Thông tin trên ảnh viễn thám

Thông tin trên ảnh viễn thám có đƣợc về các đối tƣợng nhờ vào quá trình “chụp ảnh” từ vệ tinh mà thực chất là quá trình thu nhận năng lƣợng sóng điện từ phản xạ hoặc phát xạ từ vật thể. Thông tin có đƣợc về đối tƣợng trong quá trình này chính là nhờ sự khác biệt của phản ứng với sóng điện từ của các đối tƣợng khác nhau (phản xạ, hấp thụ hay phân tách sóng điện từ).

Năng lƣợng sóng phản xạ từ đối tƣợng bao gồm hai phần: - Năng lƣợng phản xạ trực tiếp từ bề mặt đối tƣợng. - Năng lƣợng tán xạ bởi cấu trúc bề mặt đối tƣợng.

Năng lƣợng phản xạ trực tiếp không phụ thuộc vào bản chất của đối tƣợng mà chỉ phụ thuộc vào đặc tính bề mặt: độ gồ ghề, hƣớng,... của đối tƣợng.

Năng lƣợng tán xạ là kết quả của một quá trình tƣơng tác giữa bức xạ với bề dày của đối tƣợng mà bức xạ đó có khả năng xuyên tới. Năng lƣợng này phụ thuộc vào cấu

Vệ tinh MẶT TRỜI KHÍ QUYỂN Rừn g Nƣớ c Cỏ Mặt đƣờng Công trình xây dựng, nhà cửa Bức xạ mặt trời Phản xạ Mặt Trời

trúc, bản chất và trạng thái của đối tƣợng. Đây là nguồn năng lƣợng mang thông tin giúp ta có thể nhận biết đƣợc các đối tƣợng và trạng thái của chúng.

Tất cả các vật thể đều phản xạ, hấp thụ, phân tách và bức xạ sóng điện từ bằng các cách thức khác nhau và các đặc trƣng này thƣờng đƣợc gọi là đặc trƣng phổ. Phổ phản xạ là thông tin quan trọng nhất mà viễn thám thu đƣợc về các đối tƣợng. Đối với mỗi vật trong tự nhiên có đặc tính phản xạ phổ điện từ khác nhau trên các bƣớc sóng khác nhau. Dựa vào đặc điểm phổ phản xạ có thể phân tích, so sánh và nhận diện các đối tƣợng trên bề mặt. Các đối tƣợng chủ yếu trên mặt đất bao gồm: lớp phủ thực vật, nƣớc, đất hay cát, đá công trình xây dựng. Mỗi loại này có phản xạ khác nhau với sóng điện từ tại các bƣớc sóng khác nhau (hình 2.5).

Hình 2.5. Phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên chính

Đây là hình biểu diễn đƣờng cong phản xạ phổ của các loại lớp phủ mặt đất (thực vật, đất và nƣớc), chúng có tính chất khái quát việc phản xạ phổ của ba loại lớp phủ chủ yếu. Trên thực tế, các loại thực vật, đất và nƣớc khác nhau sẽ có các đƣờng cong phản xạ phổ khác nhau. Sự khác nhau này chủ yếu đƣợc thể hiện ở độ lớn của phần trăm phản xạ, song hình dạng tƣơng đối của đƣờng cong ít khi có sự thay đổi.

● Thực vật: phản xạ phổ cao ở bƣớc sóng màu lục (0.5-0.6μm) (tƣơng ứng với dải sóng màu lục-Green) trong vùng nhìn thấy và có màu xanh lục. Khi diệp lục tố giảm đi, thực vật chuyển sang khả năng phản xạ ánh sáng màu đỏ trội hơn, dẫn đến lá cây có màu vàng (do tổ hợp màu Green và Red) hoặc màu đỏ hẳn. Các đặc trƣng phản xạ phổ của

thực vật nổi bật nhất ở vùng hồng ngoại gần (0,7-1.4μm), là vùng bƣớc sóng mà thực vật có phản xạ cao nhất. Mức độ phản xạ của thực vật phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố khác nhau, có thể kể đến là lƣợng chlorophyll (diệp lục), độ dày tán lá và cấu trúc tán lá (hình 2.6).

