Giáo trình cơ sở VIỄN THÁM

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI
TS VŨ DANH TUYÊN
TS TRỊNH LÊ HÙNG
ThS PHẠM THỊ THƯƠNG HUYỀN

CƠ SỞ VIỄN THÁM

HÀ NỘI 2013
1


MỤC LỤC
Viễn thám là một ngành khoa học có lịch sử phát triển lâu đời, tuy nhiên sự phát triển mạnh mẽ
của khoa học viễn thám chỉ bắt đầu từ những thập kỷ cuối thế kỷ 20. Với những ưu điểm nổi bật
so với các phương pháp nghiên cứu truyền thống như độ phủ trùm rộng, có khả năng chụp lặp lại
trong thời gian ngắn, có thể chụp ảnh những vùng mà việc điều tra, thăm dò, đi lại rất khó khăn,
… ngày nay kỹ thuật viễn thám đã được ứng dụng hiệu quả trong nghiên cứu, giám sát tài nguyên
và môi trường cũng như trong mục đích quân sự. Ứng dụng viễn thám trong nghiên cứu tài
nguyên, môi trường trở thành xu hướng phát triển tất yếu của mọi quốc gia, trong đó có Việt
Nam. ................................................................................................................................................5
1.1 MỞ ĐẦU.............................................................................................................................................8
1.1.1 Khái niệm về viễn thám ...............................................................................................................8
1.1.2 Lịch sử hình thành và xu hướng phát triển ...............................................................................10
1.3 CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA VIỄN THÁM........................................................................................................17
1.3.1 Tính chất của bức xạ điện từ .....................................................................................................17
1.3.2 Tương tác năng lượng sóng điện từ trong khí quyển .................................................................20
1.3.3 Tương tác năng lượng sóng điện từ với các đối tượng tự nhiên...............................................21
1.3.4 Khả năng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên....................................................................23
1.3.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên.........................28

Chương 2: BỘ CẢM BIẾN VÀ VỆ TINH VIỄN THÁM..............................................................30
2.1 NHỮNG KHÁI NIỆM CHUNG VỀ BỘ CẢM BIẾN ..................................................................................30
2.2 BỘ CẢM BIẾN SỬ DỤNG TRONG KỸ THUẬT VIỄN THÁM...................................................................33
2.2.1 Máy quét quang cơ....................................................................................................................33
2.2.2 Máy quét điện tử.......................................................................................................................33
2.2.3 Các bộ cảm biến thông dụng.....................................................................................................34
2.3 VẬT MANG VÀ QUỸ ĐẠO BAY...........................................................................................................35
2.4 VỆ TINH GIÁM SÁT TÀI NGUYÊN.......................................................................................................39
2.4.1 Vệ tinh LANDSAT........................................................................................................................39
2.4.2 Vệ tinh SPOT..............................................................................................................................42
2


2.4.3 Một số vệ tinh khác...................................................................................................................43

Chương 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP VIỄN THÁM..........................................................................49
3.1 VIỄN THÁM HÀNG KHÔNG...............................................................................................................49
3.2 VIỄN THÁM HỒNG NGOẠI NHIỆT......................................................................................................53
3.2.1 Khái niệm và nguyên lý cơ bản..................................................................................................53
3.2.2 Đặc điểm hình học của ảnh hồng ngoại nhiệt ............................................................................58
3.2.3 Khả năng ứng dụng của ảnh hồng ngoại nhiệt ...........................................................................59
Nghiên cứu nhiệt độ nước biển. Nhiệt độ là một trong những đặc trưng vật lí quan trọng của nước
biển. Trong hải dương học, nghiên cứu nhiệt độ, độ muối giúp tính toán mật độ riêng, thể tích riêng,
phân chia các khối nước, nghiên cứu sự di chuyển của các khối nước, tính toán dòng chảy mật độ,
vận tốc âm….......................................................................................................................................65
3.3 VIỄN THÁM RADAR...........................................................................................................................67
3.3.1 Khái niệm và nguyên lý cơ bản..................................................................................................67
3.3.2 Đặc điểm hình học của ảnh radar..............................................................................................71
3.3.3 Khả năng ứng dụng của ảnh radar.............................................................................................75

Chương 4: ẢNH VỆ TINH QUANG HỌC VÀ XỬ LÝ ẢNH VỆ TINH .....................................82
QUANG HỌC................................................................................................................................82
4.1 KHÁI NIỆM VỀ ẢNH SỐ......................................................................................................................82

Ảnh số được tạo bởi mảng hai chiều của các phần tử ảnh có cùng kích thước được gọi là pixel
ảnh. Mỗi pixel được xác định bởi tọa độ hàng (m), cột (n) và giá trị độ xám của nó g(m,n). Giá trị
độ xám của pixel thay đổi theo tọa độ điểm (x,y). Tọa độ hàng và cột của mỗi pixel đều là các số
nguyên. Tọa độ số hóa là các giá trị rời rạc m, n được xác định như sau:......................................82
Giá trị độ xám. Giá trị độ xám là sự mã hoá tương ứng cường độ sáng của mỗi điểm ảnh bởi một
giá trị số. Quá trình mã hoá này được nhờ hoạt động của các thiết bị tích điện kép (Charge
Coupled Devices, CCD) trong các bộ cảm biến. Khi dùng các bộ cảm biến này để chụp ảnh số
hoặc quét ảnh, các hạt lượng tử ảnh sáng (photon) đập vào các pixel của CCD và tạo ra sự tích
điện trong mỗi pixel đó. Các điện tích gây ra bởi các lượng tử ánh sáng được truyền tới “bộ
chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số”. Bộ chuyển đổi này đo các điện tích đó và chuyển
chúng sang tín hiệu số tương ứng tuỳ theo độ lớn khác nhau của các điện tích (Bethel, 1990).
Dưới dạng tín hiệu số, mỗi pixel được gán cho một giá trị số, các giá trị số này được thể hiện
bằng mức độ xám tương ứng. Các phần tử của ma trận độ xám g(m,n) có dạng:..........................83
3


4.2 ĐỘ PHÂN GIẢI CỦA ẢNH VỆ TINH.....................................................................................................84
4.2.1 Độ phân giải không gian (spatial resolution)..............................................................................85
4.2.2 Độ phân giải bức xạ...................................................................................................................85
4.2.3 Độ phân giải phổ (spectral resolution).......................................................................................86
4.2.4 Độ phân giải thời gian (temporal resolution).............................................................................86
4.3 KHUÔN DẠNG DỮ LIỆU ẢNH.............................................................................................................87
4.4 PHÂN TÍCH ẢNH BẰNG MẮT.............................................................................................................89
4.4.1 Khái niệm...................................................................................................................................89
4.4.2 Các dấu hiệu phân loại...............................................................................................................89
4.5 XỬ LÝ ẢNH SỐ...................................................................................................................................92

4.5.1 Tiền xử lý ảnh.............................................................................................................................92
4.5.2 Tăng cường chất lượng ảnh.....................................................................................................102
4.5.3 Chuyển đổi ảnh........................................................................................................................106
4.5.4 Phân loại ảnh...........................................................................................................................121

