khoáng vật sét: bị hấp thụ phổ trên dải sóng 2.2 μm (đối với khoáng vật chứa bazơnhôm), 2.3 μm (khoáng vật sét chứa bazơ Mg), 1.4 μm và 0.9 μm (khoáng vật sét chứaphân tử nước)

Hình 1.14 Tính chất phổ của một số khoáng vật chứa oxit sắt và pyroxene

1.3.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên

Các đối tượng tự nhiên khác nhau có đặc trưng phản xạ phổ khác nhau Tuy nhiên,khả năng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên cũng chịu ảnh hưởng bởi một số yếu tốchung như yếu tố thời gian, không gian, khí quyển

Yếu tố thời gian.Yếu tố thời gian là một trong những yếu tố quan trọng nhất ảnh

hưởng đến khả năng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên, đặc biệt là các đối tượng cósự thay đối theo thời gian như lớp phủ thực vật Sự thay đổi theo thời gian của các đốitượng tự nhiên dẫn đến khả năng phản xạ phổ cũng thay đổi theo, ví dụ lúa có màu khácnhau theo thời vụ, cây rụng lá vào mùa đông nên khả năng phản xạ phổ cũng khác mùahè, Do vậy, khi phân tích ảnh cần biết rõ thời vụ, thời điểm thu nhận ảnh và đặc điểmcủa đối tượng cần phân loại

Yếu tố không gian Yếu tố không gian bao gồm yếu tố không gian cục bộ và yếu

tố không gian địa lý Yếu tố không gian cục bộ thể hiện khi chụp ảnh cùng một loại đốitượng (cây trồng theo hàng và cây trồng theo mảng lớn có độ phản xạ phổ khác nhau).Yếu tố không gian địa lý thể hiện ở chỗ, cùng một loại đối tượng nhưng sinh trưởng ở cácvùng khác nhau thì khả năng phản xạ phổ khác nhau Với các góc chụp khác nhau, cùngmột loại đối tượng 2 bên sườn núi sẽ có khả năng phản xạ phổ khác nhau,

Yếu tố khí quyển Khí quyển ảnh hưởng rất lớn đến khả năng phản xạ phổ của đối

tượng tự nhiên Khí quyển có thể ảnh hưởng đến số liệu viễn thám bằng hai cách: tán xạ(làm đổi hướng tia chiếu) và hấp thụ năng lượng Do vậy, trước khi phân loại các đốitượng trên ảnh, thông thường một bước bắt buộc là phải hiệu chỉnh khí quyển(atmospheric correction) nhằm giảm thiểu sự ảnh hưởng của các yếu tố khí quyển đếnchất lượng ảnh

Hình 1.15 Khả năng phản xạ phổ thay đổi theo thời gian (ảnh Modis khu vực

Bắc Mỹ tháng 11 - 2002 và tháng 6 – 2002)

CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG I

1 Thế nào là viễn thám? Sự khác nhau giữa kỹ thuật viễn thám và các kỹ thuậtnghiên cứu tài nguyên, môi trường truyền thống?

2 Lịch sử ra đời và xu hướng phát triển của kỹ thuật viễn thám?

3 Nguyên lý hoạt động cơ bản của viễn thám?

4 Bức xạ điện từ là gì? Phân loại bức xạ điện từ?

5 Bức xạ điện từ ở dải sóng nào được sử dụng trong viễn thám? Tại sao?

6 Tương tác năng lượng sóng điện từ trong khí quyển?

7 Tương tác năng lượng sóng điện từ với các đối tượng tự nhiên?

8 Đặc trưng phản xạ phổ của đất?

9 Đặc trưng phản xạ phổ của thực vật? Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng phản xạphổ của thực vật?

10 Đặc trưng phản xạ phổ của nước?

11 Đặc trưng phản xạ phổ của một số khoáng vật?

12 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên?

13 Ưu, nhược điểm của kỹ thuật viễn thám?

