CHƯƠNG II: CƠ CHẾ THU NHẬN THÔNG TIN RADAR VÀ CÁC NHÂN TỐ TỰ NHIÊN ẢNH HƯỞNG TỚI THUỘC TÍNH ẢNH RADAR Ở TỈNH HOÀ BÌNH
2.1 Cơ sở vật lý sử dụng giá trị tán xạ ngược trên ảnh viễn thám
2.1.1. Viễn thám RADAR
Viễn thám siêu cao tần hay viễn thám RADAR là phương pháp viễn thám chủ động sử dụng dải sóng siêu cao tần của sóng điện từ (bước sóng từ 1 mm đến 1 m) để thu thập thông tin các đối tượng trên mặt đất. Với việc sử dụng nguồn năng lượng riêng không phụ thuộc vào ánh sáng mặt trời với bước sóng dài, hệ thống viễn thám RADAR có khả năng thu thập thông tin cả ban ngày và ban đêm cũng như trong mọi điều kiện thời tiết. Đó là những ưu điểm của phương pháp viễn thám RADAR so với phương pháp viễn thám quang học.
(Nguồn:[69])
Hình 2. 1: Dải phổ sóng điện từ
54
Thông thường, hệ thống RADAR hoạt động trong vùng siêu cao tần được mô tả bởi một số kí hiệu băng tần như bảng 2.1. Các băng tần này có thể được định nghĩa bằng cả tần số và độ dài bước sóng. Theo Lillesand và Kiefer [66], độ dài bước sóng sẽ quyết định đến cách thức mà bức xạ điện từ tương tác với mục tiêu trên bề mặt, ví dụ, nếu muốn xác định mức độ che phủ của rừng, thì sử dụng băng tần X sẽ rất thích hợp khi nó tương tác với từng lá cây riêng biệt, trong khi, nếu muốn xác định mật độ của rừng, thì băng tần P sẽ là sự lựa chọn tốt nhất do nó có khả năng đi qua lớp tán cây và chỉ tương tác với thân cây [54].
Bảng 2. 1: Phân loại các dải băng tần trong viễn thám RADAR
Băng tần Tần số Độ dài bước sóng
P < 300 MHz 50,00 -100,00 cm
L 1 - 2 GHz 15,00 - 30,00 cm
S 2 - 4 GHz 7,50 -15,00 cm
C 4 - 8 GHz 3,75 -7,50 cm
X 8 - 12 GHz 2,50 - 3,75 cm
2.1.1. Nguyên lý hoạt động của viễn thám RADAR
RADAR là thuật ngữ viết tắt của cụm từ “RAdio Detection And Ranging” để chỉ một kỹ thuật hay một thiết bị mà nguyên lý cơ bản dựa trên sự lan truyền của sóng điện từ. Hệ thống RADAR phát đi các tín hiệu dưới dạng xung điện từ và ghi lại phần năng lượng phản xạ (tán xạ ngược) của tín hiệu đó sau khi tương tác với các đối tượng bề mặt. Cường độ tán xạ ngược được sử dụng để phân biệt các đối tượng khác nhau, trong khi khoảng thời gian lan truyền trong không gian của tín hiệu xung điện từ cho phép xác định khoảng cách đến đối tượng và vị trị của đối tượng trên ảnh. Thông thường, các hệ thống RADAR có thể được cấu tạo gồm một ăng ten đơn đảm nhiệm
55
cả chức năng phát và thu tín hiệu (monostatic RADAR) hoặc hệ thống ăng ten đôi với một ăng ten phát và thu tín hiệu, còn một ăng ten chỉ thu tín hiệu được phát bởi ăng ten kia (bistatic RADAR) [54].
