Chương 1.1 Tổng quan về dữ liệu viễn thám 1.1 Khái niệm cơ bản trong viễn thám 1.1 Viễn thám là gì Viễn thám là một lĩnh vực được phát triển khá sớm và có nhiều định nghĩa theo các quan điểm của các tác giả khác nhau. 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 [1]. Viễn thám là quan sát về một đối tượng bằng một phương tiện cách xa vật trên một khoảng cách nhất định [2]. Viễn thám là ứng dụng vào việc lấy thông tin về mặt đất và mặt nước của trái đất, bằng việc sử dụng các ảnh thu được từ một đầu chụp ảnh sử dụng bức xạ phổ điện từ đơn kênh hoặc đa phổ, bức xạ hoặc phản xạ từ bề mặt trái đất [3].
Mặc dù có nhiều định nghĩa khác nhau về viễn 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 đất”. Viễn thám ngày càng phát triển cùng với những thành tựu khoa học kỹ thuật về công nghệ vũ trụ, công nghệ điện tử, tin học. Các đối tượng nghiên cứu của khoa học viễn thám cũng trở nên đa dạng hơn về sự vật, hiện tượng xảy ra trên trái đất với các ứng dụng tại nhiều lĩnh vực khác nhau. Một số ứng dụng của công nghệ viễn thám được biết đến rộng rãi hiện nay như ứng dụng trong nghiên cứu địa chất, nghiên cứu địa mạo, nghiên cứu thạch học, ứng dụng trong khai khoáng, điều tra khảo sát công trình, nghiên cứu môi trường , nghiên cứu quản lý biến động đô thị hóa, theo dõi tốc độ sa mạc hoá, phân tích những cấu trúc địa chất trên mặt cũng như bên trong lòng đất, nghiên cứu các hành tinh khác… 1.2 Nguyên lý thu nhận dữ liệu viễn thám Sóng điện từ được phản xạ hoặc bức xạ từ vật thể là nguồn cung cấp thông tin chủ yếu về đặc tính của đối tượng.
Ảnh viễn thám cung cấp thông tin về các vật thể tương ứng với năng lượng bức xạ ứng với từng bước sóng đã xác định. Đo lường và phân tích năng lượng phản xạ phổ ghi nhận bởi ảnh viễn thám, cho phép tách thông tin hữu ích về từng lớp phủ mặt đất khác nhau do sự tương tác giữa bức xạ điện từ và vật thể.[1] LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. 1 Mô hình nguyên tắc hoạt động của Viễn thám Từ nguyên lý hoạt động của viễn thám như trên ta thấy toàn bộ quá trình thu nhận và xử lý viễn thám bao gồm các thành phần chính sau: i. Nguồn năng lượng hoặc chiếu sáng: Để thu nhận được ảnh viễn thám cần phải có nguồn năng lượng chiếu sáng, nguồn năng lượng này chiếu vào các vật thể, các vật thể bị một phần phản xạ và bức xạ.
Nguồn năng lượng chính thường sử dụng trong viễn thám là bức xạ mặt trời, năng lượng của sóng điện từ do các vật thể phản xạ hay bức xạ được bộ cảm biến đặt trên vật mang thu nhận. Bức xạ và khí quyển: Nguồn năng lượng trước khi chiếu qua vật thể chiếu qua lớp khi quyển. Tương tác với vật thể nghiên cứu: khi năng lượng xuyên qua lớp khí quyển và tiếp xúc với vật thể, sự tương tác giữ nó và mục tiêu phụ thuộc vào đặc tính của đối tượng mục tiêu và sóng điện từ. Năng lượng phản xạ hay bức xạ của các đối tượng khác nhau là khác nhau.
