Chương 1. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Hệ thống viễn thám và ảnh viễn thám 1.
Các khái niệm cơ bản a. Khái niệm viễn thám Viễn thám là khoa học thu thập, xử lý, thể hiện hình ảnh và dữ liệu liên quan có được từ các thiết bị trên mặt đất, không trung và không gian bằng cách ghi lại sự tương tác giữa vật chất (mục tiêu) và bức xạ điện từ. Viễn thám sử dụng phổ điện từ để ghi nhận hình ảnh mặt đất, đại dương, và khí quyển. Bức xạ điện từ Bức xạ điện từ là quá trình truyền năng lượng điện từ trên cơ sở các dao động của điện trường và từ trường trong không gian.
Quá trình lan truyền của sóng điện từ qua môi trường vật chất sẽ tạo ra phản xạ, hấp thụ, tán xạ và bức xạ sóng điện từ dưới các hình thức khác nhau tùy thuộc vào bước sóng. Viễn thám thường sử dụng 4 tính chất cơ bản của bức xạ điện từ đó là tần số hay bước sóng, hướng lan truyền, biên độ và mặt phẳng phân cực để thu nhận thông tin từ các đối tượng. Ví dụ, tần số hay bước sóng liên quan đến màu sắc của vật thể trong vùng ánh sáng khả kiến. Tùy thuộc vào bước sóng điện từ, phản xạ hay bức xạ từ các vật thể được thu nhận bởi bộ cảm biến sẽ tạo ra các ảnh viễn thám có màu sắc khác nhau.
Thể hiện màu dữ liệu ảnh vệ tinh giữ vai trò rất quan trọng trong việc giải đoán ảnh bằng mắt, nếu ảnh đa phổ gồm 3 kênh được ghi nhận tương ứng cùng vùng phổ của đỏ, lục và xanh lơ sẽ cho phép tái tạo màu tự nhiên trên màn hình hiển thị ảnh. Ví dụ, lá cây sẽ có màu xanh trên ảnh như sự cảm nhận của con người ngoài thực tế, vì chất diệp lục hấp thụ ánh sáng có bước sóng xanh lơ và đỏ đồng thời phản xạ ánh sáng có bước sóng xanh lục. Ngược lại, nếu thông tin ghi nhận trên vùng phổ không nhìn thấy (sóng hồng ngoại) sự tổ hợp màu với kênh phổ hồng ngoại sẽ không cho màu tự nhiên, trường hợp này được gọi là tổ hợp màu hồng ngoại. Trên tổ hợp màu này, các đối tượng được thể hiện giống như thể hiện trên film hồng ngoại.
Ảnh viễn thám sẽ cung cấp thông tin về các vật thể tương ứng với năng lượng bức xạ ứng với từng bước sóng do bộ cảm biến nhận được trong dải phổ đã xác định. Các đại lượng này của vật thể thường được gọi là đặc trưng phổ. PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.com to remove the waterma 5 Phản xạ phổ ứng với từng lớp phủ mặt đất cho thấy có sự khác nhau do sự tương tác giữa bức xạ điện từ và vật thể, điều này cho phép viễn thám có thể xác định hoặc phân tích được đặc điểm của lớp phủ thông qua việc đo lường phản xạ phổ.1 cho thấy phản xạ phổ ứng với một số lớp phủ đặc trưng của mặt đất (trục ngang thể hiện bước sóng, trục đứng thể hiện phần trăm năng lượng điện từ phản xạ), trong đó thực vật có phản xạ rất cao trong vùng gần hồng ngoại, đất cho sự phản xạ khá cao đối với hầu hết các vùng phổ nhưng nước hầu như không phản xạ trong vùng hồng ngoại (hấp thụ hoàn toàn năng lượng sóng hồng ngoại). Phổ phản xạ của thực vật, đất và nước Năng lượng sóng điện từ hấp thụ nhiều hay ít tùy thuộc vào bước sóng và loại vật thể.