Phương pháp thu nhận ảnh RADAR được sử dụng phổ biến nhất hiện nay là phương pháp RADAR quét nghiêng (side-looking RADAR). Hình 2.2 mô tả nguyên lý chụp ảnh của RADAR quét nghiêng. Vật mang (vệ tinh) di chuyển trên quỹ đạo của nó ở độ cao H theo hướng phương vị (azimuth/along-track). Hệ thống RADAR tạo ảnh không thu nhận dữ liệu ở vị trí thẳng đứng (nadir) mà sử dụng cấu hình với một góc quét nghiêng θv về một bên và theo hướng vuông góc với hướng bay (across-track/range). Khi đó, chùm tia RADAR sẽ quét một dải (swath) trên bề mặt thực địa có độ rộng được giới hạn bởi trị đo khoảng cách gần (near range) và trị đo khoảng cách xa (far range).
Hình 2. 2: Nguyên lý chụp ảnh RADAR quét nghiêng
56
2.1.2. Cơ sở vật lý của ứng dụng viễn thám RADAR trong xác định sinh khối rừng
Các thành phần của cây (lá, thân, vỏ, cành…) có hằng số điện môi tương đối (dielectricity contant hay relative permittivity) không đồng nhất và khác với môi trường xung quanh (không khí, đất). Sóng RADAR có bước sóng lớn hơn kích thước các thành phần của cây, có khả năng xuyên thấu qua tán lá cây tương tác với các thành phần của cây. Các thành phần của cây, với sự đa dạng về kích thước, hướng, độ ẩm sẽ tương tác với sóng RADAR. Vì sinh khối của thực vật cũng là hàm của các thành phần của cây, bao gồm kích thước, độ ẩm, các thông số có quan hệ trực tiếp với tín hiệu tán xạ ngược thu nhận tại đầu thu SAR, do vậy dựa vào trị đo SAR có thể xác định được giá trị sinh khối của thực vật.
Hằng số điện môi tương đối của thực vật được quy định bởi tỷ trọng của nước trong thực vật, vì hằng số điện môi tương đối của nước lớn hơn các hợp chất khác chứa trong cây với giá trị bằng 81. Hằng số điện môi của thực vật ngoài sự phụ thuộc vào hàm lượng nước trong cây còn phụ thuộc vào sự tập trung của các ion trong tế bào thực vật [71].
Mối liên hệ phức hợp của hằng số điện môi tương đối được thể hiện trong công thức (2.1) [50].
∈=∈ + ×∈ (2. 1)
trong đó:
- ’ là hằng số điện môi;
- ’’ là thành phần liên quan đến hệ số dẫn xuất được tính bằng công thức (2.2);
- i là đơn vị ảo.
57
∈ ′′ = ∈ (2. 2)
trong đó:
- f là tần số;
- 0 là hằng số điện môi tương đối trong môi trường chân không.
Hằng số điện môi tương đối trong môi trường tự nhiên phụ thuộc vào độ ẩm của đối tượng. Hằng số điện môi tương đối của cây khô (vỏ cây) là rất nhỏ từ 1.5 đến 2, nhưng cũng đối tượng này khi hàm lượng nước lớn thì hằng số điện môi sẽ lên đến 60 đến 80 trong khoảng bước sóng X đến P [34, 50].
Hằng số điện môi tương đối của thực vật có liên quan đến hằng số điện môi của từng lá, cành, thân, vỏ thành phần tạo nên thực vật. Lá cây là cơ quan chủ yếu của cây làm nhiệm vụ quang hợp và trao đổi chất, hệ thống tế bào và nhựa cây chứa tương đối nhiều nước hơn so với các phần khác của cây. Trong cành cây hay thân cây, phần nhu mô ruột (heartwood), nhu mô vỏ (sapwood) và vỏ cây là ba tầng có hằng số điện môi khác nhau. Phần lớn lượng nước được chứa trong bó libe và bó gỗ của nhu mô vỏ của thân cây, vì đây là thành phần lưu chuyển chất dinh dưỡng và nước [106]. Vỏ cây thường khô nên có hằng số điện môi tương đối nhỏ, khi tia RADAR tương tác với vỏ cây, phần lớn năng lượng sẽ đâm xuyên qua và tương tác với phần thân có độ ẩm cao phía trong của vỏ cây và tán xạ trở lại đầu thu, một phần của nó cũng bị suy yếu và triệt tiêu [3].