Vệ tinh COSMOS

Ảnh của Liờn Xụ cú hai loại:

a. ảnh cú độ phõn giải cao + Độ cao bay chụp 270km + Tiờu cự mỏy chụp ảnh f = 1000mm + Kớch thước ảnh 30 x 30cm + Độ phõn giải mặt đất 6 -7m + Độ phủ dọc > 60% b. Ảnh cú độ phõn giải trung bỡnh + Độ cao bay chụp 250km + Tiờu cự mỏy chụp ảnh f = 200mm + Kớch thước ảnh 18 x18cm + Độ phõn giải mặt đất: 30m + Chụp ở 3 kờnh phổ: 510 - 600m; 600 - 700m; 700 - 850m + Độ phủ dọc > 60%

Tư liệu ảnh vệ tinh Cosmos, Landsat, Spot được sử dụng rộng rói trờn thế giới và ở Việt Nam.

Hiện nay một thế hệ vật mang mới đang được nghiờn cứu và phỏt triển cho mục đớch tạo được vật mang cú thời gian tồn tại lõu trong vệ tinh, mang được nhiều bộ cảm và sử dụng đa mục đớch, đú là vật mang quĩ đạo cực POP (Polar orbit Platform). POP được cấu tạo từ cỏc mụ đun chớnh như trạm vệ tinh chớnh, tàu con thoi và phương tiện giao lưu giữa cỏc trạm vệ tinh. POP được thiết kế theo nguyờn lý cỏc mụ đun cú thể thay thế được, như vậy POP cú kớch thước lớn nhưng thời gian tồn tại trong vệ tinh được tăng lờn rất nhiều.

1.7. TƯ LIỆU SỬ DỤNG TRONG VIỄN THÁM

Kết quả của việc thu nhận ảnh từ vệ tinh hay mỏy bay ta sẽ cú những tấm ảnh ở dạng tương tự hay dạng số, lưu trữ trờn phim ảnh hoặc trờn băng từ.

1.7.1. Ảnh tương tự

Ảnh tương tự là ảnh chụp trờn cơ sở của lớp cảm quang halogen bạc, ảnh tương tự thu được từ cỏc bộ cảm tương tự dựng phim chứ khụng sử dụng cỏc hệ thống quang điện tử. Những tư liệu này cú độ phõn giải khụng gian cao nhưng kộm về độ phõn giải phổ. Núi chung

loại ảnh này thường cú độ mộo hỡnh lớn do ảnh hưởng của độ cong bề mặt trỏi đất. Vệ tinh Cosmos của Nga thường sử dụng loại bộ cảm này.

1.7.2. Ảnh số

Ảnh số là dạng tư liệu ảnh khụng lưu trờn giấy ảnh hoặc phim. Nú được chia thành nhiều phõn tử nhỏ thường được gọi là pixel. Mỗi pixel tương ứng với một đơn vị khụng gian. Quỏ trỡnh chia mỗi ảnh tương tự thành cỏc pixel được gọi là chia mẫu (Sampling) và quỏ trỡnh chia cỏc độ xỏm liờn tục thành một số nguyờn hữu hạn gọi là lượng tử húa. Cỏc pixel thường cú dạng hỡnh vuụng. Mỗi pixel được xỏc định bằng tọa độ hàng và cột. Hệ tọa độ ảnh thường cú điểm 0 ở gúc trờn bờn trỏi và tăng dần từ trỏi sang phải đối với chỉ số cột và từ trờn xuống đối với chỉ số hàng. Trong trường hợp chia mẫu một ảnh tương tự thành một ảnh số thỡ độ lớn của pixel hay tần số chia mẫu phải được chọn tối ưu. Độ lớn của pixel quỏ lớn thỡ chất lượng ảnh sẽ tồi, cũn trong trường hợp ngược lại thỡ dung lượng thụng tin lại quỏ lớn. Hỡnh 1.15 chỉ ra sơ đồ nguyờn lý chia mẫu và lượng tử húa.

Ảnh số được đặc trưng bởi một số thụng số cơ bản về hỡnh học bức xạ bao gồm:

- Trường nhỡn khụng đổi là gúc khụng gian tương ứng với một đơn vị chia mẫu trờn mặt đất. Lượng thụng tin ghi được trong trường hỡnh khụng đổi tương ứng với giỏ trị pixel.