Năng lượng của bức xạ điện từ (E) khi tương tác với vật thể một phần sẽ bị hấp thụ (EA), một phần phản xạ (ER) và một phần truyền qua vật thể (ET). Sự tương tác sóng điện từ với vật thể Theo định luật bảo toàn năng lượng thì E = EA + ER + ET. Đặt trưng của bề mặt đất có thể phân biệt bằng cách so sánh năng lượng phản xạ ER của từng vật thể khác nhau ứng với từng bước sóng và phản xạ phổ được xác định bởi ER/E. PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.com to remove the waterma 6 Năng lượng sóng điện từ do nguồn cung cấp là mặt trời, khi truyền tới mặt đất sẽ bị hấp thụ hoặc tán xạ bởi các phân tử nước và khí có trong lớp khí quyển.
Tùy thuộc vào bước sóng, ảnh hưởng của khí quyển đến phản xạ phổ ứng với từng loại lớp phủ mặt đất cho thấy có sự khác nhau theo vị trí cũng như thời gian trong năm. Do các tính chất của vật thể có thể được xác định thông qua năng lượng bức xạ từ vật thể hay phản xạ của vật thể đối với năng lượng bức xạ do mặt trời cung cấp, nếu năng lượng của sóng điện từ do các vật thể phản xạ hay bức xạ được thu nhận bởi bộ cảm biến (sensor) đặt trên vật mang (platform của vệ tinh), ta có thể nhận biết đối tượng hoặc các điều kiện môi trường khí quyển xung quanh trái đất thông qua những đặt trưng riêng về sự phản xạ sóng điện từ [23]. Ảnh viễn thám Ảnh viễn thám (còn gọi là ảnh vệ tinh) là ảnh số thể hiện các vật thể trên bề mặt trái đất được thu nhận bởi các bộ cảm biến đặt trên vệ tinh. Tùy thuộc vào vùng bước sóng được sử dụng để thu nhận, ảnh viễn thám được phân thành ba loại cơ bản: Ảnh quang học: Nguồn năng lượng chính là bức xạ mặt trời; Ảnh nhiệt: Nguồn năng lượng chính là bức xạ nhiệt của vật thể; Ảnh rada: Nguồn năng lượng chính là sóng rada phản xạ từ các vật thể do vệ tinh phát xuống theo những bước sóng đã được xác định.
Vùng phủ mặt đất rộng hay hẹp (diện tích nhất định trên bề mặt trái đất) tương ứng với phần tử ảnh gọi là độ phân giải không gian hay độ phân giải mặt đất của ảnh viễn thám, tùy vào loại vệ tinh và kích thước của pixel đã được xác định trước khi thiết kế bộ cảm biến mà ảnh viễn thám có độ phân giải không gian khác nhau. Ngoài ra, cùng một lớp phủ mặt đất tương ứng với phần tử ảnh sẽ có giá trị độ sáng của pixel khác nhau theo từng loại bước sóng (ảnh chụp đa phổ). Do đó ứng với vùng phủ nhất định, thông tin cơ bản được cung cấp bởi ảnh vệ tinh sẽ khác nhau phụ thuộc vào kích thước của pixel và phạm vi bước sóng được sử dụng bởi từng loại vệ tinh.3 thể hiện các ảnh vệ tinh chụp trên cùng một diện tích nhất định trên bề mặt trái đất nhưng có độ phân giải không gian khác nhau (20m, 10m và 5m) và hình 1.4 thể hiện các ảnh vệ tinh chụp trên các kênh phổ khác nhau. PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.com to remove the waterma 7 20m pixel 10m pixel 5m pixel Hình 1.
