Tải bản đầy đủ
CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ VIỄN THÁM

CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ VIỄN THÁM

Tải bản đầy đủ

Trong những năm gần đây, với sự tiến bộ khoa học kỹ thuật, công nghệ
viễn thám phát triển mạnh bởi những cải tiến về vệ tinh chụp ảnh, thiết bị chụp
ảnh và các phương pháp chụp.
Những thông tin thu thập được từ công nghệ viễn thám được sử dụng vào
rất nhiều mục đích như:

Đo đạc bản đồ, hiện chỉnh bản đồ, cập nhật bản đồ, lập cơ sở dữ
liệu mới


Kiểm kê đất đai, thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất



Nghiên cứu về biến đổi khí hậu, biến động tầng ôzôn



Khí tượng, thuỷ văn, dự báo thời tiết



Ứng dụng trong nông nghiệp và lâm nghiệp



Điều tra tài nguyên khoáng sản


Theo dõi, giám sát môi trường như tràn dầu, lũ lụt, cháy rừng, xói
mòn, sạt lở đất...


Theo dõi mùa màng, giám sát tài nguyên rừng trên toàn quốc



Theo dõi giảm nhẹ thiên tai



Ứng dụng trong quản lý đới bờ



Các ứng dụng trong hải dương học

1.2. Cơ sở vật lý của viễn thám

Viễn thám là phương pháp xử lý và
phân tích các thông tin của những đối
tượng phân bố trên bề mặt Trái Đất và
được thu thập từ ba tầng không gian:
* Vũ trụ (ngoài khí quyển)
* Tầng trung (tầng khí quyển)
* Mặt đất
nhằm xác định một cách tổng hợp
những thuộc tính cơ bản của đối tượng
nghiên cứu.
Khái niệm chung của viễn thám

4

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.
Sóng điện từ được phản xạ hoặc được bức xạ từ vật thể thường là nguồn tư
liệu chủ yếu trong viễn thám. Các tính chất của vật thể có thể được xác định
thông qua các năng lượng bức xạ hoặc phản xạ từ vật thể. Viễn thám là một
công nghệ nhằm 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.

Bức xạ điện từ

Bức xạ điện từ có 4 thông số cơ bản, đó là tần số, hướng lan truyền, biên độ
và mặt phẳng phân cực. Các thông số này có thể sử dụng trong việc khai thác
thông tin ảnh. Ví dụ: tần số có thể được dùng để xác định vận tốc chuyển động
của vật thể dựa trên hiệu ứng Doppler, hướng lan truyền được sử dụng để phát
hiện các cấu trúc của đối tượng. Biên độ thể hiện mức độ sáng tối của vật thể và
được sử dụng như những phần tử giải đoán ảnh cơ bản, mặt phân cực được sử
dụng để xác định hình dạng của vật thể - ánh sáng phản xạ trên các bề mặt tương
tự nhau sẽ cho các chùm tia có mặt phẳng phân cực giống nhau.
Do ảnh hưởng của các vật chất có trong khí quyển như hơi nước, khí
CO2... mà độ truyền dẫn của khí quyển bị giảm thiểu ở nhiều bước sóng. Tại
những vùng đó bộ cảm trên vệ tinh sẽ không nhận được bức xạ từ bề mặt Trái
Đất - đồng nghĩa với việc bộ cảm trên vệ tinh sẽ không nhận dược thông tin. Ở
những vùng còn lại trong dải sóng điện từ được sử dụng trong viễn thám bức xạ
sẽ đạt tới bộ cảm. Những vùng bước sóng đó được gọi là cửa sổ khí quyển, chỉ
trong các vùng bước sóng này mà người ta mới thiết kế các băng phổ cho bộ
cảm.
Tất cả các vật thể đều phản xạ, hấp thụ, phân tách và bức xạ sóng điện từ
bằng các cách thức khác nhau và các đặc trưng này thường được gọi là đặc trưng
phổ. Đặc trưng phổ sẽ được phân tích theo nhiều cách khác nhau để nhận dạng
5

ra đối tượng trên bề mặt đất, nó sẽ cho phép giải thích được mối quan hệ giữa
đặc trưng phổ và sắc, tông màu trên ảnh tổ hợp màu để giải đoán đối tượng.
Về nguyên tắc, vệ tinh “nhìn” được tất cả các đối tượng trên bề mặt Trái
Đất bao gồm: đất, nước và thực vật. Đặc trưng phổ của các đối tượng này có thể
được biểu diễn như hình dưới:

