Vien tham co ban QLDD

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP
-------ooo-------

VIỄN THÁM
(Dùng cho ngành Quản lý đất đai)

HÀ NỘI 2011

1


Lời nãi đầu

Trong vòng 50 năm trở lại đây, công nghệ viễn thám và hệ thông tin địa lý được ứng dụng
rộng rãi trong việc nghiên cứu bề mặt vỏ trái đất cũng như công tác thành lập bản đồ chuyên đề.
Trong công quản lý đất đai, tư liệu viễn thám và hệ thông tin địa lý được ứng dụng để thành lập
bản đồ hiện trạng sử dụng đất, để nghiên cứu biến động đất đai … phục vụ cho công tác nghiên
cứu, khai thác sử dụng có hiệu quả cứu tài nguyên đất.
Ở nước ta trong những năm gần đây, viễn thám và hệ thông tin địa lý đã bắt đầu ứng dụng
trong một số lĩnh vực khác nhau của nền kinh tế quốc dân. Tuy nhiên, việc nghiên cứu cũng như
tìm hiểu các khả năng ứng dụng của viễn thám và hệ thông tin địa lý vẫn bị hạn chế do các thiết
bị cũng như tài liệu tham khảo. Được sự giúp đỡ của Viện Sau đại học, cũng như của khoa Tài
nguyên – Môi trường, trường đại học Nông nghiệp Hà nội, chúng tôi đã biên soạn cuốn bài giảng
“Viễn thám” nhằm cung cấp tài liệu học tập cho học viên cao học ngành Quản lý đất đai cũng
như cho các cán bộ kỹ thuật có quan tâm đến lĩnh vực này.
Trong quá trình biên soạn chúng tôi đã nhận được các ý kiến đóng góp và giúp đỡ nhiệt
tình của các giáo sư, các nhà khoa học, các bạn bè đồng nghiệp trong và ngoài khoa tạo nên sự
hoàn thiện cho cuốn sách.
Chúng tôi cũng bày tỏ lòng biết ơn với các thầy, cô giáo trong bộ môn Trắc địa, Bản đồ và
GIS, đặc biệt là PGS. TS. Nguyễn Khắc Thời khoa Tài nguyên-Môi trường, trường Đại học Nông
nghiêp Hà nội đã đóng góp nhiều ý kiến quý báu và tạo điều kiện để tài liệu này sớm xuất bản.

Trong quá trình biên soạn, có thể không tránh khỏi sai sót, mong nhận được nhiều đóng
góp của đồng nghiệp
Xin chân thành cảm ơn !
Tác giả

2


Chương 1

TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT VIỄN THÁM
1.1 . Mở đầu
Hiện nay, trong công tác thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất người ta đã sử dụng
rộng rãi các tư liệu viễn thám vì tư liệu viễn thám có khả năng trùm phủ lớn, thông tin thu nhận ở
trên một diện tích rộng từ 185 km x185 km đến 11 km x 11 km. Tư liệu viễn thám thu nhận trong
cùng một thời điểm nên trong một cảnh thì các biến động do thời gian, do điều kiện tự nhiên coi
như không đáng kể. Tư liệu viễn thám ghi nhận ở độ cao rất lớn (từ 400 km – 1000 km) cho nên
có tính khái quát hình học một cách tự nhiên. Tư liệu viễn thám có khả năng tạo mô hình lập thể
(ảnh SPOT,QuickBird…), điều đó giúp cho việc nghiên cứu, xây dựng mô hình số độ cao một
cách thuận lợi. Tư liệu viễn thám có độ phân giải cao từ 0.5m cho đến 80m cho nên thỏa mãn các
nhu cầu thành lập các loại bản đồ chuyên đề ở tỷ lệ khác nhau. Tư liệu viễn thám được ghi nhận
trên nhiều kênh phổ, điều đó giúp cho công tác giải đoán các yếu tố nội dung của bản đồ một
cách thuận lợi, đặc biệt là khi giải đoán về các loại thực vật, thổ nhưỡng. Khả năng chụp lặp của
tư liệu viễn thám lớn (từ 3 ngày – 30 ngày) cho nên có khả năng cập nhập các thông tin, điều đó
rất có lợi cho công tác hiện chỉnh bản đồ. Tư liệu viễn thám được tổng hợp màu theo các yêu cầu
của người giải đoán, cho nên rất dễ dàng cho việc giải đoán bằng mắt. Phần lớn tư liệu viễn thám
đều ở dạng số cho nên việc lưu trữ, khai thác, phân tích chúng rất dễ dàng. Các đặc trưng của tư
liệu viễn thám như tính đa thời gian, đa phổ, đặc trưng cấu trúc và các chỉ số như NDVI … giúp
ích rất nhiều trong việc giải đoán tự động trên máy tính để thành lập bản đồ chuyên đề một cách
nhanh chóng, chính xác.

Khoảng 50 năm trở lại đây, hệ thống thông tin địa lý đã ra đời và được áp dụng rất nhiều
trong các lĩnh vực khoa học công nghệ, trong đó có công tác đo đạc bản đồ. Công nghệ viễn thám
được sự hỗ trợ đắc lực của hệ thông tin địa lý đã tạo ra những bước đột phá trong công tác nghiên
cứu tài nguyên thiên nhiên nói chung và trong công tác Quản lý đất đai nói riêng. Ở nước ta,
công nghệ viễn thám và hệ thông tin địa lý đã được ứng dụng trong công tác thành lập bản đồ
hiện trạng sử dụng đất, trong công tác nghiên cứu biến động sử dụng đất... và đã bước đầu đã thu
được những kết quả đáng khích lệ.

3


1.2. Khái niệm về viễn thám
1.2.1. Lịch sử hình thành và xu hướng phát triển
Viễn thám được định nghĩa như một khoa học nghiên cứu các phương pháp thu nhận, đo
lường và phân tích thông tin của đối tượng mà không có những tiếp xúc trực tiếp với chúng.
Khi vệ tinh Landsat-1 được phóng vào năm 1972, những ứng dụng của kỹ thuật viễn thám
trong lĩnh lực giám sát môi trường và quản lí tài nguyên thiên nhiên đã trở nên khá phổ biến và
trở thành một phương pháp rất hiệu quả trong việc cập nhật thông tin của một vùng hay một lãnh
thổ phục vụ cho công tác khai thác và quản lí tài nguyên thiên nhiên, giám sát biến động và
nghiên cứu môi trường, nghiên cứu hệ sinh thái và thành lập bản đồ lớp phủ cũng như bản đồ
hiện trạng sử dụng đất….
Sự phát triển của viễn thám gắn liền với sự phát triển của phương pháp chụp ảnh và thu nhận
thông tin của các đối tượng trên mặt đất được các chuyên gia quan tâm. Từ năm 1858 người ta đã
bắt đầu sử dụng khinh khí cầu để chụp ảnh nhằm mục đích thành lập bản đồ địa hình và những
bức ảnh đầu tiên chụp từ máy bay đã được Wilbur Wright thực hiện năm 1909 trên vùng
Centocelli, Italia.
Cuộc chiến tranh thế giới (1914-1918) đã thúc đẩy việc chế tạo thiết bị và đào tạo nguồn
nhân lực phục vụ công tác thu thập, xử lí và giải đoán ảnh hàng không, từ đó đã mở ra giai đoạn
mới trong việc ứng dụng ảnh hàng không vào mục đích dân sự. Đến giữa những năm 1930, người
ta 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
hưởng tán xạ và mù của khí quyển. Những thành tựu đạt được trong giai đoạn 1930-1939 đã góp
phần quan trọng vào việc áp dụng ảnh hàng không trong quy hoạch môi trường và giám sát việc
phát triển kinh tế nông thôn.
Trong thế chiến thứ 2 (1939-1945),việc sử dụng phổ điện từ đã được mở rộng và những
nghiên cứu trong thời gian chiến tranh sau đó được phổ biến ứng dụng vào nhiều lĩnh vực phi
quân sự. Ảnh hàng không và kỹ thuật viễn thám bắt đầu được áp dụng rộng rãi ở nhiều quốc gia
thời hậu chiến, nhằm phục vụ hiệu quả cho việc phát triển kinh tế -xã hội và an ninh quốc phòng.
Nghiên cứu ứng dụng ảnh hồng ngoại màu, ảnh đa phổ đã được Cơ quan Hàng không vũ trụ
quốc gia Hoa Kỳ (NASA- National Aeronautics & Space Administration) tiến hành vào đầu năm
1960. Sau đó, những thành công trong việc tạo ra các bộ phận cảm biến có độ phân giải cao đặt
trên vệ tinh nhân tạo đã cung cấp thông tin hữu ích cho việc nghiên cứu lớp phủ thực vật, cấu
trúc địa mạo, nhiệt độ và gió trên bề mặt đại dương… khiến cho việc nghiên cứu trở nên vô cùng
4