4


LỜI NÓI ĐẦU
Viễn thám là một ngành khoa học có lịch sử phát triển lâu đời, tuy nhiên sự phát
triển mạnh mẽ của khoa học viễn thám chỉ bắt đầu từ những thập kỷ cuối thế kỷ 20. Với
những ưu điểm nổi bật so với các phương pháp nghiên cứu truyền thống như độ phủ trùm
rộng, có khả năng chụp lặp lại trong thời gian ngắn, có thể chụp ảnh những vùng mà việc
điều tra, thăm dò, đi lại rất khó khăn, … ngày nay kỹ thuật viễn thám đã được ứng dụng
hiệu quả trong nghiên cứu, giám sát tài nguyên và môi trường cũng như trong mục đích
quân sự. Ứng dụng viễn thám trong nghiên cứu tài nguyên, môi trường trở thành xu
hướng phát triển tất yếu của mọi quốc gia, trong đó có Việt Nam.
Ở Việt Nam, kỹ thuật viễn thám bắt đầu được sử dụng từ những năm cuối cuối của
thế kỷ XX, ban đầu nhằm thành lập và hiệu chỉnh bản đồ địa hình, bản đồ chuyên đề các
tỉ lệ. Ngày nay, cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, tư liệu ảnh vệ tinh đã được
ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, từ lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất, giám sát tài nguyên
nước, tài nguyên rừng, dự báo năng suất lúa, …Tháng 5 năm 2013, vệ tinh viễn thám đầu
tiên của nước ta mang tên VNREDSAT đã được phóng thành công lên quỹ đạo.
VNREDSAT sẽ cung cấp nguồn dữ liệu ảnh phong phú phục vụ nghiên cứu, giám sát tài
nguyên, môi trường và đảm bảo quốc phòng, an ninh. Dự kiến trong thời gian tới, các thế
hệ vệ tinh viễn thám tiếp theo, đặc biệt là viễn thám radar sẽ tiếp tục được triển khai nhằm
chủ động nguồn tư liệu phục vụ nghiên cứu, sản xuất.
Sự phát triển mạnh mẽ của khoa học Trái đất nói chung, kỹ thuật viễn thám nói
riêng dẫn tới nhu cầu cấp bách về nguồn nhân lực có chuyên môn cao về lĩnh vực này.
Chuyên ngành Viễn thám đã được đưa vào đào tạo ở nhiều trường đại học ở trình độ kỹ

sư, cao học và nghiên cứu sinh cũng như các khóa ngắn hạn. Mặc dù một số giáo trình đã
được xuất bản, trong thực tế giảng dạy ở Việt Nam vẫn còn thiếu giáo trình về viễn thám
từ mức cơ sở đến chuyên sâu. Bên cạnh đó, chương trình đào tạo của các trường đại học
cũng có đặc thù riêng đòi hỏi giáo trình về viễn thám cũng phải phù hợp với các lĩnh vực
5


đào tạo cụ thể của trường. Mục đích của việc biên soạn cuốn “Cơ sở Viễn thám” này
nhằm làm giáo trình phục vụ sinh viên đại học các chuyên ngành thuộc khoa học Trái đất
tại trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội. Cuốn sách cung cấp những kiến
thức cơ bản, nền tảng nhất của kỹ thuật viễn thám, giúp sinh viên nắm được bản chất của
khoa học viễn thám, nguyên lý hoạt động, các phương pháp xử lý và phân loại ảnh. Kiến
thức trong giáo trình cũng là kiến thức bắt buộc để sinh viên có thể theo học các học phần
tiếp theo về viễn thám.
Giáo trình “Cơ sở viễn thám” gồm 4 chương do TS Vũ Danh Tuyên làm chủ biên,
các cán bộ giảng dạy có nhiều kinh nghiệm của Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà
Nội, Học viện Kỹ thuật Quân sự đảm nhận. Phân chia nhiệm vụ viết các chương trong
giáo trình như sau:
1. TS Vũ Danh Tuyên, chủ biên, biên soạn chương 1,4.
2. TS Trịnh Lê Hùng, biên soạn chương 3,4.
3. Th.S Phạm Thị Thương Huyền, biên soạn chương 2.
Mặc dù được chuẩn bị kỹ lưỡng nhưng trong cuốn sách này chắc chắn còn tồn tại
những thiếu sót. Các tác giả rất mong được các nhà khoa học, các bạn sinh viên và độc
giả quan tâm góp ý để giáo trình được hoàn thiện hơn.
Chúng tôi xin chân thành cảm ơn.
Thay mặt nhóm biên soạn: TS. Vũ Danh Tuyên

6

7


Chương 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT VIỄN THÁM
1.1 MỞ ĐẦU

1.1.1 Khái niệm về viễn thám
Khái niệm
Viễn thám là một ngành khoa học có lịch sử phát triển lâu đời. Sự phát triển của
khoa học viễn thám bắt đầu từ mục đích quân sự khi nghiên cứu các ảnh chụp sử dụng
phim và giấy ảnh từ khinh khí cầu, máy bay. Ngày nay, cùng sự phát triển của khoa học
kỹ thuật, viễn thám được ứng dụng trong nhiều ngành khoa học khác nhau như quân sự,
địa chất, địa lý, môi trường, khí tượng, thủy văn, nông nghiệp, lâm nghiệp,...
Theo nghĩa rộng, viễn thám là ngành khoa học nghiên cứu việc đo đạc, thu thập
thông tin về một đối tượng, sự vật bằng cách sử dụng thiết bị đo tác động một cách gián
tiếp với đối tượng nghiên cứu. Từ những ảnh chụp phim ban đầu thu nhận từ khinh khí
cầu, máy bay, …hiện nay, nguồn dữ liệu chính trong viễn thám là ảnh số thu nhận từ các
hệ thống vệ tinh quan sát Trái đất. Có rất nhiều định nghĩa khác nhau về viễn thám, nhưng
xét cho cùng tất cả các định nghĩa đều có một đặc điểm chung, nhấn mạnh “viễn thám là
khoa học nghiên cứu các thực thể, hiện tượng trên trái đất từ xa mà không cần tác động
trực tiếp vào nó”. Một số định nghĩa tiêu biểu về viễn thám của các nhà khoa học khác
nhau như:
1. Viễn thám là một nghệ thuật, khoa học, nói ít nhiều về một sự vật không cần phải
chạm vào vật đó (Ficher and others, 1976);
2. Viễn thám là quan sát về một đối tượng bằng một phương tiện cách xa vật trên một
khoảng cách nhất định (Barrer and Curtis, 1976);
3. Viễn thám là một khoa học về lấy thông tin từ một đối tượng, được đo từ một
khoảng cách xa vật không cần tiếp xúc với nó. Năng lượng được đo trong các hệ
viễn thám hiện nay là năng lượng điện từ phát ra từ vật quan tâm (Landgrete,
1978);

4. Viễn thám là ứng dụng vào việc lấy thông tin về mặt đất và mặt nước của Trái đất
bằng việc sử dụng các ảnh thu được từ một đầu chụp ảnh sử dụng bức xạ phổ điện
từ, đơn kênh hoặc đa phổ, bức xạ hoặc phản xạ từ bề mặt Trái đất (Janes Capbell,
1996);
5. Viễn thám là khoa học và nghệ thuật thu nhân thông tin về một vật thể, một vùng,
hoặc một hiện tượng, qua phân tích dữ liệu thu được bởi những phương tiện không
tiếp xúc với vật, vùng hoặc hiện tượng khi khảo sát (Likkesand and Kiefer, 1986);
Nguồn tài nguyên chủ yếu sử dụng trong viễn thám là sóng điện từ hoặc được phản
xạ, hoặc bức xạ từ vật thể. Thiết bị dùng để cảm nhận sóng điện từ phản xạ hoặc bức xạ từ
vật thể được gọi là bộ cảm biến (sensor). Bộ cảm biến có nhiệm vụ chuyển đổi giá trị điện
từ sang giá trị số để thu được ảnh số (digital number). Phương tiện dùng để mang các bộ
8


cảm được gọi là vật mang. Hiện nay, vật mang rất đa dạng, có thể là khinh khí cầu, máy
bay, vệ tinh, tàu vũ trụ,...
Các thành phần chính của một hệ thống viễn thám
Một hệ thống viễn thám thường bao gồm 7 phần tử có quan hệ chặt chẽ với nhau.
Trình tự hoạt động của các thành phần trong hệ thống viễn thám được mô tả trong hình sau:

Hình 1.1 Các thành phần trong hệ thống viễn thám
Nguồn năng lượng (A): thành phần đầu tiên của hệ thống viễn thám là nguồn năng
lượng để chiếu sáng hay cung cấp năng lượng điện từ tới đối tượng cần nghiên cứu. Trong
viễn thám chủ động sử dụng năng lượng phát ra từ nguồn phát đặt trên vật mang, còn
trong viễn thám bị động, nguồn năng lượng chủ yếu là bức xạ mặt trời.
Những tia phát xạ và khí quyển (B): bức xạ điện từ từ nguồn phát tới đối tượng
nghiên cứu sẽ phải tương tác qua lại với khí quyển nơi nó đi qua.
Sự tương tác với đối tượng (C): sau khi truyền qua khí quyển đến đối tượng, năng
lượng sẽ tương tác với đối tượng tùy thuộc vào đặc điểm của đối tượng và sóng điện từ.
Sự tương tác này có thể là sự truyền qua, sự hấp thụ hay bị phản xạ trở lại khí quyển.

