Bản chất vật lý của các thông tin viễn thám

5. Cấu trúc của luận văn

2.1.3. Bản chất vật lý của các thông tin viễn thám

Đặc tính phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên phụ thuộc vào nhiều yếu tố như điều kiện chiếu sáng, môi trường khí quyển và bề mặt đối tượng cũng như bản thân các đối tượng đó (độ ẩm, lớp nền đất đá, thực vật, lớp mùn, cấu trúc bề mặt…). Như vậy, đối với các đối tượng khác nhau sẽ có khả năng phản xạ phổ khác nhau.

Nguồn năng lượng mặt trời gồm 3 phần: Một phần năng lượng tới của bức xạ bị hấp thụ, một phần được truyền qua sau đó phản xạ trở lại và một phần bị phản xạ lại ngay từ bề mặt của đối tượng. Tỷ lệ giữa ba phần năng lượng này khác nhau khi bức xạ truyền tới các đối tượng tự nhiên khác nhau. Như vậy, chính sự khác biệt về tỷ lệ giữa các phần năng lượng là cơ sở để phân biệt các đối tượng tự nhiên.

Năng lượng mặt trời (E0) chiếu xuống mặt đất dưới dạng sóng điện từ. Năng lượng của sóng điện từ sẽ tác động lên bề mặt trái đất và sẽ xảy ra các hiện tượng sau:

- Phản xạ năng lượng (Epx). - Hấp thụ năng lượng (Eht). - Thấu quang năng lượng (Etq).

Năng lượng bức xạ sẽ chuyển đổi thành ba dạng khác nhau như trên. Giả sử coi năng lượng ban đầu bức xạ là E0 thì khi chiếu xuống các đối tượng nó sẽ chuyển thành năng lượng phản xạ Epx, , hấp thụ năng lượng Ehtvàthấu quang Etq. Có thể mô tả quá trình trên theo công thức (1) dưới đây

E0 = Epx+Eht+Etq (1)

Trong quá trình này, khi bề mặt đối tượng tiếp nhận năng lượng chiếu tới tùy thuộc vào cấu tạo vật chất, cấu trúc thành phần hoặc điều kiện chiếu sáng mà các thành phần Epx , Eht , Etq sẽ có giá trị khác nhau đối với các đối tượng khác nhau. Phụ thuộc vào cấu trúc bề mặt của đối tượng, năng lượng phản xạ phổ có thể phản xạ toàn phần, phản xạ một phần hoặc tán xạ toàn phần. Vì vậy, cần phải lưu ý khi giải đoán các ảnh vệ tinh, ảnh máy bay, nhất là khi xử lý hình ảnh cần phải có các thông tin về các khu vực đang khảo sát và phải biết rõ các thông số kỹ thuật của thiết bị được sử dụng, điều kiện chụp ảnh vì các yếu tố này có vai trò nhất định trong việc giải đoán ảnh. Đồng thời, năng lượng được phản xạ từ các đối tượng không những phụ thuộc vào cấu trúc bề mặt đối tượng mà còn phụ thuộc vào bước sóng của năng

18

lượng chiếu tới. Do vậy, mỗi vật trong tự nhiên có đặc tính phản xạ phổ điện từ khác nhau trên các bước sóng khác nhau và được tính bằng công thức (2) như sau:

Epx = E0- (Eht+Etq ) (2)

Để nghiên cứu sự phụ thuộc của năng lượng phản xạ phổ vào bước sóng, khái niệm phản xạ phổ tính theo phần trăm (%) được sử dụng và được tính theo công thức (3):

R(λ) = Epx(λ)/ E0(λ).100% (3)

Phần năng lượng bị hấp thụ, khi đi vào đối tượng sẽ chuyển hóa thành những dạng năng lượng khác. Khả năng hấp thụ của đa số các đối tượng tự nhiên có tính chọn lọc phổ. Ví dụ, thực vật hấp thụ chủ yếu ở vùng sóng lục (400 μm - 470 μm) và vùng sóng đỏ (680 μm - 720 μm), để thực hiện quá trình quang hợp.

