Hệ thống viễn thõm thường bao gồm 7 phần tử cụ quan hệ chặt chẽ với nhau. Theo trớnh tự hoạt ũộng của hệ thống, chỷng thể hiện như hớnh 3.4:
Nguồn năng lượng (A): Thỏnh
phần ũầu tiởn của một hệ thống viễn thõm lỏ nguồn năng lượng ũể chiếu sõng hay cung cấp năng lượng ũiện từ tới ũối tượng quan tóm. Cụ loại viễn thõm sử dụng năng lượng mặt trời, cụ loại tự cung cấp năng lượng tới ũối tượng. Thừng tin viễn thõm thu thập ũược lỏ dựa vỏo năng lượng từ ũối tượng ũến
thiết bị nhận, nếu khừng cụ nguồn năng lượng chiếu sõng hay truyền tới ũối tượng sẽ khừng cụ năng lượng ũi từ ũối tượng ũến thiết bị nhận.
Những tia phõt xạ vỏ khợ quyển (B): Năng lượng ũi từ nguồn năng lượng tới
ũối tượng nởn sẽ phải tõc ũộng qua lại với vỳng khợ quyển nơi năng lượng ũi qua. Sự tương tõc nỏy cụ thể lặp lại ở một vị trợ khừng gian nỏo ũụ vớ năng lượng cún phải ũi theo chiều ngược lại, tức lỏ từ ũối tượng ũến bộ cảm.
Sự tương tõc với ũối tượng (C): Một khi ũược truyền qua khừng khợ ũến ũối
tượng, năng lượng sẽ tương tõc với ũối tượng tuỳ thuộc vỏo ũặc ũiểm của cả ũối tượng vỏ sụng ũiện từ. Sự tương tõc nỏy cụ thể lỏ truyền qua ũối tượng, bị ũối tượng hấp thu hay bị phản xạ trở lại vỏo khợ quyển.
Thu nhận năng lượng bằng bộ cảm (D) Sau khi năng lượng ũược phõt ra hay
bị phản xạ từ ũối tượng, chỷng ta cần cụ một bộ cảm từ xa ũể tập hợp lại vỏ thu nhận sụng ũiện từ. Năng lượng ũiện từ truyền về bộ cảm mang thừng tin về ũối tượng.
Sự truyền tải, thu nhận vỏ xử lý (E) Năng lượng ũược thu nhận bởi bộ cảm
cần phải ũược truyền tải, thường dưới dạng ũiện từ, ũến một trạm tiếp nhận-xử lý nơi dữ liệu sẽ ũược xử lý sang dạng ảnh. Ảnh nỏy chợnh lỏ dữ liệu thừ.
Giải ũoõn vỏ phón tợch ảnh (F): Ảnh thừ sẽ ũược xử lý ũể cụ thể sử dụng ũược. Để lấy ũược thừng tin về ũối tượng người ta phải nhận biết ũược mỗi hớnh ảnh trởn ảnh tương ứng với ũối tượng nỏo. Cừng ũoạn ũể cụ thể “nhận biết” nỏy gọi lỏ giải ũoõn ảnh. Ảnh ũược giải ũoõn bằng một hoặc kết hợp nhiều phương phõp. Cõc phương phõp nỏy lỏ giải ũoõn thủ cừng bằng mắt, giải ũoõn bằng kỹ thuật số hay cõc cừng cụ ũiện tử ũể lấy ũược thừng tin về cõc ũối tượng của khu vực ũọ chụp ảnh.
Ứng dụng (G): Đóy lỏ phần tử cuối cỳng của quõ trớnh viễn thõm, ũược thực hiện khi ứng dụng thừng tin mỏ chỷng ta ũọ chiết ũược từ ảnh ũể hiểu rử hơn về ũối tượng mỏ chỷng ta quan tóm, ũể khõm phõ những thừng tin mới, kiểm nghiệm những thừng tin ũọ cụ ... nhằm giải quyết những vấn ũề cụ thể.