thuân lợi và hiệu quả.Hiện nay, thông tin được sử dụng nhiều nhất là của các vệ tinh khí tượng và
vệ tinh quan sát tài nguyên. Tháng 4 năm 1960, vệ tinh quan sát khí tượng đầu tiên (TIROS-1)
được phóng vào quỹ đạo.Những thành tựu nghiên cứu và kinh nghiệm đạt được đã góp phần
cung cấp cơ sở cho việc phát triển vệ tinh quan sát tài nguyên sau này. Từ năm 1972 đến nay,
NASA đã phóng vệ tinh quan sát tài nguyên (Landsat) ; 3 vệ tinh đầu tiên (1972-Landsat1;1975Landsat 2 ; 1978-Landsat 3) chỉ trang bị bộ cảm đa phổ MSS (Multispectral Scanner system) với
đọ phân giải 80m.Năm 1982 phóng Landsat 4 và năm 1984 Landsat 5 được đưa vào quỹ đạo; cả
hai được trang bị thêm bộ cảm mới là TM (Thermatic Mapper) tạo ảnh với 7 kênh phổ , có độ
phân giải không gian là 30m đối với dải sóng nhìn thấy và 120m cho dải sóng hồng ngoại
nhiệt.Landsat 6 và 7 được phóng năm 1993 vá 1999 với bộ cảm mới ETM (Enhanced TM)
.Ngoài ra, Hoa Kỳ cũng đã phóng vệ tinh khí tượng NOAA( National Oceanic & Atmospheric
Administration) là thế hệ thứ 3 sau TIROS (1960-1965) và ITOS (1970-1976).
Từ năm 1979 đến năm 1991 cáC vệ tinh NOAA 6 , NOAA 7…NOAA 12; năm1992 NOAA-I
và năm 1993 NOAA-J đã cung cấp ảnh theo chế độ cập nhật với độ phân giải không gian 1,1km.
Pháp cũng đã phóng vệ tinh SPOT 1 (1986), SPOT2 (1990) với bộ cảm HRV (High

Resolution Visible) với 3 kênh phổ có độ phân giải 20m và một kênh toàn sắc có độ phân giải
10m. Đến ngày 24 tháng 3 năm 1998, SPOT 4 đã được phóng vào quỹ đạo với bộ cảm mới
HRVIR (High Resolution Víible and Infrared) và SPOT 5 (2002) với bộ cảm HRVIR đã được
nâng cấp có khả năng thu nhận ảnh có độ phân giải đến 2,5m.
Ngoài vệ tinh Landsat, NOAA và SPOT của Hoa Kỳ và Pháp, Ấn độ cũng đã phóng thành
công vệ tinh giám sát tài nguyên IRS-1A vào năm 1988 ( sau đó là vệ tinh IRS-1B năm 1991,
IRS-1C năm 1995 và IRS-1D năm 1997) với bộ cảm LISS (Linear Imaging Scanner System) có
các tính năng kỹ thuật tương tự như MSS.
Nhật bản cũng đã phóng vệ tinh tài nguyên JERS-1 vào năm 1992 với các bộ cảm SAR(
Synthetic Aperture Rada), VNIR ( Visible and Near Infrared Radiometer) và SWIR ( Short
Wavelength Infrared Radiometer). Đến năm 1996, vệ tinh ADEOS (Advanced Earth Observation
Satellite) của Nhật đã được đưa vào quỹ đạo với các bộ cảm OCTS( Ocean Color & Temperature
Sacnner) độ phân giải 700m, AVNIR ( Advanced Visible and Near Infrared Radiometer) độ phân
giải 16m và các bộ cảm biến có độ phân giải không gian thấp, Ngoài ra, Nhậtb Bản cũng đã nỗ
lực cộng tác với Hoa Kỳ trong công việc xây dựng bộ cảm biến hiện đại ASTER( The Advanced
Spaceborne Thermactic Emision and Reflection Radiometer) đặt trên vệ tinh Terra được NASA
phóng lên quỹ đạo tháng 12 năm 1999.
5


Liên xô cũ mặc dù rất thành công trong việc phóng các vệ tinh nhân tạo, nhưng công nghệ
viễn thám chủ yếu của họ dựa trên các bộ cảm tưong tự dùng phim chứ không sử dụng các hệ
thống quét quang điện tử , do đó dữ liệu thu được tuy có độ phân giải không gian cao nhưng lại
kém về độ phân giải phổ.
Ở Việt nam, năm 1979-1980, các cơ quan của nước ta bắt đầu tiếp cận công nghệ viễn thám.
Trong 10 năm tiếp theo (1890-1990), đã triển khai các nghiên cứu -thử nghiệm nhằm xác
định khả năng và phương pháp sử dụng tư liệu viễn thám để giải quyết các nhiệm vụ của mình.
Từ những năm 1990-1995, bên cạnh việc mở rộng công tác nghiên cứu - thử nghiệm , nhiều
ngành đã đưa công nghệ viễn thám vào ứng dụng trong thực tiễn và đến nay đã thu được một số
kết quả rõ rệt về khoa học- công nghệ và kinh tế.Trong các ứng dụng thực tế, ngoài ảnh vệ tinh

khí tượng NOAA và GMS, các cơ quan đã sử dụng nhiều loại ảnh vệ tinh quang học như
Landsat, SPOT, KFA-1000, ADEOS, còn ảnh vệ tinh rada như RADASAT, ERS mới được ứng
dụng thử nghiệm trong những năm gần đây.Riêng ảnh vệ tinh độ phân giải siêu cao (1÷2m) hầu
như chưa được sử dụng phổ biến. Để đáp ứng nhu cầu về tư liệu viễn thám, nước ta đã có một số
trạm thu ảnh vệ tinh khí tượng và ảnh vệ tinh độ phân giải cao. Cùng với việc ứng dụng công
nghệ viễn thám, công tác nghiên cứu triển khai phát triển phần mềm, chế tạo thiết bị cũng như
xây dựng quy trình công nghệ xử lí và sử dụng ảnh vệ tinh đã được tiến hành ở 1 số cơ
quan.Những công trình này có ý nghĩa thúc đẩy sự phát triển công nghệ viễn thám ở nước ta,
song kết quả thu được còn ở mức độ khiêm tốn. Đại hội Đảng lần thứ 9 đã đề ra chiến lược phàt
triển kinh tế-xã hội 2001-2010 cũng như mục tiêu,nhiệm vụ kế hoạch năm 2001-2005.Theo
đó,Việt Nam có nhiệm vụ rất lớn về phát triẻn kinh tế-xã hội,theo hướng vươn tới sự phát triển
bền vững trên cơ sở sử dụng hợp lý tài nguyên,bảo vệ môi trường và giảm thiểu thiên tai.Tình
hình trên đă đặt ra nhiều nhiệm vụ về ứng dụng và phát triển công nghệ viễn thám ở Việt Nam.
1.2.2 Nguyên lý cơ bản của viễn thám
Sóng điện từ được phản xạ hoặc bức xạ từ vật thể là nguồn cung cấp thông tin chủ yếu về đặc
tính của đối tượng. Ảnh viễn thám cung cấp thông tin về các vật thể tương ứng với năng lượng
bức xạ ứng với từng bước sóng đã xác định. Đo lường và phân tích năng lượng phản xạ phổ ghi
nhận bởi ảnh viễn thám, cho phép tách thông tin hữu ích về từng lớp phủ mặt đất khác nhau do sự
tương tác giữa bức xạ điện từ và vật thể.
Thiết bị dùng để cảm nhận sóng điện từ phản xạ hay bức xạ từ vật thể được gọi là bộ cảm
biến.Bộ cảm biến có thể là các máy chụp ảnh hoặc máy quét.Phương tiện mang các bộ cảm biến

6


được gọi là vật mang ( máy bay, khinh khí cầu, tàu con thoi hoặc vệ tinh…).Hình 1.1 thể hiện sơ
đồ nguyên lý thu nhận ảnh viễn thám.

