Phân tích thống kê của ảnh số docx

1 ®¹i häc quèc gia hμ néi
Tr−êng §¹i häc Khoa häc Tù nhiªn
*****



NGUYÔN NGäC TH¹CH



c¬ së viÔn th¸m









CC S





Hμ Néi 8-2005

Lời nói đầu

Viễn thám (Remote sensing) đang đợc ứng dụng rộng rãi trong nhiêu lĩnh

vực khác nhau, đặc biệt là trong các khoa học về trái đất.
Bớc đầu tiên của việc ứng dụng viễn thám là phân tích bằng mắt các bức ảnh
chụp bằng máy ảnh quang học phục vụ cho mục đích quân sự, dần dần cùng với sự
phát triển của nhiều công nghệ và nhiều ngành khoa học khác nhau, viễn thám đã có
những bớc phát triển vợt bậc với những dạng t liệu mới và những công nghệ xử
lý mới hết sức đa dạng.
Viễn thám, bớc đầu phát triển ở một số nớc có nền công nghệ tiên tiến, dần
dần đã trở nên một công nghệ và một ngành khoa học có tính toàn cầu phục vụ một
cách hữu hiệu cho rất nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc biệt là trong việc nghiên cứu,
quản lý tài nguyên, môi trờng.
Khoa học Viễn thám có 6 hợp phần cơ bản là: cơ sở vật lý của viễn thám, công
nghệ thu nhận hình ảnh trong viễn thám, viễn thám trong dải phổ quang, viễn thám
hồng ngoại nhiệt, viễn thám radar, các phơng pháp xử lý thông tin viễn thám ( giải
đoán ảnh bằng mắt và xử lý ảnh số ). Ngoài ra Viễn thám còn đợc gắn chặt với
công nghệ định vị toàn cầu (GPS ).
Để phục vụ công tác đào tạo và tham khảo tại khoa Địa lý, Trờng Đại học
Khoa học tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà nội, giáo trình Cơ sở Viễn thám biên
soạn trên cơ sở tổng hợp từ nhiều nguồn thông tin và từ những kiến thức cơ bản đang
phổ biến trên thế giới cũng nh ở Việt nam, trong đó có một số giáo trình đã đang
đựơc sử dụng ở Trờng Đại học khoa học tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội.
Giáo trình cũng có thể đợc sử dụng để giảng dạy ở các khoa, các ngành thuộc
lĩnh vực khoa học trái đất, môi trờng.

Hà nội, tháng 10 năm 2005


1
Chơng 1
Khái niệm chung về viễn thám

Viễn thám là một ngành khoa học có lịch sử phát triển từ lâu, có mục đích
nghiên cứu thông tin về một vật và một hiện tợng thông qua việc phân tích dữ liệu
ảnh hàng không, ảnh vệ tinh, ảnh hồng ngoại nhiệt và ảnh radar. Sự phát triển của
khoa học viễn thám đợc bắt đầu từ mục đích quân sự với việc nghiên cứu phim và
ảnh, đợc chụp lúc đầu từ khinh khí cầu và sau đó là trên máy bay ở các độ cao khác
nhau. Ngày nay, viễn thám ngoài việc tách lọc thông tin từ ảnh máy bay, còn áp
dụng các công nghệ hiện đại trong thu nhận và xử lý thông tin ảnh số, thu đợc từ các
bộ cảm có độ phân giải khác nhau, đợc đặt trên vệ tinh thuộc quỹ đạo trái đất. Viễn
thám đợc ứng dụng trong nhiều ngành khoa học khác nhau nh quân sự, địa chất, địa
lý, môi trờng, khí tợng, thủy văn, thủy lợi, lâm nghiệp và nhiều ngành khoa học
khác. Các dữ liệu viễn thám, trong đó có ảnh vệ tinh đa phổ , siêu phổ và ảnh nhiệt
đợc dùng trong các nghiên cứu khác nhau nh: sử dụng đất, lớp phủ mặt đất, rừng,
thực vật, khí hậu khí tợng, nhiệt độ trên mặt đất và mặt biển, đặc điểm quyển khí và
tầng ozon, tai biến môi trờng Dữ liệu ảnh radar đợc sử dụng trong nhiều lĩnh vực
nghiên cứu khác nhau nh nghiên cú các mục tiêu quân sự, đo vận tốc gió, đo độ cao
bay và độ cao của sóng biển, nghiên cứu cấu trúc địa chất, sụt lún đất, theo dõi lũ lụt
ngoài ra, còn ứng dụng trong nghiên cứu bề mặt của các hành tinh khác.
1.1. Định nghĩa
Viễn thám (Remote sensing - tiếng Anh) đợc hiểu là một khoa học và nghệ
thuật để thu nhận thông tin về một đối tợng, một khu vực hoặc một hiện tợng
thông qua việc phân tích t liệu thu nhận đợc bằng các phơng tiện. Những phơng
tiện này không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tợng, khu vực hoặc với hiện tợng
đợc nghiên cứu.
Thực hiện đợc những công việc đó chính là thực hiện viễn thám - hay hiểu đơn
giản: Viễn thám là thăm dò từ xa về một đối tợng hoặc một hiện tợng mà
không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tợng hoặc hiện tợng đó.
Mặc dù có rất nhiều định nghĩa khác nhau về viễn thám, nhng mọi định nghĩa
đều có nét chung, nhấn mạnh "viễn thám là khoa học thu nhận từ xa các thông tin
về các đối tợng, hiện tợng trên trái đất". Dới đây là định nghĩa về viễn thám

theo quan niệm của các tác giả khác nhau.
9 Viễn thám là một nghệ thuật, khoa học, nói ít nhiều về một vật không cần phải
chạm vào vật đó (Ficher và nnk, 1976).


2
9 Viễn thám là quan sát về một đối tợng bằng một phơng tiện cách xa vật
trên một khoảng cách nhất định (Barret và Curtis, 1976).
9 Viễn thám là một khoa học về lấy thông tin từ một đối tợng, đợc đo từ một
khoảng cách cách xa vật không cần tiếp xúc với nó. Năng lợng đợc đo trong các
hệ viễn thám hiện nay là năng lợng điện từ phát ra từ vật quan tâm (D. A. Land
Grete, 1978).
9 Viễn thám là ứng dụng vào việc lấy thông tin về mặt đất và mặt nớc của trái
đất, bằng việc sử dụng các ảnh thu đợc 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 (Janes B.
Capbell, 1996).
9 Viễn thám là "khoa học và nghệ thuật thu nhận thông tin về một vật thể, một
vùng, hoặc một hiện tợng, qua phân tích dữ liệu thu đợc bởi phơng tiện không
tiếp xúc với vật, vùng, hoặc hiện tợng khi khảo sát ".( Lillesand và Kiefer, 1986)
9 Phơng pháp viễn thám là phơng pháp sử dụng năng lợng điện từ nh ánh
sáng, nhiệt, sóng cực ngắn nh một phơng tiện để điều tra và đo đạc những đặc
tính của đối tợng( Theo Floy Sabin 1987). Định nghĩa này loại trừ những quan trắc
về điện, từ và trọng lực vì những quan trắc đó thuộc lĩnh vực địa vật lý, sử dụng để
đo những trờng lực nhiều hơn là đo bức xạ điện từ.
1.2. Lịch sử phát triển của viễn thám
Sự phát triển của ngành viễn thám qua các thời gian đợc tóm tắt trong bảng
1.1. Viễn thám là một khoa học, thực sự phát triển mạnh mẽ qua hơn ba thập kỷ gần
đây, khi mà công nghệ vũ trụ đã cho ra các ảnh số, bắt đầu đợc thu nhận từ các vệ
tinh trên quĩ đạo của trái đất vào năm 1960. Tuy nhiên, viễn thám có lịch sử phát
triển lâu đời, bắt đầu bằng việc chụp ảnh sử dụng phim và giấy ảnh. Từ thể kỷ XIX,

vào năm 1839, Louis Daguerre (1789 - 1881) đã đa ra báo cáo công trình nghiên
cứu về hóa ảnh, khởi đầu cho ngành chụp ảnh. Bức ảnh đầu tiên, chụp bề mặt trái
đất từ khinh khí cầu, đợc thực hiện vào năm 1858 do Gaspard Felix Tournachon -
nhà nhiếp ảnh ngời Pháp. Tác giả đã sử dụng khinh khí cầu để đạt tới độ cao 80m,
chụp ảnh vùng Bievre, Pháp. Một trong những bức ảnh tiếp theo chụp bề mặt trái đất
từ khinh khí cầu là ảnh vùng Bostom của tác giả James Wallace Black, 1860.
Việc ra đời của ngành hàng không đã thúc đẩy nhanh sự phát triển mạnh mẽ
ngành chụp ảnh sử dụng máy ảnh quang học với phim và giấy ảnh, là các nguyên
liệu nhạy cảm với ánh sáng (photo). Công nghệ chụp ảnh từ máy bay tạo điều kiện
cho nghiên cứu mặt đất bằng các ảnh chụp chồng phủ kế tiếp nhau và cho khả năng
nhìn ảnh nổi (stereo).Khả năng đó giúp cho việc chỉnh lý, đo đạc ảnh, tách lọc thông