Thu nhận năng lượng bằng bộ cảm biến (D): sau khi năng lượng được phát ra hoặc
bị phản xạ từ đối tượng, cần có bộ cảm biến để tập hợp lại và thu nhận sóng điện từ. Năng
lượng điện từ truyền về bộ cảm sẽ mang thông tin của đối tượng.
Sự truyền tải, thu nhận và xử lý (E): năng lượng được thu nhận bởi bộ cảm cần
được truyền tải (thường dưới dạng điện từ) đến một trạm thu nhận dữ liệu để xử lý sang
dạng ảnh. Ảnh này là dữ liệu thô.
Phân loại và phân tích ảnh (F): ảnh thô sẽ được xử lý để có thể sử dụng trong các
mục đích khác nhau. Để nhận biết được các đối tượng trên ảnh cần phải giải đoas chúng.
Ảnh được phân loại bằng việc kết hợp các phương pháp khác nhau (phân loại bằng mắt,
phân loại thực địa, phân loại tự động,...).
9


Ứng dụng (G): đây là thành phần cuối cùng của hệ thống viễn thám, được thực hiện
khi ứng dụng thông tin thu nhận được trong qúa trình xử lý ảnh vào các lĩnh vực, bài toán
cụ thể.
1.1.2 Lịch sử hình thành và xu hướng phát triển
Một số tài liệu nghiên cứu cho rằng, lịch sử phát triển của viễn thám có thể tính từ
thế ký thứ 4 trước công nguyên khi Aristote sáng tạo ra camera – obscura (obscura dark). Mặc dù những thành tựu đáng kể trong lý thuyết quang học đã đạt được từ thế kỷ
17 cũng như thấu kính quang học đã xuất hiện sớm hơn, bước phát triển thực sự đầu tiên
của khoa học viễn thám là vào giữa thế kỷ 19. Vào năm 1839, Louis Daguerre đã đưa ra
báo cáo công trình nghiên cứu về hóa ảnh photo, khởi đầu cho ngành chụp ảnh. Bức ảnh
đầu tiên chụp bề mặt trái đất từ khinh khí cầu được thực hiện vào năm 1858 bởi nhà nhiếp
ảnh người Pháp Gaspard Tournachon. Ông đã sử dụng khinh khí cầu ở độ cao 80 m để
chụp ảnh vùng Bievre nước Pháp. Từ sự việc này, năm 1858 được coi là năm khai sinh
của kỹ thuật viễn thám. Năm 1860, James Black đã chụp ảnh vùng Boston, Mỹ cũng từ
khinh khí cầu. Năm 1863, Mackwell đã tìm ra các định luật về sóng điện từ, kết quả này
là cơ sở vật lý cơ bản của lý thuyết viễn thám.

Hình 1.2 Ảnh viễn thám đầu tiên trên thế giới (vùng Bievre, Pháp, 1858)

Chiến tranh thế giới thứ nhất (1914 - 1918) đánh dấu giai đoạn khởi đầu của công
nghệ chụp ảnh từ máy bay phục vụ mục đích quân sự. Công nghệ chụp ảnh từ máy bay đã
kéo theo sự ra đời của rất nhiều thiết kế về các loại máy chụp ảnh, là cơ sở hình thành một
ngành khoa học mới: đo đạc ảnh (photogrammetry). Năm 1929 ở Liên Xô cũ đã thành lập
10


Viện nghiên cứu ảnh hàng không Leningrad, viện đã sử dụng ảnh hàng không để nghiên
cứu địa mạo, thực vật, thổ nhưỡng.
Trong thời gian chiến tranh thế giới thứ 2 đã chứng kiến những bước nhảy thực sự
trong kỹ thuật viễn thám. Ngành khoa học đo đạc ảnh đã phát triển lên tầm cao mới: tạo
ra các dụng cụ cảm biến bước sóng hồng ngoại, các hệ thống radar,...Trong thời gian này
đã chứng kiến 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 chụp ảnh màu hồng ngoại. Dựa trên kỹ thuật
này, một kỹ thuật do thám hàng không đã ra đời. Trong vùng sóng dài của sóng điện từ,
các hệ thống siêu cao tần (RADAR) đã được thiết kế và sử dụng để theo dõi và phát hiện
những vật thể chuyển động, nghiên cứu tầng ion. Vào những năm 50 của thế kỷ 20 người
ta tập trung nghiên cứu nhiều vào việc phát triển các hệ thống radar tạo ảnh có cửa mở
thực (RAR), đồng thời hệ thống radar có cửa mở tổng hợp (Syntheric Aparture Radar SAR) cũng được xúc tiến nghiên cứu. Vào năm 1956, tại Mỹ đã tiến hành thử nghiệm khả
năng dủng ảnh hàng không trong việc phân loại và phát hiện kiểu thực vật. Đến những
năm 1960, các cuộc thử nghiệm về ứng dụng ảnh hồng ngoại màu và đa phổ đã được tiến
hành.
Năm 1972, một mốc quan trọng trong lịch sử phát triển viễn thám được đánh dấu
với việc Mỹ đã phóng thành công lên quỹ đạo vệ tinh nghiên cứu tài nguyên thiên nhiên
LANDSAT. Sự kiện này mang đến khả năng thu nhận thông tin có tính chất toàn cầu về
môi trường xung quanh. Cho đến hiện nay, đã có 8 vệ tinh trong chương trình LANDSAT
được thực hiện, trong đó có 7 vệ tinh được phóng thành công lên quỹ đạo. Hiện nay, vệ
tinh LANDSAT 8 sau khi phóng thành công lên quỹ đạo đầu năm 2013 đang hoạt động
tốt và cung cấp một kho dữ liệu lớn trong nghiên cứu tài nguyên Trái đất.
Trong những năm 60, 70 thế kỉ 20, tàu Apollo đã chụp Trái đất dưới dạng ảnh nổi

và đa phổ, cho ra các thông tin hữu ích trong nghiên cứu mặt đất. Ngành hàng không vũ
trụ Liên Xô (cũ) và Nga ngày nay đã đóng vai trò tiên phong trong nghiên cứu Trái đất từ
vũ trụ. Các nghiên cứu đã được thực hiện trên các tàu vũ trụ có người như Soynz, Meteor,
Cosmos hoặc trên các trạm Salyut. Sản phẩm thu được là các ảnh chụp trên các thiết bị
quét đa phổ độ phân giải cao, như MSU - E (trên Meteor - priroda). Các bức ảnh chụp từ
vệ tinh Cosmos có 5 kênh phổ khác nhau, với kích thước 18 x 18 cm. Ngoài ra các ảnh
chụp từ các thiết bị chụp KATE - 140, MKF - 6M trên trạm quỹ đạo Salyut cho ra 6 kênh
ảnh thuộc dải phổ từ 0.4 µm đến 0.89 µm. Độ phân giải mặt đất tại tâm ảnh đạt 20m.
Kỹ thuật viễn thám đã được đưa vào sử dụng ở Việt Nam từ năm 1976 để điều tra
quy hoạch rừng. Mốc quan trọng để đánh dấu sự phát triển của kỹ thuật viễn thám ở Việt
Nam là sự hợp tác nhiều bên trong khuôn khổ của chương trình vũ trụ quốc tế (Inter
Cosmos) nhân chuyến bay vũ trụ kết hợp Liên Xô – Việt Nam tháng 07 năm 1980. Kết
quả nghiên cứu các công trình khoa học này được trình bày trong hội nghị khoa học về kỹ
thuật vũ trụ năm 1982 nhân tổng kết các thành tựu khoa học của chuyến bay vũ trụ năm
11


1980, trong đó một phần quan trọng là kết quả sử dụng ảnh đa phổ MKF - 6M vào mục
đích thành lập một loạt bản đồ chuyên đề như địa chất, đất, sử dụng đất, tài nguyên nước,
thủy văn, rừng,...Cột mốc quan trọng nhất đánh dấu sự phát triển của kỹ thuật viễn thám ở
Việt Nam là sự kiện vệ tinh viễn thám VNREDSat 1 (Vietnam Natural Resources,
Environment and Disaster - monitoring Satellite - 1A) được phóng thành công lên quỹ
đạo vào 07/05/2013 tại sân bay vũ trụ Kourou (Pháp). Hiện nay, VNREDSat 1 bắt đầu
cung cấp dữ liệu ảnh phục vụ nhu cầu quốc phòng, an ninh cũng như nghiên cứu, giám sát
tài nguyên môi trường ở nước ta.

