Bài giảng cơ sở viễn thám

CHƯƠNG 1. KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA VIỄN THÁM 1.1. MỞ ĐẦU Viễn thám là một ngành khoa học có lịch sử phát triển từ lâu, có mục đích nghiên cứu thông tin về một vật và một hiện tượng thông qua việc phân tích dữ liệu ảnh hàng không, ảnh vệ tinh, ảnh hồng ngoại nhiệt và ảnh radar. Sự phát triển của khoa học viễn thám được bắt đầu từ mục đích quân sự với việc nghiên cứu phim và ảnh, được chụp lúc đầu từ khinh khí cầu và sau đó là trên máy bay ở các độ cao khác nhau. Ngày nay, viễn thám ngoài việc tách lọc thông tin từ ảnh máy bay, còn áp dụng các công nghệ hiện đại trong thu nhận và xử lý thông tin ảnh số, thu được từ các bộ cảm có độ phân giải khác nhau, được đặt trên vệ tinh thuộc quỹ đạo trái đất. Viễn thám được ứng dụng trong nhiều ngành khoa học khác nhau như quân sự, địa chất, địa lý, môi trường, khí tượng, thủy văn, thủy lợi, lâm nghiệp và nhiều ngành khoa học khác. Các dữ liệu viễn thám, trong đó có ảnh vệ tinh đa phổ , siêu phổ và ảnh nhiệt được dùng trong các nghiên cứu khác nhau như: sử dụng đất, lớp phủ mặt đất, rừng, thực vật, khí hậu khí tượng, nhiệt độ trên mặt đất và mặt biển, đặc điểm quyển khí và tầng ozon, tai biến môi trường... Dữ liệu ảnh radar được sử dụng trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu khác nhau như nghiên cứu các mục tiêu quân sự, đo vận tốc gió, đo độ cao bay và độ cao của sóng biển, nghiên cứu cấu trúc địa chất, sụt lún đất, theo dõi lũ lụt... ngoài ra, còn ứng dụng trong nghiên cứu bề mặt của các hành tinh khác. 1.2. KHÁI NIỆM VỀ VIỄN THÁM Viễn thám (Remote sensing) được hiểu là một khoa học và nghệ thuật để thu nhận thông tin về một đối tượng, một khu vực hoặc một hiện tượng thông qua việc phân tích tư liệu thu nhận được bằng các phương tiện. Những phương tiện này không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tượng, khu vực hoặc với hiện tượng được nghiên cứu. Thực hiện được những công việc đó chính là thực hiện viễn thám hay hiểu đơn giản: Viễn thám là thăm dò từ xa về một đối tượng hoặc một hiện tượng mà không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tượng hoặc hiện tượng đó. Mặc dù có rất nhiều định nghĩa khác nhau về viễn thám, nhưng mọi định nghĩa đều có nét chung, nhấn mạnh viễn thám là khoa học thu nhận từ xa các thông tin về các đối tượng, hiện tượng trên trái đất. Dưới đây là định nghĩa về viễn thám theo quan niệm của các tác giả khác nhau. Viễn thám là một nghệ thuật, khoa học, nói ít nhiều về một vật không cần phải chạm vào vật đó (Ficher và nnk, 1976). Viễn thám là quan sát về một đối tượng bằng một phương tiện cách xa vật trên một khoảng cách nhất định (Barret và Curtis, 1976). Viễn thám là một khoa học về lấy thông tin từ một đối tượng, được đo từ một khoảng cách 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... (D. A. Land Grete, 1978). Viễn thám là ứng dụng vào việc lấy thông tin về mặt đất và mặt nước của trái đất, bằng 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 B. Capbell, 1996). Viễn thám là khoa học và nghệ thuật thu nhận thông tin về một vật thể, một vùng, hoặc một hiện tượng, qua phân tích dữ liệu thu được bởi phương tiện không tiếp xúc với vật, vùng, hoặc hiện tượng khi khảo sát .( Lillesand và Kiefer, 1986) Phương pháp viễn thám là phương pháp sử dụng năng lượng điện từ như ánh sáng, nhiệt, sóng cực ngắn như một phương tiện để điều tra và đo đạc những đặc tính của đối tượng( Theo Floy Sabin 1987). Định nghĩa này loại trừ những quan trắc về điện, từ và trọng lực vì những quan trắc đó thuộc lĩnh vực địa vật lý, sử dụng để đo những trường lực nhiều hơn là đo bức xạ điện từ.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

===========o0o=============

BÀI GIẢNG

CƠ SỞ VIỄN THÁM

Hà Nội, 04 – 2013

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

===========o0o=============

BÀI GIẢNG

CƠ SỞ VIỄN THÁM

CHƯƠNG 1 KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA

VIỄN THÁM

1.1 MỞ ĐẦU

Viễn thám là một ngành khoa học có lịch sử phát triển từ lâu, có mụcđích nghiên cứu thông tin về một vật và một hiện tượng thông qua việc phântích dữ liệu ảnh hàng không, ảnh vệ tinh, ảnh hồng ngoại nhiệt và ảnh radar

Sự phát triển của khoa học viễn thám được bắt đầu từ mục đích quân sự vớiviệc nghiên cứu phim và ảnh, được chụp lúc đầu từ khinh khí cầu và sau đó làtrên máy bay ở các độ cao khác nhau Ngày nay, viễn thám ngoài việc tách lọcthông tin từ ảnh máy bay, còn áp dụng các công nghệ hiện đại trong thu nhận

và xử lý thông tin ảnh số, thu được từ các bộ cảm có độ phân giải khác nhau,được đặt trên vệ tinh thuộc quỹ đạo trái đất Viễn thám được ứng dụng trongnhiều ngành khoa học khác nhau như quân sự, địa chất, địa lý, môi trường,khí tượng, thủy văn, thủy lợi, lâm nghiệp và nhiều ngành khoa học khác Các

dữ liệu viễn thám, trong đó có ảnh vệ tinh đa phổ , siêu phổ và ảnh nhiệtđược dùng trong các nghiên cứu khác nhau như: sử dụng đất, lớp phủ mặtđất, rừng, thực vật, khí hậu khí tượng, nhiệt độ trên mặt đất và mặt biển, đặcđiểm quyển khí và tầng ozon, tai biến môi trường Dữ liệu ảnh radar được sửdụng trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu khác nhau như nghiên cứu các mục tiêuquân sự, đo vận tốc gió, đo độ cao bay và độ cao của sóng biển, nghiên cứucấu trúc địa chất, sụt lún đất, theo dõi lũ lụt ngoài ra, còn ứng dụng trongnghiên cứu bề mặt của các hành tinh khác

1.2 KHÁI NIỆM VỀ VIỄN THÁM

Viễn thám (Remote sensing) được hiểu là một khoa học và nghệ thuật để

thu nhận thông tin về một đối tượng, một khu vực hoặc một hiện tượng thôngqua việc phân tích tư liệu thu nhận được bằng các phương tiện Nhữngphương tiện này không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tượng, khu vực hoặcvới hiện tượng được nghiên cứu

Thực hiện được những công việc đó chính là thực hiện viễn thám - hay

hiểu đơn giản: Viễn thám là thăm dò từ xa về một đối tượng hoặc một hiện tượng mà không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tượng hoặc hiện tượng đó

Mặc dù có rất nhiều định nghĩa khác nhau về viễn thám, nhưng mọi định

nghĩa đều có nét chung, nhấn mạnh "viễn thám là khoa học thu nhận từ xa các thông tin về các đối tượng, hiện tượng trên trái đất" Dưới đây là định

nghĩa về viễn thám theo quan niệm của các tác giả khác nhau

Viễn thám là một nghệ thuật, khoa học, nói ít nhiều về một vật không

cần phải chạm vào vật đó (Ficher và nnk, 1976)

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

vật trên một khoảng cách nhất định (Barret và Curtis, 1976)

Viễn thám là một khoa học về lấy thông tin từ một đối tượng, được đo

từ một khoảng cách 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 (D A Land Grete, 1978)

Viễn thám là ứng dụng vào việc lấy thông tin về mặt đất và mặt nước

của trái đất, bằng 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 B Capbell, 1996)

Viễn thám là "khoa học và nghệ thuật thu nhận thông tin về một vật

thể, một vùng, hoặc một hiện tượng, qua phân tích dữ liệu thu được bởi phương tiện không tiếp xúc với vật, vùng, hoặc hiện tượng khi khảo sát ".