3
tin từ ảnh có hiệu quả cao. Một ngành chụp ảnh, đợc thực hiện trên các phơng tiện
hàng không nh máy bay, khinh khí cầu và tàu lợn hoặc một phơng tiện trên
không khác, gọi là ngành chụp ảnh hàng không. Các ảnh thu đợc từ ngành chụp
ảnh hàng không gọi là không ảnh. Bức ảnh đầu tiên chụp từ máy bay, đợc thực
hiện vào năm 1910, do Wilbur Wright, một nhà nhiếp ảnh ngời ý, bằng việc thu
nhận ảnh di động trên vùng gần Centoceli thuộc nớc ý (bảng 1.1).
Bảng 1.1: Tóm tắt sự phát triển của viễn thám qua các sự kiện
Thời gian
(Năm)
Sự kiện
1800
1839
1847
1850-1860
1873
1909

1910-1920
1920-1930
1930-1940
1940
1950
1950-1960
12-4-1961

1960-1970
1972
1970-1980
1980-1990
1986
1990 đến nay

Phát hiện ra tia hồng ngoại
Bắt đầu phát minh kỹ thuật chụp ảnh đen trắng
Phát hiện cả dải phổ hồng ngoại và phổ nhìn thấy
Chụp ảnh từ kinh khí cầu
Xây dựng học thuyết về phổ điện từ
Chụp ảnh từ máy bay
Giải đoán từ không trung
Phát triển ngành chụp và đo ảnh hàng không
Phát triển kỹ thuật radar ( Đức, Mỹ, Anh)
Phân tích và ứng dụng ảnh chụp từ máy bay
Xác định dải phổ từ vùng nhìn thấy đến không nhìn thấy
Nghiên cứu sâu về ảnh cho mục đích quân sự
Liên xô phóng thành công tàu vũ trụ có ngời lái và chụp ảnh trái
đất từ ngoài vũ trụ.
Lần đầu tiên sử dụng thuật ngữ viễn thám

Mỹ phóng vệ tinh Landsat-1
Phát triển mạnh mẽ phơng pháp xử lý ảnh số
Mỹ phát triển thế hệ mới của vệ tinh Landsat
Pháp phóng vệ tinh SPOT vào quĩ đạo
Phát triển bộ cảm thu đo phổ, tăng dải phổ và số lợng kênh phổ,
tăng độ phân giải của bộ cảm. Phát triển nhiều kỹ thuật xử lý mới.
(Nguồn su tầm do Ngyễn Văn Đài, 2003).


4
Chiến tranh thế giới thứ nhất (1914 - 1918) đánh dấu giai đoạn khởi đầu của
công nghệ chụp ảnh từ máy bay cho mục đích quân sự. Công nghệ chụp ảnh từ máy
bay đã kéo theo nhiều ngời hoạt động trong lĩnh vực này, đặc biệt trong việc làm
ảnh và đo đạc ảnh. Những năm sau đó, các thiết kế khác nhau về các loại máy chụp
ảnh đợc phát triển mạnh mẽ. Đồng thời, nghệ thuật giải đoán không ảnh và đo đạc
từ ảnh đã phát triển mạnh, là cơ sở hình thành một ngành khoa học mới là đo đạc
ảnh (photogrametry). Đây là ngành ứng dụng thực tế trong việc đo đạc chính xác
các đối tợng từ dữ liệu ảnh chụp. Yêu cầu trên đòi hỏi việc phát triển các thiết bị
chính xác cao, đáp ứng cho việc phân tích không ảnh. Trong chiến tranh thế giới thứ
hai (1939 - 1945) không ảnh đã dùng chủ yếu cho mục đích quân sự. Trong thời kỳ
này, ngoài việc phát triển công nghệ radar, còn đánh dấu bởi sự phát triển ảnh chụp
sử dụng phổ hồng ngoại. Các bức ảnh thu đợc từ nguồn năng lợng nhân tạo là
radar, đã đợc sử dụng rộng rãi trong quân sự. Các ảnh chụp với kênh phổ hồng
ngoại cho ra khả năng triết lọc thông tin nhiều hơn. ảnh mầu, chụp bằng máy ảnh,
đã đợc dùng trong chiến tranh thế giới thứ hai. Việc chạy đua vào vũ trụ giữa Liên
Xô cũ và Hoa Kỳ đã thúc đẩy việc nghiên cứu trái đất bằng viễn thám với các
phơng tiện kỹ thuật hiện đại. Các trung tâm nghiên cứu mặt đất đợc ra đời, nh
cơ quan vũ trụ châu Âu ESA (Aeropian Remote sensing Agency), Chơng trình Vũ
trụ NASA (Nationmal Aeromautics and Space Administration) Mỹ.
Ngoài các thống kê ở trên, có thể kể đến các chơng trình nghiên cứu trái đất

bằng viễn thám tại các nớc nh Canada, Nhật, Pháp, ấn Độ và Trung Quốc.
Bức ảnh đầu tiên, chụp về trái đất từ vũ trụ, đợc cung cấp từ tàu Explorer-6 vào
năm 1959. Tiếp theo là chơng trình vũ trụ Mercury (1960), cho ra các sản phẩm
ảnh chụp từ quỹ đạo trái đất có chất lợng cao, ảnh màu có kích thớc 70mm, đợc
chụp từ một máy tự động. Vệ tinh khí tợng đầu tiên (TIR0S-1), đợc phóng lên quĩ
đạo trái đất vào tháng 4 năm 1960, mở đầu cho việc quan sát và dự báo khí tợng.
Vệ tinh khí tợng NOAA, đã hoạt động từ sau năm 1972, cho ra dữ liệu ảnh có độ
phân giải thời gian cao nhất, đánh dấu cho việc nghiên cứu khí tợng trái đất từ vũ
trụ một cách tổng thể và cập nhật từng ngày.
Sự phát triển của viễn thám, đi liền với sự phát triển của công nghệ nghiên cứu
vũ trụ, phục vụ cho nghiên cứu trái đất và các hành tinh và quyển khí. Các ảnh chụp
nổi (stereo), thực hiện theo phơng đứng và xiên, cung cấp từ vệ tinh Gemini
(1965), đã thể hiện u thế của công việc nghiên cứu trái đất. Tiếp theo, tầu Apolo
cho ra sản phẩm ảnh chụp nổi và đa phổ, có kích thớc ảnh 70mm, chụp về trái đất,
đã cho ra các thông tin vô cùng hữu ích trong nghiên cứu mặt đất. Ngành hàng
không vũ trụ Nga đã đóng vai trò tiên phong trong nghiên cứu Trái Đất từ vũ trụ.


