Giáo trình cơ sở viễn thám: Chương 3 đặc điểm các loại tư liệu viễn thám và các phương pháp thu nhận

Chơng 3
Đặc điểm các loại t liệu Viễn thám
v các phơng pháp thu nhận t liệu viễn thám

Trong viễn thám có hai dạng t liệu cơ bản là t liệu ảnh (ảnh photograph, ảnh
image) và t liệu số (digital data: băng từ, đĩa từ ). Phần này sẽ giới thiệu chung về
các loại t liệu đó.
3.1. Đặc điểm phim ảnh đen trắng và màu
3.1.1. Phim đen trắng
Phim đen trắng có cấu tạo gồm hai lớp: lớp đế trong suốt có bề mặt nhám và
lớp nhũ tơng với thành phần là muối halogen bạc (AgCl) có độ dày khoảng 100m.
Các hạt muối bạc có đờng kính vài micromet hoặc nhỏ hơn. Khi có ánh sáng tác
động của các photon ánh sáng làm cho các nguyên tử bạc đợc giải phóng khỏi phân
tử muối halogen (hình 3.1 ; 3.2).








Halogen bạc
Thể nhx tơng
(emulson
)
N
ền (polyester)
Bồi
Hạt halogen bạc
Gelatin

Thể nhũ tơng (emulson)
Nền giấy
(b)- Giấy ảnh
(
a)- Phim

Hình 3.9. Sơ đồ của phim đen trắng (a ) và giấy ảnh
(b) Giấy ảnh
(a) Phim
Lớ
p
nhũ tơn
g

( Emusion )

Nền Polyeste


Lớp phủ Gelatin
Hình 3.1: Sơ đồ cấu tạo của phim ( a ) và giấy ảnh đen trắng (b)


33


Phân tử A
g
Cl bị lộ sán
g

Phân tử A
g
Cl khôn
g
bị lộ sán
g

Phân tử A
g

Lớ
p
nhũ tơn
g
có chứa A
g
Cl
Đế phim hoặc giấy ảnh
A
B
C
Các tia
sáng tới
Hình 3.2: Cấu tạo phim ảnh đen trắng (A), quá trình lộ sáng (B)
và tráng phim đen trắng (C)
Khi tráng phim, các nguyên tử bạc đợc giải phóng sẽ liên kết để tạo thành lớp
phân tử bạc bền vững mờ đục, không cho ánh sáng truyền qua và bám vào đế phim,
ngời ta gọi đó là quá trình hình thành hình ảnh (latent image). Khi rửa phim sự
tơng tác đó đợc ngng tụ nhờ dung dịch hóa chất và những chỗ mà nhũ tơng còn

cha bị ánh sáng tác động vào sẽ đợc rửa trôi đi và chỉ còn lại đế phim trong suốt.
Nh vậy khu vực nào bị tác động ánh sáng sẽ có màu đen trên phim âm bản,
phần còn lại sẽ trong suốt.
Phim âm bản có hình ảnh ngợc lại với thực tế. Quá trình in ảnh hoặc tạo phim
dơng bản là quá trình rọi sáng ngợc trở lại với việc dùng phim âm bản làm tấm
lọc sáng để tạo nên một dơng bản có đặc điểm độ sáng giống nh điều kiện thực tế
ban đầu.
Trên phim, phần đợc chiếu sáng 100% sẽ trở nên đen và phần bị che kín hoặc
không đợc chiếu sáng 100% sẽ có màu trắng. Độ tối sáng của hình ảnh phụ thuộc
vào số lợng hạt nhũ tơng bị tác động ánh sáng để giải phóng bạc. Mỗi hạt có kích
thớc rất nhỏ. Nếu khối lợng khoảng 1m
3
thì đã chứa tới 10
10
nguyên tử bạc. Nh
vậy nếu với diện tích 6,5cm
2
bề mặt phim sẽ có khoảng 150 triệu hạt (trong khi đó
với băng từ thì chỉ có 3.200 phần tử có từ để thu tín hiệu). Với cấu tạo nh vậy, phim
ảnh sẽ có độ phân giải cao và có khả năng nhạy cảm với toàn bộ dải nhìn thấy và
phần hồng ngoại phản xạ (0,38 - 0,9m). Phim ảnh có thể thu nhận tín hiệu ảnh
sáng trong những điều kiện chiếu sáng và điều kiện khí quyển khác nhau.


34
3.1.2. Phim ảnh mu v khoa học về mu
3.1.2.1. Các mu cơ bản, các filter (các lọc mu) v tam giác mu
Mắt con ngời có thể phân biệt nhiều mức màu sắc hơn là các mức độ sáng.
Khoa học về màu chia các màu cơ bản thành 2 nhóm: các màu cộng (dơng) cơ bản và
các màu trừ (âm) cơ bản. Đặc điểm các màu đó đợc thể hiện trong khái niệm về tam

giác màu.
Filter màu: là các tấm lọc trong suốt đối với 1(hoặc 2) tia sáng đơn sắc,
nghĩa là chỉ cho một( hoặc 2 ) tia đơn sắc nhất định đi qua và không cho các tia sáng
khác đi qua. Trong thực tế có nhiều loại filter khác nhau: blue, green, red, cực tím,
yellow
Các màu dơng-hay màu cộng( additive colour ) là: Blue ( lơ )+ Green (
lục )+ Red ( đỏ ) khi kết hợp sẽ cho màu White ( trắng).
Cácmàu âm- hay màu trừ(substractive colour ) là: Yellow (vàng) + Cyan
(chàm) + Magenta (đỏ da cam), khi kết hợp sẽ cho màu Black (đen).
a. Tổ hợp các màu dơng b. Tổ hợp các màu âm

Hình 3.3: Kết hợp của các tia đơn sắc chính dơng (+) và âm (-).