4. Yếu tốảnh hưởng ũến năng lượng sụng ũiện từ
Năng lượng của sụng ũiện từ khi lan truyền qua mừi trường khợ quyển sẽ bị cõc phần tử khợ hấp thụ dưới cõc hớnh thức khõc nhau tỳy thuộc vỏo từng bước sụng cụ thể. Trục ngang trong hớnh 3.5 thể hiện giõ trị bước sụng vỏ trục ũứng thể hiện % năng lượng ứng với từng bước sụng cụ thể khi truyền qua khợ quyển. Cõc vỳng phổ mỏ khừng bị ảnh hưởng mạnh bởi mừi trường khợ quyển (cún ũược gọi lỏ cửa sổ khợ quyển) sẽ ũược chọn ũể sử dụng cho việc thu nhận ảnh viễn thõm. Cõc bước sụng ngắn hơn 0,3Ếm hầu như bị hấp thụ bởi tầng ễzừn, nhưng vỳng õnh sõng khả kiến do mặt trời cung cấp rất ợt bị hấp thu bởi khợ quyển vỏ năng lượng sụng ũiện từ ứng với bước sụng 0,5Ếm cụ ưu thế cho việc thu nhận ảnh viễn thõm. Bức xạ nhiệt của trõi ũất cụ năng lượng cao nhất tại bước sụng 10Ếm trong vỳng cửa số khợ quyển vỏ sụng vừ tuyến cao tần với bước sụng lớn hơn 1mm cũng rất ợt bị hấp thu bởi khợ quyển. Do ũụ, ảnh viễn thõm nhận ũược thường dựa vỏo sự ũo lường năng lượng phản xạ của sụng ũiện từ nằm trong vỳng sụng vừ tuyến cao tần (ảnh Rada) lỏ trường hợp ngoại lệ khừng sử dụng năng lượng mặt trời.
Trong viễn thõm, người ta thường quan tóm ũến khả năng lan truyền sụng ũiện từ trong khợ quyển, vớ cõc hiện tượng vỏ cơ chế tương tõc giữa sụng ũiện từ với khợ quyển sẽ cụ tõc ũộng mạnh ũến thừng tin ũược thu nhận bởi bộ cảm biến. Khợ quyển cụ ũặc ũiểm quan trọng ũụ lỏ tương tõc khõc nhau ũối với bức xạ ũiện từ cụ bước sụng khõc nhau. Đối với viễn thõm quang học, nguồn năng lượng cung cấp chủ yếu lỏ do mặt trời vỏ sự cụ mặt cũng như thay ũổi cõc phón tử nước vỏ khợ (theo khừng gian vỏ thời gian) cụ trong lớp khợ quyển lỏ nguyởn nhón chủ yếu góy nởn sự biến ũổi năng lượng phản xạ từ mặt ũất ũến bộ cảm biến. Khoảng 75% năng lượng mặt trời khi chạm ũến lớp ngoỏi của khợ quyển ũược truyền xuống mặt ũất vỏ trong quõ trớnh lan truyền sụng ũiện từ luừn bị hấp thu, tõn xạ vỏ khỷc xạ bởi khi quyển trước khi ũến bộ cảm biến. Cõc loại khợ như Oxy, Nitơ, Cacbonic, ễzừn, hơi nước,… vỏ cõc phần tử lơ lửng trong khợ quyển lỏ tõc nhón chợnh ảnh hưởng ũến sự suy giảm năng lượng sụng ũiện từ trong quõ trớnh lan truyền.
Để hiểu rử hơn cơ chế tương tõc giữa sụng ũiện từ vỏ khợ quyển, việc chọn phổ ũiện từ ũể sử dụng cho việc thu nhận ảnh viễn thõm. Bảng 3.1 thể hiện ũặc ũiểm của cõc dải phổ ũiện từ thường ũược sử dụng trong cừng nghệ viễn thõm.
Bảng 3.1: Đặc ũiểm của dải phổ ũiện từ sử dụng trong cừng nghệ viễn thõm
Dải phổũiện từ ước sụng Đặc ũiểm
Tia cực tợm 0,3 ứ0,4Ếm Hấp thụ mạnh bởi khợ quyển ở tầng cao (tầng ễzừn), khừng thể thu nhận năng lượng do dải sụng nỏy cung cấp nhưng hiện tượng nỏy lại bảo vệ con người trõnh bị tõc ũộng bởi tia cực tợm Khả kiến 0,4ứ0,76Ếm Rất ợt bị hấp thu bởi ễxy, hơi nước vỏ năng lượng
phản xạ cực ũại ứng với bước sụng 0,5Ếm trong khợ quyển. Năng lượng do dải sụng nỏy cung cấp giữ vai trú quan trọng trong viễn thõm
Hồng ngoại gần trung bớnh
0,77ứ1,34Ếm 1,55ứ2,4Ếm
Năng lượng phản xạ mạnh ứng với cõc bước sụng hồng ngoại gần từ 0,77ứ0,9Ếm. Sử dụng trong chụp ảnh hồng ngoại theo dửi sự biến ũổi thực vật từ 1,55ứ2,4Ếm Hồng ngoại
nhiệt
3ứ22Ếm Một số vỳng bị hấp thụ mạnh bởi hơi nước, dải sụng nỏy giữ vai trú trong phõt hiện chõy rừng vỏ hoạt ũộng của nỷi lửa từ 3,5ứ5Ếm. Bức xạ nhiệt của trõi ũất cụ năng lượng cao nhất tại bước sụng 10Ếm Vừ tuyến
(Rada)
1mmứ30cm Khợ quyển khừng hấp thụ mạnh năng lượng cõc bước sụng lớn hơn 2cm, cho phờp thu nhận năng lượng cả ngỏy lẫn ũởm, khừng ảnh hưởng bởi móy, sương mỳ hay mưa.