Hình 2.6. Đồ thị phản xạ phổ của một số loại thực vật

● Nước: có phản xạ chủ yếu nằm trong vùng nhìn thấy (0.4-0.7μm) và phản xạ mạnh ở dải sóng lam (0.4-0.5μm) và lục (0.5-0.6μm). Giá trị phản xạ của một đối tƣợng nƣớc phụ thuộc chủ yếu vào độ đục của nó. Nƣớc trong có giá trị phản xạ rất khác nƣớc đục, nƣớc càng đục có độ phản xạ càng cao (hình 2.7).

● Ðất: có phần trăm phản xạ tăng dần theo chiều tăng của chiều dài bƣớc sóng. Phần trăm phản xạ của đất chủ yếu phụ thuộc vào độ ẩm và màu của đất. Đất khô, đƣờng cong phổ phản xạ của đất khô tƣơng đối đơn giản, ít có những cực đại và cực tiểu một cách rõ ràng, lý do chính là các yếu tố ảnh hƣởng đến tính chất phổ của đất khá phức tạp và không rõ ràng nhƣ ở thực vật. Tuy nhiên quy luật chung là giá trị phổ phản xạ của đất tăng dần về phía sóng có bƣớc sóng dài. Các cực trị hấp thụ phổ do hơi nƣớc cũng diễn ra ở vùng 1.4; 1.9 và 2.7μm (hình 2.8).

Hình 2.8. Phản xạ phổ của một số loại đất

Hình 2.9. Đặc tính phản xạ phổ của các đối tượng trong đô thị (Nguồn: “Root và Mille 1971”)

Cùng với các đặc trƣng phản xạ phổ của các đối tƣợng tự nhiên cơ bản, Root và Mille vào năm 1971 nghiên cứu và đƣa ra các đặc trƣng phản xạ phổ của một số đối

tƣợng chính trong đô thị nhƣ bê tông, ván lợp, nhựa đƣờng và đất trống. Các đặc trƣng này là thông tin quan trọng giúp quá trình giải đoán các đối tƣợng đô thị (hình 2.9).

Phổ phản xạ là thông tin quan trọng nhất mà viễn thám thu đƣợc về các đối tƣợng. Dựa vào đặc điểm phổ phản xạ (cƣờng độ, dạng đƣờng cong ở các dải sóng khác nhau) có thể phân tích, so sánh và nhận diện các đối tƣợng trên bề mặt. Thông tin về phổ là thông tin đầu tiên, là tiền đề cho các phƣơng pháp phân tích ảnh trong viễn thám.

Các đối tƣợng khác nhau trong cùng một nhóm đối tƣợng sẽ có dạng đƣờng cong phổ phản xạ chung, tƣơng đối giống nhau, song chúng khác nhau về các chi tiết nhỏ trên đƣờng cong hoặc khác nhau về độ lớn giá trị cƣờng độ phản xạ. Khi tính chất của đối tƣợng thay đổi thì đƣờng cong phổ phản xạ cũng bị biến đổi theo. Một loại sai biệt nữa là sự sai biệt có tính chất cục bộ khi cấu trúc của đối tƣợng khác nhau trong không gian (ví dụ lúa đƣợc cấy và lúa đƣợc sạ), hoặc cấu trúc đó khác nhau theo hƣớng của nguồn sáng (ví dụ các dãy cây trồng hƣớng Bắc Nam sẽ có ảnh khác với cũng các dãy đó đƣợc trồng hƣớng Đông – Tây).

Các thông số quan trọng nhất đặc trƣng cho khả năng thông tin cung cấp của một ảnh vệ tinh là độ phân giải của nó. Có ba loại độ phân giải: độ phân giải không gian, độ phân giải phổ và độ phân giải thời gian.

● Độ phân giải không gian.