( Lillesand và Kiefer, 1986)

Phương pháp viễn thám là phương pháp sử dụng năng lượng điện từ

như ánh sáng, nhiệt, sóng cực ngắn như một phương tiện để điều tra và đo đạc những đặc tính của đối tượng( Theo Floy Sabin 1987) Định nghĩa này

loại trừ những quan trắc về điện, từ và trọng lực vì những quan trắc đó thuộclĩnh vực địa vật lý, sử dụng để đo những trường lực nhiều hơn là đo bức xạđiện từ

1.3 LỊCH SỬ HÌNH THÀNH VÀ XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Sự phát triển của ngành viễn thám qua các thời gian được tóm tắt trongbảng 1.1 Viễn thám là một khoa học, thực sự phát triển mạnh mẽ qua hơn bathập kỷ gần đây, khi mà công nghệ vũ trụ đã cho ra các ảnh số, bắt đầu đượcthu nhận từ các vệ tinh trên quĩ đạo của trái đất vào năm 1960 Tuy nhiên,viễn thám có lịch sử phát triển lâu đời, bắt đầu bằng việc chụp ảnh sử dụngphim và giấy ảnh Từ thể kỷ XIX, vào năm 1839, Louis Daguerre (1789 -1881) đã đưa ra báo cáo công trình nghiên cứu về hóa ảnh, khởi đầu chongành chụp ảnh Bức ảnh đầu tiên, chụp bề mặt trái đất từ khinh khí cầu, đượcthực hiện vào năm 1858 do Gaspard Felix Tournachon - nhà nhiếp ảnh ngườiPháp Tác giả đã sử dụng khinh khí cầu để đạt tới độ cao 80m, chụp ảnh vùngBievre, Pháp Một trong những bức ảnh tiếp theo chụp bề mặt trái đất từkhinh khí cầu là ảnh vùng Bostom của tác giả James Wallace Black, 1860 Việc ra đời của ngành hàng không đã thúc đẩy nhanh sự phát triển mạnh

mẽ ngành chụp ảnh sử dụng máy ảnh quang học với phim và giấy ảnh, là cácnguyên liệu nhạy cảm với ánh sáng (photo) Công nghệ chụp ảnh từ máy baytạo điều kiện cho nghiên cứu mặt đất bằng các ảnh chụp chồng phủ kế tiếpnhau và cho khả năng nhìn ảnh nổi (stereo).Khả năng đó giúp cho việc chỉnh

lý, đo đạc ảnh, tách lọc thông tin từ ảnh có hiệu quả cao Một ngành chụp ảnh,được thực hiện trên các phương tiện hàng không như máy bay, khinh khí cầu

và tàu lượn hoặc một phương tiện trên không khác, gọi là ngành chụp ảnhhàng không Các ảnh thu được từ ngành chụp ảnh hàng không gọi là khôngảnh Bức ảnh đầu tiên chụp từ máy bay, được thực hiện vào năm 1910, doWilbur Wright, một nhà nhiếp ảnh người ý, bằng việc thu nhận ảnh di độngtrên vùng gần Centoceli thuộc nước ý (bảng 1.1)

Bảng 1.1: Tóm tắt sự phát triển của viễn thám qua các sự kiện

Thời gian

(Năm)

Sự kiện

1800 Phát hiện ra tia hồng ngoại

1839 Bắt đầu phát minh kỹ thuật chụp ảnh đen trắng

1847 Phát hiện cả dải phổ hồng ngoại và phổ nhìn thấy

1850-1860 Chụp ảnh từ kinh khí cầu

1873 Xây dựng học thuyết về phổ điện từ

1909 Chụp ảnh từ máy bay

1910-1920 Giải đoán từ không trung

1920-1930 Phát triển ngành chụp và đo ảnh hàng không

1930-1940 Phát triển kỹ thuật radar ( Đức, Mỹ, Anh)

1940 Phân tích và ứng dụng ảnh chụp từ máy bay

1950 Xác định dải phổ từ vùng nhìn thấy đến không nhìn thấy 1950-1960 Nghiên cứu sâu về ảnh cho mục đích quân sự

12-4-1961 Liên xô phóng thành công tàu vũ trụ có người lái và chụp

ảnh trái đất từ ngoài vũ trụ

Lần đầu tiên sử dụng thuật ngữ viễn thám 1960-1970 Mỹ phóng vệ tinh Landsat-1

1972 Phát triển mạnh mẽ phương pháp xử lý ảnh số

1970-1980 Mỹ phát triển thế hệ mới của vệ tinh Landsat

1980-1990 Pháp phóng vệ tinh SPOT vào quĩ đạo

1986 Phát triển bộ cảm thu đo phổ, tăng dải phổ và số lượng

kênh phổ, tăng độ phân giải của bộ cảm Phát triển nhiều kỹ thuật xử lý mới

(Ngyễn Văn Đài, 2003)

Chiến tranh thế giới thứ nhất (1914 - 1918) đánh dấu giai đoạn khởi đầucủa công nghệ chụp ảnh từ máy bay cho mục đích quân sự Công nghệ chụpảnh từ máy bay đã kéo theo nhiều người hoạt động trong lĩnh vực này, đặcbiệt trong việc làm ảnh và đo đạc ảnh Những năm sau đó, các thiết kế khácnhau về các loại máy chụp ảnh được phát triển mạnh mẽ Đồng thời, nghệthuật giải đoán không ảnh và đo đạc từ ảnh đã phát triển mạnh, là cơ sở hìnhthành một ngành khoa học mới là đo đạc ảnh (photogrametry) Đây là ngànhứng dụng thực tế trong việc đo đạc chính xác các đối tượng từ dữ liệu ảnhchụp Yêu cầu trên đòi hỏi việc phát triển các thiết bị chính xác cao, đáp ứngcho việc phân tích không ảnh Trong chiến tranh thế giới thứ hai (1939 -1945) không ảnh đã dùng chủ yếu cho mục đích quân sự Trong thời kỳ này,ngoài việc phát triển công nghệ radar, còn đánh dấu bởi sự phát triển ảnh chụp

sử dụng phổ hồng ngoại Các bức ảnh thu được từ nguồn năng lượng nhân tạo

là radar, đã được sử dụng rộng rãi trong quân sự Các ảnh chụp với kênh phổhồng ngoại cho ra khả năng triết lọc thông tin nhiều hơn ảnh mầu, chụp bằng

máy ảnh, đã được dùng trong chiến tranh thế giới thứ hai Việc chạy đua vào

vũ trụ giữa Liên Xô cũ và Hoa Kỳ đã thúc đẩy việc nghiên cứu trái đất bằngviễn thám với các phương tiện kỹ thuật hiện đại Các trung tâm nghiên cứumặt đất được ra đời, như cơ quan vũ trụ châu Âu ESA (Aeropian Remotesensing Agency), Chương trình Vũ trụ NASA (Nationmal Aeromautics andSpace Administration) Mỹ

Ngoài các thống kê ở trên, có thể kể đến các chương trình nghiên cứu tráiđất bằng viễn thám tại các nước như Canada, Nhật, Pháp, ấn Độ và TrungQuốc

Bức ảnh đầu tiên, chụp về trái đất từ vũ trụ, được cung cấp từ tàuExplorer-6 vào năm 1959 Tiếp theo là chương trình vũ trụ Mercury (1960),cho ra các sản phẩm ảnh chụp từ quỹ đạo trái đất có chất lượng cao, ảnh màu

có kích thước 70mm, được chụp từ một máy tự động Vệ tinh khí tượng đầutiên (TIR0S-1), được phóng lên quĩ đạo trái đất vào tháng 4 năm 1960, mởđầu cho việc quan sát và dự báo khí tượng Vệ tinh khí tượng NOAA, đã hoạtđộng từ sau năm 1972, cho ra dữ liệu ảnh có độ phân giải thời gian cao nhất,đánh dấu cho việc nghiên cứu khí tượng trái đất từ vũ trụ một cách tổng thể

và cập nhật từng ngày

Sự phát triển của viễn thám, đi liền với sự phát triển của công nghệnghiên cứu vũ trụ, phục vụ cho nghiên cứu trái đất và các hành tinh và quyểnkhí Các ảnh chụp nổi (stereo), thực hiện theo phương đứng và xiên, cung cấp

từ vệ tinh Gemini (1965), đã thể hiện ưu thế của công việc nghiên cứu tráiđất Tiếp theo, tầu Apolo cho ra sản phẩm ảnh chụp nổi và đa phổ, có kíchthước ảnh 70mm, chụp về trái đất, đã cho ra các thông tin vô cùng hữu íchtrong nghiên cứu mặt đất Ngành hàng không vũ trụ Nga đã đóng vai trò tiênphong trong nghiên cứu Trái Đất từ vũ trụ Việc nghiên cứu trái đất đã đượcthực hiện trên các con tàu vũ trụ có người như Soyuz, các tàu Meteor vàCosmos (từ năm 1961), hoặc trên các trạm chào mừng Salyut Sản phẩm thuđược là các ảnh chụp trên các thiết bị quét đa phổ phân giải cao, như MSU-E

(trên Meteor - priroda) Các bức ảnh chụp từ vệ tinh Cosmos có dải phổ nằmtrên 5 kênh khác nhau, với kích thước ảnh 18 x 18cm Ngoài ra, các ảnh chụp

từ thiết bị chụp KATE-140, MKF-6M trên trạm quỹ đạo Salyut, cho ra 6kênh ảnh thuộc dải phổ 0.40 đến 0.89μm Độ phân giải mặt đất tại tâm ảnh đạt

20 x 20m

Tiếp theo vệ tinh nghiên cứu trái đất ERTS(sau đổi tên là Landsat-1), làcác vệ tinh thế hệ mới hơn như Landsat-2, Landsat-3, Landsat-4 và Landsat-5.Ngay từ đầu, ERTS-1 mang theo bộ cảm quét đa phổ MSS với bốn kênh phổkhác nhau, và bộ cảm RBV (Return Beam Vidicon) với ba kênh phổ khácnhau Ngoài các vệ tinh Landsat-2, Landsat-3, còn có các vệ tinh khác làSKYLAB (1973) và HCMM (1978) Từ 1982, các ảnh chuyên đề được thựchiện trên các vệ tinh Landsat TM-4 và Landsat TM-5 với 7 kênh phổ từ dảisóng nhìn thấy đến hồng ngoại nhiệt Điều này tạo nên một ưu thế mới trongnghiên cứu trái đất từ nhiều dải phổ khác nhau Ngày nay, ảnh vệ tinh chuyên

đề từ Landsat-7 đã được phổ biến với giá rẻ hơn các ảnh vệ tinh Landsat

TM-5, cho phép người sử dụng ngày càng có điều kiện để tiếp cận với phươngpháp nghiên cứu môi trường qua các dữ liệu vệ tinh

