Khảo sát và đánh giá một vài chỉ số chiết tách đất xây dựng và khu vực dân cư từ tư liệu ảnh viễn thám

MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ................................................................................................................................. 3
DANH MỤC BẢNG BIỂU............................................................................................................................. 4
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT......................................................................................................................... 5
LỜI CẢM ƠN............................................................................................................................................. 6
LỜI MỞ ĐẦU............................................................................................................................................. 1
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI.................................................................................................................. 1
2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU....................................................................................................................... 2
3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU............................................................................................................... 2
4. CẤU TRÚC ĐỒ ÁN.................................................................................................................................. 3
CHƯƠNG I................................................................................................................................................ 4
TỔNG QUAN VỀ VIỄN THÁM..................................................................................................................... 4
1.1. KHÁI NIỆM VỀ VIỄN THÁM................................................................................................................. 4
1.1.1. ĐỊNH NGHĨA.................................................................................................................................... 4
1.1.2. NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA VIỄN THÁM.............................................................................................. 5
1.1.3. BỨC XẠ ĐIỆN TỪ............................................................................................................................. 8
1.2. PHÂN LOẠI VIỄN THÁM.................................................................................................................... 13
1.2.1.PHÂN LOẠI THEO NGUỒN TÍN HIỆU................................................................................................ 13
1.2.2.PHÂN LOẠI THEO ĐẶC ĐIỂM QUỸ ĐẠO............................................................................................ 14
1.2.3. PHÂN LOẠI THEO DẢI SÓNG THU NHẬN......................................................................................... 15
1.3. ỨNG DỤNG CỦA MỘT SỐ LOẠI ẢNH VIỄN THÁM PHỔ BIẾN...............................................................16
1.3.1.TƯ LIỆU ẢNH LANDSAT MSS............................................................................................................ 16
1.3.2. TƯ LIỆU ẢNH LANDSAT TM, SPOT VÀ MAPSAT...............................................................................17
1.3.3. TƯ LIỆU ẢNH THU TỪ MÁY CHỤP ẢNH VŨ TRỤ QUANG HỌC..........................................................18
1.3.4. TƯ LIỆU ẢNH RADAR..................................................................................................................... 20
CHƯƠNG II............................................................................................................................................. 22
PHƯƠNG PHÁP CHIẾT TÁCH THÔNG TIN................................................................................................. 22
TRÊN ẢNH VIỄN THÁM............................................................................................................................ 22
2.1. THÔNG TIN TRÊN ẢNH VIỄN THÁM................................................................................................... 22
2.1.1. VẤN ĐỀ THU NHẬN VÀ PHÂN TÍCH TƯ LIỆU VIỄN THÁM.................................................................22
2.1.2.ĐẶC TÍNH PHẢN XẠ PHỔ CỦA NƯỚC, THỰC VÂT, THỔ NHƯỠNG.....................................................23

2.1.3. MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN PHẢN XẠ PHỔ CỦA CÁC ĐỐI TƯỢNG TỰ NHIÊN.......................31
2.2. PHƯƠNG PHÁP CHIẾT TÁCH THÔNG TIN TRÊN ẢNH VIỄN THÁM.......................................................37
2.2.1. GIẢI ĐOÁN ẢNH BẰNG MẮT.......................................................................................................... 37
2.2.2. GIẢI ĐOÁN ẢNH THEO PHƯƠNG PHÁP SỐ.....................................................................................39


CHƯƠNG III............................................................................................................................................ 42
KHẢO SÁT VÀ ĐÁNH GIÁ MỘT VÀI CHỈ SỐ CHIẾT TÁCH ĐẤT XÂY DỰNG VÀ KHU VỰC DÂN CƯ TỪ TƯ LIỆU
ẢNH VIỄN THÁM..................................................................................................................................... 42
3.1. KHÁI QUÁT CHUNG VỀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU.................................................................................42
3.1.1. VỊ TRÍ ĐỊA LÝ.................................................................................................................................. 42
3.1.2. ĐỊA HÌNH, CẢNH QUAN................................................................................................................. 43
3.3. CHIẾT TÁCH ĐẤT XÂY DỰNG VÀ KHU VỰC DÂN CƯ............................................................................47
3.3.1. SƠ ĐỒ QUY TRÌNH NGHIÊN CỨU................................................................................................... 47
3.3.2. CẮT ẢNH THEO RANH GIỚI............................................................................................................ 47
3.3.3. CHUYỂN ĐỔI GIÁ TRỊ SỐ SANG GIÁ TRỊ PHỔ...................................................................................48
3.3.4. TÍNH CHỈ SỐ THỰC VẬT VÀ CHỈ SỐ ĐẤT XÂY DỰNG.........................................................................49
3.3.5. PHÂN LOẠI ẢNH............................................................................................................................ 52
KIẾN NGHỊ.............................................................................................................................................. 61
TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................................................................. 62