Tam giác màu: là tam giác đều có cấu tạo nh sau (hình 3.4)
- Đỉnh tam giác là các màu dơng (cộng cơ bản):
- Cạnh tam giác là các màu âm (trừ):
Nguyên tắc hoạt động của các filter trong tam giác màu:
- Các fitter màu âm hấp thụ 1 màu dơng ở đỉnh đối diện của tam giác và cho
truyền qua 2 màu dơng ở hai cạnh tam giác.


35
Ví dụ: filter màu vàng (Yellow) hấp thụ ánh sáng xanh lơ (blue) và cho các tia
màu đỏ (Red) và lục (Green) đi qua.
- Ngợc lại các fitter màu dơng lại hấp thụ 2màu âm ở hai cạnh bên và cho
qua 1màu âm ở cạnh đối diện .
Ví dụ: fitter màu xanh lơ (Blue) thì hấp thụ hai màu đỏ da cam (Magenta) và
chàm (Cyan), cho màu vàng (Yellow )đi qua.
Nguyên tắc trên đợc áp dụng để chế tạo các tấm lọc fitter trong kỹ thuật chụp
ảnh hoặc trong kỹ thuật về màu sắc.

Hình 3.4: Tam giác màu với các màu cộng và các màu trừ
3.1.2.2. Phim ảnh mu
Có hai loại phim màu âm bản và dơng bản, nguyên tắc chuyển đổi màu trong
phim tuân theo nguyên tắc tam giác màu.
Phim màu bao gồm 4 lớp, khi lộ sáng, lớp đế trong suốt và thô, phía trên là 3
lớp nhũ tơng có nhạy cảm với 3 màu dơng (Blue, Green, Red) (hình 3.5)
ở giữa lớp màu blue có lớp lọc khối cho tia blue nhằm loại bỏ sự tán xạ
reighler rất mạnh của khí quyển đối với tia blue. Hiện tợng này luôn xảy ra vào
ban ngày, khi trời quang mây thì các phân tử của Ozon, Cácbonic, Nitơ,Oxitcacbon
.tác động làm tán xạ mạnh tia blue của ánh sáng mặt trời, hiện tợng này làm cho
bầu trời luôn có màu xanh blue (xanh da trời). Kết quả sau khi lộ sáng và định hình,
phim âm bản xuất hiện các màu âm. Khi in ảnh màu, quá trình lộ sáng theo cơ chế
ngợc lại là nhạy cảm với các tia màu âm và nhuộm màu dơng giống nh màu ban
đầu của đối tợng tự nhiên (hình 3.6).


36
Lớp nhạy cảm màu xanh lam tạo lớp nhuộm màu vàng
Lọc màu xanh lam
Lớp nhạy màu màu lục tạo màu magenta
Lớp nhạy màu đỏ tạo lớp nhuộm màu cyan
Nền
Lớp đáy
a) Mặt cắt chung
Log độ nhạy
Lớ
p
nhuộm vàn
g
kiểm soát ánh sán

g
màu xanh lam
Lớ
p
nhuộm ma
g
enta kiểm soát màu lục
Lớ
p
nhuộm màu c
y
an kiểm soát màu đỏ
Xanh
lam
Xanh
lục
Đỏ

b) Độ nhạ
y

p
hổ của các lớ
p

p
him màu
Hình 3.5: Cấu trúc của phim hoặc ảnh màu và cơ chế tạo màu của các lớp nhũ tơng.

Đối tợng

ánh sáng
Đỏ Lục Lam Trắng Đen
Nhuộm màu Nhạy cảm phổ

Phim âm bản
Y Y
Yellow Blue

M M
Magenta Green

C C
Cyan Red

Để phim

C M Y B W



Màu tổn
g
hợ
p
trên
p
him âm bản (sau khi

định hình)

Nhuộm màu Nhạy cảm phổ


Sau khi in tráng ảnh

Y Y Y
Blue Yellow
M M M
Green Magenta
Phim dơn
g
bản hoặc
ảnh in ra (sau khi định
hình)
C C C
Red Cyan

Để phim

R G B W B
Màu tổn
g
hợ
p
trên
phim giấy ảnh

Hình 3.6: Quá trình lộ sáng và tráng phim ảnh màu.



37
3.1.3. Phim mu hồng ngoại
Trên nguyên tắc nhạy cảm phổ ngời ta chế tạo ra loại nhũ tơng có nhạy cảm
với phổ hồng ngoại, loại phim này trớc đây đợc dùng để phát hiện sự ngụy trang
trong quân sự. Hiện nay đợc dùng rộng rãi cho nhiều mục đích khác nhau.
Về nguyên tắc, phim hồng ngoại vẫn có 3 lớp song khả năng nhạy cảm lại
chuyển về phía hồng ngoại cụ thể là (hình 3.7):
Lớp nhạy phổ hồng ngoại gần (và xanh lam -blue)
(tạo lớp nhuộm màu xanh chàm (cyan)
Lớp nhạy màu lục (và blue) (tạo lớp nhuộm màu vàng)
Lớp nhạy màu đỏ (và xanh lam) tạo lớp nhuộm màu
đỏ tơi magenta
Nền

Lớp đáy
Xanh lam
(blue)
Xanh lục
(green)
Đỏ
Hồng ngoại gần
Bớc sóng
Lớp nhuộm màu chàm cyan

