Giáo trình cơ sở viễn thám: Chương 5 viễn thám hồng ngoại nhiệt

Chơng 5
viễn thám hồng ngoại nhiệt

Phơng pháp viễn thám hồng ngoại nhiệt là phơng pháp ghi nhận các bức xạ
nhiệt ở dải sóng hồng ngoại nhiệt ( từ 3 đến 14 m). Vì bức xạ nhiệt có cờng độ
yếu, lại bị hấp thụ mạnh bởi khí quyển, nên để thu các tín hiệu nhiệt phải có thiết bị
quét nhiệt với độ nhạy cao. Dới đây là một số cơ sở vật lý và các nguyên tắc tạo
ảnh hồng ngoại.
5.1. Nguyên lý bức xạ nhiệt của vật chất
Tính chất bức xạ nhiệt của các đối tọng tự nhiên dựa vào nguyên tắc bức xạ
của vật đen tuyệt đối.
5.1.1. Nhiệt độ Kinetic v sự bức xạ
Nhiệt độ của vật chất đo đợc khi tiếp xúc hoặc đặt chìm vào bên trong vật
chất đợc quan niệm là nhiệt độ bên trong của vật chất gọi là nhiệt độ Kinetic. Nhiệt
độ Kinetic là nhiệt độ bên trong của vật chất, thể hiện sự trao đổi năng lợng của các
phân tử cấu tạo nên vật chất. Sự bức xạ năng lợng của vật chất là một hàm số của
nhiệt độ Kinetic của chúng. Khi bức xạ, vật chất có một nhiệt độ khác gọi là nhiệt
độ bên ngoài của vật chất. Viễn thám ghi nhận thông tin về nhiệt độ bên ngoài của
vật chất, cũng có nghĩa là ghi nhận thông tin về sự bức xạ của vật chất.
5.1.2. Sự bức xạ của vật đen tuyệt đối
Nh phần đầu đã mô tả, khi nhiệt độ của một vật lớn hơn nhiệt độ 0
o
K
(-273
0
C) thì nó sẽ phát ra một bức xạ nhiệt. Cờng độ bức xạ và tính chất phổ của
bức xạ là một hàm của thành phần vật chất tại thời điểm đó. Hình 5.1 minh hoạ cho
sự phân bố phổ của năng lợng bức xạ từ bề mặt của vật đen tuyệt đối tại các nhiệt
độ khác nhau. Các đờng cong phân bố năng lợng có hình dạng giống nhau nhng
các tia của chúng có xu hớng chuyển dịch về phía có bớc sóng ngắn hơn khi nhiệt
độ tăng cao (quy luật chuyển dịch cực trị năng lợng bức xạ của Wiens).

Phân bổ phổ của năng lợng bức xạ của vật đen tại các nhiệt độ khác nhau:

T
A
=max


trong đó: m - bớc sóng mà ở đó có bc xạ cực đại;
A - 2.898 m (hệ số);
T - nhiệt độ Kinetic.


71
Toàn bộ năng lợng phát ra từ bề mặt của vật đen tuyệt đối ở một nhiệt độ nào
đó đợc xác định và tính bằng quy luật Stefan - bolfman:
M =M(

)
,
d
,
= T
4
trong đó: M - tổng năng lợng phát xạ, w/ m
2
;
M


- năng

lợng phổ phát xạ tại bớc sóng

,
;
- hằng số stefan bolzmal = 5,6697X 10
-8
W/Cm2/K
-4
;

T - nhiệt độ của vật đen ( độ K )
d - diện tích phát xạ của vật đen












Hình 5.1: Đặc điểm phát xạ nhiệt của vật chất
Theo phơng trình, tổng lợng nhiệt phát ra từ bề mặt vật đen thì khác nhau
theo tỷ lệ với lũy thừa 4 của nhiệt độ tuyệt đối. Viễn thám đo đợc năng lợng phát
ra của vật, do đó đo đợc nhiệt độ của vật. Viễn thám đo các bức xạ M theo các dải
bớc sóng khác nhau, tuy nhiên sự bức xạ nhiệt chỉ bắt đầu từ dải hồng ngoại nhiệt.

5.1.3. Sự phát xạ nhiệt từ các vật chất thực
Với vật đen tuyệt đối, nó phát xạ toàn bộ năng lợng rơi vào nó khi làm cho
nhiệt độ của nó tăng lên, còn vật chất thực chỉ phát ra một phần năng lợng rơi vào
nó. Khả năng phát xạ nhiệt gọi là độ phát xạ nhiệt ().
= Năng lợng nhiệt phát ra của vật tại một nhiệt độ nào đó/ Năng lợng phát
ra của vật đen tại cùng nhiệt độ đó.
có giá trị từ 0 - 1: giá trị khác nhau tuỳ thuộc vào thành phần vật chất, ở các
nhiệt độ khác nhau thì sự phát xạ cũng khác nhau. Ngoài ra, sự phát xạ còn khác
nhau ở dải sóng và góc phát xạ.


