Chương 1 8 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ VIỄN THÁM RADAR, KHU VỰC NGHIÊN CỨU VÀ DỮ LIỆU ẢNH ENVISAT ASAR 2. Giới thiệu tổng quan về viễn thám radar Viễn thám radar, còn gọi là viễn thám siêu cao tần, sử dụng bức xạ siêu cao tần với bước sóng từ một cho đến vài chục centimet cho phép quan sát vật thể trong mọi thời điểm trong ngày và không bị ảnh hưởng bởi các điều kiện thời tiết như mây hay mưa. Đồng thời, bước sóng được sử dụng trong thu ảnh radar thường được xác định trước nên cho phép so sánh chính xác năng lượng phát và năng lượng phản xạ để tách thông tin chi tiết hơn khi phân tích các đặc trưng của bề mặt đất. Radar (Radio Detection and Ranging): kỹ thuật dò tìm và định vị bằng sóng vô tuyến.
Việc thu ảnh radar đầu tiên được sử dụng trong chiến tranh thế giới thứ hai với sự phát triển của chương trình PPI (the Plan Position Indicator) hỗ trợ việc ném bom vào ban đêm. Sau thế chiến thứ hai, hệ thống SLAR (Side-Looking Airborne Radar) được phát triển cho sự khảo sát địa hình. Trong kỹ thuật này, hệ thống SLAR quét thành một dải trên địa hình song song với đường bay và tín hiệu được ghi nhận lại ở trên phim dựa trên radar khẩu độ thực. Nhược điểm của loại này là cần độ dài tín hiệu giả để đạt độ phân giải phương vị cao.
Tuy nhiên, vấn đề này được Bộ Quốc phòng Mỹ cải thiện vào năm 1950 bằng sự phát triển của SAR. SAR cũng là thiết bị quan sát một bên, nhưng cho phép xử lý tín hiệu tốt hơn để có độ phân giải phương vị cao hơn hệ thống SLAR. Công dụng hữu ích của hệ thống radar máy bay đã được thể hiện qua các dự án quan trọng trong việc thành lập bản đồ tài nguyên trái đất tỷ lệ lớn ở các vùng nhiệt đới như Radam (Brazil), Proradam (Colombia), Nirad (Nigeria) từ đầu thập niên 70. Đến năm 1978, công dụng của radar vệ tinh mới được biết đến qua vệ tinh Seasat của NASA.
Các cuộc thử nghiệm tiếp tục được thực hiện với SIR-A và SIR-B tương ứng các năm 1981 và 1984. Vệ tinh radar với sứ mệnh quan sát mặt đất dài hạn được bắt đầu với vệ tinh ALIMAZ-1 (1987), ALIMAZ-2 (1991) của USSR (Nga), vệ tinh ERS-1 (1991) của Cơ quan không gian Châu Âu (ESA). Sau đó hàng loạt vệ tinh viễn thám radar đã được phóng lên như ERS-2 (1995), Chương 2 9 RADARSAT-1 (1995), ENVISAT-ASAR (2002), ALOS-PALSAR (2006)… chứng tỏ sự phát triển mạnh mẽ của lĩnh vực viễn thám radar, nó cung cấp nguồn dữ liệu phong phú và tạo ra những cơ hội mới cho các nghiên cứu ứng dụng. Nhìn chung viễn thám radar có những ưu điểm như sau: - Thu nhận ảnh trong mọi điều kiện thời tiết - Hoạt động cả ngày lẫn đêm, không phụ thuộc chiếu sáng của mặt trời.
- Không chịu tác động của yếu tố khí quyển (phân tích đa thời gian) - Nhạy với các đặc trưng điện môi (hàm lượng nước, sinh khối, băng) - Nhạy với bề mặt ghồ ghề (tốc độ gió ở bề mặt đại dương). - Đo khoảng cách chính xác (bằng kỹ thuật giao thoa). - Nhạy với các vật thể nhân tạo. - Nhạy với cấu trúc đối tượng (khi sử dụng phân cực).
