2.3. TỔNG QUAN VỀ VIỄN THÁM VÀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ
2.3.1. Giới thiệu chung về viễn thám
Viễn thám được định nghĩa như một khoa học và công nghệ mà nhờ nó các tính chất của vật thể được xác định, phân tích mà không cần tiếp xúc trực tiếp với chúng (Nguyễn Khắc Thời và cs., 2012).
Viễn thám được phát triển dựa trên những thành tựu mới nhất của khoa học
kỹ thuật cũng như vũ trụ, công nghệ tin học,... là một khoa học liên ngành với mục tiêu cung cấp thông tin nhanh nhất và khách quan phục vụ cho các ngành kinh tế quốc dân. Đối tượng nghiên cứu của viễn thám chủ yếu là sự vật và quá trình xảy ra trên bề mặt trái đất. Viễn thám không nghiên cứu trực tiếp các quá trình mà nghiên cứu gián tiếp thông qua hình ảnh của chúng.
Cơ sở khoa học của công nghệ viễn thám dựa trên bản chất vật lí trong tự nhiên là các vật thể (đối tượng) trong những điều kiện khác nhau thì khả năng phản xạ hoặc bức xạ của sóng điện từ sẽ có những đặc trưng riêng. Từ đó, nguồn tư liệu viễn thám được hình thành như là kết quả thu nhận năng lượng phản xạ hoặc bức xạ các sóng điện từ của các đối tượng bằng các thiết bị gọi là bộ viễn cảm hay bộ cảm (remote sensor) hoặc bằng các máy chụp ảnh.
Dữ liệu viễn thám là loại dữ liệu có thể thu được về vùng rộng hàng trăm km2 trong một khoảng thời gian ngắn bằng các thiết bị ghi nhận các bức xạ hay phản xạ ở các phổ khác nhau của các đối tượng tạo ra mà kết quả thu được là hình ảnh chính đối tượng đó.
Hình 2.2. Nguyên lý thu nhận ảnh viễn thám
Nguyên lý cơ bản của viễn thám đó là quá trình thu nhận năng lượng phản xạ hay bức xạ của các đối tượng tự nhiên tương ứng với từng giải phổ khác nhau.
Đặc tính 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, đặc biệt là bản thân các đối tượng đó (độ ẩm, lớp nền - bề mặt nhám, thực vật, chất mùn, cấu
trúc bề mặt...). Đối với các đối tượng khác nhau sẽ có khả năng phản xạ phổ khác nhau, với mỗi đối tượng sự phản xạ, hấp thụ lại thay đổi theo bước sóng.
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 của 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, tiến tới phân loại chúng.
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): Là thành phần đầu tiên của hệ thống viễn thám, là nguồn năng lượng dùng để chiếu sáng hay cung cấp năng lượng điện từ tới đối tượng. Có loại viễn thám sử dụng năng lượng mặt trời (viễn thám chủ động) và loại tự cung cấp năng lượng đến đối tượng (viễn thám bị động). Thông tin của đối tượng mà viễn thám thu nhận được dựa vào năng lượng từ đối tượng đến thiết bị nhận vậy nếu không có nguồn năng lượng chiếu sáng hay truyền tới đối tượng thì không có năng lượng từ đối tượng đến thiết bị nhận;
- Những tia phát xạ và khí quyển (B): Năng lượng đi từ nguồn phát năng lượng tới đối tượng qua vùng khí quyển nên sẽ tương tác với vùng khí quyển nơi năng lượng đi qua. Sự tương tác này lặp lại khi năng lượng truyền đến đối tượng rồi theo chiều ngược lại từ đối tượng đến bộ cảm;
- Sự tương tác với đối tượng (C): Khi năng lượng truyền đến đối tượng có thể truyền qua đối tượng, bị đối tượng hấp thụ hoặc 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 phải có một bộ cảm từ xa để tập hợp lại và thu nhận sóng điện từ. Bộ cảm nhận được năng lượng điện từ truyền về mang thông tin về đối tượng đó;
- Sự truyền tải, thu nhận và xử lý (E): Khi năng lượng được thu nhận bởi bộ cảm cần phải được truyền tải, thường dưới dạng điện từ, đến trạm tiếp nhận - xử lý nơi dữ liệu sẽ được xử lý sang dạng ảnh (dữ liệu thô);
- Giải đoán và phân tích ảnh (F): Ảnh thô sau khi có 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. Để có thể nhận biết được hình ảnh người ta gọi là giải đoán ảnh. Có 2 phương pháp giải đoán ảnh là giải đoán bằng mắt và giải đoán bằng công nghệ số.
Giải đoán ảnh bằng mắt có thể áp dụng trong mọi điều kiện trang thiết bị.
Giải đoán ảnh bằng mắt là việc sử dụng mắt người cùng với các dụng cụ quang học như kính lúp, kính lập thể, máy tổng hợp mầu để xác định các đối tượng. Cơ sở để giải đoán ảnh bằng mắt là các chuẩn đoán đọc điều vẽ và mẫu đoán đọc điều vẽ. Có 8 chuẩn đoán đọc điều vẽ, gồm: chuẩn kích thước, chuẩn hình dạng, chuẩn bóng, chuẩn độ đen, chuẩn mầu sắc, chuẩn cấu trúc, chuẩn phân bố, chuẩn mối quan hệ tương hỗ. Nhằm trợ giúp cho công tác đoán đọc điều vẽ người ta thành lập các mẫu đoán đọc điều vẽ cho các đối tượng khác nhau. Mẫu đoán đọc điều vẽ là tập hợp các chuẩn dùng để đoán đọc điều vẽ một đối tượng nhất định.
