Tải bản đầy đủ
CÁC BỀ MẶT KHÔNG THẤM

CÁC BỀ MẶT KHÔNG THẤM

Tải bản đầy đủ

Trường Đại học Mỏ - Địa chất

Đ ồ án t ốt

nghiệp

- Việc ghi năng lượng của bộ cảm biến: sau khi năng lượng bị tán xạ hoặc phát
xạ từ đối tượng, một bộ cảm biến để thu nhận và ghi lại sóng điện từ.
- Sự truyền tải, nhận và xử lý: năng lượng được ghi nhận bởi bộ cảm biến phải
được truyền tải đến một trạm thu nhận và xử lý. Năng lượng được truyền đi thường ở
dạng điện. Trạm thu nhận sẽ xử lý năng lượng này để tạo ra ảnh dưới dạng hardcopy
hoặc là số.
- Sự giải đoán và phân tích: ảnh được xử lý ở trạm thu nhận sẽ được giải đoán
trực quan hoặc được phân loại bằng máy để tách thông tin về đối tượng.
- Ứng dụng: đây là thành phần cuối cùng trong qui trình xử lý của công nghệ
viễn thám. Thông tin sau khi được tách ra từ ảnh có thể được ứng dụng để hiểu tốt hơn
về đối tượng, khám phá một vài thông tin mới hoặc hỗ trợ cho việc giải quyết một vấn
đề cụ thể.

Hình 2.1: Mô hình nguyên tắc hoạt động của viễn thám
2.1.3. Đặc điểm phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên
Do các tính chất của vật thể (thực vật, đất, nước, nhà ở…) có thể được xác định
thông qua năng lượng bức xạ hay phản xạ từ vật thể nên viễn thám là một công nghệ
giúp xác định và nhận biết đối tượng hoặc các điều kiện môi trường thông qua những
đặc trưng riêng về phản xạ và bức xạ.

SV: Lê Thanh Huỳnh

Trắc Địa Mỏ - CT K56

Trường Đại học Mỏ - Địa chất

Đ ồ án t ốt

nghiệp

Các đối tượng khác nhau sẽ có sự phản xạ, hấp thụ và xuyên qua đối với sóng
điện từ khác nhau theo từng bước sóng. Thuộc tính quan trọng này có thể cho phép các
nhà khoa học có thể xây dựng một đường cong phản xạ phổ cho từng đối tượng. Trên
cơ sở so sánh đường cong phản xạ phổ giữa các đối tượng với nhau, có thể giúp phát
hiện và tách biệt các đối tượng này (Trần Thống Nhất, Nguyễn Kim Lợi, 2009).

Hình 2.2: Đường cong phản xạ phổ của các đối tượng
Những đối tượng trên mặt đất có thể tổng quát thành ba đối tượng chính lớp
phủ thực vật, đất (cát, đá, các công trình xây dựng) và nước. Mỗi loại đối tượng này có
mức độ phản xạ khác nhau (hình 2.2).
Sau đây là tóm tắt đặc điểm phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên chính trong
viễn thám.
Đất: đường cong phổ phản xạ của đất trống tăng đều từ vùng sóng tử ngoại, có
hình dáng đơn giản và tương đối đồng đều. Cơ chế phản xạ của đất được minh họa như
hình 2.3

SV: Lê Thanh Huỳnh

Trắc Địa Mỏ - CT K56

Trường Đại học Mỏ - Địa chất

nghiệp

Đ ồ án t ốt

Hình 2.3: Cơ chế phản xạ phổ của đất
Năng lượng mặt trời (Fo) khi chiếu xuống mặt đất, một phần (F1) sẽ phản xạ lại
môi trường ngay khi tiếp xúc với bề mặt đất tạo nên độ chói trên ảnh viễn thám. Phần
còn lại đi vào bề mặt lớp đất phủ, phần lớn năng lượng này bị đất hấp thụ và chuyển
hóa thành năng lượng khác, phần nhỏ còn lại (F2) sẽ bị phản xạ khi gặp các hạt vật
chứa trong đất. Như vậy F2 là năng lượng chứa đựng các thông tin về thành phần, bản
chất các loại đất, đá (Phạm Quang Vinh 2004). Khả năng phản xạ phổ của đất trống
phụ thuộc vào bản chất hóa lý của đất như: loại đất, hàm lượng các vật chất hữu cơ, độ
ẩm, trạng thái bề mặt, thành phần cơ giới của đất.
Trên ảnh viễn thám (ở tất cả các kênh) đất trống thường có màu trắng sáng
hơn các đối tượng khác, đất càng khô, ảnh càng sáng và lóa, gây ảnh hưởng đến thu
nhận thông tin đối tượng khác. Do đó khi nghiên cứu các thuật toán triết xuất thông
tin trên ảnh cần tính giảm các sai số tối đa về phổ do ánh hưởng sáng hóa của đất.
Tuy nhiên quy luật chung là giá trị phổ phản xạ của đất tăng dần về phía sóng có
bước sóng dài. Các cực trị hấp thụ phổ do hơi nước cũng diễn ra ở vùng 1,4; 1,9 và
2,7 µm.
Bên cạnh các đặc trưng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên cơ bản, Root và
Mille nghiên cứu và đưa ra các đặc trưng phản xạ phổ của một số đối tượng chính
trong đô thị như bê tông, ván lợp, nhựa đường và đất trống các đặc trưng này là thông
tin quan trọng giúp giải đoán các đối tượng bề mặt không thấm trong đô thị (Hình
2.4).