DANH MỤC HÌNH VẼ
HÌNH 2.1. ĐẶC TÍNH PHẢN XẠ PHỔ CỦA THỰC VẬT.[2].............................................................................24
HÌNH 2.2. ĐẶC TÍNH HẤP THỤ CỦA LÁ CÂY VÀ CỦA NƯỚC[2]...................................................................25
HÌNH 2.3. ĐẶC TÍNH PHẢN XẠ PHỔ CỦA THỰC VẬT[2]..............................................................................26
HÌNH 2.4. ĐẶC TÍNH PHẢN XẠ PHỔ CỦA THỔ NHƯỠNG[2]......................................................................27
HÌNH 2.5. KHẢ NĂNG PHẢN XẠ PHỔ CỦA ĐẤT PHỤ THUỘC VÀO ĐỘ ẨM[2]..............................................28
HÌNH 2.6. KHẢ NĂNG PHẢN XẠ VÀ HẤP THỤ CỦA NƯỚC [2]....................................................................29
HÌNH 2.7. KHẢ NĂNG PHẢN XẠ PHỔ CỦA MỘT SỐ LOẠI NƯỚC [2]...........................................................30

HÌNH 2.8. CỬA SỔ KHÍ QUYỂN[2]............................................................................................................. 35
HÌNH 3.1. ẢNH VỆ TINH LANDSAT8 KHU VỰC HUYỆN ĐÔNG ANH HIỂN THỊ Ở TỔ HỢP MÀU
RED_GREEN_BLUE 5:4:3.......................................................................................................................... 45
HÌNH 3.2. SƠ ĐỒ QUY TRÌNH NGHIÊN CỨU............................................................................................. 47
HÌNH 3.3. A. ẢNH KHU CHỤP KHU VỰC NGHIÊN CỨU ĐƯỢC TỔ HỢP MÀU GIẢ 5:4:3...............................48
HÌNH 3.4. A. GIÁ TRỊ SỐ CỦA ẢNH........................................................................................................... 49
HÌNH 3.5. KẾT QUẢ TÍNH NDVI................................................................................................................ 50
HÌNH 3.6. KẾT QUẢ TÍNH SAVI................................................................................................................. 51
HÌNH 3.7. KẾT QUẢ TÍNH NDBI................................................................................................................ 52
HÌNH 3.8. KẾT QUẢ PHÂN LOẠI TỔ HỢP NDVI VÀ CÁC KÊNH ẢNH.............................................................56
HÌNH 3.9. KẾT QUẢ PHÂN LOẠI TỔ HỢP SAVI VÀ CÁC KÊNH ẢNH..............................................................56
HÌNH 3.10. KẾT QUẢ PHÂN LOẠI TỔ HỢP NDBI VÀ CÁC KÊNH ẢNH...........................................................57
HÌNH 3.11. KẾT QUẢ XỬ LÝ SAU PHÂN LOẠI TỔ HỢP NDBI VÀ CÁC KÊNH ẢNH..........................................57


DANH MỤC BẢNG BIỂU
BẢNG 1.1: ĐẶC ĐIỂM CỦA DẢI PHỔ ĐIỆN TỪ SỬ DỤNG.............................................................................7
BẢNG 2.1: MỐI QUAN HỆ GIỮA BƯỚC SÓNG VÀ ĐỘ THẤU QUANG CỦA NƯỚC[2]....................................31
BẢNG 2.2: CỬA SỔ KHÍ QUYỂN BỨC XẠ MẶT TRỜI[2]...............................................................................36
BẢNG 3.1: THÔNG TIN CÁC KÊNH CỦA LANDSAT......................................................................................45
BẢNG 3.2: MẪU SỬ DỤNG TRONG PHÂN LOẠI[8]....................................................................................54
BẢNG 3.3: MA TRẬN ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA KẾT QUẢ.................................................................59
BẢNG 3.4: MA TRẬN ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA KẾT QUẢ.................................................................59
BẢNG 3.5: MA TRẬN ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA KẾT QUẢ.................................................................59


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
NDVI

normalized difference vegetation index (chỉ số thực vật)

SAVI

Soil Adjusted Vegetation Index (chỉ số thực vật có hiệu chỉnh L)

NDBI

Normalized Difference Built-up Index (chỉ số đất xây dựng)

RGB

Red: Green:Blue ( đỏ: xanh: lam)