Lớp nhuộm màu đỏ tơi magenta

Lớ
p
nhuộm màu vàn
g
Cực tím
(a)
Logarit độ nhạy
(b)
Hình 3.7: Cấu trúc độ nhậy của phim hồng ngoại: (a)- mặt cắt;
(b) - độ nhậy của 3 lớp màu (theo Lillesand, Thomas M. và Ralph W. Kiefer, 2000)
- Lớp tạo màu Yellow: nhạy cảm với ánh sáng Green.
- Lớp tạo màu Magenta: nhạy cảm với ánh sáng Red.
- Lớp tạo màu Cyan: nhạy cảm với ánh sáng hồng ngoại gần (NIR)
Cả 3 lớp nhũ tơng đều nhạy cảm với ánh sáng Blue và đợc loại ra bằng
cách đặt một fitter phía trên ống kính. Hiện nay, phim hồng ngoại có phủ thêm một
lớp màu vàng trong suốt thay thế cho filter.


38
Cần lu ý rằng
khái niệm hồng ngoại không nói lên sự nóng mà chỉ nói lên
dải hồng ngoại phản xạ dùng để chụp ảnh. Đặc điểm màu của các đối tợng thay đổi
khác nhau giữa phim màu ảnh thờng và phim màu hồng ngoại (bảng 3.1).
Bảng 3.1: Đặc điểm màu của đối tợng trên phim màu thông thờng và hồng ngoại
Đối tợng
Trên phim màu bình
thờng
Trên phim màu hồng
ngoại
Thực vật khỏe:

Lá rộng.
Lá kim.
Thực vật bị bệnh:
Trớc khi nhìn rõ.
Khi nhìn rõ.
Lá cây mùa thu vùng ôn đới
Nớc sạch.
Nớc đục
Ranh giới đất và nớc

Xanh lục
Xanh lục

Xanh lục
Xanh vàng - vàng.
Đỏ đến vàng.
Xanh Blue - Green.
Xanh chàm sáng.
Không rõ

Đỏ đến đỏ xẫm
Màu nâu đến đỏ nâu

Hồng đến xanh lơ
Xanh chàm
Vàng đến trắng.
Xanh xẫm - đen.
Xanh lơ sáng.
Rất rõ
Ngoài phim màu hồng ngoại, còn có phim cực tím, chụp tia X, đợc sử dụng

trong y học còn việc ghi hình ảnh ở vùng hồng ngoại nhiệt đợc thực hiện theo
phơng pháp quét để tạo hình ảnh và các loại ảnh này sẽ đợc đề cập ở phần sau.
3.2. ảnh số, cấu trúc và phơng pháp lu trữ dữ liệu viẽn thám trong
ảnh số
3.2.1. Cấu trúc hình ảnh quét (Image - ảnh số)
- Hình ảnh số là một ma trận không gian của tập hợp các pixel (Picture
element) sắp xếp theo hàng và cột. Vị trí của mỗi pixel đợc xác định theo tọa độ
hàng và cột trên ảnh tính từ góc trên cùng bên trái. Tùy theo hệ thống quét ảnh mà
kích thớc của hình ảnh (diện tích quét trên mặt đất). Ví dụ với hệ thống Landsat
MSS là 185 x 185km, với hệ thống SPOT là 65 x 65km, ảnh NOAA là 2400 x
2400km
- Phần tử ảnh (picture element) là một đơn vị nhỏ nhất về không gian trên
một file ảnh và nó chính là pixel ảnh hay một ô đơn vị trong ma trận ô vuông. Vị trí
của đơn vị ảnh là vị trí dòng và cột . Vị trí thật của đơn vị ảnh sẽ đợc tham chiếu
với một hệ tọa độ đợc dùng nh hệ tọa độ địa lý, UTM, Gauss, mặt phẳng nhà
nớc (State plane) Thông số của mỗi pixel trên ảnh là : hàng (row), cột ( colum )


39
và giá trị số DN ( digital Number ). Mỗi pixel có 3 giá trị: X, Y và Z. Trong đó X, Y
là tọa độ hàng cột và Z là giá trị độ sáng (DN )của hình ảnh và giá trị này liên quan
đến tính chất phổ của các đối tợng, giá trị Z thờng đợc chuyển thành giá trị số
của nhiều (0 và 1). Độ sáng của hình ảnh đợc ghi ở 8 bit ( 2
8
= 256) với 256 cấp
độ: 0 là đen và 255 là trắng.
Kích thớc của mỗi pixel đợc xác định bởi góc nhìn tức thời (IFOV) của hệ
thống quét. Còn kích thớc của cả ảnh đợc xác định bởi trờng nhìn (hay góc
quét)của hệ thống (FOV). Kích thớc trên mặt đất của mỗi pixel đợc quan niệm là
độ phân giải không gian của hình ảnh số.

Ví dụ : hình ảnh của Landsat MSS (Multispectrial Scanner Satellite) với 4
band phổ có 2.340 đờng quét (với mỗi đờng rộng 79m) và 3.240 cột (mỗi cột rộng
57m) (hình 3.9).
Lợng pixel trong một ảnh đợc tính bằng (số hàng)x (số cột) x (số band
phổ), đây là một con số rất lớn (hình 3.8).
Kích thớc của 1 pixel là 57 x 79m song ngời ta tính tơng đối cho độ phân
giải không gian là 79 x 79m. Tổng số pixel trong 1 band của 1 hình ảnh (1 ảnh) là:
2340 x 3240 = 7.58160.000 7,6.10
6
pixel.
Độ sáng của các pixel đợc ghi ở 4 band phổ có khác nhau: band 4, 5, 6
ghi ở tỉ
lệ 7 bít (0 - 127 hay 128 mức), band 7 ghi ở tỉ lệ 6 bít (0 - 63 hay 64 cấp).


