Giáo trình cơ sở viễn thám - PGS.TS Nguyễn Ngọc Thạch, Trường ĐH Khoa học Tự nhiên

Tài liệu giáo trình cơ sở viễn thám cung cấp kiến thức nền tảng về nguyên lý bức xạ, bộ cảm biến vệ tinh và quy trình xử lý giải đoán ảnh số.

• Tác giả: Nguyễn Ngọc Thạch
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Địa lý
• Đề tài: Cơ sở viễn thám
• Loại tài liệu: Giáo trình
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về giáo trình Cơ sở Viễn thám ĐHKHTN

Giáo trình Cơ sở Viễn thám do PGS.TS Nguyễn Ngọc Thạch biên soạn tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội. Đây là tài liệu học thuật chuẩn mực dành cho sinh viên khoa Địa lý và các ngành khoa học trái đất. Giáo trình tổng hợp kiến thức từ nhiều nguồn tài liệu trong và ngoài nước. Nội dung bao phủ toàn diện 6 hợp phần cơ bản của khoa học viễn thám. Viễn thám (Remote Sensing) là ngành khoa học nghiên cứu thông tin về vật thể và hiện tượng thông qua phân tích dữ liệu ảnh hàng không, ảnh vệ tinh, ảnh hồng ngoại nhiệt và ảnh radar mà không cần tiếp xúc trực tiếp. Lịch sử phát triển của viễn thám bắt đầu từ mục đích quân sự với việc phân tích ảnh chụp từ khinh khí cầu. Theo thời gian, công nghệ này mở rộng sang nhiều lĩnh vực dân sự. Ngày nay, viễn thám ứng dụng rộng rãi trong địa chất, địa lý, khí tượng, thủy văn, lâm nghiệp và quản lý môi trường. Giáo trình phù hợp để giảng dạy ở các khoa thuộc lĩnh vực khoa học trái đất và môi trường trên toàn quốc.

1.1. Lịch sử hình thành và phát triển của viễn thám

Viễn thám có lịch sử phát triển lâu dài, khởi nguồn từ nhu cầu quân sự. Giai đoạn đầu, ảnh được chụp từ khinh khí cầu và máy bay ở các độ cao khác nhau. Sau đó, công nghệ phát triển vượt bậc cùng với sự ra đời của vệ tinh nhân tạo. Các nước có nền công nghệ tiên tiến tiên phong ứng dụng viễn thám. Dần dần, viễn thám trở thành công nghệ toàn cầu. Hiện nay, hệ thống vệ tinh quan sát trái đất cung cấp dữ liệu liên tục phục vụ nghiên cứu tài nguyên thiên nhiên và môi trường trên phạm vi toàn thế giới.

1.2. Sáu hợp phần cơ bản của khoa học viễn thám

Khoa học viễn thám gồm 6 hợp phần cơ bản. Thứ nhất là cơ sở vật lý của viễn thám. Thứ hai là công nghệ thu nhận hình ảnh. Thứ ba là viễn thám trong dải phổ quang. Thứ tư là viễn thám hồng ngoại nhiệt. Thứ năm là viễn thám radar. Thứ sáu là các phương pháp xử lý thông tin, bao gồm giải đoán ảnh bằng mắt và xử lý ảnh số. Ngoài ra, viễn thám còn liên kết chặt chẽ với công nghệ định vị toàn cầu GPS để tăng độ chính xác trong phân tích không gian địa lý.