Hình 1.3 Hình ảnh thủy điện Sông Bung 2, tỉnh Quảng Nam ngày
9/8/2013 do vệ tinh VNREDSAT - 1 chụp
Từ những năm 1990 nhiều ngành đã đưa kỹ thuật viễn thám vào ứng dụng trong thực
tiễn như các ngành khí tượng, đo đạc và bản đồ, địa chất khoáng sản, quản lý tài nguyên

rừng và đã thu được những kết quả rõ rệt. Kỹ thuật viễn thám kết hợp với hệ thống thông
tin địa lí GIS đã được ứng dụng để thực hiện nhiều đề tài nghiên cứu khoa học và nhiều
dự án có liên quan đến điều tra khảo sát điều kiện tự nhiên và tài nguyên thiên nhiên,
giám sát môi trường, giảm thiểu tới mức thấp nhất thiên tai ở một số vùng. Hiện nay, viễn
thám ở nước ta đã chuyển dần từ công nghệ tương tự (analog) sang công nghệ số kết hợp
với GIS giúp xử lý nhiều loại ảnh đạt yêu cầu cao về độ chính xác với quy mô sản xuất
công nghiệp.
1.1.3 Các ứng dụng của viễn thám
Với những ưu điểm nổi bật so với các phương pháp nghiên cứu truyền thống, lĩnh
vực ứng dụng của viễn thám rất đa dạng. Hiện nay, kỹ thuật viễn thám đã được ứng dụng
12


rộng rãi trong nông nghiệp, lâm nghiệp, nghiên cứu biển, hải đảo, trong địa chất, môi
trường, … và thu được những thành tựu to lớn. Trong nông – lâm nghiệp, kỹ thuật viễn
thám được ứng dụng nhằm xác định các loài thực vật, dự báo mùa vụ và đánh giá khả
năng sinh trưởng của cây trồng, kiểm kê rừng, đánh giá mật độ lớp phủ, dự báo và phát
hiện cháy rừng, …Trong địa chất, kỹ thuật viễn thám đã được sử dụng rộng rãi nhằm phát
hiện và lập bản đồ phân bố các loại khoáng sản, lập bản đồ cấu trúc các lớp địa chất, địa
mạo, nghiên cứu dự báo động đất, núi lửa, …Ứng dụng viễn thám trong nghiên cứu biển
và tài nguyên nước là một trong những lĩnh vực đạt được những kết quả quan trọng nhất.
Kỹ thuật viễn thám đã được sử dụng để nghiên cứu biến động đường bờ, nghiên cứu quần
thể động – thực vật biển, theo dõi các dòng chảy và độ đục/trong của nước, …
Ở nước ta, kỹ thuật viễn thám bắt đầu được sử dụng từ những thập kỷ cuối của thế
kỷ XX, ban đầu nhằm thành lập và hiệu chỉnh bản đồ địa hình, bản đồ chuyên đề các tỉ lệ.
Ngày nay, tư liệu ảnh vệ tinh đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, từ lập bản đồ hiện
trạng sử dụng đất, giám sát tài nguyên nước, tài nguyên rừng, dự báo năng suất lúa, …
Lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất. Cho đến nay, ảnh vệ tinh đã được nhiều cơ
quan ở nước ta sử dụng để thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất phủ trùm các vùng
lãnh thổ khác nhau, từ khu vực nhỏ đến tỉnh, vùng và toàn quốc. Bản đồ hiện trạng sử

dụng đất của các vùng như Tây Nguyên, đồng bằng sông Cửu Long, đồng bằng sông
Hồng,… được thành lập trong khuôn khổ các chương trình điều tra tổng hợp, đều đã sử
dụng ảnh vệ tinh như một nguồn tài liệu chính. Những bản đồ này được thành lập trong
những năm 1989, 1990 và do các cơ quan nghiên cứu khoa học và điều tra cơ bản thực
hiện. Bản đồ được thành lập chủ yếu ở tỉ lệ 1: 250 000.
Bản đồ hiện trạng sử dụng đất toàn quốc năm 1990 tỉ lệ 1: 1 000 000 được thành
lập bằng nhiều nguồn tài liệu, trong đó ảnh vệ tinh LANDSAT - TM. Bản đồ này do Tổng
cục Quản lý ruộng đất (nay thuộc Bộ Tài nguyên và Môi trường), cùng một số các cơ
quan khác thực hiện. Bên cạnh đó, năm 1993 Tổng cục Quản lý đất đai, Cục Đo đạc và
Bản đồ Nhà nước (Bộ Tài nguyên và Môi trường), Trung tâm Khoa học Tự nhiên và
Công nghệ Quốc gia, Viện Điều tra Quy hoạch rừng, Viện Quy hoạch và Thiết kế Nông
nghiệp (Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn) đã thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng
đất toàn quốc tỉ lệ 1: 250 000 bằng ảnh LANDSAT - TM.
Bản đồ hiện trạng sử dụng đất cấp tỉnh và các khu vực hẹp hơn của một số địa
phương cũng được thành lập bằng ảnh vệ tinh. Những bản đồ này thường được thành lập
ở các tỉ lệ 1:100 000 (cấp tỉnh) đến 1: 25 000 (khu vực cụ thể) và do các Viện thuộc
Trung tâm Khoa học Tự nhiên và Công nghệ Quốc gia, Viện Quy hoạch và Thiết kế nông
nghiệp, Trung tâm Viễn thám thuộc Bộ Tài nguyên và Môi trường và một số Trường Đại
học thực hiện trong khuôn khổ các đề tài nghiên cứu và các dự án. Năm 2000, một số Sở
Tài nguyên và Môi trường đã tiến hành thử nghiệm thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng
đất bằng ảnh vệ tinh. Trung tâm Viễn thám, Bộ Tài nguyên Môi trường đã thành lập bình
13


đồ ảnh vũ trụ tỷ lệ 1: 10 000 phục vụ kiểm kê đất đai của 13 tỉnh trong đợt kiểm kê đất
năm 2005.
Từ 1979 ảnh vệ tinh được bắt đầu sử dụng trong việc xây dựng bản đồ hiện trạng
rừng và trở thành một công cụ quan trọng trong điều tra quy hoạch và thiết kế kinh doanh
rừng. Ảnh vệ tinh LANDSAT TM được sử dụng rất nhiều trong xây dựng các bản đồ
rừng cấp vùng và toàn quốc (1985 -1990). trong Chương trình “Điều tra, đánh giá và theo