Hàng

Hình 3.8: Cấu trúc ảnh số tạo từ phơng pháp quét. Mỗi pixel có toạ độ hàng,
cột và giá trị số (DN) (góc trên cùng bên trái của ảnh có toạ độ: hàng = 0, cột = 0).
Cột
Giá trị số
(DN)


40

Hình 3.9: Cấu trúc ảnh Landsat MSS (A) và Landsat TM (B)
Để tiện xử lý trong máy tính ngời ta chuyển thành tỉ lệ 8 bít hoặc số thực. Với
4 band, số pixel là 7,6 x 10

6
x 4 30 x10
6
pixel. Đối với từng loại hệ thống thu ảnh
khác nhau thì số lợng các pixel trong ảnh cũng khác nhau, liên quan đến kích thớc
ảnh, số band phổ, kích thớc pixel ảnh (độ phân giải không gian) tức là liên quan
đến số hàng, số cột.
Hình ảnh của đối tợng không gian có thể đợc ghi nhận trên nhiều kênh phổ
khác nhau. Mỗi một kênh cho ra giá trị phổ dới dạng số riêng về cùng một đối
tợng đợc ghi. Quá trình chuyển đổi sóng điện từ sang tín hiệu điện và lu trữ trên
băng từ đợc thực hiện trực tiếp trên vệ tinh hoặc truyền tải trực tiếp xuống các trạm
thu vệ tinh mặt đất. Dữ liệu ảnh số đợc lu trữ trên băng từ tơng thích cho máy
tính CCT (Computer Compatible Tape) hoặc trên CD-ROM dới khuôn dạng của
các tệp ảnh số mà máy tính có thể đọc đợc. Thông thờng dữ liệu trên băng từ ghi
nhận về một vùng chụp bao gồm 3 tệp thông tin chính sau:
1. Tệp đầu ghi nhận thông tin chú giải về dữ liệu còn gọi là tệp header, ví dụ
thông tin về band phổ, độ phân giải, giờ, ngày tháng thu ảnh
2. Tệp thứ hai ghi nhận thông tin về chú giải nh nắn chỉnh phổ hoặc nắn
chỉnh hình học, cấu trúc của tệp (cách lu trữ )
3. Tệp chính có độ lớn nhất gọi là tệp dữ liệu.
3.2.2. Phơng thức lu trữ tệp ảnh số
Dữ liệu ảnh số cấu thành từ 3 tệp này thông thờng đợc lu trữ theo các cấu
trúc khác nhau là: BSQ, BIL hoặc BIP (hình 3.10).


41
Cấu trúc dữ liệu theo BIL (band interleaved by lines)

Cấu trúc BIL là cấu trúc dữ liệu đợc lu trữ tất cả các băng theo thứ tự dòng
không phụ thuộc vào số kênh. Giá trị số của tất cả các kênh sẽ lần lợt ghi nhận theo

thứ tự từ dòng một cho đến hết. Ghi nhận theo kiểu BIL sẽ cho ra một tệp dữ liệu
chung cho tất cả các kênh ảnh
Cấu trúc dữ liệu kiểu BSQ (band sequential )
Trong cấu trúc dữ liệu kiểu này tất cả dữ liệu thuộc một kênh ảnh đợc lu trữ
riêng thành một tệp. Nếu nh ảnh số về một khu vực nào đó bao gồm nhiều kênh thì
sẽ có bấy nhiêu tệp về dữ liệu. Ví dụ, ảnh SPOT có ba kênh thì cần có 3 tệp riêng để
lu trữ.
Đờng
quét
pixel
Cấu trúc BSQ
Kênh 1
Kênh 4
Cấu trúc BIL
Quét
đờng 1
Q
uét
đ
ờng m

Quét
đờng 1

Quét
đ
ờng m

BIP hay cấu trúc'X"
Kênh1 Kênh 2 Kênh3 Kênh4

đờng
q
uét 1
đờng quét 1
đờng quét m
đờng quét
m
Kênh1 Kênh2 Kênh3 Kênh4
Hình 3.10: Sơ đồ cấu trúc dữ liệu kiểu BSQ, BIl và BIP


42
Cấu trúc dữ liệu kiểu BIP ( band inteleaved by pixel)
Trong cấu trúc này, ghi nhận theo kiểu pixel 1, line1, kênh1, pixel 1 line 1
kênh 2, pixel 1 line 1 kênh 3.
Một số lu ý về khuôn dạng ảnh t liệu viễn thám nh sau:
Đối với sản phẩm ảnh ra, thờng là đợc lu trữ dạng BSQ vì có 3 band: R
(red- đỏ),G ( Green-lục ), B(Blue-lam) .
Trong các t liệu viễn thám thờng có thêm các thông tin về cấu trúc dữ liệu,
các thông số của vệ tinh, thông số của khí quyển và điều kiện chiếu sáng file lu
các thông tin này gọi là phần đầu của t liệu (header) , hoặc có thể ghi thành file
riêng gọi là file trợ giúp (Auxilary Data )
Kể từ năm 1982, hình ảnh do vệ tinh thu thờng đợc lu trong một khuôn
dạng chuẩn gọi là khuôn dạng chuẩnthế giới (World Standard Format-WSF), hay
LTWG (Specified by Landsat Technical Working Group).
Mặt khác, hai khuôn dạng dữ liệu là BIL và BSQ cũng đợc chọn là hai khuôn
dạng trong số những khuôn dạng chuẩn thế giới.
Hiện nay, một số vệ tinh của các nớc khác lại ghi dữ liệu ở những khuôn dạng
riêng của từng hệ thống, vì vậy, các phần mềm xử lý ảnh cũng luôn có sự bổ sung để
có thể đọc đợc các dạng t liệu khác nhau.