II. Phân tích cơ sở vật lý và quang phổ điện từ trong viễn thám

Cơ sở vật lý của viễn thám dựa trên nguyên lý bức xạ điện từ. Sóng điện từ lan truyền trong không gian với tốc độ ánh sáng xấp xỉ 3 × 10⁸ m/s. Mỗi sóng điện từ được đặc trưng bởi hai thông số quan trọng: bước sóng (λ) và tần số (ν). Bước sóng là khoảng cách giữa hai cực trị liên tiếp, đo bằng đơn vị độ dài. Tần số là số lượng cực trị truyền qua một điểm trong một giây, đơn vị là hertz. Quang phổ điện từ là dải liên tục của các tia sáng ứng với các bước sóng khác nhau. Sự phân chia thành các dải phổ liên quan đến tính chất bức xạ tự nhiên của đối tượng nghiên cứu. Từ đó hình thành các phương pháp viễn thám khác nhau phù hợp với từng loại bề mặt và hiện tượng tự nhiên. Hiểu rõ quang phổ điện từ là nền tảng để lựa chọn đúng dải phổ thu nhận ảnh trong từng ứng dụng viễn thám cụ thể.

2.1. Các dải sóng chính trong quang phổ điện từ

Quang phổ điện từ bao gồm nhiều dải sóng khác nhau. Tia vũ trụ có bước sóng cực ngắn. Tia X có bước sóng từ 10⁻⁴ đến 0,1 µm, dùng nhiều trong y học. Dải cực tím từ 0,4 µm có thể tạo ảnh trong viễn thám. Dải ánh sáng nhìn thấy từ 0,4 đến 0,7 µm gồm ba màu: xanh lam (0,4–0,5 µm), xanh lục (0,5–0,6 µm) và đỏ (0,6–0,7 µm). Dải hồng ngoại từ 0,7 đến 14 µm chia thành hồng ngoại phản xạ, hồng ngoại trung và hồng ngoại nhiệt. Dải vi sóng radar có bước sóng lớn nhất.

2.2. Ứng dụng của từng dải phổ trong thu nhận dữ liệu viễn thám

Mỗi dải phổ phục vụ mục đích nghiên cứu khác nhau. Dải nhìn thấy dùng để phân tích thực phủ, lớp phủ đất và phân loại đô thị. Dải hồng ngoại phản xạ phân biệt rõ các loại thực vật và đất. Dải hồng ngoại nhiệt đo nhiệt độ bề mặt đất và mặt biển. Dải radar xuyên qua mây mù, hoạt động cả ngày lẫn đêm. Ảnh vệ tinh đa phổ và siêu phổ kết hợp nhiều dải phổ đồng thời. Điều này cho phép phân tích chi tiết các đặc điểm địa chất, thủy văn, khí hậu và tai biến môi trường một cách toàn diện và hiệu quả hơn.

III. Phương pháp và công nghệ thu nhận hình ảnh viễn thám

Công nghệ thu nhận hình ảnh trong viễn thám liên tục được cải tiến và đa dạng hóa. Hệ thống quét phổ ngang là phương pháp phổ biến hiện nay. Trong hệ này, đường quét phổ vuông góc với đường bay của máy bay. Cấu trúc gồm một gương quay hoặc gương dao động để quét mặt đất. Năng lượng phổ được ghi theo đường quét từ trái sang phải theo hướng bay. Góc quay của gương tạo góc từ 90° đến 120°. Tại mỗi thời điểm, máy quét ghi nhận năng lượng phổ theo phạm vi trường nhìn tức thì (IFOV). IFOV là góc hình nón vuông góc với mặt đất và xác định đơn vị phân giải không gian. Đường kính vùng phủ của gương trên mặt đất được tính theo công thức D = H × β, trong đó H là độ cao máy bay và β là góc nhìn tức thì tính bằng radian. Độ phân giải không gian cao hơn đồng nghĩa với khả năng phân tích chi tiết hơn. Các phương tiện mang bộ cảm bao gồm máy bay và vệ tinh ở nhiều quỹ đạo khác nhau.

3.1. Hệ quét đa phổ và nguyên lý hoạt động

Hệ quét đa phổ ghi nhận đồng thời nhiều dải phổ khác nhau từ cùng một bề mặt. Gương quay trong hệ thống quét ngang tạo ra các đường quét liên tiếp vuông góc với hướng bay. Trường nhìn tức thì IFOV xác định kích thước ô ảnh nhỏ nhất mà bộ cảm có thể ghi nhận. Đường kính D của vùng phủ trên mặt đất phụ thuộc vào độ cao bay H và góc nhìn β theo công thức D = H × β. Công nghệ này cho phép tạo ra ảnh đa phổ phân giải cao, phục vụ phân loại đất đai và theo dõi biến động môi trường theo thời gian một cách chính xác.

