bài giảng viễn thám cơ sở chương iii đặc điểm các loại tư liệu viễn thám và các phương pháp thu nhận tư liệu viễn thám

Chtơng 3
Đặc điểm các loại t| liệu Viễn thám
v~ các ph|ơng pháp thu nhận t| liệu viễn thám
Trong viễn thám có hai dạng t liệu cơ bản l t liệu ảnh (ảnh photograph, ảnh
image) v t liệu số (digital data: băng từ, đĩa từ ). Phần ny sẽ giới thiệu chung về
các loại t liệu đó.
3.1. Đặc điểm phim ảnh đen trắng v mu
3.1.1. Phim đen trắng
Phim đen trắng có cấu tạo gồm hai lớp: lớp đế trong suốt có bề mặt nhám v
lớp nhũ tơng với thnh phần l muối halogen bạc (AgCl) có độ dy khoảng 100Pm.
Các hạt muối bạc có đờng kính vi micromet hoặc nhỏ hơn. Khi có ánh sáng tác
động của các photon ánh sáng lm 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 ) v 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 ) v 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)
v tráng phim đen trắng (C)
Khi tráng phim, các nguyên tử bạc đợc giải phóng sẽ liên kết để tạo thnh lớp
phân tử bạc bền vững mờ đục, không cho ánh sáng truyền qua v bám vo đế phim,
ngời ta gọi đó l quá trình hình thnh hình ảnh (latent image). Khi rửa phim sự
tơng tác đó đợc ngng tụ nhờ dung dịch hóa chất v những chỗ m nhũ tơng còn
cha bị ánh sáng tác động vo sẽ đợc rửa trôi đi v chỉ còn lại đế phim trong suốt.
Nh vậy khu vực no bị tác động ánh sáng sẽ có mu 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 l quá trình rọi sáng ngợc trở lại với việc dùng phim âm bản lm 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 v phần bị che kín hoặc
không đợc chiếu sáng 100% sẽ có mu trắng. Độ tối sáng của hình ảnh phụ thuộc
vo 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 1Pm
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 v có khả năng nhạy cảm với ton bộ dải nhìn thấy v
phần hồng ngoại phản xạ (0,38 - 0,9Pm). Phim ảnh có thể thu nhận tín hiệu ảnh

sáng trong những điều kiện chiếu sáng v 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 mu sắc hơn l các mức độ sáng.
Khoa học về mu chia các mu cơ bản thnh 2 nhóm: các mu cộng (dơng) cơ bản v
các mu trừ (âm) cơ bản. Đặc điểm các mu đó đợc thể hiện trong khái niệm về tam
giác mu.
x Filter mu: l các tấm lọc trong suốt đối với 1(hoặc 2) tia sáng đơn sắc,
nghĩa l chỉ cho một( hoặc 2 ) tia đơn sắc nhất định đi qua v không cho các tia sáng
khác đi qua. Trong thực tế có nhiều loại filter khác nhau: blue, green, red, cực tím,
yellow
x Các mu dơng-hay mu cộng( additive colour ) l: Blue ( lơ )+ Green (
lục )+ Red ( đỏ ) khi kết hợp sẽ cho mu White ( trắng).
x Cácmu âm- hay mu trừ(substractive colour ) l: Yellow (vng) + Cyan
(chm) + Magenta (đỏ da cam), khi kết hợp sẽ cho mu Black (đen).
a. Tổ hợp các mu dơng b. Tổ hợp các mu âm
Hình 3.3: Kết hợp của các tia đơn sắc chính dơng (+) v âm (-).
x Tam giác mu: l tam giác đều có cấu tạo nh sau (hình 3.4)
- Đỉnh tam giác l các mu dơng (cộng cơ bản):
- Cạnh tam giác l các mu âm (trừ):
Nguyên tắc hoạt động của các filter trong tam giác mu:
- Các fitter mu âm hấp thụ 1 mu dơng ở đỉnh đối diện của tam giác v cho
truyền qua 2 mu dơng ở hai cạnh tam giác.
35
Ví dụ: filter mu vng (Yellow) hấp thụ ánh sáng xanh lơ (blue) v cho các tia
mu đỏ (Red) v lục (Green) đi qua.
- Ngợc lại các fitter mu dơng lại hấp thụ 2mu âm ở hai cạnh bên v cho
qua 1mu âm ở cạnh đối diện .
Ví dụ:

fitter mu xanh lơ (Blue) thì hấp thụ hai mu đỏ da cam (Magenta) v
chm (Cyan), cho mu vng (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 mu sắc.
Hình 3.4: Tam giác mu với các mu cộng v các mu trừ
3.1.2.2. Phim ảnh mu
Có hai loại phim mu âm bản v dơng bản, nguyên tắc chuyển đổi mu trong
phim tuân theo nguyên tắc tam giác mu.
Phim mu bao gồm 4 lớp, khi lộ sáng, lớp đế trong suốt v thô, phía trên l 3
lớp nhũ tơng có nhạy cảm với 3 mu dơng (Blue, Green, Red) (hình 3.5)
ở giữa lớp mu 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 ny luôn xảy ra vo
ban ngy, khi trời quang mây thì các phân tử của Ozon, Cácbonic, Nitơ,Oxitcacbon
.tác động lm tán xạ mạnh tia blue của ánh sáng mặt trời, hiện tợng ny lm cho
bầu trời luôn có mu xanh blue (xanh da trời). Kết quả sau khi lộ sáng v định hình,
phim âm bản xuất hiện các mu âm. Khi in ảnh mu, quá trình lộ sáng theo cơ chế
ngợc lại l nhạy cảm với các tia mu âm v nhuộm mu dơng giống nh mu ban
đầu của đối tợng tự nhiên (hình 3.6).
36
Lớp nhạy cảm mu xanh lam tạo lớp nhuộm mu vng
Lọc mu xanh lam
Lớp nhạy mu mu lục tạo mu magenta
Lớp nhạy mu đỏ tạo lớp nhuộm mu cyan
Nền
Lớp đáy
a) Mặt cắt chung
Log độ nhạy
Lớ
p
nhuộm vn

g
kiểm soát ánh sán
g
mu xanh lam
Lớ
p
nhuộm ma
g
enta kiểm soát mu lục
Lớ
p
nhuộm mu c
y
an kiểm soát mu đỏ
Xanh
lam
Xanh
lục
Đỏ
b) Độ nhạ
yp
hổ của các lớ
pp
him mu
Hình 3.5: Cấu trúc của phim hoặc ảnh mu v cơ chế tạo mu của các lớp nhũ tơng.
Đối tợng
ánh sáng
Đỏ Lục Lam Trắng Đen
Nhuộm mu Nhạy cảm phổ
Phim âm bản

YY
Yellow Blue
MM
Magenta Green
CC
Cyan Red
Để phim
CMY BW
Mu tổn
g
hợ
p
trên
p
him âm bản (sau khi
định hình)
Nhuộm mu Nhạy cảm phổ
Sau khi in tráng ảnh
YY Y
Blue Yellow
MMM
Green Magenta
Phim dơn
g
bản hoặc
ảnh in ra (sau khi định
hình)
CC C
Red Cyan
Để phim

RGBWB
Mu tổn
g
hợ
p
trên
phim giấy ảnh
Hình 3.6: Quá trình lộ sáng v tráng phim ảnh mu.
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 ny 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 l (hình 3.7):
Lớp nhạy phổ hồng ngoại gần (v xanh lam -blue)
(tạo lớp nhuộm mu xanh chm (cyan)
Lớp nhạy mu lục (v blue) (tạo lớp nhuộm mu vng)
Lớp nhạy mu đỏ (v xanh lam) tạo lớp nhuộm mu
đỏ tơi magenta
Nền
Lớp đáy
Xanh lam
(blue)
Xanh lục
(green)
Đỏ
Hồng ngoại gần
Bớc sóng O
Lớp nhuộm mu chm cyan