3.3. Phơng pháp thu nhận ảnh và đặc điểm các loại ảnh trong viễn
thám
Để tạo hình ảnh trong viễn thám có hai phơng pháp: chụp ảnh bằng máy ảnh
theo nguyên tắc quang học và thu ảnh thep phơng pháp quét. Cả hai phơng pháp,
kết quả đều cho ra sản phẩm là hình ảnh của đối tợng, song về nguyên tắc tạo ảnh
và đặc điểm của hình ảnh hoàn toàn khác nhau.
3.3.1. Chụp ảnh theo nguyên tắc khung (Framming)
Sử dụng máy ảnh và phim ảnh để tạo hình ảnh của đối tợng dới mặt đất.
Thông thờng ngời ta áp dụng phơng pháp này cho việc chụp ảnh máy bay song
cũng có thể chụp từ về tinh hoặc tàu vũ trụ. Chụp theo nguyên tắc khung, về ý nghĩa
là chụp một khung lên địa hình để ghi nhận hình ảnh trong thời gian mở ống kính
của máy chụp ảnh.
ảnh đợc chụp đồng thời trong thời điểm mở cửa ống kính máy ảnh, diện tích
mặt đất đợc chụp phụ thuộc vào ống kính của máy ảnh. Những đặc điểm cơ bản
của ảnh chụp theo nguyên tắc khung là: độ phân giải, tỉ lệ ảnh và độ lệch của địa
hình là những đặc điểm cần quan tâm.


43
Thông thờng cách chụp ảnh có hai kiểu: chụp đứng và xiên. Chụp đứng khi
máy ảnh có trục của máy nằm theo phơng thẳng đứng. Tuy nhiên chụp thẳng đứng
tuyệt đối thờng không đạt đợc và bao giờ cũng có độ lệch nhất định, độ lệch đó
từ 1-3 độ. Khi trục của máy ảnh nằm xiên thì ảnh thu đợc gọi là ảnh chụp nghiêng.
Nếu trên ảnh xuất hiện đờng chân trời thì lúc đó, độ nghiêng của máy ảnh là quá
lớn.
3.3.1.1. Nguyên lý chụp ảnh ngyên tắc khung
Nguyên lý hoạt động cơ bản của máy ảnh đợc tuân thủ theo hoạt động của
một thấu kính lồi. Hình ảnh của một vật đợc ánh sáng ghi nhận và truyền qua thấu
kính lồi in lại trên một mặt phẳng nằm sau thấu kính. Trên mặt phẳng này đợc bố
trí cho phim chạy qua. Sơ đồ của một máy ảnh đơn giản nhất đợc minh họa trên

hình 3.11.
Máy ảnh sử dụng cho chụp ảnh khung là thiết bị quang học chính xác. Hợp
phần chính của nó bao gồm một thấu kính lồi và phim ghi nhận hình ảnh đặt đằng
sau thấu kính. Máy ảnh đợc chia ra làm 4 loại chính:
- Máy ảnh khung đơn thông dụng
- Hai máy chụp ảnh toàn cảnh
- Ba máy chụp ảnh theo đờng.
Máy ảnh loại này là máy ảnh sử dụng rộng rãi trong viến thám . Hợp phần
của máy ảnh bao gồm thấu kính lồi, ngăn để phim, và thiết bị hình nón. Ngăn để
phim - gọi là magazine, có chức năng giữ phim và cấu thành từ hai bộ phận trải và
cuộn phim.
- Bốn máy chụp đa kênh.
3.3.1.2. Các loại máy ảnh chính dùng trong chụp ảnh khung

Máy ảnh khung đơn phổ thông (hình 3.11)
Máy có thấu kính lồi đặt cách phim một khoảng nhất định. Máy ảnh thờng có
hai loại
- Loại dùng để lập bản đồ có chất lợng cao
- Loại máy chụp ở mức độ không chi tiết chủ yếu chỉ để nhận biết đối tợng.


44
Hớn
g
ba
y
Vùn
g
chụ
p

Hớn
g
ba
y
Hệ gơng
quay
Phim tịnh tiến sau mỗi lần
thấu kính quay
Hình 3.12: Nguyên lý họat động của máy ảnh toàn cảnh
(Theo Lllesand và Kiefer, 1987)

Máy ảnh chụp toàn cảnh:
Là loại máy ảnh sử dụng để chụp có hình ảnh khái quát về một vùng rộng
lớn. Trong quá trình chụp, máy có sự quay đồng thời ống kính trong quá trình chụp
(hình 3.12).

Phim
Đầu cuộn
Đầu cun
g
Vỏ má
y

Mặt tiêu c
ự
Cơ chế máy
Điểm tiêu cự lồi
Thấu kính lồi
Tiêu cự tới
Mặt đất
Hình 3.11: Sơ đồ máy ảnh phổ thông khung đơn


45
Kết quả là ảnh chụp có hình ảnh của cả một vùng rộng lớn nhng không phải là
hình ảnh chiếu trên mặt phẳng nằm ngang (hình 3.13).Với hình ảnh chụp theo
phơng pháp này đôi khi ta có thể nhìn tháy cả hai phía bầu trời đối diện nhau của
một khu vực.