5
Việc nghiên cứu trái đất đã đợc thực hiện trên các con tàu vũ trụ có ngời nh
Soyuz, các tàu Meteor và Cosmos (từ năm 1961), hoặc trên các trạm chào mừng
Salyut. Sản phẩm thu đợc là các ảnh chụp trên các thiết bị quét đa phổ phân giải
cao, nh MSU-E (trên Meteor - priroda). Các bức ảnh chụp từ vệ tinh Cosmos có
dải phổ nằm trên 5 kênh khác nhau, với kích thớc ảnh 18 x 18cm. Ngoài ra, các ảnh
chụp từ thiết bị chụp KATE-140, MKF-6M trên trạm quỹ đạo Salyut, cho ra 6 kênh
ảnh thuộc dải phổ 0.40 đến 0.89m. Độ phân giải mặt đất tại tâm ảnh đạt 20 x 20m.
Tiếp theo vệ tinh nghiên cứu trái đất ERTS(sau đổi tên là Landsat-1), là các vệ
tinh thế hệ mới hơn nh Landsat-2, Landsat-3, Landsat-4 và Landsat-5. Ngay từ đầu,
ERTS-1 mang theo bộ cảm quét đa phổ MSS với bốn kênh phổ khác nhau, và bộ
cảm RBV (Return Beam Vidicon) với ba kênh phổ khác nhau. Ngoài các vệ tinh

Landsat-2, Landsat-3, còn có các vệ tinh khác là SKYLAB (1973) và HCMM
(1978). Từ 1982, các ảnh chuyên đề đợc thực hiện trên các vệ tinh Landsat TM-4
và Landsat TM-5 với 7 kênh phổ từ dải sóng nhìn thấy đến hồng ngoại nhiệt. Điều
này tạo nên một u thế mới trong nghiên cứu trái đất từ nhiều dải phổ khác nhau.
Ngày nay, ảnh vệ tinh chuyên đề từ Landsat-7 đã đợc phổ biến với giá rẻ hơn các
ảnh vệ tinh Landsat TM-5, cho phép ngời sử dụng ngày càng có điều kiện để tiếp
cận với phơng pháp nghiên cứu môi trờng qua các dữ liệu vệ tinh (hình 1.1).
T liệu số
Hình 1.1: Viễn thám từ việc thu nhận thông tin đến ngời sử dụng
(Theo Ravi Gupta, 1991).



6
Dữ liệu ảnh vệ tinh SPOT của Pháp khởi đầu từ năm 1986, trải qua các thế hệ
SPOT-1, SPOT-2, SPOT-3, SPOT-4 và SPOT-5, đã đa ra sản phẩm ảnh số thuộc hai
kiểu phổ, đơn kênh (panchoromatic) với độ phân dải không gian từ 10 x 10m đến
2,5 x 2,5m, và đa kênh SPOT- XS (hai kênh thuộc dải phổ nhìn thấy, một kênh
thuộc dải phổ hồng ngoại) với độ phân giải không gian 20 x 20m. Đặc tính của ảnh
vệ tinh SPOT là cho ra các cặp ảnh phủ chồng cho phép nhìn đối tợng nổi (stereo)
trong không gian ba chiều. Điều này giúp cho việc nghiên cứu bề mặt trái đất đạt kết
quả cao, nhất là trong việc phân tích các yếu tố địa hình. Các ảnh vệ tinh của Nhật,
nh MOS-1, phục vụ cho quan sát biển (Marine Observation Satellite). Công nghệ
thu ảnh vệ tinh cũng đợc thực hiện trên các vệ tinh của ấn độ IRS-1A, tạo ra các
ảnh vệ tinh nh LISS thuộc nhiều hệ khác nhau.
Trong nghiên cứu môi trờng và khí hậu trái đất, các ảnh vệ tinh NOAA có độ
phủ lớn và có sự lặp lại hàng ngày, đã cho phép nghiên cứu các hiện tợng khí hậu
xảy ra trong quyển khí nh nhiệt độ, áp suất nhiệt đới hoặc dự báo bão.
Sự phát triển trong lĩnh vực nghiên cứu trái đất bằng viễn thám đợc đẩy mạnh
do áp dụng tiến bộ khoa học kỹ thuật mới với việc sử dụng các ảnh radar. Viễn

thám radar tích cực, thu nhận ảnh bằng việc phát sóng dài siêu tần và thu tia phản
hồi, cho phép thực hiện các nghiên cứu độc lập, không phụ thuộc vào mây. Sóng
radar có đặc tính xuyên qua mây, lớp đất mỏng và thực vật và là nguồn sóng nhân
tạo, nên nó có khả năng hoạt động cả ngày và đêm, không phụ thuộc vào nguồn
năng lợng mặt trời. Các bức ảnh tạo nên bởi hệ radar kiểu SLAR đợc ghi nhận đầu
tiên trên bộ cảm Seasat. Đặc tính của sóng radar là thu tia phản hồi từ nguồn phát
với góc xiên rất đa dạng. Sóng này hết sức nhạy cảm với độ ghồ ghề của bề mặt vật,
đợc chùm tia radar phát tới, vì vậy nó đợc ứng dụng cho nghiên cứu cấu trúc một
khu vực nào đó.
Công nghệ máy tính ngày nay đã phát triển mạnh mẽ cùng với các sản phẩm
phần mềm chuyên dụng, tạo điều kiện cho phân tích ảnh vệ tinh dạng số hoặc ảnh
radar. Thời đại bùng nổ của Internet, công nghệ tin học với kỹ thuật xử lý ảnh số,
kết hợp với Hệ thông tin Địa lý (GIS), cho khả năng nghiên cứu trái đất bằng viễn
thám ngày càng thuận lợi và đạt hiệu quả cao hơn.
1.3. Nguyên lý cơ bản của viễn thám
Viễn thám nghiên cứu đối tợng bằng giải đoán và tách lọc thông tin từ dữ
liệu ảnh chụp hàng không, hoặc bằng việc giải đoán ảnh vệ tinh dạng số.
Các dữ liệu dới dạng ảnh chụp và ảnh số đợc thu nhận dựa trên việc ghi nhận
năng lợng bức xạ (không ảnh và ảnh vệ tinh) và sóng phản hồi (ảnh radar) phát ra


7
từ vật thể khi khảo sát. Năng lợng phổ dới dạng sóng điện từ, nằm trên các dải
phổ khác nhau, cùng cho thông tin về một vật thể từ nhiều góc độ sẽ góp phần giải
đoán đối tợng một cách chính xác hơn (hình 1.2).
Hình 1.2: Nghiên cứu viễn thám theo đa quan niệm
(Theo Lillesand và Kiefer, 1986).
Mặt đất
Dữ liệu vệ tinh
Dữ liệu má

y
ba
y

tầng cao
Dữ liệu tầng thấp

Nếu biết trớc phổ phát xạ, phản xạ (emited/reflected) chuẩn của vật thể trong
phòng thí nghiệm, xác định bằng các máy đo phổ, ta có thể giải đoán vật thể bằng
cách phân tích đờng cong phổ thu đợc từ ảnh vệ tinh.
Các phần mềm xử lý ảnh số đợc phát triển, nhằm cho ra thông tin về phổ bức
xạ của các vật thể hoặc các hiện tợng xảy ra trong giới hạn diện phủ của ảnh. Xử lý
ảnh số là kỹ nghệ làm hiển thị rõ ảnh và tách lọc thông tin từ các dữ liệu ảnh số, dựa
vào các thông tin chìa khóa về phổ bức xạ phát ra.
Hiện nay, có rất nhiều phơng pháp xử lý ảnh số đợc thực hiện trên các phần
mềm xử lý ảnh nh IDRISI, ERDAS (PC), ERDAS Imagine (UNIX), PCI,
ERMAPER, DRAGON, ENVI,ILWIS
Giải đoán, tách lọc thông tin từ dữ liệu ảnh viễn thám đợc thực hiện dựa trên
các cách tiếp cận khác nhau, có thể kể đến là:
1. Đa phổ: Sử dụng nghiên cứu vật từ nhiều kênh phổ trong dải phổ từ nhìn thấy
đến sóng radar.


8
2. Đa nguồn dữ liệu: Dữ liệu ảnh thu nhận từ các nguồn khác nhau ở các độ cao
khác nhau, nh ảnh chụp trên mặt đất, chụp trên khinh khí cầu, chụp từ máy bay
trực thăng và phản lực đến các ảnh vệ tinh có ngời điều khiển hoặc tự động.
3. Đa thời gian: Dữ liệu ảnh thu nhận vào các thời gian khác nhau.
4. Đa độ phân giải: Dữ liệu ảnh có độ phân giải khác nhau về không gian, phổ
và thời gian.