Phân loại sóng điện từ

Đường cong phổ phản xạ

Thông qua đặc điểm về đường cong phản xạ phổ của các đối tượng người
ta thiết kế các thiết bị thu nhận sao cho tại khoảng bước sóng đó các đối tượng
có độ phản xạ phổ là dễ phân biệt nhất và ở những khoảng nằm trong bước sóng
này sự hấp thụ của khí quyển là nhỏ nhất.
Dải phổ sử dụng trong viễn thám bắt đầu từ vùng cực tím (0,3µm - 0,4µm),
vùng ánh sáng nhìn thấy (0,4µm - 0,7µm), đến vùng gần sóng ngắn và hồng
ngoại nhiệt. Trong tất cả tài liệu cơ sở về viễn thám, theo bước sóng sử dụng,
công nghệ viễn thám có thể chia làm ba nhóm chính:
1. Viễn thám trong dải sóng nhìn thấy và hồng ngoại
2. Viễn thám hồng ngoại nhiệt
6

3. Viễn thám siêu cao tần
Các loại sóng điện từ được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Ví dụ
như: Tia Gamma - Y tế và hạt nhân; Vùng nhìn thấy - Cho các phân tích bằng
mắt; Hồng ngoại - Phân biệt thảm thực vật; Nhiệt - Lửa cháy, nhiệt độ mặt
nước; Sóng ngắn - Mặt đất, mặt nước.
1.3. Đặc trưng phản xạ phổ của một số đối tượng tự nhiên
1.3.1. Tầm quan trọng của việc nghiên cứu đặc trưng phản xạ phổ đối
với tư liệu viễn thám

Đặc điểm phản xạ phổ của các đối tượng trên bề mặt Trái Đất là thông số
quan trọng nhất trong viễn thám. Độ phản xạ phổ được tính theo công thức:
ER (λ)
ρ(λ)= -------- =
E0 (λ)

Năng lượng của bước sóng λ phản xạ từ đối tượng
----------------------------------------------------------------- x 100
Năng lượng của bước sóng λ rơi vào đối tượng

ρ là độ phản xạ phổ, đó là tỷ lệ % của năng lượng rơi xuống và được phản
xạ trở lại
Do các thông tin viễn thám có liên quan trực tiếp đến năng lượng phản xạ
từ các đối tượng, nên việc nghiên cứu các tính chất quang học (chủ yếu là đặc
trưng phản xạ phổ) của các đối tượng tự nhiên đóng vai trò hết sức quan trọng
đối với việc ứng dụng có hiệu quả phương pháp viễn thám. Phần lớn các phương
pháp ứng dụng viễn thám được sử dụng hiện nay đều có liên quan trực tiếp hoặc
gián tiếp với việc nghiên cứu các đặc trưng phản xạ phổ của các đối tượng hay
nhóm đối tượng nghiên cứu. Các thiết bị ghi nhận, các loại phim chuyên dụng
với độ nhạy cảm phổ phù hợp đã được chế tạo dựa trên kết quả nghiên cứu về
quy luật phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên.
Trong lĩnh vực viễn thám, kết quả của việc giải đoán các thông tin phụ
thuộc rất nhiều vào sự hiểu biết mối tương quan giữa đặc trưng phản xạ phổ, bản
chất và trạng thái các đối tượng tự nhiên. Những thông tin về đặc trưng phản xạ
phổ sẽ cho phép các nhà chuyên môn chọn các kênh ảnh tối ưu chứa nhiều thông
tin nhất về đối tượng được nghiên cứu, đồng thời đó cũng là cơ sở dữ liệu viễn
thám để phân tích nghiên cứu các tính chất của đối tượng địa lý, tiến tới phân
loại các đối tượng đó.
1.3.2. Đặc tính phản xạ phổ của một số nhóm đối tượng tự nhiên

