CHƯƠNG I: KHÁI QUÁT VỀ ẢNH VIỄN THÁM VÀ CSDL ẢNH VIỄN THÁM 1. Khát quát về ảnh viễn thám 1. Khái niệm về ảnh viễn thám Viễn thám được định nghĩa là khoa học nghiên cứu các phương pháp thu thập, đo lường và phân tích thông tin của vật thể quan sát mà không cần tiếp xúc trực tiếp với chúng. Thuật ngữ viễn thám được sử dụng đầu tiên ở Mỹ vào năm 1960, bao gồm tất cả các lĩnh vực như không ảnh, giải đoán ảnh, địa chất ảnh… Về bản chất, do các tính chất của vật thể có thể được xác định thông qua năng lượng bức xạ hay phản xạ từ vật thể nên 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 sự phản xạ và bức xạ.
Theo các định nghĩa trong [CAN][KER] thì viễn thám (Remote Sensing) được hiểu như một khoa học, nghệ thuật thu nhận thông tin về đối tượng, khu vực hay hiện tượng trên bề mặt Trái đất mà không tiếp xúc trực tiếp với chúng. Công việc này được thực hiện bởi cảm nhận (sensing) và lưu trữ các năng lượng phản xạ hay được phát ra từ các đối tượng nghiên cứu. Sau đó, các thông tin này được phân tích, xử lý và ứng dụng các thông tin này vào nhiều lĩnh vực khác nhau.2 Nguyên lý hoạt động của ảnh viễn thám Tiến trình viễn thám bao gồm nhiều công đoạn, trong đó có tương tác giữa bức xạ và đối tượng nghiên cứu. Khái niệm đối tượng nghiên cứu trong tài liệu này được hiểu là các đối tượng, khu vực hay hiện tượng nào đó trên bề mặt Trái đất mà con người muốn thu thập thông tin về nó.1 là mô tả vắn tắt bảy thành phần của hệ thống thu ảnh viễn thám [CAN].
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.vn 3 © CCRS Hình 1. Tiến trình viễn thám Nguồn năng lượng hay nguồn sáng (A): Yêu cầu đầu tiên của viễn thám là phải có nguồn năng lượng để chiếu sáng hay cung cấp năng lượng điện từ đến đối tượng nghiên cứu. Bức xạ và khí quyển (B): Vì năng lượng đi từ nguồn tới đối tượng đích cho nên nó tiếp xúc và đi qua khí quyển. Việc tương tác này còn xảy ra lần nữa khi năng lượng đi từ đối tượng đích tới cảm biến (sensor).
Tương tác với đối tượng đích (C): Sau khi năng lượng được truyền qua khí khuyển nó sẽ tương tác với đối tượng đích. Cách thức tương tác của chúng phụ thuộc vào tính chất của đối tượng đích và bức xạ. Thu nhận năng lượng bằng đầu cảm biến (D): Sau khi năng lượng bị đối tượng đích truyền đi hay phân tán (scattered), đầu cảm biến sẽ thu nhận (không tiếp xúc) và lưu trữ bức xạ điện từ. Truyền, nhận và xử lý năng lượng (E): Năng lượng được cảm nhận bởi Sensor sẽ được truyền đi, thông thường dưới dạng điện tử, đến trạm thu và xử lý, nơi mà dữ liệu được xử lý thành ảnh (dưới dạng hard-copy hay dạng số).
Diễn giải và phân tích (F): Ảnh được diễn giải bằng trực giác hay hệ thống số để trích chọn các thông tin về đối tượng nghiên cứu. Ứng dụng (G): Phần tử cuối cùng của tiến trình viễn thám là áp dụng các thông tin vừa trích chọn từ ảnh về đối tượng nghiên cứu để hiểu rõ hơn về nó, làm nổi lên các thông tin mới hay hỗ trợ giải quyết một số vấn đề cụ thể. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.vn 4 Năng lượng điện từ Viễn thám phụ thuộc vào việc đo đạc nguồn năng lượng dưới dạng bức xạ điện từ (Electromagnetic – EM). Nguồn năng lượng EM quan trọng nhất là Mặt trời, nó cung cấp ánh sáng nhìn thấy, tia cực tím hay nhiệt độ.