72
Một vật gọi là vật xám thì có độ phát xạ nhỏ hơn 1 nhng sự phát xạ là đều ở
một bớc sóng tơng tự nh của vật đen tuyệt đối. Một vật có sự phát xạ khác nhau
ở các dải sóng khác nhau thì gọi là vật phát xạ lựa chọn. Rất nhiều vật chất có sự
phát xạ giống nh vật đen, ví dụ: nớc 0,98 - 0,99 và phát xạ ở dải sóng 6 - 14m.
Nhiều vật chất khác lại có sự phát xạ lựa chọn, Ví dụ: thạch anh có sự phát xạ rất
khác biệt giữa các phần trong dải phổ từ 6 - 14m.
Dải sóng từ 8 -14m có đặc điểm là ngoài việc thể hiện sự phát xạ của khí
quyển còn thể hiên sự phát xạ của các đối tợng ở trên bề mặt trái đất với nhiệt độ
trung bình khoảng 300
0
K, ở đó cực đại của nhiệt độ ở 9,7m. Vì lý do đó, hầu hết
các thiết bị viễn thám đều hoạt động ở dải sóng 8 - 14m và ở dải sóng đó, các đối
tợng tự nhiên trên bề mặt trái đất có sự phát xạ nhiệt rất khác nhau (bảng 5.1). Sự
khác biệt đó liên quan đếnthành phần vật chất và trạng thái cấu trúc của đối tợng.
Bảng 5.1: Sự phát xạ của một số đối tợng tự nhiên điển hình trong dải sóng 8 - 14m
Vật chất
Giá trị trong dải 8 - 14m
Nớc sạch

Tuyết sơng
Da ngời
Băng khô
Thực vật khỏe
Đất ớt
Bê tông nhựa
Cây gỗ
Đá bazal
Đất khô
Tuyết khô
Cỏ
Thép tấm
Thép bóng
0,89 - 0,99
0,98 - 0,99
0,97 - 0,99
0,97 - 0,98
0,96 - 0,99
0,95 - 0,98
0,94 - 0,97
0,93 - 0,94
0,92 - 0,96
0,92 - 0,94
0,85 - 0,90
0,77 - 0,81
0,63 - 0,70
0,16 - 0,21
Các thông số về tính chất nhiệt của đối tợng: bao gồm: tính dẫn nhiệt
(conductivity), nhiệt dung (capacity) và quán tính nhiệt (inertia).

73
Hình 5.2: Mô hình nhiệt của các vật chất có sự khác biệt lớn
về nhiệt độ của vật giữa ngày và đêm
Mô hình nhiệt của các vật chất là thể hiện quán tính-hay sự biến đổi nhiệt của
vật chất trong 1 ngày đêm:
F = [I
o
(1 - A) COS Z ] - [ T
kim
4
] ban ngày
= - T
kim
4
ban đêm
trong đó:
F - Chùm tia bức xạ mặt trời
I
0
- Hằng số mặt trời, là số đo bức xạ từ mặt trời
A - Anbedo của bề mặt
Z - Góc nghiêng của mặt trời
- Hằng số Stefan - Bolstman (5,67. 10
-12
W.cm
-2
.
0
K

-4
)
- Vào ban ngày ánh sáng mặt trời chiếu trực tiếp làm nóng các đối tợng trên
nguyên tắc hấp thụ nhiệt ở cả dải hồng ngoại, vùng nhìn thấp và hồng ngoại phản
xạ, gần hồng ngoại. Sự phản xạ lại ánh sáng mặt trời thờng ở dải sóng 3 - 5Mm.
nếu dùng phim hồng ngoại ở dải sóng 8 - 14m, vào ban ngày sẽ xuất hiện các
"bóng". ở vùng lạnh do bị khuất bóng mặt trời, ví dụ: bóng cây, bóng nhà, bóng núi.
Thông thờng, vào ban ngày, vùng bị chiếu ánh nắng mặt trời sẽ nóng hơn. Đối với
các vật thể phát nhiệt thì tín hiệu nhiệt cao thấp phụ thuộc vào nhiệt độ thực của
chúng, ví dụ: nhà máy, núi lửa, đám cháy rừng Trên ảnh hồng ngoại, độ sáng của
ảnh (Brightness) sẽ thể hiện nhiệt độ của đối tợng. Vùng nóng nhiệt độ sẽ cao, sẽ
- Vào ban ngày ánh sáng mặt trời chiếu trực tiếp làm nóng các đối tợng trên
nguyên tắc hấp thụ nhiệt ở cả dải hồng ngoại, vùng nhìn thấp và hồng ngoại phản
xạ, gần hồng ngoại. Sự phản xạ lại ánh sáng mặt trời thờng ở dải sóng 3 - 5Mm.
nếu dùng phim hồng ngoại ở dải sóng 8 - 14m, vào ban ngày sẽ xuất hiện các
"bóng". ở vùng lạnh do bị khuất bóng mặt trời, ví dụ: bóng cây, bóng nhà, bóng núi.
Thông thờng, vào ban ngày, vùng bị chiếu ánh nắng mặt trời sẽ nóng hơn. Đối với
các vật thể phát nhiệt thì tín hiệu nhiệt cao thấp phụ thuộc vào nhiệt độ thực của
chúng, ví dụ: nhà máy, núi lửa, đám cháy rừng Trên ảnh hồng ngoại, độ sáng của
ảnh (Brightness) sẽ thể hiện nhiệt độ của đối tợng. Vùng nóng nhiệt độ sẽ cao, sẽ
Thé
p
Giờ trong
ngày
Thực vật
Nhiệt
độ
bức
xạ
Nớc lặn