Lớp nhuộm mu đỏ tơi magenta
Lớ
p
nhuộm mu vn
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 mu (theo Lillesand, Thomas M. v Ralph W. Kiefer, 2000)
- Lớp tạo mu Yellow: nhạy cảm với ánh sáng Green.
- Lớp tạo mu Magenta: nhạy cảm với ánh sáng Red.
- Lớp tạo mu Cyan: nhạy cảm với ánh sáng hồng ngoại gần (NIR)
Cả 3 lớp nhũ tơng đều nhạy cảm với ánh sáng Blue v đợc loại ra bằng
cách đặt một fitter phía trên ống kính. Hiện nay, phim hồng ngoại có phủ thêm một
lớp mu vng trong suốt thay thế cho filter.
38
Cần lu ý rằng khái niệm hồng ngoại không nói lên sự nóng m chỉ nói lên
dải hồng ngoại phản xạ dùng để chụp ảnh. Đặc điểm mu của các đối tợng thay đổi
khác nhau giữa phim mu ảnh thờng v phim mu hồng ngoại (bảng 3.1).
Bảng 3.1: Đặc điểm mu của đối tợng trên phim mu thông thờng v hồng ngoại
Đối tợng
Trên phim mu bình
thờng
Trên phim mu 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 v nớc
Xanh lục
Xanh lục
Xanh lục
Xanh vng - vng.
Đỏ đến vng.
Xanh Blue - Green.
Xanh chm sáng.
Không rõ
Đỏ đến đỏ xẫm
Mu nâu đến đỏ nâu
Hồng đến xanh lơ
Xanh chm
Vng đến trắng.
Xanh xẫm - đen.
Xanh lơ sáng.
Rất rõ
Ngoi phim mu 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 v các loại ảnh ny sẽ đợc đề cập ở phần sau.
3.2. ảnh số, cấu trúc v 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 l một ma trận không gian của tập hợp các pixel (Picture

element) sắp xếp theo hng v cột. Vị trí của mỗi pixel đợc xác định theo tọa độ
hng v cột trên ảnh tính từ góc trên cùng bên trái. Tùy theo hệ thống quét ảnh m
kích thớc của hình ảnh (diện tích quét trên mặt đất). Ví dụ với hệ thống Landsat
MSS l 185 x 185km, với hệ thống SPOT l 65 x 65km, ảnh NOAA l 2400 x
2400km
- Phần tử ảnh (picture element) l một đơn vị nhỏ nhất về không gian trên
một file ảnh v nó chính l pixel ảnh hay một ô đơn vị trong ma trận ô vuông. Vị trí
của đơn vị ảnh l vị trí dòng v 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 nh
nớc (State plane) Thông số của mỗi pixel trên ảnh l : hng (row), cột ( colum )
39
v giá trị số DN ( digital Number ). Mỗi pixel có 3 giá trị: X, Y v Z. Trong đó X, Y
l tọa độ hng cột v Z l giá trị độ sáng (DN )của hình ảnh v giá trị ny liên quan
đến tính chất phổ của các đối tợng, giá trị Z thờng đợc chuyển thnh giá trị số
của nhiều (0 v 1). Độ sáng của hình ảnh đợc ghi ở 8 bit ( 2
8
= 256) với 256 cấp
độ: 0 l đen v 255 l 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 l
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) v 3.240 cột (mỗi cột rộng
57m) (hình 3.9).
Lợng pixel trong một ảnh đợc tính bằng (số hng)x (số cột) x (số band
phổ), đây l một con số rất lớn (hình 3.8).
Kích thớc của 1 pixel l 57 x 79m song ngời ta tính tơng đối cho độ phân
giải không gian l 79 x 79m. Tổng số pixel trong 1 band của 1 hình ảnh (1 ảnh) l:

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).
Hng
Hình 3.8: Cấu trúc ảnh số tạo từ phơng pháp quét. Mỗi pixel có toạ độ hng,
cột v giá trị số (DN) (góc trên cùng bên trái của ảnh có toạ độ: hng = 0, cột = 0).
Cột
Giá trị số
(DN)
40
Hình 3.9: Cấu trúc ảnh Landsat MSS (A) v Landsat TM (B)
Để tiện xử lý trong máy tính ngời ta chuyển thnh tỉ lệ 8 bít hoặc số thực. Với
4 band, số pixel l 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 l liên quan
đến số hng, 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 v 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 m 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 l tệp header, ví dụ
thông tin về band phổ, độ phân giải, giờ, ngy 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 l tệp dữ liệu.
3.2.2. Phơng thức lu trữ tệp ảnh số
Dữ liệu ảnh số cấu thnh từ 3 tệp ny thông thờng đợc lu trữ theo các cấu
trúc khác nhau l: BSQ, BIL hoặc BIP (hình 3.10).
41
Cấu trúc dữ liệu theo BIL (band interleaved by lines)
Cấu trúc BIL l cấu trúc dữ liệu đợc lu trữ tất cả các băng theo thứ tự dòng
không phụ thuộc vo 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 ny tất cả dữ liệu thuộc một kênh ảnh đợc lu trữ
riêng thnh một tệp. Nếu nh ảnh số về một khu vực no 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 v BIP
42
Cấu trúc dữ liệu kiểu BIP ( band inteleaved by pixel)
Trong cấu trúc ny, 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 l 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 v điều kiện chiếu sáng file lu
các thông tin ny gọi l phần đầu của t liệu (header) , hoặc có thể ghi thnh file
riêng gọi l file trợ giúp (Auxilary Data )