14 Nêu các lĩnh vực ứng dụng chủ yếu của viễn thám?

15 Tình hình ứng dụng kỹ thuật viễn thám ở Việt Nam?

Chương 2: BỘ CẢM BIẾN VÀ VỆ TINH VIỄN THÁM2.1 NHỮNG KHÁI NIỆM CHUNG VỀ BỘ CẢM BIẾN

2.1.1 Bộ cảm biến

Bộ cảm biến là các thiết bị tạo ra ảnh về sự phân bố năng lượng phản xạ hay phátxạ của các vật thể từ mặt đất theo những phần nhất định của quang phổ điện từ Bộ cảmgiữ nhiệm vụ thu nhận các năng lượng bức xạ do vật thể phản xạ từ nguồn cung cấp tựnhiên (mặt trời) hoặc nhân tạo (do vệ tinh phát ra) Năng lượng này được chuyển thànhtín hiệu số (biến đổi quang năng thành điện năng và chuyển đối tín hiệu điện thành một sốnguyên hữu hạn gọi là giá trị của pixel) tương ứng với năng lượng bức xạ ứng vớitừng bước sóng do bộ cảm nhận được trong dải phổ đã được xác định Để hiểu rõ nguyêntắc hoạt động của bộ cảm, cách đơn giản nhất là xét khả năng phản xạ phổ của thựcvật đối với sóng điện từ có bước sóng nằm trong vùng nhìn thấy Nhìn thấy hay cảmnhận được đối với bức xạ điện từ là khả năng đặc biệt quan trọng không chỉ đối vớicác bộ cảm mà còn đối với mắt của con người, nhờ đó hình ảnh của vật thể và màusắc có thể được tạo ra từ việc thu năng lượng do vật thể phản xạ từ một nguồn cung cấpnào đó

Trong năm giác quan của con người, mắt là giác quan có cảm nhận tốt nhất đối vớisóng điện từ; mắt của con người giữ chức năng giống như bộ cảm trong hệ thống viễnthám Ánh sáng đi vào mắt qua giác mạc và hội tụ ở võng mạc (con người giữ vai trò làthấu kính), các tế bào thần kinh (hình que và hình nón) ở võng mạc biến đổi năng lượngcủa ánh sáng mạnh hay yếu ứng với từng bước sóng khác nhau thành các xung điệntruyền về não (bộ xử lý tín hiệu) Não của người sẽ phân tích các giá trị khác nhau củaxung điện để cảm nhận được màu sắc hoặc hình ảnh

Trong vùng ánh sáng nhìn thấy, các sắc tố của lá cây ảnh hưởng đến đặc tínhphản xạ phổ của nó, đặc biệt là chất diệp lục (còn một số yếu tố khác cũng ảnh hưởng đếnnăng lượng phản xạ phổ của lá cây) hấp thụ ánh sáng có bước sóng xanh và đỏ đồngthời phản xạ mạnh ánh sáng có bước sóng xanh lá cây tương ứng bước sóng 0,55µm Dođó, khi cây tươi tốt, mắt con người cảm nhận lá cây có màu xanh; khi lá úa sắp rụng hoặccây bị bệnh hàm lượng diệp lục giảm dẫn đến phản xạ phổ bị thay đổi và lá cây sẽ có màuvàng đỏ

Đối với bộ cảm, kính lọc phổ được sử dụng để tách năng lượng bức xạ ứng vớitừng bước sóng khác nhau, và năng lượng này được dẫn đến các tế bào quang điện đểbiến đổi quang năng thành điện năng Tuỳ thuộc vào số bit dùng để ghi nhận thông tin,việc chuyển đổi tín hiệu thành một số nguyên hữu hạn thể hiện sự thay đổi của cường độphản xạ sóng từ các vật thể được bộ cảm xác định Trong viễn thám, năng lượng này ứngvới một đơn vị nhỏ nhất trên mặt đất tương ứng với một pixel trên ảnh và bằng kỹ thuậtphối hợp vận hành giữa vệ tinh và bộ cảm để tạo ảnh hai chiều của bề mặt đất

Tế bào quang điện là thiết bị sử dụng hiệu ứng quang điện để biến đổi quang năngthành điện năng Độ lớn của dòng điện tạo ra tỷ lệ thuận với với cường độ cuả sóng phảnxạ từ vật thể, do đó sự thay đổi cuả dòng điện có thể được sử dụng để đo lường sự thayđổi năng lượng của ánh sáng mạnh hay yếu ứng với từng bước sóng khác nhau Nănglượng sóng điện từ sau khi tới tế bào quang điện, được chuyển thành tín hiệu có giá trịthay đổi liên tục theo thời gian (số thực) và để ghi nhận thông tin, việc chuyển đổi tínhiệu điện liên tục thành một số nguyên hữu hạn được gọi là số hoá Giá trị độ sáng ghinhận được phụ thuộc vào số bit dùng trong quá trình số hoá và toàn bộ năng lượng củasóng điện từ thu được (tín hiệu nhập) chuyển sang tín hiệu số (tín hiệu xuất) chỉ sử dụngphần biến đổi tuyến tính của bộ cảm.