g
són
g

Đá và đất
Mặt trời lặn
Mặt trời mọc
Đầm lầ
y

Ban ng
y
B
an đêm
B
an
đ
êm
0 4 8 12 16 20 24


74
có màu sáng đến trắng, vùng lạnh sẽ có màu đen, xám. Mức độ xám sẽ thể hiện
thang nhiệt độ của ảnh của khu vực.
-Vào ban đêm các đối tợng có sức chứa nhiệt cao và quán tính nhiệt cao thì
thờng có nhiệt độ cao hơn các đối tợng khác và ảnh của chúng thờng sáng hơn.
Các đối tợng có nhiệt độ cao do các nguồn cung cấp khác cũng có tone ảnh
sáng hơn.
Quán tính nhiệt: là khả năng phản ứng của một vật chất đối với sự thay đổi về
nhiệt. Thông thờng các vật chất có quán tính nhiệt cao thì có sự ổn định về nhiệt

trong một ngày đêm hơn so với các vật chất có quán tính nhiệt nhỏ.
Trên ảnh hồng ngoại nhiệt ban ngày và ban đêm, có thể tính đợc quán tính
nhiệt T - Sự chênh lệch giữa nhiệt độ cao nhất và thấp nhất của vật xuất hiện trong
một chu kỳ của mặt trời trong một ngày (giữa tra và nửa đêm)
ảnh chụp ban ngày:
- Các đối tợng có nhiệt độ cao: nhà ở, đờng trải nhựa, bê tông, bãi cỏ, sân xi
măng
- Các đối tợng có nhiệt độ thấp: bóng cây, mặt nớc.
ảnh chụp ban đêm:
- Các đối tợng có nhiệt độ cao: mặt nớc, đờng trải bê tông nhựa, nhà ở,
khu vức nớc thải
- Các đối tợng có nhiệt độ thấp: bóng cây, bãi cỏ, sân xi măng, băng, tuyết
Trong nghiên cứu địa chất, nhiều loại đá có đặc điểm giống nhau trên ảnh ở
vùng nhìn thấy song lại có đặc điểm về nhiệt khác nhau, ví dụ: đá vôi và manhefit,
các nguồn nớc nóng nằm ở nông, các hệ thống đứt gãy có thể đợc phát hiện rất rõ
trên ảnh quét nhiệt.
5.2. Các ảnh hởng của khí quyển tới việc quét tạo ảnh hồng ngoại
Khí quyển có ảnh hởng nhiều đến quá trình thu nhận tín hiệu bức xạ nhiệt.
Trong việc chế tạo thiết bị thu, các cửa sổ khí quyển đợc lựa chọn để những ảnh
hởng của khí quyển là thấp nhất. Mặt khác đối với mỗi cửa sổ đợc lựa chọn thì
ảnh hởng của khí quyển cũng đợc tăng lên hay giảm xuống tùy theo mức độ phát
xạ của các đối tợng trên bề mặt. Nh vậy, các tín hiệu nhiệt thu đợc phụ thuộc vào
ảnh hởng mạnh hay yếu của khí quyển, cụ thể là tỷ lệ giữa các thành phần: hấp thụ
và truyền qua.


75
Do ảnh hởng của các thành phần nhỏ bé trong khí quyển mà nó có thể hấp thụ
bớt một phần tín hiệu truyền từ đối tợng trên mặt đất, trớc khi các tín hiệu đó tới
đợc thiết bị thu. Ngợc lại, chúng cũng có thể phát ra tín hiệu bức xạ về nhiệt của