Dữ liệu ảnh vệ tinh SPOT của Pháp khởi đầu từ năm 1986, trải qua cácthế hệ SPOT-1, SPOT-2, SPOT-3, SPOT-4 và SPOT-5, đã đưa ra sản phẩmảnh số thuộc hai kiểu phổ, đơn kênh (panchoromatic) với độ phân dải khônggian từ 10 x 10m đến 2,5 x 2,5m, và đa kênh SPOT- XS (hai kênh thuộc dảiphổ nhìn thấy, một kênh thuộc dải phổ hồng ngoại) với độ phân giải khônggian 20 x 20m Đặc tính của ảnh vệ tinh SPOT là cho ra các cặp ảnh phủchồng cho phép nhìn đối tượng nổi (stereo) trong không gian ba chiều Điềunày giúp cho việc nghiên cứu bề mặt trái đất đạt kết quả cao, nhất là trongviệc phân tích các yếu tố địa hình Các ảnh vệ tinh của Nhật, như MOS-1,phục vụ cho quan sát biển (Marine Observation Satellite) Công nghệ thu ảnh

vệ tinh cũng được thực hiện trên các vệ tinh của ấn độ IRS-1A, tạo ra các ảnh

vệ tinh như LISS thuộc nhiều hệ khác nhau

Trong nghiên cứu môi trường và khí hậu trái đất, các ảnh vệ tinh NOAA

có độ phủ lớn và có sự lặp lại hàng ngày, đã cho phép nghiên cứu các hiệntượng khí hậu xảy ra trong quyển khí như nhiệt độ, áp suất nhiệt đới hoặc dựbáo bão

Sự phát triển trong lĩnh vực nghiên cứu trái đất bằng viễn thám được đẩymạnh do áp dụng tiến bộ khoa học kỹ thuật mới với việc sử dụng các ảnhradar Viễn thám radar tích cực, thu nhận ảnh bằng việc phát sóng dài siêutần và thu tia phản hồi, cho phép thực hiện các nghiên cứu độc lập, không phụthuộc vào mây Sóng radar có đặc tính xuyên qua mây, lớp đất mỏng và thựcvật và là nguồn sóng nhân tạo, nên nó có khả năng hoạt động cả ngày vàđêm, không phụ thuộc vào nguồn năng lượng mặt trời Các bức ảnh tạo nênbởi hệ radar kiểu SLAR được ghi nhận đầu tiên trên bộ cảm Seasat Đặc tínhcủa sóng radar là thu tia phản hồi từ nguồn phát với góc xiên rất đa dạng.Sóng này hết sức nhạy cảm với độ ghồ ghề của bề mặt vật, được chùm tiaradar phát tới, vì vậy nó được ứng dụng cho nghiên cứu cấu trúc một khu vựcnào đó

Công nghệ máy tính ngày nay đã phát triển mạnh mẽ cùng với các sảnphẩm phần mềm chuyên dụng, tạo điều kiện cho phân tích ảnh vệ tinh dạng sốhoặc ảnh radar Thời đại bùng nổ của Internet, công nghệ tin học với kỹ thuật

xử lý ảnh số, kết hợp với Hệ thông tin Địa lý (GIS), cho khả năng nghiên cứutrái đất bằng viễn thám ngày càng thuận lợi và đạt hiệu quả cao hơn

1.4 NGUYÊN LÝ CƠ BẢN

Nguồn năng lượng chính sử dụng trong viễn thám là bức xạ mặt trời

Sóng điện từ được phản xạ hoặc bức xạ từ vật thể là nguồn cung cấp thông

tin chủ yếu về đặc tính của đối tượng Ảnh viễn thám sẽ cung cấp thông tin vềcác vật thể tương ứng với năng lượng bức xạ ở từng bước sóng đã xác định

Đo lường và phân tích năng lượng phản xạ phổ ghi nhận bởi ảnh viễn thám,

cho phép tách các thông tin hữu ích về từng loại lớp phủ mặt đất khác nhau do

sự tương tác giữa bức xạ điện từ và vật thể

Hình 1 : Nguyên lý hoạt động của hệ thống viễn thám

Nguồn năng lượng hay là nguồn chiếu sáng (A) – yêu cầu trước tiên

đối với một hệ thống viễn thám là phải có nguồn năng lượng để chiếu sáng,cung cấp năng lượng điện từ cho đối tượng trên mặt đất

Sự bức xạ và khí quyển (B) – khi sóng điện từ phát ra từ nguồn năng

lượng đi tới đối tượng, sóng điện từ sẽ tương tác với khí quyển Sự tương tácnày diễn ra ngay cả khi năng lượng điện từ phản xạ từ đối tượng trở lạiSensor

Tương tác với các đối tượng trên mặt đất (C) – ngoài sự tương tác với

khí quyển, sóng điện từ còn tương tác với các đối tượng trên mặt đất Sựtương tác này phụ thuộc vào đặc tính của đối tượng cũng như đặc tính củasóng điện từ

Thu nhận năng lượng bởi các bộ cảm biến (Sensor) (D) – Thiết bị dùng

để cảm nhận sóng điện từ phản xạ hay bức xạ từ vật thể được gọi là bộ cảmbiến (Sensor) Bộ cảm biến có thể là các máy chụp ảnh hoặc máy quét Sau

khi năng lượng điện từ bị tán xạ hoặc hấp thụ bởi đối tượng, đòi hỏi phải cómột Sensor để thu nhận phần năng lượng mà đối tượng phản xạ trở lại

Truyền, thu và xử lý dữ liệu (E) – năng lượng thu bởi Sensor sẽ được

truyền tới trạm thu và xử lý để nhận được ảnh

Giải đoán và phân tích (F) - ảnh được giải đoán và phân tích bằng mắt

hoặc kỹ thuật số, chiết tách thông tin về đối tượng

Ứng dụng (G) – nguồn thông tin phong phú về đối tượng được chiết tách

từ ảnh được ứng dụng vào nhiều mục đích, giúp giải quyết các vấn đề thực tế.Các yếu tố của hệ thống viễn thám sẽ được trình bày trong ba chương củabài giảng này

* Ứng dụng trong nghiên cứu địa mạo: các dạng địa hình được thể hiệnrất rõ trên ảnh viễn thám (địa hình kiến tạo, núi lửa, địa hình sông suối, địahình tam giác châu, địa hình thành tạo do cát, thành tạo do băng) và được giảiđoán một cách chính xác

* Cấu trúc địa chất: giải đoán các bề mặt và độ dốc của tầng trầm tích,các yếu tố uốn nếp, đứt gãy, linearment và chuyển động nâng hạ (dùng ảnh

giao thoa radar), các rift núi lửa hiện đại, các cấu trúc vòng, tiêm nhập, bấtchỉnh hợp địa tầng, các ứng dụng trong nghiên cứu địa động lực

* Nghiên cứu thạch học: định các đá trầm tích, macma, biến chất vàthành tạo xen kẽ khác, nghiên cứu trật tự địa tầng và tương quan tuổi

* Ứng dụng trong khai khoáng và khai thác dầu

* Điều tra khảo sát nước ngầm, điều tra địa chất công trình

* Nghiên cứu môi trường: Viễn thám là phương tiện hữu hiệu để nghiêncứu môi trường đất liền (xói mòn, ô nhiễm), môi trường biển (đo nhiệt độ,màu nước biển, gió sóng),

* Nghiên cứu khí hậu và quyển khí (đặc điểm tầng ozon, mây, mưa, nhiệt

độ quyển khí), dự báo bão và nghiên cứu khí hậu qua dữ liệu thu từ

.vệ tinh khí tượng

* Nghiên cứu thực vật, rừng: Viễn thám cung cấp ảnh có diện phủ toàncầu nghiên cứu thực vật theo ngày, mùa vụ, năm, tháng và theo giai đoạn.Thực vật là đối tượng đầu tiên mà ảnh viễn thám vệ tinh thu nhận được thôngtin Trên ảnh viễn thám chúng ta có thể tính toán sinh khối, độ trưởng thành

và sâu bệnh dựa trên chỉ số thực vật, có thể nghiên cứu cháy rừng qua các ảnh

vệ tinh

* Nghiên cứu thủy văn: Mặt nước và các hệ thống dòng chảy được hiểnthị rất rõ trên ảnh vệ tinh và có thể khoanh vi được chúng Dữ liệu ảnh vệtinh, được ghi nhận trong mùa lũ, là dữ liệu được sử dụng để tính toán diệntích thiên tai và cho khả năng dự báo lũ lụt

* Nghiên cứu các hành tinh khác: Các dữ liệu viễn thám thu từ vệ tinhcho phép nghiên cứu các vì sao và mặt trăng Điều này khẳng định rằng viễnthám là một công nghệ và có ứng dụng hết sức rộng lớn vượt ra khỏi tầm tráiđất

1.6 PHÂN LOẠI VIỄN THÁM

Sự phân biêt các loại viễn thám căn cứ vào các yếu tố sau:

- Hình dạng quỹ đạo của vệ tinh

- Độ cao bay của vệ tinh

- Loại nguồn phát và tín hiệu thu nhận

- Dải phổ của các thiết bị thu

Bài giảng này giới thiệu hai phương thức phân loại viễn thám sau:

1.6.1 Phân loại theo nguồn năng lượng

- Viễn thám chủ động: thiết bị thu nhận

phát ra nguồn năng lượng tới vật thể rồi thunhận tín hiệu phản xạ lại

1.6.2 Phân loại theo vùng bước sóng sử dụng

Theo dải phổ của các thiết bị thu, viễn thám có thể được phân thành 3 loại

cơ bản:

- Viễn thám trong dải sóng nhìn thấy và hồng ngoại phản xạ: nguồn năng

lượng sử dụng là bức xạ mặt trời, ảnh viễn thám nhận được dựa vào sự đolường năng lượng vùng ánh sáng nhìn thấy và hồng ngoại được phản xạ từ vậtthể và bề mặt trái đất Ảnh thu được bởi kỹ thuật viễn thám này được gọi là

ảnh quang học.