5. Đa phơng pháp: Xử lý ảnh bằng mắt và bằng số.
1. 4. Hệ định vị toàn cầu (GPS) trong viễn thám
Trong khoa học viễn thám không thể không có một hệ định vị chung cho việc
quan sát trái đất từ vệ tinh và giám sát từ mặt đất. Hệ định vị toàn cầu GPS (Global
Positioning System) do quân đội Mỹ thiết kế ban đầu vì mục đích quân sự. Hệ định
vị này bao gồm 24 vệ tinh quay quanh trái đất trên 6 nhóm quĩ đạo khác nhau, cứ 4
vệ tinh trong một nhóm quĩ đạo. Thông thờng, các vệ tinh này quay quanh quĩ đạo
trái đất một vòng hết thời gian là 24 giờ và ở trên độ cao so với bề mặt trái đất là
20.200km. Những vệ tinh này giống nh các chòm sao nhân tạo, giúp cho định vị và
dẫn đờng. Các vệ tinh truyền tín hiệu radio, mã hóa thời gian đợc ghi nhận bởi
trạm thu mặt đất (hình 1.3).

Hình 1.3. Hệ định vị toàn cầu bắt tín hiệu từ vệ tinh quĩ đạo
Trái Đất
Trái Đất

Hình 1.3: Hệ định vị toàn cầu GPS










Mặt phẳng của quĩ đạo "gần" tròn của các vệ tinh nghiêng so với đờng xích
đạo một góc 60
0

và phân bố cách đều nhau 60
0
theo kinh tuyến.
Điều đó có nghĩa là, ở bất cứ điểm nào trên Trái Đất với hệ định vị toàn cầu có
thể nhận đợc tín hiệu ít nhất từ 4 vệ tinh. Hệ định vị toàn cầu, bắt đầu hoạt động
từ năm 1993, bao gồm 21 vệ tinh hoạt động và 3 vệ tinh dự phòng. Hình 1.4 là sơ đồ
hệ thống định vị toàn cầu với các vệ tinh đang hoạt động. Vị trí tại một điểm trên


9
trái đất đợc xác định bởi GPS nhờ thu nhận tín hiệu và so sánh chúng với ít nhất ba
vệ tinh. Khoảng cách từ một vệ tinh đến GPS là mặt cầu có bán kính từ vệ tinh đến
GPS. Khoảng cách từ GPS đến hai vệ tinh là giao của hai mặt cầu và kết quả sẽ là
một vòng tròn. Khoảng cách này nếu tính từ 3 vệ tinh sẽ là giao của hai vòng tròn
tức có kết quả là hai điểm, khoảng cách tính theo 4 vệ tinh sẽ là một điểm duy nhất.
Đối với mỗi tín hiệu nhận đợc, việc giải đoán mã hoặc đo pha cho phép tính toán
vị trí của vệ tinh trong không gian và khoảng cách của chúng đến GPS. Với dữ liệu
tính toán cho từng vệ tinh, vị trí nằm ngang của GPS đợc tính từ giao cắt duy nhất
của ba hình nón. Vị trí nằm ngang và đứng của GPS có thể tính toán đợc qua ba
hoặc bốn vệ tinh. Hệ định vị toàn cầu, về mức độ chính xác, đợc phân ra làm hai
loại. Trong quân sự, mã P, có độ chính xác ngang theo phơng nằm ngang là
17,8m và độ cao 28,4m. Hệ định vị toàn cầu cho mục đích dân dụng có độ chính
xác theo phơng ngang là 28,4m và theo phơng đứng là 44,5m. Độ chính xác
của vị trí có thể đợc nâng cao, nếu ta dùng đồng thời hai GPS. Để đo vị trí của một
điểm nào đó, ta sẽ xử dụng hệ đo gồm hai GPS là A và B (hình 1.4).
Chỉnh dữ liệu
Khi đã đợc biết giá trị tọa độ của điểm cho bởi hệ GPS A, ta đo sự khác nhau
với kết quả do hệ GPS B cung cấp. Nếu hai hệ GPS nằm cách nhau trong khoảng
cách 1000m, độ chính xác đạt từ 1 đến 2cm. Trong đại đa số trờng hợp định vị
điểm, khi sử dụng hai cặp GPS, độ chính xác về vị trí đạt từ 0,3 đến 20m. Độ chính

xác này đợc bảo toàn ngay cả khi hệ GPS chuyển động với vận tốc < 20 km/ h. Hệ
Hình 1.4: Sự khác nhau về vị trí của cặp hai GPS


10
định vị toàn cầu sử dụng hệ tọa độ theo lới chiếu trắc địa thế giới 84 (WG 84) hoặc
hệ tọa độ địa lý. Sự chuyển đổi giữa các hệ tọa độ đợc thực hiện qua các thao tác
ngay trên máy GPS.
Dữ liệu đầu vào đợc lu trữ trong hệ GPS là các thông tin về hệ tọa độ của các
điểm khảo sát, hoặc nó đợc gắn với máy tính và chuyển dữ liệu mà nó thu nhận vào
máy tính thông qua một phần mềm chuyên dụng. Khi GPS gắn trên các thiết bị
chuyển động nh xe cộ và máy bay, nó sẽ ghi nhận tọa độ của các đờng đi qua và
chuyển vào máy tính. Dữ liệu GPS có thể là các dữ liệu nh:
- Tọa độ các điểm khảo sát
- Đo các đối tợng địa hình mà không thể đo đợc bằng phơng pháp thông
thờng (vị trí và độ cao).
- Đo tọa độ đờng bộ mà thiết bị đang đợc di chuyển trên đó.
- Cập nhập dữ liệu về hành trình trên đờng đi các tuyến hàng hải
- Dẫn đờng cho các phơng tiện giao thông trên bộ
- Dẫn đờng cho quá trình chụp ảnh hàng không.
1.5. Giới thiệu về những ứng dụng của viễn thám
Hiện nay, viễn thám đợc ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành, nhiều lĩnh vực
khác nhau và dới đây là giới thiệu những ứng dụng chính.
Nghiên cú địa chất: Viễn thám từ lâu đã đợc ứng dụng để giải đoán các
thông tin địa chất. Dữ liệu viễn thám đợc dùng cho giải đoán là các ảnh máy bay,
ảnh vệ tinh và ảnh radar. Lĩnh vực dùng dữ liệu này có thể kể đến là địa mạo, cấu
trúc địa chất, trầm tích, khai khoáng, dầu mỏ, địa tầng, địa chất công trình, nớc
ngầm và các nghiên cứu về địa chất môi trờng. Dữ liệu ảnh radar cho phép nghiên
cứu cấu trúc địa chất một cách hữu hiệu vì ảnh radar rất nhạy cảm với địa hình. Tổ
hợp dữ liệu viễn thám với dữ liệu địa lý sẽ làm giàu thêm khả năng nghiên cứu các

thông tin địa chất cần quan tâm. Một số ứng dụng của viễn thám trong địa chất có
thể kể ra nh sau:
* ứng dụng trong nghiên cứu địa mạo: các dạng địa hình đợc thể hiện rất rõ
trên ảnh viễn thám (địa hình kiến tạo, núi lửa, địa hình sông suối, địa hình tam giác
châu, địa hình thành tạo do cát, thành tạo do băng) và đợc giải đoán một cách
chính xác.
* Cấu trúc địa chất: giải đoán các bề mặt và độ dốc của tầng trầm tích, các yếu
tố uốn nếp, đứt gãy, linearment và chuyển động nâng hạ (dùng ảnh giao thoa radar),


