Cũng như trờn, khả năng phản xạ phổ của nước thay đổi theo bước súng của bức xạ chiếu tới và thành phần vật chất cú trong nước. Khả năng phản xạ phổởđõy cũn phụ thuộc vào bề mặt nước và trạng thỏi của nước. Trờn kờnh hồng ngoại và cận hồng ngoại đường bờ nước được phỏt hiện rất dễ dàng, cũn một sốđặc tớnh của nước cần phải sử dụng dải súng nhỡn thấy để nhận biết. 0,4 0,5 0,6 0,7 10 20 30 50 40 • • • • • • • • Phản xạ Hấp thụ λ(μ) r(%) Hỡnh 2.9. Khả năng phản xạ và hấp thụ của nước.
Trong điều kiện tự nhiờn, mặt nước hoặc một lớp mỏng nước sẽ hấp thụ rất mạnh năng lượng ở dải cận hồng ngoại và hồng ngoại (hỡnh 2.9) do vậy, năng lượng phản xạ rất ớt. Vỡ khả năng phản xạ phổ của nước ở dải súng dài khỏ nhỏ nờn việc sử dụng cỏc kờnh súng dài để chụp cho ta khả năng đoỏn đọc điều vẽ thủy văn, ao hồ... Ở dải súng nhỡn thấy khả năng phản xạ phổ của nước tương đối phức tạp. Viết phương trỡnh cõn bằng năng lượng và nghiờn cứu khả năng phản xạ phổ của nước ở dải súng nhỡn thấy:
E(λ) = Eρ(λ) + EH(λ) + ET(λ) E(λ) = Eρ(λ) + Eα(λ) + E
Như hỡnh 2.10 nước cất bị hấp thụ ớt năng lượng ở dải súng nhỏ hơn 0,6μ và thấu quang nhiều năng lượng ở dải súng ngắn. Nước biển, nước ngọt và nước cất cú chung đặc tớnh thấu quang, tuy nhiờn độ thấu quang của nước đục giảm rừ rệt và bước súng càng dài cú độ thấu quang càng lớn. 0,4 0,5 0,6 0,7 2 1 1- Nước sụng 2- Nước đại dương 3- Nước gần bờ 4- Nước ở vịnh λ(μ) 0,25 0,5 1 50 2,5 r(%) 0,1 5 10 25 3 4
Hỡnh 2.10. Khả năng phản xạ phổ của một số loại nước.
Khả năng thấu quang cao và hấp thụ ớt ở dải súng nhỡn thấy chứng tỏ rằng đối với lớp nước mỏng (ao, hồ nụng) và trong thỡ hỡnh ảnh viễn thỏm ghi nhận được ở dải súng nhỡn thấy là nhờ năng lượng phản xạ của chất đỏy: cỏt, đỏ...
Tuy nhiờn trong điều kiện tự nhiờn khụng phải lỳc nào cũng lý tưởng như nước cất. Thụng thường trong nước chứa nhiều tạp chất hữu cơ và vụ cơ vỡ vậy khả năng phản xạ phổ của nước phụ thuộc vào thành phần và trạng thỏi của nước. Cỏc nghiờn cứu cho thấy nước đục cú khả năng phản xạ phổ cao hơn nước trong, nhất là những dải súng dàị Người ta xỏc định rằng với độ sõu tối thiểu là 30m, nồng độ tạp chất gõy đục là 10mg/ lớt, thỡ khả năng phản xạ phổ lỳc đú là hàm số của thành phần nước chứ khụng cũn là ảnh hưởng của chất đỏỵ
Độ thấu quang của nước phụ thuộc vào bước súng như sau:
Bảng 2-1. Mối quan hệ giữa bước súng và độ thấu quang của nước
Bước súng Độ thấu quang
0,5 ữ 0,6 μ Đến 10m
0,6 ữ 0,7 μ 3m
0,7 ữ 0,8 μ 1m
0,8 ữ 1,1 μ Nhỏ hơn 10cm
Người ta đó chứng minh rằng khả năng phản xạ phổ của nước phụ thuộc rất nhiều vào độ đục của nước, ở dải súng 0,6 ữ 0,7 μ người ta phỏt hiện rằng giữa độđục của nước và khả năng phản xạ phổ cú một mối liờn hệ tuyến tớnh.