- Gúc nhỡn tối đa mà bộ cảm cú thể thu được súng điện từ gọi là trường nhỡn. Khoảng khụng gian trờn mặt đất do trường nhỡn tạo nờn chớnh là bề rộng tuyến bay.

- Vựng bộ nhất trờn mặt đất mà bộ cảm nhận được gọi là độ phõn giải mặt đất. Đụi khi hỡnh chiếu của một pixel lờn mặt đất được gọi là độ phõn giải. Bởi vỡ ảnh số được ghi lại theo những dải phổ khỏc nhau nờn người ta gọi là tư liệu đa phổ (hỡnh 1.16).

Năng lượng súng điện từ sau khi tới bộ dũ được chuyển thành tớn hiệu điện và sau khi lượng tử húa trở thành ảnh số. Trong toàn bộ dải súng tương tự thu được chỉ cú phần biến đổi tuyến tớnh được lượng tử húa. Hai phần biờn của tớn hiệu khụng được xột đến vỡ chỳng chứa nhiều nhiễu và khụng giữ được quan hệ tuyến tớnh giữa thụng tin và tớn hiệu. Xỏc định ngưỡng nhiễu là một việc hết sức cẩn thận. Chất lượng của tư liệu được đỏnh giỏ qua tỷ số tớn hiệu/nhiễu. Tỷ số tớn hiệu/nhiễu được định nghĩa thụng qua biểu thức sau:

S = 20*lg (S/N)[dB]. Nratio

Thụng tin được ghi theo đơn vị bit. Trong xử lý số, đơn vị xử lý thường là byte. Do vậy đối với tư liệu cú số bit nhỏ hơn hoặc bằng 8 thỡ được lưu ở dạng 1 byte (vỡ 1 byte bằng 8 bit) và

tư liệu số cú số bit lớn hơn 8 được lưu ở dạng 2 byte hay trong 1 từ. Trong 1 byte cú thể lưu được 256 cấp độ xỏm, cũn trong 1 từ cú thể lưu được 65536 cấp độ xỏm.

Ngoài cỏc thụng tin ảnh, trong mỗi lần lưu trữ người ta phải lưu thờm nhiều thụng tin bổ trợ khỏc như : số hiệu của ảnh, ngày, thỏng, năm, cỏc chỉ tiờu chất lượng.

f_d V f f: Độ tương tự fd: Độ lượng tử hoỏ V: Đơn vị cường độ n: Số nguyờn (n-0,5)V f < (n+0,5)V fd =n

Sai số lượng tử hoỏ: f-f_d (Phần búng) b. Khỏi niệm lượng tử hoỏ Ra

c. Lượng tử húa trong trường hợp tớn hiệu cú chứa nhiễu

Hỡnh 1.15. Sơ đồ nguyờn lý chia mẫu và lượng tử húa

Hỡnh 1.16. Sơ đồ mụ tả mối tương quan giữa cỏc khỏi niệm

1.7.3. Số liệu mặt đất.

Số liệu mặt đất là tập hợp cỏc quan sỏt mụ tả, đo đạc về cỏc điều kiện thực tế trờn mặt đất của cỏc vật thể cần nghiờn cứu nhằm xỏc định mối tương quan giữa tớn hiệu thu được và bản thõn cỏc đối tượng. Núi chung cỏc số liệu mặt đất cần phải được thu thập đồng thời trong cựng một thời điểm với số liệu vệ tinh hoặc trong một khoảng thời gian sao cho cỏc sự thay đổi của cỏc đối tượng nghiờn cứu trong thời gian đú khụng ảnh hưởng tới việc xỏc định mối quan hệ cần tỡm.

Số liệu mặt đất được sử dụng cho cỏc mục đớch sau: - Thiết kế cỏc bộ cảm

- Kiểm định cỏc thụng số kỹ thuật của bộ cảm.

