ứng dụng viễn thám trong nghiên cứu địa chất

bộ giáo dục và đào tạo
trờng đại học mỏ địa chất
Bài giảng
ứng dụng kỹ thuật viễn thám trong nghiên cứu địa chất
Tác giả: Pts. Nguyễn Đình Dơng
Hà Nội 1994
Lời nói đầu.
Bài giảng ứng dụng phơng pháp viễn thám trong nghiên cứu địa chất
đợc biên soạn để giảng dạy trong 30 tiết. Trong khuôn khổ thời gian eo
hẹp nh vậy khó có thể trình bày hết đợc những điểm cơ bản của công
nghệ viễn thám, một công nghệ phát triển mạnh mẽ đa dạng về nội dung
kỹ thuật cũng nh các lĩnh vực ứng dụng. Ngời viết tuy đã cố gắng đa vào
những gì đợc coi là trọng tâm nhất nhng chắc hẳn không tránh khỏi
những thiếu sót nhất định. Phần lớn những từ vựng chuyên môn của viễn
thám đợc sử dụng theo anh ngữ ( đã đợc quốc tế hoá ) và ở nớc ta do việc
xây dựng hệ thống từ vựng chuyên môn cho bộ môn viễn thám cha đợc
thực hiện vì thế việc chuyển dịch các từ chuyên môn tiếng anh sang tiếng
việt chắc rằng có nhiều sơ xuất, tác giả rất mong sự thông cảm của các
bạn đồng nghiệp và mong nhận đợc những góp ý chân thành nhằm hoàn
thiện bài giảng này tốt hơn. Tác giả xin cám ơn Trờng đại học Mỏ-Địa
chất đã tạo điều kiện cho tác giả đợc tham gia giảng dạy môn học này tại
trờng.
2
mục lục
1. tổng quan về kỹ thuật viễn thám
2. Cơ sở của viễn thám
2.1 Một số khái niệm cơ bản
2.2 Bức xạ điện từ
2.3 Phân loại viễn thám theo bớc sóng 10
3. bộ cảm 10
3.1 Phân loại bộ cảm 10

3.2 Máy chụp ảnh 11
3.3 Máy quét quang cơ 12
3.4 Máy quét điện tử CCD 13
3.5 Phổ kế tạo ảnh 14
4. viễn thám siêu cao tần 14
4.1 Nguyên lý cơ bản của viễn thám siêu cao tần 14
4.2 Bức xạ siêu cao tần và sự suy giảm của nó 15
4.3 Tán xạ bề mặt 16
4.4 tán xạ trong lòng vật chất 17
4.5 An ten và những tính chất cơ bản của chúng 17
5. Các bộ cảm sử dụng trong viễn thám siêu cao tần 18
5.1 Các loại bộ cảm siêu cao tần 18
5.2 Ra đa cửa mở thực 19
5.3 Ra đa cửa mở tổng hợp 19
5.4 Cơ sở hình học của ảnh ra đa và một số tính chất của chúng 20
5.5 Bức xạ kế và tán xạ kế siêu cao tần 20
6. Vật mang và qũy đạo bay 21
6.1 Phân loại vật mang 21
6.2 Chuyển động của vật mang trong khí quyển và sự ổn định của
chúng 22
6.3 Quỹ đạo bay và các thông số cơ bản 23
6.4 Các vật mang quỹ đạo cực 23
7. các vệ tinh viễn thám 24
7.1 LANDSAT 24
7.2 SPOT 25
7.3 Các vật mang quỹ đạo cực 25
8. t liệu sử dụng trong viễn thám 26
8.1 T liệu số 26
8.2 Các tính chất của t liệu số 26
8.3 Các khuôn dạng t liệu số trong viễn thám 27

8.4 Số liệu mặt đỗt 28
8.5 Số liệu định vị mặt đỗt 29
8.6 Bản đồ và số liệu địa hình 29
8.7 Truyền và thu số liệu vệ tinh 31
3
9. giải đoán ảnh 31
9.1 Tách thông tin trong viễn thám 31
9.2 Giải đoán ảnh 33
9.3 Lập thể học 33
9.4 Các yếu tố giải đoán ảnh và khoá giải đoán 34
9.5 Thành lập bản đồ chuyên đề 38
10. các hệ xử lý ảnh 39
10.1 Vấn đề xử lý ảnh trong viễn thám 39
10.2 Các hệ nhập ảnh 41
10.3 Các hệ hiện ảnh 42
10.4 Các hệ sao chép cứng 43
10.5 Lu trữ t liệu ảnh 44
11. hiệu chỉnh ảnh 46
11.1 Hiệu chỉnh bức xạ 46
11.2 Hiệu chỉnh khí quyển 47
11.3 Hiệu chỉnh hình học 48
11.4 Phép chiếu bản đồ 50
12. chuyển đổi ảnh 50
12.1 Tăng cờng chất lợng và chiết tách đặc tính 50
12.2 Biến đổi cấp độ xám 51
12.3 Thể hiện màu t liệu ảnh 51
12.4 Các phép biến đổi giữa các ảnh 52
12.5 Phân tích thành phần chính 53
12.6 Lọc không gian 54
12.7 Phân tích cấu trúc 55

13. phân loại đa phổ 56
13.1 Các kỹ thuật phân loại 56
13.2 Xác định các chỉ số thống kê 57
13.3 Ghép nhóm 58
13.4 Phân loại hình hộp 59
13.5 Phân loại theo cây quyết đứnh 59
13.6 Phân loại khoảng cách ngắn nhất 60
13.7 Phân loại xác suất cực đại 61
14. ứng dụng phơng pháp viễn thám trong điều tra và quản lý tài nguyên
62
14.1 Phân loại lớp phủ bề mặt 62
14.2 Phát hiện biến động lớp phủ bề mặt 63
14.3 Theo dõi chất lợng nớc 63
14.4 Tách các yếu tố tuyến tính 64
14.5 ứng dụng t liệu viễn thám trong nghiên cứu địa chất 65
PHụ lục 67
hình vẽ 68
4
1. tổng quan về kỹ thuật viễn thám
Viễn thám - tiếng Anh Remote Sensing, tiếng Pháp La Teledetection -
có thể đợc định nghĩa nh một phơng thức thu nhận thông tin về các đối t-
ợng từ một khoảng cách nhất định, không có những tiếp xúc trực tiếp với
chúng. Các thông tin thu đợc là kết quả của việc giải mã hoặc đo đạc
những biến đổi mà đối tơng tác động tới môi trờng xung quanh nh trờng
điện từ, trờng âm thanh hoặc trờng hấp dẫn. Tuy vậy khái niệm viễn thám
vẫn đợc hiểu nhiều nhất từ góc độ của kỹ thuật điện từ, nó bao trùm mọi
giải phổ của sóng điện từ từ sóng radio tần số thấp cho đến sóng siêu cao
tần, sóng hồng ngoại xa, hồng ngoại gần, sóng nhìn thấy, tia cực tím, tia x
và tia gama.
Sự phát triển của viễn thám gắn liền với sự phát triển của chụp ảnh.

Bức ảnh đầu tiên đợc chụp vào năm 1839, năm 1849 Aime Laussedat đã
khởi đầu một chơng trình sử dụng ảnh cho mục đích thành lập bản đồ địa
hình. Năm 1858 ngời ta đã bắt đầu sử dụng khinh khí cầu để chụp ảnh từ
trên không. Sự phát triển của ngành hàng không đã cung cấp cho việc
chụp ảnh từ trên không những công cụ tuyệt vời trong việc chụp ảnh
những vùng chọn lựa và có điều khiển. Những bức ảnh đầu tiên chụp từ
máy bay đã đợc Wilbur Wright thực hiện năm 1909 trên vùng Centocalli,
Italia.
Vào giữa những năm 1930 ngời ta đã có thể chụp ảnh màu và đồng
thời bắt đầu thực hiện nhiều cuộc nghiên cứu nhằm tạo ra các lớp cảm
quang nhạy với bức xạ gần hồng ngoại có tác dụng hữu hiệu trong việc
loại bỏ ảnh hởng tán xạ và mù khí quyển. Trong chiến tranh thế giới thứ
hai, những cuộc thử nghiệm nghiên cứu các tính chất phản xạ phổ của bề
mặt địa hình và chế thử các lớp cảm quang cho việc chụp ảnh màu hồng
ngoại đã đợc tiến hành. Dựa trên thành tựu này một kỹ thuật mới - kỹ
thuật do thám hàng không đã đợc xây dựng.
Vào năm 1956, ngời ta đã tiến hành một số cuộc bay chụp nhằm thử
nghiệm khả năng của ảnh máy bay trong việc phân loại và phát hiện các
kiểu thực vật. Vào đầu những năm 1960 nhiều cuộc thử nghiệm về ứng
dụng ảnh hồng ngoại màu và ảnh đa phổ đã đợc tiến hành dới sự bảo trợ
của cơ quan hàng không vũ trụ quốc gia Hoa kỳ. Những thành công trong
lĩnh vực này đã đa đến sự phóng vệ tinh Landsat vào những năm 1970. Sự
ứng dụng vệ tinh nhân tạo đã mang đến khả năng thu nhận thông tin có
tính toàn cầu về các hành tinh trong đó có cả trái đất và môi trờng xung
quang chúng. Những bộ cảm đặt trên vệ tinh nhân tạo trái đất cung cấp
thông tin có tính toàn cục về động thái của các tầng mây, lớp phủ thực
vật, cấu trúc địa mạo, nhiệt độ và gió trên bề mặt đại dơng. Do tốc độ di
chuyển nhanh chóng, độ chùm phủ không gian của vệ tinh rất lớn nên
việc theo dõi động thái của nhiều hiện tợng, đặc biệt là các hiện tợng xảy
5

