2.2.1. Tổng quan về công nghệ viễn thám
Viễn thám (Remote sensing) là kỹ thuật quan sát và ghi nhận đối tượng mà trên thực tế không cần phải tiếp xúc trực tiếp với đối tượng. Dữ liệu viễn thám là loại dữ liệu có thể thu được về một diện rộng hàng trăm ngàn km2 trong một khoảng thời gian ngắn bằng các thiết bị ghi nhận các bức xạ hay phản xạ các vùng phổ khác nhau của đối tượng tạo ra các thông tin mà kết quả là hình ảnh chính đối tượng đó. Các tư liệu viễn thám có ưu việt là nhanh, kịp thời, tầm bao quát rộng. Cốt lõi của của tư liệu viễn thám chính là giá trị phổ phản xạ của các đối tượng trên bề mặt trái đất ở từng khoảng bước sóng (Nguyễn Khắc Thời, 2011).
Về phương diện kỹ thuật, viễn thám được định nghĩa: “Viễn thám là khoa học công nghệ mà nhờ nó các tính chất của vật thể quan sát được xác định, đo đạc hoặc phân tích mà không cần tiếp xúc trực tiếp với chúng”.
Thuật ngữ viễn thám được sử dụng đầu tiên tại Mỹ vào những năm 1960 bao hàm cả các lĩnh vực như đo ảnh, giải đoán ảnh, địa chất ảnh. Nguồn tư liệu chủ yếu trong viễn thám là sóng điện từ được phản xạ hoặc bức xạ từ vật thể, ngoài ra còn sử dụng các dạng năng lượng khác như từ trường, trọng trường. Thiết bị dùng để cảm nhận sóng điện từ được gọi là bộ viễn cảm (remote sensing) thường được gọi tắt là bộ cảm. Các buồng chụp ảnh hoặc máy quét là các ví dụ về bộ cảm. Phương tiện dùng để mang các bộ cảm gọi là vật mang (platfom). Máy bay hoặc vệ tinh là các ví dụ về vật mang.
Theo bước sóng sử dụng, viễn thám được phân ra làm 3 loại cơ bản: Viễn thám trong dải sóng nhìn thấy và hồng ngoại.
Viễn thám hồng ngoại nhiệt. Viễn thám siêu cao tần.
Nguồn năng lượng chính sử dụng trong nhóm thứ nhất là bức xạ mặt trời. Mặt trời cung cấp một bức xạ có bước sóng ưu thế 500µm. Tư liệu viễn thám thu được trong dải sóng nhìn thấy phụ thuộc chủ yếu vào sự phản xạ từ bề mặt vật thể và bề mặt trái đất. Vì vậy, các thông tin về vật thể có thể được xác định từ các phổ phản xạ. Tuy nhiên, radar sử dụng tia laser là trường hợp ngoại lệ không sử dụng năng lượng mặt trời.
Nguồn năng lượng sử dụng trong nhóm thứ hai là bức xạ nhiệt do chính vật thể sản sinh ra. Mỗi vật thể trong nhiệt độ bình thường đều phát ra một bức xạ có đỉnh tại bước sóng 10.000µm.
Trong viễn thám siêu cao tần người ta thường sử dụng hai loại kỹ thuật chủ động và bị động. Trong viễn thám siêu cao tần bị động thì bức xạ siêu cao tần do chính vật thể phát ra được ghi lại, còn trong viễn thám siêu cao tần chủ động lại thu những bức xạ tán xạ hoặc phản xạ từ vật thể.
Viễn thám rất có lợi trong việc nghiên cứu các nguồn tài nguyên thiên nhiên Trái đất, đặc biệt là có lợi trong việc ứng dụng trên các lĩnh vực làm bản đồ sử dụng đất, bản đồ đất và bản đồ hiện trạng rừng… (Nguyễn Khắc Thời, 2011).
2.2.2. Nguyên lý thu nhận thông tin của viễn thám
2.2.2.1. Cơ sở vật lý của viễn thám
Các tính chất của vật thể được xác định qua các năng lượng phản xạ hoặc bức xạ từ vật thể.