3.2. Viễn thám siêu phổ và ưu thế trong phân tích chi tiết

Viễn thám siêu phổ (hyperspectral) thu nhận hàng trăm dải phổ liên tục và hẹp cùng một lúc. Điều này tạo ra đường cong phổ chi tiết cho từng đối tượng trên bề mặt đất. Khả năng phân biệt các loại khoáng vật, loại cây trồng và mức độ ô nhiễm được nâng cao đáng kể. Dữ liệu siêu phổ đòi hỏi dung lượng lưu trữ lớn và phương pháp xử lý phức tạp. Tuy nhiên, ứng dụng trong địa chất, nông nghiệp chính xác và giám sát môi trường mang lại hiệu quả vượt trội so với viễn thám đa phổ thông thường, đặc biệt trong phát hiện sớm sự thay đổi bề mặt đất.

IV. Ứng dụng viễn thám trong quản lý tài nguyên và môi trường

Viễn thám được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học và quản lý. Trong địa chất, viễn thám xác định cấu trúc địa tầng và phân bố khoáng sản. Trong lâm nghiệp, dữ liệu ảnh vệ tinh theo dõi độ che phủ rừng và phát hiện phá rừng. Trong khí tượng thủy văn, ảnh nhiệt đo nhiệt độ bề mặt đất và mặt biển. Ảnh radar hoạt động liên tục cả ngày lẫn đêm, xuyên qua mây mù, phù hợp với giám sát thiên tai và lũ lụt. Dữ liệu ảnh vệ tinh đa phổ và siêu phổ hỗ trợ nghiên cứu sử dụng đất, lớp phủ mặt đất và đặc điểm tầng ozone. Kết hợp viễn thám với hệ thống GIS và GPS tạo nên bộ công cụ quản lý không gian địa lý toàn diện. Việt Nam đang tích cực ứng dụng viễn thám trong quản lý tài nguyên thiên nhiên, quy hoạch lãnh thổ và ứng phó biến đổi khí hậu. Giáo trình của Trường ĐHKHTN cung cấp nền tảng lý thuyết vững chắc để tiếp cận các ứng dụng thực tiễn này.

4.1. Viễn thám trong giám sát tài nguyên thiên nhiên tại Việt Nam

Việt Nam ứng dụng viễn thám ngày càng sâu rộng trong quản lý tài nguyên. Ảnh vệ tinh theo dõi biến động rừng ở Tây Nguyên và rừng ngập mặn ven biển. Dữ liệu đa phổ hỗ trợ lập bản đồ sử dụng đất quy mô toàn quốc. Viễn thám radar giám sát lũ lụt ở đồng bằng sông Cửu Long. Ảnh nhiệt phân tích nhiệt độ mặt biển phục vụ khai thác thủy sản. Tích hợp dữ liệu viễn thám với GIS giúp quy hoạch lãnh thổ chính xác và đánh giá tác động môi trường hiệu quả trong bối cảnh biến đổi khí hậu ngày càng phức tạp tại khu vực Đông Nam Á.