11
các rift núi lửa hiện đại, các cấu trúc vòng, tiêm nhập, bất chỉnh hợp địa tầng, các
ứng dụng trong nghiên cứu địa động lực.
* Nghiên cứu thạch học: định các đá trầm tích, macma, biến chất và thành tạo
xen kẽ khác. Nghiên cứu trật tự địa tầng và tơng quan tuổi.
* ứng dụng trong khai khoáng và khai thác dầu.
* Điều tra khảo sát nớc ngầm, điều tra địa chất công trình
Nghiên cú môi trờng: Viễn thám là phơng tiện hữu hiệu để nghiên cứu
môi trờng đất liền ( xói mòn, ô nhiễm), môi trờng biển (đo nhiệt độ, màu nớc
biển, gió sóng),
Nghiên cú khí hậu và quyển khí (đặc điểm tầng ozon, mây, ma, nhiệt độ
quyển khí), dự báo bão và nghiên cứu khí hậu qua dữ liệu thu từ vệ tinh khí tợng.
Nghiên cú thực vật, rừng: Viễn thám cung cấp ảnh có diện phủ toàn cầu
nghiên cứu thực vật theo ngày, mùa vụ, năm, tháng và theo giai đoạn. Thực vật là
đối tợng đầu tiên mà ảnh viễn thám vệ tinh thu nhận đợc thông tin. Trên ảnh viễn
thám chúng ta có thể tính toán sinh khối, độ trởng thành và sâu bệnh dựa trên chỉ
số thực vật, có thể nghiên cứu cháy rừng qua các ảnh vệ tinh.
Nghiên cứu thủy văn: Mặt nớc và các hệ thống dòng chảy đợc hiển thị rất
rõ trên ảnh vệ tinh và có thể khoanh vi đợc chúng. Dữ liệu ảnh vệ tinh, đợc ghi
nhận trong mùa lũ, là dữ liệu đợc sử dụng để tính toán diện tích thiên tai và cho

khả năng dự báo lũ lụt.
Nghiên cú các hành tinh khác: Các dữ liệu viễn thám thu từ vệ tinh cho
phép nghiên cứu các vì sao và mặt trăng. Điều này khẳng định rằng viễn thám là một
công nghệ và có ứng dụng hết sức rộng lớn vợt ra khỏi tầm trái đất.
1.6. Phân loại viễn thám
Sự phân biêt các loại viễn thám căn cứ vào các yếu tố sau:
- Hình dạng quỹ đạo của vệ tinh.
- Độ cao bay của vệ tinh, thời gian còn lại của một quỹ đạo.
- Dải phổ của các thiết bị thu .
- Loại nguồn phát và tín hiệu thu nhận.
Có hai phơng thức phân loại viễn thám chính là
Phân loại theo nguồn tín hiệu
Căn cứ vào nguồn của tia tới mà viễn thám đợc chia làm hai loại (hình 1.5):


12

Chủ độn
g
Bị độn
g


Hình 1.5: Sơ đồ mô tả hai hệ thống viễn thám chủ động và bị động
- Chủ động (active) : nguồn tia tới là tia sáng phát ra từ các thiết bị nhân
tạo, thờng là các máy phát đặt trên các thiết bị bay.
- Thụ động (hay bị động - passive): nguồn phát bức xạ là mặt trời hoặc từ các
vật chất tự nhiên.
Hiện nay, việc ứng dụng phối hợp giữa viễn thám và các công nghệ vũ trụ đã
trở nên phổ biễn trên phạm vi toàn cầu. Các nớc có nền công nghệ vũ trụ phát triển

đã phóng nhiều vệ tinh lên quỹ đạo, trên đó có mang nhiều thiết bị viễn thám khác
nhau. Các trạm thu mặt đất phân bố đều trên toàn cầu có khả năng thu nhận nhiều
loại t liệu viễn thám do vệ tinh truyền xuống
Phân loại theo đặc điểm quỹ đạo: có hai nhóm chính là viễn thám vệ tinh
địa tĩnh và viễn thám vệ tinh quỹ đạo cực (hay gần cực) (hình 1.6).
Hình 1.6: Vệ tinh địa tĩnh ( trái ) và Vệ tinh quỹ đạo gần cực (phải)
Căn cứ vào đặc điểm quỹ đạo vệ tinh, có thể chia ra hai nhóm vệ tinh là:


13
+ Vệ tinh địa tĩnh là vệ tinh có tốc độ góc quay bằng tốc độ góc quay củatrái
đất, nghĩa là vị trí tơng đối của vệ tinh so với trái đất là đứng yên.
+ Vệ tinh quỹ đạo cực (hay gần cực) là vệ tinh có mặt phẳng quỹ đạo vuông
góc hoặc gần vuông góc so với mặt phẳng xích đạo của Trái Đất. Tốc độ quay của
vệ tinh khác với tốc độ quay của trái đất và đợc thiết kế riêng sao cho thời gian thu
ảnh trên mỗi vùng lãnh thổ trên mặt đất là cùng giờ địa phơng và thời gian thu lặp
lại là cố định đối với 1 vệ tinh (ví dụ LANDSAT là 18 ngày, SPOT là 26 ngày ).
Trên hai nhóm vệ tinh nói trên đều có thể áp dụng nhiều phơng pháp thu
nhận thông tin khác nhau tùy theo sự thiết kế của nơi chế tạo. Có các nguyên tắc thu
nhận hình ảnh nh sau (chủ động, bị động, chụp khung, quét dọc, quét ngang, quét
bên sờn, ).
1.7. Vấn đề thu nhận và phân tích t liệu viễn thám
Năng lợng điện từ của ánh sáng sau khi truyền qua các cửa sổ khí quyển
tơng tác với các đối tợng 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 tợng. Quá trình đó đợc thể hiện bằng các công đoạn
chính: phát hiện (detect), ghi (record) và phân tích (interprete) các tín hiệu.
Phát hiện: việc phát hiện các thông tin là bớc rất quan trọng. Phát hiện về
dải sóng, về cờng độ và tính chất khác của nguồn năng lợng điện từ.
Ghi tín hiệu: các tín hiệu phát hiện đợc có thể ghi dới 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
lợng điện từ tạo nên hình ảnh (photograph) không gian, không đắt và cung cấp
nhiều chi tiết trong không gian và có thể hiệu chỉnh hình học dễ dàng. Năng lợng
điện từ có thể đợc ghi dới dạng các tín hiệu, biểu đồ phổ hoặc dới dạng hình ảnh
số (image) giống nh hình ảnh nền của màn hình của tivi, tài liệu số thờng có giá
đắt hơn t liệu ảnh, song lại có nhiều u điểm về độ phân giải phổ, khả năng hiệu
chỉnh và 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 hiển thị dễ dàng.
Phân tích các tín hiệu phổ: có thể thực hiện đợc bằng hai phơng thức:
phân tích bằng mắt và xử lý số bằng máy tính.
- Phân tích bằng mắt đợc thực hiện với các t 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 ngời phân tích để từ đó khai thác
đợc các thôngt in tồn tại trong t liệu ảnh. Kết quả giải đoán phụ thuộc rất nhiều


14
vào khả năng của ngời phân tích. Tất nhiên, hạn chế của giải đoán bằng mắt là
không nhận biết đợc hết các đặc tính phổ của đối tợng, nguyên nhân là do khả
năng phân biệt sự khác biệt về phổ của mắt ngời hạn chế (tối đa là 12 - 14 mức).
- Xử lý số là phơng pháp xử lý phân tích t liệu phổ dới dạng hình ảnh số
(image) chứ không phải dạng ảnh tơng tự (analoge hay pictorial). Ưu thế của
phơng pháp xử lý số là có thể phân tích các tín hiệu phổ một cách rất 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 tợng, từ đó có thể nhận biết các đối tợng
một cách tự động. Tất nhiên quá trình xử lý số cần có sự kết hợp nhuần nhuyễn với
kiến thức chuyên môn của ngời phân tích, hoặc ngời lập các chơng trình tính toán.
1.8. Các tài liệu tham khảo cho việc xử lý t liệu viễn thám
Viễn thám đợc tiến hành đồng thời với việc sử dụng các tài liệu tham khảo.