* Đặc tính phổ phản xạ của thực vật
Lớp phủ thực vật là đối tượng được quan tâm nhiều bởi chiếm đa số diện
tích bề mặt tự nhiên. Khả năng phản xạ phổ của thực vật xanh là dấu hiệu đặc
trưng thay đổi theo bước sóng. Trong vùng ánh sáng nhìn thấy các sắc tố của lá
7

cây ảnh hưởng đến đặc tính phản xạ phổ của nó, đặc biệt là chất Clorophin,
ngoài ra còn một số sắc tố khác cũng góp phần tạo nên phản xạ phổ của thực vật.
Nhìn chung, sự khác nhau về đặc trưng phản xạ phổ ở thực vật được xác
định bởi các yếu tố cấu tạo trong và ngoài của lá cây, tác động của ngoại cảnh
(điều kiện sinh trưởng, điều kiện chiếu sáng, thời tiết...) song đặc trưng phản xạ
phổ của lớp phủ thực vật vẫn có một quy luật chung: phản xạ mạnh ở vùng sóng
xanh (510- 575 µm) và hồng ngoại gần (>720 µm), hấp thụ mạnh ở vùng sóng
xanh tím (390- 480 µm) và sóng đỏ (680-720 µm). Đặc tính phản xạ của lá cây
được chi phối bởi các tế bào diệp lục (Clorophil) có trong cấu trúc lá. Hàm
lượng diệp lục tố sẽ biến đổi tuỳ thuộc vào tình trạng của lá cây (non hay già,
khoẻ mạnh hay sâu bệnh).
Ngoài ra, còn có sự khác nhau tương đối rõ về khả năng phản xạ phổ giữa
những nhóm cây có khả năng chịu nước khác nhau (cây chịu nước, cây trung
sinh, cây chịu hạn...), đặc biệt ở vùng hồng ngoại.
* Đặc tính phổ phản xạ của thổ nhưỡng
Trên hình đường cong biểu diễn đặc trưng phản xạ của thổ nhưỡng đơn
giản hơn so với đặc trưng phản xạ phổ của lớp phủ thực vật, tăng dần khả năng
phản xạ phổ với độ dài bước sóng đặc biệt ở vùng cận hồng ngoại và hồng
ngoại.
Trong thực tế nghiên cứu, trong đa số các trường hợp các đối tượng thực
vật và đất kết hợp với nhau tạo thành một đối tượng tổ hợp. Trong vùng ánh
sáng nhìn thấy, đất thường có hệ số phản xạ cao hơn thực vật.
* Đặc tính phổ phản xạ của nước
Khả năng phản xạ phổ của nước phụ thuộc chủ yếu vào tính chất của nước
và hàm lượng các vật chất lơ lửng, Nước bẩn chứa nhiều tạp chất phản xạ mạnh
hơn so với nước sạch, nhất là vùng dải sóng đỏ.
Nước trong chỉ phản xạ mạnh ở vùng sóng ngắn Blue, yếu dần khi sang
vùng Green và triệt tiêu ở cuối dải sóng đỏ. Khi nước bị đục, khả năng phản xạ
tăng lên do ảnh hưởng của sự tán xạ bởi vật chất lơ lửng. Sự thay đổi về tính
chất của nước (độ mặn, độ đục, độ sâu...) đều ảnh hưởng đến tính chất phổ của
chúng. Nghĩa là khi tính chất nước thay đổi, hình dạng đường cong và giá trị
phổ phản xạ sẽ bị thay đổi.

8