5. Phón loại ảnh viễn thõm
Viễn thõm cụ thể ũược phón thỏnh 3 loại cơ bản ứng với vỳng bước sụng sử dụng:
a. Viễn thõm trong dải sụng nhớn thấy vỏ hồng ngoại phản xạ
Nguồn năng lượng chợnh lỏ bức xạ mặt trời vỏ ảnh viễn thõm nhận ũược dựa vỏo sự ũo lường năng lượng vỳng õnh sõng khả kiến vỏ hồng ngoại ũược phản xạ từ
vật thể vỏ bề mặt trõi ũất. Ảnh thu ũược bởi cừng nghệ viễn thõm nỏy ũược gọi chung lỏ ảnh quang học.
b. Viễn thõm hồng ngoại nhiệt
Nguồn năng lượng sử dụng lỏ bức xạ nhiệt do chợnh vật thể sản sinh ra, hầu như mỗi vật thể trong nhiệt ũộ bớnh thường ũều tự phõt ra một bức xạ. Ảnh thu ũược bởi cừng nghệ viễn thõm nỏy gọi lỏ ảnh nhiệt
Hớnh 3.6: Nguồn năng lượng chợnh lỏ bức xạ mặt trời
c. Viễn thõm siởu cao tần
Trong viễn thõm siởu cao tần, hai loại kỹ thuật chủ ũộng vỏ bị ũộng ũều ũược õp dụng. Viễn thõm bị ũộng ghi lại năng lượng sụng vừ tuyến cao tần với bước sụng lớn hơn 1mm mỏ ũược bức xạ tự nhiởn hoặc phản xạ từ một số ũối tượng.
Trong hớnh 3.7a: Năng lượng nhận ũược cụ thể lỏ từ bức xạ của khợ quyển (1); phản xạ từ mặt ũất (2); bức xạ do chợnh vật thể phõt ra (3) hay dựa vỏo bức xạ của mặt ũất (4).
Vớ cụ bước sụng dỏi nởn năng lượng thu nhận ũược của cừng nghệ viễn thõm siởu cao tần bị ũộng thấp hơn so với viễn thõm trong dải sụng khả kiến. Đối với viễn thõm siởu cao tần chủ ũộng (Radar – Radio detection and ranging), vệ tinh cung cấp năng lượng riởng vỏ phõt trực tiếp ũến cõc vật thể, rồi thu lại năng lượng do sụng phản xạ lại từ cõc vật thể. Cường ũộ năng lượng phản xạ ũược ũo lường ũể phón biệt giữa cõc ũối tượng với nhau. Ảnh thu ũược bởi kỹ thuật kiễn thõm nỏy ũược gọi lỏ ảnh Rada, hai loại cừng nghệ viễn thõm siởu cao tần (bị ũộng vỏ chủ ũộng) thường ũược sử dụng trong việc tạo ảnh rada ũược thể hiện hớnh 3.7.
Hớnh 3.7: (a-viễn thõm bị ũộng) (b, c- viễn thõm chủ ũộng) (b)
6. Tổng thể về vật mang
Để bộ cảm biến thu nhận năng lượng bức xạ vỏ phõt xạ từ cõc vật thể trởn bề mặt ũất tạo ra ảnh quang học hay ảnh rada, cõc bộ cảm biến ũược bố trợ trởn vật mang lỏ một phương tiện dỳng ũể ũưa cõc bộ cảm ũến một ũộ cao vỏ vị trợ mong muốn sao cho việc thu nhận thừng tin từ mặt ũất ũạt hiệu quả nhất, ũõp ứng cho nhiều mục ũợch ứng dụng khõc nhau.