Sự thu năng lượng bởi bộ cảm biến: năng lượng của sóng điện từ do các vật thể phản xạ hay bức xạ được bộ cảm biến đặt trên vật mang thu nhận và ghi lại. Bộ cảm biến có thể là các máy chụp ảnh hoặc máy quét. Phương tiện mang các bộ cảm biến được gọi là vật mang như máy bay, khinh khí cầu, tầu con thoi hoặc vệ tinh. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.
Bộ truyền tín hiệu tiếp nhận và xử lý – dữ liệu ghi nhận được từ bộ cảm biến sẽ được truyền tới trạm thu nhận và xử lý dữ liệu – nơi dữ liệu được xử lý thành một ảnh. Giải đoán và phân tích - hình ảnh thu nhận sẽ được giải đoán và phân tích bằng các chương trình tự động hoặc dựa trên kinh nghiệm của chuyên gia nhằm trích xuất các thông tin về đối tượng mục tiêu. Ứng dụng - Các thông tin trích xuất sẽ ứng dụng vào trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: nông lâm nghiệp, địa chất, khí tượng,.3 Một số đặc điểm dữ liệu viễn thám Dữ liệu viễn thám bao gồm tất cả các hình ảnh được xây dựng từ những dữ liệu thu thập được mà không cần tiếp xúc trực tiếp với các đối tượng đó. Phổ biến nhất là hình ảnh vệ tinh Landsat, Modis, Geos…Đây là những loại dữ liệu bao gồm ảnh chụp vệ tinh và ảnh chụp trên không, địa chấn, dữ liệu Radar, dữ liệu đa phổ Lidar.Các thông số quan trọng nhất đặc trưng cho khả năng cung cấp thông tin của một ảnh vệ tinh là độ phân giải của nó.
Có ba loại độ phân giải: độ phân giải không gian, độ phân giải phổ và độ phân giải thời gian. Độ phân giải của ảnh Độ phân giải của ảnh là mật độ điểm ảnh được ấn định trên một ảnh số hiển thị. Nhìn chung, độ phân giải là khoảng cách nhỏ nhất có thể phân biệt được hai đối tượng trong ảnh. Các đối tượng rất gần hơn độ phân giải xuất hiện dưới dạng một đối tượng duy nhất trong ảnh.
Trong viễn thám, giới hạn độ phân giải được sử dụng để thể hiện khả năng phân giải, bao gồm khả năng xác định sự có mặt của hai đối tượng và đặc điểm của chúng. Một hình ảnh thể hiện nhiều chi tiết hơn được cho là có độ phân giải cao hơn. Độ phân giải không gian là một thước đo về diện tích hay kích thước nhỏ nhất trên mặt đất được thực hiện bởi cảm biến. Do đặc tính của đầu thu, độ phân giải không gian của một ảnh vệ tinh phụ thuộc vào hai thông số FOV và IFOV.
Với góc nhìn FOV càng lớn thì ảnh thu được càng rộng, và với cùng một góc nhìn, vệ tinh nào có độ cao lớn hơn sẽ có khoảng thu ảnh lớn hơn. Một thước đo của độ phân giải không gian IFOV, IFOV là góc nhìn tức thời của đầu thu đặc trưng cho phạm vi không gian mà đầu thu có thể nhận được sóng điện từ trong một thời điểm. Tức là đầu thu sẽ không thể “nhìn” được các đối tượng nhỏ hơn trong góc nhìn IFOV. Góc IFOV càng nhỏ thì khả năng phân biệt các đối tượng LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 14 trong không gian càng lớn, nghĩa là giá trị pixel càng nhỏ và phạm vi “chụp” ảnh càng hẹp.
Ý nghĩa quan trọng nhất của độ phân giải không gian là cho ta biết các đối tượng nhỏ nhất mà có thể phân biệt được trên ảnh. Độ phân giải không gian chia thành độ phân giải thấp, độ phân giải vừa, độ phân giải cao và độ phân giải rất cao. Độ phân giải phổ đại diện cho độ rộng dải phổ của bộ lọc và bộ cảm biến. Có thể hiểu, độ phân giải phổ là khả năng của một bộ cảm biến xác định khoảng cách bước sóng tốt trong dải phổ để mô tả các thành phần khác nhau trên trái đất.