ra trong khí quyển đợc thực hiện vô cùng thuận lợi. Sự tồn tại tơng đối lâu
của vệ tinh trên quỹ đạo cũng nh khả năng lặp lại đờng bay của nó cho
phép theo dõi những biến đổi theo mùa, theo chu kỳ năm hoặc lâu hơn
diễn biến phát triển của các đối tợng nh lớp băng vùng cực, sự phát triển
của xa mạc và nạn phá rừng nhiệt đới
Hiện nay t liệu viễn thám vệ tinh đợc sử dụng nhiều nhất là của các
vệ tinh khí tợng và vệ tinh tài nguyên. Vệ tinh NOAA đợc phóng lần đầu
tiên lên quỹ đạo năm 1978 và đã cung cấp ảnh theo chế độ cập nhật với
độ phân giải không gian 1.1 km tại điểm ngay dới vệ tinh. Từ năm 1972
đến nay Hoa Kỳ đã phóng 5 vệ tinh tài nguyên. Hai vệ tinh đầu trang bị
bộ cảm đa phổ 4 kênh MSS với độ phân giải 80 m. Một kênh hồng ngoại
với độ phân giải 240 m đã đợc bổ xung thêm cho bộ cảm MSS trên vệ tinh
Landsat 3. Ngoài t liệu MSS vệ tinh Landsat 4 và 5 còn cung cấp thêm
một loại t liệu mới là TM với 7 kênh phổ và độ phân giải không gian là 30
m đối với giải sóng nhìn thấy và 120 m cho giải sóng hồng ngoại nhiệt.
Pháp cũng đã phóng vệ tinh SPOT năm 1985 với bộ cảm HRV trên 3 kênh
phổ có độ phân giải 20 m và một kênh toàn sắc có độ phân giải 10 m.
Năm 1988 Nhật Bản cũng đã phóng vệ tinh quan sát biển MOS-1. Vệ
tinh này trang bị bộ cảm MESSR với một số thông số kỹ thuật tơng đơng
với MSS. Độ phân giải không gian đợc nâng lên thành 50 m. ấn Độ cũng
đã phóng thành công vệ tinh tài nguyên của mình với một bộ cảm có các
tính năng kỹ thuật tơng đơng với MSS.
Liên Xô trớc đây cũng là một cờng quốc trong lĩnh vực viễn thám.
Công nghệ chủ yếu của họ dựa trên các bộ cảm tơng tự dùng phim chứ
không sử dụng các hệ thống quang điện tử. Những t liệu dạng này có độ
phân giải không gian cao nhng kém về độ phân giải phổ.
Trong vùng sóng dài của sóng điên từ, các hệ thống siêu cao tần chủ
động Ra đa đã đợc thiết kế và sử dụng từ đầu thế kỷ này. Đầu tiên ngời ta
sử dụng chúng để theo dõi và phát hiện các vật thể chuyển động, nghiên
cứu tầng ion. Trong chiến tranh thế giới thứ hai kỹ thuật ra đa đã đợc phát

triển mạnh mẽ. Ngày nay sự ứng dụng của nó trong lĩnh vực thăm dò tài
nguyên đã trở nên rất đa dạng và phong phú. Ngời ta đã sử dụng nhiều hệ
thống ra đa khác nhau để nghiên cứu đại dơng, khí quyển, các cấu trúc
trên bề mặt và gần bề mặt của vỏ trái đất Các hệ thống ra đa rất đa dạng
và phong phú từ các loại dùng để đo độ cao, nhiệt độ cho đến các loại tán
xạ kế tạo ảnh nghiên cứu tài nguyên.
Khoảng giữa những năm 1950 ngời ta tập trung nghiên cứu ra đa có
cửa mở thực. Cùng trong thời gian đó công việc nghiên cứu ra đa có cửa
mở tổng hợp cũng đợc xúc tiến. Các hệ thống này có kích thớc nhỏ hơn
nhiều so với hệ thống có cửa mở thực và cho phép thu đợc các ảnh có độ
phân giải cao.
6
Tia la ze cũng đã bắt đầu đợc ứng dụng trong viễn thám. Hiện nay nó
đợc ứng dụng chủ yếu cho các mục đích nghiên cứu khí quyển, làm bản
đồ địa hình và nghiên cứu lớp phủ bề mặt bằng hiệu ứng huỳnh quang.
Nhiều bộ cảm hiện đại đang đợc đầu t nghiên cứu và phát triển trong số
đó phải kể đến phổ kế tạo ảnh. Phổ kế tạo ảnh cho phép nâng số kênh phổ
lên hàng trăm kênh khác nhau. Tổ chức EOS dự định phóng vệ tinh mang
bộ cảm MODIS có 100 kênh và HIRIS có 200 kênh lên quỹ đạo vào
khoảng giữa những năm 1990.
2. Cơ sở của viễn thám
2.1 Một số khái niệm cơ bản
Viễn thám đợc định nghĩa nh một khoa học và công nghệ mà nhờ nó
các tính chất của vật thể quan sát đợc xác định, đo đạc hoặc phân tích mà
không cần tiếp xúc trực tiếp với chúng.
Sóng điện từ hoặc đợc phản xạ hoặc đợc bức xạ từ vật thể thờng là
nguồn t liệu chủ yếu trong viễn thám. Tuy nhiên những dạng năng lợng
khác nh từ trờng, trọng trờng cũng có thể đợc sử dụng.
Một thiết bị dùng để cảm nhận sóng điện từ phản xạ hay bức xạ từ
vật thể đợc gọi là bộ viễn cảm (remote sensor) thờng gọi tắt là bộ cảm.

Các buồng chụp ảnh hoặc máy quét là những ví dụ về bộ viễn cảm.
Một phơng tiện dùng mang các bộ cảm đợc gọi là vật mang
(platform). Máy bay hoặc vệ tinh là những ví dụ về vật mang.
Thuật từ viễn thám đợc sử dụng đầu tiên ở Mỹ vào những năm 1960 bao
hàm cả các lĩnh vực nh đo ảnh, giải đoán ảnh, địa chất ảnh .
Các tính chất của vật thể có thể đợc xác định thông qua các năng l-
ợng bức xạ hoặc phản xạ từ vật thể. Viễn thám là một công nghệ nhằm
xác định và nhận biết đối tợng hoặc các điều kiện môi trờng thông qua
những đặc trng riêng về phản xạ và bức xạ.
Trên hình 1 là sơ đồ nguyên lý thu nhận t liệu viễn thám và những
trình tự công nghệ cơ bản đợc sử dụng trong viễn thám.
2.2 Bức xạ điện từ
Bức xạ điện từ truyền năng lợng điện từ trên cơ sở các dao động của
trờng điện từ trong không gian hoặc trong lòng các vật chất. Quá trình
lan truyền của sóng điện từ tuân theo định luật Maxwell. Bức xạ điện từ
có các tính chất sóng và hạt.
Tính chất sóng đợc xác định bởi bớc sóng, tần số và tốc độ lan
truyền. Tính chất hạt đợc mô tả theo các tính chất của quang lợng tử hay
photon. Bức xạ điện từ có bốn tính chất cơ bản đó là tần số hay bớc sóng,
7
hớng lan truyền, biên độ và mặt phân cực. Trên hình 2 là một số khái
niệm cơ bản của bức xạ điện từ và các thông tin có thể nhận biết đợc
thông qua những tính chất của nó. Bốn thuộc tính cơ bản của bức xạ điện
từ liên quan tới các nội dung thông tin khác nhau. Ví dụ tần số hay bớc
sóng liên quan tới màu sắc. Hình dạng của vật thể dẫn tới sự phân cực
khác nhau
Tất cả các vật thể đều phản xạ, hấp thụ, phân tách và bức xạ sóng
điện bằng các cách thức khác nhau và các đặc trng này thờng đợc gọi là
đặc trng phổ.
Các giải sóng điện từ đợc đặt tên khác nhau bắt đầu từ tia gama, tia