HIS

Hue: Saturation: Intensity.( màu sắc: cường độ: độ sáng)

NASA

National Aeronautics & Space Administation ( Cơ quan hàng
không và vũ trụ Mỹ)


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành tốt bài đồ án của mình, em xin gửi lời cảm ơn Bộ môn
Trắc địa Ảnh - Bản đồ, Ban chủ nhiệm Khoa Trắc Địa, Ban giám hiệu Trường
Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi và
giúp đỡ nhiều mặt trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu để em hoàn
thành đồ án này.
Đặc biệt, em xin bày tỏ lòng biết ơn tới cô TS. Trịnh Thị Hoài Thu đã

tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em trong suốt quá trình làm đồ án tốt nghiệp.
Do thời gian nghiên cứu không nhiều, trình độ kiến thức cũng như kinh
nghiệm của bản thân còn hạn chế nên đồ án vẫn còn nhiều thiếu sót. Em rất
mong nhận được góp ý của các thầy cô giúp cho đồ án của em được hoàn
thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn.
Hà Nội, ngày 6 tháng 6 năm 2016
Sinh viên thực hiện
Đỗ Tuấn Anh


1

LỜI MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Đất đai là tài nguyên vô cùng quý giá, là tư liệu sản xuất đặc biệt, là
nguồn sống, môi trường, môi sinh quan trọng nhất cho đời sống con người,
cho sinh hoạt xã hội và cho các hoạt động sản xuất kinh doanh. Đất đai là tài
nguyên vô cùng quan trọng trong chiến lược phát triển của mỗi quốc gia, nó
có những đặc trưng cơ bản khiến nó không giống với bất kỳ một loại tư liệu
sản xuất nào. Đất đai có hạn về số lượng và không có khả năng tái sinh; nó có
vị trí cố định trong không gian, không thể di chuyển theo ý muốn chủ quan
của con người… Chính vì những đặc trưng trên ta thấy được tầm quan trọng
của đất đai đối với đời sống con người.
Trên thế giới nói chung và nước Việt Nam ta nói riêng đang đối mặt với
sức ép của gia tăng dân số đi cùng với việc sử dụng đất đai thiếu bền vững đã
gây sức ép lớn lên quá trình sử dụng đất và vấn đề sử dụng đất đai trở thành
vấn đề sống còn của mỗi quốc gia, mỗi dân tộc. Vì vậy theo dõi lớp phủ là
căn cứ khoa học để đưa ra những chính sách sử dụng đất đai phù hợp sao cho
tiết kiệm và có hiệu quả và đánh giá các chỉ số trên tư liệu viễn thám là vô

cùng cần thiết.
Công nghệ viễn thám, một trong những thành tựu khoa học vũ trụ đã
đạt đến trình độ cao, tuy mới phát triển nhưng đã nhanh chóng được áp dụng
trong nhiều lĩnh vực và được phổ biến rộng rãi trên khắp thế giới. Công nghệ
viễn thám đã trở thành phương tiện chủ đạo cho công tác điều tra, nghiên cứu,
khai thác, sử dụng và quản lý, giám sát tài nguyên thiên nhiên và môi trường
ở cấp độ từng nước, từng khu vực và trong phạm vi toàn cầu. Khả năng ứng
dụng công nghệ viễn thám ngày càng được nâng cao và trở thành kỹ thuật phổ
biến, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực.


2

Việc sử dụng tư liệu viễn thám để theo dõi lớp phủ ở Việt Nam được
bắt đầu từ lâu với những ưu thế của nó mà những nguồn tư liệu và phương
pháp nghiên cứu thông dụng không thể có được như: tính chất cập nhật thông
tin, tính chất phong phú của thông tin đa phổ, tính đa dạng của tư liệu… Một
trong những vai trò quan trọng của công nghệ viễn thám là góp phần tích cực
trong việc nghiên cứu, xác định lớp phủ và những thay đổi của các yếu tố sử
dụng đất do nhiều nguyên nhân như chuyển đổi canh tác, mở rộng vùng dân
cư, làm nương rẫy… Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học vũ trụ thì ảnh
viễn thám đã xuất hiện và ngày càng tỏ rõ tính ưu việt trong công tác điều tra,
quản lý tài nguyên.
Xuất phát từ nhu cầu ứng dụng trong thực tế, em đã thực hiện đồ án tốt
nghiệp với đề tài “Khảo sát và đánh giá một vài chỉ số chiết tách đất xây dựng
và khu vực dân cư từ tư liệu ảnh viễn thám”
2. Nội dung nghiên cứu.
- Nghiên cứu tổng quan về viễn thám.
- Nghiên cứu các chỉ số thực vật và chỉ số đất xây dựng trên ảnh landsat.
- Nghiên cứu đánh giá độ chính xác của các chỉ số thu thập được từ ảnh

landsat.
3. Phương pháp nghiên cứu.
- Phương pháp phân tích tổng hợp tài liệu: thu thập, tổng hợp các thông
tin và tài liệu có liên quan. Xử lý các tài liệu để định hướng giải quyết các vấn
đề đặt ra.
- Phương pháp điều tra, thu thập: Điều tra, thu thập các tài liệu.
- Phương pháp tin học: Ứng dụng các phần mềm tin học để thực hiện đề
tài.


