Phần 2 Tổng quan tài liệu
2.3. Công nghệ viễn thám và hệ thống thông tin địa lý (GIS)
2.3.3. Các hệ thống vệ tinh viễn thám và dữ liệu ảnh vệ tinh
2.3.3.1. Các hệ thống vệ tinh viễn thám
a. Vệ tinh Landsat
Landsat là vệ tinh thí nghiệm của Mỹ do cơ quan hàng không vũ trụ NASA
(National Aeronautics and Space Administration) quản lý. Là hệ thống vệ tinh quỹ
đạo cận cực (góc mặt phẳng quỹ đạo so với mặt phẳng xích đạo là 98,20), lúc đầu có
tên là ERST (Earth Remote Sensing Satellite), sau 2 năm kể từ lúc phóng ERST - 1
đổi thành Landsat, sau đó là Landsat - TM và Landsat – ETM.
Vệ tinh Landsat đầu tiên được phóng vào quỹ đạo ngày 23/07/1972 và ngừng hoạt động vào ngày 06/01/1978 có tên là Landsat 1. Đến nay đã có 8 thế hệ vệ tinh Landsat.
Bảng 2.3. Các hệ thống vệ tinh Landsat
Vệ tinh Ngày phóng Ngày ngừng hoạt động Bộ cảm
Landsat 1 23/07/1972 06/01/1978 MSS - TM
Landsat 2 22/01/1975 25/02/1982 MSS - TM
Landsat 3 05/03/1978 31/03/1983 MSS - TM
Landsat 4 16/07/1982 15/06/2001 MSS - TM
Landsat 5 01/03/1984 08/1995 MSS - TM
Landsat 6 05/03/1993 Bị hỏng ngay khi phóng TM/ ETM
Landsat 7 15/04/1999 Đang hoạt động ETM +
(a) (b)
Hình 2.7. Hình ảnh vệ tinh Landsat 7 (a) và Landsat 8 (b)
Các loại bộ cảm:
Vệ tinh Độ cao bay chụp (km) Chu kỳ lặp lại (ngày)
Landsat 1, 2, 3 MSS 919 18 Landsat 4,5 705 18 Landsat 7 TM/ETM 705 16 ETM+ 900 16 Landsat 8 OLI 705 16 TIRS
- Bộ cảm MSS (Multi Spectral Scanner): Bộ cảm này được đặt trên các vệ
tinh Landsat 1, 2, 3 ở độ cao 919 km và Landsat 4, 5 ở độ cao 705 km, chu kỳ lặp là 18 ngày. Độ phân giải của Landsat MSS là 79 x 79 m gồm 4 kênh 1, 2, 3, 4, trong đó kênh 1, 2 nằm trong vùng nhìn thấy, kênh 3, 4 nằm trong vùng cận hồng ngoại.
- Bộ cảm TM/ETM (Thematic Mapper/ Enhanced Thematic Mapper): Từ
năm 1982 vệ tinh Landsat 4 được phóng và mang thêm bộ cảm chuyên dùng để thành lập bản đồ chuyên đề là bộ cảm TM. Tháng 4/1999 vệ tinh Landsat 7 phóng vào quỹ đạo với bộ cảm TM cải tiến là ETM. Landsat TM/ETM có độ phân giải không gian là 30x30 m cho 6 kênh 1, 2, 3, 4, 5, 7 và kênh 6 hồng ngoại nhiệt có độ phân giải không gian là 120x120 m, độ cao bay là 705km, độ phủ là 185x170 km, chu kỳ lặp là 16 ngày. Đây là bộ cảm quan trọng nhất trong việc nghiên cứu tài nguyên và môi trường.
- ETM + (Enhanced Thematic Mapper +): Landsat ETM + có độ phân giải
không gian là 15x15m đối với kênh 8, 30x30m với các kênh 1, 2, 3, 4, 5, 7 và 60x60m với kênh 6, độ cao bay chụp là 900 km, chu kỳ lặp lại là 16 ngày.