X, tia cực tím, sóng nhìn thấy, tia hồng ngoại và sóng vô tuyến. Trên hình
3 là bảng phân loại sóng điện từ và các kênh phổ sử dụng trong viễn
thám. Nhìn chung giải phổ sử dụng trong viễn thám bắt đầu từ vùng cực
tím ( 0.3 - 0.4 micro mét ), sóng ánh sáng ( 0.4 - 0.7 micro mét ), gần
sóng ngắn và hồng ngoại nhiệt Các sóng hồng ngoại ngắn mới đây đợc sử
dụng rộng rãi trong phân loại thạch học. Sóng hồng ngoại nhiệt đợc sử
dụng trong đo nhiệt, sóng micro mét đợc sử dụng trong kỹ thuật ra đa.
2.3 Phân loại viễn thám theo bớc sóng
Viễn thám có thể đợc phân thành ba loại cơ bản theo bớc sóng sử
dụng:
a/ Viễn thám trong giải sóng nhìn thấy và hồng ngoại
b/ Viễn thám hồng ngoại nhiệt
c/ Viễn thám siêu cao tần
Trên hình 3 là sơ đồ phân loại viễn thám theo bớc sóng.
Nguồn năng lợng chính sử dụng trong nhóm a là bức xạ mặt trời. Mặt
trời cung cấp một bức xạ có bớc sóng u thế ở 0.5 micro mét. T liệu viễn
thám thu đợc trong giải sóng nhìn thấy phụ thuộc chủ yếu vào sự phản xạ
từ bề mặt vật thể và bề mặt trái đất. Vì vậy các thông tin về vật thể có thể
đợc xác định từ các phổ phản xạ. Tuy nhiên ra đa sử dụng tia la ze là tr-
ờng hợp ngoại lệ không sử dụng năng lợng mặt trời.
Nguồn năng lợng sử dụng trong nhóm b là bức xạ nhiệt do chính vật
thể sản sinh ra. Mỗi vật thể trong nhiệt độ bình thờng đều tự phát ra một
bức xạ có đỉnh tại bớc sóng 10 micro mét.
Trong viễn thám siêu cao tần, hai loại kỹ thuật chủ động và bị động
đều đợc áp dụng. Trong viễn thám siêu cao tần bị động thì bức xạ siêu cao
tần do chính vật thể phát ra đợc ghi lại, trong khi viễn thám siêu cao tần
chủ động lại thu những bức xạ tán xạ hoặc phản xạ từ vật thể.
8
3. bộ cảm
3.1 Phân loại bộ cảm

Trên hình 4 là các kiểu bộ cảm chính hiện đang sử dụng hoặc đang
đợc nghiên cứu phát triển trong viễn thám. Việc phân loại các bộ cảm có
thể đợc thực hiện theo nhiều khía cạnh khác nhau. Có thể phân loại theo
giải sóng thu nhận, cũng có thể phân loại theo kết cấu
Các bộ cảm bị động thu nhận các bức xạ do vật thể phản xạ hoặc
phát xạ trong khi các bộ cảm chủ động lại thu đợc năng lợng do vật thể
phản xạ từ một nguồn cung cấp nhân tạo. Mỗi loại bộ cảm thuộc vào mỗi
nhóm trên còn đơc chia thành các hệ thống quét và không quét. Sau đó
chúng lại tiếp tục đợc chia thành loại tạo ảnh và không tạo ảnh. Loại bộ
cảm hay đợc sử dụng nhiều trong viễn thám hiện nay là các loại buồng
chụp, máy quét CCD và máy quét đa phổ quang cơ.
Các bộ cảm quang học đợc đặc trng bởi các tính chất phổ, bộ cảm
và hình học. Tính chất phổ đợc thể hiện thông qua các kênh phổ và bề
rộng của chúng. Các thiết bị dùng phim đợc đặc trng bởi độ nhạy của
phim, khả năng lọc của các kính lọc phổ và các tính chất quang học của
hệ thống thấu kính. Các đặc trng bức xạ đợc xác định dựa theo sự thay đổi
của bức xạ điện từ trớc và sau khi đi qua hệ thống quang học. Các đặc tr-
ng hình học đợc thể hiện qua các thông số nh trờng nhìn, trờng nhìn
không đổi, độ trùng khớp giữa các kênh, biến dạng hình học
Lực phân giải là một hệ số cho phép xác định sự giới hạn về mặt
quan trắc không gian của một thiết bị quang học. Giới hạn phân giải là
khoảng cách nhỏ nhất có thể phát hiện đợc giữa hai điểm ảnh và giá trị
nghịch đảo của nó là lực phân giải.
Một mảng ánh sáng đợc bố trí theo thứ tự bớc sóng đợc gọi là phổ.
Một chùm tia ánh sáng trắng đợc tách thành một phổ thông qua các
phần tử quang học nh lăng kính hoặc hệ thống lăng kính. Trên hình 5 là
một số các lăng kính thông dụng sử dụng cho mục đích này.
Ngoài việc sử dụng lăng kính trong việc tách phổ ngời ta còn dùng
các kính lọc phổ. Trên hình 6 là sơ đồ cấu tạo của một số dạng kính lọc
chính. Kính lọc phổ có thể đợc chia thành ba loại chính nh kính lọc sóng

dài, kính lọc sóng ngắn và kính lọc đơn phổ. Kính lọc có thể chia thành
hấp thụ, giao thoa, nhiễu xạ và phân cực.
3.2 Máy chụp ảnh
Các máy chụp ảnh thờng đợc sử dụng trong viễn thám có thể kể đến
là máy chụp hàng trắc, máy chụp ảnh đa phổ, máy chụp toàn cảnh
9
Các máy chụp ảnh hàng trắc đôi khi còn đợc gọi là máy chụp đo đạc
và chúng thờng đợc lắp trên máy bay hoặc tàu vũ trụ dùng vào mục đích
chụp ảnh đo đạc địa hình. Những máy chụp tiêu biểu là máy RMK do
hãng Carl Zeiss hay máy RC do hãng Leica Thuỵ sĩ chế tạo. Những máy
chụp ảnh sử dụng trong viễn thám vệ tinh có thể kể đến là METRIC
CAMERA, máy chụp LFC ( Large Format Camera ) đặt trên tàu vũ trụ
con thoi. Máy chụp KFA 1000 do Nga chế tạo đặt trên vệ tinh COSMOS.
Trên hình 6 là sơ đồ nguyên lý hoạt động và một số so sánh giữa các máy
chụp ảnh khác nhau.
Các t liệu của máy chụp ảnh thờng đợc sử dụng cho các mục đích đo
đạc cho nên kết cấu của chúng phải thỏa mãn các điều kiện quang học và
hình học cơ bản nh sau :
- Quang sai máy chụp phải nhỏ
- Độ phân giải ống kính phải cao và độ nét của ảnh phải đợc bảo đảm
trong toàn bộ trờng ảnh
- Các yếu tố định hớng trong phải đợc xác định chính xác ví dụ : chiều
dài tiêu cự, tọa độ điểm chính
- Quang trục của ống kính phải vuông góc với mặt phẳng phim.
- Hệ thống chống nhòe phải đủ khả năng loại trừ ảnh hởng của chuyển
động tơng đối giữa vật mang và qủa đất đặc biệt trong trờng hợp chụp ảnh
từ vũ trụ.
Trên hình 6 là sơ đồ nguyên lý máy chụp ảnh MKF-6 với 6 kênh phổ
do CHDC Đức chế tạo và đợc đặt trên trạm quỹ đạo Soyuz 22 của Nga.
3.3 Máy quét quang cơ