Hình 1.1 Nguyên lý thu nhận dữ liệu viễn thám
Nguồn năng lượng chính thường sử dụng trong viễn thám là bức xạ mặt trời, năng lượng của

sóng điện từ do các vật thể phản xạ hay bức xạ được bộ cảm biến đặt trên vật mang thu nhận.
Thông tin về năng lượng phản xạ của các vật thể được ảnh viễn thám thu nhận và xử lí tự
động trên máy hoặc giải đoán trực tiếp từ ảnh dựa trên kinh nghiệm của chuyên gia.Cuối cùng,
các dữ liệu hoặc thông tin liên quan đến các vật thể và hiện thượng khác nhau trên mặt đất sẽ
được ứng dụng vào trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: nông lâm nghiệp, địa chất, khí tượng,
môi trường…..
Toàn bộ quá trình thu nhận và xử lí ảnh viễn thám có thể chia thành 5 phần cơ bản như sau:
- Nguồn cung cấp năng lượng.
- Sự tương tác của năng lượng với khí quyển
- Sự tương tác với các vật thể trên bề mặt đất
- Chuyển đổi năng lượng phản xạ từ vật thể thành dữ liệu ảnh
- Hiển thị ảnh số cho việc giải đoán và xử lí.
Năng lượng của sóng điện từ khi lan truyền qua môi trường khí quyển sẽ bị các phân tử khí
hấp thụ dưới các hình thức khác nhau tuỳ thuộc vào từng bước sóng cụ thể.Trong viễn thám,
người ta thường quan tâm đến khả năng truyền sóng điện từ trong khí quyển, vì các hiện tưọng và
cơ chế tương tác giữa sóng điện từ với khí quyển sẽ có tác động mạnh đến thông tin do bộ cảm
biến thu nhận được.Khí quyển có đặc điểm quan trọng đó là tưong tác khác nhau đối với bức xạ
điện từ có bước sóng khác nhau. Đối với viễn thám quang học , nguồn năng lượng cung cấp chủ
yếu là do mặt trời và sự có mặt cũng như thay đổi các các phân tử nước và khí ( theo không gian
7


và thời gian) có trong lớp khí quyển là nguyên nhân gây chủ yếu gây nên sụ biến đổi năng lượng
phản xạ từ mặt đất đến bộ cảm biến. Khoảng 75% năng lượng mặt tròi khi chạm đến lớp ngoài
của khí quyển được truyền xuống mặt đất và trong quá trình lan truyền sóng điện từ luôn bị khí
quyển hấp thụ, tán xạ và khúc xạ trước khi đến bộ cảm biến.Các loại khí như oxy,nitơ,cacbonic,
ôzôn,hơinước…và các phân tử lơ lửng trong khí quyển là tác nhân chính ảnh hưỏng đến sự suy
giảm năng lưọng sóng điện từ trong quá trình lan truyền.
Để hiểu rõ cơ chế tương tác giữa sóng điện từ và khí quyển và việc chọn phổ điện từ để sử
dụng cho việc thu nhận ảnh viễn thám, bảng 1.1 thể hiện đặc điểm cuả dải phổ điện từ thường

được sử dụng trong kỹ thuật viễn thám.
Bảng 1.1 Đặc điểm của dải phổ điện từ sử dụng trong kỹ thuật viễn thám
Dải phổ sóng

Bước sóng

Đặc điểm

điện từ
Hấp thụ mạnh bởi lớp khí quyển ở tầng cao( tầng ôzôn),
không thể thu nhận năng lượng do dải sóng này cung cấp
Tia cực tím

0,3 ÷ 0,4μm

nhưng hiện tượng này lại bảo vệ con người tránh bị tác động
của tia cực tím.
Rất ít bị hấp thụ bởi oxy, hơi nước và năng lượng phản xạ

Tianhìn thấy

0,4 ÷ 0,76μm

cực đại ứng với bước sóng 0,5μm trong khí quyển. Năng
lượng do dải sóng này cung cấp giữ vai trò trong viễn thám.

Cậnhồngngoại 0,77 ÷ 1,34μm

Năng lượng phản xạ mạnh ứng với các bước sóng hồng

H.ngoạitrung

ngoại gần từ 0,77 ÷ 0,9μm. Sử dụng trong chụp ảnh hồng

1,55 ÷ 2,4μm

ngoại theo dõi sự biến đổi thực vật từ 1,55 ÷ 2,4μm
Hồng ngoại

3 ÷ 22μm

Một số vùng bị hơi nước hấp thụ mạnh,dải sóng này giữ vai
trò trong phát hiện cháy rừng và hoạt động núi lửa.Bức xạ

nhiệt

nhiệt của trái đất năng lượng cao nhất tại bước sóng 10μm
Vô tuyến

1mm ÷ 30cm

(rada)

Khí quyển không hấp thụ mạnh năng lượng các bước sóng
lớn hơn 2cm, cho phép thu nhận năng lượng cả ngày lẫn
đêm không bị ảnh hưởng của mây, sương mù hay mưa.

1.3 Khái niệm cơ bản về bức xạ điện từ
1.3.1 Bức xạ điện từ
8

Bức xạ điện từ là quá trình truyền năng lượng điện từ trên cơ sở các dao động của điện
trường và từ trường trong không gian.
Bức xạ điện từ vừa có cả tính chất sóng cũng như tính chất hạt.Tính chất sóng được xác định
bởi bước sóng λ, tần số v và tốc độ lan truyền C, mối liên quan giữa chúng thể hiện theo công
thức:
λ=C/v

(C=299,793km/s trong môi trường chân không

Hình 1.2 Bức xạ sóng điện từ
Tính chất hạt được mô tả theo tính chất của photon hay quang lượng tử và năng lượng E được
thể hiện như sau:
E=h.v (h là hằng số Plank)
Quá trình lan truyền của sóng điện từ qua môi trường vật chất sẽ tạo ra phản xạ, hấp thụ, tán
xạ và bức xạ sóng điện từ dưới các hình thức khác nhau tuỳ thuộc vào bước sóng.
Phổ trong toàn bộ dải sóng điện từ được mang tên khác nhau bắt đầu từ tia gama, tia X, tia cực
tím, sóng nhìn thấy, tia hồng ngoại và sóng cực ngắn. Hinh 1.3 cho thấy bảng phân loại sóng điện
từ và các kênh phổ dùng trong viễn thám bắt đầu từ vùng cực tím (0,3÷0,4µm), sóng ánh sáng
(0,4÷0,7µm), hồng ngoại nhiệt (8,0÷10,0µm).Các sóng hồng ngoại ngắn mới đây được sử dụng
rộng rãi trong phân loại thạch học. Sóng hồng ngoại nhiệt được sử dụng trong đo nhiệt, sóng
microwave được sử dụng trong kỹ thuật radar.
Viễn thám thường sử dụng 4 tính chất cơ bản của bức xạ điện từ đó là tần số hay bước sóng,
hướng lan truyền, biên độ và mặt phẳng phân cực để thu nhận thông tin từ các đối tượng.Ví dụ,
tần số hay bước sóng liên quan tới màu sắc của vật thể trong vùng ánh sáng nhìn thấy.
Trong vùng hồng ngoại (infrared-IR) có bước sóng có từ (0.7÷10,0µm), kỹ thuật viễn thám
thường sử dụng sóng hồng ngoại phản xạ (0,7÷3,0µm)