- Thu thập cỏc thụng tin bổ trợ cho quỏ trỡnh phõn tớch và hiệu chỉnh số liệu. Khi khảo sỏt thực địa ta cần thu thập cỏc số liệu :

a. Cỏc thụng tin tổng quan và thụng tin chi tiết về đối tượng nghiờn cứu như chủng loại, trạng thỏi, tớnh chất phản xạ và hấp thụ phổ, hỡnh dỏng bề mặt, nhiệt độ...

b. Cỏc thụng tin về mụi trường xung quanh, gúc chiếu và độ cao mặt trời, cường độ chiếu sỏng, trạng thỏi khớ quyển, nhiệt độ, độ ẩm khụng khớ, hướng và tốc độ giú.

Do việc thu thập số liệu mặt đất là cụng việc tốn kộm thời gian và kinh phớ cho nờn người ta thường thành lập cỏc khu vực thử nghiệm trong đú cú đầy đủ cỏc đối tượng cần theo dừi và đo đạc.

1.7.4. Số liệu định vị mặt đất

Để cú thể đạt được độ chớnh xỏc trong quỏ trỡnh hiệu chỉnh hỡnh học cần phải cú cỏc điểm định vị trờn mặt đất cú tọa độ địa lý đó biết. Những điểm này thường được bố trớ tại những nơi mà vị trớ của nú cú thể thấy được dễ dàng trờn ảnh và bản đồ.

Hiện nay người ta sử dụng hệ thống định vị toàn cầu GPS vào mục đớch này.

1.7.5. Bản đồ và số liệu địa hỡnh

Để phục vụ cho cỏc cụng tỏc nghiờn cứu của viễn thỏm cần phải cú những tài liệu địa hỡnh và chuyờn đề sau :

- Bản đồ địa hỡnh tỷ lệ 1/25.000 hoặc 1/50.000.

Trờn bản đồ địa hỡnh cú thể lấy được toạ độ cỏc kiểm tra phục vụ việc hiệu chỉnh hỡnh học hoặc cỏc thụng số độ cao nhằm khụi phục lại mụ hỡnh thực địa.

- Bản đồ chuyờn đề

Cỏc bản đồ chuyờn đề sử dụng đất, rừng, địa chất... tỷ lệ khoảng 1/5.000 đến 1/25.000 rất cần cho việc nghiờn cứu chuyờn đề,chọn vựng mẫu và phõn loại. Nếu cỏc bản đồ này được số húa và lưu trong mỏy tớnh thỡ cú thể được sử dụng để xõy dựng cơ sở dữ liệu hệ thụng tin địa lý.

- Bản đồ kinh tế xó hội

Cỏc ranh giới hành chớnh, hệ thống giao thụng, cỏc chỉ số thống kờ cụng nụng nghiệp cũng là cỏc thụng tin quan trọng cú thể được khai thỏc trong viễn thỏm.

- Mụ hỡnh số địa hỡnh

Bờn cạnh cỏc dạng bản đồ truyền thống, trong viễn thỏm cũn sử dụng một dạng số liệu khỏc đú là mụ hỡnh số địa hỡnh hay mụ hỡnh số độ cao được tạo ra từ đường bỡnh độ, lưới số liệu độ cao phõn bố đều, lưới số liệu độ cao phõn bố ngẫu nhiờn hay cỏc hàm mụ tả

1.8. TRUYỀN VÀ THU SỐ LIỆU VỆ TINH

Khỏc với phương phỏp chụp ảnh hàng khụng, ảnh viễn thỏm được truyền từ vệ tinh về cỏc trạm thu trờn mặt đất thụng qua việc sử dụng anten phỏt súng điện từ cú tần số rất cao, từ vài GHz đến vài chục GHz để làm súng tải (do dữ liệu cần truyền rất lớn) chuyển ảnh và cỏc thụng tin bổ trợ về cỏc trạm thu (vỡ vệ tinh luụn luụn chuyển động trờn quỹ đạo đến khi kết thỳc nhiệm vụ, nú khụng hạ xuống mặt đất để chuyển ảnh như mỏy bay). Dữ liệu truyền từ vệ tinh khụng chỉ ảnh viễn tham đơn thuần mà cũn chứa nhiều thụng tin bổ trợ khỏc (nhiệt độ, thụng số kỹ thuật của vệ tinh). Tất cả cỏc dữ liệu được truyền dưới dạng số PCM (Pulse Code Modulation- điều biến mó xung) nờn cú ưu thế hơn hẳn cỏc phương phỏp truyền khỏc vỡ nú cho phộp loại bỏ cỏc nhiễu mà năng lượng tiờu thụ cho việc phỏt súng cũng rất nhỏ. Thụng thường dữ liệu truyền từ vệ tinh viễn thỏm cú thể nhận trực tiếp từ cỏc trạm thu trờn mặt đất. Tuy nhiờn, việc thiết lập hệ thống truyền và thu thụng tin như vậy cú nhược điểm là chỉ thực hiện được khi trạm thu và vệ tinh viễn thỏm nằm trong tầm nhỡn của nhau.