Thu thập các tài liệu tham khảo bao gồm các công việc nh tập hợp các số liệu đo
đạc, quan trắc về đối tợng, về các hiện tợng mà viễn thám nghiên cứu. Các tài liệu
đó có thể là bất kỳ một dạng nào và có thể đợc thu thập từ nhiều nguồn (ví dụ:
nguồn nghiên cứu về đất, nguồn nghiên cứu về nớc, nguồn nghiên cứu về thực vật
hoặc từ nguồn t liệu ảnh khác). Các tài liệu kiểm tra ngoài thực địa cũng đợc sử
dụng nh: tình trạng đất, mùa màng, tình trạng rừng, các loại cây, vấn đề ô nhiễm
nguồn nớc. T liệu kiểm tra thực địa bao gồm các số liệu đo đạc về tính chất cơ
học hoặc tính chất hóa học của đối tợng. Các số liệu xác định về vị trí đối tợng
trên bản đồ, vị trí của đối tợng trên hệ thống đo đạc toàn cầu (GPS) cũng đợc xác
định hoặc đo đạc tự động ngoài thực địa.
Tất cả các dạng t liệu, số liệu tham khảo nói trên đợc xếp vào khái niệm thực
tế mặt đất (Ground Truth). Khái niệm này đợc sử dụng phổ biến trong viễn thám,
song thực ra nó không thật đúng về nguyên tắc từ ngữ, vì rằng các tài liệu đó không
đợc thu thập đồng thời với thời điểm thu nhận tín hiệu viễn thám (thời gian chụp
ảnh). Do đó, tài liệu thực tế bề mặt đất chỉ có thể nói lên một cách tơng đối về đặc
điểm của đối tợng trên t liệu viễn thám. Nh vậy, tài liệu thực tế mặt đất đợc sử
dụng rộng rãi theo khái niệm là tài liệu tham khảo, với các mục đích sau:
- Định hớng cho việc phân tích xử lý t liệu viễn thám.
- Hiệu chỉnh thiết bị thu nhận.
- Kiểm chứng các thông tin tách chiết đợc từ t liệu viễn thám. Cũng vì các
mục đích trên đó mà tài liệu tham khảo thờng đợc thu thập theo nguyên tắc của sự
thiết kế chọn mẫu thống kê.


15
Việc lựa chọn các tài liệu thực tế để thu thập tùy thuộc vào mục tiêu và tính
chất của đối tợng cần nghiên cứu. Thời điểm thu thập t liệu là rất quan trọng trong
trờng hợp nghiên cứu các đối tợng hoặc hiện tợng tự nhiên có nhiều biến động.
Ví dụ nghiên cứu thực vật, nghiên cứu nớc. Tuy nhiên với những đối tợng ít có sự
biến động thì có thể thu thập tài liệu ở bất cứ thời gian nào (ví dụ các đối tợng địa

chất).
Các tài liệu phổ về bề mặt đối tợng cũng cần đợc thu thập bằng cách đo đạc
ngoài thực địa với các máy đo phổ. Tất nhiên việc lựa chọn điều kiện và vị trí đo là
hết sức quan trọng. Các giá trị phổ đo đợc ngoài thực địa hoặc trong phòng thí
nghiệm là tiền đề cần thiết cho việc nghiên cứu về các đối tợng hoặc hiện tợng tự
nhiên. Đo đạc phổ có thể thực hiện ở nhiều phơng thức: đo bằng tay xách, cần cẩu,
máy bay trực thăng hoặc máy bay tầm cao hơn. Các giá trị phổ thờng đợc thực
hiện ở nhiều dải phổ hẹp liên tục trong khoảng phổ cần nghiên cứu, ví dụ từ 0,35 -
1,05m với nhiều band. Các giá trị phổ đợc hiện lên màn hình và đợc ghi lại trên
băng giấy hoặc bằng đĩa từ. Thông thờng các phép đo phổ đều đợc gắn với việc
định vị toàn cầu - GPS.
1.9.Cấu trúc của một hệ thống viễn thám lý tởng
Xét về mặt thiết bị và điều kiện môi trờng thực tế, một hệ viễn thám điển hình
(hay lý tởng) là một hệ thống sử dụng các phơng tiện thu nhận thông tin bằng
nhiều cách, nhiều phơng tiện và nhiều tầng khảo sát (hình 1.1 và 1 2). Đại đa số
chơng trình viễn thám sử dụng năng lợng tự nhiên, cung cấp từ Mặt trời song trên
thực tế, nguyên lý bức xạ của một vật đen lại đợc ứng dụng cho các nghiên cú
trong viễn thám. Các bộ cảm tích cực, sử dụng năng lợng nhân tạo, nh radar và
laser đợc ứng dụng rộng rãi. Phổ điện từ truyền qua quyển khí bị tác động với
quyển khí trong các quá trình hấp thụ, khuyếch tán và phụ thuộc vào thành phần của
quyển khí và bớc sóng.
Phát xạ điện từ đợc ghi nhận trong viễn thám bằng các bộ cảm khác nhau nh
máy chụp ảnh (sóng nhìn thấy là chủ yếu), máy quét hoặc bộ cảm đo bức xạ đặt trên
các phơng tiện hoạt động ở các độ cao khác nhau (mặt đất, khinh khí cầu, máy
bay, trên các vệ tinh quĩ đạo Trái Đất). Dữ liệu viễn thám đợc giải đoán bằng mắt
hoặc bằng số để tách lọc các thông tin hữu ích theo các chuyên đề khác nhau. Một
số u điểm của viễn thám, so với các phơng pháp khảo sát trực tiếp, có thể liệt kê
ra nh sau:
1. Có cách nhìn một cách tổng thể
2. Có thể đến đợc các vùng mà bằng thực địa không thể đạt đợc

16
3. Tiết kiệm thời gian và đợc ứng dụng cho nhiều ngành: địa chất khoáng sản,
nớc, môi trờng, sử dụng đất, nông nghiệp, thực vật, rừng, khí hậu
Khi xét về khía cạnh truyền và thu nhận thông tin viễn thám thì cấu trúc của
một hệ thống viễn thám lý tởng bao gồm các hợp phần sau:
Nguồn năng lợng đồng nhất: nguồn năng lợng này có thể cung cấp năng
lợng trên toàn bộ các dải phổ một cách đồng nhất, rõ ràng với năng lợng cao và
không phụ thuộc vào thời gian và vị trí.
Khí quyển không can thiệp: đó là môi trờng khí quyển không có sự tơng
tác vào nguồn năng lợng truyền qua nó, kể cả lúc truyền đến hoặc phản xạ ngợc
từ Trái Đất. Nh vậy, về mặt lý tởng, có thể thu nhận thông tin ở bất kỳ một bớc
sóng, một độ cao, một vị trí hay bất kỳ thời gian nào.
Một loạt các tơng tác đồng nhất giữa năng lợng và vật chất trên bề mặt
Trái Đất. Các thành phần năng lợng phản xạ hoặc truyền qua đều đồng nhất ở các
dải sóng, không có sự khác biệt đối với mỗi kiểu đối tợng trên bề mặt Trái Đất.
Một thiết bị thu hoàn hảo: là thiết bị thu có độ nhạy cảm rất cao trên toàn
bộ các dải sóng, từ đó làm rõ nét mọi đặc điểm của đối tợng do có độ sáng tuyệt
đối (hay phát xạ tuyệt đối) trên hình ảnh thu đợc. Độ sáng đó là hàm của bớc sóng
và năng lợng phổ. Thiết bị thu đó chỉ cần vận hành với ít năng lợng, giá rẻ và cấu
tạo nhỏ gọn.
Hệ thống thu nhận thông tin mặt đất cùng thời gian. Đồng thời với thời
điểm thu nhận hình ảnh, các thiết bị đo và công việc thu thập tài liệu mặt đất phải
đợc tiến hành đồng thời. Các thông tin thu đợc phải có cùng khuôn dạng để dễ
dàng phân tích xử lý đối sánh.
Nhiều đối tợng sử dụng khác nhau trên cùng một nguồn tài liệu (multiple
data users). Những ngời sử dụng này phải có trình độ hiểu biết cả về kỹ thuật viễn
thám và về chuyên môn của mình. Nh vậy với cùng một nguồn t liệu viễn thám,
có thể phân tích đồng thời nhiều thông tin khác nhau trên một khu vực rộng. Từ đó

những ngời sử dụng có thể trao đổi với nhau để đa ra những quyết định về việc sử
dụng và quản lý hợp lý lãnh thổ và môi trờng.
Tuy nhiên, một hệ thống viễn thám lý tởng mô tả ở trên không thể có đợc.
Vì thế trong thực tế, phải phân tích so sánh lựa chọn để tìm ra đợc những khả năng
gần nhất với một hệ thống lý tởng, với các nguyên tắc cơ bản là: tối u, đồng thời
và phân tích kỹ lỡng.