Bộ cảm chỉ thu nhận năng lượng sóng điện từ phản xạ hay bức xạ từ vật thể theotừng bước sóng xác định Năng lượng sóng điện từ sau khi tới được bộ cảm đượcchuyển thành tín hiệu số (chuyển đổi tín hiệu điện thành một số nguyên hữu hạn gọi làgiá trị của pixel) tương ứng với năng lượng bức xạ ứng với từng bước sóng do bộ cảmnhận được trong dải phổ đã xác định

Máy quét với trường nhìn không đổi (góc nhìn không gian tương ứng giữa 1 pixelvới 1 đơn vị chia mẫu trên mặt đất) được sử dụng để tạo ảnh hai chiều của bề mặt đấtdựa trên sự phối hợp chuyển động giữa vật mang và hệ thống quét vuông góc với hướngbay Lượng thông tin về năng lượng bức xạ được ghi trong trường nhìn không đổi(Instaneous field of view – IFOV) sẽ được bộ cảm đổi thành giá trị của pixel Hệthống quét sử dụng để ghi nhận năng lượng bức xạ ứng với các bước sóng khác nhautrong dải tần đã xác định (từ cực tím đến hồng ngoại) được gọi là hệ thống quét đa phổ

Do vậy có thể định nghĩa một thiết bị dùng để cảm nhận sóng điện từ phản xạ hoặc bức xạ từ vật thể được gọi là bộ cảm biến, thường gọi tắt là bộ cảm

2.1.2 Phân loại bộ cảm

Việc phân loại các bộ cảm có nhiều cách khác nhau, có thể theo dải sóng thu nhận,cũng có thể theo kết cấu Nhìn chung, bộ cảm biến có thể được chia làm hai nhóm chính:bộ cảm chủ động và bộ cảm bị động Các bộ cảm chủ động thu nhận năng lượng do vậtthể phản xạ từ nguồn năng lượng nhân tạo Các bộ cảm bị động thu nhận các bức xạ dovật thể phản xạ hoặc phát xạ Sơ đồ phân loại bộ cảm dùng trong viễn thám được miêu tảtrên hình 2.1 (Lê Văn Trung, 2003)

Mỗi loại bộ cảm thuộc nhóm chủ động hoặc bị động được chia thành hệ thống quétvà hệ thống không quét Sau đó chúng lại tiếp tục được chia thành loại tạo ảnh và khôngtạo ảnh

Các loại máy chụp ảnh, máy quét quang cơ, máy quét điện tử là những bộ cảmđược sử dụng rộng rãi trong viễn thám hiện nay Các bộ cảm quang học được đặc trưngbởi tính chất phổ, đặc trưng hình học, đặc trưng bức xạ Tính chất phổ được thể hiện qua số

lượng kênh phổ và bề rộng kênh Các thiết bị dùng phim được đặc trưng bởi độ nhạy củaphim, khả năng lọc của các kính lọc phổ, các tính chất quang học của hệ thống thấu kính.

Hình 2.1 Sơ đồ phân loại bộ cảm biến dùng trong viễn thám

Các đặc trưng hình học được thể hiện qua các thông số như trường nhìn, trườngnhìn không đổi, độ trùng khớp giữa các kênh, biến dạng hình học

Các đặc trưng bức xạ được xác định dựa theo sự thay đổi của bức xạ điện từtrước và sau khi đi qua hệ thống quang học

Vùng ánh sáng được bố trí theo thứ tự bước sóng được gọi là phổ Chùm ánh sángtrắng được tách thành phổ thông qua thiết bị quang học như lăng kính, hệ thống lăng kính

Quét mặt phẳng đối tuợng

Màn hình hiển thị Máy quét lập thể Máy quét quang cơ Bức xạ kế siêu cao tần

Không tạo ảnh

Bức xạ kế siêu cao tần

Đo độ cao siêu cao tần

Đo độ sâu laser

Đo khoảng cách laser Tạo ảnh Object plane scanning

Image plane scanning

RAR SAR Radar tuyến tính đồng bộ thụ động

Tạo ảnh Camera Khác

Toàn sắc Hồng ngoại Màu hồng ngoại Không tạo ảnh

Bộ cảm biến từ trường Trọng lực kế, phổ kế Fourier Khác

Bức xạ kế siêu cao tần

Ngoài việc sử dụng lăng kính để tách phổ, người ta còn dùng kính lọc phổ Có 3loại kính lọc phổ là kính lọc sóng dài, kính lọc sóng ngắn, kính lọc đơn phổ.