Có nhiều dải sóng điện tử tuỳ thuộc vào mục đích thu thập thông tin mà mỗi loại đầu thu được thiết kế để có thể thu nhận sóng điện từ trong một số khoảng bước sóng nhất định. Các khoảng bước sóng này được gọi là các kênh ảnh. Ảnh chụp đối tượng trên các kênh khác nhau sẽ khác nhau. Điều này có nghĩa là ảnh được thu trên càng nhiều kênh thì càng có nhiều thông tin về đối tượng được thu thập.
Độ phân giải phổ càng cao thì thông tin thu thập từ đối tượng càng nhiều. Và đương nhiên giá thành càng lớn. Hiện nay, trong viễn thám đa phổ, các loại vệ tinh viễn thám có khả năng thu được rất nhiều kênh ảnh (trên 30 kênh) gọi là các vệ tinh siêu phổ đang được phát triển. Độ phân giải thời gian: Vệ tinh viễn thám chuyển động trên quĩ đạo và chụp ảnh trái đất.
Sau một khoảng thời gian nhất định, nó quay lại và chụp lại vùng đã chụp. Khoảng thời gian này gọi là độ phân giải thời gian của vệ tinh. Rõ ràng là với khoảng thời gian lặp càng nhỏ thì thông tin thu thập hay ảnh chụp càng nhiều. 2 Độ phân giải thời gian của dữ liệu viễn thám LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 15 Tóm lại, thông tin trên ảnh viễn thám quang học là phản xạ phổ của các đối tượng trên mặt đất, bao gồm lớp phủ thực vật, nước và đất trống được ghi nhận thành từng pixel ảnh có độ phân giải không gian xác định, trên nhiều kênh phổ xác định và vào một thời gian xác định.
Điểm ảnh (Picture pixel): Ảnh gốc hay ảnh tự nhiên là ảnh liên tục về không gian và độ sáng. Để xử lý bằng máy tính (số), ảnh cần phải được số hóa. Số hóa ảnh là sự biến đổi gần đúng một ảnh liên tục thành một tập điểm phù hợp với ảnh thật về vị trí (không gian) và độ sáng (mức xám). Khoảng cách giữa các điểm ảnh đó được thiết lập sao cho mắt người không phân biệt được ranh giới giữa chúng.
Mỗi một điểm như vậy gọi là điểm ảnh (PEL: Picture Element) hay gọi tắt là pixel. Trong khuôn khổ ảnh hai chiều, mỗi pixel ứng với cặp tọa độ (x,y). Điểm ảnh là một phần tử của ảnh số tại tọa độ (x,y) với độ xám hoặc màu nhất định. Kích thước và khoảng cách giữa các điểm ảnh đó được chọn thích hợp sao cho mắt người cảm nhận sự liên tục về không gian và mức xám của ảnh số gần như ảnh thật.
Mỗi phần tử trong ma trận được gọi là một phần tử ảnh. Mức xám của ảnh Một điểm ảnh có hai đặc trưng cơ bản là vị trí (x,y) của điểm ảnh và độ xám của nó. Mức xám của điểm ảnh là cường độ sáng của nó được gán bằng giá trị số tại điểm đó. Các thang giá trị mức xám thông thường: 16, 32, 64, 128, 256.
Mức 256 là mức phổ dụng bởi vì trong kỹ thuật máy tính dùng 1 byte (8 bit) để biểu diễn mức xám. Mức xám dùng 1 bytes biểu diễn 2k=256 mức, tức là từ từ 0 đến 255.4 Phân loại viễn thám Từ các đặc điểm của ảnh vệ tinh, có thể phân loại ảnh trong viễn thám theo các tiêu chí sau a.