Bảng 2.4. Các thông số kỹ thuật của các loại bộ cảm
Loại bộ cảm Kênh phổ Bước sóng
(µm) Phổ điện từ Độ phân giải (m) TM/ETM (Landsat 6-7) Kênh 1 0,45 – 0,52 Chàm 30 Kênh 2 0,52 – 0,6 Lục đỏ 30 Kênh 3 0,63 – 0,69 Đỏ 30 Kênh 4 0,76 – 0,90 Cận hồng ngoại 30
Kênh 5 1,55 – 1,75 Hồng ngoại trung 30
Kênh 6 10,4 – 12,5 Hồng ngoại nhiệt 120
Kênh 7 2,08 – 2,35 Hồng ngoại trung 30
MSS (Landsat 1-5) Kênh 4 0,5 – 0,6 Lục 80 Kênh 5 0,6 – 0,7 Đỏ 80 Kênh 6 0,7 – 0,8 Cận hồng ngoại 80 Kênh 7 0,8 – 1,1 Cận hồng ngoại 80 TM (Landsat 1-5) Kênh 1 0,45 – 0,52 Chàm 30 Kênh 2 0,52 – 0,61 Lục đỏ 30 Kênh 3 0,63 – 0.69 Đỏ 30 Kênh 4 0,76 – 0,9 Cận hồng ngoại 30
Kênh 5 1,55 – 1,75 Hồng ngoại trung 30
Kênh 6 10,4 – 12,5 Hồng ngoại nhiệt 120
Kênh 7 2,08 – 2,35 Hồng ngoại trung 30
Kênh 8 0,52 – 0,9 Lục đến cận hồng ngoại 15 OLI – TIRS (Landsat 8) Kênh 1 0,433 – 0,453 Xác định đường bờ (Coastal aerosol) 30 Kênh 2 0,450 – 0,515 Chàm 30 Kênh 3 0,525 – 0,600 Lục 30 Kênh 4 0,630 – 0,680 Đỏ 30 Kênh 5 0,845 – 0,885 Cận hồng ngoại 30
Kênh 6 1,560 – 1,660 Hồng ngoại bước sóng
ngắn 1 30
Kênh 7 2,100 – 2,300 Hồng ngoại bước sóng
ngắn 2 30
Kênh 8 0,500 – 0,680 Toàn sắc 15
Kênh 9 1,360 – 1,390 Phát hiện mây ti (Cirrus) 30
Kênh 10 10,3 – 11,3 Hồng ngoại nhiệt 1 100
Hình 2.8. Ảnh vệ tinh Landsat 8 Đại vực Grand Canyon trông giống như một vết nứt nguy hiểm trên bề mặt của Trái đất.
- Bộ cảm OLI (Operational Land Imager – Bộ cảm thu nhận ảnh mặt đất) và
bộ cảm TIRS (Thermal Infrared Sensor - Bộ cảm biến hồng ngoại nhiệt): gồm 11
kênh, độ phân giải từ 15 – 100m, chu kỳ lặp lại 16 ngày.
Mặc dù có 8 thế hệ vệ tinh Landsat đã bay vào quỹ đạo nhưng hiện tại chỉ
còn 2 vệ tinh đang hoạt động đó là Landsat 7 và LDCM (Landsat Data Continuity
Mission) hay còn gọi là Landsat 8.
So với Landsat 7, Landsat 8 có cùng độ rộng dải chụp, cùng độ phân giải ảnh và chu kỳ lặp lại (16 ngày). Tuy nhiên, ngoài các dải phổ tương tự Landsat 7, bộ cảm OLI thu nhận thêm dữ liệu ở 2 dải phổ mới nhằm phục vụ quan sát mây ti và quan sát chất lượng nước ở các hồ và đại dương nước nông ven biển cũng như sol khí. Bộ cảm TIRS thu nhận dữ liệu ở 2 dải phổ hồng ngoại nhiệt, phục vụ theo dõi tiêu thụ nước, đặc biệt ở những vùng khô cằn thuộc miền tây nước Mỹ. Điều đặc biệt là tần số quét của Landsat 8 sẽ tăng lên, nhiều hơn 150 cảnh so với Landsat 7.
Ảnh Landsat được ứng dụng trong nghiên cứu của nhiều lĩnh vực từ nghiên cứu hiện trạng đến giám sát biến động và được sử dụng phổ biến nhất, với giá thành thấp.
b. Vệ tinh SPOT
SPOT là hệ thống vệ tinh thương mại của Pháp, hiện nay đã có 7 thế hệ vệ tinh bao gồm vệ tinh SPOT 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7. Vệ tinh SPOT 6 phóng lên quỹ đạo ngày 09/09/2012, vệ tinh SPOT 7 phóng lên quỹ đạo ngày 30/06/2014 đây là hai vệ tinh sinh đôi đầu tiên trong gia đình vệ tinh SPOT với độ phân giải không gian đã được nâng lên 1,5m so với 2,5m của SPOT 5, là thế hệ mới của loạt vệ tinh quang học SPOT với nhiều cải tiến về kỹ thuật và khả năng thu nhận ảnh cũng như đơn giản hoá việc truy cập thông tin.