3

4. Cấu trúc đồ án.
- Phần mở đầu
- CHƯƠNG I: Tổng quan về kỹ thuật viễn thám.
- CHƯƠNG II: Đặc điểm của tư liệu viễn thám.
- CHƯƠNG III: Khảo sát và đánh giá một vài chỉ số chiết tách đất xây
dựng và khu dân cư từ tư liệu ảnh viễn thám
- Phần kết luận và kiến nghị


4

CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ VIỄN THÁM
1.1. Khái niệm về viễn thám
1.1.1. Định nghĩa
Viễn thám (Remote sensing - tiếng Anh) được hiểu là một khoa học và
nghệ thuật để thu nhận thông tin về một đối tượng, một khu vực hoặc một
hiện tượng thông qua việc phân tích tài liệu thu nhận được bằng các phương

tiện. Những phương tiện này không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tượng, khu
vực hoặc với hiện tượng được nghiên cứu.
Thực hiện được những công việc đó chính là thực hiện viễn thám - hay
hiểu đơn giản: Viễn thám là thăm dò từ xa về một đối tượng hoặc một hiện
tượng mà không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tượng hoặc hiện tượng đó.
Mặc dù có rất nhiều định nghĩa khác nhau về viễn thám, nhưng mọi
định nghĩa đều có nét chung, nhấn mạnh "viễn thám là khoa học thu nhận từ
xa các thông tin về các đối tượng, hiện tượng trên trái đất". Dưới đây là định
nghĩa về viễn thám theo quan niệm của các tác giả khác nhau.
- Viễn thám là một nghệ thuật, khoa học, nói ít nhiều về một vật không
cần phải chạm vào vật đó (Ficher và nnk, 1976).
- Viễn thám là quan sát về một đối tượng bằng một phương tiện cách xa
vật trên một khoảng cách nhất định (Barret và Curtis, 1976).
- Viễn thám là một khoa học về lấy thông tin từ một đối tượng, được đo
từ một khoảng cách 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... (D. A. Land Grete, 1978).
- 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


5

bức xạ phổ điện từ, đơn kênh hoặc đa phổ, bức xạ hoặc phản xạ từ bề mặt trái
đất (Janes B. Capbell, 1996).
- Viễn thám là "khoa học và nghệ thuật thu nhận thông tin về một vật
thể, một vùng, hoặc một hiện tượng, qua phân tích dữ liệu thu được bởi
phương tiện không tiếp xúc với vật, vùng, hoặc hiện tượng khi khảo sát ".
( Lillesand và Kiefer, 1986)
- Phương pháp viễn thám là phương pháp sử dụng năng lượng điện từ

như ánh sáng, nhiệt, sóng cực ngắn như một phương tiện để điều tra và đo đạc
những đặc tính của đối tượng (Theo Floy Sabin 1987).
1.1.2. 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 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.
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


6

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…

Hình 1.1. Nguyên lý thu nhận dữ liệu viễn thám[1]
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 tương tác khác
nhau đối với bức xạ điện từ có bước sóng khác nhau. Đối với viễn thám


7

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 và thời gian)
có trong lớp khí quyển là nguyên nhân gây chủ yếu gây nên sự biến đổi năng
lượng phản xạ từ mặt đất đến bộ cảm biến. Khoảng 75% năng lượng mặt trời
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
hưởng đến sự suy giảm năng lượng 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 của 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[1]
Dải phổ điện từ Bước sóng

Đặc điểm
Hấp thụ mạnh bởi lớp khí quyển ở tầng
cao (tầng ôzôn), không thể thu nhận năng

Tia cực tím

0,3 ÷ 0,4μm

lượng do dải sóng này cung cấp nhưng
hiện tượng này lại bảo vệ con người tránh
tác động của tia cực tím.
Rất ít bị hấp thụ bởi oxy, hơi nước và
năng lượng phản xạ cực đại ứng với bước