dõi diễn biến tài nguyên rừng toàn quốc, giai đoạn 1991-1995”, nghiên cứu biến động
rừng ngập mặn trong 20 năm ở Minh Hải, dự án Mê Công “Theo dõi, đánh giá biến động
lớp phủ rừng” (Forest Cover Monitoring). Ảnh vệ tinh LANDSAT ETM+ được sử dụng
trong Chương trình “Điều tra, đánh giá và theo dõi diễn biến tài nguyên rừng toàn quốc,
giai đoạn 2001 - 2005” để lập bản đồ rừng và sử dụng đất cho 64 tỉnh, thành phố hoàn
toàn bằng công nghệ xử lý ảnh số. Ảnh vệ tinh SPOT được sử dụng trong các Chương
trình “Điều tra, đánh giá và theo dõi diễn biến tài nguyên rừng toàn quốc, giai đoạn 19962000” để xây dựng bản đồ hiện trạng rừng và sử dụng đất cấp tỉnh tỷ lệ 1:100.000, dự án
phục hồi rừng ngập mặn Cà Mau, dự án “Phát triển hệ thống thông tin rừng nhiệt đới –
Information System Development Project for Tropical Forests”. Ảnh vệ tinh độ phân giải
cao Quickbird được sử dụng trong việc xây dựng bản đồ hiện trạng rừng và sử dụng đất tỷ
lệ 1:10000 cho 2 lâm trường M’drac và Nam Nung (2004 - 2005), các xã vùng đệm thuộc
dự án Bảo vệ và Phát triển những vùng đất ngập nước ven biển miền Nam Việt Nam do
WB tài trợ (2005).
Đối với nông nghiệp. Ứng dụng công nghệ viễn thám chủ yếu được triển khai
trong các công trình nghiên cứu đơn lẻ hay môt số các dự án do nước ngoài tài trợ. Trong
khuôn khổ các dự án “Quy hoạch nguồn nước lưu vực Srepok” và “Phát triển bền vững
đất nông nghiệp Tây Nguyên” Viện Quy hoạch và Thiết kế Nông nghiệp đã phối hợp với
một số cơ quan, tổ chức trong và ngoài nước lập bản đồ sử dụng đất trên cơ sở giải đoán
bằng mắt ảnh vệ tinh LANDSAT MSS, TM và SPOT. Viện đã sử dụng kết hợp các phần
mềm xử lý ảnh viễn thám và GIS xây dựng bản đồ lớp phủ một số xã thí điểm tỉnh Bắc
Kạn từ ảnh SPOT. Một dự án thử nghiệm “Hệ thống thông tin cây trồng Việt Nam” đã
thực hiện ở huyện Đại Từ, Thái Nguyên với mục tiêu cung cấp nhanh chóng, xác thực số
liệu về qui mô diện tích cây trồng (trọng tâm là cây chè) từ tư liệu viễn thám, so sánh số
liệu thu thập từ nguồn này với thống kê và đề xuất một số giải pháp phát triển vùng sản
xuất chè. Dự án đã góp phần chứng minh khả năng lớn của công nghệ viễn thám và GIS
trong đáp ứng kịp thời nhu cầu giám sát diễn biến diện tích cây trồng nông nghiệp và dự
báo những vùng có thay đổi lớn ở cấp quốc gia, đồng thời tạo cơ sở khoa học tin cậy cho
những quyết định về quy hoạch nông nghiệp nông thôn và những quyết sách về chuyển
đổi cơ cấu nông nghiệp và phát triển nông sản hàng hóa. Bộ Nông nghiệp và Phát triển
Nông thôn đã giao cho viện Quy hoạch và Thiết kế Nông nghiệp chủ trì dự án “ Điều tra

hiện trạng sản xuất một số cây công nghiệp lâu năm toàn quốc (chè, cà phê, cao su, hồ
14


tiêu và điều) ”. Ảnh viễn thám SPOT 5 với độ phân giải 10m ở các kênh đa phổ và 2,5m ở
kênh toàn sắc được sử dụng trong điều tra diện tích các loại cây công nghiệp lâu năm
trọng điểm.
Nghiên cứu biến động sử dụng đất. Nghiên cứu biến động sử dụng đất là một
trong những lĩnh vực quan trọng và khó khăn trong điều tra, giám sát môi trường, trong
đó ảnh vệ tinh đã được sử dụng như một công cụ hữu hiệu. Nhiều cơ quan nghiên cứu
khoa học, điều tra cơ bản, giáo dục ở nước ta đã quan tâm đến ứng dụng công nghệ viễn
thám để thực hiện nhiệm vụ này như Viện Địa lý, Địa chất, Vật lý, Nghiên cứu biển thuộc
Trung tâm Khoa học Tự nhiên và Công nghệ Quốc gia, Trung tâm Viễn thám, Liên đoàn
Bản đồ Địa chất thuộc Bộ Tài nguyên và Môi trường... , đã tiến hành nhiều thử nghiệm
dưới dạng các đề tài nghiên cứu, các dự án và đã thu được những kết quả ban đầu quan
trọng.
Trong chương trình của Cục Bảo vệ Môi trường, Trung tâm Viễn thám - Bộ Tài
nguyên và Môi trường và một số cơ quan khác đã sử dụng ảnh vệ tinh đa thời gian để
khảo sát biến động của bờ biển, lòng sông, biến động rừng ngập mặn, diễn biến rừng, biến
động lớp phủ mặt đất và sử dụng đất (ở một số vùng). thành lập các bản đồ rừng ngập
mặn tỉ lệ 1: 100 000 phủ trùm toàn dải ven biển và tỉ lệ lớn hơn cho từng vùng, bản đồ đất
ngập nước toàn quốc tỉ lệ 1: 250.000.
Sử dụng ảnh radar theo dõi lúa. Cho đến nay ở Việt Nam đã có một số nghiên
cứu ứng dụng tư liệu viễn thám quang học như ảnh NOAA/AVHRR hoặc
SPOT/Vegetation cho việc theo dõi sự tăng trưởng mùa màng, nói chung, và mùa vụ lúa
nói riêng. Tuy nhiên độ phân giải không gian của chúng (1 km) không cho phép theo dõi
từng thửa ruộng. Các tư liệu viễn thám quang học khác như LANDSAT và SPOT có thể
sử dụng cho mục đích này, nhưng phần lớn thời gian gieo trồng lúa ở vùng nhiệt đới là
mùa mưa, nhiều mây. Vì vậy không hoặc ít khi có được ảnh quang học có chất lượng tốt.
Để khắc phục hạn chế này, các tư liệu viễn thám radar được sử dụng vì ảnh radar cho

phép quan sát bề mặt trái đất độc lập với điều kiện thời tiết và sự chiếu sáng của mặt trời,
thích hợp cho việc giám sát sự tăng trưởng cây lúa, lập bản đồ và dự báo năng suất mùa vụ.
Tại Việt Nam, thông qua một dự án hợp tác giữa viện nghiên cứu lúa IRRI, Cơ
quan Vũ trụ Châu Âu (ESA) và Đại học Cần Thơ đã chọn một khu vực tại Đồng Bằng
Sông Cửu Long làm thử nghiệm theo dõi lúa (1998). Trong khuôn khổ chương trình công
nghệ thông tin IT 2000, Trung tâm liên ngành viễn thám và GIS thực hiện dự án nghiên
cứu “Sử dụng tư liệu RADARSAT trong theo dõi lúa ở đồng bằng sông Cửu Long”. Có
thể nói từ năm 2000 trở về trước, các nghiên cứu ở Việt Nam dừng ở mức lập bản đồ các
vùng trồng lúa từ ảnh radar. Sau này, vấn đề theo dõi sinh trưởng và dự báo năng suất lúa
bằng các tư liệu radar được thực hiện ở một số tỉnh thuộc đồng bằng sông Cửu Long (Sóc
Trăng, An Giang). Trong đó tập trung chủ yếu vào nghiên cứu ứng dụng tư liệu viễn thám
SAR đa thời gian để tìm hiểu mối quan hệ của chúng với chu kỳ sinh trưởng của cây lúa.
15