SV: Lê Thanh Huỳnh

Trắc Địa Mỏ - CT K56

Trường Đại học Mỏ - Địa chất

nghiệp

Đ ồ án t ốt

Hình 2.4: Đường cong phản xạ phổ của các đối tượng chính trong đô thị
Ta thấy đường bê tông có độ phản xạ cao nhất tăng đều từ vùng sóng tử ngoại.
Đối tượng có đường cong phản xạ biến thiên nhiều nhất là đất trống và ván lợp. Các
đường cong phản xạ của đối tượng như sỏi và nhựa đường tăng đồng đều không biến
thiên nhiều. Như vậy với các loại đất có thành phần cấu tạo hữu cơ và vô cơ khác
nhau, khả năng phản xạ phổ sẽ khác nhau. Tùy thuộc vào thành phần hợp chất mà biên
độ của đồ thị phản xạ phổ sẽ khác nhau. Các yếu tố chủ yếu ảnh hưởng đến phản xạ
phổ của đất là cấu trúc bề mặt của đất, độ ẩm của đất, thành phần hợp chất hữu cơ, vô
cơ có trong đất.
Thực vật: Khả năng phản xạ phổ của thực vật xanh thay đổi theo độ dài bước
sóng. Trên đồ thị thể hiện đường đặc trưng phản xạ phổ thực vật xanh và các vùng xạ
phổ chính.

SV: Lê Thanh Huỳnh

Trắc Địa Mỏ - CT K56

Trường Đại học Mỏ - Địa chất

Đ ồ án t ốt

nghiệp

Hình 2.5: Đường cong phản xạ phổ của thực vật
Khả năng phản xạ phổ của mỗi thực vật một khác nhau và đặc tính chung nhất
về khả năng phản xạ phổ của thực vật là:
- Ở vùng ánh sáng nhìn thấy, cận hồng ngoại và hồng ngoại khả năng phản xạ
phổ khác biệt rõ rệt.
- Ở vùng ánh sáng nhìn thấy, phần lớn năng lượng bị hấp thụ bởi clorophin có
trong lá cây, một phần nhỏ thấu qua lá, phần còn lại bị phản xạ.
- Ở vùng cận hồng ngoại, cấu trúc lá ảnh hưởng lớn đến khả năng phản xạ phổ
của lá là hàm lượng nước, ở vùng này khi độ ẩm trong lá cao, năng lượng hấp thụ là
cực đại. Ảnh hưởng của các cấu trúc tế bào là ở vùng hồng ngoại đối với khả năng
phản xạ phổ là không lớn bằng hàm lượng nước trong lá.
Nước: Cũng như các đối tượng thực vật, khả năng phản xạ phổ của nước thay đổi
theo bước sóng của bức xạ trong nước và thành phần vật chất có trong nước. Khả năng
phản xạ phổ ở đây còn phụ thuộc vào bề mặt nước và trạng thái của nước. Trên kênh
hồng ngoại và cận hồng ngoại đường bờ được phát hiện rất dễ dàng, còn một số đặc tính
của nước cần phải sử dụng dải sóng nhìn thấy để nhận biết. Thông thường trong nước
chứa nhiều tạp chất hữu cơ và vô cơ. Vì vậy, khả năng phản xạ phổ của nước phụ
thuộc vào thành phần, trạng thái của nước: Nước đục có khả năng phản xạ cao hơn
nước trong, nhất là ở những dải sóng dài.
Tóm lại, phổ phản xạ là thông tin quan trọng nhất mà viễn thám thu được về các
đối tượng. Dựa vào đặc điểm phổ phản xạ (cường độ, dạng đường cong ở các dải sóng
khác nhau) có thể phân tích, so sánh và nhận diện các đối tượng trên bề mặt.
SV: Lê Thanh Huỳnh