Tia nhìn thấy

0,4 ÷ 0,76μm

sóng 0,5μm trong khí quyển. Năng lượng
do dải sóng này cung cấp giữ vai trò

Cận
ngoại

hồng 0,77÷1,34μm

trong viễn thám.
Năng lượng phản xạ mạnh ứng với các

1,55 ÷ 2,4μm

bước sóng cận hồng ngoại từ 0,77 ÷


8

Hồng

0,9μm. Sử dụng trong chụp ảnh hồng

ngoại

ngoại theo dõi sự biến đổi thực vật từ 1,55

trung

÷ 2,4μm
Một số vùng bị hơi nước hấp thụ

Hồng
nhiệt

ngoại

mạnh,dải sóng này giữ vai trò trong phát
3 ÷ 22μm

hiện cháy rừng và hoạt động núi lửa. Bức
xạ nhiệt của trái đất của năng lượng cao
nhất tại bước sóng 10μm
Khí quyển không hấp thụ mạnh năng

Vô tuyến
(rada)

lượng các bước sóng lớn hơn 2cm, cho
1mm ÷ 30cm

phép thu nhận năng lượng cả ngày lẫn
đêm, không bị ảnh hưởng của mây, sương
mù hay mưa.

1.1.3. Bức xạ điện từ
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) [1.1]

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) [1.2]
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.


9

Hình 1.2. Bức xạ sóng điện từ[1]
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.
Hình 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)


10

Hình 1.3. Dải tần số được sử dụng trong viễn thám[1]
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 đối 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


11

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).
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.

Hình 1.4. Phổ phản xạ của thực vật , đất và nước[1]
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.


12

Phản xạ khuếch tán khi bề mặt vật thể gồ ghề làm cho năng lượng sóng
điện từ khuếch 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 điện từ E phụ thuộc vào bước sóng. Để
giải thích vì sao ánh sáng chàm cung cấp nhiều năng lượng hơn ánh sáng đỏ,
ta sử dụng công thức sau:
E =hc/λ [1.3]
trong đó λ chàm = 0,42 µm; λđỏ = 0,66 µm
h= 6,6×10-34Js ; c = 3 × 108 m/s
E chàm = 6,6 × 10-34Js ( 3 × 108m/s)/ 0,425μm = 4,66 × 10-31J
E đỏ = 6,6 × 10-34Js ( 3 × 108m/s)/ 0,66μm = 3 × 10-31J
Kết quả cho thấy năng lượng của ánh sáng chàm là 4,66 ×10-34J lớn

hơn năng lượng của ánh sáng đỏ. Năng lượng của bức xạ điện từ E khi tương
tác với vật thể sẽ bị hấp thụ (EA), phản xạ ( ER) và thấu quang (ET).
E = EA + ER + ET [1.4]


13

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 tử 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 đặt trên vật mang (vệ tinh), ta có thể nhận
biết đối tượng hoặc các điều kiện môi trường khí quyển xung quanh trái đất
thông qua những đặc trưng riêng về sự phản xạ sóng điện từ.
1.2. Phân loại viễn thám
1.2.1.Phân loại theo nguồn tín hiệu
Căn cứ vào nguồn của tia tới mà viễn thám được chia làm hai loại (hình
1.5):

Hình 1.5. Viễn thám chủ động và viễn thám bị động[2]


14

- Viễn thám chủ động (active): nguồn tia tới là tia sáng phát ra từ các
thiết bị nhân tạo, thường là các máy phát đặt trên các thiết bị bay.
- Viễn thám bị động (passive): nguồn phát bức xạ là mặt trời hoặc từ
các vật chất tự nhiên.
Hiện nay, việc ứng dụng phối hợp giữa viễn thám và các công nghệ vũ
trụ đã trở nên phổ biễn trên phạm vi toàn cầu. Các nước có nền công nghệ vũ
trụ phát triển đã phóng nhiều vệ tinh lên quỹ đạo, trên đó có mang nhiều thiết
bị viễn thám khác nhau. Các trạm thu mặt đất phân bố đều trên toàn cầu có
khả năng thu nhận nhiều loại tư liệu viễn thám do vệ tinh truyền xuống.
1.2.2.Phân loại theo đặc điểm quỹ đạo
Có hai nhóm chính là viễn thám vệ tinh địa tĩnh và viễn thám vệ tinh
quỹ đạo cực (hay gần cực) (hình 1.6).

