CHƯƠNG 2. 2.1. Cơ sở khoa học
2.1.1. Cơ sở khoa học về viễn thám
Viễn thám - Remote Sensing được định nghĩa như một khoa học nghiên cứu các phương pháp thu nhận, đo lường và phân tích thông tin của đối tượng (vật thể) mà không có những tiếp xúc trực tiếp với chúng (Lê Văn Trung, 2005).
Cơ sở tư liệu của viễn thám là sóng điện từ được phát xạ hoặc bức xạ từ các vật thể, các đối tượng trên bề mặt trái đất, trong những điều kiện khác nhau thì khả năng phản xạ hoặc bức xạ của sóng điện từ sẽ có những đặc trưng riêng. Sóng điện từ có 4 tính chất cơ bản: bước sóng, hướng lan truyền, biên độ và mặt phân cực.
Mỗi một thuộc tính cơ bản này sẽ phản ánh nội dung thông tin khác nhau của vật thể, phụ thuộc vào thành phần vật chất và cấu trúc của chúng, làm cho mỗi đối tượng được xác định và nhận biết một cách duy nhất. Sóng điện từ phản xạ hoặc bức xạ từ vật thể trên bề mặt trái đất sẽ được thu nhận bằng các hệ thống thu ảnh gọi là bộ cảm (sensor). Các bộ cảm được lắp đặt trên các phương tiện (platform) kinh khí cầu, máy bay hoặc vệ tinh. Xử lý, phân tích, giải đoán (interpretation) các tấm ảnh viễn thám sẽ cho ra các thông tin về đối tượng cần nghiên cứu.
2.1.1.2. Đặc trưng phản xạ phổ của đối tượng
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. Phương pháp viễn thám chủ yếu dựa trên nguyên lý này để nhận biết, phát hiện các đối tượng, hiện tượng trong tự nhiên. Các thông tin về đặc trưng phổ phản xạ của các đối tượng tự nhiên sẽ giúp các nhà chuyên môn lựa chọn các phép xử lý ảnh để có được
24
kênh tối ưu, chứa nhiều thông tin về đối tượng nghiên cứu, đây chính là cơ sở để phân tích nghiên cứu các tính chất của đối tượng.
Dấu hiệu phổ
Phương tiện chủ yếu để nhận biết một bề mặt hoặc một đối tượng thông qua việc phản xạ và phát năng lượng. Nó bị ảnh hưởng bởi các đặc tính vật lí hoặc hoá học của vật thể trong trường năng lượng điện từ và thay đổi theo bước sóng.
Phổ phản xạ của thực vật, đất và nước
Mỗi một vật thể đều phản xạ, bức xạ, hấp thụ và phân tách sóng điện từ bằng các cách thức khác nhau. Các đặc trưng này được gọi là đặc trưng phản xạ phổ của đối tượng và chính chúng là tín hiệu để nhận biết đối tượng trong kỹ thuật viễn thám. Năng lượng bức xạ mặt trời sau khi chiếu xuống mặt đất, tiếp cận với vật thể sẽ được chia làm 3 phần:
• Năng lượng bị hấp thụ.
• Năng lượng truyền qua vật thể và phản xạ trở lại.
• Năng lượng phản xạ ngay từ bề mặt tiếp xúc.
Trong 3 phần trên thì năng lượng phản xạ, bao gồm phản xạ trực tiếp từ bề mặt đối tượng và phản xạ sau khi truyền qua vật thể là nguồn tư liệu, là phương tiện truyền tin trong kỹ thuật viễn thám. Tùy thuộc vào bản chất của đối tượng, phần năng lượng truyền qua sau khi bị tán xạ bởi cấu trúc bên trong, khi phản xạ trở lại sẽ có thành phần đặc trưng cho tính chất của từng đối tượng.
Cấu trúc bề mặt của vật thể đóng vai trò quan trọng đối với tính chất phản xạ năng lượng. Vật thể có bề mặt phẳng, mịn các tia phản xạ sẽ có cùng một hướng, bề mặt vật thể thô ráp, tia phản xạ truyền đi mọi hướng. Các đối tượng tự nhiên phủ trên bề mặt rất đa dạng và phức tạp, để nghiên cứu đặc trưng phản xạ phổ cần phải khái quát và phân loại. Có nhiều quan điểm phân loại và cách gọi, nhưng phổ biến nhất là phân làm 3 loại nhóm chính (Hình 2.1)
25
Hình 2.1. Đặc trưng phản xạ phổ của một số đối tượng tự nhiên chính.
(Nguồn: Lê Văn Trung, 2010) - Nhóm thực vật.