Hình 3.13: Một ảnh chụp toàn cảnh từ máy bay
Máy ảnh khung đa thấu kính hay đa kênh
Máy ảnh kiểu này dùng để thu
nhận ảnh đa kênh phổ. Các kênh phổ
đợc chia ra theo nguyên lý tổ hợp giữa
những bộ lọc phim khác nhau. Hình

3.14 minh họa cho máy ảnh kiểu này. Số
lợng máy ảnh để tạo ra một hệ máy ảnh
đa kênh có thể từ 2 đến 9 máy ảnh cùng
chụp một lúc. Mỗi máy đảm nhận một
dải phổ nhất định bằng cách lọc màu
(filter) khác nhau.
Hình 3.14: Máy ảnh đa kênh (theo Lillesand và Kiefer, 1986)
3.3.2.Thu ảnh theo phơng pháp quét (Scanning) tạo ảnh số
3.3.2.1. Cấu trúc hệ thống quét tạo ảnh
Một trong những phơng pháp thu nhận hình ảnh phổ biến trong viễn thám là
phơng pháp quét. Phơng pháp quét có thể đợc thực hiện ở cả tầng máy bay và
tầng vệ tinh và sử dụng nhiều trong việc thu nhận tín hiệu phổ ở vùng sóng dài
(hồng ngoại nhiệt, radar). Thiết bị của hệ thống quét ảnh bao gồm bốn bộ phận
chính (hình 3.15):


46
Hình 3.15: Cấu hình của bộ cảm MSS trên Landsat-1,-2, -3,-4 và Landsat-5
(Phỏng theo sơ đồ của NASA)
Bộ phận lu
dữ liệu
Gơn
g
dao độn
g

Thấu kính
Độ cao
918km
Góc quét

11.56
0
4 kênh
phổ
6 đầu ghi phổ trên một dòng
và một kênh
Đờng quét hiện hành
từ tây sang đông
6 đờng quét
sau một lần quét
độ rộn
g
185
km
Vệt quét
mặt đất
Tâ
y

Nam
đôn
g
Bắc
Anten, hoặc
vệ tinh tru
y
ền
thông tin

Trạm thu

mặt đất
- Gơng dao động: có nhiệm vụ phản xạ lại các phản xạ từ mặt đất theo
nguyên tắc quét (ngang hoặc dọc).
- Fiter tách phổ: ánh sáng phản xạ từ mặt đất lên đợc tách thành nhiều dải
phổ khác nhàu nhờ có fiter.
- Các tia sáng với bớc sóng khác nhau đợc tách ra và thu nhận bằng các
thiết bị cảm biến, gọi là các sensor . Mỗi sensor có nhiều detector để thu nhận thông
tin cho mỗi band phổ, nhờ đó tín hiệu của các band phổ đợc ghi lại cùng một lúc.
- Các tín hiệu cũng từng băng phổ nhờ các thiết bị cảm biến ánh sáng (gọi là
detector) thu nhận đợc và chuyển thành tín hiệu từ để ghi lại vào băng từ. Nếu thiết
bị bay là vệ tinh, các tín hiệu từ có thể đợc lu trên vệ tinh hoặc chuyển về mặt đất
nhờ các các vệ tinh truyền thông tin rồi chuyển về trạm thu sau chuyển thành hình
ảnh dạng số và lu trong băng từ hoặc đĩa CD-ROM.


47
3.3.2.2.Các thiết bị thu phổ bằng phơng pháp quét trong viễn thám
Giới thiệu chung
Có nhiều cách thu nhận ảnh đa phổ bằng phơng pháp quét nh quét đa phổ,
quét dải phổ nhiệt, quét siêu phổ (hyperspectral). Các phơng pháp quét phổ đợc áp
dụng trong viễn thám với các phơng tiện là máy bay và các vệ tinh (hình 3.16).

quét ngang
quét vòng
quét dọc
quét nghiêng
Hình 3.16: Các kiểu quét tạo ảnh ( Floy.Sabin 1987).
Thiết bị thu phổ quét ngang
Hệ quét phổ ngang là hệ mà đờng quét phổ vuông góc với đờng bay của
máy bay. Cấu trúc một hệ quét phổ ngang bao gồm: một gơng quay, hay gơng

dao động, quét mặt đất theo đờng vuông góc với hớng bay. Năng lợng phổ đợc
ghi theo đờng quét từ trái sang phải (hoặc từ phải sang trái) theo hớng bay. Góc
quay của gơng tạo góc 90 đến 1200 (hình 3.17).

Hớn
g
ba
y

Hình 3.17: Hoạt động của một hệ quét đa phổ ngang từ máy bay
(Theo Thomas M. lillesand và Ralph W. Kứefer, 1999).


48
Tại một thời điểm bất kỳ, máy quét ghi nhận năng lợng phổ trên mặt đất theo
phạm vi của trờng nhìn tức thì- IFOV, đó là góc hình nón (góc ) vuông góc với
mặt đất, có diện quét phủ bởi gơng quay. Trờng nhìn tức thì này tơng ứng với
đơn vị phân giải mặt đất. Diện phủ của gơng trên mặt đất là một vòng tròn có
đờng kính D và đợc tính theo công thức:
D = H'

Hình 3.18: Trờng nhìn tức thì
và diện phủ vòng tròn trên mặt
đất chụp ảnh quét đa phổ
(Theo Thomas M. Llillesand và
Ralph W. Kiefer) 1999
Trờn
g
nhìn tức
thời (IFOV)-

trong đó: D là đờng kính vòng tròn của gơng nhìn trên mặt đất,
H' là độ cao của máy bay so với mặt đất,
là góc nhìn tức thì của bộ cảm tính bằng radian.
Đờng kính D là độ phân giải không gian của máy quét đa phổ (hình 3.19).



