2.2.1. Sơ lược về viễn thám
2.2.1.1. Khái niệm
Viễn thám được hiểu là một khoa học và nghệ thuật để thu nhận thông tin về một đối tượng, một khu vực hoặc một hiện tượng thông qua việc phân tích tài liệu thu nhận được bằng các phương tiện. Những phương tiện này không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tượng, khu vực hoặc với hiện tượng được nghiên cứu. (Nguyễn Khắc Thời và cs., 2012).
Viễn thám thực sự phát triển mạnh mẽ qua hơn ba thập kỷ gần đây, khi mà công nghệ vũ trụ đã cho ra các ảnh số, bắt đầu được thu nhận từ các vệ tinh trên quĩ đạo của trái đất vào năm 1960. Tuy nhiên, viễn thám có lịch sử phát triển lâu đời, bắt đầu bằng việc chụp ảnh sử dụng phim và giấy ảnh. Từ thể kỷ XIX, vào năm 1839, Louis Daguerre (1789 - 1881) đã đưa ra báo cáo công trình nghiên cứu về hóa ảnh, khởi đầu cho ngành chụp ảnh. Bức ảnh đầu tiên, chụp bề mặt trái đất từ khinh khí cầu, được thực hiện vào năm 1858 do Gaspard Felix Tournachon - nhà nhiếp ảnh người Pháp. Tác giả đã sử dụng khinh khí cầu để đạt tới độ cao 80m, chụp ảnh vùng Bievre, Pháp. Một trong những bức ảnh tiếp theo chụp bề mặt trái đất từ khinh khí cầu là ảnh vùng Bostom của tác giả James Wallace Black, 1860.
2.2.1.2. Nguyên lý cơ bản của viễn thám
Nguyên lý cơ bản của viễn thám đó là đặc trưng phản xạ hay bức xạ của các đối tượng tự nhiên tương ứng với từng giải phổ khác nhau. Kết quả của việc giải đoán các lớp thông tin phụ thuộc rất nhiều vào sự hiểu biết về mối tương quan giữa đặc trưng phản xạ phổ với bản chất, trạng thái các đối tượng tự nhiên. Những thông tin về đặc trưng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên sẽ cho phép các nhà chuyên môn chọn các kênh ảnh tối ưu, chứa nhiều thông tin nhất về đối tượng nghiên cứu, đồng thời đây cũng là cơ sở để phân tích nghiên cứu các tính chất của đối tượng.
Sóng điện từ được phản xạ hoặc bức xạ từ vật thể là nguồn cung cấp thông tin chủ yếu về đặc tính của đối tượng. Ảnh viễn thám cung cấp thông tin về các vật thể tương ứng với năng lượng bức xạ ứng với từng bước sóng đã xác định. Đo lường và phân tích năng lượng phản xạ phổ ghi nhận bởi ảnh viễn thám, cho phép tách thông tin hữu ích về từng lớp phủ mặt đất khác nhau do sự tương tác giữa bức xạ điện từ và vật thể.
Thiết bị dùng để cảm nhận sóng điện từ phản xạ hay bức xạ từ vật thể được gọi là bộ cảm biến. Bộ cảm biến có thể là các máy chụp ảnh hoặc máy quét. Phương tiện mang các bộ cảm biến được gọi là vật mang (máy bay, khinh khí cầu, tàu con thoi hoặc vệ tinh…).
Hệ thống viễn thám thường bao gồm 7 thành phần chúng có mối quan hệ chặt chẽ với nhau (Nguyễn Khắc Thời và cs., 2012). Phân theo trình tự họa động của hệ thống có:
- Nguồn năng lượng (A): Thành phần đầu tiên của một hệ thống viễn thám là
nguồn năng lượng để chiếu sáng hay cung cấp năng lượng điện từ tới đối tượng quan tâm. Có loại viễn thám sử dụng năng lượng mặt trời, có loại tự cung cấp năng lượng tới đối tượng.
- Những tia phát xạ và khí quyển (B): Vì năng lượng đi từ nguồn năng lượng
tới đối tượng nên sẽ phải tương tác với vùng khí quyển nơi năng lượng đi qua. Sự tương tác này có thể lặp lại ở một vị trí không gian nào đó vì năng lượng còn phải đi theo chiều ngược lại, tức là từ đối tượng đến bộ cảm.
- Sự tương tác và đối tượng (C): Sự tương tác này có thể là truyền qua đối
tượng, bị đối tượng hấp thu hay bị phản xạ trở lại vào khí quyển.
- Thu nhận năng lượng bằng bộ cảm (D): Sau khi năng lượng được phát ra
hay bị phản xạ từ đối tượng, chúng ta cần có một bộ cảm từ xa để tập hợp lại và thu nhận sóng điện từ. Năng lượng điện từ truyền về bộ cảm mang thông tin về đối tượng.