17
1.10. Yêu cầu về nguồn t liệu viễn thám
Muốn cho việc sử dụng viễn thám đáp ứng đợc các nhiệm vụ đặt ra nguồn t
liệu viễn thám phải đảm bảo đầy đủ các yêu cầu sau:
- T liệu đa phổ (Multispectial data): các tín hiệu phổ về đối tợng phải đợc
ghi nhận dới dạng đa phổ, nhiều band phổ sẽ có đợc nhiều thông tin về đối tợng.
- T liệu đa thời gian (Multiemporal data ): t liệu thu đợc ở nhiều thời gian
khác nhau trong một năm hoặc nhiều năm.
- T liệu nhiều tầng (Multistage data): có nhiều t liệu khác nhau đợc ghi từ
các độ cao khác nhau (vệ tinh máy bay tầm cao, máy bay tầm thấp, đo phổ mặt đất).
Tính chất đa của t liệu cho khả năng cung cấp nhiều thông tin về đối tợng
đặc biệt là về tính chất biến động. Có đợc những điều kiện đó thì t liệu có thể
phục vụ cho nhiều mục tiêu nghiên cứu khác nhau (Multipurpose).
Tất nhiên cũng phải lu ý rằng viễn thám sẽ là một phơng pháp nghiên cứu có
hiệu quả nhất một khi nó đợc kết hợp chặt chẽ với các t liệu của các bộ môn khoa
học khác, đặc biệt là khi nó đợc vận dụng và kết hợp nhuần nhuyễn với kỹ thuật
máy tính và hệ thông tin địa lý (Geographical Information System - GIS).
1.11. Tóm tắt chung về chơng 1
Chơng 1 cung cấp những khái niệm chung nhất về viễn thám, đó là các vấn đề sau:
Viễn thám có hai nội dung chính cần nghiên cứu:
- Sử dụng các thiết bị cảm biến để thu nhận từ xa những t liệu về đối tợng
cần nghiên cứu.

- Phân tích t liệu để thu nhận thông tin về các đối tợng, về một khu vực
hoặc một hiện tợng.
Các thành phần của năng lợng điện từ trong viễn thám
- Năng lợng nguồn (có thể là từ mặt trời hoặc từ nguồn khác).
- Năng lợng truyền qua khí quyển.
- Năng lợng tơng tác với bề mặt đối tợng (hấp thụ, khúc xạ, phản xạ ).
- Năng lợng tơng tác truyền lại qua khí quyển đến thiết bị thu .
Quá trình thu nhận và xử lý thông tin viễn thám
Các hệ thống thăm dò (từ vệ tinh, máy bay).
Các dạng t liệu sử dụng trong viễn thám :
- T liệu hình ảnh.


18
- T liệu dạng số.
- Các t liệu tham khảo (bản đồ, báo cáo, thông kê, ).
Xử lý và phân tích thông tin - phân tích (giải đoán) và vẽ bản đồ. Xử lý
thông tin (xử lý số), tham khảo các thông tin bổ sung và thông tin kiểm tra, tách
chiết các thông tin về đối tợng, vùng hoặc hiện tợng cần nghiên cứu
- Thông tin về vị trí các đối tợng.
- Thông tin về quy mô phân bố của các đối tợng.
-

Thông tin về tình trạng của các đối tợng khác nhau trong t liệu thu đợc.


Xử lý tổng hợp các dạng thông tin thu đợc trong hệ thông tin địa lý (GIS) nhằm
cung cấp thông tin phân tích cho ngời sử dụng để đa ra nhũng quyết định thực
hiện.
Cần phải khẳng định rằng những thành công trong ứng dụng của viễn thám có

tiêu đề là sự tổng hợp của hai yếu tố là: nguồn tài liệu đa dạng, có sự liên hệ chặt
chẽ với nhau và quá trình phân tích xử lý những tài liệu đó.
Tổng hợp chung, có thể khái quát một số ứng dụng thành công của viễn thám
theo các nguyên tắc sau:
- Làm rõ đợc nhũng nhiệm vụ cần giải quyết.
- Xác định những vấn đề mà viễn thám có thể đáp ứng đợc.
- Phân tích những t liệu viễn thám xem có đáp ứng đợc nhiệm vụ cần giải
quyết.
- Xác định nguồn tài liệu tham khảo xem có đáp ứng đợc nhiệm vụ .
- Xác định quá trình thực hiện để giải quyết nhiệm vụ đặt ra của công tác
nghiên cứu.
- Xác định các chỉ tiêu định lợng cần đạt đợc trong quá trình phân tích xử
lý thông tin.
Để cho những ứng dụng đợc thành công, phải phân tích và phát hiện những
thông tin đặc biệt tồn tại trên t liệu viễn thám. Mỗi công việc đều nhằm mục tiêu
giải quyết các câu hỏi sau về đối tợng: ở đâu (Where), bao nhiêu (How much) và
nh thế nào (How serve).
Thông thờng các vấn đề trên đều đợc xem xét trong quá trình phân tích xử lý
thông tin viễn thám nhằm giải quyết một số vấn đề đặt ra. Trong quá trình xử lý
thông tin viễn thám, rất cần tổng hợp vơí nhiều thông tin khác không phải là từ viễn
thám mà là từ Hệ thông tin địa lý nói chung.


19
Chơng 2
cơ sở vật lý của viễn thám

2.1. Các nguồn năng lợng và các nguyên lý bức xạ
2.1.1. Tính chất sóng của ánh sáng
Năng lợng ánh sáng có tính chất bức xạ tự nhiên với hai trờng điện và từ có

hớng vuông góc với nhau, chuyển động tuân theo nguyên lý của sóng điều hòa
(hình 2.1).

Hình 2.1: Bức xạ điện từ với các trờng sóng của ánh sáng
Hớng
truyền

Trờng từ


Trờng điện
Tính chất sóng của ánh sáng đợc thể hiện qua phơng trình truyền ánh sáng:
C = x
trong đó: C - hằng số tốc độ ánh sáng (3 x 10
8 m
/s) (coi tốc độ ánh sáng trong
không khí gần giống nh trong môi trờng chân không)
- tần số dao động của ánh sáng;
- bớc sóng của ánh sáng.
Trong viễn thám, các sóng điện từ đợc sử dụng với các dải bớc sóng của
quang phổ điện từ. Đơn vị của bớc sóng đợc đo phổ biến bằng micromet
(m, 1 m = 10
-6
m), hay nanomet ( Nm, 1 Nm= 10
-9
m).
Sóng điện từ có các tính chất cơ bản nh sau:
- Sóng điện từ đợc truyền trong môi trờng đồng nhất theo kiểu hình sin với
tốc độ gần bằng 3 x 10
8

m/s (tốc độ ánh sáng).


20
- Khoảng cách giữa các cực trị đợc gọi là bớc sóng () với đơn vị là độ
dài. Đây cũng chính là khoảng cách từ 1 điểm bất kỳ ở chu kỳ trớc đến vị trí của
chính nó ở chu kỳ sau trong đồ thị hình sin.
- Số lợng các cực trị truyền qua một điểm nhất định trong thời gian 1 giây
đợc gọi là tần số () - đơn vị của tần số là : herzt.
2.1.2. Quang phổ điện từ
Quang phổ điện từ là dải liên tục của các tia sáng ứng với các bớc sóng khác
nhau (hình 2.2). Sự phân chia thành các dải phổ liên quan đến tính chất bức xạ tự
nhiên của các đối tợng, từ đó hình thành nên các phơng pháp viễn thám khác
nhau.
Các dải sóng của quang phổ điện từ
Quang phổ điện từ có các dải sóng chính nh sau :
- Các tia vũ trụ: là các tia sáng từ vũ trụ có bớc sóng vô cùng ngắn với
<10
-6
m.
- Các tia gamma () có từ 10
-
6
10
-
4
m
- Dải các tia x (X) có

từ 10

-4
- 10
-1
m (hay 0,1) m. - 0,4 m, thờng đợc
sử dụng trong y học. Riêng dải từ 0,3-0,4 m gọi là vùng cực tím tạo ảnh, có thể sử
dụng trong viễn thám tia cực tím
- Dải tia nhìn thấy có từ 0,4 0,7 m là dải phổ của ánh sáng trắng.Trong
dải nhìn thấy có chia nhỏ thành các dải ánh sáng đơn sắc:
* Blue (xanh lơ-lam): 0,4 - 0,5 m
* Green (xanh lá cây lục ): 0,5 - 0,6 m
* Red (đỏ) : 0,6 - 0,7 m.
- Sau vùng đỏ là dải hồng ngoại (infrared): từ 0,7-14 m,trong đó lại chia
thành các vùng :
* Hồng ngoại phản xạ: 0,7-3 m
* Hồng ngoại trung ( giữa ) : 3- 7m
* Hồng ngoại nhiệt ( xa ) : 7- 14m.
- Vùng sóng Radar hay vi sóng (vi sóng - microwave): là các vùng có bớc
sóng dài hơn nhiều so với vùng hồng ngoại, độ dài sóng từ 1mm đến 1m.
- Sau vùng Radar là sóng radio có bớc sóng > 30 cm.