Máy quét quang cơ về cơ bản là một bức xạ kế đa phổ mà nhờ nó
một bức ảnh hai chiều đợc thu nhận dựa trên sự phối hợp chuyển động
giữa vật mang và hệ thống gơng quay hoặc lắc vuông góc với quỹ đạo
chuyển động.
Máy quét đa phổ quang cơ đợc cấu thành bởi những phần chính sau:
- Hệ thống quang học
- Hệ thống tách phổ
- Hệ thống quét
- Bộ dò
- Hệ thống kiểm định
Các hệ thống quét đa phổ quang cơ có thể đợc đặt trên máy bay hoặc
vệ tinh. Máy quét đa phổ MSS và TM của vệ tinh LANDSAT, AVHRR của
vệ tinh NOAA là những hệ thống máy quét đa phổ quang cơ đặt trên vệ
tinh. Máy quét đa phổ
M S
2
do hãng Daedalus chế tạo là ví dụ máy quét đa
phổ quang cơ đặt trên máy bay.
10
Trên hình 7 là sơ đồ nguyên lí hoạt động và thu nhận thông tin của
máy quét đa phổ quang cơ.
Những cấu phần chính của một máy quét đa phổ quang cơ là:
a. Hệ thống quang học: hệ thống kính viến vọng phản xạ kiểu
Newton, Cassegrain hoặc Ritchey-Chretien nhằm hạn chế sự lệch màu
đến mức tối thiểu.
b. Hệ thống tách phổ: các hệ thống gơng, lăng kính hoặc kính lọc đơn
phổ thờng đợc sử dụng.
c. Hệ thống quét: các gơng quay hoặc lắc trong mặt phẳng vuông góc
với đờng bay là các phần tử quét cơ bản.
d. Bộ dò: năng lợng điện từ đợc chuyển đổi thành tín hiệu điện nhờ bộ

dò quang điện tử. Các bộ khuếch đại quang học thờng đợc sử dụng cho
giải sóng nhìn thấy và vùng tia cực tím. Đối với vùng sóng hồng ngoại
nhìn thấy ngời ta thơng dùng đi ốt Silicon. Đi ốt ingium antimony (InSb)
đợc dùng cho vùng sóng ngắn và để đo bức xạ nhiệt ngời ta dùng đi ốt
HqCdTe.
e. Hệ thống kiểm định: các tín hiệu điện đo đợc luôn bị ảnh hởng bởi
sự biến động độ nhậy của hệ thống dò, do vậy cần phải duy trì thờng
xuyên một nguồn ánh sáng hoặc nhiệt có cờng độ ổn định làm nguồn
năng lợng chuẩn kiểm định thông số bộ cảm.
So sánh với hệ thống quét điện tử (pushbroom) thì các hệ thống quét
quang cơ có những u điểm. Ví dụ trờng nhìn của hệ thống quang học có
thể nhỏ hơn, độ trùng khớp giữa các kênh phổ cao hơn và có thể thiết kế
đợc những hệ thống có độ phân giải cũng cao hơn. Tuy vậy nhợc điểm cơ
bản của nó là tỷ số hiệu dụng tín hiệu - nhiễu lại nhỏ hơn so với hệ thống
quét điện tử.
3.4 Máy quét điện tử CCD
Các hệ thống quét điện tử (Pushbroom scanner) hoặc bộ cảm mảng
tuyến tính (linear array sensor) là hệ thống quét trong đó không có bộ
phận cơ học nh gơng quay. Bộ phận ghi nhận tín hiệu chủ chốt là mảng
tuyến tính các bộ dò bán dẫn cho phép ghi lại đồng thời từng hàng ảnh.
Trên hình 8 là sơ đồ nguyên lý hoạt động của một hệ thống quét điện tử
và cấu trúc của máy quét MESSR trên vệ tinh MOS-1.
Các hệ thống quét điện tử không có một bộ phận cơ học nào nên độ
ổn định hoạt động của nó là rất cao. Tuy vậy thờng xuất hiện nhiễu trên
một hàng ảnh gây bởi sự chênh lệch độ nhậy giữa các bộ dò.
Cặp thiết bị nạp (CCD) thờng đợc dùng cho bộ cảm mảng tuyến tính
nên đôi khi ngời ta thờng gọi chúng là bộ cảm tuyến tính CCD hay máy
11
chụp CCD. HRV của vệ tinh SPOT, MESSR của MOS-1 và OPS của
JERS-1 là những ví dụ về bộ cảm tuyến tính CCD đặt trên vệ tinh.

3.5 Phổ kế tạo ảnh
Phổ kế tạo ảnh là một dạng máy quét đa phổ có số lợng kênh phổ rất
lớn và bề rộng của các kênh phổ rất hẹp. Về mặt cấu trúc và nguyên lý
hoạt động nó tơng tự nh các máy quét đa phổ khác.
Trên hình 9 là sơ đồ nguyên lý hoạt động của phổ kế tạo ảnh
MODIS-T (Moderate Resolution Imaging Spectrometer - Tilt). Phổ kế này
dự định sẽ đặt trên vệ tinh EOS-a (US Earth Observing Sateltite).
MODIS-T có một mảng 64 x 64 đầu dò cho phép thu 64 kênh phổ trong
giải sóng từ 0.4 đến 1.04 micro mét với bề ngang của tuyến bay là 64 km.
Các phổ kế tạo ảnh rất có ý nghĩa trong nghiên cứu thạch học và
phân tích màu nớc biển.
4. viễn thám siêu cao tần
4.1 Nguyên lý cơ bản của viễn thám siêu cao tần
Viễn thám siêu cao tần sử dụng bức xạ siêu cao tần với bớc sóng từ
một cho đến vài chục cen ti mét cho phép quan sát vật thể trong mọi thời
tiết không bị ảnh hởng bởi các điều kiện khí quyển nh mây hay ma. Đây
là những u điểm cơ bản mà kỹ thuật viễn thám trong giải sóng nhìn thấy
hoặc hồng ngoại không thể có đợc. Hơn nữa chỉ có kỹ thuật này mới cung
cấp đợc những thông tin về gió trên mặt biển, hớng sóng. Những thông
tin này đợc phân tích dựa trên hiệu ứng Doppler, sự phân cực của chùm
tia phản xạ, hoặc chùm năng lợng tán xạ mà trong giải sóng nhìn thấy
hoặc gần hồng ngoại là không thể có đợc. Tuy nhiên nhợc điểm cơ bản
của nó là yêu cầu các công nghệ xử lý và phân tích hiện đại.
Có hai loại viễn thám siêu cao tần : chủ động và bị động.
Kỹ thuật chủ động thu nhận năng lợng tán xạ của chùm tia do máy
phát phát ra sau khi tới đợc bề mặt vật thể. Các ra đa có cửa mở tổng hợp
(Synthetic aperture radar), tán xạ kế siêu cao tần (microwave
scatterometer), ra đa đo độ cao v.v. là những ví dụ về bộ cảm siêu cao tần
chủ động.
Kỹ thuật bị động thu nhận và phân tích bức xạ siêu cao tần do chính

vật thể phát ra. Bức xạ kế siêu cao tần là ví dụ về bộ cảm siêu cao tần bị
động.
Trên hình 10 là sơ đồ nguyên lý của viễn thám siêu cao tần chủ động
và bị động.
12
Cơ sở toán lý của viễn thám siêu cao tần đợc xây dựng trên phơng
trình ra đa và các định luật của Rayleigh Jeans.
4.2 Bức xạ siêu cao tần và sự suy giảm của nó
Sự suy giảm của bức xạ siêu cao tần gây bởi sự hấp thụ của khí
quyển hay sự tán xạ trong không khí do các hạt bụi lơ lửng gây nên. Độ
suy giảm của sóng siêu cao tần có thể đợc diễn tả nh một hàm số mũ
trong đó khoảng cách từ nguồn phát đến vật phản xạ là đối số cơ bản.
Trong một môi trờng khí quyển đồng nhất sự suy giảm sẽ tăng một cách tỉ
lệ với khoảng cách. Độ suy giảm theo một đơn vị khoảng cách đợc gọi là
độ suy giảm đặc trng. Trong trờng hợp quan sát từ vệ tinh do khoảng cách
từ bộ cảm và vật thể quan sát quá lớn nên sự suy giảm của bức xạ thu đợc
phụ thuộc chủ yếu vào trạng thái khí quyển và thành phần của nó trên đ-
ờng truyền. Đặc biệt hơi nớc trong khí quyển gây nên sự suy giảm rất
mạnh nên ngời ta có thể lợi dụng đặc tính này để xác định hàm lợng hơi
nớc.
Bề mặt trái đất tự bức xạ một lợng nhỏ năng lợng siêu cao tần, sóng
nhìn thấy và bức xạ nhiệt. Bức xạ nhiệt của vật đen tuyệt đối trong vùng
sóng nhìn thấy và gần hồng ngoại nhiệt tuân theo định luật Plank. Bức xạ
nhiệt trong vùng sóng siêu cao tần tuân theo định luật Rayleigh Jeans.
Một vật thể thật không có đầy đủ các tính chất của vật đen tuyệt đối
đôi khi còn đợc gọi là vật xám bức xạ ra một năng lợng tuy nhỏ hơn vật
đen tuyệt đối nhng luôn ổn định. Nhiệt độ chói (brightness temperature)
đợc mô tả bằng biểu thức :
T = TB
Trong đó