Kể từ năm 1982, hình ảnh do vệ tinh thu thờng đợc lu trong một khuôn
dạng chuẩn gọi l khuôn dạng chuẩnthế giới (World Standard Format-WSF), hay
LTWG (Specified by Landsat Technical Working Group).
Mặt khác, hai khuôn dạng dữ liệu l BIL v BSQ cũng đợc chọn l 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 v 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 v thu ảnh thep phơng pháp quét. Cả hai phơng pháp,
kết quả đều cho ra sản phẩm l hình ảnh của đối tợng, song về nguyên tắc tạo ảnh
v đặc điểm của hình ảnh hon ton khác nhau.
3.3.1. Chụp ảnh theo nguyên tắc khung (Framming)
Sử dụng máy ảnh v phim ảnh để tạo hình ảnh của đối tợng dới mặt đất.
Thông thờng ngời ta áp dụng phơng pháp ny cho việc chụp ảnh máy bay song
cũng có thể chụp từ về tinh hoặc tu vũ trụ. Chụp theo nguyên tắc khung, về ý nghĩa
l 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 vo ống kính của máy ảnh. Những đặc điểm cơ bản
của ảnh chụp theo nguyên tắc khung l: độ phân giải, tỉ lệ ảnh v độ lệch của địa
hình l những đặc điểm cần quan tâm.
43
Thông thờng cách chụp ảnh có hai kiểu: chụp đứng v 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 v 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 l ảnh chụp nghiêng.
Nếu trên ảnh xuất hiện đờng chân trời thì lúc đó, độ nghiêng của máy ảnh l 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 v truyền qua thấu
kính lồi in lại trên một mặt phẳng nằm sau thấu kính. Trên mặt phẳng ny 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 l thiết bị quang học chính xác. Hợp
phần chính của nó bao gồm một thấu kính lồi v phim ghi nhận hình ảnh đặt đằng
sau thấu kính. Máy ảnh đợc chia ra lm 4 loại chính:
- Máy ảnh khung đơn thông dụng
- Hai máy chụp ảnh ton cảnh
- Ba máy chụp ảnh theo đờng.
Máy ảnh loại ny l máy ảnh sử dụng rộng rãi trong viến thám . Hợp phần
của máy ảnh bao gồm thấu kính lồi, ngăn để phim, v thiết bị hình nón. Ngăn để
phim - gọi l magazine, có chức năng giữ phim v cấu thnh từ hai bộ phận trải v
cuộn phim.
- Bốn máy chụp đa kênh.
3.3.1.2. Các loại máy ảnh chính dùng trong chụp ảnh khung
x
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 ton cảnh
(Theo Lllesand v Kiefer, 1987)
x Máy ảnh chụp ton cảnh:
L 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 l ảnh chụp có hình ảnh của cả một vùng rộng lớn nhng không phải l
hình ảnh chiếu trên mặt phẳng nằm ngang (hình 3.13).Với hình ảnh chụp theo
phơng pháp ny 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 ton cảnh từ máy bay
x Máy ảnh khung đa thấu kính hay đa kênh
Máy ảnh kiểu ny 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 ny. 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 mu
(filter) khác nhau.
Hình 3.14: Máy ảnh đa kênh (theo Lillesand v 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 l
phơng pháp quét. Phơng pháp quét có thể đợc thực hiện ở cả tầng máy bay v
tầng vệ tinh v sử dụng nhiều trong việc thu nhận tín hiệu phổ ở vùng sóng di
(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 v 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
v một kênh
Đờng quét hiện hnh
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 thnh nhiều dải
phổ khác nhu nhờ có fiter.
- Các tia sáng với bớc sóng khác nhau đợc tách ra v thu nhận bằng các
thiết bị cảm biến, gọi l 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 l
detector) thu nhận đợc v chuyển thnh tín hiệu từ để ghi lại vo băng từ. Nếu thiết
bị bay l 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 thnh hình
ảnh dạng số v 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 l máy bay v 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).
x Thiết bị thu phổ quét ngang
Hệ quét phổ ngang l hệ m 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 v 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 l góc hình nón (góc E) vuông góc với
mặt đất, có diện quét phủ bởi gơng quay. Trờng nhìn tức thì ny tơng ứng với
đơn vị phân giải mặt đất. Diện phủ của gơng trên mặt đất l một vòng tròn có
đờng kính D v đợc tính theo công thức:
D = H'E
Hình 3.18: Trờng nhìn tức thì
v diện phủ vòng tròn trên mặt
đất chụp ảnh quét đa phổ
(Theo Thomas M. Llillesand v
Ralph W. Kiefer) 1999
Trờn
g
nhìn tức
thời (IFOV)-