(a) (b)
Hình 2.9. Ảnh vệ tinh SPOT 6 - 2012 khu vực Baro – Pháp (a) và SPOT 7 – 2014 khu vực Sydney – Úc (b)
c. Vệ tinh QuickBird
Ảnh QuickBird là ảnh vệ tinh có độ phân giải không gian cao nhất hiện nay cho ra các kênh toàn sắc có độ phân giải là 0.61m và độ phân giải của các kênh đa phổ là 2,44m, trường phủ mặt đất của ảnh là 16,5x16,5km. QuickBird cho ảnh độ phân giải 0,7m ghép kênh toàn sắc tổ hợp với kênh hồng ngoại. Với độ phân giả cao ảnh QuickBird được sử dụng trong nhiều lĩnh vực cần độ chính xác lớn như quy hoạch sử dụng đất, xác định chính xác các đối tượng, thành lập bản đồ giao thông...
Hình 2.10. Rừng trên những dãy núi Luzon của Philippines thu được từ vệ tinh Quickbird cho thấy một số vụ lở đất dọc theo con đường Bontoc - Banaue
Hiện nay ảnh QuickBird được sử dụng phổ biến vào các lĩnh vực dân sự, an ninh, quản lý môi trường. QuickBird được phóng lên ngày 18/10/2001, có độ cao bay 450m, trọng lượng vệ tinh là 950kg. Dự kiến nhiên liệu đủ bay trong 7 năm.
d. Vệ tinh VNREDSAT-1
VNREDSat-1 (Vietnam Natural Resources, Environment and Disaster-
monitoring Satellite-1) là vệ tinh quang học quan sát Trái Đất đầu tiên của Việt
Nam, do Công ty EADS Astrium (Pháp) thiết kế, chế tạo.
Vệ tinh viễn thám VNREDSat-1 được dự kiến được phóng vào lúc 09 giờ 06 phút ngày 3/5/2013 (theo giờ Hà Nội) từ bãi phóng Kourou, Guyana thuộc Pháp. Tuy nhiên, việc phóng bị hoãn do thời tiết xấu. Sau đó vệ tinh được phóng thành công vào vũ trụ ngày 7/5/2013 bằng tên lửa đẩy VEGA.
Hệ thống VNREDSat-1 là hệ thống viễn thám bao gồm vệ tinh quan sát trái đất VNREDSat-1, trung tâm điều khiển vệ tinh, trạm thu phát tín hiệu vệ tinh băng tần S, trạm lưu trữ dữ liệu dự phòng và trạm thu ảnh vệ tinh.
VNREDSat-1 có nhiệm vụ chính là chụp ảnh bề mặt Trái đất, cung cấp một số lượng lớn ảnh quang học có phân giải cao một cách chủ động và kịp thời cho việc giám sát tài nguyên thiên nhiên, môi trường, thiên tai, biến đổi khí hậu phục vụ phát triển kinh tế xã hội và đảm bảo an ninh quốc phòng.
Bảng 2.5. Đặc điểm ảnh vệ tinh VNREDSat-1
Kênh Bước sóng (µm) Độ phân giải (m)
Kênh toàn sắc 0,45 – 0,75 2,5
Kênh 1: Chàm 0,45 – 0,52 10
Kênh 2: Xanh lục 0,53 – 0,60 10
Kênh 3: Đỏ 0,62 – 0,69 10
Hình 2.11. Hình ảnh vệ tinh VNREDSat-1
Hình 2.12. Ảnh khu vực Cầu Thanh Trì (Hà Nội)
2.3.3.2. Xu hướng các quốc gia phát triển hệ thống vệ tinh riêng
a. Vệ tinh riêng của các nước trên thế giới
Ngày 4 tháng 10 năm 1957, Liên Bang Xô Viết phóng thành công Sputnik 1, vệ tinh nhân tạo đầu tiên của loài người vào quỹ đạo Trái Đất. Hiện nay có khoảng 1100 vệ tinh nhân tạo còn hoạt động trên quỹ đạo Trái Đất. Tuy nhiên, bạn có thể rất bất ngờ khi biết rằng có tới hơn 2600 vệ tinh đã hỏng nhưng vẫn lơ lửng đâu đó trên quỹ đạo. Có những chiếc được phóng lên từ năm 1958 và nó vẫn còn ở đó. Có rất nhiều loại vệ tinh và kích thước của chúng cũng rất đa dạng. Có những vệ tinh to bằng một chiếc xe bus, nặng 6 tấn. Phần lớn các vệ tinh đều đạt trọng lượng khoảng một vài tấn. Trong khi đó có những chiếc chỉ bé như một hộp vuông cạnh 10 cm và nặng chưa đầy 1 kg.