Thực tế có nhiều sensor của vệ tinh đo ánh sáng phản xạ của Mặt trời. Ngoài ra, có một số sensor với khả năng đo được năng lượng truyền bởi chính Trái đất hay năng lượng của chính nó. Bức xạ EM bao gồm trường điện (E) và trường từ (M). Chúng vuông góc với nhau (hình 1.
Hai trường này dao động vuông góc với hướng truyền đi của sóng (bức xạ). Cả hai lan truyền trong không gian với tốc độ ánh sáng (C) xấp xỉ 299. Bước sóng và tần số có quan hệ như sau: c=v trong đó, - bước sóng (m), v- tần số (Hz) và c- tốc độ ánh sáng Phổ điện từ Phổ của sóng điện từ là dải bức xạ điện từ liên tục từ tia gama (bước sóng ngắn nhất) đến sóng radio (bước sóng dài nhất) như trên hình 2. Có nhiều vùng của phổ điện từ được sử dụng trong viễn thám, ví dụ vùng tia cực tím (Ultraviolet - UV).
trên mặt Trái đất phát ánh sáng nhìn thấy khi chúng được chiếu bức xạ UV. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www. Phổ điện từ Mắt người chỉ có thể nhận biết được phần phổ nhìn thấy, có bước sóng từ 0. Còn nhiều sóng điện từ xung quanh chúng ta mà nó không được phân biệt bởi mắt người nhưng nó có thể được nhận biết bằng các thiết bị viễn thám.
Bước sóng nhìn thấy dài nhất là đỏ và ngắn nhất là tím. Bước sóng của một số màu cơ bản như sau: Violet: 0.700 m Các màu Red, Green và Blue là các màu cơ bản của phổ nhìn thấy. Bất kỳ một màu nào khác đều có thể được tạo bởi tổ hợp của ba màu cơ bản này và bất kỳ màu nào trong ba mầu cơ bản này đều không thể tạo bởi hai màu kia. Chú ý rằng chỉ một phần rất nhỏ của dải phổ điện từ là kết hợp với khái niệm màu.
Phần phổ điện từ quan tâm khác là vùng tia hồng ngoại (Infrared-IR), có bước sóng từ 0. Vùng này chia làm hai nhóm, nhóm thứ nhất gọi là tia hồng ngoại phản xạ (Reflected IR), có bước sóng từ 0.0m và vùng tia hồng ngoại nhiệt (Thermal IR), có bước sóng từ 3. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.vn 6 Bức xạ trong vùng tia hồng ngoại phản xạ được sử dụng trong viễn thám theo cách tương tự bức xạ trong vùng nhìn thấy. Bức xạ trong vùng tia hồng ngoại nhiệt được sử dụng khác hẳn hai vùng nói trên, trong đó, năng lượng được phát đi từ bề mặt Trái đất dưới dạng nhiệt.
Phần phổ mới được quan tâm trong viễn thám là vùng vi sóng (microwave), có bước sóng từ 1mm đến 1m. Đây là bước sóng dài nhất được sử dụng trong viễn thám. Khoảng sóng ngắn hơn của vùng này được sử dụng tương tự vùng hồng ngoại nhiệt, trong khi khoảng sóng dài hơn được sử dụng để phát sóng radio. Tương tác giữa bức xạ và khí quyển Trước khi bức xạ đến bề mặt Trái đất thì nó phải đi qua khí quyến Trái đất.
Các hạt và khí (gas) trong khí quyển ảnh hưởng đến ánh sáng và bức xạ đi qua nó. Ngoài hơi nước, gas trong khí quyển bao gồm các thành phần chính sau: Nitrogen (N2) 78.000055 % Ảnh hưởng này được gây ra bởi cơ chế tán xạ (scattering) hay hấp thụ (absorption). Tán xạ xảy ra khi các thành phần của khí quyển tác động lên bức xạ điện từ làm cho nó đổi hướng chuyển động so với hướng ban đầu. Tán xạ phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm, bước sóng bức xạ, mức độ đậm đặc của hạt và gas và khoảng cách mà bức xạ đi qua khí quyển.
