Chương 1: Tổng quan về cơ sở của công nghệ viễn thám Chương 2: Khả năng giải đoán ảnh vệ tinh SPOT đối với việc nghiên cứu hiện trạng sử dụng đất huyện Thường Tín Chương 3: Nghiên cứu quy trình công nghệ sử dụng ảnh vệ tinh SPOT thành lập bản đồ biến động các loại hình sử dụng đất khu vực huyện Thường Tín giai đoạn 2000 – 2011 và dự báo biến động tới năm 2015 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CƠ SỞ CỦA CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM 1. Những khái niệm cơ bản về công nghệ viễn thám 1. Khái niệm về hệ thống ghi nhận thông tin viễn thám Năng lượng điện từ của ảnh sáng sau khi truyền qua các cửa sổ khí quyển tương tác với các đối tượng trên bề mặt trái đất và phản xạ lại để các thiết bị thu của viễn thám có thể ghi nhận các tín hiệu đó. Trên cơ sở các tín hiệu đó có thể tách chiết các thông tin về đối tượng.
Quá trình đó được thể hiện bằng các công đoạn chính: phát hiện, ghi, phân tích các tín hiệu. Phát hiện: việc phát hiện các thông tin là bước rất quan trọng. Phát hiện về dải sóng, về cường độ và tính chất khác của nguồn năng lượng điện từ Ghi tín hiệu: các tín hiệu phát hiện được có thể ghi dưới dạng hình ảnh hoặc các tín hiệu điện từ. Khi xử lý các tín hiệu dạng hình ảnh, một số kiểu phim ảnh có phủ các lớp nhạy cảm ánh sáng để phát hiện sự khác nhau của nguồn năng lượng điện từ tạo nên hình ảnh không gian, không đắt và cung cấp nhiều chi tiết trong không gian và có thể hiệu chỉnh hình học dễ dàng.
Năng lượng điện từ có thể được ghi dưới dạng các tín hiệu, biểu đồ phổ hoặc dưới hình ảnh số giống như hình ảnh nền của mành hình máy tính, tài liệu số thường có giá đắt hơn tư liệu ảnh, song lại có nhiều ưu điểm về độ phân giải phổ, khả năng truyền thông tin. Các tín hiệu điện từ có thể ghi nhận ở dạng phim, băng từ hoặc đĩa từ và có thể hiện thị dễ dàng. Phân tích các tín hiệu phổ: có thể thực hiện được bằng hai phương thức: phân tích bằng mắt và xử lý số bằng máy tính Phân tích bằng mắt được thực hiện với các tư liệu dạng hình ảnh. Đây là công việc đã rất phổ biến trong viễn thám, phân tích ảnh bằng mắt có sự kết hợp rất nhuần nhuyễn các kiến thức chuyên môn của người phân tích để từ đó khai thác được các thông tin tồn tại trong tư liệu ảnh.
Kết quả giải đoán phụ thuộc rất nhiều 12 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com vào khả năng của người phân tích. Tất nhiên, hạn chế của giải đoán bằng mắt là không phân biệt được hết các đặc tính phổ của đối tượng, nguyên nhân là do khả năng phân biệt sự khác biệt về phổ của mắt người hạn chế (tối đa 12 – 14 mức). Xử lý số là phương pháp xử lý phân tích tư liệu phổ dưới dạng hình ảnh số chứ không phải dạng ảnh tương tự (analoge hay pictorial). Ưu thế của phương pháp xử lý số là có thể phân tích các tín hiệu phổ một cách chi tiết (256 mức hoặc hơn).