Hình 3.19: Lực phân giải góc đối với 5 cặp đờng / cm
ở khoảng cách 5m (đo bằng miliradian)
Hệ thống đo góc radian
Lực
phân
giải góc
AB=BC
Góc BAC
=1radian


49
Theo công thức trên, giả sử máy bay bay trên độ cao 1000 m, góc trờng nhìn
là 2.5 milliradian (1 radian là độ dài cung của một góc 57,29
0
).

Độ phân giải không gian sẽ là:
D = 1000 m x (2.5 x 10
-3
rad) = 2.5 m
Độ phân giải sẽ giảm dần (kích thớc của D sẽ tăng dần) khi bộ đo phổ quét
nghiêng về hai phía, khoảng cách giữ máy bay và diện phủ của trờng nhìn tức thì
trên mặt đất sẽ tăng dần theo sự tăng của góc nghiêng giữ hớng nhìn và đờng
vuông góc với mặt đất.
Trờng nhìn IFOV của máy quét đa phổ có kích thớc từ 0.5 đến 5 milliradian.
IFOV càng nhỏ thì ảnh càng nét. Hầu hết các bộ cảm đa phổ dùng gơng
vuông, và đờng quét sao cho mỗi khi quét chúng tạo nên một chuỗi các pixel vừa
chạm nhau trên mặt đất. Khoảng cách giữ hai điểm đo phổ trên ảnh số không nhất
thiết phải bằng kích thớc của IFOV (độ phân giải không gian của hệ đo) mà chúng
thờng nhỏ hơn (hình 3.19). Khoảng cách này trên ảnh số đợc xác định bởi khoảng
thời gian ( T), sử dụng trong quá trình chuyển đổi tín hiệu điện sang dạng số, gọi
là quá trình chuyển tín hiệu tơng tự sang tín hiệu số ( Alalog sang Digital) hay A
sang D. Trên hình 3.18, độ rộng của kích thớc một pixel ảnh, xác định trên ảnh số
thu đợc khi chuyển đổi từ tín hiệu điện sang tín hiệu số trong khoảng thời gian T,
nhỏ hơn kích thớc (độ phân giải không gian) của IFOV. Khoảng cách này còn gọi
là khoảng cách lấy mẫu trên mặt đất (GDS) và cũng là độ phân giải của một pixel
trên ảnh số (hình 3.20).
Độ phân giải của
pixel theo IFOV
Độ phân giải của pixel
trên ảnh số theo T
Độ cao của
pixel theo
IFOV
Hình 3.20: Quan niệm về khoảng cách đo trên mặt đất (kích thớc của 1 pixel
ảnh số và kích thớc của pixel theo IFOV).

Thiết bị thu phổ quét dọc
Quét đa phổ dọc, hay còn gọi là quét chổi (pushbroom), đợc thực hiện theo
nguyên tắc: máy đo phổ quét ảnh đa phổ theo khoảng mở mặt đất dọc theo hớng
bay của máy bay. Hình 3.27 minh họa cho nguyên lý đo phổ này.


50
Nguyên tắc thu ảnh quét phổ dọc khác với quét phổ ngang. Trong quét phổ
ngang dùng gơng, còn quét phổ dọc đo phổ dùng hệ chuỗi đo phổ (ditector). Chuỗi
đo phổ tuyến gồm bộ đo phổ ghép cặp đôi liền kề nhau (Charge-coupled-Devices -
CCDs). Mỗi một đầu ghi trong chuỗi tuyến sẽ ghi phổ theo cột (có phơng trùng với
hớng bay) và định độ phân giải trên mặt đất theo IFOV của đầu ghi này. Trên ảnh
số, độ phân giải đợc xác định theo khoảng thời gian T khi chuyển tín hiệu alalog
điện sang số (A-sang-D). Chuỗi ghi phổ tuyến này đợc thiết kế sao cho có thể ghép
đợc trên 10.000 đầu ghi phổ đơn. Mỗi kênh phổ đòi hỏi một chuỗi đo phổ riêng
biệt. Các chuỗi đo phổ đặt ở trên mặt phẳng vuông góc với trục thấu kính để chúng
có thể đo phổ phản xạ của các đối tợng trên mặt đất vào cùng thời điểm.

Hớng
chuyển

động
Độ mở vệt quét
mặt đất
Mặt chiếu của
chuỗi trên mặt
đất

Thấu kính
Chuỗi đo dạng

tuyến
Bảng 3.4: Các kênh phổ của máy quét đặt trên máy bay AIS của Mỹ
Độ cao bay chụp :19,5km
Góc mở của tia quét IFOV: 1,25mrad
Độ phân giải mặt đất : 24 x 24m
Góc quét : 42
0
Độ rộng của dải : 14,7km
Band
Bớc sóng (m)
Vùng phổ
1 0,38 0,42 Cực tím và xanh lơ
Hình 3.26. Sơ đồ nguyên tắc thu nhận quét đa phổ kiểu
dạng tuyến

Hớng chuyển
động của máy bay
Thấu kính
Chuỗi do
d
ạ
n
g
tu
y
ến
Mặt chiếu của
chuỗi trên mặt đất
Độ mở vệt quét
mặt đất