9

Hình 1.3 Dải tần số được sử dụng trong viễn thám
Trong vùng hồng ngoại (infrared-IR) có bước sóng có từ (0.7÷10,0µm), kỹ thuật viễn thám
thường sử dụng sóng hồng ngoại phản xạ (0,7÷3,0µm)
Tuỳ thuộc vào bước sóng điện từ phản xạ hay bức xạ từ các vật thể được thu nhận bởi bộ
cảm biến sẽ tạo ra các ảnh viễn thám có màu sắc khác nhau.Thể hiện màu tư liệu ảnh vệ tinh giữ
vai trò rất quan trọng trong việc giải đoán ảnh bằng mắt, nếu ảnh đa phổ gồm 3 kênh được ghi
nhận tương ứng cùng vùng phổ của đỏ, lục và xanh chàm sẽ cho phép tái tạo màu tự nhiên trên
màn hình hiển thị ảnh.Ví dụ, lá cây sẽ có màu lục trên ảnh như sự cảm nhận của con người ngoài
thực tế, vì chất diệp lục hấp thụ ánh sáng có bước sóng lục.Ngược lại, nếu thông tin ghi nhận
trên vùng phổ thông không nhìn thấy (sóng hồng ngoại) sự tổ hợp màu với kênh phổ hồng ngoại
sẽ không cho màu tự nhiên, trường hợp này được gọi là tổ hợp màu hồng ngoại. Trên tổ hợp màu
này, các dối tượng được thể hiện trên film hồng ngoại.
Ảnh viễn thám sẽ cung cấp thông tin về các vật thể tương ứng với năng lương bức xạ với
từng bước sóng do bộ cảm biến nhận được trong dải phổ đã xác định.Các đặc trưng này của vật
thể thường gọi là đặc trưng phổ.
Phản xạ phổ ứng với từng lớp phủ mặt đất cho thấy có sự khác nhau do sự tương tác giữa các
bức xạ điện từ và vật thể, điều này cho phép viễn thám có thể xác định hoặc phân tích được đặc
điểm của lớp phủ thông qua việc đo lường phản xạ phổ. Hình 1.4 cho thấy phản xạ phổ ứng với 1
số lớp phủ đặc trưng của mặt đất ( trục ngang thể hiện bước sóng , trục đứng thể hiện phần trăm
năng lượng điện từ phản xạ), trong đó thực vật có sự phản xạ rất cao trong vùng gần hồng ngoại
(ba vị trí thấp nhất của đường cong phản xạ phổ ứng với 3 bước sóng bị thực vật hấp thụ mạnh
nhất). Đất cho sự phản xạ khá cao đối với hầu hết các vùng phổ nhưng nước hầu như không phản
xạ trong vùng hồng ngoại ( hấp thụ hoàn toàn năng lượng sóng hồng ngoại).

10


Hình 1.4 Phổ phản xạ của thực vật , đất và nước

Sóng điện từ khi lan truyền tới bề mặt của vật thể, năng lượng sóng điện từ sẽ tương tác với
vật thể đó dưới dạng hấp thụ (A), phản xạ (R) và truyền qua vật thể (T) , phần trăm năng lượng
điện từ phản xạ phụ thuộc vào chất liệu và điều kiện tương tác với vật thể đó.
Năng lượng phản xạ từ các vật thể thường có 2 dạng:
Phản chiếu khi toàn bộ năng lượng điện từ phản xạ trực tiếp từ bề mặt vật thể theo 1 hướng
nào đó.
Phản xạ khuếch tán khi bề mặt vật thể gồ gề làm cho năng lượng sóng điện từ khuyếch tán
theo nhiều phương, hiện tượng khuyếch tán năng lượng sẽ xảy ra.
Năng lượng sóng điện từ bị vật thể hấp thụ nhiều hay ít tuỳ thuộc vào bước sóng và loại vật
thể. Nước hấp thụ năng lượng ánh sáng nhìn thấy có bước sóng dài và hồng ngoại nhiều hơn so
với ánh sáng nhìn thấy có bước sóng ngắn. Do dó , nước trong thường có màu xanh hay xanh
chàm do phản xạ mạnh vùng có bước sóng ngắn hơn, ở vùng ánh sáng đỏ và hồng ngoại nước có
tạp chất trên lớp mặt (phù sa) sẽ phản xạ tốt hơn nhưng cũng dễ gây nhầm lẫn đối với vùng cạn
nhưng nước trong.Ngoài ra, chất diệp lục trong tảo lại hấp thụ mạnh năng lượng có bước sóng
màu chàm so với lục nên vùng tảo sẽ xanh hơn.Màu sắc và độ sáng của nước còn tuỳ thuộc vào
trạng thái bề mặt do ảnh hưởng của phản chiếu hay tán xạ tại bề mặt nước.
Tóm lại, năng lượng của bức xạ diện từ E phụ thuộc vào bước sóng. Để giải thích vì sao tia
chàm cung cấp nhiều năng lượng hơn tia đỏ, ta sử dụng công thức sau:
E =hc/λ
trong đó: λchàm = 0,42 µm; λđỏ = 0,66 µm
11


h = 6,6×10-34Js ; c = 3 × 108 m/s
Echàm = 6,6 × 10-34Js ( 3 × 108m/s)/ 0,425μm = 4,66 × 10-31J
Eđỏ = 6,6 × 10-34Js ( 3 × 108m/s)/ 0,66μm = 3 × 10-31J
Kết quả cho thấy năng lượng của tia chàm là 4,66 ×10-34J lớn hơn năng lượng của tia đỏ.
Năng lượng của bức xạ điện từ E khi tương tác với vật thể sẽ bị hấp thụ (EA), phản xạ ( ER)
E = EA + ER + ET
Đặc trưng của bề mặt đất có thể phân biệt bằng cách so sánh năng lượng phản xạ ER của từng

vật thể khác nhau ứng với từng bước sóng và phản xạ phổ được xác định bởi Er/E.
Năng lượng sóng điện từ do nguồn cung cấp là mặt trời , khi truyền đến mặt đất sẽ bị hấp thụ
hoặc tán xạ bởi các phân tủ nước và khí có trong lớp khí quyển. Tuỳ thuộc vào bước sóng, ảnh
hưởng của khí quyển đến phản xạ phổ ứng với từng loại lớp phủ mặt đất cho thấy có sự khác
nhau theo vị trí cũng như thời gian trong năm.
Do tính chất của vật thể có thể được xác định thông qua năng lượng bức xạ từ vật thể hay
phản xạ của vật thể đối với năng lượng bức xạ do mặt trời cung cấp, nếu năng lượng của sóng
điện từ do các vật thể phản xạ hay bức xạ được thu nhận bởi bộ cảm biến đặt trên vật mang (vệ
tinh), ta có thể nhận biết đối tượng hoặc các điều kiên môi trường khí quyển xung quanh trái đất
thông qua những đặc trưng riêng về sự phản xạ sóng điện từ

12


Chương 2
BỘ CẢM VÀ VỆ TINH VIỄN THÁM
2.1 Những khái niệm chung về bộ cảm
Bộ cảm giữ nhiệm vụ thu nhận các năng lượng bức xạ do vật thể phản xạ từ nguồn cung cấp tự
nhiên (mặt trời) hoặc nhân tạo do (do chính vệ tinh phát) . Năng lượng này được chuyển thành tín
hiệu số (biến đổi quang năng thành điện năng và chuyển đối tín hiệu điện thành 1 số nguyên hữu
hạn gọi là giá trị của pixel) tương ứng với năng lượng bức xạ ứng với từng bước sóng do bộ cảm
nhận được trong dải phổ đã được xác định . Để hiểu rõ nguyên tắc hoạt động của bộ cảm, cách
đơn giản nhất là xét khả năng phản cạ phổ của thực vật đối với sóng điện từ có bước sóng nằm
trong vùng nhìn thấy. Nhìn thấy hay cảm nhận được đối với bức xạ điện từ là khả năng đặc biệt
quan trọng không chỉ đối với các bộ cảm mà còn đối với mắt của con người, nhờ đó hình ảnh của
vật thể và màu sắc có thể được tạo ra từ việc thu năng lượng do vật thể phản xạ từ 1 nguồn cung
cấp nào đó.
Trong 5 giác quan của con người, mắt là giác quan có cảm nhận tốt nhất đối với sóng điện
từ; mắt của con người giữ chức năng giống như bộ cảm trong hệ thống viễn thám. Ánh sáng đi
vào mắt qua giác mạc và hội tụ ở võng mạc (con ngươi giữ vai trò là thấu kính), các tế bào thần

kinh (hình que và hình nón ) ở võng mạc biến đổi năng lượng của ánh sáng mạnh hay yếu ứng
với từng bước sóng khác nhau thành các xung điện truyền về não ( bộ xử lý tín hiệu). Não của
người sẽ phân tích các giá trị khác nhau của xung điện để cảm nhận được màu sắc hoặc hình ảnh.
Trong vùng ánh sáng nhìn thấy, các sắc tố của lá cây ảnh hưởng đến đặc tính phản xạ phổ
của nó, đặc biệt là chất diệp lục (còn 1 số yếu tố khác cũng ảnh hưởng đến năng lượng phản xạ
phổ của lá cây) hấp thụ ánh sáng có bước sóng xanh và đỏ đồng thời phản xạ mạnh ánh sáng có
bước sóng xanh lá cây tương ứng bước sóng 0,55µm. Do đó, khi cây tươi tốt, mắt con người cảm
nhận lá cây có màu xanh; khi lá úa sắp rụng hoặc cây bị bệnh hàm lượng diệp lục giảm dẫn đến
phản xạ phổ bị thay đổi và lá cây sẽ có màu vàng đỏ.
Đối với bộ cảm, kính lọc phổ được sử dụng để tách năng lượng bức xạ ứng với từng bước
sóng khác nhau , và năng lượng này được dẫn đến các tế bào quang điện để biến đổi quang năng
thành điện năng. Tuỳ thuộc vào số bit dùng để ghi nhận thông tin, việc chuyển đổi tín hiệu thành
1 số nguyên hữu hạn thể hiện sự thay đổi của cường độ phản xạ sóng từ các vật thể được bô cảm
xác định. Trong viễn thám, năng lượng này ứng với 1 đơn vị nhỏ nhất trên mặt đất tương ứng với
13