T
Nhiệt độ thực tế
TB
Nhiệt độ chói

Hằng số bức xạ (0 <

< 1 )
Hằng số bức xạ của vật thể phụ thuộc vào nhiều yếu tố nh tính chất
vật lý bề mặt (lồi, lõm, nhẵn ), tần số bớc sóng, sự phân cực, góc tới v.v.
4.3 Tán xạ bề mặt
Tán xạ bề mặt đợc định nghĩa là một tán xạ xảy ra trên mặt phân
cách của hai môi trờng không đồng tính khi bức xạ điện từ truyền qua
mặt phân cách từ môi trờng này sang môi trờng khác. Sự tán xạ của sóng
siêu cao tần trên bề mặt trái đất tăng tỷ lệ với độ phức tạp của cấu trúc bề
mặt. Trên hình 11 là sơ đồ tán xạ của sóng siêu cao tần trên một số dạng
bề mặt và hệ số tán xạ.
13
Trong trờng hợp bề mặt vật chất là trơn nhẵn thì bức xạ siêu cao tần
sẽ bị phản xạ là chính. Cờng độ của chùm tia phản xạ đợc định nghĩa bởi
định luật Fresnel.
Khi mức độ gồ ghề của bề mặt vật chất tăng lên thì ngoài thành phần
phản xạ còn bắt đầu xuất hiện thành phần tán xạ. Thành phần phản xạ đ-
ợc gọi là thành phần đồng hớng và thành phần tán xạ đợc gọi là thành
phần không đồng hớng (coherent and incoherent).
Khi bề mặt vật chất hoàn toàn là gồ ghề thì thành phần phản xạ hoàn
toàn triệt tiêu và chỉ còn tồn tại thành phần tán xạ. Sự tán xạ nh vậy tuân
theo định luật Rayleigh và Fraunhofer.
Theo định luật này bề mặt đợc gọi là bằng phẳng nếu:
h < / 8 cos

(theo Rayleigh)
h < / 32 cos
(theo Fraunhofer)
Trong đó
h
Độ lệch chuẩn của độ gồ ghề bề mặt

Bớc sóng

Góc tới
Về mặt tổng quát, hệ số tán xạ là phụ thuộc vào góc tới và góc tán
xạ. Tuy vậy trong viễn thám góc tới bao giờ cũng bằng góc tán xạ vì an
ten bộ cảm bao giờ cũng đợc đặt tại chính nguồn phát.
Hệ số tán xạ ngợc đợc định nghĩa theo công thức:

= / A
i i
Trong đó

i
Năng lợng siêu cao tần chiếu xuống bề mặt
Ai
.
Hệ số tán xạ ngợc phụ thuộc vào độ gồ ghề của bề mặt và góc chiếu
của chùm tia xuống bề mặt. Đồ thị trên hình 11 thể hiện khái quát sự phụ
thuộc này.
4.4 tán xạ trong lòng vật chất
Tán xạ trong lòng vật chất (volume scattering) đợc định nghĩa nh tán
xạ xảy ra ngay bên trong môi trờng sóng điện từ truyền qua. Trên hình 12
là sơ đồ mô phỏng sự tán xạ gây bởi các hạt vật chất lơ lửng, môi trờng

truyền qua, lớp đất và thảm phủ thực vật.
Tán xạ trong lòng vật chất có thể quan sát thấy đợc khi bức xạ siêu
cao tần xuyên vào trong lòng vật chất. Sự xuy giảm của nó đợc xác định
theo hàm số tỷ lệ với 1/e.
Cờng độ của bức xạ tán xạ là tỷ lệ thuận với sự bất liên tục của độ
cảm ứng điện từ và mật độ của những vùng đồng nhất trong môi trờng
khảo sát
14
4.5 An ten và những tính chất cơ bản của chúng
An ten là một thiết bị nhằm biến đổi một dao động điện thành sóng
điện từ và ngợc lại. An ten dùng để phát hoặc thu các sóng điện từ.
An ten trong viễn thám siêu cao tần đợc chia thành 3 kiểu chính đó
là an ten dạng sừng, an ten phản xạ gơng và an ten mảng.
An ten dạng sừng đợc sử dụng làm nguồn cung cấp năng lợng cho
các an ten phản xạ, nguồn cung cấp bức xạ kiểm định trong đo nhiệt hoặc
cho các hệ thống ra đa chủ động.
An ten phản xạ ví dụ nh an ten parabol và Cassegrain đợc tạo bởi hai
phần chính đó là gơng phản xạ và nguồn phát sóng. An ten phản xạ đợc
sử dụng trong bức xạ kế siêu cao tần, máy đo độ cao và tán xạ kế.
An ten mảng đợc cấu tạo bởi một mảng liên kết tuyến tính, đều hoặc
không đều các phần tử phát sóng hoặc thu sóng lỡng cực. An ten mảng đ-
ợc sử dụng trong các hệ ra đa có cửa mở tổng hợp (SAR).
An ten đợc sử dụng để phát hoặc thu sóng điện từ theo một hớng
nhất định trong không gian nên có thể coi an ten là một bộ lọc không
gian của sóng điện từ (spatial filter).
Các tính chất của an ten có thể đơc khảo sát dựa trên phân tích chuỗi
Furie cho bức xạ đợc phát hoặc thu. Nếu cửa mở của an ten là vô hạn thì
bức xạ phát ra có dạng xung. Trong thực tế cửa mở của an ten là thực (có
kích thớc giới hạn) nên chùm tia phát ra đợc chia thành các chùm tia
chính và phụ. Một chùm tia đợc định nghĩa giữa hai điểm có cờng độ

bằng 0. Chùm tia có cờng độ lớn nhất là chùm tia chính.
5. Các bộ cảm sử dụng trong viễn thám siêu cao tần
5.1 Các loại bộ cảm siêu cao tần
Các bộ cảm siêu cao tần có thể đợc chia thành hai nhóm chính: chủ
động và bị động.
Bộ cảm siêu cao tần bị động dùng để nghiên cứu các đối tợng chính
sau:
- Sóng biển gần bề mặt
- Nhiệt độ lớp nớc biển gần bề mặt
- Trạng thái biển
- Hàm lợng muối trong nớc biển
- Hơi nớc trong khí quyển
- Nhiệt độ không khí và thành phần khí quyển
Bộ cảm siêu cao tần chủ động gồm ba nhóm chính: tán xạ kế siêu cao
tần, máy đo độ cao siêu cao tần và ra đa tạo ảnh.
15
Tán xạ kế siêu cao tần thờng đợc sử dụng để ghi nhận các thông tin
sau:
- Độ ẩm của đất
- Sinh khối
- Nhiệt độ mặt biển
- Trạng thái biển
- Hơi nớc trong khí quyển
- Sóng biển, hớng và vận tốc.
Máy đo độ cao siêu cao tần dùng để xác định
- Địa hình mặt biển, hình dạng geoid
- Chiều cao của sóng biển
- Sự biến động của dòng biển
- Tốc độ gió
Ra đa tạo ảnh đợc sử dụng vào các mục đích nghiên cứu sau

- Thu nhận các hình ảnh về địa hình
- Sóng biển
- Gió gần bề mặt biển
- Địa hình và các vấn đề địa chất
- Địa hình đáy biển
5.2 Ra đa cửa mở thực
Ra đa cửa mở thực (real aperture rada) hoạt động theo nguyên lý trên
hình 13. Ra đa phát ra một chùm tia hẹp chuyển động trong mặt phẳng
vuông góc với hớng bay và thu nhận chùm tia tán xạ từ các đối tợng. Bức
xạ thu đợc đợc chuyển thành tín hiệu điện và đợc lu lại dới dạng số.
Độ phân giải của t liệu đợc chia làm hai loại đó là độ phân giải theo
chiều vuông góc với hớng bay (range direction) và dọc theo tuyến bay
(azimuth direction).
Độ phân giải vuông góc với hớng bay hay độ phân giải ngang phụ
thuộc vào độ hẹp của xung điện. Tuy nhiên nếu giảm đại lợng này quá
nhiều với mục đích tăng độ phân giải thì nhiễu trong tín hiệu thu đợc
cũng sẽ tăng theo. Cho nên cần phải chọn độ hẹp vừa phải và kết hợp
nhiều biện pháp kỹ thuật khác nhau nhằm có thể tăng độ phân giải mà
vẫn khống chế đợc nhiễu.
Độ phân giải dọc theo tuyến bay hay độ phân giải dọc phụ thuộc vào
bề rộng của chùm tia và khoảng cách tới nguồn phát.Để đạt đợc độ phân
giải cao ngời ta sử dụng những an ten có kích thớc lớn (đạt đợc chùm tia
hẹp) và bớc sóng ngắn. Tuy nhiên không thể lắp một an ten có bán kính 1
km với bớc sóng 25 cm để đạt đợc độ phân giải 25 m ở khoảng cách 100
km trên các vật mang vũ trụ đợc. Cho nên ra đa có cửa mở thực có nhiều
giới hạn trong việc cải thiện độ phân giải dọc.
16
5.3 Ra đa cửa mở tổng hợp
So với ra đa có cửa mở thực thì ra đa có cửa mở tổng hợp (SAR) có
khả năng tăng đợc độ phân giải dọc với cùng một kích thớc an ten và

