CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CHIẾT TÁCH ĐẤT XÂY DỰNG VÀ ĐẤT TRỐNG KHU VỰC ĐÔ THỊ TỪ ẢNH VIỄN THÁM 1. Tổng quan về viễn thám 1. Khái niệm, phân loại viễn thám a. Khái niệm Viễn thám được hiểu là một khoa học và nghệ thuật để thu nhận thông tin về một đối tượng, một khu vực hoặc một hiện tượng thông qua việc phân tích tài liệu thu nhận được bằng các phương tiện.
Những phương tiện này không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tượng, khu vực hoặc với hiện tượng được nghiên cứu. Thực hiện được những công việc đó chính là thực hiện viễn thám - hay hiểu đơn giản: Viễn thám là thăm dò từ xa về một đối tượng hoặc một hiện tượng mà không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tượng hoặc hiện tượng đó. Mặc dù có rất nhiều định nghĩa khác nhau về viễn thám, nhưng mọi định nghĩa đều có nét chung, nhấn mạnh "viễn thám là khoa học thu nhận từ xa các thông tin về các đối tượng, hiện tượng trên Trái Đất" [3]. Phân loại viễn thám Sự phân biệt các loại viễn thám căn cứ vào các yếu tố sau: - Hình dạng quỹ đạo của vệ tinh.
- Độ cao bay của vệ tinh, thời gian còn lại của một quỹ đạo. - Dải phổ của các thiết bị thu. - Loại nguồn phát và tín hiệu thu nhận. Có hai phương thức phân loại viễn thám chính là: Phân loại theo nguồn tín hiệu Căn cứ vào nguồn của tia tới mà viễn thám được chia làm hai loại (hình 1.1): 5 - Viễn thám chủ động: nguồn tia tới là tia sáng phát ra từ các thiết bị nhân tạo, thường là các máy phát đặt trên các thiết bị bay.
Viễn thám chủ động và viễn thám bị động - Viễn thám bị động: nguồn phát bức xạ là Mặt Trời hoặc từ các vật chất tự nhiên. Hiện nay, việc ứng dụng phối hợp giữa viễn thám và các công nghệ vũ trụ đã trở nên phổ biến trên phạm vi toàn cầu. Các nước có nền công nghệ vũ trụ phát triển đã phóng nhiều vệ tinh lên quỹ đạo, trên đó có mang nhiều thiết bị viễn thám khác nhau. Các trạm thu mặt đất phân bố đều trên toàn cầu có khả năng thu nhận nhiều loại tư liệu viễn thám do vệ tinh truyền xuống.
* Phân loại theo đặc điểm quỹ đạo Có hai nhóm chính là viễn thám vệ tinh địa tĩnh và viễn thám vệ tinh quỹ đạo cực (hay gần cực) (hình 1. Căn cứ vào đặc điểm quỹ đạo vệ tinh, có thể chia ra hai nhóm vệ tinh là: - Vệ tinh địa tĩnh là vệ tinh có tốc độ góc quay bằng tốc độ góc quay của Trái Đất, nghĩa là vị trí tương đối của vệ tinh so với Trái Đất là đứng yên. - Vệ tinh quỹ đạo cực (hay gần cực) là vệ tinh có mặt phẳng quỹ đạo vuông góc hoặc gần vuông góc so với mặt phẳng xích đạo của Trái Đất. Tốc độ quay của vệ tinh khác với tốc độ quay của Trái Đất và được thiết kế riêng 6 sao cho thời gian thu ảnh trên mỗi vùng lãnh thổ trên mặt đất là cùng giờ địa phương và thời gian thu lặp lại là cố định đối với 1 vệ tinh (ví dụ LANDSAT là 18 ngày, SPOT là 26 ngày,…).
Trên hai nhóm vệ tinh nói trên đều có thể áp dụng nhiều phương pháp thu nhận thông tin khác nhau tùy theo sự thiết kế của nơi chế tạo. Vệ tinh địa tĩnh (trái) và vệ tinh quỹ đạo gần cực (phải) * Phân loại theo dải sóng thu nhận Theo bước sóng sử dụng, viễn thám có thể được phân ra thành 3 loại cơ bản: - Viễn thám trong dải sóng nhìn thấy và hồng ngoại. - Viễn thám hồng ngoại nhiệt. - Viễn thám siêu cao tần.
