Chương 1. TỔNG QUAN VỀ ẢNH VIỄN THÁM, GIS, WEBGIS VÀ SOL KHÍ QUYỂN 1. Khái niệm chung về ảnh viễn thám 1. Lịch sử ra đời Viễn thám là một ngành nghiên cứu xuất hiện lâu đời từ thế kỷ 19 – năm 1858 bức ảnh đầu tiên chụp từ bề mặt trái đất do Gaspard Felix Tournachon, chụp ở độ cao 80m trên khinh khí cầu vùng Bievre, Pháp.
Đến những năm 1960, với sự phát triển vượt bậc của con người trong việc chinh phục vũ trụ, các vệ tinh đã được đưa lên quỹ đạo và lần đầu tiên bức ảnh chụp về trái đất từ vũ trụ, được cung cấp từ tàu Explorer-6 vào năm 1959.1 là quá trình hình thành và phát triển của ảnh viễn thám từ giai đoạn khởi đầu sơ khai, đến thời kỳ công nghệ hiện đại: Bảng 1. Tóm tắt sự phát triển của viễn thám theo các sự kiện Thời gian (năm) Sự kiện 1800 Phát hiện ra tia hồng ngoại 1839 Bắt đầu phát minh kỹ thuật chụp ảnh đen trắng 1847 Phát hiện dải phổ hồng ngoại và phổ nhìn thấy 1850-1860 Chụp ảnh từ khinh khí cầu 1873 Xây dựng học thuyết về phổ điện từ 1909 Chụp ảnh từ máy bay 1910-1920 Giải đoán từ không trung 1920-1930 Phát triển ngành chụp và đo ảnh hàng không 1930-1940 Phát triển kỹ thuật radar (Đức, Mỹ, Anh) 1940 Phân tích và ứng dụng ảnh chụp từ máy bay 1950 Xác định dải phổ từ vùng nhìn thấy đến không nhìn thấy 1950-1960 Nghiên cứu sâu về ảnh cho mục đích quân sự 1972 Mỹ phóng vệ tinh Landsat-1 1970-1980 Phát triển mạnh mẽ phương pháp xử lý ảnh số 1980-1990 Mỹ phát triển thế hệmới của vệ tinh Landsat 1986 Pháp phóng vệ tinh SPOT vào quĩ đạo 1990 đến nay Phát triển bộ cảm thu đa phổ, tăng dải phổ và kênh phổ, tăng độ phân giải bộ cảm. Phát triển nhiều kỹ thuật xử lý mới. Bên cạnh việc thu dữ liệu ảnh từ vệ tinh, ngành viễn thám còn sử dụng các phương tiện hàng không: máy bay, tầu bay, khinh khí cầu, rada,…để có thể chụp hình ảnh chi LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 14 tiết, độ phân giải cao tại nhiều khu vực trên thế giới.
Cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học máy tính, đưa đến việc nâng cao khả năng tính toán, xử lý số liệu ngày một nhanh và chính xác, tạo điều kiện thuận lợi để phát triển ngành khoa học viễn thám. Trong đó, vai trò quan trọng nhất của viễn thám là đo đạc, giải đoán, phân tích dữ liệu từ ảnh thu được để có thể đưa ra các dự đoán, kiểm chứng, cung cấp thông tin kịp thời, chính xác trong nhiều lĩnh vực: hành chính, nông – lâm nghiệp, môi trường, xã hội, quân sự,. Định nghĩa Theo [3]: “Viễn thám (Remote sensing) 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 đo đạc. Những phương tiện này không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tượng, khu vực hoặc với hiện tượng được nghiên cứu." Ở đây, tôi liệt kê một số định nghĩa về viễn thám của các tác giả khác nhau, tuy nhiên tựu chung lại thì viễn thám là một ngành nghiên cứu mà hướng tới “thu nhận thông tin về các đối tượng, hiện tượng từ xa tại các vị trí trên trái đất”.