cùng tần số phát sóng. Tuy vậy việc xử lý t liệu SAR phức tạp hơn nhiều
so với t liệu ra đa cửa mở thực. Trên hình 14 là sơ đồ mô tả mối tơng
quan giữa ra đa cửa mở thực và ra đa cửa mở tổng hợp. Khác với RAR,
SAR liên tục thu tín hiệu tán xạ từ vật thể trong quá trình phát sóng. Khi
mà vật mang luôn chuyển động và có sự biến động về khoảng cách giữa
nguồn phát và vật thể (ví dụ gây bởi sự bất ổn định trong vận tốc của vật
mang) thì sẽ xảy ra hiệu ứng Dopller. Hiệu ứng này tạo ra những khó
khăn trong quá trình xử lý số liệu, do vậy các vật mang của hệ thống SAR
phải có độ ổn định trong quá trình bay rất cao.
5.4 Cơ sở hình học của ảnh ra đa và một số tính chất của chúng
ảnh ra đa thu đợc bị ảnh hởng bởi nhiều yếu tố hình học gây bởi cơ
chế tạo ảnh, cấu trúc địa hình Những ảnh hởng này đợc mô tả khái quát
trên hình 15. Có ba hiện tợng đáng chú ý trong quá trình giải đoán và xử
lý ảnh ra đa là phủ chồng (lay over), co ngắn (fore shortening) và khuất
bóng (shadow).
Hiện tợng phủ chồng xảy ra khi góc xiên (off nadir angle) ở vị trí mà
đỉnh của đối tợng quan sát lại gần máy phát hơn chân của nó. Hiện tợng
co ngắn xảy ra khi hình chiếu lớn hơn hình chiếu. Hiện tợng khuất bóng
thờng xuất hiện khi đối tợng cần quan sát nằm khuất sau một đối tợng
khác do vậy chùm tia bức xạ siêu cao tần không thể chiếu vào vật đó đợc.
Vấn đề xử lý t liệu ra đa là tơng đối phức tạp vì tín hiệu thu đợc
không phải là ảnh mà những sự biến đổi về pha gây bởi địa hình. Quá
trình xử lý nhằm tạo ra một t liệu ảnh có cấp độ xám tỷ lệ với cờng độ tín
hiệu tán xạ thu đợc đợc gọi là tái tạo ảnh (image reconstruction). Trên
hình 16 là sơ đồ quy trình tái tạo ảnh áp dụng cho t liệu SAR. Quá trình
tái tạo ảnh đợc chia làm hai giai đoạn chính đó là nén ngang và dọc. Mục
đích của việc nén là chuyển tín hiệu từ dạng diện về dạng điểm. Ngời ta
thờng dùng phép biến đổi Furie vào mục đích này và đồng thời xác định
luôn cả hàm đặc trng (reference function). Trong quá trình tạo ảnh có một
vấn đề rất khó giải quyết đó là nhiễu hạt tiêu (pepper noise) gây bởi các

nhiễu tần số cao.
5.5 Bức xạ kế và tán xạ kế siêu cao tần
Bức xạ kế siêu cao tần thuộc vào nhóm kỹ thuật bị động dùng ghi
nhận bức xạ nhiệt do vật thể trên mặt đất hoặc khí quyển phát ra. Nhiệt
độ chói (brightness temperature) đo đợc tuân theo định luật Reyleigh-
Jean. Trên hình 17 là sơ đồ nguyên lý hoạt động của hai loại bức xạ kế cơ
17
bản hiện đang sử dụng trên các vệ tinh. Đó là máy quét hình nón (conical
scanning) và máy quét ngang tuyến bay (cross track scanning).
Tán xạ kế có thể đo đợc các tín hiệu thông qua nguồn năng lợng tán
xạ từ bề mặt vật thể. Do các giải sóng sử dụng rất hẹp cho nên nó đợc sử
dụng để thu nhận các thông tin mà các bộ cảm thông thờng không thể
phát hiện đợc. Có hai loại tán xạ kế cơ bản hiện đang đợc sử dụng đó là
tán xạ kế kiểu xung (pulse type) và phát sóng liên tục (continuos wave
type).
6. Vật mang và qũy đạo bay
6.1 Phân loại vật mang
Một phơng tiện dùng để bố trí các bộ cảm trên đó đợc gọi là vật
mang (platform). Vệ tinh và máy bay là những vật mang cơ bản. Tuy vậy
còn có nhiều loại vật mang khác có độ cao hoạt động từ vài chục mét trở
lên.
Trên hình 18 là bảng phân loại các vật mang theo độ cao. Nhìn
chung có thể chia chúng thanh những nhóm chính sau
- Vệ tinh địa tĩnh
- Vệ tinh tài nguyên
- Các vật mang quỹ đạo thấp
- Các vật mang tầng máy bay
- Các vật mang tầng thấp
Vật mang Chiều cao Hình thức
quan

sát
Chú thích
Vệ tinh địa
tĩnh
36,000
km
Quan sát từ
một điểm cố định
GMS
Vệ tinh quỹ
đạo tròn
500 km-1000
km
Quan sát đều
đặn theo chu kỳ
LANDSAT,SP
OT MOS-1
Tàu vũ trụ
con thoi
240 - 350 km Quan sát
không đều, theo
từng cuộc thí
nghiệm
Bóng thám
không
100 m -100
km
Nghiên cứu
nhiều đối tợng
khác nhau

Máy bay
phản lực tầng cao
10 - 12 km nt
Máy bay tầng
thấp hoặc trung
500 m - 8000
m
nt
18
bình
Máy bay lên
thẳng
100 m - 2000
m
nt
Máy bay
không ngời lái
điều khiên bằng
vô tuyến
dới 500 m nt
Đo đạc mặt
đất
0 - 30 m Thu thập số
liệu thực địa
Hình 18 Bảng phân loại các vật mang theo độ cao
6.2 Chuyển động của vật mang trong khí quyển và sự ổn định của chúng
Vật mang khi chuyển động trong vũ trụ, khí quyển chịu nhiều tác
động của môi trờng xung quanh.Đó là các tác động nh áp xuất, mật độ
không khí và nhiệt độ. Những tác động này dẫn đến sự mất ổn định thế
của vật mang khi chuyển động trên quỹ đạo của mình. Thế của vật mang

đợc phân chia thành những phần chính sau:
- Các góc quay quanh 3 trục toạ độ
- Các dao động ngẫu nhiên không thể đo đợc.
Các đại lợng mô tả thế của vật mang có thể thấy đợc trên hình 13. Để có
thể xác định chính xác thế của vật mang nhằm hiệu chỉnh chính xác hình
học t liệu thu đợc cần phải liên tục ghi lại các thông số cơ bản mô tả thế
của vật mang. Đó là những thiết bị chính sau:
- Tốc độ kế
- Máy đo độ cao
- Địa bàn gyro
- Ra đa Doppler
- Máy xác định đờng chân trời
- Các camera vô tuyến
- Máy ghi nhật ký bay (flight recorder)
6.3 Quỹ đạo bay và các thông số cơ bản
Một tập hợp các thông số cơ bản mô tả quỹ đạo chuyển động của vật
mang đợc gọi là các thông số quỹ đạo bay. Có 6 thông số cơ bản của quỹ
đạo chuyển động tuân theo định luật Kepler áp dụng cho các vật thể
chuyển động trong vũ trụ.
Theo định luật này thì vệ tinh có thể đợc coi nh một vật thể quay
xung quanh trái đất trong một mặt phẳng quỹ đạo không có tác động của
lực hấp dẫn của mặt trăng và mặt trời. Thực ra thì vẫn tồn tại tơng tác
giữa các truờng hấp dẫn của trái đất, mặt trăng và mặt trời. Nhng trong
19
nhiều bài toán thực tế thì ảnh hởng của mặt trăng và mặt trời có thể bỏ
qua vì chúng nhỏ hơn nhiều so với tác động của trọng trờng trái đất.
Sáu thông số quỹ đạo cơ bản của một vật chuyển động trong vũ trụ
là:
- Bán kính trục lớn A
- Độ dẹt quỹ đạo e