2.2 BỘ CẢM BIẾN SỬ DỤNG TRONG KỸ THUẬT VIỄN THÁM

Hiện nay có rất nhiều bộ cảm biến được chế tạo để phục vụ cho nhiều mục đích sửdụng khác nhau Đặc trưng chủ yếu của các bộ cảm biến là số kênh phổ được sử dụng, độphân giải không gian và bề rộng tuyến chụp Tùy thuộc vệ tinh, bộ cảm biến sẽ được đặt ởđộ cao và chuyển động theo một quỹ đạo nhất định Một số bộ cảm biến thông dụng hiệnnay: TM, MSS, ETM+ (vệ tinh Landsat); MESSR, MSR, VTIR (vệ tinh MOS – 1, 1b);OPS/VNIR, OPS/SWIR, SAR (vệ tinh JERS – 1); HRV-XS, HRV-P, HRVIR,VEGETATION (vệ tinh SPOT); AMI SAR (vệ tinh ERS – 1, 2); LISS3, PAN (vệ tinhIRS – 1C, 1D); PR, TMI, VIRS, CERES, LIS (vệ tinh TRMM);

2.2.1 Máy quét quang cơ

Máy quét quang cơ về cơ bản là một bức xạ kế đa phổ Bức xạ kế này tạo nên bứcảnh hai chiều dựa trên sự phối hợp chuyển động giữa vật mang và hệ thống gương quayhoặc gương lắc vuông góc với quĩ đạo chuyển động

Những bộ phận chính của máy quét đa phổ quang cơ:

 Hệ thống quang học: Hệ thống kính viễn vọng phản xạ kiểu Newton, Casegrainhoặc Ritchey - Chretien nhằm hạn chế sự lệch mầu đến mức tối thiểu

 Hệ thống tách phổ: Các hệ thống gương, lăng kính hoặc kính lọc đơn phổ thường được sử dụng

 Hệ thống quét: Các gương quay hoặc lắc trong mặt phẳng vuông góc với đườngbay là phần tử quét cơ bản

 Bộ dò: Bộ dò quang điện tử chuyển năng lượng điện từ thành tín hiệu điện Các bộkhuếch đại quang học thường được sử dụng cho dải sóng nhìn thấy và vùng tia cựctím Điốt Silicon được dùng đối với vùng hồng ngoại nhìn thấy Điốt Ingiumantimony được dùng cho vùng sóng ngắn Để đo bức xạ nhiệt người ta dùng điốtHqCdTe

 Hệ thống kiểm định: Các tín hiệu điện đo được luôn bị ảnh hưởng bởi sự biếnđộng độ nhạy của hệ thống dò, do vậy cần phải duy trì thường xuyên một nguồnánh sáng hoặc nhiệt có cường độ ổn định làm nguồn năng lượng chuẩn kiểm địnhthông số bộ cảm

2.2.2 Máy quét điện tử

Các hệ thống quét điện tử hoặc bộ cảm mảng tuyến tính là hệ thống quét, trong đókhông có bộ phận cơ học như gương quay Bộ phận ghi nhận tín hiệu chủ yếu là mảngtuyến tính Các bộ dò bán dẫn cho phép ghi lại đồng thời từng hàng ảnh

Các hệ thống quét điện tử không có bộ phận cơ học nên độ ổn định hoạt động rất

cao Tuy vậy thường xuất hiện nhiễu trên một hàng ảnh do sự chênh lệch độ nhậy giữacác bộ dò Trên hình 2.1 là sơ đồ của dữ liệu thu được bởi hệ thống quét điện tử.

Cặp thiết bị nạp (CCD) thường được dùng trong bộ cảm mảng tuyến tính, do vậyngười ta thường gọi bộ cảm này là bộ cảm tuyến tính CCD

Hệ thống ghi ảnh bằng máy quét đa phổ có các đặc điểm sau đây:

+ Có khả năng ghi nhận ảnh theo chu kỳ thời gian, thông tin mang tính thời sự.+ Lực phân giải cao, độ khái quát lớn

+ Có thể xử lý các thông tin bằng phương pháp tính toán, cộng trừ các kênh phổnên sản phẩm đa dạng hơn ảnh chụp

+ Có thể đưa thông tin ghi nhận về các lưới chiếu

Tuy nhiên, hệ thống quét đa phổ đặt trên vệ tinh cũng có một số nhược điểm như:lực phân giải của ảnh quét thấp hơn ảnh chụp, quá trình truyền thông tin về mặt đất sẽ bịnhiễu, xử lý thông tin phải sử dụng hệ thống máy tính điện tử phức tạp

Máy quét đa phổ MSS của vệ tinh LANDSAT có bộ phận quét bằng gương xoay,sau đó đưa thông tin qua ống kính quang học vào máy Máy quét điện tử CD HRV củavệ tinh SPOT quét bằng một dãy Detector

Hình 2.2 Sơ đồ của dữ liệu thu được bởi hệ thống quét điện tử

2.2.3 Các bộ cảm biến thông dụng

a Máy chụp ảnh

Các loại máy chụp ảnh sử dụng thông dụng trong viễn thám là máy chụp ảnh hàngkhông, máy chụp ảnh đa phổ, máy chụp toàn cảnh

Các máy chụp ảnh hàng không được lắp trên máy bay, trên tầu vệ tinh dùng vàomục đích chụp ảnh đo đạc địa hình.