Năng lượng sóng điện từ được xác định:
E=h.cl
Trong đó: E : Năng lượng điện từ h : Hằng số Plank
c : Vận tốc ánh sáng, c ≈ 3,108m/s l : Bước sóng.
Bức xạ điện từ truyền năng lượng điện từ trên cơ sở các dao động của trường điện từ trong không gian hoặc trong lòng các vật chất, quá trình lan truyền tuân theo định luật Maxwell. Bức xạ điện từ có tính chất sóng và hạt.
2.2.2.2. Hệ thống ghi nhận thông tin viễn thám
Hệ thống ghi nhận thông tin viễn thám bao gồm:
- Nguồn năng lượng: Thường là năng lượng mặt trời với các hệ viễn thám bị động và máy quét sóng với hệ viễn thám chủ động. Nguồn năng lượng mặt trời phát tới đối tượng nghiên cứu được xác định bằng thành phần phổ và phân bố năng lượng ở dải phổ đó.
- Môi trường truyền năng lượng: Ở đây môi trường truyền năng lượng là khí quyển. Năng lượng truyền qua khí quyển bị khí quyển hấp thụ năng lượng, tán xạ năng lượng và phân bố lại năng lượng trong dải phổ chiếu tới đối tượng.
- Đối tượng tự nhiên: (Bề mặt trái đất) Năng lượng phát ra từ nguồn đi qua tầng khí quyển chiếu tới vật sẽ xảy ra hiện tượng:
+ Phản xạ một phần năng lượng chiếu tới (hiện tượng tán xạ phổ). + Hấp thụ một phần năng lượng chiếu tới.
+ Bức xạ: Sau khi hấp thụ năng lượng trong một dải phổ nào đó ánh sáng chiếu tới tùy theo tính chất và cấu tạo vật chất của vật mà sau một thời gian tích tụ năng lượng hoặc ngay lập tức vật phát ra năng lượng ở một dải phổ nào khác vào khí quyển gọi là hiện tượng bức xạ phổ.
- Máy ghi nhận thông tin: Có thể là máy chụp ảnh, máy quét ảnh hoặc máy thu vô tuyến… Năng lượng chiếu tới vật sau khi phản xạ trở lại khí quyển nên nó sẽ thay đổi thành phần phổ. Năng lượng này chiếu vào ống kính máy thu sẽ được đo đạc và biến thành tín hiệu điện ghi trên băng từ hoặc được chụp lên phim ảnh.
2.2.3. Những bộ cảm chính trong viễn thám
Có rất nhiều vệ tinh với các bộ cảm khác nhau thực hiện công việc thu thập số liệu về Trái đất. Trong đó, các bộ cảm có độ phân giải cao và thông dụng ở Việt Nam như: Landsat TM, Spot HRV, MOSS – 1 MESSR.
2.2.3.1. Bộ cảm Landsat
Vào năm 1967, tổ chức hàng không và vệ tinh quốc gia (NASA) đã tiến hành chương trình nghiên cứu thăm dò tài nguyên trái đất ERTS (ERTS - Earth
tinh Landsat 1 được phóng vào ngày 23/6/1972. Cho đến nay, NASA đã phóng được vệ tinh trong hệ thống Landsat.
Bảng 2.3. Các thế hệ vệ tinh Landsat
Vệ tinh Ngày phóng Ngày ngừng hoạt động Bộ cảm
Landsat 1 23/6/1972 6/1/1978 MSS
Landsat 2 22/1/1975 25/2/1982 MSS
Landsat 3 5/3/1978 31/3/1983 MSS
Landsat 4 16/7/1982 15/6/2001 TM, MSS
Landsat 5 1/3/1984 Đang hoạt động TM, MSS
Landsat 6 5/3/1993 Bị hỏng ngay khi phóng ETM
Landsat 7 15/4/1999 Đang hoạt động ETM+
Landsat 8 11/2/2013 Đang hoạt động OLI và TIRs
Nguồn: Nguyễn Khắc Thời (2011)
- Landsat MSS (Landsat Multispectral Scanner)
Bộ cảm này được đặt trên các vệ tinh Landsat từ 1 đến 3 ở độ cao so với mặt đất là 919km và Landsat 4,5 ở độ cao 705 km, chu kỳ lặp là 18 ngày. Các bộ cảm MSS là những hệ thống máy quang học mà trong đó các yếu tố tách sóng riêng biệt được quét qua bề mặt Trái đất theo hướng vuông góc với hướng bay. MSS có 4 bộ lọc và tách sóng trong khi TM có 7 bộ. Landsat MSS có độ phân giải là 79m x79m và gồm 4 kênh 1,2,3 và 4, trong đó kênh 1 và kênh 2 nằm trong vùng nhìn thấy còn kênh 3 và kênh 4 nằm trong vùng cận hồng ngoại.