Phần năng lượng truyền qua các đối tượng có thành phàn phổ khác với thành phần phổ của bức xạ tới, nó phụ thuộc vào tính chất hấp thụ và tán xạ có chọn lọc của từng đối tượng.

Phần năng lượng phản xạ phụ thuộc vào khả năng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên. Hiện nay, hầu hết các thiết bị thu nhận thông tin viễn thám đều ghi nhận năng lượng phản xạ này (trừ kỹ thuật Radar chủ động). Chính vì vậy, năng lượng phản xạ được sử dụng như một phương tiện truyền tin trong kỹ thuật viễn thám hay nói cách khác, các thông tin viễn thám đều có liên quan mật thiết với năng lượng phản xạ từ các đối tượng tự nhiên. Năng lượng ánh sáng phản xạ được hình thành từ hai thành phần cơ bản:

- Năng lượng phản xạ trực tiếp từ bề mặt đối tượng.

- Năng lượng phản xạ trở lại sau khi bị tán xạ bởi cấu trúc bên trong của đối tượng. Thông tin về tính chất của đối tượng được phản ánh chủ yếu ở thành phần thứ hai của năng lượng ánh sáng phản xạ. Phần năng lượng phản xạ này là kết quả của sự tương tác giữa bức xạ tới với bề dày vật chất của đối tượng nghiên cứu. Nó phụ thuộc vào cấu trúc, bản chất hóa-lý và trạng thái của đối tượng. Phần năng lượng phản xạ trực tiếp từ bề mặt đối tượng không phụ thuộc vào tính chất của đối tượng mà chỉ tham gia vào quá trình tạo độ chói của đối tượng. Phần năng lượng đi vào đối tượng được biến đổi do kết quả của quá trình hấp thụ chọn lọc, khi phản xạ trở lại sẽ có thành phần phổ đặc trưng của đối tượng với những tính chất nhất định.

19

Tỷ số năng lượng của các luồng bức xạ phản xạ trực tiếp từ bề mặt và từ các thành phần cấu trúc bên trong của đối tượng tự nhiên theo các hướng khác nhau sẽ khác nhau. Chúng được xác định không chỉ bằng hệ số hấp thụ và chỉ số khúc xạ mà còn bằng cấu trúc bề mặt của đối tượng. Chính vì vậy, mầu sắc của nhiều đối tượng quan sát phụ thuộc vào cấu trúc bề mặt của đối tượng và phụ thuộc vào hướng chiếu cũng như hướng quan sát của các đối tượng nghiên cứu.

Thông tin về các đối tượng tự nhiên trong kỹ thuật viễn thám được thu nhận dưới hai dạng chủ yếu, đó là ảnh tương tự (Analogue Image) và ảnh số (Digital Image). Các tư liệu của ảnh này ghi nhận trường năng lượng phản xạ và trường năng lượng bức xạ sóng điện từ của các đối tượng tự nhiên. Điều đó có nghĩa là sóng điện từ hoặc được phản xạ, hoặc được bức xạ từ các vật thể thường là nguồn tư liệu chủ yếu trong kỹ thuật viễn thám. Trên các ảnh vệ tinh hay hàng không có thể nhận biết sự phân bố các trường này trong không gian ở vùng sóng nhìn thấy (đối với ảnh toàn sắc), hoặc ở một vùng sóng nhất định (đối với ảnh đa phổ). Kết quả xác định đặc trưng phản xạ phổ cho phép xác định phân bố năng lượng phản xạ (hoặc bức xạ) của vật thể theo bước sóng. Dựa vào sự khác nhau về quy luật phân bố năng lượng giữa các đối tượng, ta có thể phân biệt hoặc xác định được trạng thái phát triển, tính chất lý hóa và cấu trúc của đối tượng.