chính các vật chất đó rồi bổ sung vào các tín hiệu khi truyền tới thiết bị thu nhận. Do
đó, trong thực tế do ảnh hởng của khí quyển mà nhiều đối tợng lại đợc thể hiện
có nhiệt độ lạnh hơn hoặc ấm hơn so với nhiệt độ thực của chúng và ảnh hởng đó
làm sai lệch thông tin ra. Thông thờng, mức độ ảnh hởng phụ thuộc vào dải quét,
khoảng cách giữa thiết bị tới đối tợng. Ví dụ: thông thờng nếu tín hiệu nhiệt đợc
thu ở độ cao thấp dới 300m thì nhiệt độ của vật đo đợc thờng cao hơn 2
0
so với
đo ở độ cao lớn hơn. Tất nhiên là điều kiện khí tợng có ảnh hởng lớn tới dạng và
biên độ của những ảnh hởng nhiệt do khí quyển. Mây và sơng mù là những yếu tố
làm che khuất những bức xạ nhiệt của mặt đất. Nếu trời trong, đới sol khí sẽ tạo nên
những ảnh hởng tới tín hiệu nhiệt. Bụi, các nguyên tử cacbon, khói, hơi nớc cũng
là những nhân tố ảnh hởng đến tín hiệu nhiệt độ đợc. Vì vậy, ảnh hởng của khí
quyển là rất đa dạng, tùy thuộc vào độ cao, thời gian và điều kiện thời tiết của khu
vực. Tuy nhiên, những ảnh hởng của khí quyển thờng không đợc để ý tới. Trong
kỹ thuật xử lý ảnh có nhiều phơng pháp xử lý loại bỏ các nhiễu của khí quyển.
Tơng tác nhiệt với các yếu tố địa hình
Trong viễn thám nhiệt, thông số đợc quan tâm đến nhiều nhất là bức xạ nhiệt
từ các đối tợng trên địa hình. Tuy nhiên, bức xạ nhiệt từ một đối tợng là kết quả
tơng tác với năng lợng rơi vào nó (ở đây cha xét đến các nguồn nhiệt truyền dẫn
trực tiếp từ các đối tợng ở xung quanh đến đối tợng).
Khi một nguồn năng lợng rơi vào đối tợng, có sự tơng tác nh sau:
EI = EA + ER + ET
trong đó: EI- năng lợng rơi vào các yếu tố địa hình;
EA - phần năng lợng hấp thụ bởi các yếu tố địa hình;
ER - phần năng lợng phản xạ bởi các yếu tố địa hình;
ET - phần năng lợng truyền qua các yếu tố địa hình.
Nếu biến đổi công thức trên bằng cách chia cho EI, ta có:

E

I
ET
E
I
ER
E
I
EA
EI ++=

nếu gọi: () =
E
I
EA
là hệ số hấp thụ nhiệt tại bớc sóng
()=
E
I
ER
là hệ số phản xạ nhiệt tại bớc sóng


76
()=
E
I
ET
là hệ số truyền nhiệt tại bớc sóng
ta có: 1 = () + () + ()
Một thành phần khác đợc xem xét đến là theo định luật phát xạ Kirch Hoff

(Kirch hoff radiation law) là: nếu độ phát xạ của một vật bằng độ hấp thụ của chúng
thì:
() = ()
Nh vậynếu một vật có khả năng hấp thụ tốt thì sẽ phát xạ tốt về nhiệt. Quy
luật Kirch Hoff dựa vào trạng thái cân bằng về nhiệt, khi đó:
() + () + () = 1
Trong điều kiện mờ đục thì () = 0, khi đó:
() - () =1
Trong trờng hợp này thì tổng sự phát xạ và phản xạ nhiệt của đối tợng là
không đổi nếu sự phản xạ thấp thì sự phát xạ sẽ cao. Một vật có sự phản xạ nhiệt
thấp thì sự phát xạ nhiệt sẽ cao. Ví dụ: nớc có sự phản xạ nhiệt rất yếu trong vùng
hồng ngoại nên sự phát xạ nhiệt lại tơng đối cao (1). Ngợc lại, thép lá có sự phản
xạ nhiệt rất cao thì độ phát xạ nhiệt lại rất yếu trong vùng phổ hồng ngoại (0,63-
0,7).
Sự phát xạ nhiệt của một đối tợng tuân theo quy luật Stefan- Boltzmal:
M= T
4
trong đó: M - năng lợng nhiệt phát xạ tại nhiệt độ T (w/m
2
);
- hệ số phát xạ nhiệt của vật chất;
- hằng số boltzman 5,6697 X 10
8
w .m
2
.K
-4
;
T - nhiệt độ (k).
Do đó, mặc dù bề mặt trái đất có nhiệt độ tơng đối giống nhau (khoảng 300

0
K) song sự phát xạ nhiệt lại rất khác nhau do các vật chất có hệ số phát xạ nhiệt
khác nhau.
Có thể biến đổi công thức thành:
T
ad
=
ẳ
T
kin
trong đó : T
Rad
- nhiệt độ phát xạ của vật chất;
T- nhiệt độ Kinetic (nhiệt độ bên trong);
- hệ số phát xạ nhiệt của vật chất.