Những máy chụp ảnh sử dụng trong viễn thám vệ tinh có METRIC CAMERA,máy chụp LFC đặt trên tàu vệ tinh con thoi Máy chụp ảnh MKF - 6 đặt trên tầu vệ tinh

"Sayuz - 22" Máy chụp ảnh KFA - 1000 đặt trên vệ tính Cosmos Một số loại máy chụpảnh tiêu biểu là máy RMK do hãng CARLZEISS, máy RC do hãng LEICA Thụy Sĩ chếtạo

Các tư liệu của máy chụp ảnh sử dụng vào mục đích đo đạc nên cấu tạo của máychụp ảnh phải thoả mãn các điều kiện quang học và hình học cơ bản như sau:

+ Quang sai của máy chụp ảnh phải nhỏ

+ Độ phân giải kính vật phải cao và độ nét ảnh phải được bảo đảm trong toàn bộtrường ảnh

+ Các yếu tố định hướng trong như chiều dài tiêu cự, toạ độ điểm chính ảnh phải được xác định chính xác

+ Trục quang của ống kính phải vuông góc với mặt phẳng phim

+ Hệ thống chống nhoè phải đủ khả năng loại trừ ảnh hưởng của chuyển động tương đối giữa vật mang và Trái đất, nhất là khi chụp ảnh từ vệ tinh

b Đặc điểm của hệ thống ghi ảnh bằng vật liệu ảnh

+ Trên phim ảnh chứa được lượng thông tin lớn

+ Lực phân giải cao và khả năng khái quát lớn

+ Sử dụng rộng rãi trong khoa học và sản xuất trên các loại máy truyền thống.+ Khả năng hiển thị để quan sát rõ ràng

+ Trên phim ảnh có khả năng ghi nhận cùng một lúc nhiều đại lượng vật lý khácnhau như mật độ quang học, quang lượng, hình học, định tính và định lượng của các đốitượng

+ Tính ổn định ghi ảnh của hệ thống rất cao, có khả năng tính được các biến dạngnhư sai số méo hình kính vật, khử nhoè trong quá trình tạo ảnh

c Một số nhược điểm của hệ thống ghi ảnh bằng vật liệu ảnh

+ Thông tin ảnh không sử dụng trực tiếp được trong các hệ thống máy tính khichưa biến thành tín hiệu điện

+ Thông tin trên ảnh không vận chuyển được trên khoảng cách từ vệ tinh vềTrái đất khi tiến hành chụp ảnh, cần phải đem phim ảnh về Trái đất để xử lý

2.3 VẬT MANG VÀ QUỸ ĐẠO BAY

2.3.1 Phân loại vật mang

Vật mang là một phương tiện dùng để bố trí các bộ cảm biến trên đó nhằm thunhận thông tin từ mặt đất Vệ tinh và máy bay là những vật mang cơ bản thường được sửdụng trong viễn thám Bên cạnh đó còn có những vật mang khác có độ cao hoạt động từ

vài chục mét trở lên (khinh khí cầu, thang trượt của cần cẩu, máy bay không người lái, )để chụp các khu vực có diện tích nhỏ trên mặt đất.

Hình 2.3: Một số vật mang dùng trong viễn thám: thang trượt của cần cẩu (a), khinh khí

cầu (b), máy bay (c) và vệ tinh (d)

Vật mang được chia ra các nhóm sau đây (bảng 2.1):

+ Vệ tinh địa tĩnh

+ Vệ tinh tài nguyên

+ Vật mang quĩ đạo thấp

+ Vật mang tầng máy bay

+ Vật mang tầng thấp

Khi vật mang chuyển động trong vệ tinh, trong khí quyển chịu nhiều tác động của môi trường xung quanh Đó là tác động như áp suất, mật độ không khí và nhiệt độ Nhữngtác động này dẫn đến sự mất ổn định thế của vật mang khi chuyển động trên quĩ đạo

Bảng 2.1 Phân loại vật mang theo độ cao

Vệ tinh địa tĩnh 36000 km Quan sát từ một

Vệ tinh quỹ đạo elip 500 – 1000 km Quan sát đều đặn

theo chu kỳ

Landsat, SPOT, Mos– 1, Radarsat, Tàu vũ trụ con thoi 240 – 350 km

Quan sát không đều,theo từng cuộc thí

nghiệm Colombo, Saliut, Khinh khí cầu 100 m – 100 km Nghiên cứu nhiều

đối tượng khác nhauMáy bay phản lực

Nghiên cứu nhiềuđối tượng khác nhauMáy bay tầng thấp

hoặc trung bình 500 – 8000 m

Nghiên cứu nhiềuđối tượng khác nhauMáy bay lên thẳng 100 – 2000 m Nghiên cứu nhiều