Vệ tinh vỏ mõy bay lỏ những vật mang cơ bản thường ũược sử dụng trong viễn thõm. Chụp ảnh từ mõy bay (tạo ảnh hỏng khừng) cụ thể xem lỏ dạng ũầu tiởn của viễn thõm vỏ tồn tại như một phương phõp ũược sử dụng khõ rộng rọi trong thỏnh lập bản ũồ ũịa hớnh vỏ chuyởn ũề phục vụ cừng tõc quản lý tỏi nguyởn thiởn nhiởn vỏ giõm sõt mừi trường cũng như quy hoạch vỏ quản lý ũộ thị…
Ngoỏi ra cún cụ nhiều loại vật mang khõc cụ ũộ cao hoạt ũộng từ vỏi chục mờt trở lởn như thang trượt của cõc cần cẩu, mõy bay khừng người lõi,… ũể chụp ảnh cõc khu vực nhỏ trởn mặt ũất, khinh khợ cầu cỳng ũể nghiởn cứu nhiều ũối tượng khõc nhau, tỏu con thoi thực hiện theo cõc chương trớnh thợ nghiệm khõc nhau.
Hớnh 3.8: Cõc dạng vật mang ũược sử dụng trong cừng nghệ viễn thõm. (a – vật mang lỏ cần cẩu, b – vật mang lỏ khinh khợ cầu, c – vật mang lỏ mõy bay, d – vật mang lỏ vệ tinh)
Vệ tinh nhón tạo bao gồm những vật mang ũược phụng vỏo khừng gian vỏ chuyển ũộng theo những quỹ ũạo nhất ũịnh phục vụ cừng tõc liởn lạc viễn thừng, ũịnh vị vỏ hỏng hải, thõm sõt khợ tượng vỏ quan sõt mặt ũất….
Vệ tinh viễn thõm cho phờp nhớn thấy một vỳng rộng trởn mặt ũất bao gồm tất cả cõc ũối tượng vỏ cụ ưu thế lỏ cung cấp ảnh ũa
phổ, ũa thời gian cho toỏn thế giới. Ảnh vệ tinh cụ cõc ưu ũiểm sau:
- Bao phủ một vỳng rộng lớn trởn trõi ũất - Khu vực cần nghiởn cứu ũược chụp lặp lại thường xuyởn nhiều lần theo chu kỳ.
- Ảnh ũược xử lý vỏ phón tợch trởn mõy tợnh - Chi phợ tương ũối thấp tợnh trởn một ũơn vị diện tợch vỳng phủ của ảnh.
Tuy nhiởn, ảnh vệ tinh cụ ũộ phón giải mặt ũất thấp hơn so với ảnh hỏng khừng. Hiện nay, trởn thị trường chỉ cung cấp ảnh vệ tinh cụ ũộ phón
giải cao nhất lỏ 0,6m nhưng trong tương lai gần với việc phụng cõc vệ tinh thương mại sẽ cho phờp cung cấp cõc ảnh cụ ũộ phón giải cao hơn rất nhiều. Tuy nhiởn, giõ thỏnh
(a) (b) (c) (d)
Hớnh 3.9 : Cõc vệ tinh nhón tạo thừng dụng ũang ũược sử dụng
của ảnh viễn thõm ũộ phón giải cao thường lỏ yếu tố chợnh trong việc chọn lựa giữa cõc nhỏ cung cấp loại ảnh vệ tinh.
Hớnh 3.9 thể hiện cõc vệ tinh nhón tạo thừng dụng ũang ũược sử dụng trong cừng nghệ viễn thõm cụ quỹ ũạo hoạt ũộng vỏ ũộ phón giải khõc nhau.
Cõc vệ tinh nhón tạo thường chuyển ũộng theo lộ trớnh ũọ ũược thiết kế trước sao cho phỳ hợp với khả năng vỏ mục tiởu của bộ cảm biến ũược ũặt trởn vệ tinh. Lộ trớnh ũược thiết kế ũể vệ tinh chuyển ũộng trong vũ trụ sẽ ũược xõc ũịnh bởi 6 thừng số cơ bản theo ũịnh luật Kepler õp dụng cho cõc vật thể chuyển ũộng trong vũ trụ ũược gọi lỏ quỹ ũạo của vệ tinh. Sự lựa chọn quỹ ũạo tỳy thuộc vỏo giõ trị của tập hợp cõc thừng số cơ bản nỏy; thừng thường cõc vệ tinh khõc nhau sẽ chuyển ũộng theo những quỹ ũạo khõc nhau ũược phón biệt bởi:
- Những ũộ cao khõc nhau so với mặt ũất
- Theo quỹ ũạo elip nằm trong một mặt phẳng cụ gục nghiởng khõc nhau so với mặt phẳng xợch ũạo.