77
Vì T
Rad
tỉ lệ với căn bậc 4 của T
Kin
nên nhiệt độ phát xạ của vật chất luôn nhỏ
hơn nhiệt độ bên trong của vật chất (nhiệt độ Kinetic) xem bảng 5 2.
Bảng 5.2: Các thông số về hệ số nhiệt của một số vật chất
Nhiệt độ Kinetic
(T
Kin
)
Nhiệt độ phát xạ

(T
Rad
=
ẳ
T
kin
)

Đối tợng

Độ phát xạ
K C K C
Vật đen 1,00 300 27 300 27
Thực vật 0,98 300 27 298,5 25,5
Đất ớt 0,95 300 27 286,2 23,2
Đất khô 0,92 300 27 293,8 20,8
Một điểm cần lu ý là: Các sensor sử dụng trong dải ngoại nhiệt có khả năng
phát hiện các bức xạ nhiệt từ bề mặt của các đối tợng trên mặt đất (bắt đầu từ
khoảng 5m). Nhiệt độ này có thể hoặc không thể hiện nhiệt độ bên trong của đối
tợng. Ví dụ, vào ban ngày với độ ẩm thấp thì nớc có nhiệt độ cao sẽ có tác dụng
giữ ẩm và làm lạnh bề mặt của nó, mặc dù trong khi với khối lợng lớn thì nớc có
thể giữ ấm ổn định hơn khi nó ở trên bề mặt một đối tợng. Đây là tính chất đáng
lu ý khi sử dụng và phân tích t liệu viễn thám.
5.3. Phơng pháp thu và đặc điểm ảnh hồng ngoại nhiệt
5.3.1. Cấu tạo v vận hnh của hệ thống quét hồng ngoại nhiệt


Bộ phận
Detector quét
Gơng quay

Khuyếch đại
Ghi băng
Ghi
phim
Hớng
bay
Gơng hội tụ
Bộ điều chỉnh
nguồn tia
Hình 5.3: Cơ chế thu ảnh nhiệt theo phơng pháp quét


78
Do các tín hiệu là thấp và chịu ảnh hởng của nhiều yếu tố môi trờng nên
phơng pháp thu ảnh nhiệt đợc áp dụng là phơng pháp quét với các sensor nhiệt,
có trờng nhìn tức thời( IFOV) lớn.
Cấu tạo của hệ thống tạo ảnh hồng ngoại nhiệt bao gồm (hình 5.3):
- Sensor nhiệt: hệ thống này có trờng nhìn tức thời rộng.Các tín hiệu do thiết
bị thu thờng phải đợc khuyếch đại lên nhiều lần trớc khi ghi lại thành hình ảnh.
- Hệ thống quét cơ quang học hoạt động theo nguyên tắc quét ngang theo đờng
vuông góc với đờng bay.
- Hệ thống tạo ảnh: tín hiệu do sensor thu, sau khi đợc khuyếch đại sẽ đợc
ghi lại thành dạng hình ảnh theo cơ chế 8 bit.
Trên hình 5.3 minh họa qui trình ghi phổ của máy quét đa phổ ngang mô
phỏng cả quá trình thu năng lợng phổ từ đất đến giai đoạn ghi lại tín hiệu điện từ
trong tape. Khi năng lợng phản xạ, phát xạ từ mặt đất tới gơng quay sẽ đi qua một
thấu kính và bộ tách phổ lỡng sắc chia phổ ra làm hai phần chính: 1- các dải phổ từ
cực tím (UV), nhìn thấy, và hồng ngoại gần sẽ đợc dẫn qua một lăng kính và tại đó
sẽ có các đầu ghi phổ theo các kênh phổ nhỏ hẹp ghi nhận chúng; 2- phần phổ nhiệt
(Thermal) sau khi đi qua bộ cách lỡng sóng sẽ tiếp tục đợc các bộ cảm nhiệt ghi

lại tín hiệu trên các kênh nhiệt khác nhau. Các tín hiệu phổ đợc chuyển đổi sang tín
hiệu điện từ và khuyếch đại ghi lại trên băng từ. Trong thực tế có bộ ghi phổ đạt đến
hàng trăm kênh phổ khác nhau.
Bộ quét phổ theo chiều vuông góc với hớng bay, thu ảnh trên dải sóng nhiệt,
do có sự ảnh hởng của quyển khí, nên vận hành trong dải sóng từ 3- 5 m hoặc
trên cửa số sóng nhiệt 8-14 m. Các bộ ghi nhận phổ (detectors) quantum hoặc
photon đợc xử dụng cho mục đích ghi phổ này vì nó có tốc độ rất nhanh (<1sec).
Chúng hoạt động theo nguyên lý tơng tác trực tiếp giữa photons của phát xạ tới và
mức năng lợng điện tích của vật liệu các đầu ghi phổ. Để có độ nhạy cảm lớn, các
đầu ghi phổ đợc làm lạnh tới nhiệt độ tuyệt đối 0 nhằm loại trừ khả năng phát xạ
của chính đầu ghi phổ. Thông thờng, đầu ghi phổ đợc bao quanh thiết bị hai lớp
đợc làm lạnh tại 77
0
K. Hệ ghi phổ hiện nay có độ phân giải nhiệt độ là 0,1
o
C . Các
thông số về khoảng nhạy phổ của hệ máy đo phổ kênh nhiệt đợc ghi nhận trong
bảng 3.2. Hình 3.21. minh họa sơ đồ qui trình vận hành cơ bản một hệ quét nhiệt.