2.1.4. Đặc trƣng phản xạ phổ của các đối tƣợng tự nhiên

Đặc trưng phản xạ phổ của các đối tượng trên bề mặt trái đất là thông tin quan trọng nhất trong viễn thám. Do các thông tin viễn thám có liên quan trực tiếp đến năng lượng phản xạ từ các đối tượng nên việc nghiên cứu các đặc trưng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên đóng vai trò hết sức quan trọng đối với việc ứng dụng hiệu quả phương pháp viễn thám.

Trong lĩnh vực viễn thám, kết quả giải đoán các thông tin phụ thuộc rất nhiều vào sự hiểu biết về mối tương quan giữa các đặc trưng phản xạ phổ với bản chất và trạng thái các đối tượng tự nhiên. Đồng thời, đó cũng là cơ sở dữ liệu để phân tích các tính chất của đối tượng tiến tới phân loại đối tượng đó.

Đặc trưng phản xạ phổ của đối tượng tự nhiên là hàm của nhiều yếu tố. Các đặc tính này phụ thuộc vào điều kiện chiếu sáng, môi trường khí quyển, bề mặt đối tượng cũng như bản thân đối tượng.

20

Khả năng phản xạ phổ của đối tượng phụ thuộc vào: bản chất, trạng thái và độ nhẵn bề mặt, màu sắc của đối tượng; độ cao mặt trời trên đường chân trời và hướng chiếu sáng. Khả năng phản xạ phổ của đối tượng được chụp ảnh còn phụ thuộc vào trạng thái khí quyển và các mùa trong năm.

a) Đặc trƣng phản xạ phổ của thực vật

Hình 2-2: Đặc trƣng phản xạ phổ của thực vật

Hình 2-2 thể hiện đặc trưng phản xạ phổ của thực vật, trong đó thực vật xanh tốt chứa nhiều diệp lục tố phản xạ rất mạnh ánh sáng có bước sóng từ 0,45-0,67m (tương ứng với dải sóng màu lục), vì vậy, ta nhìn thấy chúng có màu xanh lục. Khi diệp lục tố giảm đi, thực vật chuyển sang đỏ, khả năng phản xạ ánh sáng màu đỏ trội hơn dẫn đến lá cây có màu vàng đỏ (do tổ hợp màu lục và đỏ) hoặc màu đỏ.

Ở vùng hồng ngoại, thực vật có khả năng phản xạ rất mạnh. Khi sang vùng hồng ngoại nhiệt và vi sóng, một số điểm cực trị ở vùng sóng dài làm tăng khả năng hấp thụ sóng điện từ của nước trong lá, khả năng phản xạ của chúng giảm đi rõ rệt và ngược lại khả năng hấp thụ lại tăng lên.

Khả năng phản xạ phổ của mỗi loại thực vật khác nhau không như nhau và đặc tính chung nhất về khả năng phản xạ phổ của thực vật là:

+ Ở vùng ánh sáng nhìn thấy, cận hồng ngoại và hồng ngoại, khả năng phản xạ phổ khác biệt rõ rệt.

+ Ở vùng ánh sáng nhìn thấy, phần lớn năng lượng bị hấp thụ do diệp lục tố trong lá cây, một phần nhỏ thấu qua lá còn lại phản xạ.

21

+ Ở vùng cận hồng ngoại, cấu trúc lá ảnh hưởng lớn đến khả năng phản xạ phổ của lá, ở đây khả năng phản xạ phổ tăng lên rõ rệt.

+ Ở vùng hồng ngoại, nhân tố ảnh hưởng lớn đến khả năng phản xạ phổ của lá là hàm lượng nước. Khi độ ẩm trong lá cao thì năng lượng hấp thụ cũng tăng.