Độ phân giải không gian của một ảnh vệ tinh (hình 2.10), do đặc tính của đầu thu, phụ thuộc vào hai thông số FOV (Field of view-trƣờng/góc nhìn) và IFOV (instantaneous field of view - trƣờng/góc nhìn tức thì) đƣợc thiết kế sẵn. Thông số FOV cho ta thấy đƣợc phạm vi không gian mà đầu thu có thể thu nhận đƣợc sóng điện từ từ đối tƣợng. Rõ ràng là với góc nhìn càng lớn (FOV càng lớn) thì ảnh thu đƣợc càng rộng, và với cùng một góc nhìn, vệ tinh nào có độ cao lớn hơn sẽ có khoảng thu ảnh lớn hơn. Còn với IFOV của đầu thu đặc trƣng cho phạm vi không gian. Tổng hợp giá trị bức xạ của các đối tƣợng trong một góc IFOV đƣợc thu nhận cùng một lúc và mang một giá trị, đƣợc ghi nhận nhƣ một điểm ảnh. Trong ảnh số, một điểm ảnh đƣợc gọi là một pixel và giá trị kích thƣớc pixel đặc trƣng cho khả năng phân giải không gian của ảnh. Góc IFOV càng nhỏ thì khả năng phân biệt các đối tƣợng trong không gian càng lớn, nghĩa là giá trị pixel càng nhỏ và phạm vi “chụp” ảnh càng hẹp.

Hình 2.10. Độ phân giải không gian

Ý nghĩa quan trọng nhất của độ phân giải không gian là cho ta biết các đối tƣợng nhỏ nhất mà có thể phân biệt đƣợc trên ảnh.

● Độ phân giải phổ.

Không phải toàn bộ dải sóng điện từ đƣợc sử dụng trong việc thu nhận ảnh viễn thám. Tuỳ thuộc vào mục đích thu thập thông tin, mỗi loại đầu thu đƣợc thiết kế để có thể thu nhận sóng điện từ trong một số khoảng bƣớc sóng nhất định. Độ rộng hẹp của khoảng bƣớc sóng này là độ phân giải phổ của ảnh. Theo hình 2.3 thì khoảng bƣớc sóng càng hẹp thì tính chất phản xạ phổ của đối tƣợng càng đồng nhất. Các khoảng bƣớc sóng này đƣợc gọi là các kênh ảnh, (band).

Bức xạ phổ (bao gồm cả phản xạ, tán xạ và bức xạ riêng) của một đối tƣợng thay đổi theo bƣớc sóng điện từ. Nhƣ vậy, ảnh chụp đối tƣợng trên các kênh khác nhau sẽ khác nhau và điều này có nghĩa là ảnh đƣợc thu trên càng nhiều kênh thì càng có nhiều thông tin về đối tƣợng đƣợc thu thập. Số lƣợng kênh ảnh đƣợc gọi là độ phân giải phổ. Độ phân giải phổ càng cao (càng nhiều kênh ảnh) thì thông tin thu thập từ đối tƣợng càng nhiều và giá thành càng lớn. Thông thƣờng, các vệ tinh đa phổ thƣờng có số kênh ảnh từ khoảng 3 đến 10 kênh. Hiện nay, trong viễn thám đa phổ, các loại vệ tinh viễn thám có khả năng thu đƣợc rất nhiều kênh ảnh (trên 30 kênh) gọi là các vệ tinh siêu phổ (hyperspectral satellite) đang đƣợc phát triển.

Vệ tinh viễn thám chuyển động trên quĩ đạo và chụp ảnh khu vực theo một chu kì. Khoảng thời gian lặp giữa các lần chụp đƣợc gọi là độ phân giải thời gian của vệ tinh, khoảng thời gian này càng nhỏ thì thông tin thu thập (hay ảnh chụp) càng nhiều.

Tóm lại, thông tin trên ảnh viễn thám quang học là phản xạ phổ của các đối tƣợng trên mặt đất, bao gồm lớp phủ thực vật, nƣớc và đất trống đƣợc ghi nhận thành từng pixel ảnh có độ phân giải không gian xác định, trên nhiều kênh phổ xác định và vào một thời gian xác định.