79
Lăng kính
Con cách
lỡng sắc
Bộ ghi phổ
Thấu kính
Năng lợng từ mặt đất
Ghi băng
b - Sơ bộ thu ghi tín hiệu
Đờng

bay
a - Đờng quét tạo ra khi bay
Hình 5.4. Nguyên tắc vận hành một hệ quét đa phổ ngang:
a- sơ đồ thu và ghi tín hiệu. b- đờng quét tạo ra khi bay
(Theo Thomas) M. lillesand và Ralph W. Kiefer, 1999)
Bảng 3.2: Đặc tính của máy đo phổ Photons thờng dùng
Kiểu Tên
Khoảng phổ hữu ích
( m)
Thủy ngân - Germani Ge:Hg 3-14
Indi-antimon InSb 3-5
Thủy ngân-Carmi-Telluarit
HbCdTe (MTT)
hay ba kim loại
8-14
Trong bộ ghi phổ kênh nhiệt quét ngang, năng lợng từ mặt đất đợc gơng
quét chiếu sang thấu kính quét. Tại đây, năng lợng đợc đầu ghi phổ nhiệt của các
kênh có các bớc sóng khác nhau ghi nhận và chuyển từ tín hiệu nhiệt sang tín hiệu
điện. Tín hiệu điện truyền qua máy khuyếch đại và đợc ghi trong băng từ sau khi
đã chuyển đổi từ dạng tơng tự sang dạng số.
5.3.2.Đặc điểm của ảnh hồng ngoại nhiệt
-Phân giải không gian và diện phủ mặt đất
Thông thờng, ảnh quét đa phổ ngang đợc ghi nhận trên cao độ từ 300-12000
mét. Bảng 3.2. liệt kê độ phân giải không gian và diện phủ trên các độ cao khác


80
nhau khi sử dụng hệ quét có các giá trị trờng nhìn 90
o
và góc IFOV là 2,5 mili

radian.
Độ phân giải không gian D đợc tính theo công thức:
D = H'
Độ rộng của đờng quét W đợc tính theo công thức:
W = 2H' tan
trong đó: H' là cao độ bay, là nửa giá trị của góc trờng nhìn của hệ quét.
Rất nhiều biến dạng hình học của quét đa phổ ngang gây ra và có thể giảm
thiểu khi ta phân tích vùng gần tâm của vệt quét. Nhiều biến dạng hình học có thể
loại bỏ đợc bằng phơng pháp toán học, tuy nhiên, hiệu ứng biến dạng hình học
gây khó khăn cho việc giải quyết chọn vẹn hiện tợng này (hình 3.22).












Năng lợng nhiệt từ mặt đất
Thiết bị điện
tử
- Tín hiệu điện
Đầu ghi phổ nhiệt
Gơng quét
Thấu kính quét
Bộ khuyếch đại

Ghi vo
Motor
quay
Hình 5.5. Sơ đồ bộ ghi phổ kênh nhiệt theo nguyên tắc quét ngang

Bảng 3.3: Độ phân giải mặt đất tại tâm (Nadir) và độ rộng của đờng quét cho các cao độ
khác nhau của một hệ quét đa phổ có góc 90
o
và trờng nhìn tổng là 2,5 mili radian IFOV.
Độ cao Cao độ bay (m) Độ phân giải tại
Nadir (m)
Độ rộng đờng quét (m)
Thấp 300 0.75 600
Trung bình 6000 15 12000
Cao 12000 30 24 000


81
- Biến dạng tiếp tuyến - tỷ lệ
V
ận tốc góc không đổi
Hình 5.6. Sự thay đổi của các phần tử phân dải mặt đất theo vận tốc thẳng
ảnh ghi nhận bởi hệ quét đa phổ ngang cha đợc nắn sẽ bị biến dạng hình
học, đặc biệt trên đờng vuông góc với hớng bay.
Trên hình 3.23 ta thấy rõ rằng cứ sau một khoảng tăng thời gian, gơng quay
sẽ quét đi một góc không đổi vì vận tốc góc của gơng quay là không đổi. Hiện
tợng này gọi là biến đổi hình học ảnh kiểu tỷ lệ tiếp tuyến. Tỷ lệ ảnh sẽ thay đổi
chỉ theo phơng vuông góc với hớng bay và không thay đổi theo hớng bay.

Hớng bay

Hình 5.7. Biến dạng của ảnh cha nắn: a, ảnh chụp vuông góc. b, ảnh chụp ngang.