Ảnh vệ tinh với độ phân giải không gian khác nhau Kênh phổ “lục” Kênh phổ “đỏ” Kênh phổ “hồng ngoại” Hình 1. Ảnh SPOT 5 chụp ba kênh green, red và hồng ngoại Để lưu trữ, xử lý và hiển thị ảnh vệ tinh trong máy tính kiểu Raster, tùy thuộc vào số bit dùng để ghi nhận thông tin, mỗi pixel sẽ có một giá trị hữu hạn ứng với từng cấp độ xám (giái trị độ sáng của pixel: BV – Brightness Value). Ví dụ 7 bits cho 128 cấp độ xám (0-127) và 8 bits cho 256 cấp (0-255) 0 tương ứng đen và 255 là trắng.5 thể hiện ảnh số có các phần tử ảnh (pixel) được xác định bởi hàng và cột ghi nhận thông tin theo giá trị từ 0 đến 255. 1 2 3 4 5 1 11 18 27 26 26 BV14 = 26 2 BV24 3 120 130 145 225 252 4 Hình 1.
Ảnh có 20 pixels ghi nhận thông tin theo 8 bits Số bit dùng để ghi nhận thông tin (thang cấp độ xám) được gọi là độ phân giải bức xạ của ảnh vệ tinh, độ phân giải bức xạ thể hiện sự thay đổi nhỏ nhất của cường độ phản xạ sóng từ các vật thể được xác định bởi bộ cảm biến. PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.com to remove the waterma 8 Ảnh toàn sắc chỉ bao gồm một kênh phổ nên thường được giải đoán như ảnh đen trắng, ảnh đa phổ gồm nhiều kênh phổ. Để hiển thị, từng kênh của ảnh đa phổ được thể hiện lần lượt dưới dạng ảnh gray scale (cấp độ xám) mà mỗi pixel có giá trị hữu hạn ứng với từng cường độ phản xạ năng lượng của vật thể trên mặt đất, hoặc phối hợp ba kênh ảnh thể hiện cùng lúc dưới dạng ảnh tổ hợp màu. Việc giải đoán ảnh tổ hợp màu đòi hỏi phải có kiến thức về đặc trưng phản xạ phổ của các đối tượng trong ảnh [23].
Lịch sử phát triển của công nghệ viễn thám Viễn thám (Remote sensing) được định nghĩa bằng nhiều từ ngữ khác nhau, nhưng nói chung đều thống nhất theo quan điểm chung là khoa học và công nghệ thu thập thông tin của vật thể mà không tiếp xúc trực tiếp với vật thể đó. Định nghĩa sau đây có thể coi là tiêu biểu: “Viễn thám là khoa học và công nghệ mà theo đó các đặc tính đối tượng quan tâm được nhận diện, đo đạc, phân tích các tính chất mà không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tượng”. Đối tượng trong định nghĩa này có thể hiểu là một đối tượng cụ thể, một vùng hay một hiện tượng. Trong khoảng ba thập kỷ gần đây khi công nghệ vũ trụ đã cho ra đời các ảnh số thu nhận từ các vệ tinh trên quỹ đạo của trái đất viễn thám đã thực sự phát triển mạnh mẽ.
Nhưng thực ra viễn thám đã có lịch sử lâu đời. Ảnh chụp (film) được sử dụng cho nghiên cứu mặt đất đã xuất hiện từ thế kỷ 19. Năm 1839, Louis Daguere (1789-1881) đưa ra báo cáo về thí nghiệm hoá ảnh của mình khởi đầu cho ngành chụp ảnh. Ảnh chụp về bề mặt trái đất từ khinh khí cầu bắt đầu sử dụng từ năm 1858.
Bức ảnh chụp đầu tiên về Trái đất từ khinh khí cầu chụp vùng Bostom vào năm 1860 bởi James Wallace Black, 1860. Sự phát triển của viễn thám đi liền với sự phát triển của công nghệ vũ trụ phục vụ cho việc nghiên cứu trái đất và vũ trụ. Các ảnh chụp nổi stereo theo phương đứng và xiên cung cấp bởi GEMINI (1965) đã thể hiện ưu thế của công việc nghiên cứu Trái đất bằng các bức ảnh của nó. Tiếp theo, tàu Apolo cho ra sản phẩm ảnh chụp nổi và đa phổ kích thước 70mm.
Ngành hàng không vũ trụ của Liên Xô cũ và hiện nay là Nga góp phần tích cực vào việc nghiên cứu trái đất từ vũ trụ.