- Viễn thám hồng ngoại nhiệt: nguồn năng lượng sử dụng là bức xạ nhiệt

do chính vật thể sản sinh ra Ảnh thu được bởi kỹ thuật viễn thám này được

gọi là ảnh nhiệt

- Viễn thám siêu cao tần: trong viễn thám siêu cao tần hai kỹ thuật chủ

động và bị động đều được áp dụng Viễn thám bị động thu lại sóng vô tuyếncao tần với bước sóng lớn hơn 1mm mà được bức xạ tự nhiên hoặc phản xạ từmột số đối tượng Vì có bước sóng dài nên năng lượng thu nhận được của kỹthuật viễn thám siêu cao tần bị động thấp hơn viễn thám trong dải sóng nhìnthấy Đối với viễn thám siêu cao tần chủ động (Radar), vệ tinh cung cấp nănglượng riêng và phát trực tiếp đến các vật thể, rồi thu lại năng lượng do sóngphản xạ lại từ các vật thể Cường độ năng lượng phản xạ được đo lường đểphân biệt giữa các đối tượng với nhau Ảnh thu được từ kỹ thuật viễn thám

này được gọi là ảnh Radar.

Hình 2: Các bước sóng sử dụng trong viễn thám

1.6.3 Phân loại theo đặc điểm quỹ đạo

Phân loại theo quỹ đạo: có hai nhóm chính là viễn thám vệ tinh địa tĩnh vàviễn thám vệ tinh quỹ đạo cực (hay gần cực)

- Quỹ đạo đồng bộ trái đất: là quỹ đạo mà vệ tinh chuyển động cùng một vậntốc góc với trái đất, nghĩa là vệ tinh quay một vòng trên quỹ đạo mất thời gian

là 24 giờ Vệ tinh chuyển động trên quỹ đạo đồng bộ trái đất và nếu mặtphẳng quỹ đạo có góc nghiêng bằng 0 được gọi là quỹ đạo địa tĩnh Các vệ

tinh địa tĩnh có độ cao khoảng 36000km và luôn treo lơ lửng tại một điểm trênkhông trung (đứng yên so với bề mặt trái đất) Do đó, vệ tinh địa tĩnh chophép quan sát và thu thập thông tin liên tục trên một vùng cụ thể và được sửdụng thích hợp vào mục đích quan sát khí tượng hoặc truyền tin…Vệ tinhVinasat của Việt Nam (ngày phóng) là vệ tinh thông tin, có quỹ đạo địa tĩnh.Với độ cao lớn, các vệ tinh khí tượng địa tĩnh có thể giám sát thời tiết và dạngmây bao phủ trên toàn bộ bán cầu của trái đất.

- Quỹ đạo đồng bộ mặt trời : là quỹ đạo cho phép vệ tinh chuyển động

theo hướng Bắc – Nam kết hợp với chuyển động quay của trái đất (Tây Đông) sao cho vệ tinh luôn luôn nhìn bề mặt trái đất tại thời điểm có sự chiếusáng tốt nhất của mặt trời Như vậy góc nghiêng của mặt phẳng quỹ đạo nàygần với góc nghiêng của trục quay trái đất (so với mặt phẳng xích đạo) nêncòn được gọi là quỹ đạo gần cực Những vệ tinh chuyển động theo quỹ đạođồng bộ mặt trời sẽ thu thập thông tin trên vùng nào đó của trái đất theo giờđịa phương nhất định và vị trí của vệ tinh sẽ thay đổi theo điều kiện chiếusáng của mặt trời trong một năm Loại quỹ đạo này đảm bảo điều kiện chiếusáng của mặt trời là như nhau khi thu thập ảnh vệ tinh trên cùng khu vực cụthể theo các ngày và từng mùa khác nhau trong năm Các vệ tinh tài nguyênthường sử dụng quỹ đạo đồng bộ mặt trời vì có ưu điểm luôn tạo được mộtđiều kiện chiếu sáng ổn định Đây là yếu tố quan trọng cho vịêc giám sát sựthay đổi giá trị phổ giữa các ảnh mà không cần hiệu chỉnh do điều kiện chiếusáng khác nhau

-Quỹ đạo có chu kỳ lặp một ngày và nhiều ngày: là những quỹ đạo mà chophép vệ tinh trở lại điểm đỉnh đầu trên khu vực chụp ảnh trong cùng một ngàyhoặc sau nhiều ngày

Hình 2.9 Các dạng quỹ đạo, tuyến chụp khi vệ tinh di chuyển

1.7 CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA VIỄN THÁM

1.7.1 Tính chất sóng của ánh sáng

Năng lượng ánh sáng có tính chất bức xạ tự nhiên với hai trường điện và

từ có hướng vuông góc với nhau, chuyển động tuân theo nguyên lý của sóngđiều hòa

Hình 2.1 Bức xạ điện từ với các trường sóng của ánh sáng

Tính chất sóng của ánh sáng được thể hiện qua phương trình truyền ánh

Sóng điện từ có các tính chất cơ bản như sau:

- Sóng điện từ được truyền trong môi trường đồng nhất theo kiểu hình sinvới tốc độ gần bằng 3 x 108 m/s (tốc độ ánh sáng)

- Khoảng cách giữa các cực trị được gọi là bước sóng ( λ ) với đơn vị là

độ dài Đây cũng chính là khoảng cách từ 1 điểm bất kỳ ở chu kỳ trước đến vịtrí của chính nó ở chu kỳ sau trong đồ thị hình sin

- Số lượng các cực trị truyền qua một điểm nhất định trong thời gian 1

giây được gọi là tần số (v) - đơn vị của tần số là : herzt

1.7.2 Quang phổ điện từ

Quang phổ điện từ là dải liên tục của các tia sáng ứng với các bước sóngkhác nhau Sự phân chia thành các dải phổ liên quan đến tính chất bức xạ tựnhiên của các đối tượng, từ đó hình thành nên các phương pháp viễn thámkhác nhau

• Các dải sóng của quang phổ điện từ

Quang phổ điện từ có các dải sóng chính như sau :

- Các tia vũ trụ: là các tia sáng từ vũ trụ có bước sóng vô cùng ngắn vớiλ<10-6 μm

- Các tia gamma ( γ) có bước sóng từ 10 -6 – 10 -4 μm

- Dải các tia x (X) có ở từ 10 -4 - 10-1 μm (hay 0,1) μm - 0,4 μm,thường được sử dụng trong y học Riêng dải từ 0,3-0,4 μm gọi là vùng cực

tím tạo ảnh, có thể sử dụng trong viễn thám tia cực tím

- Dải tia nhìn thấy có ở từ 0,4 – 0,7 μm là dải phổ của ánh sáng trắng.Trong dải nhìn thấy có chia nhỏ thành các dải ánh sáng đơn sắc:

* Blue (xanh lơ-lam): 0,4 - 0,5 μm

* Green (xanh lá cây – lục ): 0,5 - 0,6 μm

Hình 2.2: Sự phân bố các dải sóng trong quang phổ điện từ

Lưu ý chung :

- Trong hình vẽ, các tên của từng dải sóng được nêu rõ (ví dụ sóng cựctím hoặc sóng cực ngắn, ), sự phân chia đó chỉ để cho tiện sử dụng còn trongthực tế không có sự phân biệt một cách rõ ràng giữa các vùng sóng được đặttên và sự phân chia thành các dải sóng với các ranh giới nêu ở trên chỉ làtương đối

- Tên của các vùng sóng được đặt tương ứng với các phương phápnghiên cứu và số lượng các vùng đó thường nhiều hơn sự phân chia thôngdụng

- Vùng nhìn thấy chỉ là vùng rất nhỏ trong toàn bộ quang phổ điện từ(từ 0,4 - 0,7 μm) song trong đó vẫn được chia nhỏ hơn thành các tia đơn sắc:

- Sóng cực tím nối liền với phần màu xanh lơ (Blue) của vùng nhìnthấy Nối tiếp với phần màu đỏ là vùng hồng ngoại (infrared)

- Vùng hồng ngoại được chia ra 3 dải, song chỉ có hồng ngoại nhiệt mớiliên quan trực tiếp đến sự nhạy cảm về độ nóng

- Vùng vi sóng (microwave) là các vùng có bước sóng dài hơn nhiều sovới hồng ngoại (từ 1mm đến 1m) và còn đươc gọi là sóng Radar Vùng Radarcũng được chia thành nhiều vùng nhỏ với những đặc tính riêng biệt

- Vùng có bước sóng dài nhất, tiếp tục của sóng radar là sóng Radio

1.7.3 Tính chất hạt và sự truyền năng lượng của ánh sáng

Ngoài tính chất sóng thì ánh sáng còn có tính chất hạt ánh sáng bao gồm

rất nhiều phần tử nhỏ riêng biệt được gọi là các photon hay lượng tử (quanta).