Mặt Trời là nguồn năng lượng chủ yếu đối với nhóm viễn thám trong dải sóng nhìn thấy và hồng ngoại. Mặt Trời cung cấp một bức xạ có bước sóng ưu thế ở 0,5 μm. Tư liệu viễn thám thu được trong dải sóng nhìn thấy phụ thuộc chủ yếu vào sự phản xạ từ bề mặt vật thể và bề mặt Trái Đất. Các thông tin về vật thể được xác định từ các phổ phản xạ.
7 Mỗi vật thể ở nhiệt độ bình thường đều tự phát ra một bức xạ có đỉnh tại bước sóng 10 μm. Nguồn năng lượng sử dụng đối với viễn thám hồng ngoại nhiệt do chính vật thể sản sinh ra. Viễn thám siêu cao tần sử dụng bức xạ siêu cao tần có bước sóng từ một đến vài chục centimet. Nguồn năng lượng sử dụng đối với viễn thám siêu cao tần chủ động được chủ động phát ra từ máy phát.
Kỹ thuật ra đa thuộc viễn thám siêu cao tần chủ động. Ra đa chủ động phát ra nguồn năng lượng tới các vật thể, sau đó thu lại được những bức xạ, tán xạ hoặc phản xạ từ vật thể. Nguồn năng lượng sử dụng đối với viễn thám siêu cao tần bị động do chính vật thể phát ra. Bức xạ kế siêu cao tần là bộ cảm thu nhận và phân tích bức xạ siêu cao tần của vật thể [2].
Sơ đồ phân loại viễn thám theo bước sóng 8 1. Những nguyên lý cơ bản của viễn thám Sóng điện từ được phản xạ hoặc bức xạ từ vật thể là nguồn cung cấp thông tin chủ yếu về đặc tính của đối tượng. Ảnh viễn thám cung cấp thông tin về các vật thể tương ứng với năng lượng bức xạ ứng với từng bước sóng đã xác định. Đo lường và phân tích năng lượng phản xạ phổ ghi nhận bởi ảnh viễn thám, cho phép tách thông tin hữu ích về từng lớp phủ mặt đất khác nhau do sự tương tác giữa bức xạ điện từ và vật thể.
Thiết bị dùng để cảm nhận sóng điện từ phản xạ hay bức xạ từ vật thể được gọi là bộ cảm biến. Bộ cảm biến có thể là các máy chụp ảnh hoặc máy quét. Phương tiện mang các bộ cảm biến được gọi là vật mang (máy bay, khinh khí cầu, tàu con thoi hoặc vệ tinh,…).4 thể hiện sơ đồ nguyên lý thu nhận ảnh viễn thám. Nguồn năng lượng chính thường sử dụng trong viễn thám là bức xạ Mặt Trời, năng lượng của sóng điện từ do các vật thể phản xạ hay bức xạ được bộ cảm biến đặt trên vật mang thu nhận.
Thông tin về năng lượng phản xạ của các vật thể được ảnh viễn thám thu nhận và xử lí tự động trên máy hoặc giải đoán trực tiếp từ ảnh dựa trên kinh nghiệm của chuyên gia. Cuối cùng, các dữ liệu hoặc thông tin liên quan đến các vật thể và hiện thượng khác nhau trên mặt đất sẽ được ứng dụng vào trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: nông lâm nghiệp, địa chất, khí tượng, môi trường,… Hình 1. Nguyên lý thu nhận dữ liệu viễn thám 9 Toàn bộ quá trình thu nhận và xử lí ảnh viễn thám có thể chia thành 5 phần cơ bản như sau: - Nguồn cung cấp năng lượng; - Sự tương tác của năng lượng với khí quyển; - Sự tương tác với các vật thể trên bề mặt đất; - Chuyển đổi năng lượng phản xạ từ vật thể thành dữ liệu ảnh; - Hiển thị ảnh số cho việc giải đoán và xử lí. Năng lượng của sóng điện từ khi lan truyền qua môi trường khí quyển sẽ bị các phân tử khí hấp thụ dưới các hình thức khác nhau tuỳ thuộc vào từng bước sóng cụ thể.