E
trong đó: D l đờng kính vòng tròn của gơng nhìn trên mặt đất,
H' l độ cao của máy bay so với mặt đất,
E l góc nhìn tức thì của bộ cảm tính bằng radian.
Đờng kính D l 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
l 2.5 milliradian (1 radian l độ di cung của một góc 57,29
0
).
Độ phân giải không gian sẽ l:
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 v diện phủ của trờng nhìn tức thì
trên mặt đất sẽ tăng dần theo sự tăng của góc nghiêng giữ hớng nhìn v đờng
vuông góc với mặt đất.
Trờng nhìn IFOV của máy quét đa phổ có kích thớc từ 0.5 đến 5 milliradian.
IFOV cng nhỏ thì ảnh cng nét. Hầu hết các bộ cảm đa phổ dùng gơng
vuông, v 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) m chúng
thờng nhỏ hơn (hình 3.19). Khoảng cách ny 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
l 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 ny còn gọi
l khoảng cách lấy mẫu trên mặt đất (GDS) v cũng l 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 v kích thớc của pixel theo IFOV).
x Thiết bị thu phổ quét dọc
Quét đa phổ dọc, hay còn gọi l 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 ny.
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) v định độ phân giải trên mặt đất theo IFOV của đầu ghi ny. 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 ny 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 vo 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 (
P
m)
Vùng phổ
1 0,38 0,42 Cực tím v 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 (
P
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 l 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 Pm đến 1,51Pm. Mỗi bức ảnh ghi ở một band phổ riêng biệt với độ rộng mỗi
band l 0,01Pm 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 l:
- Các máy quét yêu cầu một hệ quang học đơn giản v ghi nhận một cách hon
hảo mọi chi tiết. Trờng hợp ny không có ở nhiều bức ảnh chụp đa phổ dạng chụp
ton cảnh.
- Các detector quét có thể ghi các dải sóng vợt ngoi dải nhạy cảm của phim
chụp thông thờng.
- Các hệ thống quét có u điểm l có thể thu nhận hng trăm bức ảnh đa phổ ở
các band phổ rất hẹp, điều ny rất hữu ích cho việc phân tích quang phổ v lập bản
đồ một cách chi tiết các đối tợng trên mặt đất.
- T liệu số từ các máy quét l rất phức tạp, đắt tiền v đòi hỏi xử lý máy tính
để tạo hình ảnh. Kỹ thuật quét bên sờn l 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 l kích thớc nhỏ nhất của một vật m 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 ny. Độ lớn của pixel ảnh sẽ l 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 v IKONOS), đến 6.4 m

(ảnh radar), 10 m (SPOT), v 1 km (ảnh vệ tinh NOAA). Một ảnh số có độ phân giải
cng cao l ảnh có kích thớc pixel cng 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 l 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 l số lợng kênh ảnh của một ảnh số về một khu vực no đó.
Số lợng kênh ảnh phụ thuộc vo khả năng ghi phổ của thiết bị ghi hay bộ cảm. Độ
phân giải phổ cao nhất đạt đến hơn 200 kênh gọi l 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 l 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 m chỉ liên quan đến khả năng chụp lặp lại của vệ tinh, nghĩa l liên quan
đến quỹ đạo của vệ tinh ). Một vùng chụp vo các thời điểm khác nhau sẽ cho ra
các thông tin về vùng đó chính xác hơn v 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 l 18
ngy, SPOT l 26 ngy Độ phân giải thời cao nhất l ảnh khí tợng với phân giải
thời gian l 30 phút (GMS) v 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