- Góc nghiêng i
- Góc lên bên phải h
- Điểm gần nhất g
- Thời điểm bay qua điểm gần nhất
Trên hình 15 là sơ đồ mô tả các thông số quỹ đạo bay theo định luật
Kepler.
Quỹ đạo chuyển động của vệ tinh đợc chia thành nhiều loại dựa theo
hình dạng quỹ đạo, góc nghiêng, chu kỳ và tần xuất lặp.
Quỹ đạo đồng bộ trái đất là quỹ đạo mà trên nó vệ tinh chuyển động
cùng một vận tốc góc nh trái đất nghĩa là nó quay một vòng trên quỹ đạo
của mình mất 24 giờ hay 86164.1 giây. Quỹ đạo đồng bộ trái đất với góc
nghiêng 0 độ đợc gọi là quỹ đạo địa tĩnh. Các vệ tinh địa tĩnh luôn treo lơ
lửng tại một điểm trên không trung do vậy nó đợc sử dụng vào nhiều mục
đích quan sát khí tợng hoặc truyền tin
Quỹ đạo đồng bộ mặt trời đợc các vệ tinh tài nguyên sử dụng nhiều
vì u điểm của nó luôn tạo đợc một điều kiện chiếu sáng ổn định.
Quỹ đạo có chu kỳ lặp một ngày (recurent) và nhiều ngày (semi-
recurent) là những quỹ đạo mà vệ tinh trở lại điểm nadir trong cùng một
ngày hoặc sau nhiều ngày.
7. các vệ tinh viễn thám
Một vệ tinh mang bộ cảm viễn thám đợc gọi là vệ tinh viễn thám
(remote sensing satellite) hay vệ tinh quan sát mặt đất (earth observation
satellite). Các vệ tinh viễn thám có thể đợc chia thành các nhóm chính
sau:
- Vệ tinh địa tĩnh ví dụ GMS
- Vệ tinh khí tợng ví dụ NOAA
- Vệ tinh tài nguyên ví dụ LANDSAT, SPOT
Các hệ thống thiết bị chính của vệ tinh viễn thám là nh sau:
- Hệ thống kiểm tra theo dõi tuyến bay
- Hệ thống kiểm tra hoạt động của vệ tinh

- Hệ thống thu nhận số liệu
Trên hình 21 là sơ đồ vệ tinh JERS-1 của Nhật Bản và các hệ thống
thiết bị chính.
20
7.1 LANDSAT
Vệ tinh Landsat là vệ tinh viễn thám đầu tiên đợc phóng lên quỹ đạo
năm 1972. Cho đến nay đã có 5 thế hệ vệ tinh Landsat đã đợc phóng lên
quỹ đạo. Trên hình 22 là một số thông số cơ bản của vệ tinh Landsat. T
liệu vệ tinh Landsat là t liệu viễn thám hiện đang đợc sử dụng rộng rãi
trên toàn thế giới và kể cả Việt Nam.
a. Quỹ đạo vệ tinh Landsat 4,5 và 6 đợc đặc trng bởi các thông số
chính sau:
- Độ cao bay: 705 km, góc nghiêng mặt phẳng quỹ đạo: 98 độ
- Quỹ đạo đồng bộ mặt trời và bán lặp lại
- Thời điểm bay qua xích đạo 9:39 sáng
- Chu kỳ lặp 17 ngày
- Bề rộng tuyến chụp: 185 km
b. Bộ cảm:
- MSS (multispectral scanner)
- TM (thematic mapper)
Cả hai bộ cảm này đều là máy quét quang cơ. Các thông số cơ bản
của chúng đợc trình bày trên hình 22.
c. T liệu
T liệu TM và MSS đợc chia thành các cảnh phủ một vùng trên mặt
đất 185 x 170 km. Mỗi cảnh đợc đánh số theo hệ quy chiếu toàn cầu gồm
số hiệu của hàng và tuyến (path, row). Các giá trị của pixel đợc mã 8 bit
tức là cấp độ xám ở trong khoảng 0-255.
7.2 SPOT
Vệ tinh SPOT đợc phóng lên quỹ đạo lần đầu tiên vào tháng 2 năm
1986. Mỗi vệ tinh SPOT đợc trang bị hai bộ cảm HRV (High Resolution

Visible imaging system) cho phép thu ảnh lập thể hoặc toàn cảnh.
Nguyên lý hoạt động và một số thông số bộ cảm của vệ tinh SPOT đợc
nêu trên hình 23.
a. Quỹ đạo
- Độ cao bay: 830 km, góc nghiêng của mặt phẳng quỹ đạo 98.7 độ
- Quỹ đạo đồng bộ mặt trời và bán lặp lại
- Thời điểm vệ tinh bay qua xích đạo 10:30 sáng
- Chu kỳ lặp: 26 ngày trong chế độ quan sát bình thờng.
b. Bộ cảm
Bộ cảm HRV không phải là máy quét quang cơ mà là máy quét điện
tử CCD. HRV có thể thay đổi góc quan sát nhờ một gơng định hớng. G-
21
ơng này cho phép thay đổi hớng quan sát 27 độ nên có thể thu đợc ảnh
lập thể.
c. T liệu
Mỗi cảnh của SPOT phủ một vùng trên mặt đất rộng 60 x 60 km.
Mỗi cảnh đợc xác định theo số hiệu trong hệ thống quy chiếu lới toàn cầu
SPOT GRS
7.3 Các vật mang quỹ đạo cực
Các vật mang quỹ đạo cực POP (Polar orbit platform) là thế hệ vật
mang mới đang đợc nghiên cứu và phát triển cho mục đích tạo đợc vật
mang có thời gian tồn tại lâu trong vũ trụ, mang đợc nhiều bộ cảm và sử
dụng đa mục đích. POP đợc cấu tạo từ các mô dul chính nh trạm vũ trụ
chính, tàu con thoi và phơng tiện giao lu giữa các trạm vũ trụ. POP đợc
thiết kế theo nguyên lý các mô dul có thể đợc thay thế. Một cấu trúc nh
vậy đơng nhiên tạo ra một hệ thống có kích thớc lớn nhng thời gian tồn
tại trong vũ trụ cũng đợc tăng lên rất nhiều.
8. t liệu sử dụng trong viễn thám
8.1 T liệu số
Các bức ảnh có cấp độ xám hoặc màu sắc thay đổi liên tục ví dụ nh

ảnh chụp thông thờng lu trên phim hoặc giấy ảnh đợc gọi là ảnh tơng tự.
ảnh số là một dạng t liệu ảnh không lu trên giấy ảnh hoặc phim. Nó đợc
chia thành nhiều phần tử nhỏ thờng đợc gọi là pixel . Mỗi pixel tơng ứng
với một đơn vị không gian. Quá trình chia một ảnh tơng tự thành các
pixel đợc gọi là chia mẫu (sampling) và chia cấp độ xám liên tục thành
một số nguyên hữu hạn là lợng tử hóa. Các pixel thờng có hình dạng
vuông, tuy vậy các pixel hình tam giác hay hình lục lăng cũng có thể đợc
tính đến. Mỗi pixel đợc xác định bằng tọa độ hàng, cột. Hệ tọa độ ảnh th-
ờng có điểm 0 ở góc trên bên trái và tăng dần từ trái sang phải đối với tọa
độ cột và từ trên xuống dới đối với chỉ số hàng. Trong quá trình chia mẫu
từ một ảnh tơng tự thành ảnh số thì độ lớn của pixel hay tần xuất chia
mẫu phải đợc chọn tối u. Trong trờng hợp pixel quá lớn thì chất lợng ảnh
sẽ tồi còn trong trờng hợp ngợc lại thì dung lợng thông tin cần lu trữ lại
qúa lớn. Ngời ta sử dụng bổ đề Shannon để tìm đợc ngỡng chia mẫu tối u.
Bổ đề đợc phát biểu nh sau: Sẽ không bị mất thông tin nếu việc chia mẫu
đợc thực hiện với độ lớn bằng nửa tần xuất cực đại của chùm sóng tơng tự
nguyên bản. Trên hình 24 là sơ đồ nguyên lý chia mẫu và lợng tử hóa một
ảnh tơng tự.
22
8.2 Các tính chất của t liệu số
T liệu ảnh số đợc đặc trng bởi một số thông số cơ bản về hình học,
bức xạ Sau đây là giới thiệu khái quát các thông số cơ bản.
Trờng nhìn không đổi (instantaneous field of view) IFOV đợc định
nghĩa là góc không gian tơng ứng với một đơn vị chia mẫu trên mặt đất.
Lợng thông tin ghi đợc trong IFOV tơng ứng với giá trị của pixel.
Góc nhìn tối đa mà một bộ cảm có thể thu đợc sóng điện từ đợc gọi
là trờng nhìn (field of view) IFOV. Khoảng không gian trên mặt đất do
FOV tạo nên chính là bề rộng tuyến bay.
Mộ vùng bé nhất trên mặt đất mà bộ cảm có thể cảm nhận đợc đợc
gọi là độ phân giải mặt đất. Đôi khi hình chiếu của một pixel lên mặt đất