Hình 3.27: Nguyên tắc quét đa phổ kiểu dạng tuyến


51
2 0,42 0,45 Xanh lơ (blue)
3 0,45 0,50 Xanh lơ (blue)
4 0,50 0,55 Xanh lá cây (gree)
Band
Bớc sóng (m)
Vùng phổ
5 0,55 0,60 Xanh lá cây (green
6 0,60 0,65 Đỏ (red)
7 0,65 0,70 Đỏ (red)
8 0,70 0,75 Hồng ngoại phản xạ (Reflected IR)
9 0,75 0,80 Hồng ngoại phản xạ (Reflected IR)
10 0,80 0,85 Hồng ngoại phản xạ (Reflected IR)
ảnh quét đa phổ với các vết quét dọc điển hình là Máy đa phổ chụp ảnh bên
sờn (airbone imaging spectrometer AIS) đợc triển khai ở phòng thí nghiệm đẩy
phản lực của Mỹ (Geok, 1984), có thẻ thu đợc 100 bức ảnh nhận bởi AIS ở dải phổ
từ 1,2 m đến 1,51m. Mỗi bức ảnh ghi ở một band phổ riêng biệt với độ rộng mỗi
band là 0,01m chụp từ máy bay.
u điểm của hệ quét đa phổ dọc:
Các máy quét đa phổ có những u điểm hơn so với các máy chụp ảnh đa phổ,
cụ thể là:
- Các máy quét yêu cầu một hệ quang học đơn giản và ghi nhận một cách hoàn
hảo mọi chi tiết. Trờng hợp này không có ở nhiều bức ảnh chụp đa phổ dạng chụp
toàn cảnh.
- Các detector quét có thể ghi các dải sóng vợt ngoài dải nhạy cảm của phim
chụp thông thờng.
- Các hệ thống quét có u điểm là có thể thu nhận hàng trăm bức ảnh đa phổ ở

các band phổ rất hẹp, điều này rất hữu ích cho việc phân tích quang phổ và lập bản
đồ một cách chi tiết các đối tợng trên mặt đất.
- T liệu số từ các máy quét là rất phức tạp, đắt tiền và đòi hỏi xử lý máy tính
để tạo hình ảnh. Kỹ thuật quét bên sờn là một ứng dụng trực tiếp của kỹ thuật quét
để nghiên cứu các đối tợng trên mặt đất nh địa hình, địa chất, sử dụng đất


52
3.4. Các khái niệm về độ phân giải của t liệu viễn thám
Theo quy ớc chung, có các khái niệm phân giải của t liệu viễn thám
nh sau:
a) Độ phân giải không gian
Độ phân giải không gian là kích thớc nhỏ nhất của một vật mà bộ cảm ghi
phổ (sensor) có thể nhận biết đợc về một đối tợng không gian phân cách đợc với
đối tợng không gian khác nằm kề đối tợng này. Độ lớn của pixel ảnh sẽ là đơn vị
xác định độ phân giải không gian của hệ thống. Độ phân giải không gian của các
ảnh số có thể từ 0,6 m (vệ tinh Quickbird), 1 m (SPIN2 và IKONOS), đến 6.4 m
(ảnh radar), 10 m (SPOT), và 1 km (ảnh vệ tinh NOAA). Một ảnh số có độ phân giải
càng cao là ảnh có kích thớc pixel càng nhỏ (hình 4.17 ).

30m
250m
500m
1000m
Hình 4.17: Các độ phân giải không gian của ảnh tại 1 vùng
T liệu thu đợc có thể là dạngphim ảnh (analoge) sử dụng trong giải đoán
bằng mắt, hoặc ảnh số (digital) sử dụng trong xử lý số.
b) Độ phân giải phổ
Độ phân giải phổ là số lợng kênh ảnh của một ảnh số về một khu vực nào đó.
Số lợng kênh ảnh phụ thuộc vào khả năng ghi phổ của thiết bị ghi hay bộ cảm. Độ

phân giải phổ cao nhất đạt đến hơn 200 kênh gọi là hệ siêu phổ. Vệ tinh Landsat TM
gồm 7 kênh phổ, Landsat ETM+ có 8 kênh. Vệ tinh TERRA có ảnh MODIS với 36
kênh.Viễn thám radar hoạt động ở 8 kênh phổ khác nhau là Ka,K,Ku,X,C,S,L,P( sẽ
nêu chi tiết ở chuơng 6)



53
Độ
p
hân
g
iải mặt đất theo
IFOV
Độ rộng của
p
ixel theo t
ỷ
số
mẫu
c) Độ phân giải thời gian:
Hình 4.18: Độ phân giải mặt đất (79 x 79m) khác với kích thớc pixel (56x79)
ảnh Landsat MSS của Mỹ)
Độ phân giải thời gian trong viễn thám thực chất không liên quan đến thiết bị
ghi ảnh mà chỉ liên quan đến khả năng chụp lặp lại của vệ tinh, nghĩa là liên quan
đến quỹ đạo của vệ tinh ). Một vùng chụp vào các thời điểm khác nhau sẽ cho ra
các thông tin về vùng đó chính xác hơn và nhận biết đợc sự biến động của một khu
vực. Mỗi loại vệ tinh có độ phân giải thời gian khác nhau, ví dụ LANDSAT là 18
ngày, SPOT là 26 ngày Độ phân giải thời cao nhất là ảnh khí tợng với phân giải
thời gian là 30 phút (GMS) và 6 giờ ( NOAA).Với loại ảnh của vệ tinh khí tợng, có

thể theo dõi chuyển động của các đám mây, của mỗi cơn bão



54