- Landsat TM, ETM (Landsat Thematic Mapper):Từ năm 1982 vệ tinh Landsat 4 được phóng và mang thêm bộ cả chuyên dùng để thành lập bản đồ chuyên đề gọi là bộ cảm TM (Thematic Mapper). Vệ tinh Landsat 7 mới được phóng vào quỹ đạo tháng 4/1999 với bộ cảm TM cải tiến gọi là ETM (Enhanced Thematic Mapper). Hệ thống này là một bộ cảm quang học ghi lại năng lượng trong vùng nhìn thấy: hồng ngoại phản xạ, trung hồng ngoại và hồng ngoại nhiệt của quang phổ. Nó thu thập những ảnh đa phổ mà có độ phân giải không gian, phân giải phổ, chu kỳ và sự phản xạ cao hơn Landsat MSS. 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.
- Landsat OLI (Operational Land Imager) và TIRs (Thermal Infrared Sensor): được đặt trên vệ tinh Landsat 8 phóng lên quỹ đạo ngày 11/2/2013 những bộ cảm này được thiết kế với hiệu suất và độ tin cậy cao hơn so với các bộ cảm Landsat thế hệ trước. Landsat 8 thu nhận ảnh với tổng số 11 kênh phổ, bao gồm 9 kênh sóng ngắn và 2 kênh nhiệt sóng dài xem chi tiết ở Bảng 1. Hai bộ cảm này sẽ cung cấp chi tiết bề mặt Trái Đất theo mùa ở độ phân giải không gian 30 mét (ở các kênh nhìn thấy, cận hồng ngoại và hồng ngoại sóng ngắn); 100 mét ở kênh nhiệt và 15 mét đối với kênh toàn sắc. Dải quét của LDCM giới hạn trong khoảng 185 km x 180 km. Độ cao vệ tinh đạt 705 km so với bề mặt trái đất. Bộ cảm OLI cung cấp hai kênh phổ mới, Kênh 1 dùng để quan trắc biến động chất lượng nước vùng ven bờ và Kênh 9 dùng để phát hiện các mật độ dày, mỏng của đám mây ti (có ý nghĩa đối với khí tượng học), trong khi đó bộ cảm TIRS sẽ thu thập dữ liệu ở hai kênh hồng ngoại nhiệt sóng dài (kênh 10 và 11) dùng để đo tốc độ bốc hơi nước, nhiệt độ bề mặt. Bộ cảm OLI và TIRS đã được thiết kế cải tiến để giảm thiểu tối đa nhiễu khí quyển (SNR), cho phép lượng tử hóa dữ liệu là 12 bit nên chất lượng hình ảnh tăng lên so với phiên bản trước.