Khả năng phản xạ của thực vật phụ thuộc vào giống loại, giai đoạn sinh trưởng và trạng thái phát triển của cây.

b) Đặc trƣng phản xạ phổ của nƣớc

Đặc tính chung nhất của nước là khả năng phản xạ phổ của nước (r%) giảm dần theo chiều dài bước sóng () và được mô tả như hình 2-3 dưới đây:

Hình 2-3: Biểu đồ về sự phản xạ và hấp thụ của nƣớc

Ở dải sóng nhìn thấy, khả năng phản xạ phổ của nước tương đối phức tạp. Tuy nhiên, nước trong điều kiện tự nhiên không phải lúc nào cũng lý tưởng như nước cất. Thông thường, nước chứa nhiều tạp chất hữu cơ và vô cơ, vì vậy, khả năng phản xạ phổ của nước phụ thuộc vào thành phần và trạng thái của nước. Các nghiên cứu cho thấy nước đục có khả năng phản xạ phổ cao hơn nước trong, nhất là ở những dải sóng dài. Với độ sâu tối thiểu là 30m, nồng độ tạp chất gây đục là 10mg/l thì khả năng phản xạ phổ lúc đó là hàm số của thành phần nước chứ không còn là ảnh hưởng của chất đáy.

Người ta đã chứng minh được rằng khả năng phản xạ phổ của nước phụ thuộc rất nhiều vào độ đục của nước, ở dải sóng 0,6-0,7m thì độ đục của nước và khả năng phản xạ phổ có mối liên hệ tuyến tính. Hàm lượng diệp lục tố trong nước

r% (m) 1. Hấp thụ 2. Phản xạ 20 10 30 40 50 0.4 0.5 0.6 0.7 2 1

22

cũng là một yếu tố ảnh hưởng đến khả năng phản xạ phổ của nước ở bước sóng ngắn và làm tăng khả năng phản xạ phổ của nước ở bước sóng có màu xanh lá cây. Ngoài ra, cũng có nhiều đặc tính quan trọng khác của nước không thể hiện được rõ qua sự khác biệt về phổ như độ mặn của nước biển, hàm lượng khí mêtan, ôxi, nitơ, cacbonic...

c) Đặc trƣng phản xạ phổ của thổ nhƣỡng

Đặc tính chung nhất của thổ nhưỡng là khả năng phản xạ phổ của thổ nhưỡng (r%) tăng theo độ dài bước sóng (), sự khác nhau về khả năng phản xạ phổ thấy rõ nhất ở khoảng phổ h p màu đỏ.

Hình 2-4: Khả năng phản xạ phổ của 3 loại thổ nhƣỡng

Thổ nhưỡng chỉ có năng lượng hấp thụ và năng lượng phản xạ mà không có năng lượng thấu quang. Các loại đất có thành phần cấu tạo, có tạp chất hữu cơ và vô cơ khác nhau thì khả năng phản xạ phổ sẽ khác nhau.

Các yếu tố chủ yếu ảnh hưởng đến khả năng phản xạ phổ của đất là cấu trúc bề mặt của đất, độ ẩm của đất, hợp chất hữu cơ, hợp chất vô cơ. Với đất hạt mịn thì khoảng cách giữa các hạt nhỏ vì chúng ở gần nhau hơn, khả năng vận chuyển độ ẩm và không khí kém. Với hạt lớn, khoảng cách giữa chúng lớn hơn do vậy khả năng vận chuyển không khí và độ ẩm dễ dàng hơn. Khi bị ẩm, trên mỗi hạt cát sẽ bọc một màng mỏng nước do vậy độ ẩm và lượng nước trong trong loại đất này sẽ cao hơn và do đó ảnh hưởng lớn đến khả năng phản xạ phổ của chúng. Khi độ ẩm tăng, khả năng phản xạ phổ sẽ bị giảm do vậy khi hạt nước rơi vào cát khô ta sẽ thấy cát bị thẫm hơn. Tuy nhiên, khi cát đã ẩm thì nếu hạt nước rơi vào cũng không có sự khác biệt nhiều. 1. Đất mùn 2. Đất cát 3. Đất bụi r% (m) 40 20 60 80 0.5 0.9 1.3 1.7 2.1 2.5 1 2 3