Trắc Địa Mỏ - CT K56

Trường Đại học Mỏ - Địa chất

nghiệp

Đ ồ án t ốt

2.1.4. Đặc điểm dữ liệu ảnh viễn thám
Tư liệu ảnh viễn thám bao gồm các loại ảnh hàng không và ảnh vệ tinh ở dạng
tương tự và dạng số. Vệ tinh viễn thám sử dụng các bộ cảm gắn trên vệ tinh nhân tạo
hoạt động ở nhiều bước sóng từ 400 nm đến 25 cm để thu dữ liệu về đối tượng nghiên
cứu trên trái đất. Một số bộ cảm hoạt động trong vùng nhìn thấy và cận hồng ngoại của
dải phổ cung cấp các thông số liên hệ với màu của đối tượng, thường liên quan đến
tính hóa học hay khoáng vật của đối tượng. Dữ liệu thu được từ các bộ cảm hồng
ngoại nhiệt cho biết giá trị liên quan đến nhiệt độ và các tính chất nhiệt của đối tượng.
Với những thông tin về độ nhám bề mặt và độ ẩm, có thể chiết xuất từ dữ liệu thu
được từ bước vi sóng (radar).
Ảnh vệ tinh ngày càng đa dạng cung cấp nhiều thông tin. Việc ứng dụng viễn
thám trong theo dõi sự biến động các bề mặt không thấm nói riêng và trong quan trắc
môi trường nói chung đòi hỏi phải chú ý lựa chọn dữ liệu sao cho phù hợp. Các thông
số quan trọng đặc trưng cho thông tin của một ảnh vệ tinh cần lựa chọn cho đối tượng
nghiên cứu đó là độ phân giải không gian, đọ phân giải phổ và độ phân giải thời gian.
Độ phân giải không gian
Ý nghĩa quan trọng nhất của độ phân giải không gian là cho ta biết các đối
tượng nhỏ nhất mà có thể phân biệt được trên ảnh. Ví dụ, ảnh có độ phân giải không
gian là 30 x 30m sẽ cho phép phân biệt được các đối tượng có kích thước lớn hơn 30 x
30m. Tuy hiện nay đã có những nghiên cứu về phương pháp phân loại dưới pixel,
nhưng để áp dụng rộng rãi cần được nghiên cứu thêm.

SV: Lê Thanh Huỳnh

Trắc Địa Mỏ - CT K56

Trường Đại học Mỏ - Địa chất

5m

nghiệp

Đ ồ án t ốt

30m
Hình 2.6: Độ phân giải không gian

Độ phân giải phổ:
Thông thường, tuỳ thuộc vào mục đích thu thập thông tin, mỗi loại đầu thu
được thiết kế để có thể thu nhận sóng điện từ trong một số khoảng bước sóng nhất
định. Các khoảng bước sóng này được gọi là các kênh ảnh.

Hình 2.7: Độ phân giải phổ

SV: Lê Thanh Huỳnh

Trắc Địa Mỏ - CT K56

Trường Đại học Mỏ - Địa chất

nghiệp

Đ ồ án t ốt

Độ phân giải thời gian:
Vệ tinh viễn thám chuyển động trên quỹ đạo và chụp ảnh Trái đất. Sau một
khoảng thời gian nhất định, nó quay lại và chụp lại vùng đã chụp. Khoảng thời gian
này gọi là độ phân giải thời gian của vệ tinh. Rõ ràng là với khoảng thời gian lặp càng
nhỏ thì thông tin thu thập (hay ảnh chụp) càng nhiều.

Hình 2.8: Phân giải thời gian
Tóm lại, thông tin trên ảnh viễn thám quang học là phản xạ phổ của các đối
tượng trên mặt đất, bao gồm lớp phủ thực vật, nước và đất được ghi nhận thành từng
pixel ảnh có độ phân giải không gian xác định, trên nhiều kênh phổ xác định và vào
một thời gian xác định.
2.1.5. Một số vệ tinh viễn thám cơ bản
Loại có độ phân giải thấp (>100m): MODIS (500m); SPOT Vegetation;
Loại có độ phân giải trung bình (15-100m): LANDSAT TM/ETM(30m): bao
gồm 7 kênh phổ, thường dùng để làm bản đồ hiện trạng sử dụng đất, hiệu chỉnh bản đồ
tỷ lệ nhỏ; SPOT: ảnh đen trắng độ phân giải 5 m, ảnh lập thể có thể dùng cho ứng dụng
3D; ASTER (15m);
Loại có độ phân giải cao (<10m): Quickbird: ảnh toàn sắc có độ phân giải từ
0,6-1m, ảnh đa phổ có độ phân giải 2,44-4 m; Corona (5m); IKONOS: ảnh đơn kênh có
độ phân giải 1m, ảnh đa phổ (4 kênh) độ phân giải 4m, thường dùng để hiệu chỉnh bản
đồ địa chính, tỷ lệ trung bình và lớn
Các loại ảnh vệ tinh thường dùng hiện nay:
Ảnh vệ tinh SPOT
SV: Lê Thanh Huỳnh