Với sự trợ giúp của máy tính và các phần mềm chuyên dụng, có thể tách chiết rất nhiều thông tin phổ của đối tượng, từ đó có thể nhận biết các đối tượng một cách tự động. Tất nhiên quá trình xử lý số cần có sự kết hợp nhuần nhuyễn với kiến thức chuyên môn của người phân tích hoặc người lập các chương trình tính toán 1. Cơ sở phương pháp viễn thám Viễn thám được định nghĩa là sự thu nhận thông tin về đối tượng mà không có sự tiếp xúc trực tiếp đến vật thể. Công nghệ viễn thám phát triển dựa trên những thành tựu mới nhất của khoa học kỹ thuật cũng như công nghệ vũ trụ, công nghệ tin học … Với mục tiêu cung cấp thông tin nhanh nhất và khách quan nhất Hình 1.1: Hệ thống vệ tinh giám sát tài nguyên và môi trƣờng trái đất Trong những năm gần đây, với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, công nghệ viễn thám phát triển mạnh bởi những cải tiến về vệ tinh chụp ảnh, thiết bị chụp ảnh và các phương pháp chụp Những thông tin thu thập được từ công nghệ viễn thám được sử dụng vào rất nhiều mục đích như: Nghiên cứu về biến đổi khí hậu Nghiên cứu về biến động tầng ôzôn 13 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Dự báo thời tiết Ứng dụng trong nông nghiệp và lâm nghiệp Điều tra tài nguyên thiên nhiên Theo dõi giảm nhẹ thiên tai Ứng dụng trong quản lý đới bờ Các ứng dụng trong hải dương học Viễn thám là phương pháp xử lý và phân tích các thông tin của những đối tượng phân bố trên bề mặt Trái Đất và được thu thập từ ba tầng không gian: * Vũ trụ (ngoài khí quyển) * Tầng trung (tầng khí quyển) * Mặt đất nhằm xác định một cách tổng hợp những thuộc tính cơ bản của đối tượng nghiên cứu Hình 1.2: Khái niệm chung về viễn thám Cơ sở khoa học của công nghệ viễn thám dựa trên bản chất vật lý trong tự nhiên là các vật thể (đối tượng) trong những điều kiện khác nhau thì khả năng phản xạ hoặc bức xạ của sóng điện từ sẽ có những đặc trưng riêng.
Từ đó, nguồn tư liệu viễn thám được hình thành như là kết quả thu nhận năng lượng phản xạ hoặc bức xạ 14 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com các sóng điện từ của các đối tượng bằng các thiết bị gọi là bộ cảm hoặc bằng các máy chụp ảnh Sóng điện từ được phản xạ hoặc bức xạ từ vật thể thường là nguồn tư liệu chủ yếu trong viễn thám. Các tính chất của vật thể có thể được xác định thông qua các năng lượng bức xạ hoặc phản xạ từ vật thể. Viễn thám là một công nghệ nhằm xác định và nhận biết đối tượng hay các điều kiện môi trường thông qua những đặc trưng riêng về phản xạ và bức xạ. Bức xạ điện từ Bức xạ điện từ có 4 thông số cơ bản: tần số, hướng lan truyền, biên độ và mặt phẳng phân cực.
Các thông số này có thể sử dụng trong việc khai thác thông tin ảnh. Ví dụ: tần số có thể được ding để xác định vận tốc chuyển động của vật thể dựa trên hiệu ứng Doppler, hướng lan truyền được sử dụng để phát hiện các cấu trúc của đối tượng. Biên độ thể hiện mức độ sáng tối của vật thể và được sử dụng như những phần tử giải đoán ảnh cơ bản, mặt phân cực được sử dụng để xác định hình dạng của vật thể - ánh sáng phản xạ trên các bề mặt tương tự nhau sẽ cho các chùm tia có mặt phẳng phân cực giống nhau. Do ảnh hưởng của các vật chất có trong khí quyển như hơi nước, khí CO 2 … mà độ truyền dẫn của khí quyển bị giảm thiểu ở nhiều bước sóng.