- Sự truyền tải thu nhận và xử lý (E): Năng lượng được thu nhận bởi bộ cảm cần phải được truyền tải, thường dưới dạng điện từ, đến một trạm tiếp nhận- xử lý nơi dữ liệu sẽ được xử lý sang dạng ảnh. Ảnh này chính là dữ liệu thô.
- Giải đoán và phân tích ảnh (F): Ảnh thô sẽ được xử lý để có thể sử dụng
được. Để lấy được thông tin về đối tượng người ta phải nhận biết được mỗi hình ảnh trên ảnh tương ứng với đối tượng nào. Công đoạn để có thể “nhận biết” này gọi là giải đoán ảnh.
- Ứng dụng (G): Đây là phần tử cuối cùng của quá trình viễn thám, được thực
hiện khi ứng dụng thông tin mà chúng ta đã chiết được từ ảnh để hiểu rõ hơn về đối tượng mà chúng ta quan tâm, để khám phá những thông tin mới, kiểm nghiệm những thông tin đã có ... nhằm giải quyết những vấn đề cụ thể.
2.2.1.3. Đặc tính phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên
Đặc trưng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên phụ thuộc vào nhiều yếu tố như điều kiện chiếu sáng, môi trường, khí quyển và bề mặt đối tượng cũng như bản thân các đối tượng đó (độ ẩm, lớp nền, thực vật, chất mùn, cấu trúc bề
mặt). Do các thông tin viễn thám có liên quan trực tiếp đến năng lượng phản xạ từ các đối tượng nên việc nghiên cứu các đặc trưng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên đóng vai trò hết sức quan trọng đối với việc ứng dụng hiệu quả phương pháp viễn thám.
Trong lĩnh vực viễn thám, kết quả giải đoán các thông tin phụ thuộc rất nhiều vào sự hiểu biết mối tương quan giữa các đặc trưng phản xạ phổ với bản chất và trạng thái các đối tượng tự nhiên. Đồng thời đó cũng là cơ sở dữ liệu để phân tích các tính chất của đối tượng tiến tới phân loại đối tượng đó.
Khả năng phản xạ phổ của các đối tượng phụ thuộc vào bản chất vật chất của các đối tượng, phụ thuộc vào trạng thái và độ nhẵn bề mặt của các đối tượng, phụ thuộc vào màu sắc của đối tượng, phụ thuộc vào độ cao mặt trời trên đường chân trời và hướng chiếu sáng. Khả năng phản xạ phổ của các đối tượng được chụp ảnh còn phụ thuộc vào trạng thái khí quyển và các mùa trong năm.
a, Đặc tính phản xạ phổ của thực vật
Khả năng phản xạ phổ của thực vật thay đổi theo chiều dài bước sóng. Ba cơ chế chịu trách nhiệm cho từng bộ phận riêng biệt của quang phổ của thảm thực vật là:
Sắc tố: Trong vùng ánh sáng nhìn thấy các sắc tố của lá cây ảnh hưởng
đến đặc tính phản xạ phổ của nó đặc biệt là chất colorophin.
+ Sắc tố hấp thụ bức xạ ở vùng ánh sáng nhìn thấy và cận hồng ngoại. + Vùng có ánh sáng màu lục 0,54µm phản xạ mạnh nhất nên cây tươi ta cảm nhận có màu lục. Khi lá úa, chất colorophin giảm đi nên lá cây có màu đỏ.
Cấu trúc tế bào: Trong vùng cận hồng ngoại cấu trúc tế bào của lá cây
ảnh hưởng đến đặc tính phản xạ phổ của nó.
Thành phần nước: Trong vùng giữa hồng ngoại thành phần nước của lá
cây ảnh hưởng đến đặc tính phản xạ phổ của nó.
Hình 2.5. Phản xạ phổ của thực vật
Như vậy:
- Ở vùng ánh sáng nhìn thấy, hồng ngoại và cận hồng ngoại khả năng phản xạ phổ khác biệt rõ rệt.
- Ở vùng ánh sáng nhìn thấy phần lớn năng lượng bị hấp thụ bởi chất colorophin trong lá cây, một phần nhỏ thấm qua lá còn lại bị phản xạ.
- Ở vùng cận hồng ngoại cấu trúc tế bào ảnh hưởng đến khả năng phản xạ phổ, ở đây khả năng phản xạ phổ tăng lên rõ rệt.