4.2. Vai trò của giáo trình ĐHKHTN trong đào tạo nhân lực viễn thám

Giáo trình Cơ sở Viễn thám của Trường ĐHKHTN đóng vai trò nền tảng trong đào tạo chuyên gia viễn thám tại Việt Nam. Nội dung lý thuyết cơ bản được trình bày hệ thống và khoa học. Sinh viên khoa Địa lý và các ngành liên quan tiếp cận đầy đủ kiến thức từ vật lý bức xạ đến xử lý ảnh số. Giáo trình cũng được tham khảo tại nhiều cơ sở đào tạo và nghiên cứu trong cả nước. Sự phổ biến của tài liệu này góp phần nâng cao năng lực ứng dụng viễn thám trong cộng đồng khoa học Việt Nam, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về nhân lực công nghệ địa không gian trong thời đại số.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 KHÁI NIỆM CHUNG VỂ VIỄN t h á m Viễn thám là một ngành khoa học có lịch sử phát triển từ lâu, có mục đích nghiên cứu thông tin về một vật và một hiện tượng thông qua việc phân tích dữ liệu ảnh hàng không, ảnh vệ tinh, ảnh hồng ngoại nhiệt và ảnh radar. Sự phát triển của khoa học viễn thám được bắt đầu từ mục đích quân sự với việc nghiên cứu phim và ảnh, được chụp lúc đầu từ khinh khí cầu và sau đó là trên máy bay ở các độ cao khác nhau. Ngày nay, viễn thám ngoài việc lách lọc thông tin tír ảnh máy bay, còn áp dụng các công nghệ hiện đại trong thu nhận và xử lý thông tin ảnh số, thu được từ các bộ cảm có độ phân giải khác nhau, được đặt trên vệ tinh thuộc quỹ đạớ trái đất. Viễn thám được ứng dụng ưong nhiều ngành khoa học khác nhau như quân sự, địa chất, địa lý, môi trường, khí tượng, rhủy vãn, thủy lợi，lâm nghiệp và nhiều ngành khoa học khác.

Các dữ liệu viễn thám, trong đó có ảnh vệ tinh đa phổ，siêu phổ và ảnh nhiệt được dùng trong các nghiên cứu khác nhau như: sử dụng đâì, lớp phủ mặt đất, rừng, thực vật, khí hậu khí tượng, nhiệt độ trên mặt đất và măt biển, đặc điểm quyển khí và tầng ozon. tai biến môi trường. Dữ liệu ảnh radar được sử dụng trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu khác nhau như nghiên cưú các mục tiêu quân sự, đo vận tốc gió, đo độ cao bay và độ cao cùa sóng biển, nghiên cứu cấu ưúc địa chất, sụt lún đất, theo dõi ỉũ lụt. ngoài ra, còn ứng dụng trong nghiên cứu bề mặt của các hành tinh khác.

Định nghĩa Viễn thám (Remote sensiiiỊi - tiếiiỊi Anh) được hiểu là mội khoa học và nghệ thuật để thu nhận thông tin về mội dối tượng, một khú vực hoặc mội hiện tượng Ihôna qua việc phán lích lư liêu thu nhận được bằiìg các phươnti tiện. Nhfrns phương tiện này không có sự liếp XÍIC irực liếp với dối tượng, khu vực hoặc với hiện tượng được nghiên cứu. Thực hiện được những công việc đó chính là thực hiện viễn ihám - 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 viẽn 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 (ĩàr.

Dưới đây là định nghĩa về viễn thám theo quan niệm của các tác giả khác Ìiliuu. ィ Viễn thám là mội nghệ thuật, khoa học, nói ÍI nhiều về một vật kliông cần plìải chạm vào vật đó (Ficher và nnk, 1976). 2 ィ Viễn thám là quan sát về mội cíối tượng bằng một phương tiện cách xa vật trên một khoảng cách nhất địìih (Barret và Curlis, 1976). ゾ Viễn tlĩám là mộí khoa học về ìẩy thông tin từ một đổi tượng, được đo từ một khoảng cách cáclì xa vật không cần tiep xúc với nó.

Năng lượng được đo trong các hệ viễn thám hiện nay là nàng lượng điện từ phát ra từ vật quan tám. • / Viễn thám là ứììỌ, dụn^ vào việc lấy thôri^ tin về ÌTÌỢĨ đ ẩ ĩ vò rrìặĩ w rớ r của írn i đất, bằng việc sừ dụng các ảnh thu được từ một đầu chụp ánlì sử dụng bức xạ phổ diện từ, đơn kênh hoặc đa phổ, bức xạ hoặc phản xạ từ bề mặt trái đất rJanes B.