23

Một yếu tố khác ảnh hưởng đến khả năng phản xạ phổ là hợp chất hữu cơ và vô cơ trong đất. Với hàm lượng hữu cơ từ 0,5 - 5,0%, đất có màu nâu sẫm. Nếu hàm lượng hữu cơ thấp hơn, đất sẽ có màu nâu sáng. Ôxít sắt cũng ảnh hưởng tới khả năng phản xạ phổ của đất. Khả năng phản xạ phổ tăng khi hàm lượng ôxít sắt giảm xuống, nhất là ở vùng phổ nhìn thấy (có thể làm giảm tới 40% khả năng phản xạ phổ khi hàm lượng ôxít sắt tăng lên). Khi loại bỏ ôxít sắt ra khỏi đất thì khả năng phản xạ phổ của đất tăng lên rõ rệt ở dải sóng từ 0,5 – 1,4m. Các vùng phản xạ và bức xạ phổ có thể sử dụng ghi nhận thông tin về đất, còn hình ảnh ở hai vùng này là dấu hiệu để giải đoán các đặc tính của đất.

2.1.5. Các yếu tố chính ảnh hƣởng đến khả năng phản xạ phổ của các đối tƣợng tự nhiên trên ảnh viễn thám

a) Ảnh hƣởng của yếu tố thời gian – không gian

Thực vật phủ mặt đất và một số đối tượng khác thường thay đổi theo thời gian. Do vậy, khả năng phản xạ phổ cũng thay đổi theo thời gian. Ví dụ: cây rụng lá vào mùa Đông và xanh tốt vào mùa Xuân, mùa Hè; hoặc lúa có màu biểu hiện bề mặt khác nhau theo thời vụ. Vì vậy, khi đoán đọc điều vẽ ảnh cần biết rõ thời vụ, thời điểm ghi nhận ảnh và đặc điểm của đối tượng cần đoán đọc điều vẽ ảnh trên bản đồ.

Yếu tố không gian được chia làm hai loại: Yếu tố không gian cục bộ và yếu tố không gian địa lý. Yếu tố cục bộ thể hiện khi chụp ảnh cùng một loại đối tượng. Ví dụ như cây trồng theo hàng, luống và cũng cây đó nhưng trồng theo mảng lớn thì khả năng phản xạ phổ của hai loại cây trồng này sẽ đem lại khả năng phản xạ phổ khác nhau. Yếu tố địa lý thể hiện khi cùng loại thực vật nhưng điều kiện sinh trưởng khác nhau theo vùng địa lý thì khả năng phản xạ phổ khác nhau.

Yếu tố thời gian cũng được thể hiện, khi góc mặt trời hạ thấp ta sẽ có hình ảnh núi có bóng và cùng một đối tượng trên hai sườn núi, một bên được chiếu sáng và một bên khác không được chiếu sáng đã tạo nên khả năng phản xạ phổ khác nhau.

Để có thể khống chế được ảnh hưởng của yếu tố không gian và yếu tố thời gian đến khả năng phản xạ phổ ta cần thực hiện theo một số phương án sau:

- Ghi nhận thông tin vào thời điểm mà khả năng phản xạ phổ của một đối tượng này khác xa khả năng phản xạ phổ của một đối tượng khác.

24

- Ghi nhận thông tin vào những lúc mà khả năng phản xạ phổ của một đối tượng không khác biệt mấy.

- Ghi nhận thông tin thường xuyên, định kỳ qua một khoảng thời gian nhất định. - Ghi nhận thông tin trong điều kiện môi trường nhất định, ví dụ góc Mặt