Tựy theo loại vệ tinh, người ta sử dụng một trong ba phương phỏp cơ bản để truyền tớn hiệu của năng lượng súng điện từ sau khi tới được bộ cảm được chuyển thành tớn hiệu số và được anten của vệ tinh tuyền về trạm thu trờn mặt đất. Ảnh vệ tinh, sau khi xử lý tại trạm thu sẽ cung cấp cho người sử dụng ở nhiều cấp độ khỏc nhau.

- Dữ liệu ảnh viễn thỏm được truyền trực tiếp nếu trạm thu mặt đất nằm trong tầm nhỡn của vệ tinh (A)

- Trong trường hợp ngược lại, dữ liệu sẽ được vệ tinh lưu trữ và sẽ phỏt về trạm thu trờn mặt đất

vào thời điểm mà tầm nhỡn giữa vệ tinh và trạm thu được đảm bảo (B). Phương phỏp truyền dữ liệu viễn thỏm cơ bản này được gọi là MDR (Mission Data Recorder- truyền dữ liệu ghi lại). MDR cho phộp thu nhận thụng tin tại những vựng mà trạm thu tại mạt đất khụng bao phủ và sau đú cú thể truyền lại thụng tin này khi vệ tinh bay qua trạm thu. Vệ tinh NOAA, SPOT đều cú trang bị hệ thống MDR.

- Dữ liệu được chuyển trực tiếp qua hệ thống vệ tinh TDRS (Tracking and Data Relay Satellite- hệ thống vệ tinh dẫn đường và tiếp súng dữ liệu) để truyền về mặt đất. Vệ tinh (C) do NASA phúng dựng để truyền dữ liệu của vệ tinh Landsat bao gồm một số vệ tinh viễn thụng vận hành trờn quỹ đạo địa tĩnh, phương phỏp này cho phộp chuyển dữ liệu viễn thỏm từ vệ tinh này sang vệ tinh khỏc cho đến khi thực hiện được việc truyền dữ liệu đến trạm thu trờn mặt đất thớch hợp (Hỡnh 1.17)

Hỡnh1.18. Quy trỡnh xử lý ảnh vệ tinh

Dữ liệu thu nhận được từ trạm thu trờn mặt đất là dữ liệu số cần phải loại bỏ cỏc nhiễu, hiệu chỉnh khớ quyển, biến dạng hỡnh học và chuyển đổi về khuụn dạng chuẩn của ảnh viễn thỏm. Hỡnh 1.18 thể hiện quy trỡnh xử lý ảnh vệ tinh trước khi cung cấp cho người giải đoỏn.

Sau đú ảnh vệ tinh được ghi vào băng từ hoặc đĩa CD cựng với cỏc tham số bổ trợ của ảnh vệ tinh. Vớ dụ, ảnh Landsat khi cấp cho người dựng người ta cũn cấp cả cỏc tham số bổ trợ sau:

Satellite: SPOT- 5 Obs. Date: 1997/09/24 Path-row: 112-28 Processing level: BK Resampling methoth: CC Center latitude: N45.982 Number of pixels: 6920 Sensor : TM Orbital direction: D Cloud coverage: 01 Map projection: UTM Logical format: CEOS-BSQ Center longitude: E135.733

Chương 2

Lí THUYẾT PHẢN XẠ PHỔ CỦA ĐỐI TƯỢNG TỰ NHIấN

Nội dung chớnh của chương trỡnh bày lý thuyết về năng lượng bức xạ mặt trời, những đặc tớnh phản xạ phổ của cỏc đối tượng tự nhiờn và những yếu tố ảnh hưởng đến khả năng phản xạ phổ của cỏc đối tượng tự nhiờn.