- Ở vùng giữa hồng ngoại yếu tố ảnh hưởng đến khả năng phản xạ phổ của lá cây là hàm lượng nước, độ ẩm càng cao năng lượng hấp thụ càng lớn.
b, Đặc tính phản xạ phổ của thổ nhưỡng
Khả năng phản xạ phổ của thổ nhưỡng tăng theo chiều dài bước sóng đặc biệt là trong vùng cận hồng ngoại và hồng ngoại. Tùy thuộc vào loại đất mà khả năng phản xạ phổ sẽ khác nhau. Cấu trúc đất phụ thuộc vào tỷ lệ sét (d<0,002mm), bụi (d=0,002 – 0,05mm), cát (0,05-2mm). Tùy thuộc vào tỷ lệ của 3 thành phần mà các loại đất có tên gọi khác nhau.
Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng phản xạ phổ của đất:
- Cấu trúc của đất ảnh hưởng đến khả năng phản xạ phổ của đất. Đất mịn, khoảng cách giữa các hạt nhỏ, nếu khoảng cách giữa các hạt lớn thì khả năng vận chuyển không khí và độ ẩm cũng dễ dàng hơn nên ảnh hưởng đến khả năng phản
xạ phổ của chúng. Khi độ ẩm tăng thì khả năng phản xạ phổ giảm.
- Hàm lượng chất hữu cơ 0,5-5% thì đất có mầu nâu sẫm, nếu hàm lượng chất hữu cơ thấp hơn thì đất có màu nâu sáng.
Hình 2.6. Phản xạ phổ của thổ nhưỡng
- Hàm lượng oxi trong đất giảm thì khả năng phản xạ phổ tăng. Khi loại bỏ oxit sắt ra khỏi đất thì khả năng phản xạ phổ tăng lên rõ rệt ở dải sóng 0,5 – 1,1m.
Vùng phản xạ và bức xạ phổ có thể sử dụng để ghi nhận thông tin hữu ích về đất và là dấu hiệu để đoán đọc điều vẽ đặc tính đất.
Như vậy: Biên độ đồ thị khả năng phản xạ phổ của các loại đất là khác nhau nhưng ổn định ở nhiều dải sóng khác nhau.
Với thực vật khả năng phản xạ phổ phụ thuộc vào bước sóng nhưng với thổ nhưỡng nhiều đặc tính phản xạ phổ phải đoán đọc ở dải sóng nhìn thấy.
c, Đặc tính phản xạ phổ của nước
Khả năng phản xạ phổ của nước thay đổi theo chiều dài bước sóng chiếu tới và thành phần vật chất có trong nước, nó còn phụ thuộc vào bề mặt nước và trạng thái của nước. Đường bờ nước được phát hiện trên kênh hồng ngoại và cận hồng ngoại, đặc tính của nước phải sử dụng sóng nhìn thấy để nhận biết. Một lớp nước mỏng hoặc mặt nước hấp thụ mạnh năng lượng ở dải hồng ngoại.
Hình 2.7. Phản xạ phổ của nước
2.2.1.4. Phân loại viễn thám
- Phân loại theo nguồn tín hiệu
+ Viễn thám chủ động: nguồn tia tới là tia sáng phát ra từ các thiết bị nhân tạo, thường là các máy phát đặt trên các thiết bị bay.
+ Viễn thám bị động: nguồn phát bức xạ là mặt trời hoặc từ các vật chất tự nhiên.
- Phân loại theo đặc điểm quỹ đạo.
+ Vệ tinh địa tĩnh: Là vệ tinh có tốc độ góc quay bằng tốc độ góc quay của Trái đất, nghĩa là vị trí tương đối của vệ tinh so với trái đất là đứng yên.
+ Vệ tinh quỹ đạo cực (hay gần cực): Là vệ tinh có mặt phẳng quỹ đạo vuông góc hoặc gần vuông góc so với mặt phẳng xích đạo của Trái đất. Tốc độ quay của vệ tinh khác với tốc độ quay của Trái đất và được thiết kế riêng sao cho thời gian thu ảnh trên mỗi vùng lãnh thổ trên mặt đất là cùng giờ địa phương và thời gian thu lặp lại là cố định đối với 1 vệ tinh.
- Phân loại theo bước sóng
+ Viễn thám trong dải sóng nhìn thấy và hồng ngoại: mặt trời là nguồn năng lượng chính. Ngoài ra, công nghệ LiDAR sử dụng tia lazer là trường hợp ngoại lệ sử dụng năng lượng chủ động.
+ Viễn thám hồng ngoại nhiệt: nguồn năng lượng sử dụng là bức xạ nhiệt do chính vật thể phát ra.
một đến vài chục centimet. Kỹ thuật RaDAR thuộc viễn thám siêu cao tần chủ động. Nguồn năng lượng bị động do chính vật thể phát ra.