Tại những vùng đó, bộ cảm trên vệ tinh sẽ không nhận được bức xạ từ bề mặt Trái Đất – đồng nghĩa với việc bộ cảm trên vệ tinh sẽ không nhận được thông tin. Ở những vùng còn lại trong dải sóng điện từ được sử dụng trong viễn thám, bức xạ sẽ đạt tới bộ cảm. Những vùng bước sóng đó được gọi là cửa sổ khí quyển, chỉ trong các vùng bước sóng này mà người ta mới thiết kế các băng phổ cho bộ cảm. Năng lượng sóng điện từ khi qua môi trường khí quyển sẽ bị các phân tử khí hấp thụ ở nhiều mức độ khác nhau tùy thuộc vào bước sóng cụ thể.
Các bước sóng ngắn hơn 0,3 m hầu hết bị hấp thụ bởi tầng ôzôn, vùng ánh sáng khả kiến ít bị hấp thụ bởi khí quyển. Bức xạ nhiệt của trái đất có năng lượng cao nhất tại bước sóng 10 m trong vùng cửa sổ khí quyển và sóng vô tuyến cao tần lớn hơn 1 mm cũng ít bị hấp thụ bởi khí quyển. Do đó thông tin ảnh viễn thám thu nhận được thường dựa vào sự đo lường năng lượng 15 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com phản xạ, phản xạ sóng điện từ trong vùng khả kiến và hồng ngoại nhiệt (ảnh quang học), vùng sóng siêu cao tần (rada). Trong viễn thám người ta thường chú ý đến khả năng lan truyền sóng điện từ trong khí quyển.
Vì các hiện tượng và cơ chế tương tác giữa sóng điện từ và khí quyển sẽ có những tác động mạnh đến thông tin được bộ cảm thu nhận. Khí quyển có sự tương tác khác nhau với bức xạ điện từ có bước sóng khác nhau. Trong quá trình lan truyền nguồn năng lượng mặt trời xuống mặt đất và quá trình lan truyền nguồn năng lượng mặt trời xuống mặt đất và quá trình lan truyền sóng điện từ luôn bị hấp thu, tán xạ, khác xạ bởi Oxy, Nitơ, Cacbonic, Ozon và hơi nước có trong khí quyển trước khi đi đến bộ cảm biến. Để thấy được cơ chế tương tác giữa khí quyển và sóng điện từ ta xem bảng dưới đây: Bảng 1.1: Cơ chế tƣơng tác giữa khí quyển và sóng điện từ Dải phổ điện từ Bƣớc sóng Đặc điểm Hấp thụ mạnh bởi khí quyển ở tầng cao, Tia cực tím 0,3 – 0,4 m không thể thu nhận năng lượng do dải sóng này cung cấp Rất ít bị hấp thụ bởi Oxy, nước, năng lượng phản xạ cực đại với bước sóng 0,5 Khả kiến 0,4 – 0,76 m m trong khí quyển.
Năng lượng do dải sóng này cung cấp giữ vai trò quan trọng trong viễn thám 0,77 – 1,34 m Năng lượng phản xạ mạnh ứng với các bước sóng hồng ngoại gần từ 0,77 – 0,9 Hồng ngoại trung m. Sử dụng trong chụp ảnh hồng ngoại bình theo dõi sự biến đổi thực vật từ 1,55 – 2,4 1,55 – 2,4 m m Một số vùng bị hấp thụ mạnh bởi hơi Hồng ngoại nhiệt 3 – 22 m nước, dải sóng này giữ vai trò quan trọng trong phát hiện cháy rừng, hoạt động của 16 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Bức xạ nhiệt của trái đất có năng lượng cao nhất tại bước sóng 10 m Khí quyển không hấp thụ năng lượng bước sóng lớn hơn 2 cm, cho phép thu Vô tuyến Rada 1 mm – 100 cm nhận năng lượng cả ngày lẫn đêm, không ảnh hưởng bởi mây, sương mù hay mưa Tất cả các vật thể đều phản xạ, hấp thụ, phân tách và bức xạ sóng điện từ bằng các cách thức khác nhau và các đặc trưng này thường được gọi là đặc trưng phổ.