một pixel trên ảnh và bằng kỹ thuật phối hợp vận hành giữa vệ tinh và bộ cảm để tạo ảnh 2 chiều
của bề mặt đất.
Tế bào quang điện là thiết bị sử dụng hiệu ứng quang điện để biến đổi quang năng thành điện
năng. Độ lớn của dòng điện tạo ra tỷ lệ thuận với với cường độ cuả sóng phản xạ từ vật thể, do đó
sự thay đổi cuả dòng điện có thể được sử dụng để đo lưòng sự thay đổi năng lượng của ánh sáng
mạnh hay yếu ứng với từng bước sóng khác nhau.Năng lượng sóng điện từ sau khi tới tế bào
quang điện, được chuyển thành tín hiệu có giá trị thay đổi liên tục theo thời gian (số thực) và để
ghi nhận thông tin, việc chuyển đổi tín hiệu điện liên tục thành 1 số nguyên hữu hạn đựơc gọi là
số hoá. Giá trị độ sáng ghi nhận được phụ thuộc vào số bit dùng trong quá trình số hoá và toàn bộ
năng lượng của sóng điện từ thu được (tín hiệu nhập) chuyển sang tín hiếu số (tín hiệu xuất) chỉ
sử dụng phần biến đổi tuyến tính của bộ cảm.
Bộ cảm 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 được chuyển thành tín hiệu số

(chuyển đổi tín hiệu điện thành 1 số nguyên hữu hạn gọi là giá trị của pixel) tương ứng với năng
lượng bức xạ ứng với từng bước sóng do bộ cảm nhận được trong dải phổ đã xác định.
Máy quét với trường nhìn không đổi (góc nhìn không gian tương ứng giữa 1 pixel với 1 đơn vị
chia mẫu trên mặt đất) được sử dụng để tạo ảnh 2 chiều của bề mặt đất dựa trên sự phối hợp
chuyển động giữa vật mang và hệ thống quét vuông góc với hướng bay. Lượng thông tin về năng
lượng bức xạ được ghi trong IFOV sẽ được bộ cảm đổi thành giá trị của pixel. Hệ thống quét sử
dụng để ghi nhận năng lượng bức xạ ứng với các bước sóng khác nhau trong dải tần đã xác định
(từ cực tím đến hồng ngoại) được gọi là hệ thống quét đa phổ,
Hai phương pháp quét cơ bản thường được sử dụng trong việc tạo ảnh đa phổ đó là quét
vuông góc với tuyến chụp và quét dọc tuyến chụp.
2.1.1 Quét vuông góc với tuyến chụp
Gương quay (A) chuyển động trong mặt phẳng vuông góc với đường bay được sử dụng để
dịch chuyển trường nhìn không đổi IFOV tạo thành dòng quét vuông góc với hướng di chuyển
của vệ tinh. Năng lượng phản xạ được phân chia ứng với các sóng điện từ khác nhau ( thông qua
kính lọc phổ) được bộ tách sóng đo lường năng lượng ứng với từng kênh phổ và chuyển thành
giá trị số cuả từng pixel. Sau khi kết thúc dòng quét, gương quay trả về vị trí ban đầu để tạo dòng
kế tiếp nhớ sự dịch chuyển đồng bộ của vệ tinh, kết quả nhận là tập hợp của các dòng ảnh liên
tiếp nhau.

14


Trường nhìn không đổi IFOV của bộ cảm biến và độ cao của vệ tinh xác định độ phân giải mặt
đất (D) và góc nhìn tối đa (E) mà bộ cảm có thể thu được sóng điện từ được gọi là trường
nhìn.Khoảng không gian trên mặt đất do FOV tạo nên tương ứng với độ cao cuả vệ tinh chính là
bề rộng tuyến chụp (F) và còn được sử dụng để xác định bề rộng cuả ảnh vệ tinh (hình 2.1).

Hình 2.1 Tạo ảnh đa phổ theo phương pháp quét vuông góc với tuyến chụp
2.1.2 Quét dọc tuyến chụp
Quét dọc tuyến chụp sử dụng các hệ thống quét điện từ hoặc bộ tách sóng mảng tuyến tính để

ghi nhận năng lượng bức xạ ứng với dòng quét cố định vuông góc với phương chuyển động của
vệ tinh. Bộ tách sóng mảng tuyến tính (A) đư/ợc xây dựng tại mặt phẳng tạo ảnh (B) của hệ thống
lăng kính (C) cho phép tạo thành dòng quét vuông góc với hướng di chuyển của vệ tinh. Mỗi bộ
tách sóng riêng biệt đo lượng năng lượng phản xạ ứng với từng pixel( D) được phân chia ứng với
từng bước sóng khác nhau thông qua kính lọc phổ). Trong phương pháp này , mỗi bộ tách sóng
mảng tuyến tính riêng sẽ đảm nhiệm việc đo lường năng lương ứng với từng kênh phổ và kích
thước cuả IFOV ứng với bộ tách sóng riêng biệt sẽ xác định độ phân giải mặt đất của ảnh vệ tinh.
Bộ cảm mạng tuyến tính

Hướng bay của vật mang
Lăng kính

Thu thập dữ liệu bằng
máy quét điện tử

Dòng quét

Hình 2.2 Tạo ảnh đa phổ theo phương pháp quét dọc tuyến chụp
15


Từ 2 phương pháp cơ bản cho thấy, các phần tử của ảnh vệ tinh thường có dạng hình vuông
và thể hiện 1 khu vực nào đó trên mặt đất. Điều quan trọng cần chú ý đó là phân biệt giữa kích
thước của pixel ảnh với độ phân giải không gian , đối với ảnh vệ tinh điều này không phải tương
ứng trong mọi trường hợp. Nếu bộ cảm biến này có độ phân giải không gian là 20m và một ảnh
thu được từ bộ cảm biến này thể hiện đúng độ phân giải thì mỗi pixel tương ứng cho diện tích
20×20m trên mặt đất. Trong trường hợp này kích thước của pixel và độ phân giải không gian là
như nhau. Tuy nhiên, các thiết bị hiển thị ảnh có thể cho phép thể hiện với những kích thước của
pixel khác nhau so với độ phân giải không gian của ảnh vệ tinh.
Nói chung, ảnh chỉ thể hiện được những vật thể lớn gọi là ảnh có độ phân giải thấp, còn ảnh

cho phép tách các đối tượng nhỏ và cho thấy đầy đủ chi tiết trên mặt đất được gọi là ảnh có độ
phân giải cao. Độ phân giải càng cao thì diện tích mặt đất được thể hiện trên ảnh càng nhỏ, hiện
nay các bộ cảm biến đặt trên vệ tinh phục vụ cho mục đích quân sự được thiết kế sao cho thu
được càng nhiều thông tin càng tốt, nên ảnh nhận được thường có độ phân giải cao hơn so với
ảnh do các công ty thương mại cung cấp.Ngoài ra, khái niệm tỷ lệ ảnh cũng cho biết mức độ chi
tiết do ảnh vệ tinh cung cấp, đó là tỷ số giữa khoảng cách trên ảnh với khoảng cách thực trên mặt
đất. Nếu tỷ lệ là 1:100.000 thì một đối tượng có chiều dài 1cm trên ảnh sẽ có chiều dài thật trên
mắt đất là 100.000cm(1km) . Ảnh có tỷ lệ nhỏ khi tỷ số này nhỏ và ngược lại gọi là ảnh tỷ lệ lớn
( ví dụ ảnh có tỷ lệ 1:5000 được xem là ảnh có tỷ lệ lớn và cung cấp nhiều chi tiết hơn).
2.2 Bộ cảm sử dụng trong kỹ thuật viễn thám
2.2.1 Máy quét quang cơ
Máy quét quang cơ là thiết bị sử dụng một bức xạ kế đa phổ để tạo ảnh 2 chiều dựa trên sự
phối hợp chuyển động giữa vệ tinh và hệ thống gương quét vuông góc với hướng bay. Để đơn
giản ta chỉ xét việc kết hợp một tế bào quang điện (cảm nhận năng lượng ứng với 1 kênh phổ) và
một gương quay sao cho đường tròn quét trên mặt đất là đường thẳng vuông góc với hướng
chuyển động của vệ tinh. Trong cách này, bề mặt trái đất được quét thành từng dòng liên tục khi
vệ tinh dịch chuyển với vận tốc nhất định. Hình 2.3 minh hoạ nguyên tắc cơ bản sử dụng trong
máy quét quang cơ đơn giản với một tế bào quang điện
Máy quét đa phổ quang cơ gồm những phần chính sau:
- Máy quét đa phổ quang học : Hệ thống kính viễn vọng phản xạ kiểu Newton , Cassegrain,
hoặc Ritchey- Chretien nhằm hạn chế sự lệch màu đến mức rối thiểu
- Hệ thống tách phổ: thường sử dụng hệ thống gương, lăng kính hoặc kính lọc phổ
- Hệ thống quét: Các gương quay hoặc dao động trong mặt phẳng vuông góc với đường bay
16