Mục đớch là giỳp sinh viờn nắm được đặc tớnh phản xạ phổ của từng đối tượng tự nhiờn và sự ảnh hưởng của cỏc yếu tố khụng gian, thời gian và khớ quyển đến khả năng phản xạ phổ của cỏc đối tượng. Từ đú cú thể ỏp dụng vào thực tiễn trong việc lựa chọn cỏc kờnh phổ thớch hợp khi nghiờn cứu cỏc đối tượng cụ thể.

2.1. NĂNG LƯỢNG BỨC XẠ MẶT TRỜI

Ta biết rằng mọi đối tượng tự nhiờn đều phản xạ năng lượng mặt trời chiếu lờn chỳng một cỏch xỏc định, đặc trưng cho trạng thỏi và bản chất cỏc đối tượng đú.

Phương phỏp thụ động ghi nhận ảnh là thu nhận ỏnh sỏng phản xạ từ đối tượng do mặt trời chiếu xuống. Hiện nay đa số cỏc hệ thống thu nhận ảnh vũ trụ (trừ hệ thống rađa) hoạt động theo phương phỏp thụ động. Vỡ vậy khi nghiờn cứu nguồn sỏng trong hệ thống viễn thỏm ta chủ yếu xột đến mặt trời.

Cỏc nghiờn cứu về vật lý cho thấy: mật độ phổ của năng lượng ỏnh sỏng mặt trời là một hằng

số của bước súng. Trờn đồ thị hỡnh 2.1 cho thấy đường đặc trưng phổ của vật đen tuyệt đối ở 60000

K.

M(W/m2)

.. Đường bức xạ phổ của vật đen tuyệt đối.

--- Đường bức xạ phổ của mặt trời ở 60000K 2500

•

Đường bức xạ phổ của mặt trời quan sỏt ở mặt đất 2000

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

2.2. ĐẶC ĐIỂM PHỔ CỦA CÁC ĐỐI TƯỢNG TỰ NHIấN

Đặc tớnh phản xạ phổ của cỏc đối tượng tự nhiờn là hàm của nhiều yếu tố. Cỏc đặc tớnh này phụ thuộc vào điều kiện chiếu sỏng, mụi trường khớ quyển và bề mặt đối tượng cũng như bản thõn cỏc đối tượng.

Súng điện từ chiếu tới mặt đất, năng lượng của nú sẽ tỏc động lờn bề mặt trỏi đất và sẽ xẩy ra cỏc hiện tượng sau:

- Phản xạ năng lượng. - Hấp thụ năng lượng.

- Thấu quang năng lượng.

Năng lượng bức xạ sẽ chuyển đổi thành ba dạng khỏc nhau như trờn. Giả sử coi năng lượng ban đầu bức xạ là EO thỡ khi chiếu xuống cỏc đối tượng nú sẽ chuyển thành năng lượng phản xạ E, hấp thụ E và thấu quang ET. Cú thể mụ tả quỏ trỡnh trờn theo cụng thức:

Eo=E+E+ET (a) Trong quỏ trỡnh này ta phải lưu ý hai điểm:

Thứ nhất là: khi bề mặt đối tượng tiếp nhận năng lượng chiếu tới, tựy thuộc vào cấu trỳc

cỏc thành phần, cấu tạo vật chất hoặc điều kiện chiếu sỏng mà cỏc thành phần E, E, E sẽ cú những giỏ trị khỏc nhau đối với cỏc đối tượng khỏc nhau. Do vậy ta sẽ nhận được cỏc tấm ảnh của cỏc đối tượng khỏc nhau do thu nhận năng lượng phản xạ khỏc nhau. Phụ thuộc vào cấu trỳc bề mặt đối tượng, năng lượng phản xạ phổ cú thể phản xạ toàn phần, phản xạ một phần, khụng phản xạ về một hướng hay phản xạ một phần cú định hướng (hỡnh 2.2)

a - Phản xạ toàn phần b - Phản xạ một phần c - Tỏn xạ toàn phần (Khụng phản xạ về một hướng) d - Tỏn xạ một phần (Phản xạ một phần cú định hướng) Hỡnh 2.2. Một số phản xạ

Cỏc dạng phản xạ từ cỏc bề mặt như trờn cần được lưu ý khi đoỏn đọc điều vẽ cỏc ảnh vũ