Trong viễn thám, người ta thường quan tâm đến khả năng truyền sóng điện từ trong khí quyển, vì các hiện tượng và cơ chế tương tác giữa sóng điện từ với khí quyển sẽ có tác động mạnh đến thông tin do bộ cảm biến thu nhận được. Khí quyển có đặc điểm quan trọng đó là tương tác khác nhau đối với bức xạ điện từ có bước sóng khác nhau. Đối với viễn thám quang học, nguồn năng lượng cung cấp chủ yếu là do Mặt Trời và sự có mặt cũng như thay đổi các các phân tử nước và khí (theo không gian và thời gian) có trong lớp khí quyển là nguyên nhân gây chủ yếu gây nên sự biến đổi năng lượng phản xạ từ mặt đất đến bộ cảm biến. Khoảng 75% năng lượng Mặt Trời khi chạm đến lớp ngoài của khí quyển được truyền xuống mặt đất và trong quá trình lan truyền sóng điện từ luôn bị khí quyển hấp thụ, tán xạ và khúc xạ trước khi đến bộ cảm biến.
Các loại khí như oxy, nitơ, cacbonic, ôzôn, hơi nước,… và các phân tử lơ lửng trong khí quyển là tác nhân chính ảnh hưỏng đến sự suy giảm năng lượng sóng điện từ trong quá trình lan truyền. Để hiểu rõ cơ chế tương tác giữa sóng điện từ và khí quyển và việc chọn phổ điện từ để sử dụng cho việc thu nhận ảnh viễn thám, bảng 1.1 thể hiện đặc điểm cuả dải phổ điện từ thường được sử dụng trong kỹ thuật viễn thám [2]. Đặc điểm của dải phổ điện từ sử dụng trong kỹ thuật viễn thám Dải phổ điện từ Bước sóng Đặc điểm Hấp thụ mạnh bởi lớp khí quyển ở tầng cao (tầng ôzôn), không thể thu nhận năng lượng do dải sóng này cung cấp nhưng hiện tượng này Tia cực tím 0,3 ÷ 0,4 μm lại bảo vệ con người tránh tác động của tia cực tím. Rất ít bị hấp thụ bởi oxy, hơi nước và năng lượng phản xạ cực đại ứng với bước sóng 0,5 Tia nhìn thấy 0,4 ÷ 0,76 μm μm trong khí quyển.
Năng lượng do dải sóng này cung cấp giữ vai trò trong viễn thám. Năng lượng phản xạ mạnh ứng với các bước Cận hồng ngoại 0,77÷1,34 μm sóng cận hồng ngoại từ 0,77 ÷ 0,9 μm. Sử Hồng ngoại trung 1,55 ÷ 2,4 μm dụng trong chụp ảnh hồng ngoại theo dõi sự biến đổi thực vật từ 1,55 ÷ 2,4 μm Một số vùng bị hơi nước hấp thụ mạnh, dải sóng này giữ vai trò trong phát hiện cháy rừng Hồng ngoại 3 ÷ 22 μm và hoạt động núi lửa. Bức xạ nhiệt của Trái nhiệt Đất của năng lượng cao nhất tại bước sóng 10 μm Khí quyển không hấp thụ mạnh năng lượng các bước sóng lớn hơn 2 cm, cho phép thu Vô tuyến (rada) 1 mm ÷ 30 cm nhận năng lượng cả ngày lẫn đêm, không bị ảnh hưởng của mây, sương mù hay mưa.
Tổng quan về chiết tách đất xây dựng và đất trống khu vực đô thị từ ảnh viễn thám Thuật ngữ đất xây dựng và đất trống trong luận văn được hiểu như sau: - Đất xây dựng bao gồm tất cả bề mặt không thấm của các công trình như là nhà cửa, đường xá, các công trình xây dựng, các nhà máy,. - Đất trống bao gồm bề mặt không có thực vật che phủ ví dụ như đất nông nghiệp bỏ hoang, các dự án treo chưa triển khai,.