Trong khuôn khổ dự án thử nghiệm sử dụng ảnh ENVISAT ASAR theo dõi và dự báo lúa
ở Bắc Bộ Việt Nam (2005), Viện Quy hoạch và Thiết kế Nông nghiệp phối hợp với
SARMAP đã tiến hành khảo sát trên 100 điểm ở Thái Bình. Nhìn chung, kết quả sử dụng
tư liệu ảnh radar ở nước ta, nhất là trong nông nghiệp còn rất khiêm tốn do công nghệ xử
lý khá mới mẻ và phức tạp, đặc điểm manh mún, xen kẽ trong phương thức canh tác.
Nhưng về lâu dài, nó rất phù hợp với Việt Nam bởi cho phép quan sát bề mặt trái đất độc
lập với điều kiện thời tiết và sự chiếu sáng của mặt trời.
Việc ứng dụng công nghệ viễn thám để giám sát tài nguyên và môi trường ở nước
ta trong thời gian qua tuy đã thu được một số kết quả song còn ít, tản mạn và trên thực tế
chưa đáp ứng được nhu cầu. Các ứng dụng công nghệ viễn thám chủ yếu mới tập trung
vào lĩnh vực hiện chỉnh bản đồ địa hình, thành lập một số bản đồ chuyên đề, bước đầu đề
cập đến ứng dụng công nghệ viễn thám phục vụ quản lý đất đai và một số khía cạnh của
môi trường. Thực tế đó đòi hỏi phải đẩy mạnh ứng dụng rộng rãi công nghệ viễn thám
phục vụ quản lý tài nguyên thiên nhiên và giám sát môi trường. Để đạt được nhiệm vụ
trên việc đầu tư công nghệ mới nhằm xây dựng đồng bộ hệ thống thu nhận, xử lý dữ liệu

và áp dụng tư liệu ảnh vũ trụ là yêu cầu cần thiết với nước ta hiện nay.
1.2 NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA VIỄN THÁM

Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật viễn thám là thu nhận năng lượng phản hồi của
sóng điện từ chiếu tới vật thể, thông qua bộ cảm biến (sensor) giá trị phản xạ phổ này sẽ
được chuyển về giá trị số.
Bộ cảm biến là các thiết bị tạo ra ảnh về sự phân bố năng lượng phản xạ hay phát
xạ của các vật thể từ mặt đất theo những phần nhất định của quang phổ điện từ. Bộ cảm
biến chỉ thu nhận năng lượng sóng điện từ phản xạ hay bức xạ từ vật thể theo từng bước
sóng xác định. Năng lượng sóng điện từ sau khi tới được bộ cảm biến sẽ chuyển thành tín
hiệu số (chuyển đổi tín hiệu điện thành một số nguyên hữu hạn – giá trị pixel) tương ứng
với năng lượng bức xạ ứng với từng bước sóng do bộ cảm biến nhận được trong dải phổ
đã xác định. Nguyên lý thu nhận ảnh viễn thám được mô tả như hình 1.4 dưới đây.

16


Hình 1.4 Nguyên lý thu nhận dữ liệu viễn thám
Sóng điện từ dùng trong viễn thám tuân theo các định luật bức xạ điện từ (định luật
Plank, định luật Wien, Stefan – Bontzmann, …) và hệ phương trình Maxwell. Năng lượng
phổ dưới dạng sóng điện từ, cùng cho thông tin về một vật thể từ nhiều góc độ sẽ góp
phần phân loại vật thể một cách chính xác hơn.
1.3 CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA VIỄN THÁM

1.3.1 Tính chất của bức xạ điện từ
Thuật ngữ bức xạ điện từ, do James Clerk Maxwell đặt ra, xuất phát từ những tính
chất điện và từ đặc trưng chung cho tất cả các dạng của loại năng lượng giống sóng này,
như được biểu lộ bởi sự phát sinh cả trường dao động điện và từ khi sóng truyền trong
không gian. Ánh sáng khả kiến chỉ đại diện cho một phần nhỏ của phổ bức xạ điện từ
(hình 1.6), trải ra từ các tia vũ trụ cao tần và tia gamma, qua tia X, ánh sáng cực tím, bức

xạ hồng ngoại, và vi ba, cho tới các sóng vô tuyến bước sóng dài, tần số rất thấp.
Sóng điện từ di chuyển theo hướng vuông góc với hướng dao động của cả vectơ
điện trường (E) và từ trường (B). Hai trường năng lượng dao động vuông góc với nhau và
dao động cùng pha theo dạng đồ thị hàm số sin. Các vectơ điện trường và từ trường
không chỉ vuông góc với nhau mà còn vuông góc với phương truyền sóng. Để đơn giản
hóa minh họa, người ta thường quy ước bỏ qua các vectơ biểu diễn điện trường và từ
trường dao động, mặc dù chúng vẫn tồn tại (hình 1.5).
Khi lan truyền, sóng điện từ mang theo năng lượng, động lượng và thông tin. Sóng
điện từ với bước sóng nằm trong khoảng 400 nm và 700 nm có thể được quan sát bằng
mắt người và gọi là ánh sáng. Bức xạ điện từ truyền năng lượng trên cơ sở các dao động
trường điện từ trong không gian hoặc trong lòng các vật chất. Quá trình truyền của sóng
điện từ tuân theo định luật Maxwell. Bức xạ điện từ có tính chất sóng và hạt.
17


Hình 1.5 Bức xạ điện từ
Tính chất sóng của bức xạ điện từ được xác định bởi bước sóng, tần số và tốc độ
truyền. Tính chất hạt được mô tả theo tính chất quang lượng tử (photon). Bức xạ điện từ
có 4 thông số cở bản: tần số (bước sóng), hướng truyền, biên độ và mặt phân cực.
Tất cả các vật thể đều phản xạ và hấp thụ, phân tách và bức xạ sóng điện từ theo
các cách khác nhau và đặc trưng này được gọi là đặc trưng phổ. Hiện tượng phản xạ phổ
có liên quan mật thiết với môi trường mà sóng điện từ lan truyền. Dải sóng điện từ được
coi là dải sóng có bước sóng từ 0.1 micromet đến 100 km.

Hình 1.6 Phân loại sóng điện từ
Căn cứ vào bước sóng, sóng điện từ được chia làm các loại sau:
• Sóng tử ngoại: có bước sóng từ 0.1μm đến 0.4 μm ;
• Bức xạ điện từ ở bước sóng nhìn thấy: có bước sóng từ 0.4 μm đến 0.7 μm ;
• Bức xạ hồng ngoại: cận hồng ngoại (0.7 μm – 1.3 μm ), hồng ngoại ngắn (1.3 μm –
3 μm ), giữa hồng ngoại (3 μm – 8 μm ), hồng ngoại nhiệt (8 μm – 14 μm), hồng

ngoại xa (14 μm – 1mm);
18


• Sóng radio:
1. Sóng micro: milimet (EHF): bước sóng từ 1 mm – 10 mm, centimet (SHF): 1 cm –
10 cm, decimet (UHF): 10 cm – 1 m;
2. Sóng cực ngắn (VHF): 1 m – 10 m;
3. Sóng ngắn (HF): 10 m – 100 m;
4. Sóng trung (MF): 0.1 km – 1 km;
5. Sóng dài (LF): 1 km – 10 km;
6. Sóng rất dài (VLF): 10 km – 100 km.
Hệ phương trình Maxwell
Ðể diễn tả trường điện từ một cách định lượng, Maxwell đã thiết lập nên hệ
phương trình mang tên Maxwell. Trước Maxwell, những hiểu biết của con người về các
hiện tượng điện còn rời rạc, chưa được tập hợp và tổng quát hoá lại. Ngay đến khoảng
năm 1820, người ta vẫn còn quan niệm là điện và từ là hai hiện tượng khác nhau, không
có liên hệ gì với nhau cả.
Bảng 1.1 Hệ phương trình Maxwell
STT