Trắc Địa Mỏ - CT K56

Trường Đại học Mỏ - Địa chất

Đ ồ án t ốt

nghiệp

Hình 2.9: Ảnh vệ tinh Spot
Hệ thống vệ tinh viễn thám SPOT do Trung tâm Nghiên cứu Không gian
(Centre National d’Etudes Spatiales - CNES) của Pháp chế tạo và phát triển. Vệ tinh
đầu tiên SPOT- 1 được phóng lên quỹ đạo năm 1986, tiếp theo là SPOT- 2, SPOT- 3,
SPOT- 4 và SPOT- 5 lần lượt vào các năm 1990, 1993, 1998 và 2002.
Các thế hệ vệ tinh SPOT 1, 2, 3 có đầu thu HRV với kênh toàn sắc độ phân giải
10m; ba kênh đa phổ có độ phân giải 20m. Mỗi cảnh có độ bao phủ mặt đất là 60 km x
60km. Vệ tinh SPOT 4 với kênh toàn sắc độ phân giải 10m; ba kênh đa phổ của
HRVIR tương đương với 3 kênh phổ truyền thống của HRV có độ phân giải 20m và
đầu thu ảnh kênh thực vật (Vegetation Instrument)
Vệ tinh SPOT- 5, được trang bị một cặp đầu thu HRG (High Resolution
Geometric) là loại đầu thu ưu việt hơn các loại trước đó. Mỗi một đầu thu HRG có thể
thu được ảnh với độ phân giải 5m đen - trắng và 10m mầu. Với kỹ thuật xử lý ảnh đặc
biệt, có thể đạt được ảnh độ phân giải 2,5m, trong khi đó dải chụp phủ mặt đất của ảnh
vẫn đạt 60km đến 80km. Đây chính là ưu điểm của ảnh SPOT-5, điều mà các loại ảnh
vệ tinh cùng thời khác ở độ phân giải này đều không đạt được.
Bảng 2.1: Một số thông số về các kênh phổ của ảnh SPOT 5
Kênh phổ

Tên phổ

Dải phổ
(µm)

Độ phân giải
không gian (m)

Kênh 1
Kênh 2
Kênh 3
Kênh 4

green
red
Near infrared
Mid infared

0,50-0,59
0,61-0,68
0,79-0,89
1,58-1,75

10
10
10
20

SV: Lê Thanh Huỳnh

Trắc Địa Mỏ - CT K56

Trường Đại học Mỏ - Địa chất

Panchromatic

SV: Lê Thanh Huỳnh

nghiệp
0,48-0,71

Đ ồ án t ốt

2,5 or 5

Trắc Địa Mỏ - CT K56

Trường Đại học Mỏ - Địa chất

Đ ồ án t ốt

nghiệp

Ảnh vệ tinh LANDSAT:
LANDSAT là vệ tinh tài nguyên của Mỹ do Cơ quan Hàng không và Vũ trụ
(National Aeronautics and Space Administration- NASA) quản lý. Cho đến nay đã có
7 thế hệ vệ tinh LANDSAT được nghiên cứu phát triển.

Hình 2.10: Hình vệ tinh Landsat và ảnh chụp được
Bảng 2.2: Một số thông số về các kênh phổ của ảnh Landsat TM, ETM, OLI
Vệ tinh

Landsat TM

Landsat ETM

Landsat OLI

SV: Lê Thanh Huỳnh

Kênh phổ

Dải phổ(µm)

Kênh 1
Kênh 2
Kênh 3
Kênh 4
Kênh 5
Kênh 6
Kênh 7
Kênh 1
Kênh 2
Kênh 3
Kênh 4
Kênh 5
Kênh 6
Kênh 7
Kênh 8
Kênh 1
Kênh 2
Kênh 3
Kênh 4
Kênh 5
Kênh 6
Kênh 7
Kênh 8
Kênh 9
Kênh 10
Kênh 11

0.45 – 0.52
0.52 – 0.60
0.63 – 0.69
0.76 – 0.90
1.55 – 1.75
10.4 – 12.5
2.08 – 2.35
0.45 – 0.2
0.53 – 0.61
0.63 – 0.69
0.75 – 0.90
1.55 – 1.75
10.4 – 12.5
2.09 – 2.35
0.52 – 0.90
0.433 - 0.453
0.450 - 0.515
0.525 - 0.600
0.630 - 0.680
0.845 - 0.885
1.560 - 1.660
2.100 - 2.300
0.500 - 0.680
1.360 - 1.390
10.3 - 11.3
11.5 - 12.5

Độ phân giải không
gian (m)
30
30
30
30
30
120
30
30
30
30
30
30
60
30
15
30
30
30
30
30
30
30
15
30
100
100
Trắc Địa Mỏ - CT K56