Đặc trưng phản xạ phổ của lớp phủ thực vật: bức xạ mặt trời khi tới bề mặt lá cây, phần trong vùng sóng đỏ (red) và xanh lơ (blue) bị chất diệp lục hấp thụ phục vụ cho quá trình quang hợp, vùng sóng lục (green) và vùng hồng ngoại sẽ phản xạ khi gặp nhiều chất diệp lục của lá (khi thực vật khoẻ mạnh). Khi thực vật yếu, diệp lục tố giảm đi thì khả năng phản xạ vùng sóng đỏ trội hơn nên lá cây có màu vàng (tổ hợp màu green – red) hoặc đỏ trong điều kiện khí hậu lạnh.
Sự khác nhau về đặc trưng phản xạ phổ của thực vật phụ thuộc vào các yếu tố cấu tạo trong và ngoài của cây (hàm lượng sắc tố diệp lục, cấu tạo mô bì, thành phần và cấu tạo biểu bì, hình thái lá…), thời kỳ sinh trưởng (tuổi cây, giai đoạn sinh trưởng…) và tác động ngoại cảnh (điều kiện sinh trưởng, điều kiện chiếu sáng, thời tiết, vị trí địa lý…). Tuy vậy, đặc trưng phổ phản xạ của lớp phủ thực vật vẫn mang những đặc điểm chung: Phản xạ ở vựng súng hồng ngoại gần (λ > 0,720àm), hấp thụ mạnh ở vựng súng đỏ (λ= 0,680 – 0,270 àm).
- Nhóm phi thực vật (đất trống, công trình xây dựng, dân cư…):
Đặc trưng phản xạ phổ của nhóm phi thực vật: đường biểu diễn đặc trưng các phản xạ phổ của lớp phủ thổ nhưỡng có dạng tăng dần từ vùng tử ngoại đến hồng
26
ngoại một cách đơn điệu, ít có những cực đại và cực tiểu một cách rõ ràng. Lý do chính là các yếu tố của đất phức tạp và không rõ ràng như ở thực vật. Khả năng phản xạ phổ phụ thuộc chủ yếu vào bản chất lý hoá của đất, hàm lượng hữu cơ, độ ẩm, cấu trúc (tỷ lệ cát, bột và sét), trạng thái, bề mặt, thành phần cơ giới của đất.
Điều này làm cho đường cong biến động nhiều quanh một giá trị trung bình. Tuy nhiên, quy luật chung là giá trị phổ của đất tăng dần về phía có bước sóng dài.
- Nhóm nước:
Đặc trưng phản xạ phổ của nước: khả năng phản xạ phổ của nước cũng thay đổi theo bước sóng của bức xạ chiếu tới và thành phần vật chất có trong nước. Nước chỉ phản xạ mạnh ở vùng sóng của tia xanh lơ (blue) và yếu dần khi sang vùng tia xanh lục (green), triệt tiêu ở cuối dải sóng đỏ. Ngoài ra nó còn phụ thuộc vào bề mặt và trạng thái của nước.
2.1.1.3. Cơ sở viễn thám chuỗi thời gian
Viễn thám chuỗi thời gian là phân tích các dữ liệu viễn thám được thu thập trong khoảng thời gian liên tục và có chu kỳ dữ liệu gần nhau. Ngoài đặc trưng về không gian, viễn thám chuỗi thời gian còn mang đặc trừng về thời gian. Việc kết hợp đặc trưng không gian và thời gian giúp các phép phân tích dữ liệu viễn thám như phân tích biến động, xu hướng và các mô hình dự báo cho bề mặt Trái đất trở nên hiệu quả. Sự kết hợp dữ liệu theo chuỗi thời gian và từ các bộ cảm biến khác nhau giúp tăng độ chính xác trong các ứng dụng liên quan đến lớp phủ thực vật như xác định các loại che phủ, biến đổi lớp phủ thực vật, giám sát biến động rừng,…
27
t
x
y
(a) Mô tả viễn thám chuỗi thời gian (b) Giá trị NDVI trung bình hằng năm tại một điểm cụ thể
Hình 2.2. Viễn thám chuỗi thời gian
Trên hình 2.2(a) mô tả không gian 4 chiều của viễn thám chuỗi thời gian bao gồm: trục x và y đại diện cho đặc trưng không gian, trục t đại diện cho đặc trưng thời gian. Hình 2.2(b) thể hiện sự thay đổi theo thời giản của một điểm cụ thể.
Phân tích thống kê được xem là cách tiếp cận phổ biến trong việc phân tích dữ liệu viễn thám chuỗi thời gian hiện nay.