Viễn thám là một nghệ thuật, khoa học, nói ít nhiều về một vật không cần phải chạm vào vật đó (Ficher 1976). Viễn thám là một khoa học về lấy thông tin từ một đối tượng, được đo từ một khoảng cách cách xa vật không cần tiếp xúc với nó. Năng lượng được đo trong các hệ viễn thám hiện nay là năng lượng điện từ phát ra từ vật quan tâm. Phương pháp viễn thám là phương pháp sử dụng năng lượng điện từ như ánh sáng, nhiệt, sóng cực ngắn như một phương tiện để điều tra và đo đạc những đặc tính của đối tượng (Theo Floy Sabin 1987).
Nguyên lý cơ bản của viễn thám Ảnh viễn thám là ảnh được chụp từ không gian ở vị trí địa lý cách xa đối tượng chụp từ vài kilomet đến hàng nghìn kilomet. Vì vậy, để thu được tín hiệu, các thiết bị thu ảnh dựa trên nguyên lý là: thu nhận sự phản xạ hoặc bức xạ từ đối tượng cần chụp ảnh dựa trên năng lượng sóng điện từ. Mỗi đối tượng tùy theo bước sóng (thông thường 0.9µm: vùng nhìn thấy và vùng hồng ngoại phản xạ) mà các cảm biến (sensor) trên vệ tinh, máy bay, khinh khí cầu,…có thể tách lọc ra được. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.
Nguyên lý hoạt động của ảnh viễn thám Dựa trên nguyên lý này, viễn thám phân chia chia ra 3 loại là: Theo nguồn tín hiệu: o Viễn thám chủ động (active remote sensing): trên các thiết bị thu tín hiệu có gắn các nguồn sáng và phát tới đối tượng cần chụp, năng lượng sẽ được phản xạ lại các cảm biến và thiết bị có thể thu được hình ảnh của đối tượng. o Viễn thám bị động (passive remote sensing): năng lượng cung cấp do nguồn sáng tự nhiên chủ yếu là mặt trời. Theo quỹ đạo bay: o Vệ tinh địa tĩnh: có tốc độ góc quay trùng khớp với tốc độ góc quay của trái đất, vị trí gần như đứng yên. o Vệ tinh quỹ đạo: có tốc độ góc quay khác với tốc độ góc quay của trái đất, theo chu kỳ thu dữ liệu từ một vùng địa lý cố định (hàng ngày, hàng tuần,…).
Theo bước sóng: o Dải sóng nhìn thấy và hồng ngoại: chủ yếu do năng lượng mà mặt trời cung cấp, phản xạ từ đối tượng và thu được ở bộ cảm biến. o Hồng ngoại nhiệt: năng lượng chủ yếu là bức xạ của đối tượng phát ra. o Siêu cao tần: do các rada phát tín hiệu tới các đối tượng và chủ động thu nhận sự phản xạ, tán xạ của các vật thể phản hồi lại. Đặc trưng của ảnh viễn thám Ảnh thu được từ các vệ tinh và hàng không bao gồm 2 loại ảnh là ảnh tương tự dùng phim và ảnh số (ảnh raster).
Ảnh raster này cũng được tạo nên từ ma trận các điểm ảnh theo hàng và cột từ trái qua phải, từ trên xuống dưới với gốc tọa độ là góc LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 16 trên trái của ảnh. Mỗi pixel của ảnh đại diện cho 1 đơn vị không gian, có dạng hình vuông. Tùy theo các loại ảnh mà sẽ có số pixel khác nhau và độ bao phủ không gian của mỗi pixel là khác nhau. Ảnh viễn thám nói chung có 3 đặc trưng về độ phân giải và từ đó có thể làm cơ sở để chọn loại ảnh nghiên cứu đối tượng phù hợp: Độ phân giải không gian: là vùng không gian tương ứng với 1 pixel mà cảm biến thu nhận được.