- Theo thời gian vệ tinh di chuyển hoỏn tất một vúng quay trởn quỹ ũạo, cún ũược gọi lỏ chu kỳ của quỹ ũạo.
- Theo khoảng thời gian cố ũịnh mỏ vệ tinh trở lại ũỷng vị trợ chụp ảnh ban ũầu, cún ũược gọi lỏ chu kỳ lặp lại của vệ tinh (do bộ cảm biến cụ trường nhớn cố ũịnh, nởn khi vệ tinh di chuyển sẽ tạo nởn tuyến chụp trởn mặt ũất cụ bề rộng cố ũịnh cún ũược gọi lỏ ũộ rộng của tuyến chụp. Vớ trõi ũất quay nởn vệ tinh sẽ chụp ảnh theo tuyến khõc trởn mặt ũất sau mỗi chu kỳ tiếp theo, sau khoảng thời gian cố ũịnh vệ tinh sẽ lặp lại vị trợ ban ũầu vỏ thời gian nỏy ũược gọi lỏ tần suất lặp lại hay chu kỳ lặp).
Cao ũộ vệ tinh ảnh hưởng ũến ũộ phón giải mặt ũất của ảnh khi khả năng của bộ cảm biến lỏ cố ũịnh, chu kỳ lặp lại của vệ tinh giữ vỏo trú rất quan trọng trong việc cung cấp ảnh ũa thời gian phục vụ cừng tõc giõm sõt liởn tục cõc biến ũộng trởn bề mặt ũất. Hớnh 3.10 minh họa quỹ ũạo, tuyến chụp vỏ khả năng chụp phủ toỏn bộ mặt ũất của vệ tinh khi lựa chọn cõc thừng số cơ bản của quỹ ũạo ũể phỳ hợp với khả năng vỏ mục tiởu của bộ cảm biến ũược ũặt trởn vệ tinh.
(c) (d)
Hớnh 3.10
(a) Quỹ ũạo của vệ tinh nhón tạo (b) Tuyến chụp tạo ra khi vệ tinh di chuyển (c) Tuyến mới ũược tạo ra do trõi ũất quay (d) Vỳng chụp trởn mặt ũất của vệ tinh
Nhớn chung dựa theo quỹ ũạo chuyển ũộng của vệ tinh so với trõi ũất vỏ mặt trời cụ thể chia quỹ ũạo vệ tinh thỏnh cõc loại cơ bản sau:
Q2 [ũạo ũồng bộ3r4i ũấ3: lỏ quỹ ũạo mỏ vệ tinh chuyển ũộng cỳng một vận tốc gốc với trõi ũất, nghĩa lỏ vệ tinh quay một vúng trởn quỹ ũạo mất khoảng thời gian 24giờ hay 86.164,1 gióy. Vệ tinh chuyển ũộng trởn quỹ ũạo ũồng bộ trõi ũất vỏ nếu mặt phẳng quỹ ũạo trỳng với mặt phẳng xợch ũạo (cụ gục nghiởn bằng khừng) ũược gọi lỏ quỹ ũạo ũịa tĩnh. Cõc vệ tinh ũịa tĩnh cụ ũộ cao khoảng 3.600km vỏ luừn treo lơ lửng tại một ũiểm trởn khừng trung (ũứng yởn so với bề mặt trõi ũất). Do vậy, vệ tinh ũịa tĩnh cho phờp quan sõt vỏ thu thập thừng tin liởn tục trởn một vỳng cụ thể vỏ ũược sử dụng thợch hợp vỏo mục ũợch quan sõt khợ tượng hoặc truyền tin… Với ũộ cao lớn, cõc vệ tinh khợ tượng ũịa tĩnh cụ thể giõm sõt thời tiết vỏ dạng móy bao phủ trởn toỏn bộ bõn cầu của trõi ũất.
Q2ỹ ũạo ũồng bộ mặ3 35ời: lỏ quỹ ũạo cho phờp vệ tinh chuyển ũộng theo hướng Bắc – Nam kết hợp với chuyển ũộng quay của trõi ũất (Tóy – Đừng) sao cho vệ tinh luừn luừn nhớn ũược bề mặt trõi ũất tại thời ũiểm cụ sự chiếu sõng tốt nhất của mặt trời. Như vậy gục nghiởng của mặt phẳng quỹ ũạo nỏy gần với gục nghiởng của trục quay của trõi ũất (so với mặt phẳng xợch ũạo) nởn cún ũược gọi lỏ quỹ ũạo gần cực.