cũng đợc gọi là độ phân giải mặt đất.
Bởi vì t liệu số đợc ghi lại theo những giải phổ khác nhau nên ngời ta
gọi là t liệu đa phổ, đa kênh hoặc nhiều band. Trên hình 25 là sơ đồ mô tả
mối tơng quan giữa các khái niệm vừa nêu.
Năng lợng sóng điện từ sau khi tới đợc bộ dò đợc chuyển thành tín
hiệu điện và sau khi đợc lợng tử hóa trở thành t liệu số. Trong toàn bộ giải
sóng tơng tự thu đơc chỉ có phần biến đổi tuyến tính đợc lợng tử hóa. Hai
phần biên của tín hiệu không đợc xét đến vì chúng một phần chứa nhiều
nhiễu phần khác không giữ đợc quan hệ tuyến tính giữa thông tin và tín
hiệu. Xác định ngỡng nhiễu là một việc hết sức cẩn thận. Chất lợng của t
liệu đợc đánh giá qua thông số tỷ số tín hiệu-nhiễu (signal to noise ratio).
Tỷ số tín hiệu nhiễu đợc định nghĩa thông qua biểu thức sau:
Thông tin đợc lu theo đơn vị bit. Thông thờng các t liệu viễn thám số
đợc ghi theo 6,7 hoặc 8 bit. Riêng t liệu vệ tinh NOAA dùng 10 bit để ghi.
Trong xử lý số, đơn vị xử lý thờng là byte. 1 byte = 8 bit. Do vậy đối với t
liệu đợc mã với số bit nhỏ hơn hoặc bằng 8 thì đợc lu ở dạng 1 byte (byte
type) và t liệu có số bit lớn hơn 8 đợc lu ở dạng 2 byte hay trong một từ
(word type). Trong một byte có thể lu đợc 256 cấp độ xám còn trong một
từ có thể lu đơc 65536 cấp xám.
Khối lợng t liệu đợc lu đợc xác định nh sau:
A (byte) = số hàng x số cột x số kênh x số bit / 8
8.3 Các khuôn dạng t liệu số trong viễn thám
T liệu số đợc ghi lại và tổ chức theo những trật tự nhất định gọi là
khuôn dạng (format). Trên hình 26 là các khuôn dạng thông dụng của t
liệu ảnh số.
23
Khuôn dạng BSQ (Band Sequence) là khuôn dạng trong đó các kênh
phổ đợc lu tuần tự hết kênh này sang kênh khác.
Khuôn dạng BIL (Band Interleaved by Line) là khuôn dạng trong đó
t liệu đợc ghi theo từng hàng. Mỗi hàng đợc ghi tuần tự theo kênh phổ và

sau tổ hợp kênh phổ của hàng này lại chuyển sang hàng khác.
Khuôn dạng BIP ( Band Interleaved by Pixel) là khuôn dạng mà các
kênh phổ đợc cách nhau bởi các pixel. Mỗi pixel đợc lu tuần tự theo các
kênh, sau khi kết thúc tổ hợp phổ của pixel này lại chuyển sang tổ hợp
phổ của pixel khác.
Ngoài các thông tin ảnh, trong mỗi một lần lu trữ ngời ta phải lu
nhiều thông tin bổ trợ khác nữa. Những thông tin này đợc gọi là thông tin
bổ trợ. Các thông tin bổ trợ đợc lu ở các khuôn dạng chuẩn nh WSF
( Wolrd Standard Format) hoặc LTWG (Landsat Technical Working
Group). Trong mục thông tin bổ trợ lu trữ các thông số kỹ thuật về quá
trình thu thông tin, số hiệu của ảnh, ngày, tháng, năm, các chỉ tiêu chất l-
ợng
8.4 Số liệu mặt đất
Số liệu mặt đất là một tập hợp các quan sát, mô tả, đo đạc về các
điều kiện thực tế trên mặt đất trong đó các vật thể cần nghiên cứu tồn tại
nhằm xác định mối tơng quan giữa tín hiệu thu đợc và bản thân các đối t-
ợng. Nói chung các số liệu mặt đất cần phải đợc thu thập đồng thời trong
cùng một thời điểm với số liệu vệ tinh hoặc trong một khoảng thời gian
sao cho các sự thay đổi của các đối tợng nghiên cứu trong thời gian đó
không ảnh hởng tới việc xác định các mối quan hệ cần tìm.
Số liệu mặt đất đợc sử dụng cho các mục đích sau:
- Thiết kế các bộ cảm
- Kiểm định các thông số kỹ thuật của bộ cảm
- Thu thập các thông tin bổ trợ cho quá trình phân tích và hiệu chỉnh
số liệu.
Những thông tin sau cần đợc thu thập trong khi khảo sát thực địa:
a. Các thông tin tổng quan cũng nh chi tiết về đối tợng nghiên cứu
nh chủng loại, trạng thái, tính chất phản xạ và hấp thụ phổ, hình dáng bề
mặt, nhiệt độ
b. Các thông tin về môi trờng xung quanh, góc chiếu và độ cao mặt

trời, cờng độ chiếu sáng, trạng thái khí quyển, nhiệt độ, độ ẩm không khí,
hớng và tốc độ gió
24
Tuy nhiên tùy vào từng trờng hợp cụ thể mà các thông tin cần thu
thập có thể khác nhau về chủng loại cũng nh mức độ chi tiết.
Do việc thu thập số liệu mặt đất là một công việc tốn kém thời gian
và kinh phí cho nên ngời ta thờng thành lập các khu vực polygon thử
nghiệm trong đó có đầy đủ các đối tợng cần theo dõi và đo đạc.
8.5 Số liệu định vị mặt đất
Để có thể đạt đợc các độ chính xác trong qúa trình hiệu chỉnh hình
học cần phải có các điểm định vị trên mặt đất có toạ độ địa lý đã biết.
Những điểm này thờng đợc bố trí tại những nơi mà vị trí của nó có thể
thấy đợc dễ dàng trên ảnh và bản đồ. Tuy nhiên không phải lúc nào cũng
có thể lấy hoặc đo tọa độ của nó một cách dễ dàng cho nên hiện nay ngời
ta sử dụng nhiều hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global positioning
system) vào mục đích này.
GPS là một kỹ thuật xác định vị trí dựa trên vệ tinh. Trên hình 27 là
sơ đồ nguyên lý xác định toạ độ của kỹ thuật GPS. Có hai phơng pháp
định vị đợc sử dụng đó là định vị đơn điểm và định vị tuơng đối.
Định vị đơn điểm là phơng pháp xác định toạ độ dựa trên một bộ
cảm. Đô chính xác tọa độ đợc xác định là khoảng 10-30 m. Có 4 ẩn số
cần tìm là và. Chính vì vậy cần phải có ít nhất 4 vệ tinh đợc nhìn thấy
đồng thời cùng một lúc trên bầu trời. Hệ thống định vị toàn cầu GPS có
18 vệ tinh bay ở độ cao 20 000 km với 3 quỹ đạo khác nhau và mỗi quỹ
đạo có 6 vệ tinh cho phép tại bất cứ điểm nào của trái đất cũng nhìn thấy
4 vệ tinh trên bầu trời trong cùng một thời điểm.
Định vị tơng đối là phơng pháp xác định tọa độ dựa trên tọa độ của
điểm cho trớc. Trong trờng hợp này chỉ cần hai vệ tinh GPS đợc trông
thấy trong cùng một thời điểm. Độ chính xác của phơng pháp này phụ
thuộc vào khoảng cách từ điểm cho trớc đến điểm cần đo và thờng trong

khoảng 2-5 cm đối với vị trí và 20 đến 30 cm cho độ cao.
8.6 Bản đồ và số liệu địa hình
Để phục vụ cho các công tác nghiên cứu khác nhau của viễn thám vệ
tinh, những bản đồ địa hình và chuyên đề sau cần thiết phải có đợc.
a. Bản đồ địa hình tỷ lệ 1/25 000 hoặc 1/50 000. Trên bản đồ địa
hình có thể lấy đợc tọa độ các điểm kiểm tra phục vụ việc hiệu chỉnh hình
học hoặc các thông số độ cao nhằm tái tạo không gian 3 chiều phục vụ
việc nắn ảnh hoặc nhìn 3 chiều.
b. Bản đồ chuyên đề. Các bản đồ chuyên đề nh sử dụng đất, rừng, địa
chất v.v. tỷ lệ khoảng từ 1/50 000 đến 1/250 000 rất cần thiết cho việc
nghiên cứu chuyên đề, chọn vùng mẫu và phân loại. Nếu các bản đồ này
25