đối tượng khác nhau

người lái điều khiển

bằng vô tuyến < 500 m đối tượng khác nhau

Chụp ảnh mặt đất < 300 m Quan sát khu vực

nhỏ

2.3.2 Quĩ đạo bay và các thông số cơ bản

a Các phần tử quỹ đạo của vệ tinh

Tập hợp các thông số cơ bản mô tả quỹ đạo chuyển động của vật mang được gọi làcác phần tử quỹ đạo của vệ tinh Vệ tinh chuyển động trong vũ trụ được xác định bằng 6thông số cơ bản của định luật Kepler áp dụng cho các vật thể chuyển động trong vũ trụ.Theo định luật này thì vệ tinh có thể được coi như một vật thể quay xung quanh trái đấttrong một mặt phẳng quỹ đạo không bị tác động do lực hấp dẫn của mặt trăng và mặttrời Thực ra thì vẫn tồn tại tương tác giữa các trường hấp dẫn của trái đất, mặt trăng vàmặt trời Nhưng trong nhiều bài toán thực tế thì ảnh hưởng của mặt trăng và mặt trời đếnvệ tinh có thể bỏ qua vì không đáng kể so với tác động của trọng trường trái đất Hình2.2 mô tả các thông số quỹ đạo bay của vệ tinh theo định luật Kepler

Như vậy, mỗi loại vệ tinh khác nhau sẽ chuyển động xung quanh trái đất theomột quỹ đạo xác định được thiết kế theo sáu tham số quỹ đạo cơ bản, đó là:

- Bán trục lớn A của quỹ đạo,

- Độ dẹt quỹ đạo e (lệch tâm quỹ đạo),

- Góc nghiêng i (so với mặt phẳng xích đạo),

- Góc lên bên phải h,

- Điểm gần nhất g (góc cực của cận điểm),

- Thời gian V qua điểm gần nhất (cận điểm)

Các vệ tinh quan sát mặt đất đòi hỏi điều kiện chiếu sáng ổn định, nghĩa là góc tớicủa ánh sáng mặt trời đối với mặt phẳng quỹ đạo luôn không thay đổi theo thời gian (trongmột ngày hay giữa các mùa) Do đó, quỹ đạo được tính toán theo sáu tham số tối ưu nhấtsao cho giá trị năng lượng phản xạ thu được trên ảnh vệ tinh không bị thay đổi do vị trí củamặt trời Loại quỹ đạo được thiết kế nhằm đảm bảo điều kiện này được gọi là quỹ đạo đồngbộ mặt trời, loại này được áp dụng khá phổ biến cho các vệ tinh quan sát mặt đất (vệ tinh tàinguyên) vì có ưu điểm luôn tạo được một điều kiện chiếu sáng ổn định

Khi vệ tinh chuyển động theo quỹ đạo đồng bộ mặt trời và có chu kỳ lặp, ảnh ghinhận trong vùng ánh sáng nhìn thấy sẽ không thể thực hiện được trong khoảng thời gianvệ tinh di chuyển từ cực nam lên cực bắc do phần mặt đất mà vệ tinh bay qua trongkhoảng thời gian đó không được mặt trời chiếu sáng (ban đêm) Ngược lại, khi vệ tinh

di chuyển từ cực bắc xuống cực nam, mặt đất được vệ tinh quan sát trong điều kiệnchiếu sáng tốt (ban ngày), nên hầu hết các vệ tinh quan sát mặt đất hoạt động theo hìnhthức này

Đặc trưng chuyển động của vệ tinh theo quỹ đạo không chỉ được phân biệttheo hình dạng và góc nghiêng của quỹ đạo mà còn theo chu kỳ lặp lại của vệ tinh tại vịtrí quan sát Vì trái đất quay một vòng quay trục mất 24 giờ và vệ tinh chuyển động vớivận tốc nhất định nên thời gian để vệ tinh hoàn tất quỹ đạo trở lại vị trí ban đầu có thể xácđinh được Nếu thiết kế quỹ đạo để vệ tinh trở lại điểm thiên đỉnh trong một ngày thìđược gọi là quỹ đạo có chu kỳ lặp một ngày.