Hàm lượng clorophin trong nước cũng là một yếu tốảnh hưởng tới khả năng phản xạ phổ của nước. Nú làm giảm khả năng phản xạ phổ của nước ở bước súng ngắn và tăng khả năng phản xạ phổ của nước ở bước súng cú mầu xanh lỏ cõỵ
Ngoài ra cũn một số yếu tố khỏc cú ảnh hưởng lớn tới khả năng phản xạ phổ của nước, nhưng cũng cú nhiều đặc tớnh quan trọng khỏc của nước khụng thể hiện được rừ qua sự khỏc biệt của phổ nhưđộ mặn của nước biển, hàm lượng khớ mờtan, ụxi, nitơ, cacbonic… trong nước.
2.3. MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN PHẢN XẠ PHỔ CỦA CÁC ĐỐI TƯỢNG TỰ NHIấN
Đểđoỏn đọc điều vẽ cỏc đối tượng tự nhiờn cú hiệu quả ta phải xỏc định ảnh hưởng của cỏc yếu tố khụng gian - thời gian, khớ quyển đến khả năng phản xạ phổ của cỏc đối tượng tự nhiờn trờn mặt đất.
2.3.1. Ảnh hưởng của cỏc yếu tố khụng gian-thời gian
1. Yếu tố khụng gian.
Người ta chia thành hai loại: yếu tố khụng gian cục bộ và yếu tố khụng gian địa lý. Yếu tố cục bộ thể hiện khi chụp ảnh cựng một loại đối tượng, vớ dụ cõy trồng theo hàng, luống và cũng cõy đú nhưng trồng theo mảng lớn thỡ khả năng phản xạ phổ của hai loại trồng này sẽđem lại khả năng phản xạ phổ khỏc nhaụ
Yếu tốđịa lý thể hiện khi cựng loại thực vật nhưng điều kiện sinh trưởng khỏc nhau theo vựng địa lý thỡ khả năng phản xạ phổ khỏc nhaụ Yếu tố thời gian cũng cú thể thể hiện. Khi gúc mặt trời hạ thấp ta sẽ cú hỡnh ảnh nỳi cú búng và cựng một đối tượng trờn hai sườn nỳi, một bờn được chiếu sỏng và một bờn khụng được chiếu sỏng đó tạo nờn khả năng phản xạ phổ khỏc nhaụ..
Để cú thể khống chếđược ảnh hưởng của yếu tố khụng gian, thời gian đến khả năng phản xạ phổ ta cần thực hiện theo một số phương ỏn sau:
- Ghi nhận thụng tin vào thời điểm mà khả năng phản xạ phổ của một đối tượng này khỏc xa khả năng phản xạ phổ của một đối tượng khỏc.
- Ghi nhận thụng tin vào những lỳc mà khả năng phản xạ phổ của một đối tượng khụng khỏc biệt mấỵ
- Ghi nhận thụng tin thường xuyờn, định kỳ qua một khoảng thời gian nhất định.
- Ghi nhận thụng tin trong điều kiện mụi trường nhất định, vớ dụ gúc mặt trời tối thiểu, mõy ớt hơn 10%, qua một số ngày nhất định...
2. Yếu tố thời gian.
Thực phủ mặt đất và một sốđối tượng khỏc thường hay thay đổi theo thời gian. Do vậy khả năng phản xạ phổ cũng thay đổi theo thời gian. Vớ dụ cõy rụng lỏ vào mựa đụng và xanh tốt vào mựa xuõn, mựa hố, hoặc lỳa cú màu biểu hiện bề mặt khỏc nhau theo thời vụ. Vỡ vậy khi đoỏn đọc điều vẽảnh cần biết rừ thời vụ, thời điểm ghi nhận ảnh và đặc điểm của đối tượng cần đoỏn đọc điều vẽ.