21

Hình 2.2: Sự phân bố các dải sóng trong quang phổ điện từ
Lu ý chung :
- Trong hình vẽ, các tên của từng dải sóng đợc nêu rõ (ví dụ sóng cực tím
hoặc sóng cực ngắn, ), sự phân chia đó chỉ để cho tiện sử dụng còn trong
thực tế
không có sự phân biệt một cách rõ ràng giữa các vùng sóng đợc đặt tên và sự phân
chia thành các dải sóng với các ranh giới nêu ở trên chỉ là tơng đối.
- Tên của các vùng sóng đợc đặt tơng ứng với các phơng pháp nghiên cứu
và số lợng các vùng đó thờng nhiều hơn sự phân chia thông dụng.
- Vùng nhìn thấy chỉ là vùng cực nhỏ trong toàn bộ quang phổ điện từ (từ 0,4 -
0,7 m) song trong đó vẫn đợc chia nhỏ hơn thành các tia đơn sắc:
- Sóng cực tím nối liền với phần màu xanh lơ (Blue) của vùng nhìn thấy. Nối
tiếp với phần màu đỏ là vùng hồng ngoại (infrared).
- Vùng hồng ngoại đợc chia ra 3 dải, song chỉ có hồng ngoại nhiệt mới liên
quan trực tiếp đến sự nhạy cảm về độ nóng.
- Vùng vi sóng (microwave) là các vùng có bớc sóng dài hơn nhiều so với
hồng ngoại (từ 1mm đến 1m) và còn đơc gọi là sóng Radar. Vùng Radar cũng đợc
chia nhỏ thành nhiều vùng nhỏ với những đặc tính riêng biệt .
- Vùng có bớc sóng dài nhất, tiếp tục của sóng radar là sóng Radio.
2.2. Tính chất hạt và sự truyền năng lợng của ánh sáng
Ngoài tính chất sóng thì ánh sáng còn có tính chất hạt. ánh sáng bao gồm rất
nhiều phân tử nhỏ riêng biệt đợc gọi là các photon hay lợng tử (quanta). Năng
lợng của mỗi lợng tử đợc xác định theo công thức sau:
Q = h x v
trong đó: Q - năng lợng của mỗi lợng tử (tính bằng Jun - J);

22
h - hằng số plank (h = 6,626 x 10
-34
J/s);
v- tần số (Hz).
Nếu giải hai phơng trình trên, ta có:
v = C /
Q = h x C / .
Công thức này thể hiện sự liên quan giữa Q và . Khi h và C là các hằng số, sự
liên quan đó thể hiện là khi ánh sáng có bớc sóng dài hơn thì năng lợng của nó sẽ
nhỏ đi (tơng quan tỉ lệ nghịch). Điều này có ý nghĩa quan trọng trong viễn thám.
Trong áp dụng, việc thu nhận bức xạ truyền đi của một đối tợng ở vùng sóng dài là
khó hơn nhiều so với các bức xạ ở vùng sóng ngắn (ví dụ việc thu tín hiệu sóng cực
ngắn phát ra từ đối tợng là khó hơn nhiều so với việc thu bức xạ nhiệt của đối
tợng). Do năng lợng ở vùng sóng dài thấp nên trong viễn thám, hệ thống thu nhận
tín hiệu bức xạ điện từ với bớc
sóng dài thờng phải có trờng nhìn rộng nhằm thu
đợc những tín hiệu bức xạ đó.

Mặt trời thờng là nguồn năng lợng bức xạ điện từ điển hình trong viễn thám.
Tất nhiên, toàn bộ các vật chất có nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ tuyệt đối (K hay 273
0

C) đều thờng xuyên phát xạ bức xạ điện từ. Nh vậy các đối tợng trên trái đất đều
là những nguồn bức xạ tự nhiên, mặc dù chúng dờng nh có những sự khác biệt về
biên độ và thành phần phổ so với mặt trời.
Có thể tính toán năng lợng bức xạ phát ra từ bề mặt một đối tợng theo quy
luật Stefan - Bolzman:
M = . T
4

trong đó:
M- tổng năng lợng bức xạ truyền đi từ bề mặt đối tợng (W/ m
2
);

- hệ số Stefan - Bolzman ( = 5,6697 x 10
-12
W/ m
2
.K
4
);
T - nhiệt độ tuyệt đối (K) của vật chất phát xạ.
Các đơn vị tính ở trong công thức là khó nhớ song điều quan trọng cần lu ý là
năng lợng phát ra tỉ lệ với T
4
, nghĩa là nếu nhiệt độ tăng lên thì năng lợng phát ra
sẽ nhanh chóng tăng lên theo cơ chế luỹ thừa bậc 4, cũng có thể hiểu năng lợng
phát ra là hàm nguyên thủy của nhiệt độ đối tợng.
Một khái niệm đợc đa ra là vật đen tuyệt đối. Đó là một vật lý tởng, là vật
mà có thể hấp thụ và tái phát ra toàn bộ năng lợng rơi vào nó.
Bức xạ nhiệt, có một số tính chất sau:
- Khi nhiệt độ bức xạ cao hơn thì tổng năng lợng phát ra cũng cao hơn.
- Nhiệt độ cực đại khi vật đen bức xạ chuyển dần về phía có bớc sóng ngắn hơn.


23
- Cực trị của đờng cong bức xạ tuân theo quy luật chuyển dịch của Vien
(Wiens displacement Law), nội dung của quy luật này là khi nhiệt độ của vật tăng
lên thì cực trị bức xạ của vật chuyển dịch về phí có bớc sóng ngắn hơn (hình 2.3):

m = A / T
trong đó: m - bớc sóng mà ở đó có sự phát xạ cực đại ( m);
A = 2.898 mK;
T - nhiệt độ K.
Hình 2.3:
Sự thay đổi cực trị của đờng cong bức xạ nhiệt của vật chất ở
Toả nhiệt của vật đen
Nhiệt độ của Mặt Trời
Nhiệt độ đốt cháy
Nhiệt độ đèn sáng
Nhiệt độTrái Đất
Sự toả bức x
ạ
phổ
Bớc sóng

M



nhiệt độ khác nhau
.
Mặt trời có bức xạ giống nh của vật đen tuyệt đối khi nhiệt độ của vật đen
lên tới 6.000 K, các bóng đèn sợi đốt thờng có nhiệt độ khoảng 3.000 K. Kết quả là
bóng đèn sợi đốt thờng phát ra ánh sáng màu xanh với năng lợng thấp và không
giống nh cấu thành trong dải phổ của mặt trời.
Ta có thể quan sát thấy hiện tợng này khi một mẩu thép đợc nung nóng đỏ.
Khi nhiệt độ tăng dần lên thì màu của mẩu thép chuyển từ màu đỏ sang da cam,
vàng và cuối cùng là màu trắng. Nh vậy khi nhiệt độ của vật tăng lên , cực trị bức
xạ chuyển dần từ vùng sóng dài không nhìn thấy, sang vùng sóng ngắn nhìn

thấy. Khi bớc sóng phát xạ càng dài thì nhiệt độ tuyệt đối của vật đen càng thấp .
Trong kỹ thuật làm phim ảnh, ngời ta chế tạo ra các loại phim có sự nhạy cảm
ánh sáng khác nhau với các điều kiện chiếu sáng khác nhau, khi cửa mở thì phim
nhạy cảm với điều kiện ánh sáng của bên ngoài, nếu ở trong phòng ta dùng ánh sáng


24