Điều này cho thấy, hình đúng của đối tợng trên mặt đất sẽ là mặt cong dới
máy bay. Trên hình 3.24. minh họa hai sự biến dạng của một cảnh chụp trong đó a-
ảnh chụp vuông góc theo giả thuyết- không biến dạng, và b- ảnh bị biến dạng tỷ lệ
theo chiều ngang. Những biến dạng hình học này đợc nắn chỉnh theo phơng pháp
toán học liên quan đến sự tơng quan của góc nhìn.
-Thay đổi kích thớc của pixel phân giải


82
Trong quét ngang, kích thớc của điểm ảnh sẽ tăng dần khi xa đờng tâm ảnh
nadir. Tại tâm nadir, độ phân giải mặt đất của đơn vị ảnh đợc tính bằng kích thớc
thật của pixel ảnh, nh vậy là, phụ thuộc vào góc , cao độ bay H' và góc quay .
Thông thờng, độ phân giải tại rìa ảnh sẽ lớn gấp 3 đến 4 lần độ phân giải của điểm
ảnh tại đờng tâm. Tín hiệu đầu ra của máy tại bất kỳ điểm nào thể hiện phổ tổng
hợp của tất cả các đối tợng không gian trong phạm vi pixel ảnh mặt đất. Bởi lẽ,
kích thớc của điểm ảnh sẽ tăng dần theo hớng từ nadir ra rìa ảnh, chỉ có đối tợng
không gian lớn hơn diện tích nhìn thấy bởi IFOV đợc ghi nhận chính xác. Đối với
một vật đợc ghi nhận với một nhiệt độ sáng, thì kích thớc của vật đó phải lớn hơn
độ phân giải mặt đất.
Hình 5.8. Biến dạng địa hình trên một ảnh chụp và một ảnh quét đa phổ. a- trên m
ộ
t ảnh má
y
ba
y

chụp phim, các đối tợng không gian biến dạng khi đi xa tâm ảnh; b-trên ảnh quét đa phổ n
g

an
g
,
các đối tợng không gian biến dạng theo một góc vuông góc với đờng tâm.
Biến dạng địa hình theo một chiều
Hình 5.9 minh họa biến dạng địa hình do quét phổ ngang gây ra. Biến dạng địa
hình chỉ ra theo một hớng. Biến dạng này là do khi đo phổ từ máy bay và có tính
chất đều theo một hớng nghiêng.
-Biến dạng thông số bay
Hớn
g
ba
y
Hình 5.9. Biến dạng của một ảnh quét gây ra bới các yếu tố khác nhau. a-cảnh trên mặt
đất, b- ảnh quét, c- biến dạng do quay, d- biến dạng do đẩy, e- biến dạng do chao
Hớng
bay


83
Trên thực tế có rất nhiều yếu tố ảnh hởng đến sự biến dạng các thông số bay,
kết quả là hình ảnh bị méo và lệch theo nhiều hình thức khác nhau.
Tóm lại, ảnh nhiệt có các đặc điểm chính nh sau :
Rất hay bị méo do ảnh hởng của các yếu tố môi trờng nh : gió. ma,
mây, thực vật (hình 5.4).

Hình 5.10: ảnh nhiệt và hiện tợng méo hình học
Rất khác nhau giữa ảnh ban ngày và ban đêm phụ thuộc vào mô hình nhiệt
của các vật chất khác nhau.
Nhiệt độ cực đại, tốc độ nóng lên hoặc lạnh đi của một đối tợng phụ thuộc

vào thành phần vật chất và trạng thái của đối tợng. Ví dụ: nớc có cực đại và cực
tiểu (giá trị tuyệt đối) nhỏ hơn và thời điểm xuất hiện cực đại cực tiểu cũng chậm
hơn 1- 2 giờ so với các đối tợng khác, do đó thông thờng nhiệt độ của địa hình
thờng cao hơn vào ban ngày, song lại thấp hơn vào ban đêm so với nhiệt độ của
nớc. Sự chênh lệch về nhiệt của vật chất giữa ngày và đêm gọi là quán tính nhiệt
của vật chất , ký hiệu là P( xem hình 5.2 ).Trên đồ thị của hình 5.2,vị trí giao nhau
giữa các đờng cong là vị trí mà ở đó nhiệt độ của mọi vật giống nhau.
5.4. Phân tích ảnh quét nhiệt
5.4.1.Phân tích các trờng nhiệt
ảnh nhiệt có thể phục vụ rất hiệu quả cho các lĩnh vực nghiên cứu sau:


84
Nghiên cứu xác định một số loại đá và cấu trúc địa chất đặc biệt, xác định vị trí
các đứt gãy, lập bản đồ các loại đất, xác định vị trí các điểm thất thoát nớc trong
kênh tới tiên, xác định tính chất nhiệt của núi lửa; nghiên cứu sự bốc hơn nớc của
thực vật; xác định các nguồn nớc lạnh hoặc nớc nóng hoặc các nguồn greize
(nguồn nớc và hơi nóng). Ngoài ra , ảnh nhiệt còn ứng dụng trong các nghiên cứu
khác về môi trờng nh : xác định phạm vi dẫn và đặc điểm của các nguồn nớc
nóng ra sông hồ, nghiên cứu các đặc điểm nhiệt và dòng chảy trong môi trờng
nớc hồ nớc biển, xác định quy mô hoạt động của các đám cháy rừng, xác định vị
trí cháy ngầm trong vùng chôn lấp hoặc trong các hầm, mỏ than.

Hình 5.11: ảnh hồng ngoại nhiệt của một khu vực công nghiệp.
Các vùng sáng là có nguồn nớc thải với nhiệt độ cao.