Hình 1.6. Vệ tinh địa tĩnh (trái) và Vệ tinh quỹ đạo gần cực (phải)[2]
Căn cứ vào đặc điểm quỹ đạo vệ tinh, có thể chia ra hai nhóm vệ tinh
là:
+ Vệ tinh địa tĩnh là vệ tinh có tốc độ góc quay bằng tốc độ góc quay
của trái đất, nghĩa là vị trí tương đối của vệ tinh so với trái đất là đứng yên.
+ Vệ tinh quỹ đạo cực (hay gần cực) là vệ tinh có mặt phẳng quỹ đạo
vuông góc hoặc gần vuông góc so với mặt phẳng xích đạo của Trái Đất. Tốc
độ quay của vệ tinh khác với tốc độ quay của trái đất và được thiết kế riêng


15

sao cho thời gian thu ảnh trên mỗi vùng lãnh thổ trên mặt đất là cùng giờ địa
phương và thời gian thu lặp lại là cố định đối với 1 vệ tinh (ví dụ LANDSAT
là 18 ngày, SPOT là 26 ngày…).
Trên hai nhóm vệ tinh nói trên đều có thể áp dụng nhiều phương pháp

thu nhận thông tin khác nhau tùy theo sự thiết kế của nơi chế tạo. Có các
nguyên tắc thu nhận hình ảnh như chủ động, bị đông, chụp khung, quét dọc,
quét ngang, quét bên sườn,…
1.2.3. Phân loại theo dải sóng thu nhận
Theo bước sóng sử dụng, viễn thám có thể được phân ra thành 3 loại cơ
bản:
- Viễn thám trong dải sóng nhìn thấy và hồng ngoại.
- Viễn thám hồng ngoại nhiệt.
- Viễn thám siêu cao tần.
Mặt trời là nguồn năng lượng chủ yếu đối với nhóm viễn thám trong
dải sóng nhìn thấy và hồng ngoaị. Mặt trời cung cấp một bức xạ có bước sóng
ưu thế ở 0,5μm. Tư liệu viễn thám thu được trong dải sóng nhìn thấy phụ
thuộc chủ yếu vào sự phản xạ từ bề mặt vật thể và bề mặt Trái đất. Các thông
tin về vật thể được xác định từ các phổ phản xạ.
Mỗi vật thể ở nhiệt độ bình thường đều tự phát ra một bức xạ có đỉnh
tại bước sóng 10μm. Nguồn năng lượng sử dụng đối với viễn thám hồng
ngoại nhiệt do chính vật thể sản sinh ra.
Viễn thám siêu cao tần sử dụng bức xạ siêu cao tần có bước sóng từ
một đến vài chục centimet. Nguồn năng lượng sử dụng đối với viễn thám siêu
cao tần chủ động được chủ động phát ra từ máy phát. Kỹ thuật ra đa thuộc
viễn thám siêu cao tần chủ động. Ra đa chủ động phát ra nguồn năng lượng
tới các vật thể, sau đó thu lại được những bức xạ, tán xạ hoặc phản xạ từ vật
thể.


16

Nguồn năng lượng sử dụng đối với viễn thám siêu cao tần bị động do
chính vật thể phát ra. Bức xạ kế siêu cao tần là bộ cảm thu nhận và phân tích
bức xạ siêu cao tần của vật thể.

1.3. Ứng dụng của một số loại ảnh viễn thám phổ biến
Khi con người phóng các vệ tinh và các con tàu vũ trụ vào không gian,
các nhà khảo sát và bản đồ học đã mong tới một ngày nào đó có thể sử dụng
các tấm ảnh chụp từ vũ trụ vào mục đích đo vẽ bản đồ và hy vọng của họ
ngày càng trở thành hiện thực. Các con tàu vũ trụ đầu tiên như Mercury,
Gemini và Apollo đã cho chúng ta toàn cảnh bề mặt trái đất. Các kết quả thực
nghiệm ban đầu từ các tư liệu ảnh thu nhận trên các con tàu trên đã chỉ ra
rằng: có thể sử dụng các tư liệu ảnh thu nhận bề mặt trái đất từ các con tàu vũ
trụ này để thành lập bản đồ tỷ lệ 1:250.000 và nhỏ hơn. Tuy nhiên độ phân
giải của chúng không thoả mãn một số yêu cầu của nội dung bản đồ cần thiết
như thể hiện chính xác các con đường, các tuyến đường sắt, các khu đô thị và
vẽ các cấu trúc nhân tạo ở trong đó. Sau đó, vệ tinh Landsat được phóng lên
quỹ đạo nhưng không nhằm mục đích cho đo vẽ bản đồ địa hình mà nhằm để
phân loại đất, điều tra địa chất và dự tính các sản phẩm thu hoạch trong nông
nghiệp. Từ năm 1980, các hệ thống Sensors được nghiên cứu và cải tiến với
tốc độ nhanh, với tốc độ phân giải tăng từ 80m/pixel của ảnh Landsat tới 6m
cho các loại Sensors thế hệ mới. Điều này đã có tác động lớn đến khả năng sử
dụng các tấm ảnh chụp từ vũ trụ cho công tác thành lập bản đồ.
1.3.1.Tư liệu ảnh Landsat MSS
Sau hàng chục năm thử nghiệm, điều tra và thực tế vẽ bản đồ bằng ảnh
vệ tinh từ khi vệ tinh tài nguyên trái đất của Mỹ được phóng lên (sau đổi tên
là vệ tinh Landsat), ảnh Landsat MSS được sử dụng để tạo ra các sản phẩm
bản đồ ảnh, một số loại bản đồ chuyên đề, cập nhật và hiện chỉnh các loại bản
đồ cảnh quan, bản đồ bay, bản đồ địa hình và đồng thời biên vẽ lược đồ nông