Năng lượng của mỗi lượng tử được xác định theo công thức sau:

Công thức này thể hiện sự liên quan giữa Q và λ Khi h và C là các hằng

số, sự liên quan đó thể hiện là khi ánh sáng có bước sóng dài hơn thì nănglượng của nó sẽ nhỏ đi (tương quan tỉ lệ nghịch) Điều này có ý nghĩa quantrọng trong viễn thám Thực tế, việc thu nhận bức xạ truyền đi của một đốitượng ở vùng sóng dài là khó hơn nhiều so với các bức xạ ở vùng sóng ngắn(ví dụ việc thu tín hiệu sóng cực ngắn phát ra từ đối tượng là khó hơn nhiều

so với việc thu bức xạ nhiệt của đối tượng) Do năng lượng ở vùng sóng dài

thấp nên trong viễn thám, hệ thống thu nhận tín hiệu bức xạ điện từ với bước sóng dài thường phải có trường nhìn rộng nhằm thu được những tín hiệu bức

xạ đó

Mặt trời thường là nguồn năng lượng bức xạ điện từ điển hình trong viễnthám Tất nhiên, toàn bộ các vật chất có nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ tuyệt đối (Khay – 2730 C) đều thường xuyên phát xạ bức xạ điện từ Như vậy các đốitượng trên trái đất đều là những nguồn bức xạ tự nhiên, mặc dù chúng dường

như có những sự khác biệt về biên độ và thành phần phổ so với mặt trời

Có thể tính toán năng lượng bức xạ phát ra từ bề mặt một đối tượng theoquy luật Stefan - Bolzman:

M = δ T 4

trong đó: M- tổng năng lượng bức xạ truyền đi từ bề mặt đối tượng (W/

m2);

δ - hệ số Stefan - Bolzman (δ = 5,6697 x 10 -12 W/ m2.K4);

T - nhiệt độ tuyệt đối (K) của vật chất phát xạ

Các đơn vị tính ở trong công thức là khó nhớ song điều quan trọng cầnlưu ý là năng lượng phát ra tỉ lệ với T 4, nghĩa là nếu nhiệt độ tăng lên thìnăng lượng phát ra sẽ nhanh chóng tăng lên theo cơ chế luỹ thừa bậc 4, cũng

có thể hiểu năng lượng phát ra là hàm nguyên thủy của nhiệt độ đối tượng

Một khái niệm được đưa ra là vật đen tuyệt đối Đó là một vật lý tưởng, là

vật mà có thể hấp thụ và tái phát ra toàn bộ năng lượng rơi vào nó

Bức xạ nhiệt, có một số tính chất sau:

- Khi nhiệt độ bức xạ cao hơn thì tổng năng lượng phát ra cũng cao hơn

- Nhiệt độ cực đại khi vật đen bức xạ chuyển dần về phía có bước sóngngắn hơn

- Cực trị của đường cong bức xạ tuân theo quy luật chuyển dịch của

Vien (Wien’s displacement Law), nội dung của quy luật này là khi nhiệt độ

của vật tăng lên thì cực trị bức xạ của vật chuyển dịch về phí có bước sóngngắn hơn (hình 2.3):

λ max = A / T

trong đó: λ m - bước sóng mà ở đó có sự phát xạ cực đại ( μm);

A = 2.898 μmK;

T - nhiệt độ K

Hình 2.3: Sự thay đổi cực trị của đường cong bức xạ nhiệt của vật chất ở

nhiệt độ khác nhau

Mặt trời có bức xạ giống như của vật đen tuyệt đối khi nhiệt độ của vậtđen lên tới 6.000 K, các bóng đèn sợi đốt thường có nhiệt độ khoảng 3.000 K.Kết quả là bóng đèn sợi đốt thường phát ra ánh sáng màu xanh với nănglượng thấp và không giống như cấu thành trong dải phổ của mặt trời

Ta có thể quan sát thấy hiện tượng này khi một mẩu thép được nung nóng

đá Khi nhiệt độ tăng dần lên thì màu của mẩu thép chuyển từ màu đỏ sang dacam, vàng và cuối cùng là màu trắng Như vậy khi nhiệt độ của vật tăng lên ,cực trị bức xạ chuyển dần từ vùng sóng dài – không nhìn thấy, sang vùngsóng ngắn – nhìn thấy Khi bước sóng phát xạ càng dài thì nhiệt độ tuyệt đốicủa vật đen càng thấp

Trong kỹ thuật làm phim ảnh, người ta chế tạo ra các loại phim có sựnhạy cảm ánh sáng khác nhau với các điều kiện chiếu sáng khác nhau, khi cửa

mở thì phim nhạy cảm với điều kiện ánh sáng của bên ngoài, nếu ở trongphòng ta dùng ánh sáng đèn sợi đốt làm nguồn sáng thì kết quả phim sẽ cómàu vàng ánh đèn flash thường được dùng để tạo nên nguồn sáng có nănglượng mạnh tương tự như ánh sáng mặt trời trong một thời gian rất ngắn đủ

để phim nhạy cảm Tất nhiên có những loại phim được chế tạo để nhạy cảmvới ánh sáng đèn sợi đốt

Nhiệt độ bên ngoài của trái đất (nghĩa là nhiệt độ của vật chất trên bề mặttrái đất như đất, nước, thực vật ) vào khoảng 300 K (270C) Như vậy, theoluật chuyển đổi Wiens thì cực đại bức xạ của bề mặt trái đất là ở bước sóngkhoảng 9,7μm Bức xạ đó liên quan đến độ nóng của vật chất và liên quan đếnkhái niệm hồng ngoại nhiệt Các bức xạ này không thể nhìn thấy hoặc khôngthể chụp ảnh được, song có thể thu nhận được bằng các thiệt bị đo hoặc quétbức xạ (sẽ mô tả ở phần sau) Trong khi đó mặt trời có bức xạ vùng nhìn thấycực đại về nhiệt độ ở dải sóng 0,5μm và như vậy mắt người và phim có thể dễdàng nhạy cảm với năng lượng theo biên độ và bước sóng của ánh sáng.Nhờvậy, khi mặt trời xuất hiện, chúng ta có thể quan sát các đặc điểm của trái đấtnhờ vào đặc tính phản xạ lại nguồn năng lượng ánh sáng mặt trời Năng lượngbức xạ ở vùng sóng dài hơn thì thường được phát ra từ các vật chất trên bềmặt trái đất, nguồn năng lượng này có thể quan sát được với thiết bị cảm biếnphi hình ảnh (nonphotographic sensing system) Đường phân chia giữa hồngngoại phản xạ và hồng ngoại phát xạ là khoảng 3μm: nếu ở < 3μm thì phản

xạ chiếm ưu thế và ở > 3μm thì phát xạ chiếm ưu thế

1.7.4 Tương tác năng lượng trong khí quyển

Những ảnh hưởng của khí quyển tới ánh sáng khi truyền qua nó là tán xạ

và hấp thụ ánh sáng của khí quyển Những ảnh hưởng này có nguyên nhân là

sự tương tác cơ học của các thành phần khí quyển đối với ánh sáng Với bất

kỳ một nguồn sáng nào, toàn bộ bức xạ cảm nhận được bằng các thiết bị viễnthám đều phải truyền qua một khoảng cách nào đó trong khí quyển, khoảngcách đó được gọi là khoảng cách đường truyền (Path Length) Khoảng cáchđường truyền có thể rất khác nhau, ví dụ các ảnh vũ trụ nhận được các tínhiệu phản xạ từ ánh sáng mặt trời, nghĩa là ánh sáng mặt trời phải đi qua bầukhí quyển hai lần trong đường hành trình của nó tới thiết bị thu nhận

Trong khi đó, đối với chụp ảnh máy bay thì khoảng cách đường truyền rất

ngắn Ảnh hưởng của khí quyển rất khác nhau đối với các khoảng cách đườngtruyền khác nhau, ảnh hưởng đó liên quan đến các tính chất của ánh sáng như:bước sóng, cường độ Tất nhiên đặc điểm của khí quyển lúc thu nhận tín hiệuviễn thám là yếu tố rất quan trọng ảnh hưởng đến tín hiệu nhận được

1 Sự tán xạ (Scattering)

Sự tán xạ của khí quyển là sự lan truyền ánh sáng một cách không địnhhướng gây ra bởi các phần tử nhỏ bé trong khí quyển Có hai loại tán xạ cơbản:

Sự tán xạ Rayleigh là sự tương tác

các bức xạ bởi các phần tử hoặc các

hạt nhỏ bé khác trong khí quyển, khi

đường kính của chúng nhỏ hơn bước

sóng của tia bức xạ Ảnh hưởng củatán xạ Rayleigh là tỉ lệ nghịch với mũbậc 4 của bước sóng

Do đó khi bước sóng ngắn thì sự tán xạ mạnh hơn so với tán xạ của tiasáng có bước sóng dài

Bầu trời có màu xanh Blue chính là một biểu hiện rõ ràng nhất của hiệntượng tán xạ Rayleigh, nếu không có hiện tượng tán xạ, bầu trời sẽ có màu

đen Trong trường hợp này sự tán xạ của các tia màu xanh lơ ( blue ) là nổi

hơn cả so với các tia sáng khác trong dải nhìn thấy Vào lúc buổi sáng sớmhoặc lúc mặt trời lặn các tia mặt trời phải truyền qua một khoảng cách đườngtruyền lớn hơn so với buổi trưa, khi đó sự tán xạ và hấp thụ của các sóng ngắn

là hoàn toàn chấm dứt và chúng ta chỉ nhìn thấy một phần nhỏ các tia được

tán xạ ở bước sóng dài hơn đó là các tia màu đỏ (red) và màu cánh sen (magenta)

Hiện tượng tán xạ cũng là nguyên nhân đầu tiên gây nên hiện tượngsương mù trên ảnh vệ tinh Tất nhiên hiện tượng sương mù sẽ làm giảm độ néthay độ tương phản của hình ảnh Đối với ảnh màu, đó là hiện tượng xuất hiệnnhiều màu xanh lơ trải đều trên toàn ảnh Để khác phục hiện tượng này, một

tấm lọc sương mù thường được đặt trước ống kính để tránh cho những tia sáng có bước sóng ngắn truyền vào phim Ngoài ra, có thể có nhiều loại lọc

khác như lọc tia xanh lơ (lọc Blue), lọc tia cực tím ( lọc UV)