Hình 5.12: ảnh nhiệt của một vùng vịnh và bản đồ phân bố trờng nhiệt mặt


Hiện nay một trong những ứng dụng phổ biến của ảnh hồng ngoại là xác định

nhiệt độ mặt nớc biển (SST-Sea Surface Temperature), nhiệt độ của các đám mây
ể


85
Một trong những yêu cầu của nghiên cứu ảnh nhiệt là cần phải có ảnh chụp trong
nhiều thời gian, cả ngày lẫn đêm, đặc biệt là cần có ảnh vào thời điểm mà nêu đợc tối
đa đặc điểm nhiệt của đối tợng, tốt nhất là có ảnh trong suốt 24 giờ của 1 ngày.
Đặc điểm phát nhiệt của một số vật chất qua một ngày đêm nh sau: khi mặt
trời lặn, nhiệt độ của vật chất đều giảm đi đến cực tiểu. Sau khi mặt trời mọc, nhiệt
độ lại tăng lên đến cực trị vào khoảng từ 12 đến 16 giờ. Cực tiểu nhiệt độ xuất hiện
trong khoảng từ 3 - 5 giờ sáng.
ảnh chụp
lúc 14 h 30
( chiều )
a
b
ảnh chụp lúc
21 h30 (tối )
Hình 5.13: ảnh nhiệt của một khu vực ghi nhận vào các thời gian khác nhau


Hình 5.14. ảnh nhiệt của một núi lửa đang hoạt động ( ảnh
trên ) và ảnh chụp một biệt thự vào ban đêm ( ảnh dới )


86
5.4.2. Xác định nhiệt độ thực của vật chất dựa theo ảnh viễn thám:
Thông qua t liệu viễn thám, có thể xác định nhiệt độ thực ở bên ngoài của vật chất
dựa theo công thức sau :

DN = A + B x x T
4
từ đó suy ra T là nhiệt độ thực của bề mặt vật chất :
4/1







=

B
ADN
T
trong đó: DN: Giá trị số của ảnh viễn thám
A; B: Các giá trị hiệu chỉnh bức xạ của đối tợng so với vật đen tuyệt đối
: Hệ số phát xạ nhiệt của vật
Nh vậy các giá trị nhiệt độ xác định đợc trên t liệu viễn thám thờng là nhiệt
độ chói (Brightness temperature), muốn xác định nhiệt độ thật của vật chất ta phải
tính toán thêm các thông số hiệu chỉnh liên quan đến môi trờng của từng vị trí cụ
thể. Các thông số về nhiệt độ nh : nhiệt độ đỉnh mây, nhiệt độ bề mặt đất, nhiệt độ
bề mặt nớc biển có thể xác định đợc thông qua phân tích t liệu viễn thám hồng
ngoại nhiệt.
Tóm lại
Khi nghiên cứu phân tích ảnh hồng ngoại nhiệt thu đợc bằng phơng pháp
quét, cần lu ý một số điểm chính nh sau:
- ảnh nhiệt thờng là ảnh đen trắng và trên đó, tone ảnh sáng là nhng vùng
có nhiệt độ cao, tone ảnh tối đen là những vùng có nhiệt độ thấp.

- Có thể tạo ảnh màu giả cho ảnh hồng ngoại. Các vùng có nhiệt độ cao
thờng đợc gắn màu nóng là màu đỏ và các vùng có nhiệt độ thấp đợc gắn màu
lạnh là màu xanh.
- Để phân tích ảnh nhiệt độ một cách chính xác cần có ảnh thu đợc trong cả
ngày và đêm cho một vùng.
- Nhiệt độ phân tích đợc là nhiệt độ bên ngoài bề mặt đối tợng chứ không
phải nhiệt độ bên trong của vật hoặc đối tợng.
- ảnh nhiệt thờng bị nhiễu do ảnh hởng của khí quyển. Ngoài ra độ méo
hình học của ảnh quét nhiệt là khá lớn, do đó việc hiệu chỉnh hình học là rất cần
thiết trong xử lý ảnh nhiệt.


87
- Trong nghiên cứu, ảnh nhiệt cung cấp những thông tin về tính chất nhiệt
một cách tơng đối và là nhiệt độ chói. Muốn xác định chính xác nhiệt độ của các
đối tợng phải có những quan trắc chi tiết và so sánh với tài liệu đo đạc thực tế.
ảnh nhiệt còn ít đợc sử dụng ở Việt Nam do sự hạn chế về t liệu, hoặc cha
đợc phổ biến rộng rãi. Hiện nay một nguồn t liệu ảnh nhiệt rất phong phú có thể
khai thác dợc là t liệu ảnh NOAA - AVHRR, MODIS, FY tại một số trạm thu đã
có tại Việt Nam.

Hình 5.10: Đám cháy ở Kiên Giang ngày 19/11/2002 và kết quả phân
tích phát hiện các điểm cháy rừng từ ảnh MODIS.


88