2.3.2. Ảnh hưởng của khớ quyển
Khi xem xột hệ thống ghi nhận cỏc số liệu về thụng tin viễn thỏm ta thấy rằng năng lượng bức xạ từ mặt trời chiếu xuống cỏc đối tượng trờn mặt đất phải qua tầng khớ quyển, sau đú phản xạ từ bề mặt trỏi đất năng lượng lại được truyền qua khớ quyển tới mỏy ghi thụng tin trờn vệ tinh. Do vậy khớ quyển ảnh hưởng rất lớn tới khả năng phản xạ phổ của cỏc đối tượng tự nhiờn. Bề dày khớ quyển (khoảng 2.000km) ảnh hưởng tới những tia sỏng từ mặt trời chiếu xuống, cũn đối với cỏc vệ tinh viễn thỏm thỡ bề dày của khớ quyển ảnh hưởng tới số liệu thụng qua tham sốđộ cao bay của vệ tinh.
Khớ quyển cú thểảnh hưởng tới số liệu vệ tinh viễn thỏm bằng hai con đường tỏn xạ và hấp thụ năng lượng. Sự biến đổi năng lượng bức xạ mặt trời trong khớ quyển là tỏn xạ và hấp thụ súng điện từ bởi cỏc thành phần khớ quyển và cỏc hạt ion khớ. Vỡ quỏ trỡnh này mà sự phõn bố phổ, phõn bố gúc và phõn bố khụng gian do việc phỏt xạ của cỏc đối tượng đang nghiờn cứu yếu đị
Sau đõy chỳng ta xem xột ảnh hưởng của khớ quyển ở cả hai con đường tỏn xạ và hấp thụ. Hiện tượng tỏn xạ chỉ làm đổi hướng tia chiếu mà khụng làm mất năng lượng. Tỏn xạ (hay phản xạ) cú được là do cỏc thành phần khụng khớ hoặc cỏc ion cú trong khớ quyển phản xạ tia chiếu tới, hoặc do lớp khớ quyển dày đặc cú mật độ khụng khớ ở cỏc lớp khụng đồng nhất nờn khi tia chiếu truyền qua cỏc lớp này sẽ gõy ra hiện tượng khỳc xạ.
Hiện tượng hấp thụ diễn ra khi tia sỏng khụng được tỏn xạ mà năng lượng được truyền qua cỏc nguyờn tử khụng khớ trong khớ quyển và nung núng lớp khớ quyển. Hiện tượng tỏn xạ tuyệt đối xảy ra khi khụng cú sự hấp thụ năng lượng. Trong hệ thống viễn thỏm khi năng lượng tia sỏng bị tỏn xạ về cỏc hướng, nếu trường thu của ống kớnh mỏy ghi thụng tin thật rộng thỡ sẽ thu được toàn bộ năng lượng tỏn xạ, ngược lại nếu trường thu nhỏ quỏ thỡ sẽ thu được một phần năng lượng.
Cỏc nguyờn nhõn chớnh gõy ra hiện tượng tỏn xạ và hấp thụ năng lượng ỏnh sỏng mặt trời là: - Do sự hấp thụ, khỳc xạ năng lượng mặt trời của cỏc phần tử trong khớ quyển.
- Do sự hấp thụ cú chọn lọc bước súng của hơi nước, ozon và cỏc hợp chất khụng khớ trong khớ quyển.
- Do sự phản xạ (tỏn xạ năng lượng chiếu tới, do sự khụng đồng nhất của khớ quyển và cỏc hạt nhỏ trong khớ quyển).
Nếu gọi Eo là năng lượng bức xạ toàn phần chiếu tới, Eα là năng lượng bị hấp thụ, Eρ là năng lượng tỏn xạ, E là năng lượng cũn lại lọt qua được ảnh hưởng của tầng khớ quyển thỡ ta cú thể xỏc định được hệ số hấp thụ hệ số phản xạ ρ và độ trong suốt T của độ dày lớp khớ quyển theo cụng thức : o α E E α= ; o ρ E E ρ= ; o ET E T= α + ρ + T = 1 Đối với vật thể trong suốt : T = 0 ; α + ρ = 1 Đối với vật thể ớt hấp thụ: ρ + T = 1
Hiện tượng tỏn xạ, bức xạ trong khớ quyển cũn phụ thuộc kớch thước hạt gõy tỏn xạ. Khi năng lượng từ nguồn chiếu qua khớ quyển vào những vựng mà kớch thước hạt nhỏ và gần bằng bước súng thỡ hiện tượng tỏn xạ cũn phụ thuộc bước súng.