Theo Trung tâm Viễn thám Quốc gia (2002). Ứng dụng công nghệ viễn thám để quản lý dải ven biển. Các vệ tinh có thể là của các chính phủ hoặc các công ty tư nhân. Có hơn 70 quốc gia sở hữu vệ tinh riêng hoặc các vệ tinh dùng chung giữa các quốc gia. Mỹ là nước dẫn đầu số lượng vệ tinh với hơn 500 chiếc. Nga xếp thứ 2 và vị trí thứ 3 thuộc về Trung Quốc. Cả Bắc Triều Tiên và Iraq đã tuyên bố những vụ phóng vệ tinh lên quỹ đạo nhưng điều này còn chưa được xác định. Na Uy đã phóng các vệ tinh trong nước và quốc tế từ trung tâm vũ trụ của họ ở Andoya. Tới năm 2006, chỉ có tám quốc gia đã phóng các vệ tinh lên quỹ đạo một cách độc lập với phương tiện phóng của chính họ chế tạo – theo thứ tự thời gian: Liên bang Xô viết, Hoa Kỳ, Pháp, Nhật Bản, Trung Quốc, Anh, Ấn Độ và Israel. Khả năng phóng vệ tinh của Anh và Pháp hiện được quy cho Liên minh châu Âu và khả năng của Liên bang Xô viết được chuyển cho Nga, làm giảm số lượng những thực thể chính trị với khả năng phóng vệ tinh thực tế xuống còn bảy cường quốc vũ trụ chính: Hoa Kỳ, Nga, Trung Quốc, Ấn Độ, Liên minh châu Âu, Nhật Bản – và một cường quốc vũ trụ "nhỏ": Israel. Nhiều quốc gia khác như Nam Triều Tiên, Pakistan và Brasil đang ở giai đoạn đầu chương trình phát triển khả năng phóng vệ tinh ở mức độ nhỏ của họ và đang tìm cách trở thành các tiểu cường quốc vũ trụ - các nước khác có thể có khả năng về khoa học và công nghệ, nhưng không có khả năng kinh tế hay không có tham vọng về chính trị.
Ngày 25/4/2015 vừa qua, Cơ quan vũ trụ Châu Âu (ESA) đã phóng thành công vệ tinh viễn thám radar Sentinel-1 thứ hai mang tên Sentinel-1B để cung cấp thêm “tầm nhìn radar” cho chương trình môi trường Copecnicus của châu Âu. Vệ tinh Sentinel-1B sẽ kết hợp với vệ tinh Sentinel-1A thành một cặp vệ tinh radar có tần suất và năng lực chụp ảnh rất cao.
Sentinel-1B được phóng bằng tên lửa Soyuz từ trạm không gian của châu Âu tại Kourou, Guiana thuộc Pháp, lúc 21:02 GMT, tách ra khỏi tên lửa đẩy tầng trên Fregat 23 phút 35 giây sau đó, kết hợp với người anh em song sinh là vệ tinh viễn thám Sentinel-1A trong quỹ đạo để cung cấp thông tin cho nhiều dịch vụ, từ giám sát băng ở biển Bắc Cực đến theo dõi trồi lún mặt đất và ứng phó với thiên tai như lũ lụt.
b. Vệ tinh của Việt Nam
Tháng 4 năm 2008 Việt Nam đã thuê Pháp phóng thành công vệ tinh VINASAT-1 (mua của Mỹ) lên quỹ đạo địa tĩnh, với việc phóng được vệ tinh nhân tạo Việt Nam đã tiết kiệm 10 triệu USD mỗi năm. Việt Nam là nước thứ 93 phóng
vệ tinh nhân tạo và là nước thứ sáu tại Đông Nam Á. Theo các nguồn thông tin nước ngoài, tổng trị giá của dự án VINASAT-1 là 250 triệu USD, trong đó bao gồm chi phí mua vệ tinh và phí phóng vệ tinh, xây dựng trạm mặt đất, bảo hiểm... Dự tính vệ tinh hoạt động được từ 15 đến 20 năm và được khoảng 20 công ty phụ trách.