Ngược lại, sau khoảng thời gian cố định (nhiều ngày) vệ tinh trở lại đỉểm thiênđỉnh như được minh hoạ trên hình 2.4 được gọi là quỹ đạo có chu kỳ lặp lại nhiều ngày.Vệ tinh quan sát mặt đất thường sử dụng quỹ đạo có chu kỳ lặp lại nhiều ngày vì nó chophép bộ cảm biến nhìn bao phủ hầu hết các phần trên mặt đất dựa trên sự kết hợp chuyểnđộng quay tương đối giữa mặt đất và vệ tinh Khoảng thời gian tương ứng với chu kỳ quỹđạo sẽ khác nhau ứng với từng loại vệ tinh, và khoảng thời gian mà vệ tinh hoàn tất chu kỳquỹ đạo của nó cũng không giống với thời gian lặp lại vị trí chụp ban đầu của nó Vì một sốvệ tinh (như SPOT) có thể sử dụng kỹ thuật chụp ảnh với góc nhìn nghiêng cho phép rútngắn thời gian chụp lại ảnh trên cùng một khu vực so với thời gian hoàn tất chu kỳ quỹ đạo

Hình 2.4 Vệ tinh chuyển động theo quỹ đạo xác định

Khi chọn dữ liệu ảnh vệ tinh phục vụ cho công tác quan sát hay phân tích biếnđộng cần phải xem xét vệ tinh có chu kỳ lặp (chụp ảnh) và chu kỳ quỹ đạo thích hợp nhấtcho nhu cầu sử dụng

Bảng 2.2 Thống kê chu kỳ lặp và chu kỳ quỹ đạo của vệ tinh

LANDSAT, SPOT, và ADEOS

2 LANDSAT 4, 5, 7, 8 16 99

2.4 VỆ TINH GIÁM SÁT TÀI NGUYÊN

2.4.1 Vệ tinh LANDSAT

Vào năm 1967, tổ chức hàng không và vệ tinh quốc gia (NASA) được sự hỗ trợcủa Bộ nội vụ Mỹ đã tiến hành chương trình nghiên cứu thăm dò tài nguyên trái đấtERTS (Earth Resources Technology Satellite) – hình 2.5

Hình 2.5 Vệ tinh LANDSAT

Vệ tinh ERTS - 1 được phóng vào ngày 23/6/1972 Sau đó NASA đổi tên chươngtrình ERTS thành LANDSAT, ERTS -1 được đổi tên thành LANDSAT 1 Vệ tinhLANDSAT bay qua xích đạo lúc 9h39 phút sáng Cho đến nay, NASA đã phóng được 7vệ tinh trong hệ thống LANDSAT (bảng 2.3)

Bảng 2.3 Các thế hệ vệ tinh LANDSAT

Vệ tinh Ngày phóng Ngày ngừng hoạt động Bộ cảm biến

LANDSAT 4 16/07/1982 15/06/2001 TM, MSS

LANDSAT 6 05/03/1993 Dừng hoạt động ngay khi phóng ETM

LANDSAT MSS ( LANDSAT Multispectral Scanner)

Bộ cảm này được đặt trên các vệ tinh LANDSAT 1 đến 3 ở độ cao so vớimặt đất là 919km và LANDSAT 4 và 5 ở độ cao 705 km, chu kỳ lặp là 18 ngày Các bộcảm MSS là những hệ thống máy quang học mà trong đó các yếu tố tách sóng riêng biệtđược quét qua bề mặt Trái đất theo hướng vuông góc với hướng bay MSS có 4 bộ lọc vàtách sóng trong khi TM có 7 bộ

LANDSAT MSS có độ phân giải là 79m x 79m, và gồm 4 kênh 1,2,3 và 4, trongđó kênh 1 và kênh 2 nằm trong vùng nhìn thấy còn kênh 3 và kênh 4 nằm trong vùng cậnhồng ngoại

LANDSAT TM, ETM (LANDSAT Thematic Mapper)

Từ năm 1982 vệ tinh LANDSAT 4 được phóng và mang thêm bộ cảm chuyêndùng để thành lập bản đồ chuyên đề gọi là bộ cảm TM (Thematic Mapper) Vệ tinhLANDSAT 7 mới được phóng vào quỹ đạo tháng 4/1999 với bộ cảm TM cải tiến gọi làETM (Enhanced Thematic Mapper) Hệ thống này là một bộ cảm quang học ghi lại nănglượng trong vùng nhìn thấy: hồng ngoại phản xạ, trung hồng ngoại và hồng ngoại nhiệtcủa quang phổ Nó thu thập những ảnh đa phổ mà có độ phân giải không gian, phân giảiphổ, chu kỳ và sự phản xạ cao hơn LANDSAT MSS LANDSAT TM, ETM có độphân giải không gian là 30 x 30 m cho 6 kênh (1, 2, 3, 4, 5, 7) và kênh 6 hồng ngoạinhiệt có độ phân giải không gian là 120 x 120 m

Trên vệ tinh LANDSAT, bộ cảm có ý nghĩa quan trọng nhất và được sử dụngnhiều nhất là TM Bộ cảm TM có các thông số chính được nêu trong bảng 2.4

