Chương 2- CƠ SỞ KHOA HỌC XÁC ĐỊNH SỰ THAY ĐỔI LỚP PHỦ BỀ MẶT
2.2. Xác định sự thay đổi các đối tượng lớp phủ bề mặt do ảnh hưởng của lũ lụt từ tư liệu viễn thám Radar
2.2.1. Nguyên lý tán xạ bề mặt của ảnh Radar
Ở nghiên cứu này, tác giả tập trung vào khai thác đặc điểm tán xạ bề mặt của ảnh radar khẩu độ tổ hợp (SAR). SAR thông thường bao gồm hai đặc điểm: đặc điểm phân cực (polarimetry) và đặc điểm giao thoa (interferometry).
Các ảnh SAR như PALSAR/ ALOS hay Sentinel 1A, 1B là ảnh phân cực hoàn toàn (fully polarimetry instrument). Có nhiều sản phẩm ảnh radar được xây dựng theo trùm tia phân cực đơn (HH+HV), phân cực kép (HH + HV hay VH +
VV) hoặc phân cực hoàn toàn (HH + HV + VH + VV) [64]. Thông thường, ảnh có phân giải cao chỉ sử dụng loại sóng phân cực đơn (HH, VV hoặc HV), trong khi ở những ảnh có độ phân giải thấp hơn, quan sát vùng rộng lớn hơn thì sử dụng loại sóng phân cực kép hoặc phân cực hoàn toàn. Mỗi loại phân cực thì có những đặc trưng và cung cấp những thông tin với mức độ chi tiết khác nhau của đối tượng quan sát.
Đối với sóng cùng tần số phát ra bởi một radar, có hai loại sóng: tuyến tính nằm ngang với mặt đất (H) và tuyến tính thẳng đứng xuống mặt đất (V). Chúng được gọi là “sóng phân cực”, các loại sóng phân cực: HH, HV, VH và VV. Số lượng các sóng phân cực phụ thuộc vào chế độ quan sát được sử dụng. Chế độ phân
giải cao nhất của ảnh viễn thám SAR chỉ sử dụng loại sóng phân cực đơn (HH, VV hoặc HV), trong khi chế độ quan sát một khu vực rộng hơn với độ phân giải thấp hơn sử dụng hai hoặc nhiều hơn hai sóng phân cực [41].
Mỗi loại sóng phân cực có các tính năng và thông tin khác nhau. Cụ thể, sóng HH có tính thâm nhập cao, có thể tiếp cận mặt đất ngay cả trong các khu vực được bao phủ bởi rừng. Sử dụng thuộc tính này, sóng HH có thể phát hiện các biến động trên mặt đất do động đất hoặc lún. Mặt khác, sóng VV và HV có thể phát hiện một địa điểm có đất trống hoặc rừng. HV và VH về cơ bản là tương tự nhau. Một điểm mạnh của SAR là các đặc tính riêng biệt của mỗi sóng phân cực được tổng hợp bởi một loạt các phương pháp cho phép phân tích đối tượng trong nghiên cứu trở lên rất đa dạng.
Ngoài ra, các yếu tố cần quan tâm trong ảnh SAR bao gồm tần số (các kênh ảnh thường là L, C, và X) và góc lệch (off-nadir angle) [64]. Tần số ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình phản xạ xung tại một đối tượng do khả năng đi xuyên qua đối tượng của xung đó. Góc lệch ảnh hưởng tới sai số hình học của ảnh SAR.
Ba dải bước sóng phổ biến bao gồm X-band, C-band, và L-band được sử dụng cho các quan sát của vệ tinh SAR. Vi sóng băng tần X và băng tần C với bước sóng ngắn thích hợp để quan sát các cấu trúc chi tiết. Tín hiệu có khả năng phát hiện sự không đồng đều nhẹ trên bề mặt trái đất, và được phản ánh từ các cấu trúc chi tiết như gợn sóng trên mặt nước và tán lá trong rừng.
Mặt khác, băng tần L với chiều dài sóng dài có thể thâm nhập vào các cấu trúc chi tiết của đối tượng. Tại những khu vực mặt đất được bao phủ bởi thực vật, tín hiệu xuyên qua tán lá và do đó, có thể quan sát hình dạng của mặt đất. L-band SAR rất hữu ích cho việc quan sát các bề mặt trong khu vực có thực vật và địa hình dốc [41].
2.2.1.2. Nguyên lý tán xạ bề mặt
Tán xạ là một đặc trưng hết sức quan trọng của ảnh Radar, nó phản ánh sự tương tác giữa sóng Radar với bề mặt đối tượng và đóng vai trò quyết định trong việc tạo ảnh Radar.
SAR truyền các tín hiệu xung đến đích và thu thập thông tin về các điều kiện của bề mặt phụ thuộc vào cường độ tín hiệu nhận được. Các phản xạ này được gọi là “backscatter”. Đối tượng có phản xạ với cường độ lớn xuất hiện với màu sáng trắng trên ảnh SAR [35].
Tùy thuộc vào bề mặt tiếp xúc của vật thể, các hiện tượng phản xạ, tán xạ có thể xảy ra sau khi tín hiệu tiếp xúc với bề mặt vật thể (Hình 2-2).
Hình 2-2: Ảnh hưởng của bề mặt tiếp xúc tới màu sắc đối tượng trên ảnh SAR.
(Nguồn: [41]) Hình 2-2 đưa ra một số ví dụ về màu sắc một số đối tượng quan sát được trên ảnh SAR. Trong đó, rừng được biểu diễn bằng màu xám trắng do tín hiệu quay lại vệ tinh có cường độ lớn, trong khi đồng cỏ cho giá trị màu tối hơn do tín hiệu quay lại vệ tinh có cường độ nhỏ hơn. Riêng đối với mặt nước là bề mặt mịn, quá trình phản xạ xảy ra làm cho các sóng phản xạ không quay lại vệ tinh, dẫn tới màu sắc tối được hiển thị ở khu vực này.
Tán xạ bề mặt còn phụ thuộc vào chiều dài của bước sóng. Thông thường, ảnh radar khẩu độ tổ hợp được sử dụng là kênh L, kênh C và kênh X. Kênh C và kênh X có tần số lớn và bước sóng ngắn khoảng vài cen-ti-mét, thích hợp cho quan sát các đối tượng cụ thể, nhất là khi cần quan sát đặc điểm trên bề mặt của các đối tượng. Đối với kênh L, với tần số nhỏ và bước sóng dài khoảng vài chục cm, tia phản xạ có thể đi xuyên qua cây cối để quan sát những đối tượng nằm dưới tán cây, thích hợp cho quan sát các thay đổi trên mặt đất như thiên tai, lũ lụt [41].
Hình 2-3: Cơ chế tán xạ của Radar
Hình 2-3 là một số minh họa về cơ chế tán xạ của ảnh Radar. Trong đó, tín hiệu tán xạ ngược là kết quả giữa tán xạ bề mặt, tán xạ khối và đa tán xạ khối. Các tán xạ này phụ thuộc vào độ gồ ghề của bề mặt và đặc trưng điện môi của môi trường.
Mức độ gồ ghề của bề mặt (tùy thuộc vào bước sóng) ảnh hưởng đến các kiểu tán xạ thể hiện trong Hình 2-4.
Hình 2-4: Các kiểu tán xạ trên các bề mặt khác nhau
Sự ảnh hưởng của hằng số điện môi của môi trường đến cường độ tán xạ được minh họa ở Hình 2-5.
Hình 2-5: Các kiểu tán xạ trong môi trường điện môi khác nhau