- Bộ tách sóng (phân tích) chuyển đổi năng lượng điện từ thành tín hiệu điện (sử dụng diode
quang điện).Các bộ khuyếch đại quang điện thường được sử dụng cho dải sóng nhìn thấy và vùng
cực tím. Đối với vùng sóng gần hồng ngoại và vùng nhìn thấy người ta dùng diode silicon, diode
ingium antimony (InSb) được dùng cho vùng sóng ngắn và để đo bức xạ nhiệt người ta dùng

diode HpCdTe.
- Hệ thống kiểm định (kiểm tra): Tín hiệu điện đo được luôn bị ảnh hưởng bởi sự biến động
độ nhạy của hệ thống tách sóng do vậy cần phải duy trì thường xuyên một nguồn sáng có cường
độ và nhiệt độ ổn định làm nguồn năng lượng chuẩn kiểm định tín hiệu điện.
Các hệ thống máy quét đa phổ quang cơ có thể được đặt trên máy bay hoặc vệ tinh.Máy quét
đa phổ MSS (Multispectral Scanner System) và TM (Thematic Mapper) của vệ tinh Landsat.

Vật thể đen
tham chiếu

Bộ tách nhiệt
Bộ tách quang

Hướng bay
Gương phản xạ
Gương quét
Thấu kính
Mặt đất

Kính hội tụ

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của máy quét đa phổ quang cơ
Hình 2.3 thể hiện sơ đồ nguyên lý hoạt động và thu nhận thông tin của máy quét đa phổ
quang cơ. So sánh với hệ thống quét điện tử thì các hệ thống quét quang cơ có những ưu điểm là
trường nhìn của hệ thống quang học có thể nhỏ hơn, sai số trùng khớp giữa các kêmnh phổ cao
hơn và hệ thống cho độ phân giải cũng cao hơn. Tuy nhiên , nhược điểm cơ bản của nó là tỷ lệ số
hiệu dụng giữa tín hiệu và nhiễu lại nhỏ hơn so với hệ thống quét điện tử.
2.2.2 Máy quét điện tử
Các hệ thống quét điện tử hoặc bộ cảm mảng tuyến tính là hệ thống không có bộ phận quét
cơ học, nhưng với bộ cảm mảng tuyến tính cho phép ghi nhận tín hiệu năng lượng phản xạ ứng

với từng kênh phổ bằng cách tạo từng hàng ảnh cố định vuông góc với phương chuyển động của
vệ tinh. Khi vệ tinh chuyển động, hệ thống quét điện tử dịch chuyển đồng thời từng bộ tách sóng
riêng biệt đo năng lượng phản xạ ứng với từng pixel được phân chia ứng với từng dòng ảnh. Kết
17


quả nhận được ảnh là tập hợp của các dòng ảnh liên tiếp nhau và trong phương pháp này, mỗi bộ
tách mảng tuyến tính riêng biệt sẽ đảm nhiệm việc đo năng lượng ứng với từng kênh phổ.
Về cấu tạo, các máy quét điện tử chỉ có hệ thống thấu kính quang học nhằm tách các dòng
ảnh đồng thời vuông góc với hướng bay. Thiết bị nạp này còn gọi là thiết bị đổi kiểu thường được
dùng cho bộ cảm mảng tuyến tính nên còn được gọi là bộ cảm tuyến tính dùng cho CCD hay máy
chụp CCD. Thực chất của CCD là chip silicon giữ vai trò biến đổi năng lượng phản xạ thu được
sang dòng điện, cấu tạo giống như các diod quang điện có cùng đặc tính được ghép lại với nhau
thành một hàng để ghi nhận đồng thời giá trị độ sáng ứng với từng pixel. Do máy chụp CCD
không có một bộ phân cơ học nào nên độ ổn định trong hoạt động của nó rất cao. Tuy nhiên, trên
một hàng ảnh thường xuất hiện nhiễu gây ra do sự chênh lệch độ nhạy giữa các bộ tách sóng
riêng biệt. Bộ cảm biến HRV của vệ tinh SPOT, MESSR của MOS-1 là những loại bộ cảm tuyến
tính CCD đặt trên vệ tinh đang được sử dụng hiện nay.
2.2.3 Các bộ cảm thông dụng
Vệ tinh mang bộ cảm viễn thám để quan sát mặt đất được gọi là vệ tinh viễn thám hay vệ tinh
quan sát mặt đất. Hiện nay, các bộ cảm khác nhau được chế tạo để phục vụ cho nhiều mục đích
sử dụng khác nhau, đặc trưng chủ yếu của bộ cảm là số kênh phổ được sử dụng, độ phân giải
không gian và bề mặt rộng tuyến chụp. Tuỳ thuộc vào vệ tinh, bộ cảm sẽ được đặt ở độ cao và
chuyển động theo một quỹ đạo nhất định. Bảng 2.1 tổng kết một số bộ cảm thông dụng hiện nay
như TM (Thematic Mapper), HRV( High Resolution Visible), HRVIR(High Resolution Visible
and Middle Infrared) đang được các vệ tinh Landsat, SPOT sử dụng.
2.3. Vật mang và quỹ đạo bay
2.2.1 Phân loại vật mang
Vật mang là một phương tiện dùng để bố trí các bộ cảm trên đó nhằm thu nhận thông tin từ
mặt đất. Vệ tinh và máy bay là những vật mang cơ bản thường sử dụng trong viễn thám. Ngoài

ra, còn có nhiều loại vật mang khác có độ cao hoạt động từ vào chục mét trở lên, nhìn chung có
thể chia chúng thành những nhóm chính như sau:
-Vệ tinh địa tĩnh,
-Vệ tinh tài nguyên ( quan sát mặt đất),
- Các vật mang quỹ đạo thấp,
- Các vật mang tầng thấp.

18


Bảng 2.1 thể hiện các loại mang thường được sử dụng trong viễn thám, tuỳ thuộc vào yêu cầu
ứng dụng các vật mang đặt ở những độ cao khác nhau so với mặt đất nhằm cho phép bộ cảm biến
thu được thông tin từ mặt đất dưới nhiều hình thức khác nhau.
Bảng 2.1 Hệ thống phân loại các vật mang theo độ cao
Vật mang

Độ cao

Vệ tinh địa tĩnh

Hình thức quan sát

Chú thích

36.000km

Quan sát từ một điểm cố định

GMS

Vệ tinh quỹ đạo ellip

500 ÷ 1000km

Quan sát đều đặn theo chu kỳ

LANDSAT
SPOTM OS1

Tàu vũ trụ con thoi

240 ÷ 350km

Quan sát không đều ,theo từng
cuộc thí nghiệm

Bóng thám không
( Khinh khí cầu )

100m ÷ 100km

Nghiên cứu nhiều đối tượng
khác nhau

Phản lực tầng cao

10 ÷ 12km

Nt

Máy bay tầng thấp hoặc
Trung bình

500 ÷8000km

Máy bay lên thẳng

100 ÷ 2000km

Nt

Dưới 500m

Nt

0 ÷ 30m

Quan sát khu vực nhỏ

Máy bay không người lái

Nt

Điều khiển bằng vô tuyến
Chụp ảnh mặt đất

Hầu hết các vệ tinh quan sát mắt đất sử dụng quỹ đạo đồng bộ mặt trời và có cao độ bay từ
500÷1000km. Do quỹ đạo của vệ tinh được dịch chuyển so với quỹ đạo quay của trái đất theo
thời gian, nên vùng chụp trên mặt đất ở một số khu vực có thể được thay đổi theo mùa để đảm
bảo khả năng thu nhận ảnh khi cường độ phản xạ của vật thể là tốt nhất. Hình 2.4a thể hiện hình

ảnh của vệ tinh địa tĩnh chuyển động trên quỹ đạo có độ cao là 36000km, hình 2.4b thể hiện hình
ảnh của tàu vũ trụ do NASA sản xuất; hình 2.4c cho thấy ảnh của bộ cảm biến (dạng camera)
được đặt trong vật mang là máy bay; hình 2.4d minh hoạ vị trí của trái đất so với quỹ đạo của vệ
tinh địa tĩnh và vệ tinh quan sát mặt đất. Hầu hết các lọai vật mang khi ở độ cao khác nhau sẽ
chịu ảnh hưởng của điền kiện khí quyển khác nhau, áp suất và nhiệt độ của khí quyển giảm phụ
thuộc vào độ cao của vật mang.