- Xuyên thấu lớp bên dưới bề mặt. Nhược điểm của viễn thám radar: - Tương tác phức tạp (khó hiểu, quá trình xử lý phức tạp). - Ảnh hưởng của vệt lóm đóm – speckle (khó giải đoán bằng mắt). - Ảnh hưởng bởi địa hình.
- Ảnh hưởng bởi độ gồ ghề bề mặt.1 Hệ thống viễn thám radar và khả năng xuyên thấu qua mây, mưa Chương 2 10 2. Nguyên lý Nguyên lý cơ bản của việc chụp ảnh radar là vệ tinh phát ra bức xạ điện từ đến bề mặt trái đất và bộ cảm ghi nhận lại số lượng xung điện và độ trễ thời gian của năng lượng tán xạ ngược. Các thông tin này do sóng điện từ mang theo, được xác định bởi: hướng lan truyền, biên độ, bước sóng, độ phân cực và pha của sóng siêu cao tần. Mối quan hệ giữa tần số f và bước sóng được xác định theo công thức c f (2.1) Trong đó: f : Tần số của sóng radar (số chu kỳ trong một giây) - đơn vị: Hz c : Vận tốc lan truyền sóng trong chân không ( c 3 x 108) - đơn vị: m/s : Bước sóng - đơn vị: m Các thiết bị chủ yếu của một hệ thống chụp ảnh radar bao gồm: Bộ phát sóng, bộ thu, anten thu phát sóng, và hệ thống điện tử để xử lý và thu nhận dữ liệu.
Trên hình, bộ phát tạo ra các xung ngắn với năng lượng cao (A) trong những khoảng thời gian nhất định mà được anten hội tụ thành chùm tia (B). Sóng được phát tỏa ra trên bề mặt đất chếch một góc theo hướng chuyển động của vệ tinh. Anten thu nhận xung phản xạ hay tán xạ trở lại từ các vật thể trong vùng phủ sóng của chùm tia (C). Bằng cách đo lường độ lệch thời gian giữa lúc sóng phát đi và nhận sóng phản xạ trở lại từ các đối tượng khác nhau, biết được khoảng cách đến các đối tượng thì vị trí của chúng sẽ được xác định.
Khi vệ tinh chuyển động về phía trước, thu nhận và phản xạ sóng siêu cao tần sẽ xây dựng nên hình ảnh hai chiều của bề mặt đất.2 Nguyên lí viễn thám radar Chương 2 11 Viễn thám radar tạo được một ảnh radar với giá trị của mỗi pixel được xác định bởi mức độ tín hiệu phản xạ từ một vị trí tương ứng trên thực địa. Khi năng lượng sóng điện từ không bị biến đổi trên đường truyền thì giá trị số của ảnh thường được tạo ra bằng cách lấy căn bậc hai năng lượng tín hiệu phản xạ. Về mặt kỹ thuật, việc vận hành radar có thể được phân tích được về phương diện năng lượng của tín hiệu phản xạ. Năng lượng nhận được từ mỗi xung radar truyền đi có thể được thể hiện dưới dạng các thông số vật lý của radar và phép chiếu hình học thông qua phương trình radar.2) Trong đó: Pr : Năng lượng sóng phản xạ được thu bởi bộ thu G : Khả năng thu nhận của anten pt : Năng lượng sóng được anten phát ra : Bước sóng của sóng radar : Hàm số đặc trưng của vật thể và kích thước của vùng phủ sóng radar R : Khoảng cách từ bộ thu đến vật thể Phương trình trên cho thấy 3 thông số chính ảnh hưởng đến năng lượng phản xạ nhận được bởi bộ thu.
Đó là: Đặc điểm kỹ thuật của hệ thống radar: bước sóng được chọn, công suất phát sóng và loại anten được chế tạo. Vùng quét ảnh radar: kích thước của vùng phủ sóng radar, bề rộng chùm tia, góc tới và khoảng cách từ anten đến vật thể. Đặc điểm của vật thể: mức độ gồ ghề của bề mặt, chất liệu, lồi lõm của địa hình và phương chiếu của sóng vô tuyến Chương 2 12 a) Tạo ảnh Radar b) Tầm gần và tầm xa c) Góc tới của sóng Hình 2.3 Các yếu tố của thu nhận ảnh radar (nguồn: ESA) Để hiểu rõ nguyên lý của ảnh radar, hình 2.3a thể hiện vật mang di chuyển về phía trước theo hướng bay (A), với thiên đỉnh của (B) chính là vật mang (Đây là vị trí của một đối tượng trên mặt đất nằm ngay phía dưới vật mang). Chùm tia sóng siêu cao tần được phát chếch một góc theo hướng chuyển động của vệ tinh và chiếu trên bề rộng (C).