17

sâu của biển, bởi vì vệ tinh Landsat có thể cung cấp lượng thông tin vô cùng
phong phú bao phủ diện tích lớn trong thời gian ngắn. Tư liệu ảnh MSS trở

thành nguồn dữ liệu mới cho các mục đích thành lập bản đồ, rất nhiều thể loại
bản đồ có thể được lập từ các thông tin được khai thác trên ảnh MSS.
Kích thước, độ phủ ảnh Landsat biến đổi theo vĩ độ, và lấy chủ yếu ở
vùng vĩ độ thấp. Vì vậy, về tổng thể chúng ta có thể đo vẽ lập thể cặp ảnh
Landsat. Độ chính xác độ cao đạt được qua thực tế khoảng 100m. Về mặt
bằng, sau khi đã nắn chỉnh hình học theo các điểm khống chế trên bản đồ, sai
số mặt bằng nằm trong khoảng 200- 450m. Do đó nó có thể thoả mãn độ
chính xác thành lập bản đồ 1:1000.000.
Còn nếu xử lý hình học tốt hơn, sai số mặt bằng có thể giảm xuống
khoảng 100- 150m.
1.3.2. Tư liệu ảnh Landsat TM, SPOT và MAPSAT
Ảnh Landsat TM có độ phân giải cao. Các thực nghiệm chỉ ra rằng độ
chính xác mặt bằng hình ảnh của chúng sau khi xử lý có thể đáp ứng công tác
thành lập hoặc hiệu chỉnh bản đồ tỷ lệ 1:25.000 đến 1:50.000.
Mô hình số độ cao được tạo lập từ cặp ảnh sau khi đã xử lý tự động
theo công nghệ số có thể đạt sai số độ cao khoảng 40m.
Vệ tinh SPOT với hệ thống quét CCD, độ cao bay 822 km và bao phủ
mặt đất 60*60km trên từng ảnh. Các kết quả thực nghiệm của giáo sư
Konecnyet.al. đã chỉ ra rằng nếu sử dụng ảnh toàn sắc với tỷ số giữa cạnh đáy
B và độ cao bay H là B/H = 1, độ chính xác mặt bằng thu được khoảng ±
12,3m, và độ chính xác độ cao là ± 6,5m. Nếu sử dụng ảnh đa phổ với tỷ số
B/H = 0,3 khi đó độ chính xác mặt bằng ± 9,6m và độ chính xác độ cao là ±
50,2m.
Vì vậy, chúng ta có thể thấy rằng, việc lựa chọn loại ảnh và tỷ số B/H
có ảnh hưởng lớn đến độ chính xác. Ở nhiều nước khác, người ta đã tiến hành