Ngoài hiện tượng tán xạ Rayleigh còn có hiện tượng tán xạ Mie khi màcác hạt nhỏ trong không khí có đường kính bằng bước sóng của tia sáng Hơinước và khói (chúng có đường kính từ 5- 100μm) là nguyên nhân của hiệntượng tán xạ Mie Hiện tượng tán xạ này ảnh hưởng đến các tia sáng có bướcsóng dài so với các tia có bước sóng ngắn ở tán xạ Rayleigh Tuy nhiên, trong

tự nhiên thì hiện tượng tán xạ Rayleigh là phổ biến hơn cả Trong trường hợp

ở vùng nhìn thấy, khi các tia màu lơ, lam và đá được tán xạ, đều nhau dosương mù và mây thì thường xuất hiện màu trắng do ảnh hưởng của tán xạMie

Trong dải phổ, vùng dải sóng mà ở đó năng lượng hấp thụ ít nhất và đượctruyền qua nhiều nhất thì gọi là các cửa sổ khí quyển (atmotspheric windows

3 Các cửa sổ khí quyển

Cửa sổ khí quyển là các vùng phổ không bị ảnh hưởng mạnh bởi môi

trường khí quyển Các cửa sổ khí quyển được nghiên cứu và xác định nhằmphục vụ cho việc chế tạo các máy cảm biến (các sensor) trong viễn thám Đócũng là cơ sở để hình thành các phương pháp viễn thám bị động hay chủ động

Khu vực tối là vùng ánh sáng không truyền qua được và như vậy khu vựccửa sổ khí quyển là rất hẹp, nơi mà ánh sáng có thể truyền qua và các thiết bịviễn thám ghi nhận được tín hiệu của chúng Trong các cửa sổ khí quyển thìdải nhìn thấy là vùng cửa sổ khí quyển rộng nhất và năng lượng ánh sángđược truyền qua cũng mạnh nhất

Dải năng lượng nhiệt phát ra từ Trái Đất được thể hiện bởi đường congnhỏ trong hình Cửa sổ khí quyển của dải năng lượng này từ 3 - 5μm và từ 8 -14μm và ghi nhận chúng bằng các máy quét nhiệt (Thermal Scanners)

Máy quét đa phổ (Multispectral Scanners) có khả năng cảm nhận đồngthời những năng lượng ánh sáng ở các dải phổ hẹp Ví dụ hệ thống quét radar

chủ động có thể thu các tín hiệu sóng với cửa sổ ở khoảng 1mm đến 1m Tóm lại điều quan trọng là sự tương tác và phụ thuộc giữa nguồn nănglượng điện từ với khí quyển Các cửa sổ khí quyển là nơi mà các năng lượngđiện từ có thể truyền qua và tác động vào các thiết bị thu nhận, từ đó các thiết

bị có thể ghi lại các tín hiệu năng lượng đó

Vì vậy việc lựa chọn các thiết bị thu nhận phải căn cứ vào nhiều yếu tố:

- Dải phổ có thể thu nhận được

- Các cửa sổ khí quyển có thể sử dụng

- Nguồn năng lượng, cường độ và thành phần phổ của nguồn có thể thunhận được

1.7.5 Tương tác năng lượng với đối tượng tự nhiên

Khi năng lượng điện từ chiếu tới (Incident-I) một vật thể trên mặt đất, sẽtương tác với đối tượng đó theo ba dạng cơ bản: phản xạ (Reflection-R), hấpthụ (Absorption-A) và truyền qua (Transmission-T) Các năng lượng này làhàm của một bước sóng λ nào đó

E T (λ) - năng lượng truyền qua

Tỉ lệ giữa các hợp phần năng lượng phản

xạ, hấp thụ và truyền qua rất khác nhau tùy thuộc vào đặc điểm cấu tạo bềmặt và thành phần vật chất của đối tượng Ngoài ra tỉ lệ giữa các hợp phần đócòn phụ thuộc vào các bước sóng khác nhau

Như vậy, sẽ có nhiều trường hợp là hai đối tượng có cùng một đặc điểm

trong các dải phổ khác Trong vùng nhìn thấy, màu sắc của một đối tượngchính là thể hiện sự phản xạ trội hơn cả trong một dải sóng nào đó Ví dụ, lácây có màu xanh lục do chúng phản xạ mạnh dải phổ Green (0,5 - 0,6μm) Năng lượng phản xạ từ các vật thể thường có hai dạng:

+ Phản xạ phản chiếu: Khi toàn

bộ năng lượng điện từ phản xạ trực

tiếp từ bề mặt vật thể theo một

hướng nào đó

+ Phản xạ khuếch tán: Khi bềmặt vật thể gồ ghề làm cho nănglượng sóng điện từ khuếch tán theonhiều phương, hiện tượng khuếchtán năng lượng sẽ xảy ra

Một bề mặt có thể là phản xạ gương đối với một sóng có bước sóng dài,song lại là bề mặt tán xạ đối với một sóng có bước sóng ngắn hơn

Đặc điểm phản xạ phổ của các đối tượng trên bề mặt Trái Đất là thông sốquan trọng nhất trong viễn thám được đặc trưng bới độ phản xạ phổ Độ phản

xạ phổ được đo theo công thức:

với ρλ là độ phản xạ phổ (tính bằng %)

Với cùng một đối tượng, độ phản xạ phổ khác nhau ở các bước sóngkhác nhau

1.4.6 Đặc điểm phản xạ phổ của một số đối tượng tự nhiên

Đồ thị phổ phản xạ được xây dựng với chức năng là một hàm số của giá

trị phổ phản xạ và bước sóng, được gọi là đường cong phổ phản xạ Hìnhdáng của đường cong phổ phản xạ cho biết một cách tương đối rõ ràng tínhchất phổ của một đối tượng và hình dạng đường cong phụ thuộc rất nhiều vàoviệc lựa chọn các dải sóng mà ở đó thiết bị viễn thám có thể ghi nhận đượccác tín hiệu phổ

Hình dạng của đường cong phổ phản xạ còn phô thuộc rất nhiều vào tínhchất của các đối tượng Trong thực tế, các giá trị phổ của các đối tượng khácnhau, của một nhóm đối tượng cũng rất khác nhau, song về cơ bản chúng daođộng xung quanh gía trị trung bình (hình 2.8)

Dựa trên đặc tính phổ của vật thể tại các bước sóng, các đối tượng tựnhiên được chia ra thành các nhóm chính sau:

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, đặcbiệt là bước sóng cận hồng 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 Tùy thuộc vào thành phần hợp chất

có trong đất mà biên độ của đồ thị phản xạ phổ sẽ khác nhau

Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng phản xạ phổ của thổ nhưỡng: cấutrúc bề mặt của đất, độ ẩm của đất, hợp chất hữu cơ, vô cơ có trong đất Khảnăng phản xạ phổ của đất tỉ lệ nghịch với các yếu tố này.

Hình 1.18 Đặc tính phổ của một số loại đất

Cấu trúc của thổ nhưỡng phụ thuộc vào thành phần sét, bụi cát có trongđất Sét là hạn mịn có đường kính nhỏ hơn 0.002mm, bụi có đường kính0.002 – 0.05mm, cát có đường kính 0.05 – 2mm Với đất hạt mịn thì khoảngcách giữa các hạt nhỏ, với đất hạt lớn, khoảng cách giữa các hạt lớn hơn dẫnđến khả năng vận chuyển không khí và độ ẩm dễ dàng hơn Độ ẩm và lượngnước có trong đất ảnh hưởng lớn đến khả năng phản xạ phổ của thổ nhưỡng

Khả năng phản xạ phổ của thổ nhưỡng phụ thuộc vào độ ẩm của đất.Khi độ ẩm tăng, khả năng phản xạ sẽ bị giảm (hình 1.19)

Hình 1.19 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 làhợp chất hữu 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 thấphơn, khả năng phản xạ phổ sẽ cao hơn Khả năng phản xạ phổ của thổ nhưỡngcòn phụ thuộc vào hàm lượng oxit sắt chứa trong đất Khả năng phản xạ phổ tăngkhi 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 thể giảm đến 40% khi hàmlượng 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, cácsắc tố của lá cây ảnh hưởng đến đặc tính phản xạ phổ của nó, đặc biệt là hàmlượng chất diệp lục (clorophyl) Trong dải sóng này, thực vật ở trạng thái tươitốt với hàm lượng diệp lục cao trong lá cây sẽ có khả năng phản xạ phổ cao ởbước sóng xanh lá cây (green), giảm xuống ở vùng sóng đỏ (red) và tăng rấtmạnh 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 Hai vùng suy giảm khả năng phản xạ phổ này tương ứng với hai dảisóng bị chất diệp lục (clorophyl) hấp thụ Ở vùng sóng này, chất diệp lục hấpthụ phần lớn năng lượng chiếu tới, do vậy khả năng phản xạ phổ của lá câykhông lớn Ở bước sóng xanh lá cây (green), khả năng phản xạ phổ của lá câyrất cao, do đó lá cây ở trạng thái tươi tốt được mắt người cảm nhận ở màu lục(green) Khi lá úa hoặc có bệnh, hàm lượng clorophyl giảm đi, khả năng 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 làhàm lượng nước chứa trong lá

Thực vật có khả năng hấp thụ năng lượng mạnh nhất ở các bước sóng1.4 μm, 1.9 μm, 2.7 μm Bước sóng 2.7 μm hấp thụ năng lượng mạnh nhất gọi

là dải sóng cộng hưởng hấp thụ (sự hấp thụ mạnh diễn ra với dải sóng trong

khoảng từ 2.66 μm–2.73 μm) Khi hàm lượng nước chứa trong lá giảm đi, khảnăng phản xạ phổ của lá cây cũng tăng lên đáng kể.