Bảng 2.4 Đặc trưng chính của bộ cảm và độ phân giải không gian

Loại bộ cảm Kênh Bước sóng (µm) Loại Độ phân giảikhông gian

0,45 ÷ 0,520,52 ÷ 0,600,63 ÷ 0,690,76 ÷ 0,901.55 ÷ 1,7510,4 ÷ 12,52,08 ÷ 2,35

ChàmLục đỏ

Đỏ

Cận hồng ngoạiHồng ngoại trungHồng ngoại nhiệtHồng ngoại trung

0,5 ÷ 0,6 0,6 ÷ 0,7 0,7 ÷ 0,8 0,8 ÷ 1,1

Lục Đỏ

Cận hồng ngoại Cận hồng ngoại

0,45 ÷ 0,52 0,53 ÷ 0,61 0,63 ÷ 0,69 0,75 ÷ 0,90 1.55 ÷ 1,75 10,4 ÷ 12,5 2,09 ÷ 2,35 0,52 ÷ 0,9

Chàm Lục đỏ

Đỏ

Cận hồng ngoại Hồng ngoại trung Hồng ngoại nhiệt Hồng ngoại trung Lục đến cận hồng ngoại

LANDSAT OLI (Operational Land Imager)

LANDSAT 8 là thế hệ vệ tinh thứ 8 của chương trình Landsat (NASA, Mỹ), sửdụng 2 bộ cảm biến: bộ cảm quang học OLI - Operational Land Imager và bộ cảm hồngngoại nhiệt TIRS - Thermal InfraRed Sensor LANDSAT 8 được phóng lên quỹ đạo vào

11 tháng 02 năm 2013 LANDSAT 8 cung cấp ảnh ở 11 dải phổ, trong đó có 9 kênh đaphổ với độ phân giải không gian 30 m, 1 kênh toàn sắc với độ phân giải 15 m và 2 kênhhồng ngoại nhiệt ở độ phân giải 100 m So với ảnh LANDSAT ETM+, ảnh LANDSAT 8có thêm 3 kênh phổ, trong đó có kênh 1 nghiên cứu đường bờ và sol khí, kênh 9 nghiêncứu mây, quyển khí và thêm 1 kênh hồng ngoại nhiệt Độ phân giải không gian của ảnhhồng ngoại nhiệt LANDSAT 8 thấp hơn so với ảnh Landsat ETM+, tuy nhiên với độ phângiải 100m, ảnh LANDSAT 8 vẫn có thể sử dụng hiệu quả trong các nghiên cứu ở quy môcấp vùng Khác với ảnh LANDSAT TM, ETM+ được lưu trữ ở cấu trúc 8 bit với 256 cấpđộ xám, ảnh LANDSAT 8 được lưu trữ ở cấu trúc 16 bit với 65536 cấp độ xám, tươngứng với giá trị độ xám trên ảnh từ 0 đến 65535 Đặc điểm cách kênh phổ của ảnhLANDSAT 8 được thể hiện trong bảng 2.5 sau đây:

Bảng 2.5 Đ c điểm các kênh phổ ảnh LANDSAT 8 ặc điểm các kênh phổ ảnh LANDSAT 8

2.4.2 Vệ tinh SPOT

Trên mỗi vệ tinh SPOT được trang bị một hệ thống tạo ảnh nhìn thấy có độphân giải cao HRV (High Resolution Visible imaging system)

Các thế hệ vệ tinh SPOT 1 đến 3 có 3 kênh phổ phân bố trong vùng sóng nhìn thấyở các bước sóng xanh lục, đỏ và gần hồng ngoại Năm 1998, Pháp phóng vệ tinhSPOT 4 với hai bộ cảm HRVIR và thực vật (Vegetation Instrument) Ba kênh phổ đầucủa HRVIR tương đương với 3 kênh phổ truyền thống của HRV Năm 2002, Pháp đãphóng thành công vệ tinh SPOT 5 với độ phân giải cao hơn: 2,5 m; 5m; 10m

Vệ tinh SPOT bay ở độ cao 832 km, nghiêng so với mặt phẳng quỹ đạo 9807,bay qua xích đạo lúc 10h30' sáng với chu kỳ lặp lại là 23 ngày Mỗi cảnh có độ phủ là

60 km x 60 km Tư liệu SPOT được sử dụng nhiều không chỉ cho việc nghiên cứu tàinguyên mà còn sử dụng cho công tác xây dựng, hiệu chỉnh bản đồ và quy hoạch sử dụngđất Bộ cảm HRV là máy quét điện tử CCD - HRV có thể thay đổi góc quan sát nhờmột gương định hướng Gương này cho phép thay đổi gương định hướng Gương này chophép thay đổi hướng quan sát ±270 so với trục thẳng đứng nên dễ dàng thu được ảnh lậpthể Các thông số của ảnh vệ tinh SPOT như bảng 2.6