Năm 2007, sau khi được thành lập, Viện Công nghệ Vũ trụ Việt Nam đã tiến hành dự án chế tạo vệ tinh nhỏ pico (10x10x10cm, 1 kg).
Năm 2008, công ty FPT thành lập Phòng nghiên cứu không gian FSpace với mục tiêu thiết kế chế tạo vệ tinh nhỏ vệ tinh nano F-1 (10x10x20cm, 2 kg).
Ngày 16-5-2012, 5g13p, tên lửa Arian 5 mang theo vệ tinh Vinasat-2 rời bãi phóng Kouru của Guyana, Nam Mỹ. Sau 36 phút bay, lúc 5g49p, vệ tinh Vinasat-2 rời khỏi tên lửa Arian 5, vào quỹ đạo an toàn. Vinasat-2 với nhiệm vụ và thiết kế tương tự như Vinasat-1.
2.3.3.3. Dữ liệu ảnh vệ tinh
a. Các nguồn ảnh vệ tinh
Ảnh vệ tinh được xem là nguồn dữ liệu tốt nhất, đặc biệt khi ta cần tính toán ở tầm phủ lớn. Quá trình quan sát, quan trắc cần được tiến hành thường xuyên, mở rộng ở quy mô lớn để xây dựng dữ liệu nền tảng cùng xu hướng biến đổi của chúng. Tuy nhiên, hầu hết vệ tinh quan sát trái đất hiện nay bị giới hạn bởi độ phủ cũng như khả năng tương thích của chúng. Nguyên nhân chủ yếu do chúng được quản lý bởi nhiều chương trình không gian riêng biệt. Nhiều trường hợp, người dùng phải trả một khoản tiền tương đối lớn để có dữ liệu sử dụng.
May mắn thay, thực trạng thách thức này đã thay đổi. Năm 2008, cơ quan khảo sát địa lý Mỹ (US Geological Survey) đã cho phép người dùng tải ảnh Landsat miễn phí. Nguồn dữ liệu này bắt đầu từ năm 1979 và được đánh giá là một trong những nguồn lưu trữ lớn nhất thế giới. Những bản đồ này là nguồn thông tin quý giá, giúp đánh giá biến động sử dụng đât, xu thế thay đổi ở quy mô toàn cầu. Giấc mơ quan trắc sử dụng đất theo thời gian thực đã thành sự thật.
Tuy vậy, vẫn còn đó nhiều rào cản. Dữ liệu Landsat tuy lớn nhưng chưa được liên tục cả về không gian và thời gian. Ngoài ra, không phải nơi nào cũng có đủ tiềm lực để trang bị những trang thiết bị đủ tầm cỡ giúp phân tích dữ liệu từ ảnh vệ tinh. Quan trọng hơn, các nhà hoạch định chính sách chưa nhận thức đủ về tầm quan trọng cũng như tính cần thiết của việc ứng dụng các công nghệ mới trong quản lý tài nguyên.
Nhà khoa học và các nhà hoạch định chính sách có thể cùng bắt tay để mở rộng khả năng tiếp cận với nguồn dữ liệu ảnh vệ tinh, nhằm đáp ứng được nhu cầu ngày càng lớn của các chương trình hợp tác quốc tế về biến đổi khí hậu cùng giảm thiểu khí phát thải. Thêm vào đó, các chính phủ nên “mở kho” dữ liệu vệ tinh đồng thời xây dựng chương trình dữ liệu vệ tinh miễn phí trong tương lai.
Một ví dụ tiêu biểu trong trường hợp này là chương trình quan trắc Trái Đất với vệ tinh Landsat của USGS. Chính phủ Mỹ đã phóng thế hệ Landsat đầu tiên vào năm 1972. 10 năm sau, thế hệ thứ 4 của Landsat được nâng cấp với độ phân giải