Có ba loại tán xạ sau đây: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.vn 7 Tán xạ Rayleigh: Tán xạ này xảy ra khi hạt trong khí quyển nhỏ hơn nhiều so với bước sóng bức xạ. Với tán xạ Rayleigh, năng lượng có sóng ngắn sẽ tán xạ nhiều hơn năng lượng có sóng dài. Ban ngày bầu trời có màu Blue vì hiện tượng này. Ánh sáng Mặt trời đi qua khí quyển, các bước sóng ngắn (màu Blue) của phổ nhìn thấy sẽ tán xạ nhiều hơn so với các bước sóng nhìn thấy khác.
Vào thời điểm Mặt trời mọc và Mặt trời lặn, các tia sáng phải truyền trong khoảng xa hơn trong khí quyển so với giữa trưa. Tán xạ của các bước sóng ngắn kết thúc, một phần nhỏ của tia sáng với bước sóng dài hơn (Red và Magenta) được tán xạ. Hiện tượng tán xạ này là nguyên nhân gây ra sương mù, làm giảm độ nét trên ảnh viễn thám. Với ảnh màu, sẽ xuất hiện màu xanh lơ trên toàn ảnh.
Do vậy, trước ống kính chụp, người ta thường đặt tấm lọc để ngăn chặn các tia sáng có bước sóng ngắn vào ảnh. Tấm lọc đó được gọi là lọc sương mù. Tán xạ Mie: Xảy ra khi các hạt trong khí quyển có cùng kích thước với bước sóng của bức xạ. Bụi, phấn, hơi nước và khói có đường kính từ 5-100m là nguyên nhân của tán xạ Mie.
Tán xạ này xảy khi bức xạ đi qua khí quyển và có bước sóng dài hơn so với tán xạ Rayleigh. Tán xạ này là nguyên nhân thấy màu trắng khi trong khí quyển có mây. Tán xạ không lựa chọn (nonselective): Xảy ra khi các hạt trong khí quyển có đường kính lớn hơn bước sóng bức xạ. Giọt nước nhỏ và hạt bụi lớn là nguyên nhân của loại tán xạ này.
Tất cả các bước sóng của bức xạ đều tán xạ như nhau, do vậy có tên là tán xạ không lựa chọn. Tán xạ này là nguyên nhân nhìn thấy sương mù và mây có màu trắng vì các màu cơ bản Red, Green và Blue đều tán xạ gần như nhau. Hấp thụ: Ngược lại với tán xạ, hiện tượng hấp thụ là nguyên nhân các phân tử trong không khí hấp thụ năng lượng với các bước sóng khác nhau. Ozone (O3), carbon dioxide (CO2) và hơi nước (H2O) là nguyên nhân gây ra hấp thụ bức xạ.
Ozone hấp thụ bức xạ cực tím từ Mặt trời. Nó bảo vệ da người khỏi bị cháy dưới ánh nắng Mặt trời. Carbon dioxide (còn gọi là khí nhà kính) hấp Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.vn 8 thụ bức xạ mạnh hơn trong phần cao của tia cực tím trong dải phổ. Nó ngăn chặn Trái đất nóng lên.
Hơi nước trong không khí hấp thụ phần sóng ngắn của tia cực tím và phần sóng dài của vi sóng (22m – 1m). Các vùng sóng trong dải phổ điện từ mà ở đó bức xạ bị hấp thụ ít nhất và được truyền đi nhiều nhất thì gọi là cửa sổ khí quyển (atmospheric windows). Chỉ những vùng có bước sóng ngoài băng tần hấp thụ của các thành phần khí quyển thì mới sử dụng trong viễn thám. Cửa sổ khí quyển bao gồm (hình 1.