Bảng 2.4. Đặc trưng bộ cảm của ảnh Landsat
Loại bộ cảm Kênh Bước sóng
(^m) Phổ phân tử Độ phân giải không gian TM Thematic Mapper (Landsat-1-5) Kênh 1 Kênh 2 Kênh 3 Kênh 4 Kênh 5 Kênh 6 Kênh 7 0,45 - 0,52 0,52 - 0,60 0,63 - 0,69 0,76 - 0,90 1,55 - 1,75 10,4 - 12,5 2,08 - 2,35 Chàm Lục đỏ Đỏ Cận hồng ngoại Hồng ngoại trung Hồng ngoại nhiệt Lục đến cận hồng ngoại 30 m 30 m 30 m 30 m 30 m 120 m 30 m MSS Multi Spectral Scanner (Landsat-1-5) Kênh 4 0,5 - 0,6 Lục 80 m Kênh 5 0,6 - 0,7 Đỏ 80 m Kênh 6 0,7 - 0,8 Cận hồng ngoại 80 m Kênh 7 0,8 - 1,1 Cận hồng ngoại 80 m Landsat 7 (Bộ cảm ETM+) Band 1 0,45-0,52 Lam 30 Band 2 0,52-0,60 Lục 30 Band 3 0,63-0,69 Đỏ 30 Band 4 0,77-0,90 Cận hồng ngoại 30 Band 5 1,55-1,75 Hồng ngoại sóng ngắn 30 Band 6 10,40-12,50 Hồng ngoại nhiệt 60 (30) Band 7 2,09-2,35 Hồng ngoại sóng ngắn 30 Band 8 0,52-0,90 Đen trắng 15 LDCM – Landsat 8 (Bộ cảm OLI và TIRs)
Band 1 0,433 - 0,453 Xanh tím (quan sát nước) 30
Band 2 0,450 - 0,515 Lam 30 Band 3 0,525 - 0,600 Lục 30 Band 4 0,630 - 0,680 Đỏ 30 Band 5 0,845 - 0,885 Cận hồng ngoại 30 Band 6 1,560 - 1,660 Hồng ngoại sóng ngắn 1 30 Band 7 2,100 - 2,300 Hồng ngoại sóng ngắn 2 30 Band 8 0,500 - 0,680 Toàn sắc 15 Band 9 1,360 - 1,390 Cirrus 30
Band 10 10,3 - 11,3 Ngoại hồng nhiệt (TIR) 100 Band 11 11,5 - 12,5 Ngoại hồng nhiệt (TIR) 100
2.2.3.2. Bộ cảm HRV trên vệ tinh Spot
Trên mỗi vệ tinh Spot được trang bị một hệ thống tạo ảnh nhìn thấy có độ phân giải cao HRV (High Resolution Visible imaging system). Các thế hệ vệ tinh SPOT 1 đến 3 có 3 kênh phổ phân bố trong vùng sóng nhìn thấy ở các bước sóng xanh lục, đỏ và gần hồng ngoại. Năm 1998 Pháp phóng vệ tinh SPOT 4 với hai bộ cảm HRVIR và thực vật (Vegetation Instrument). Ba kênh phổ đầu của HRVIR tương đương với 3 kênh phổ truyền thống của HRV. Năm 2002 Pháp đã phóng thành công vệ tinh SPOT 5 với độ phân giải cao hơn: 2,5 m; 5m; 10m.
Vệ tinh SPOT bay ở độ cao 832 km, nghiêng so với mặt phẳng quỹ đạo 9807, bay qua xích đạo lúc 10h30' sáng với chu kỳ lặp lại là 23 ngày. Mỗi cảnh có độ phủ là 60 km x 60 km. Tư liệu SPOT được sử dụng nhiều không chỉ cho việc nghiên cứu tài nguyên mà còn sử dụng cho công tác xây dựng, hiệu chỉnh bản đồ và quy hoạch sử dụng đất. Bộ cảm HRV là máy quét điện tử CCD - HRV có thể thay đổi góc quan sát nhờ một gương định hướng. Gương này cho phép thay đổi hướng quan sát ± 270 so với trục thẳng đứng nên dễ dàng thu được ảnh lập thể (Nguyễn Khắc Thời, 2011).
2.2.3.3. Bộ cảm MESSR VÀ VTIR trên Vệ tinh MOS (Marine Obersevation Satellite)
Vệ tinh MOS-1 là thế hệ đầu tiên được Nhật bản phóng vào quỹ đạo tháng 2 năm 1987 để quan sát đại dương và nghiên cứu môi trường biển, sau đó MOS- 1b (tháng 2/1990) với 3 thiết bị đo phổ chính có phạm vi vùng phổ tương tự như bộ cảm biến đa phổ của vệ tinh Landsat. Hai vệ tinh trên có độ cao bay là 909 km, chu kỳ lặp là 17 ngày (Nguyễn Khắc Thời, 2011).