Nếu những vựng kớch thước hạt lớn hơn bước súng rất nhiều như hạt mưa thỡ ỏnh sỏng tỏn xạ bao gồm:
- Phản xạ trờn bề mặt hạt nước.
- Xuyờn qua hạt nước hoặc phản xạ nhiều lần trong hạt nước. - Khỳc xạ qua hạt nước.
Trong trường hợp này hiện tượng phản xạ phổ khụng phụ thuộc vào bước súng của bức xạ mà phụ thuộc vào thành phần khụng khớ, nờn sương mự dày đặc ta sẽ làm cho năng lượng bị tỏn xạ hết cho nờn ảnh cú màu trắng (năng lượng khụng lới được mỏy thu thụng tin). Do đú trờn ảnh tổ hợp màu mõy luụn cú màu trắng.
Khớ quyển tỏc động đến bức xạ mặt trời qua 3 con đường phản xạ, hấp thụ và cho năng lượng truyền quạ Đối với viễn thỏm phần năng lượng truyền qua là rất quan trọng.
Sau đõy ta xột đồ thị đặc trưng cho sự tỏc động của khớ quyển đến bức xạ năng lượng (hỡnh 2.11).
25 50 75 100 0,3• μ 1,0• μ 10• μ 100• μ 1mm• 1m• Hỡnh 2.11. Cửa sổ khớ quyển Hỡnh 2.11. Cửa sổ khớ quyển
Trờn đồ thị trục hoành biểu thịđộ dài bước súng λ, một trục biểu thị hệ số phản xạ năng lượng nguồn theo phần trăm (%).
Trờn đồ thị trục hoành biểu thịđộ dài bước súng λ, một trục biểu thị hệ số phản xạ năng lượng nguồn theo phần trăm (%).
rλ = ρ = rλ = ρ = o E Eρ x 100% Ở vựng ỏnh sỏng nhỡn thấy năng lượng phản xạ phổ lớn nhất cỡ gần 60% năng lượng chiếu tới được phản xạ. Đồ thị cho thấy rằng ở mỗi dải súng khỏc nhau năng lượng bức xạ cú mức độ phản xạ và hấp thụ khỏc nhau: một số bước súng bị hấp thụ ớt, một số vựng khỏc năng lượng bị hấp thụ nhiềụ Đõy là "cửa sổ khớ quyển".
Hệ thống chụp ảnh vũ trụ thụ động sẽ sử dụng hữu hiệu "cửa sổ khớ quyển", cũn cỏc hệ thống chụp ảnh vũ trụ chủ động sẽ sử dụng cỏc cửa sổở vựng súng 1mm ữ 1m. Cửa sổ của khớ quyển bức xạ mặt trời gồm (bảng 2-2).
Cỏc cửa sổ này tớnh cho lớp khớ quyển nằm ngang dày như một lớp cú hai mặt song song. Khi tia chiếu xiờn, hoặc ống kớnh gúc rộng đặc tớnh của cỏc cửa sổ khớ quyển cũng sẽ thay đổị
Cỏc kờnh súng của hệ thống viễn thỏm là cỏc dải súng phự hợp, cú nghĩa là chọn cỏc kờnh sao cho cú thể thu được cỏc súng ở những cửa sổ núi trờn.