19


Hình.2.4
a)Vệ tinh địa tĩnh GEOS b) Vệ tinh Landsat 7

c)Vệ tinh ADEOS.

d)Tàu vũ trụEndeavour

2.2.2 Các phần tử quỹ đạo của vệ tinh
Tập hợp các thông số cơ bản mô tả quỹ đạo chuyển động của vật mang được gọi là các phần
tử quỹ đạo của vệ tinh. Vệ tinh chuyển động trong vũ trụ được xác định bằng 6 thông số cơ bản
của định luật Kepler áp dụng chp các vật thể chuyển động trong vũ trụ. Theo định luật này thì vệ
tinh có thể được coi như một vật thể quay xung quanh trái đất trong một mặt phẳng quỹ đạo
không bị tác động do lực hấp dẫn của mặt trăng và mặt trời. Thực ra thì vẫn tồn tại tương tác giữa
các trường hấp dẫn của trái đất, mặt trăng và mặt trời. Nhưng trong nhiều bài toán thực tế thì ảnh
hưởng của mặt trăng và mặt trời đến vệ tinh có thể bỏ qua vì không đáng kể so với tác động của
trọng trường trái đất. Hình 2.5 mô tả các thông số quỹ đạo bay của vệ tinh theo định luật Kepler
Như vậy, mỗi loại vệ tinh khác nhau sẽ chuyển động xung quanh trái đất theo một quỹ đạo
xác định được thiết kế theo sáu tham số quỹ đạo cơ bản, đó là:
- Bán trục lớn A của quỹ đạo,
- Độ dẹt quỹ đạo e ( lệch tâm quỹ đạo),

- Góc nghiêng i ( so với mặt phẳng xích đạo),
- Góc lên bên phải h ,
- Điểm gần nhất g (góc cực của cận điểm),
- Thời gian V qua điểm gần nhất (cận điểm).
Các vệ tinh quan sát mặt đất đòi hỏi điều kiện chiếu sáng ổn định, nghĩa là góc tới của ánh
sáng mặt trời đối với mặt phẳng quỹ đạo luôn không thay đổi theo thời gian ( trong một ngày hay
giữa các mùa). Do đó, quỹ đạo được tính toán theo sáu tham số tối ưu nhất sao cho giá trị năng
lượng phản xạ thu được trên ảnh vệ tinh không bị thay đổi do vị trí của mặt trời. Loại quỹ đạo
được thiết kế nhằm đảm bảo điều kiện này được gọi là quỹ đạo đồng bộ mặt trời, loại này được
20


áp dụng khá phổ biến cho các vệ tinh quan sát mặt đất( vệ tinh tài nguyên) vì có ưu điểm luôn tạo
được một điều kiện chiếu sáng ổn định.

Hình 2.5 Vệ tinh chuyển động theo quỹ đạo xác định
Khi vệ tinh chuyển động theo quỹ đạo đồng bộ mặt trời và có chu kỳ lặp, ảnh ghi nhận trong
vùng ánh sáng nhìn thấy sẽ không thể thực hiện được trong khoảng thời gian vệ tinh di chuyển từ
cực nam lên cực bắc do phần mặt đất mà vệ tinh bay qua trong khoảng thời gian đó không được
mặt trời chiếu sáng (ban đêm). Ngược lại, khi vệ tinh di chuyển từ cực bắc xuống cực nam, mặt
đất được vệ tinh quan sát trong điều kiện chiếu sáng tốt (ban ngày), nên hầu hết các vệ tinh quan
sát mặt đất hoạt động theo hình thức này.
Đặc trưng chuyển động của vệ tinh theo quỹ đạo không chỉ được phân biệt theo hình dạng và
góc nghiêng của quỹ đạo mà còn theo chu kỳ lặp lại của vệ tinh tại vị trí quan sát. Vì trái đất quay
một vòng quay trục mất 24 giờ và vệ tinh chuyển động với vận tốc nhất định nên thời gian để vệ
tinh hoàn tất quỹ đạo trở lại vị trí ban đầu có thể xác định được. Nếu thiết kế quỹ đạo để vệ tinh
trở lại điểm thiên đỉnh trong một ngày thì được gọi là quỹ đạo có chu kỳ lặp một ngày. Ngược lại,
sau khoảng thời gian cố định ( nhiều ngày) vệ tinh trở lại đỉểm thiên đỉnh như được minh hoạ trên
hình 2.5 được gọi là quỹ đạo có chu kỳ lặp lại nhiều ngày. Vệ tinh quan sát mặt đất thường sử
dụng quỹ đạo có chu kỳ lặp lại nhiều ngày vì nó cho phép bộ cảm biến nhìn bao phủ hầu hết các

phần trên mặt đất dựa trên sự kết hợp chuyển động quay tương đối giữa mặt đất và vệ tinh.
Khoảng thời gian tương ứng với chu kỳ quỹ đạo sẽ khác nhau ứng với từng loại vệ tinh, và
khoảng thời gian mà vệ tinh hoàn tất chu kỳ quỹ đạo của nó cũng không giống với thời gian lặp
21


lại vị trí chụp ban đầu của nó. Vì một số vệ tinh ( như SPOT) có thể sử dụng kỹ thuật chụp ảnh
với góc nhìn nghiêng cho phép rút ngắn thời gian chụp lại ảnh trên cùng một khu vực so với thời
gian hoàn tất chu kỳ quỹ đạo.
Khi chọn dữ liệu ảnh vệ tinh phục vụ cho công tác quan sát hay phân tích biến động cần phải
xem xét vệ tinh có chu kỳ lặp (chụp ảnh) và chu kỳ quỹ đạo thích hợp nhất cho nhu cầu sử dụng.
Bảng 2.2 thống kê chu kỳ lặp và chu kỳ quỹ đạo của vệ tinh Landsat, SPOT, và ADEOS
Bảng 2.2 Thống kê chu kỳ lặp và chu kỳ quỹ đạo của vệ tinh
Chu kỳ
lặp

18 ngày (Landsat-1-3)
16 ngày (Landsat-4,5,7)

26 ngày (SPOT-1-4)

41 ngày (ADEOS)

Khoảng 103 phút (Landsat -1-3)
Khoảng 99 phút (Landsat)

Khoảng 101 phút
(SPOT -1-4)

Khoảng 101 phút

(ADEOS)

2.4 Vệ tinh quan sát tài nguyên
2.4.1 Vệ tinh Landsat
Vệ tinh Landsat là vệ tinh viễn thám tài nguyên đầu tiên được phóng lên quỹ đạo năm 1972 ,
cho đến nay đã có bảy thế hệ vệ tinh Landsat đã được phóng lên quỹ đạo và dữ liệu đã được sử
dụng rộng rãi trên toàn thế giới. Hiện nay, ảnh vệ tinh Landsat được cung cấp từ 15 trạm thu
nhằm phục vụ quản lý tài nguyên và giám sát môit trường.Landsat được NASA thiết kế đầu tiên
như là thực nghiệm kiểm tra tính khả thi việc sử dụng bộ cảm biến đa phổ trong thu thập dữ liệu
quan sát mặt đất.Sự thành công của Landsat nhờ vào việc kết hợp nhiều kênh phổ để quan sát mặt
đất, ảnh có độ phân giải không gian tương đối tốt và phủ một vùng khá rộng với chu kỳ lặp ngắn.
Vệ tinh Landsat được thiết kế có bề rộng tuyến chụp là 185km và có thời điểm bay qua xích
đạo là 9 giờ39 sáng. Dữ liệu do 2 bộ cảm biến TM và MSS thu nhận được chia thành các cảnh
phủ một vùng trên mặt đất 185×170km được đánh số theo hệ quy chiếu toàn cầu gồm số liệu của
tuyến và hàng. Các giá trị của pixel được mã hoá 8 bit tức là cấp độ xám ở quỹ đạo trong khoảng
0÷255
Đặc trưng chính của quỹ đạo và vệ tinh Landsat gồm:

22


Bảng 2.3 Đặc trưng chính của quỹ đạo và vệ tinh
Độ cao bay

915 km ( Landsat -1-3)
705km ( Landsat -4,5,7)

Quỹ đạo

Đồng bộ mặt trời

Chu kỳ lặp

18 ngày ( Landsat -1-3)
16 ngày ( Landsat -4,5,7)

Thời gian hoàn tất

Khoảng 103 phút ( Landsat -1-3)

Chu kỳ quỹ đạo

khoảng 99 phút ( Landsat -4,5,7)
1972 (Landsat -1) 1975 ( Landsat -2)

Năm phóng vào quỹ đạo

1978 ( Landsat -3) 1982 ( Landsat -4)
1984 ( Landsat -5) 1999 ( Landasat -7)

Cả hai bộ cảm biến MSS và TM sử dụng trên vệ tinh Landsat đều là máy quét quang cơ. Đặc
trưng chính của bộ cảm biến và độ phân giải không gian của ảnh vệ tinh Landsat được thể hiện
bởi các thông số sau:
Bảng 2.4 Đặc trưng chính của bộ cảm và độ phân giải không gian

Loại

Độ phân
giải không
gian

Loại bộ cảm

Kênh

Bước sóng
(µm)

TM
Thematic
Mapper
(Landsat-1-5)

Kênh 1
Kênh 2
Kênh 3
Kênh 4
Kênh 5
Kênh 6
Kênh 7

0,45 ÷ 0,52
0,52 ÷ 0,60
0,63 ÷ 0,69
0,76 ÷ 0,90
1.55 ÷ 1,75
10,4 ÷ 12,5
2,08 ÷ 2,35

Chàm

Lục đỏ
Đỏ
Cận hồng ngoại
Hồng ngoại trung
Hồng ngoại nhiệt
Hồng ngoại trung

30 m
30 m
30 m
30 m
30 m
120 m
30 m

MSS
Multi Spectral
Scanner
(Landsat-1-5)

Kênh 4
Kênh 5
Kênh 6
Kênh 7

0,5 ÷ 0,6
0,6 ÷ 0,7
0,7 ÷ 0,8
0,8 ÷ 1,1

Lục
Đỏ
Cận hồng ngoại
Cận hồng ngoại

80 m
80 m
80 m
80 m

Kênh 1
Kênh 2

0,45 ÷ 0,52
0,53 ÷ 0,61

Chàm
Lục đỏ

30 m
30 m

23


Kênh 3
Kênh 4
Kênh 5
Kênh 6
Kênh 7

Kênh 8 (Pan)

TM
Thematic
Mapper
(Landsat-1-5)

0,63 ÷ 0,69
0,75 ÷ 0,90
1.55 ÷ 1,75
10,4 ÷ 12,5
2,09 ÷ 2,35
0,52 ÷ 0,9

Đỏ
Cận hồng ngoại
Hồng ngoại trung
Hồng ngoại nhiệt
Hồng ngoại trung
Lục đến cận hồngngoại

30 m
30 m
30 m
60 m
30 m
15 m

Bảng 2.5 Khả năng ứng dụng tương ứng với các kênh phổ

Bước sóng (µm)

Ứng dụng

TM 1

0,45 ÷ 0,52
( chàm)

Phân biệt thực phủ; thành lập bản đồ vùng ven bờ biển;
xác định đối tượng trồng trọt

TM 2

0,52 ÷ 0,60
(lục)

Thành lập bản đồ thực phủ; xác định đối tượng trồng trọt

TM 3

0,63 ÷ 0,69
(đỏ)

Phân biệt loại cây trồng, vùng có và không có thực vật;
xác định đối tượng trồng trọt

TM 4

0,76 ÷ 0,90

(cận hồng ngoại)

Xác định loại cây trồng, vùng có và không có thực vật; độ
ẩm của đất; sinh quyển

TM 5

1.55 ÷ 1,75
(hồng ngoại sóng ngắn )

Cảm nhận độ ẩm của đất và thực vật; phân biệt vùng bao
phủ bởi mây và tuyết

TM 6

2,08 ÷ 2,35
(hồng ngoại nhiệt)

Phân biệt độ ẩm của đất và sự dày đặc của rừng; thành lập
bản đồ nhiệt, xác định cháy rừng

TM 7

2,08 ÷ 2,35
(hồng ngoại sóng ngắn)

Phân biệt loại đá và khoáng; hàm lượng độ ẩm của cây

Ảnh vệ tinh Landsat thu được từ hai bộ cảm biến MSS và TM được sử dụng khá hiệu quả
cho nhiều lĩnh vực khác nhau như quản lý và sử dụng tài nguyên thiên nhiên và giám sát môi

trường, thành lập bản đồ và phân tích biến động( sử dụng đất đai, biến đổi đường bờ…)
2.4.2 Vệ tinh SPOT
Vệ tinh SPOT-1 được cơ quan hàng không Pháp (Système Pour L`Observation de la Terre)
phóng lên quỹ đạo vào năm 1986, các năm 1990, 1993, 1998, và 2002 lần lượt các vệ tinh SPOT2,3,4 và 5 được đưa vào hoạt động. Đây là loại vệ tinh đầu tiên sử dụng kỹ thuật quét dọc tuyến
chụp với hệ thống quét điện tử có khả năng cho ảnh lập thể dựa trên nguyên lý quan sát nghiêng.
Bộ cảm biến HRV( High Resolution Visible) được chế tạo cho vệ tinh SPOT là máy quét điện tử
24


CCD. Tuy nhiên, HRV có thể thay đổi góc quan sát nhờ một gương định hướng và gương này
cho phép quan sát nghiêng 27 độ nên có thể thu được ảnh lập thể. Đến đời SPOT-4 bộ cảm biến
được cải tiến để thu nhận vùng phổ hồng ngoại và có tên là HRVIR( High Visible and Middle
Infared). SPOT được thiết kế, vận hành và khai thác phục vụ mục đích thương mại, nhằm cung
cấp dữ liệu quan sát tài nguyên và môi trường. Ảnh SPOT được cung cấp ở hai dạng khác nhau là
ảnh toàn sắc phanchromatic có độ phân giải không gian cao hơn so với ảnh đa phổ (trên ba kênh)
và cũng được xử lý ở các cấp độ khác nhau:
Cấp 1: Đã hiệu chỉnh cơ bản về phổ và hình học
Cấp 2: Sử dụng điểm khống chế mặt đất để hiệu chỉnh hình học
Cấp 3: Hiệu chỉnh hình học có sử dụng mô hình độ cao số của mặt đất ( DEM)
Ảnh SPOT được nhận tại 15 trạm thu trên mặt đất, mỗi ảnh được xác định theo số hiệu cột
và hàng trong hệ thống quy chiếu lưới toàn cầu SPOT-GRS (Grid Reference System). Do ảnh
SPOT phủ một vùng trên mặt đất rộng 60×60km, độ phân giải không gian cao và cho phép tạo
ảnh lập thể nên được ứng dụng khá phổ biến trong nghiên cứu hiện trạng sử dụng đất, phân tích
biến động và thành lập bản đồ tỷ lệ 1:10.000 và nhỏ hơn. Hình 2.6 chỉ ra vệ tinh SPOT, nguyên
tắc quan sát và khả năng tạo ảnh lập thể cũng như khả năng quan sát lặp của vệ tinh SPOT

Hình 2.6 Nguyên tắc quan sát và khả năng tạo ảnh lập thể của vệ tinh SPOT
Bảng 2.6 Đặc trưng chính của bộ cảm và độ phân giải không gian
Tên bộ cảm

Kênh

Bước sóng

Loại

Độ phân giải
không gian

(μm)
SPOT -1-3
HRV-XS:

kênh 1

0,50 ÷ 0,59
25

Lục đến vàng

20 m