Hình 1.20 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 trongnước Ngoài ra, khả năng phản xạ phổ của nước còn phụ thuộc vào bề mặtnước và trạng thái của nước

Đối với đường bờ nước, ở dải sóng hồng ngoại và cận hồng ngoại cóthể phân biệt một cách rõ ràng Nước có khả năng hấp thụ rất mạnh nănglượng ở bước sóng cận hồng ngoại và hồng ngoại, do đó năng lượng phản xạ

sẽ rất ít Ở dải sóng dài, khả năng phản xạ phổ của nước khá nhỏ nên có thể

sử dụng các kênh ở dải sóng ngoài để xác định ranh giới nước – đất liền

Trong nước chứa nhiều thành phần hữu cơ và vô cơ, cho nên khả năngphản xạ phổ của nước phụ thuộc vào thành phần và trạng thái của nước Nướcđục có khả năng phản xạ phổ cao hơn nước trong, nhất là ở dải sóng dài Hàmlượng clorophyl cũng ảnh hưởng đến khả năng phản xạ phổ của nước (giảm

khả năng phản xạ phổ ở dải sóng ngắn, tăng ở dải sóng màu xanh lá cây).Ngoài ra, một số yếu tố khác cũng ảnh hưởng đến khả năng phản xạ phổ củanước, tuy không thể hiện rõ rệt qua sự khác biệt của đồ thị phổ: độ mặn củanước biển, hàm lượng khí metan, oxi, nitơ, cacbonic, trong nước.

Độ thấu quang của nước phụ thuộc vào độ đục/trong Nước biển, nướcngọt, nước cất đều có chung đặc tính thấu quang, tuy nhiên với nước đục, độthấu quang giảm rõ rệt và với bước sóng càng dài, độ thấu quang càng lớn.Khả năng thấu quang cao và hấp thụ năng lượng ít ở dải sóng nhìn thấy đốivới lớp nước mỏng (ao, hồ nông) và trong là do năng lượng phản xạ của lớpđáy: cát, đá,

Bảng 12 Độ thấu quang của nước phụ thuộc bước sóng

CHƯƠNG 2 BỘ CẢM BIẾN VÀ VỆ TINH VIỄN THÁM

2.1 NHỮNG KHÁI NIỆM CHUNG VỀ BỘ CẢM BIẾN

2.1.1 Khái niệm, nhiệm vụ của bộ cảm

Khái niệm: Thiết bị dùng để cảm nhận sóng điện từ phản xạ hay bức xạ từ vật

thể được gọi là bộ cảm biến (Sensor).

2.1.2 Phân loại

Bộ cảm biến có thể được phân loại dựa theo dải sóng thu nhận, chức năng hoạt động hoặc theo kết cấu…

Các bộ cảm bị động thu nhận các bức xạ do vật thể phản xạ hoặc phát xạ, còn các bộ cảm chủ động lại thu được năng lượng do vật thể phản xạ từ một nguồn cung cấp nhân tạo Mỗi loại bộ cảm thuộc các nhóm trên còn chia thành các hệ thống quét và không quét, sau đó chúng lại tiếp tục được chia thành loại tạo ảnh và không tạo ảnh Loại bộ cảm sử dụng nhiều trong viễn thám hiện nay là các loại máy chụp ảnh, máy quét đa phổ quang cơ, máy quét điện tử.

Đặc trưng chủ yếu của bộ cảm biến là số kênh phổ được sử dụng, độ phân giải không gian, bề rộng tuyến chụp

2.1.3 Các phương thức thu nhận tư liệu viễn thám

Có hai phương thức thu nhận tư liệu viễn thám chủ yếu: chụp theo nguyên tắc khung (framing) và sử dụng máy quét (scanning) Cả hai phương pháp đều có thể thực hiện trên máy bay hoặc vệ tinh, kết quả đều cho ra sản phẩm là hình ảnh của đối tượng, song về nguyên tắc tạo ảnh và đặc điểm của hình ảnh hoàn toàn khác nhau

- Hệ thống khung: thu nhận tức thời hình ảnh của một vùng (tạo một khung lên

bề mặt thực địa) Máy chụp ảnh, mắt người là những ví dụ về hệ thống khung.

- Hệ thống quét : sử dụng máy quét để quét từng dòng ảnh

2.1.4 Các phương pháp quét cơ bản thường sử dụng trong việc tạo ảnh đa phổ

Hệ thống quét dùng để thu thập dữ liệu trên cơ sở sử dụng nhiều bước sóng khác nhau được gọi là máy quét đa phổ MSS (multispectral scanner) Đây là hệ thống quét sử dụng cả trên máy bay và vệ tinh Có hai phương pháp quét chính: quét vuông góc với tuyến chụp, quét dọc tuyến chụp

* Quét vuông góc với tuyến chụp

Trường nhìn không đổi (Instantanneous Field of View – IFOV) là góc không

gian tương ứng với một đơn vị chia mẫu trên mặt đất Lượng thông tin ghi được trong IFOV tương ứng với giá trị của pixel.

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

trường nhìn (Field of View FOV) Khoảng không gian trên mặt đất do FOV tạo ra

chính là bề rộng tuyến chụp.

Quá trình quét vuông góc với tuyến chụp được thực hiện như sau :

Bề rộng tuyến chụp

FOV

Độ phân giải mặt đất

IFOV

Hình 1.9 : Trường nhìn, trường nhìn không đổi, tạo ảnh đa phổ theo

phương pháp quét ngang tuyến chụp

Gương quay (A) chuyển động trong mặt phẳng vuông góc với đường bay được

sử dụng để dịch chuyển trường nhìn không đổi IFOV tạo thành dòng quét vuông góc với hướng di chuyển của vệ tinh Năng lượng phản xạ được phân chia ứng với từng bước sóng khác nhau (thông qua kinh lọc phổ) được bộ tách sóng (B- delectors) đo lường năng lượng ứng với từng kênh phổ và chuyển thành giá trị số của từng pixel Sau khi kết thúc dòng quét, gương quay trả về vị trí ban đầu để tạo dòng kế tiếp nhờ sự dịch chuyển đồng bộ của vệ tinh, kết quả nhận được ảnh vệ tinh

là tập hợp của các dòng ảnh liên tiếp nhau.

Trường nhìn không đổi IFOV (C) của bộ cảm biến và độ cao của vệ tinh xác định độ phân giải mặt đất (D) và góc nhìn tối đa (E) mà một bộ cảm có thể thu được

sóng điện từ (được quét bởi gương quay) được gọi là trường nhìn (field of view –

FOV) Khoảng không gian trên mặt đất do FOV tạo nên tương ứng với độ cao của

vệ tinh chính là bề rộng tuyến chụp (F) và còn dược sử dụng để xác định bề rộng của ảnh vệ tinh.

* Quét dọc tuyến chụp

Quét dọc tuyến chụp sử dụng các hệ thống quét điện tử hoặc bộ tách sóng tuyến tính để ghi nhận năng lượng bức xạ ứng với dòng quét cố định vuông góc với phương chuyển động của vệ tinh Bộ tách sóng mảng tuyến tính (A) được xây dựng tại mặt phẳng tạo ảnh (B) của hệ thống lăng kính (C) cho phép tạo thành dòng quét

vuông góc với hướng di chuyển của vệ tinh Mỗi bộ tách sóng riêng biệt (delector –

diod quang điện) đo lường năng lượng phản xạ ứng với từng pixel (D) được phân

chia với từng bước sóng khác nhau (thông qua kính lọc phổ) Trong phương pháp này, mỗi bộ tách sóng mảng tuyến tính riêng sẽ đảm nhiệm việc đo lường năng lượng ứng với từng kênh phổ và kích thước của IFOV ứng với bộ tách sóng riêng biệt sẽ xác định độ phân giải mặt đất của ảnh vệ tinh.

Hình 1.10 Tạo ảnh đa phổ theo phương pháp quét dọc tuyến chụp

Nói chung, ảnh chỉ thể hiện được những vật thể lớn gọi là ảnh có độ phân giải thấp, còn ảnh cho phép tách các đối tượng nhỏ và thấy đủ chi tiết trên mặt đất được gọi là ảnh có độ phân giải cao Độ phân giải càng cao thì diện tích mặt đất được thể hiện trên một pixel ảnh càng nhỏ, hiện nay các bộ cảm biến đặt trên vệ tinh phục vụ cho mục đích quân sự được thiết kế sao cho thu được càng nhiều thông tin càng tốt, nên ảnh nhận được thường có độ phân giải cao hơn so với ảnh do các công ty thương mại cung cấp, Ngoài ra, khái niệm tỷ lệ ảnh cũng cho biết mức độ chi tiết được cung cấp bởi ảnh vệ tinh, đó là tỷ số giữa khoảng cách trên ảnh với khoảng cách thực trên mặt đất Nếu tỷ lệ ảnh là 1:100.000 thì một đối tượng có chiều dài

1cm trên ảnh sẽ có chiều dài thật trên mặt đất là 100.000 cm (1km) Ảnh có tỷ lệ nhỏ

khi tỷ số này nhỏ và ngược lại gọi là ảnh tỷ lệ lớn (ví dụ ảnh có tỷ lệ 1:5000 được xem là ảnh có tỷ lệ lớn và cung cấp nhiều chi tiết hơn ảnh có tỷ lệ 1: 10 000).