• • • • Ngu l r(%) ồn năng Vựng nhỡn thấy Hồng ngoại nhiệt Chụp ảnh Quột đa phổ Radio và súng ngắn • • • • • • 0,3μ 1,0μ 10μ 100μ 1mm 1m 48
Bảng 2-2 Số cửa sổ Bước súng (μ) 1 0,3 ữ 1,3 2 1,5 ữ 1,8 3 2,0 ữ 2,6 4 3,0 ữ 3,6 5 4,2 ữ 5,0 6 7,0 ữ 15,0 Hệ thống viễn thỏm đa phổ thường sử dụng cỏc cửa sồ 1, 2, 3 và 6 vỡ ở đú ảnh hưởng phản xạ và bức xạ rất rừ ràng. 49
Chương 3
GIẢI ĐOÁN ẢNH VIỄN THÁM
Nội dung chớnh của chương trỡnh bày những vấn đề về xử lý ảnh và giải đoỏn ảnh. Bao gồm cỏc khỏi niệm về giải đoỏn ảnh, cỏc bước xử lý ảnh, phương phỏp giải đoỏn ảnh bằng mắt và phương phỏp giải đoỏn ảnh bằng xử lý số.
Mục đớch của chương giỳp sinh viờn nắm được khỏi niệm về giải đoỏn ảnh, phương phỏp giải đoỏn ảnh bằng mắt và phương phỏp giải đoỏn ảnh theo phương phỏp số để từđú cú thể ỏp dụng hai phương phỏp giải đoỏn ảnh này trong từng trường hợp cụ thể phục vụ cho cỏc mục đớch của ngành.
3.1. KHÁI NIỆM
Giải đoỏn ảnh viễn thỏm là quỏ trỡnh tỏch thụng tin định tớnh cũng nhưđịnh lượng từảnh dựa trờn cỏc tri thức chuyờn ngành hoặc kinh nghiệm của người đoỏn đọc điều vẽ. Việc tỏch thụng tin trong viễn thỏm cú thể phõn thành 5 loại:
- Phõn loại đa phổ. - Phỏt hiện biến động.
- Chiết tỏch cỏc thụng tin tự nhiờn. - Xỏc định cỏc chỉ số.
- Xỏc định cỏc đối tượng đặc biệt.
Phõn loại đa phổ là quỏ trỡnh tỏch gộp thụng tin dựa trờn cỏc tớnh chất phổ, khụng gian và thời gian của đối tượng. Phỏt hiện biến động là phỏt hiện và phõn tớch cỏc biến động dựa trờn tư liệu ảnh đa thời gian. Chiết tỏch cỏc thụng tin tự nhiờn tương ứng với việc đo nhiệt độ trạng thỏi khớ quyển, độ cao của vật thể dựa trờn cỏc đặc trưng phổ hoặc thị sai của cặp ảnh lập thể. Xỏc định cỏc chỉ số là việc tớnh toỏn cỏc chỉ số mới, vớ dụ chỉ số thực vật.
Xỏc định cỏc đặc tớnh hoặc hiện tượng đặc biệt như thiờn tai, cỏc cấu trỳc tuyến tớnh, cỏc biểu hiện tỡm kiếm khảo cổ.
Quỏ trỡnh tỏch thụng tin từảnh cú thểđược thực hiện bằng mỏt người hay mỏy tớnh. Việc giải đoỏn bằng mắt cú ưu điểm là cú thể khai thỏc được cỏc tri thức chuyờn mụn và kinh nghiệm của con người, mặt khỏc việc giải đoỏn bằng mắt cú thể phõn tớch được cỏc thụng tin phõn bố khụng gian. Tuy nhiờn phương phỏp này cú nhược điểm là tốn kộm thời gian và kết quả thu được khụng đồng nhất.
Việc xử lý bằng mỏy tớnh cú ưu điểm là năng suất cao, thời gian xử lý ngắn, cú thểđo được cỏc chỉ sốđặc trưng tự nhiờn nhưng nú cú yếu điểm là khú kết hợp với tri thức và kinh nghiệm của con người, kết quả phõn tớch cỏc thụng tin kộm. Để khắc phục nhược điểm này, những năm gần đõy người ta đang nghiờn cứu cỏc hệ chuyờn gia, đú là cỏc hệ chương trỡnh mỏy tớnh cú khả năng mụ phỏng tri thức chuyờn mụn của con người phục vụ cho việc đoỏn đọc điều vẽ tựđộng.
Giải đoỏn ảnh viễn thỏm bao gồm cỏc giai đoạn sau :