2.2.1.5. Các hệ thống vệ tinh viễn thám
* Vệ tinh Spot
Theo Nguyễn Khắc Thời và Trần Quốc Vinh (2006), vệ tinh Spot là tên chung có các hệ thống vệ tinh chuyên dùng để quan sát bề mặt trái đất của Pháp. 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 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 2,5m; 5m; 10m.
Bảng 2.1. Các hệ thống vệ tinh Spot
Bộ cảm Phổ điện từ Độ phân giải Bước sóng
Spot 1 Spot 2 Spot 3 Panchromatic B1 : green B2 : red B3 : near infrared 10 m 20 m 20 m 20 m 0.50 - 0.73 μm 0.50 - 0.59 μm 0.61 - 0.68 μm 0.78 - 0.89 μm Spot 4 Monospectral B1 : green B2 : red B3 : near infrared B4 : mid infrared (MIR)
10 m 20 m 20 m 20 m 20 m 0.61 - 0.68 μm 0.50 - 0.59 μm 0.61 - 0.68 μm 0.78 - 0.89 μm 1.58 - 1.75 μm
Spot 5 Panchromatic (Toàn sắc) B1 : green (Xanh lục) B2 : red (Đỏ)
B3 : near infrared (Cận HNgoại) B4 : mid infrared (MIR) (Giữa HN)
2.5m or 5m 10 m 10 m 10 m 20 m 0.48 - 0.71 μm 0.50 - 0.59 μm 0.61 - 0.68 μm 0.78 - 0.89 μm 1.58 - 1.75 μm Spot 6 Spot 7 Panchromatic (Toàn sắc) B1 : Blue (Xanh Chàm) B2 : green (Xanh lục) B3 : red (Đỏ)
B4 : near infrared (Cận HNgoại)
1.5m 6 m 6 m 6 m 6 m 0,455-0,745μm 0.455-0.525μm 0.530-0.590 μm 0.625-0.695 μm 0.760–0.890 μm
Vệ tinh SPOT bay ở độ cao 832km, nghiêng so với mặt phẳng quỹ đạo 98°7, bay qua xích đạo lúc 10h30’ sáng với chu kỳ lặp lại là 23 ngày. Mỗi cảnh có độ phủ là 60km x 60km. 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 từ CCD – HRV có thể thay góc quan sát nhờ một gương định hướng. Gương này cho phép thay đổi hướng quan sát ±27* so với trục thẳng đứng nên dễ dàng thu được ảnh lập thể.
* Vệ tinh Landsat
Vệ tinh Landsat là tên chung cho hệ thống các vệ tinh chuyên dùng vào mục đích thăm dò tài nguyên Trái Đất. Vệ tinh đầu tiên mang tên ERTS ( Earth Resource Technology Sattellite) - kỹ thuật vệ tinh thăm dò Trái đất. Là vệ tinh tài nguyên của Hoa Kỳ được phóng lên quỹ đạo lần đầu tiên vào năm 1972 và ngừng hoạt động vào năm 1978, cho đến nay đã có 7 thế hệ vệ tinh Landsat được phóng lên quỹ đạo. Độ cao bay 705km, góc nghiêng mặt phẳng quỹ đạo 98°, quỹ đạo đồng bộ mật trời, chu kỳ lặp 18 ngày, bề rộng tuyến chụp 185km (Theo Climategis.com).
Hai bộ cảm vệ tinh Landsat đều là máy quét quang cơ: MSS (Multispectral scanner) và TM (Thematic mapper).
Bộ cảm MSS hoạt động ở dải phổ nhìn thấy và hồng ngoại.
Bảng 2.2. Kênh phổ nhìn thấy của MSS
Kênh phổ Dạng phản xạ phổ Chiều dài sóng (µm)
1 Nhìn thấy – Xanh 0,5 – 0,6 2 Nhìn thấy – Đỏ 0,6 – 0,7
3 Hồng ngoại 0,7 – 0,8
4 Hồng ngoại 0,8 – 1,1
Đặc điểm của MSS là sử dụng 4 băng phổ, mỗi băng phổ trang bị 6 bộ thu sử dụng sợi quang học.
+ Độ phân giải mặt đất từ 40m – 80m. + Độ rộng đường quét 185km.
Bộ cảm TM sử dụng vùng phổ nhìn thấy, hồng ngoại gần và hồng ngoại nhiệt.
Bảng 2.3. Kênh phổ của TM
Kênh phổ Bước sóng (µm) Ứng dụng
1 0,45 – 0,52 (xanh lam)
Phân biệt đất/thực vật; lập bản đồ độ sâu vùng ven bờ biển; xác định đối tượng trồng trọt/đô thị 2 0,52 – 0,60 (lục) Thành lập bản đồ thực phủ (đo đạc bản đồ cực