Kết quả đoán đọc điều vẽ phụ thuộc vào mẫu đoán đọc điều vẽ. Mục đích của việc sử dụng mẫu đoán đọc điều vẽ là làm chuẩn hóa kết quả đoán đọc điều vẽ của nhiều người khác nhau. Thông thường mẫu đoán đọc điều vẽ do những người có nhiều kinh nghiệm và hiểu biết thành lập dựa trên những vùng nghiên cứu thử nghiệm đã được điều tra kỹ lưỡng. Tất cả 8 chuẩn đoán đọc điều vẽ cùng với các thông tin về thời gian chụp, mùa chụp, tỷ lệ ảnh đều phải đưa vào mẫu đoán đọc điều vẽ. Một bộ mẫu đoán đọc điều vẽ bao gồm không chỉ phần ảnh mà còn mô tả bằng lời nữa.
Giải đoán bằng công nghệ số: Các tư liệu thu được trong viễn thám phần lớn là ở dưới dạng số cho nên vấn đề giải đoán bằng công nghệ số trong viễn thám giữ một vai trò quan trọng và là phương pháp cơ bản trong viễn thám hiện đại. Giải đoán bằng công nghệ số trong viễn thám bao gồm các giai đoạn sau : Nhập số liệu, khôi phục và hiệu chỉnh ảnh, biến đối ảnh, phân loại, xuất kết quả.
Bảng 2.2. Ưu, nhược điểm của hai phương pháp giải đoán ảnh vệ tinh Giải đoán ảnh bằng mắt Giải đoán ảnh bằng xử lý số
Ưu điểm
- Sử dụng kinh nghiệm của người điều vẽ;
- Có sự hiểu biết về ảnh phối hợp tốt hơn;
- Có thể phân tích được các thông tin phân bố không gian.
- Thời gian xử lý ngắn;
- Kết quả xử lý được chuyển hóa;
- Chiết xuất được các đặc tính vật lý;
- Năng suất cao, có thể đo được các chỉ số đặc trưng tự nhiên.
Nhược điểm
- Tốn thời gian;
- Đòi hỏi người có hiểu biết, kinh nghiệm để điều vẽ;
- Kết quả thu được không đồng nhất.
- Rất khó ứng dụng kinh nghiệm của người điều vẽ;
- Chiết xuất ít thông tin về bối cảnh;
- Kết quả phân tích thông tin kém.
- Ứng dụng (G): Là thành phần cuối cùng của quá trình, được thực hiện khi ứng dụng thông tin mà ta tách được từ ảnh để hiểu rõ hơn về đối tượng mà chúng ta quan tâm, kiểm nghiệm những thông tin đã có, để khám phá những thông tin mới,... để nhằm giải quyết những vấn đề cụ thể.
Công nghệ Viễn thám kết hợp với Hệ thống thông tin địa lý được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
- Quản lý tài nguyên và môi trường:
+ Quản lý tài nguyên đất: Lập bản đồ và theo dõi biến động sử dụng đất, lập bản đồ thổ nhưỡng, nghiên cứu xói mòn, thoái hóa đất, …
+ Quản lý và giám sát tài nguyên nước: Lập bản đồ phân bố mạng lưới thủy văn, theo dõi biến động lòng sông, giám sát chất lượng nước, …
+ Giám sát tài nguyên và môi trường biển: Lập bản đồ các hệ sinh thái nhạy cảm như rừng ngập mặn, đất ngập nước, rạn san hô; theo dõi biến động đường bờ biển; theo dõi tràn dầu, …
- Dự báo thời tiết, theo dõi và dự báo những hiện tượng nguy hiểm như bão, áp thấp nhiệt đới, lũ lụt, mưa lớn, lốc…
- Lâm nghiệp: Đánh giá trữ lượng, sinh khối, theo dõi diễn biến diện tích rừng, phân loại, kiểm kê rừng, ...
- Quản lý tai biến: Theo dõi, dự báo cháy rừng, tai biến ngập lụt, tai biến địa chất, trượt lở, hoạt động núi lửa, …
- Quản lý đô thị: Theo dõi biến động đô thị, quy hoạch xây dựng đô thị, quản lý cơ sở hạ tầng đô thị, nghiên cứu hiện tượng đảo nhiệt đô thị, …
- Y tế và chăm sóc sức khỏe cộng đồng: Theo dõi diến biến khí hậu (nhiệt độ, lượng mưa, bức xạ, ...), sự thay đổi chất lượng môi trường (không khí, nước, đất).
- Thành lập bản đồ địa hình: Bản đồ địa hình là tài liệu cơ sở của nhiều ngành dùng cho các mục đích dân sự cũng như quân sự. Để đáp ứng nhu cầu về hiệu chỉnh (cập nhật) một cách hệ thống các bản đồ địa hình ở các tỷ lệ cơ bản nhà nước (từ 1: 10.000 và nhỏ hơn) theo các chu kỳ quy định.
- Nông nghiệp: Phân loại và theo dõi biến động sử dụng đất nông nghiệp, theo dõi mùa trong năm (sinh trưởng, năng suất, lịch gieo trồng), …
- Nghiên cứu địa chất: Thành lập bản đồ địa chất, bản đồ phân bố khoáng sản, bản đồ phân bố nước ngầm, …
- Viễn thám cho phép đảm bảo cung cấp thông tin kịp thời đáp ứng nhu cầu an ninh – quốc phòng. Hiện nay, những ứng dụng mới và theo hướng liên kết viễn thám – hệ thông tin địa lý (GIS) và định vị vệ tinh (GPS) đã tạo nên những công cụ rất hiệu quả phục vụ cho công tác bảo vệ an ninh – quốc phòng.