Tương tự ảnh số, tùy theo các cảm biến mà ảnh có thể thu nhận độ phân giải không cao gian từ thấp đến cao, càng cao thì càng chi tiết. Ảnh được chia làm 3 loại: độ phân giải cao: 0.6 – 4 mét, độ phân giải trung bình: 4 – 30 mét, độ phân giải thấp: 30 – 1000 mét. Một số vệ tinh có độ phân giải cao như SPOT – 5: 2.5 mét, IKONOS: 1 mét, WorldWiew-2: 0,45 mét,…rất thích hợp để nghiên cứu phát hiện cháy rừng, ô nhiễm, mật độ dân cư, quy hoạch đô thị, giao thông,… Độ phân giải thời gian: tùy theo quỹ đạo và độ phân giải không gian mà vệ tinh sẽ có chu kỳ lặp lại chụp 1 khu vực địa lý khác nhau (hàng ngày, hàng tuần,…). Ảnh được chia làm 3 loại: độ phân giải cao: < 3 ngày, độ phân giải trung bình: 4 – 16 ngày, độ phân giải thấp: >= 16 ngày.
Nhờ có sự lặp lại này mà chúng ta có thể nghiên cứu sự biến động theo thời gian của 1 khu vực, quan sát, giải đoán sự thay đổi của các đối tượng trong khu vực. Tùy theo mục đích nghiên cứu mà chọn loại ảnh có chu kỳ lặp lại nhanh hay chậm, ví dụ: tăng trưởng của cây trồng thì tùy theo giai đoạn sinh trưởng (8 – 16 ngày), cảnh báo cháy rừng (theo dõi hàng ngày nếu có nguy cơ), sự phân bố dân cư (theo dõi biến động qua tổng hợp ảnh theo 1 thời gian dài),… Độ phân giải phổ: mỗi vệ tinh có khả năng thu nhận ảnh theo các kênh phổ và bề rộng phổ phản xạ từ các đối tượng khác nhau. Tùy theo nhu cầu thu thập thông tin, các cảm biến sẽ thu nhận được sóng điện từ trong một số khoảng – các khoảng này gọi là các band - kênh ảnh (băng phổ). Độ phân giải phổ liên quan đến số lượng và và độ rộng của mỗi băng phổ.
Bộ cảm có độ phân giải phổ cao đến rất cao, tức là có nhiều băng phổ với băng thông (bandwith) rất hẹp vì vậy có khả năng thu nhận nhiều đối tượng để nghiên cứu. Theo phổ của ảnh thì có ảnh toàn sắc (chỉ bao gồm một kênh phổ) và ảnh đa phổ ví dụ theo Hình 1. Tùy theo số bit trong từng kênh phổ, ví dụ: mỗi kênh lưu trữ 8 bit có 1 giá trị trong khoảng từ 0 - > 255 (0: mầu đen, 255: mầu trắng). Ở đây, ta ví dụ giá trị mỗi kênh phổ là red: 233, green: 50, blue: 133.
Tổng hợp 3 kênh phổ red-green-blue này sẽ tạo nên ảnh mầu (đa phổ). Trong tương lai sẽ có các vệ tinh siêu phổ (hyperspectral), thu được nhiều kênh phổ ( > 100 kênh) tăng cường nhận biết được nhiều đối tượng chi tiết so với các loại ảnh có số kênh phổ thấp đã được sử dụng rộng rãi hiện nay (do số băng tần ít và độ rộng của mỗi băng tần là rất lớn, nên nhiều thông tin quan trọng không tách biệt được). LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Ảnh viễn thám đa phổ trên các đối tượng khác nhau1 Kích thước của ảnh viễn thám: phụ thuộc vào độ phân giải không gian và độ phân giải phổ.
Ví dụ: một vùng rừng có diện tích 1 km2 thì với cảm biến có độ phân giải không gian là 10m thì sẽ tạo ra ma trận điểm ảnh với tổng số điểm ảnh là 10. Còn nếu cảm biến thu nhận được 7 kênh phổ thì mỗi điểm ảnh này lưu 7 giá trị tương ứng với từng kênh mà cảm biến thu được, tổng là 70.000 giá trị điểm ảnh. Như vậy, ảnh có độ phân giải không gian và phân giải phổ càng lớn thì kích cỡ ảnh càng lớn (từ vài Megabyte - MB đến Gigabyte - GB).