2.2 BỘ CẢM BIẾN SỬ DỤNG TRONG KỸ THUẬT VIỄN THÁM

* Máy quét quang cơ

Máy quét quang cơ là thiết bị sử dụng một bức xạ kế đa phổ để tạo ảnh hai chiều dựa trên sự phối hợp chuyển động giữa vệ tinh và hệ thống gương quét vuông

góc với hướng bay Để đơn giản, ta chỉ xét kết hợp một detector (cảm nhận năng lượng ứng với một kênh phổ) và một gương quay sao cho đường quét trên mặt đất

là một đường thẳng vuông góc với hướng chuyển động của vệ tinh Trong cách này,

bề mặt trái đất được quét thành từng dòng liên tục khi vệ tinh dịch chuyển với vận tốc nhất định

Máy quét đa phổ quang cơ được cấu thành bới những phần chính sau:

Hệ thống quang học: Hệ thống kĩnh viễn vọng phản xạ kiểu Newton,

Cassegrain hoặc Ritchey-Chretien nhằm hạn chế sự lệch màu đến mức tối thiểu.

Hệ thống tách phổ thường sử dụng hệ thống gương, lăng kính hoặc kính lọc

phổ.

Hệ thống quét: các gương quay hoặc dao động trong mặt phẳng vuông góc

với đường bay.

Bộ tách sóng (phân tích): chuyển đổi năng lượng điện từ thành tín hiệu điện

(sử dụng diode quang điện) Các bộ khuyếch đại quang điện thường được sử dụng cho dải sóng nhìn thấy và vùng cực tím Đối với vùng sóng gần hồng ngoại và khả kiến dùng diode silicon, diode ingium antimony (InSb) được dùng cho vùng sóng ngắn và để đo bức xạ nhiệt dùng diode HpCdTe.

Hệ thống kiểm định (kiểm tra): Tín hiệu điện đo được luôn bị ảnh hưởng bởi

sự biến động độ nhạy của hệ thống tách sóng, do vậy cần phải duy trì thường xuyên một nguồn sáng có cường độ ổn định làm nguồn năng lượng chuẩn kiểm định tín hiệu điện.

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

tinh Máy quét đa phổ MSS (Multispectral Scanner System) và TM (Thematic

Mapper) của vệ tinh LANDSAT AVHRR (Advance Very High Resolution Radiometer) của vệ tinh NOAA là những hệ thống quáy quét đa phổ quang cơ đặt

trên vệ tinh Máy quét đa phổ MS do hãng Daedalus chế tạo là ví dụ máy quét đa phổ quang cơ đặt trên máy bay.

* Máy quét điện tử

Các hệ thống quét điện từ hoặc bộ cảm mảng tuyến tính là hệ thống không có

bộ phận quét cơ học, nhưng với bộ cảm mảng tuyến tính (tách sóng bán dẫn) cho phép ghi nhận tín hiệu năng lượng phản xạ ứng với từng kênh phổ bằng cách tạo từng hàng ảnh cố định vuông góc với phương chuyển động của vệ tinh Khi vệ tinh chuyển động, hệ thống quét điện từ dịch chuyển đồng thời từng bộ phận tách sóng

riêng biệt (detector – diodquang điện) đo lường năng lượng phản xạ ứng với từng

pixel được phân chia ứng với từng dòng ảnh Kết quả nhận được ảnh vệ tinh là tập hợp của các dòng ảnh liên tiếp nhau và trong phương pháp này, mỗi bộ tách sóng mảng tuyến tính riêng biệt sẽ đảm nhiệm việc đo lường năng lượng ứng với từng kênh phổ.

Về cấu tạo, các máy quét điện từ chỉ có hệ thống thấu kính quang học nhằm tách các dòng ảnh đồng thời vuông góc với hướng bay Các thiết bị nạp hay còn gọi

là thiết bị đổi kiểu thường được dùng cho bộ cảm mảng tuyến tính nên còn được gọi

là bộ cảm tuyến tính CCD (hay máy chụp CCD) Thực chất của CCD là chip silicon

giữ vai trò biến đổi năng lượng phản xạ thu được sang dòng điện, cấu tạo giống như các diod quang điện có cùng đặc tính được ghép lại với nhau thành một hàng để cảm nhận đồng thời giá trị độ sáng ứng với từng pixel Do máy chụp CCD không có một bộ phận cơ học nào nên độ ổn định trong hoạt động của nó là rất cao Tuy nhiên, trên một hàng ảnh thường bị xuất hiện nhiễu gây ra bởi sự chênh lệch độ nhạy giữa các bộ tách sóng riêng biệt Bộ cảm biến HRV của vệ tinh SPOT, MESSR của MOS-1 và OPS của JERS-1 là những loại bộ cảm tuyến tính CCD đặt trên vệ tinh đang được sử dụng hiện nay

2.3 VẬT MANG VÀ QUỸ ĐẠO BAY

Vật mang là một phương tiện dùng để bố trí các bộ cảm trên đó nhằm thu nhận thông tin từ mặt đất Vệ tinh và máy bay là những vật mang cơ bản thường được sử dụng trong viễn thám Ngoài ra còn có nhiều loại vật mang khác có độ cao hoạt động từ vài chục mét trở lên.

2.4 VỆ TINH GIÁM SÁT TÀI NGUYÊN

2.4.1 Vệ tinh Landsat

LANDSAT là vệ tinh tài nguyên của Mỹ do cơ quan hàng không và vũ trụ NASA (National Aeronautics and Space Administration) quản lý Cho đến nay đã có bảy thế hệ vệ tinh LANDSAT được nghiên cứu phát triển Vệ tinh LANDSAT 1 được phóng năm 1972, lúc đó bộ cảm cung cấp tư liệu chủ yếu là MSS (Multispectral scanner) thuộc loại máy quét quang cơ (Optical-Mechanical Scanner) Vệ tinh LANDSAT có độ cao bay 705km, góc nghiêng mặt phẳng quỹ đạo là 98 0 Quỹ đạo đồng bộ mặt trời và bán lặp Thời điểm bay qua xích đạo là 9h39' sáng và chu kỳ lặp 17 ngày Bề rộng tuyến chụp 185km Hệ thống Landsat MSS hoạt động ở dải phổ nhìn thấy và gần hồng ngoại Từ năm 1985 vệ tinh LANDAT 3 được phóng và mang bộ cảm TM (Thematic Mapper) Vệ tinh LANDSAT 7 mới được phóng vào quỹ đạo tháng 4/1999 với bộ cảm TM cải tiến gọi là ETM (Enhaced Thematic Mapper) Trên vệ tinh LANDSAT, bộ cảm có ý nghĩa quan trọng nhất và được sử dụng nhiều nhất là TM Bộ cảm TM có các thông

số chính được nêu trong bảng 1.1

Bảng 1.1 Các thông số kỹ thuật của bộ cảm TM

Kênh phổ Bớc sóng Phổ điện từ Độ phân giải

Kênh 1 0.45 - 0.52 micromet Xanh lam 30m

Kênh 2 0.52- 0.60 micromet Xanh lục 30m

Kênh 4 0.76 - 0.90 micromet Gần hồng ngoại 30m

Kênh 5 1.55 - 1.75 micromet Hồng ngoại 30m

Kênh 6 10.4 - 12.5 micromet Hồng ngoại nhiệt 120m

Kênh 7 2.08 - 2.35 micromet Hồng ngoại trung 30m

Hình1.11 Vệ tinh LANDSAT 1, 3, 7

Vệ tinh LANDSAT bay ở độ cao 705km, mỗi cảnh TM có độ bao phủ mặt đất là 185km x 170km với chu kỳ chụp lặp là 16 ngày Có thể nói TM là bộ cảm quan trọng nhất trong việc nghiên cứu tài nguyên và môi trường Tư liệu TM được cung cấp dưới dạng CCT, CD ROM và băng từ 8mm

2.4.2 Vệ tinh SPOT

Vào đầu năm 1978, chính phủ Pháp quyết định phát triển chương trình SPOT (Système Pour l'Observation de la Terre) với sự tham gia của Bỉ và Thụy Điển Hệ thống vệ tinh viễn thám SPOT do Trung tâm Nghiên cứu Không gian (Centre National d'Etudes Spatiales -CNES) của Pháp chế tạo và phát triển Vệ tinh đầu tiên SPOT-1 được phóng lên quỹ đạo năm 1986, tiếp theo là SPOT-2, SPOT-3, SPOT-4 và SPOT-5 lần lượt vào các năm 1990, 1993, 1998 và 2002 trên

Vệ tinh SPOT 4 với kênh toàn sắc (0,49 - 0,73μm); ba kênh đa phổ của HRV tương đương với 3 kênh phổ truyền thống HRV; thêm kênh hồng ngoại (1,58 -1,75μm) có độ phân giải 20 m Khả năng chụp nghiêng của SPOT cho phép tạo cặp ảnh lập thể từ hai ảnh chụp vào hai thời điểm với các góc chụp nghiêng khác nhau

Vệ tinh SPOT - 5 phóng lên quỹ đạo ngày 03 tháng 5 năm 2002, được trang

bị một cặp Sensors HRG (High Resolution Geometric) là loại Sensor ưu việt hơn các loại trước đó Mỗi một Sensor HRG có thể thu được ảnh với độ phân giải 5

m đen - trắng và 10 m với ảnh màu Với kỹ thuật xử lý ảnh đặc biệt, có thể đạt được ảnh độ phân giải 2,5 m, trong khi đó dải chụp phủ mặt đất của ảnh vẫn