Dạng tích phân

Phương trình Maxwell thứ
nhất

∂D →
∫L H d l = ∫S J d S + ∫S ∂t d S

Phương trình Maxwell thứ

hai

∂B →
∫L Ed l = −∫S ∂t d S

Phương trình Maxwell thứ ba

∫ Dd S = ∫ ρdV = Q

→

→

→

→

→

→

→

S

Phương trình Maxwell thứ tư

Dạng vi phân
→

→

→

→

∂D
rot. H = J +
∂t
→

→

→

∂B
rot. E = −
∂t
→

→

div D = ρ

V

→

→

∫ B.d S = 0

→

div B = 0

S

Thí nghiệm của Oersted năm 1820 đã chứng tỏ rằng giữa điện và từ có liên quan,
và dòng điện cũng gây nên tác dụng từ. Ampere sau khi nghiên cứu kỹ về các hiện tượng
điện từ, đã kết luận rằng mọi hiện tượng từ trong tự nhiên, kể cả từ tính của nam châm
vĩnh cửu, đều được gây nên bởi dòng điện (giả thuyết về dòng điện phân tử của Ampere).
Sau đó, là những phát minh lớn của Faraday về hiện tượng cảm ứng điện từ. Xuất
phát từ quan điểm đúng đắn về sự liên quan chặt chẽ giữa các hiện tượng tự nhiên,
Faraday cho rằng nếu dòng điện có thể gây nên tác dụng từ thì ngược lại, nam châm (hay
các dòng điện) cũng có thể gây nên dòng điện. Sau nhiều thí nghiệm, Faraday chứng minh
được rằng điều đó là đúng. Ðồng thời Faraday nêu lên ý kiến về vai trò của môi trường
19


trung gian trong các hiện tượng điện. Ông không thừa nhận sự tương tác xa, và cho rằng
tương tác điện và từ truyền qua một môi trường nào đó, và môi trường đó đóng vai trò cơ
bản trong quá trình điện và từ.
Maxwell đã phát triển những ý kiến của Faraday một cách sâu sắc và đã xây dựng
nên những thuyết định lượng, dùng công cụ toán học. Sự liên quan chặt chẽ giữa điện
trường và từ trường được xây dựng trên cơ sở lý thuyết chắc chắn, và được biểu diễn
bằng các phương trình Maxwell. Vì thế thuyết Maxwell là một bước phát triển mới, hoàn
thiện những hiểu biết của con người về điện. Nó đưa ra khái niệm về điện từ trường, bao
gồm điện trường và từ trường, có liên hệ chặt chẽ và chuyển hoá lẫn nhau.
Các phương trình Maxwell bao gồm mọi định luật cơ bản của điện trường và từ

trường, đó là những phương trình cơ bản, tổng quát của điện từ trường trong các môi
trường đứng yên.
Thuyết Maxwell không những giải thích được các hiện tượng đã biết, mà còn tiên
đoán được nhiều hiện tượng mới, quan trọng. Giả thuyết hoàn toàn mới trong thuyết của
Maxwell là giả thuyết về trường của dòng điện dịch. Trên cơ sở đó, Maxwell đã tiên
đoán bằng lý thuyết sự tồn tại của sóng điện từ, tức là từ trường biến thiên, truyền trong
không gian với vận tốc xác định.
1.3.2 Tương tác năng lượng sóng điện từ trong khí quyển
Giữa bề mặt vỏ Trái đất và vật mang bao giờ cũng có một khoảng khí quyển ảnh
hưởng trực tiếp tới quá trình truyền dẫn thông tin. Những vật thể gây nên sự tương tác
năng lượng sóng điện từ trong khí quyển bao gồm các phân tử khí và các hạt dạng lỏng
hay rắn (aerosol, bụi, giọt nước). Các hạt này gây ra những biến đổi như hấp thụ, tán xạ
và phản xạ năng lượng sóng điện từ. Trong thực tế, các phần tử trong khí quyển hấp thụ
năng lượng trong một số khoảng bước sóng nhất định gọi là các kênh hấp thụ. Chỉ có bức
xạ của sóng siêu cao tần và bước sóng dài hơn là có khả năng xuyên qua mây, mà không
bị tán xạ, phản xạ hay hấp thụ.
Khí quyển cũng là một nguồn bức xạ điện từ tự nhiên quan trọng. Tương tác năng
lượng sóng điện từ trong khí quyển diễn ra ở hai dạng: tỏa nhiệt của chính khí quyển và
tỏa nhiệt do tái phân tán. Khí quyển có đặc tính giống vật đen, sự tỏa nhiệt ở khí quyển có
giá trị giống tỏa nhiệt của vật đen ở nhiệt độ 200 – 300 K. Tính chất tỏa nhiệt của khí
quyển phụ thuộc vào mặt cắt nhiệt của nó và có giá trị cao tại các kênh phổ mà nó hấp thụ
nhiệt. Sự tỏa nhiệt của khí quyển tuân thủ theo nguyên lý cân bằng nhiệt (định luật
Kirchoff).
Định luật Kirchoff. Tỉ số giữa năng lượng điện từ tỏa ra trên một phần diện tích
và phần năng lượng đến bị hấp thụ là không đổi với tất cả các vật trên cùng một nhiệt độ
cho trước. Khi một vật ở một trạng thái cân bằng nhiệt lượng, tổng năng lượng hấp thụ
bằng tổng năng lượng tỏa ra (độ hấp thụ = độ tỏa nhiệt).
20

rλ,τ
aλ,τ

= fa

λ,τ

(1.1)

r - năng lượng tỏa ra trên một phần diện tích; a
λ ,τ
λ ,τ - năng lượng hấp thụ trên

một phần diện tích; f aλ ,τ - hàm số chung cho mọi vật (hàm phổ biến).
Đối với vật đen tuyệt đối, ở mọi giá trị nhiệt độ, giá trị hàm phổ biến là không đổi
và bằng 1. Nếu giá trị hàm phổ biến không đổi và nhỏ hơn 1, vật được gọi là vật xám. Đồ
thị thể hiện khả năng hấp thụ bức xạ điện từ của vật đen, vật xám và các vật khác được
thể hiện trên hình 1.7

Hình 1.7 Hàm phổ biến cho vật đen và các vật khác
Tái phân tán năng lượng tại khí quyển xảy ra do cơ chế của sự khuyếch tán và phụ
thuộc vào hợp chất và thành phần của khí quyển. Có hai kiểu tái phân tán năng lượng
trong khí quyển: phân tán bức xạ kiểu Reyleigh (khi bức xạ tương tác với các phân tử của
khí quyển và các hạt vật chất nhỏ hơn bước sóng của bức xạ điện từ) và kiểu Mie (xảy ra
do các hạt trong khí quyển có kích thước bằng bước sóng của năng lượng được dùng
trong viễn thám như hơi nước và bụi bẩn).
1.3.3 Tương tác năng lượng sóng điện từ với các đối tượng tự nhiên
Sóng điện từ chiếu tới mặt đất, năng lượng của nó sẽ tác động lên bề mặt vật thể và
xảy ra các hiện tượng: phản xạ năng lượng, hấp thụ năng lượng và thấu quang năng
lượng. Năng lượng bức xạ sẽ chuyển đổi thành ba dạng năng lượng khác nhau. Quá trình

trên được mô tả theo công thức:
E = Eρ + Eα + E
0

Trong đó: E0 – năng lượng ban đầu của bức xạ khi chiếu xuống;
E ρ - năng lượng phản xạ;

Eα - năng lượng hấp thụ;

E - năng lượng thấu quang
21

(1.2)


Năng lượng của bức xạ điện từ phụ thuộc vào cấu trúc bề mặt đối tượng. Tùy thuộc
đối tượng, năng lượng phản xạ phổ có thể phản xạ toàn phần, phản xạ một phần, tán xạ
toàn phần, tán xạ một phần (hình 1.8)

a)

b)

c)

d)

Hình 1.8 Phản xạ toàn phần (a), phản xạ một phần (b), tán xạ toàn phần (c),
tán xạ một phần (d)
Độ hấp thụ năng lượng điện từ được tính là tỉ số giữa năng lượng phát xạ bị hấp

thụ và năng lượng tới:
E
α= α
(1.3)
E0
Độ phản xạ năng lượng điện từ là tỉ số giữa năng lượng phản xạ và năng lượng tới:
E
ρ= ρ
(1.4)
E0

Độ truyền năng lượng điện từ hay độ thấu quang: τ = năng lượng thấu quang/
năng lượng tới.
Năng lượng bức xạ điện từ chiếu tới đối tượng được phản xạ không những phụ
thuộc vào bề mặt đối tượng mà còn phụ thuộc vào bước sóng. Tại các bước sóng khác
nhau sẽ nhận được khả năng phản xạ phổ khác nhau. Sự phụ thuộc của năng lượng phản
xạ bức xạ điện từ vào bước sóng của một số đối tượng tự nhiên được mô tả trên hình 1.9.