18

nhiều thực nghiệm về công tác tăng dày và đo vẽ bản đồ trên ảnh SPOT, đã

công bố nhiều kết quả khác nhau về độ chính xác, về các kết luận cũng như
kinh nghiệm sử dụng ảnh SPOT. Nhìn chung đều có kết luận rằng ảnh SPOT
có thể sử dụng vẽ các loại bản đồ tỷ lệ đến 1:25.000 với khoảng cao đều 2025m, nhưng để nội suy các chi tiết địa vật thì dường như chưa đáp ứng được.
Trong hội nghị "Các ứng dụng số liệu SPOT cho địa hình" ở Quebel (Canada)
năm 1988 đã tổng kết rằng khi B/H = 1, độ chính xác mặt bằng đạt từ 6-7m,
và độ chính xác độ cao đạt khoảng 4m.
Ảnh đa phổ MAPSAT của Mỹ có thể dùng để vẽ bản đồ tỷ lệ 1:50.000
với khoảng cao đều 20m. Độ phân giải mặt đất là 10m đối với ảnh toàn sắc và
30m đối với ảnh đa phổ. Theo các kết quả điều tra, ảnh MAPSAT có thể đáp
ứng yêu cầu đo vẽ bản đồ tỷ lệ 1:50.000 khi không cần sử dụng các điểm
khống chế dưới mặt đất, nhưng về độ cao chỉ có thể đáp ứng với khoảng cao
đều 50m trở lên.
1.3.3. Tư liệu ảnh thu từ máy chụp ảnh vũ trụ quang học
Khi sử dụng các ảnh vũ trụ được chụp từ các máy chụp ảnh quang học
thì có thể đo vẽ bản đồ tỷ lệ trung bình và nhỏ.
Năm 1973 các nhà đo ảnh Mỹ đã tiến hành nhiều thử nghiệm với tư
liệu ảnh SKYLAB có tỷ số B/H của SKYLAB rất hạn chế (từ 1/7-1/9), nhưng
số liệu về độ cao rất tốt. Với sai số khoảng 0,3% đến 0,4% độ cao bay chụp
tức là trong khoảng 150 ÷ 180m. Các kết quả này được sử dụng vẽ bản đồ với
khoảng cao đều 250m.
Hệ thống chụp ảnh địa hình MKF-6 và các thế hệ nâng cao của nó được
lắp đặt trên tàu vũ trụ SOYUZ 22-30 của Nga có 6 kênh chụp với hệ thống
hiện chỉnh dịch chuyển ảnh do hãng Jena Zeiss (Đức) và Viện Nghiên cứu
Hàng không Vũ trụ Liên Xô (nay là Nga) hợp tác chế tạo. Các kết quả thực
nghiệm sử dụng các phim đặc biệt được chế tạo ở Nga đã chỉ ra rằng độ phân


19

giải của ảnh đạt tới 160 cặp dòng/mm. Âm bản gốc có thể phóng đại tới 50

lần. Các đối tượng hình tuyến với độ rộng 6m và các đối tượng dạng vùng có
đường kính 10m có thể nhận biết được rõ ràng. Cấp độ xám ảnh có thể phân
biệt thành 200 mức nhờ phương pháp đo độ xám hiển vi. Ảnh đa phổ thu
được trên 6 kênh đều có thể sử dụng trong đo ảnh.
Hơn nữa, máy chụp ảnh vũ trụ KATE 140 (độ phân giải 50m/cặp dòng;
mỗi ảnh phủ diện tích 216*216km) cũng được sử dụng phổ biến ở Nga. Kích
thước ảnh của loại máy trên là 18*18cm. Ngoài hai loại máy chụp ảnh vũ trụ
nêu trên, còn có máy chụp ảnh AFK - 1000 (tiêu cự f = 1.000mm; cỡ ảnh 30
30cm; độ phân giải mặt đất 5m / cặp dòng). Loại ảnh này sử dụng chính cho
mục đích giải đoán. Ngoài ra, nó còn có thể sử dụng thành lập bản đồ địa hình
tới 1:25.000 nhưng về độ chính xác độ cao chỉ đáp ứng khoảng cao đều 100m.
Hình ảnh của nó tốt hơn ảnh SPOT, đặc biệt nó cho ta khả năng phân biệt
được vùng đô thị và các chi tiết ở trong đó.
Năm 1983 cơ quan vũ trụ Châu Âu đã thử nghiệm đưa ra SPACELAB1 vào sử dụng trên tàu con thoi của Mỹ. Máy chụp ảnh MC được cải tiến từ
ZEISS RMK 30/23 với tỷ lệ chụp ảnh là 1:820.000, một ảnh phủ một bề mặt
190*190km. Mục đích của thử nghiệm là sử dụng các tấm ảnh này phục vụ
cho công tác thành lập bản đồ địa hình và bản đồ ảnh trực giao tỷ lệ 1:50.000.
Tuy nhiên những kết quả ban đầu chỉ thoả mãn thành lập bản đồ tỷ lệ
1:100.000. Sau nhiều cải tiến về kỹ thuật, mục đích thành lập bản đồ tỷ lệ
1:50.000 đã được thực hiện. Việc phóng SPACELAB-1 đã mang lại hiệu quả
rất lớn về sử dụng ảnh chụp từ vũ trụ cho mục đích thành lập bản đồ. Chỉ một
tuyến bay, số lượng ảnh thu được đã sử dụng để thành lập 3.500 tờ bản đồ tỷ
lệ 1:100.000 và 14.000 tờ bản đồ địa hình tỷ lệ 1:50.000.
Máy chụp ảnh khổ rộng LFC của cơ quan Hàng không Vũ trụ Mỹ
NASA cũng được lắp đặt trên tàu con thoi. Cỡ ảnh là 23*46cm, có khả năng