Phạm vi (D) được tạo ra bởi kỹ thuật quét dọc tuyến vuông góc với hướng bay và (E) thể hiện phương vị của vùng quét song song với hướng bay. Khi một tia năng lượng hẹp được truyền theo hướng vuông góc với đường bay, anten phát ra một xung có năng lượng xác định và liên tục về mặt đất, tạo nên một vệt trên mặt đất vuông góc với hướng bay. Bộ thu dựa trên quan hệ với cường độ phản xạ để tạo ra ảnh của một dãy địa hình nhỏ hẹp. Sự phản xạ từ các đường truyền càng lớn thì khoảng thời gian trở lại bộ thu càng lâu tương ứng, hướng từ điểm có khoảng thời gian nhanh nhất tới điểm có khoảng thời gian lâu nhất trở thành hướng truyền của ảnh.
Khi xung tiếp sau được truyền đi, vật mang sẽ di chuyển tới được một khoảng nhỏ và một dãy địa hình hẹp hơi khác sẽ được chụp. Tuần tự những dãy địa hình hẹp sau đó sẽ lần lượt được ghi lại tạo thành hướng phương vị của ảnh và ảnh Radar bao gồm mảng dữ liệu có kích thước hai chiều.3b, dãy địa hình hẹp được chụp lại từ điểm A đến điểm B. Điểm A trở thành điểm gần thiên đỉnh nhất gọi là điểm cận trên hướng truyền (tầm gần), điểm B là điểm xa nhất đến điểm thiên đế gọi là điểm viễn trên hướng truyền (tầm xa). Khoảng cách giữa A và B được gọi là bề rộng phủ (chụp ảnh).
Khoảng cách Chương 2 13 giữa bất kỳ điểm nào trong vùng phủ với anten gọi là khoảng cách nghiêng theo hướng truyền. Khoảng cách giữa một điểm bất kỳ trong vùng phủ đến điểm thiên đế B (điểm chiếu của vật mang trên mặt đất) gọi là khoảng cách trên mặt đất.3c thể hiện góc tới A giữa sóng tới và bề mặt đất, giá trị góc tới sẽ thay đổi từ điểm cận đến điểm viễn (từ gần đến xa). Góc nhìn B là góc mà anten nhìn xuống mặt đất, tầm gần có góc nhìn nhỏ (dốc) hơn tầm xa. Toàn bộ khoảng cách tính từ anten đến các điểm nằm trên đường hướng tâm gọi là khoảng cách tầm xiên (C) có nghĩa là khoảng cách từ anten với bất kỳ điểm nào trong vùng phủ và còn được gọi là khoảng cách nghiêng theo hướng truyền.
Khoảng cách tầm trên mặt đất (D) là khoảng cách nằm ngang thật sự trên mặt đất tương ứng với từng điểm được đo lường trong tầm xiên. Đây là khoảng cách của một điểm bất kỳ trong vùng phủ đến điểm thiên đế (điểm chiếu của anten lên mặt đất). Hiện nay hai kỹ thuật Radar được sử dụng phổ biến: Radar khẩu độ thực - RAR (Real Aperture Radar) Radar khẩu độ tổng hợp - SAR (Synthetic Aperture Radar) Cả radar khẩu độ thực và radar khẩu độ tổng hợp đều là hệ thống nhìn nghiêng một bên có phương vuông góc với đường bay. Điểm khác nhau ở chỗ độ phân giải dọc theo đường bay của vật mang đối với SAR thì tốt hơn nhiều, độ phân giải dọc theo đường bay còn được gọi là độ phân giải phương vị.