22


Hình 1.9 Đặc trưng phản xạ phổ của một số đối tượng tự nhiên
1.3.4 Khả năng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên
Khả năng phản xạ phổ của các vật thể là một trong những thông số cơ bản nhất cần
biết khi phân loại ảnh vệ tinh. Khả năng phản xạ phổ phụ thuộc vào bước sóng của sóng
điện từ. Ở các bước sóng khác nhau, giá trị phản xạ phổ của một vật thể không giống
nhau.
Khả năng phản xạ phổ của vật thể phụ thuộc vào bước sóng được định nghĩa theo
công thức sau đây:
E

ρ (λ )
r =
.100%
λ E
0(λ )

(1.5)

Trong đó, Eρ(λ) – năng lượng phản xạ tại bước sóng λ; Eo(λ) – năng lượng tới tại
bước sóng λ.
Dựa trên đặc tính phổ của vật thể tại các bước sóng, các đối tượng tự nhiên được
chia ra thành các nhóm chính sau (theo Krasova V.I., 2005):
Nhóm 1: khoáng sản và thổ nhưỡng. Đặc trưng bởi sự tăng lên của hệ số phản xạ
phổ tại vùng bước sóng đỏ. Khả năng phản xạ phổ của khoáng sản phụ thuộc vào cấu tạo
và các thành phần trong khoáng sản. Khả năng phản xạ phổ của thổ nhưỡng phụ thuộc
vào nồng độ hợp kim sắt và chất mùn trong đất.
Nhóm 2: thực vật. Đặc trưng bởi khả năng phản xạ cao nhất ở bước sóng green
(0.55μm) và thấp nhất ở bước sóng đỏ (0.66 μm).
Nhóm 3: nước. Đặc trưng bởi khả năng phản xạ thấp nhất và hệ số phản xạ giảm
liên tục trong dải sóng từ xanh nước biến (blue) đến đỏ (red).
Nhóm 4: tuyết. Đặc trưng bởi giá trị phản xạ phổ cao nhất và giảm không nhiều
trong vùng sóng cận hồng ngoại. Gần giống với khả năng phản xạ phổ của lớp tuyết phủ
là mây. Đặc tính phổ của mây có một số dải hẹp hấp thụ phổ trong vùng bước sóng dài.
Tính chất chung cho tất cả các lớp đối tượng tự nhiên là sự giảm xuống của giá trị
phản xạ phổ ở dải sóng 2 – 3 μm. Chú ý rằng trên đường cong phổ của các đối tượng tự
nhiên có 2 vùng giá trị phản xạ phổ thấp (1.43 μm và 1.93 μm) do nguyên nhân hấp thụ
năng lượng sóng điện từ của nước.
Đặc trưng phản xạ phổ của thổ nhưỡng. Đặc trưng phản xạ chung nhất của thổ
nhưỡng là khả năng phản xạ phổ tăng theo độ dài bước sóng, đặc biệt là bước sóng cận
hồng ngoại và hồng ngoại nhiệt. Ở dải sóng điện từ này, chỉ có năng lượng hấp thụ và

năng lượng phản xạ mà không có năng lượng thấu quang. Với các loại đất có thành phần
cấu tạo các chất hữu cơ và vô cơ khác nhau, khả năng phản xạ phổ sẽ khác nhau. Tùy
thuộc vào thành phần hợp chất có trong đất mà biên độ của đồ thị phản xạ phổ sẽ khác
nhau.
23


Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng phản xạ phổ của thổ nhưỡng: cấu trúc bề mặt
của đất, độ ẩm của đất, hợp chất hữu cơ, vô cơ có trong đất.

Hình 1.10 Đặc tính phổ của một số loại đất
Cấu trúc của thổ nhưỡng phụ thuộc vào thành phần sét, bụi cát có trong đất. Sét là
hạn mịn có đường kính nhỏ hơn 0.002mm, bụi có đường kính 0.002 – 0.05mm, cát có
đường kính 0.05 – 2mm. Với đất hạt mịn thì khoảng cách giữa các hạt nhỏ, với đất hạt
lớn, khoảng cách giữa các hạt lớn hơn dẫn đến khả năng vận chuyển không khí và độ ẩm
dễ dàng hơn. Độ ẩm và lượng nước có trong đất ảnh hưởng lớn đến khả năng phản xạ phổ
của thổ nhưỡng.
Khả năng phản xạ phổ của thổ nhưỡng phụ thuộc vào độ ẩm của đất. Khi độ ẩm
tăng, khả năng phản xạ sẽ bị giảm (hình 1.11)

Hình 1.11 Khả năng phản xạ phổ phụ thuộc độ ẩm của thổ nhưỡng
Một yếu tố khác ảnh hưởng đến khả năng phản xạ phổ của thổ nhưỡng là hợp chất
hữu cơ có trong đất. Với hàm lượng hợp chất hữu cơ từ 0.5 – 5.0% đất sẽ có màu nâu sẫm
(phản xạ phổ yếu). Nếu hàm lượng chất hữu cơ trong đất thấp hơn, khả năng phản xạ phổ
sẽ cao hơn. Khả năng phản xạ phổ của thổ nhưỡng còn phụ thuộc vào hàm lượng oxit sắt
chứa trong đất. Khả năng phản xạ phổ tăng khi hàm lượng oxit sắt trong đất giảm xuống
24


(đặc biệt là vùng phổ nhìn thấy). Trong dải sóng điện từ này, khả năng phản xạ phổ có thể

giảm đến 40% khi hàm lượng oxit sắt trong đất tăng lên. Khi loại bỏ oxit sắt ra khỏi đất,
khả năng phản xạ phổ tăng lên một cách rõ rệt, đặc biệt trong dải sóng điện từ 0.5 μm –
1.1 μm.
Đặc trưng phản xạ phổ của thực vật. Khả năng phản xạ phổ của thực vật phụ
thuộc vào bước sóng điện từ. Trong dải sóng điện từ nhìn thấy, các sắc tố của lá cây ảnh
hưởng đến đặc tính phản xạ phổ của nó, đặc biệt là hàm lượng chất diệp lục (clorophyl).
Trong dải sóng này, thực vật ở trạng thái tươi tốt với hàm lượng diệp lục cao trong lá cây
sẽ có khả năng phản xạ phổ cao ở bước sóng xanh lá cây (green), giảm xuống ở vùng
sóng đỏ (red) và tăng rất mạnh ở vùng sóng cận hồng ngoại (NIR).
Khả năng phản xạ phổ của lá cây ở vùng sóng ngắn và vùng ánh sáng đỏ thấp. Hai
vùng suy giảm khả năng phản xạ phổ này tương ứng với hai dải sóng bị chất diệp lục
(clorophyl) hấp thụ. Ở vùng sóng này, chất diệp lục hấp thụ phần lớn năng lượng chiếu
tới, do vậy khả năng phản xạ phổ của lá cây không lớn. Ở bước sóng xanh lá cây (green),
khả năng phản xạ phổ của lá cây rất cao, do đó lá cây ở trạng thái tươi tốt được mắt người
cảm nhận ở màu lục (green). Khi lá úa hoặc có bệnh, hàm lượng clorophyl giảm đi, khả
năng phản xạ phổ cũng thay đổi, mắt người sẽ cảm nhận lá cây có màu vàng, đỏ. Ở vùng
sóng hồng ngoại, ảnh hưởng chủ yếu đến khả năng phản xạ phổ của lá cây là hàm lượng
nước chứa trong lá.
Thực vật có khả năng hấp thụ năng lượng mạnh nhất ở các bước sóng 1.4 μm, 1.9
μm, 2.7 μm. Bước sóng 2.7 μm hấp thụ năng lượng mạnh nhất gọi là dải sóng cộng hưởng
hấp thụ (sự hấp thụ mạnh diễn ra với dải sóng trong khoảng từ 2.66 μm–2.73 μm). Khi
hàm lượng nước chứa trong lá giảm đi, khả năng phản xạ phổ của lá cây cũng tăng lên
đáng kể.

25