2.3. KHÁI QUÁT VỀ GIS 2.3.1. Định nghĩa về hệ GIS 2.3.1. Định nghĩa về hệ GIS
Hệ thống thông tin địa lý - Geographic Information System (GIS) là một nhánh của công nghệ thông tin, đã hình thành từ những năm 60 của thế kỷ trước và phát triển rất mạnh trong những năm gần đây.
GIS được sử dụng nhằm xử lý đồng bộ các lớp thông tin không gian (bản đồ) gắn với các thông tin thuộc tính, phục vụ nghiên cứu, quy hoạch và quản lý các hoạt động theo lãnh thổ.
Ngày nay, ở nhiều quốc gia trên thế giới, GIS đã trở thành công cụ trợ giúp quyết định trong hầu hết các hoạt động kinh tế-xã hội, an ninh, quốc phòng, đối phó với thảm hoạ thiên tai v.v... GIS có khả năng trợ giúp các cơ quan chính phủ, các nhà quản lý, các doanh nghiệp, các cá nhân v.v... đánh giá được hiện trạng của các quá trình, các thực thể tự nhiên, kinh tế-xã hội thông qua các chức năng thu thập, quản lý, truy vấn, phân tích và tích hợp các thông tin được gắn với một nền bản đồ số nhất quán trên cơ sở toạ độ của các dữ liệu bản đồ đầu vào.
Có nhiều định nghĩa về GIS, nhưng nói chung đã thống nhất quan niệm chung: GIS là một hệ thống kết hợp giữa con người và hệ thống máy tính cùng các thiết bị ngoại vi để lưu trữ, xử lý, phân tích, hiển thị các thông tin địa lý để phục vụ một mục đích nghiên cứu, quản lý nhất định.
Xét dưới góc độ là công cụ, GIS dùng để thu thập, lưu trữ, biến đổi, hiển thị các thông tin không gian nhằm thực hiện các mục đích cụ thể.
Xét dưới góc độ là phần mềm, GIS làm việc với các thông tin không gian, phi không gian, thiết lập quan hệ không gian giữa các đối tượng. Có thể nói các chức năng phân tích không gian đã tạo ra diện mạo riêng cho GIS.
Xét dưới góc độ ứng dụng trong quản lý nhà nước, GIS có thể được hiểu như là một công nghệ xử lý các dữ liệu có toạ độ để biến chúng thành các thông tin trợ giúp quyết định phục vụ các nhà quản lý.
Xét dưới góc độ hệ thống, GIS là hệ thống gồm các hợp phần: Phần cứng, Phần mềm, Cơ sở dữ liệu và Cơ sở tri thức chuyên gia (Trần Thị Băng Tâm, 2006).
2.3.2. Các thành phần của GIS
2.3.2.1. Phần cứng
Bao gồm hệ thống máy tính và các thiết bị ngoại vi có khả năng thực hiện các chức năng nhập thông tin (Input), xuất thông tin (Output) và xử lý thông tin của phần mềm. Hệ thống này gồm có máy chủ (server), máy khách (client), máy quét (scanner), máy in (printer) được liên kết với nhau trong mạng LAN hay Internet.
2.3.2.2. Phần mềm
Đi kèm với hệ thống thiết bị trong GIS ở trên là một hệ phần mềm có tối thiểu 4 nhóm chức năng sau đây:
- Nhập thông tin không gian và thông tin thuộc tính từ các nguồn khác nhau. - Lưu trữ, điều chỉnh, cập nhật và tổ chức các thông tin không gian và thông tin thuộc tính.
- Phân tích biến đổi thông tin trong cơ sở dữ liệu nhằm giải quyết các bài toán tối ưu và mô hình mô phỏng không gian- thời gian.
- Hiển thị và trình bày thông tin dưới các dạng khác nhau, với các biện