Ứng dụng ảnh hồng ngoại nhiệt trong giám sát cháy ngầm

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành nghiên cứu khoa học này, trước hết em xin gửi lời cảm ơn chân
thành tới TS.Nguyễn Tiến Thành, người đã hướng dẫn và định hướng cho chúng em
trong suốt quá trình thực hiện nghiên cứu này.
Chúng em xin chân thành cảm ơn Khoa Trắc địa – Bản đồ, Trường Đại học Tài
nguyên và Môi trường Hà Nội đã tạo điều kiện tốt nhất cho chúng em hoàn thành đề
tài nghiên cứu khoa học của sinh viên
Chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Khoa Trắc địa – Bản đồ,
trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội đã truyền đạt cho em những kiến
thức bổ ích, ý nghĩa, giúp đỡ và tạo điều kiện để em có thể hoàn thành đề tài nghiên
cứu khoa học này. Do thời gian có hạn cũng như kinh nghiệm còn hạn chế nên báo cáo
không tránh khỏi những thiếu sót. Vì vậy, em rất mong nhận được sự chỉ bảo, đóng
góp ý kiến của các thầy cô để em hoàn thiện bản báo cáo này.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 15 tháng4 năm 2017
Sinh viên

Nguyễn Thị Diễm
Tô Xuân Thọ
Hoàng Thu Phương
Nguyễn Đình Hòa


MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH


DANH MỤC BẢNG

DANH MỤC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

DN

Giá trị số (Digital number)

ETM+

Bộ cảm biến của Landsat 7 (Enhanced Thematic Mapper Plus)

GIS

Hệ thống thông tin địa lí (Geography Information System)

LST

Nhiệt độ bề mặt đất (Land Surface Temperature)

MSS

Bộ quét đa phổ (Multispectral Scanner)

OLI

Bộ thu nhận ảnh mặt đất (Operational Land Imager)

RADAR

Hệ thống siêu cao tần

TIRS

Bộ cảm biến hồng ngoại nhiệt (Thermal Infrared Sensor)

TM

Bộ cảm biến của Landsat 5 ( Landsat Thematic Mapper )

UHI

Đảo nhiệt đô thị (Urban Heat Island)


MỞ ĐẦU

1. Tổng quan vấn đề nghiên cứu liên quan đến đề tài
Cháy ngầm là một hiện tượng thường gặp ở các mỏ than trên thế giới.Nguyên
nhân cơ bản dẫn đến hiện tượng tự cháy của than là quá trình oxy hóa của than sinh ra
nhiệt, nhiệt độ tích tụ lại qua thời gian dài không có nơi thoát ra sẽ gia tăng đến nhiệt
độ tới hạn và sinh ra hiện tượng tự cháy trong than.Đây là một hiện tượng rất nguy
hiểm trong khai thác hầm lò, ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường sống của con
người và gây nguy hại cho các công trình xây dựng.
1.1. Thế giới
Cho đến nay, đã có nhiều công trình nghiên cứu của nhiều nhà khoa học trên thế
giới ứng dụng dữ liệu viễn thám nhiệt giám sát hiện tượng cháy ngầm. Trong các
nghiên cứu này thường sử dụng ảnh hồng ngoại nhiệt LANDSAT 5 TM (Cracknell and
Mansor, 1992; Deng and et al., 2001; hoặc LANDSAT 7 ETM+ (Chen and et al., 2007
Mishra and et al., 2012 xác định nhiệt độ bề mặt nhằm phát hiện các vùng xảy ra cháy
ngầm. Tuy nhiên, các nghiên cứu này chủ yếu dừng lại ở việc tính nhiệt độ từ giá trị số
của ảnh mà chưa quan tâm nhiều đến mối quan hệ giữa nhiệt độ bề mặt và lớp phủ
thực vật.Bên cạnh đó, các nghiên cứu này cũng chưa đề cập đến việc sử dụng dữ liệu

ảnh hồng ngoại nhiệt LANDSAT 8 trong phát hiện các vùng cháy ngầm. Vệ tinh
LANDSAT 8 sau khi được phóng thành công lên quỹ đạo đã cung cấp dữ liệu ảnh
phong phú và miễn phí, trong đó có 2 kênh ảnh hồng ngoại nhiệt với độ phân giải
không gian 100m, thời gian chụp lặp lại 16 ngày. Đề tài này, trình bày một cách tổng
thể phương pháp xác định nhiệt độ bề mặt từ dữ liệu ảnh nhiệt LANDSAT các thế hệ
(LANDSAT 5, 7, 8), đồng thời nghiên cứu mối quan hệ giữa nhiệt độ bề mặt và lớp
phủ nhằm phát hiện các vùng dị thường về nhiệt, từ đó giúp xác định về những đại
điểm có khả năng xảy ra cháy ngầm.
1.2 Trong nước:
Ở Việt Nam, một số vụ cháy ngầm đã được ghi nhận ở Quảng Ninh (2009), mỏ
than Nông Sơn, Quảng Nam (2009, 2011). Tuy nhiên, do quy mô các vụ cháy ngầm
này là nhỏ nên trên ảnh hồng ngoại nhiệt độ phân giải tương đối thấp (120m đối với
ảnh nhiệt LANDSAT 5, 60m đối với ảnh nhiệt LANDSAT 7 và 100m đối với ảnh nhiệt
LANDSAT 8), các vùng cháy ngầm này rất khó phát hiện.

2. Lí do chọn đề tài nghiên cứu

4


Than là tài nguyên hóa thạch khó có thể tái tạo, được nhà nước nắm quyền quản
lý sử dụng. Trong tình trạng biến đổi khí hậu trên toàn cầu khiến cho nhiệt độ bề mặt
trái đất tăng cao. Điều này ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường, dễ gây ảnh hưởng
tới các mỏ than. Cháy ngầm ở mỏ than là một hiện tượng nguy hiểm, ảnh hưởng
nghiêm trọng đến môi trường sống do giải phóng khí độc, gây cháy rừng, sụt lún bề
mặt các cơ sở hạ tầng, ảnh hưởng nghiêm trọng đến cuộc sống của con người quanh
đó. Tuy nhiên vấn đề cháy ngầm còn chưa được quan tâm đúng mức . Hơn nữa sự biến
động nhiệt độ của mặt đất luôn biến đổi theo thời gian rất khó phát hiện được các vùng
cháy ngầm.
Trong quá trình phát triển công nghệ hiện đại trên thế giới và trong nước, nhưng

thành tựu của công nghệ vệ tinh đã mang lại những bước ngoặt lịch sử.Phương pháp
viễn thám và hệ thông tin địa lý (GIS) đang dần khắc phục được những nhược điểm
trên. Kỹ thuật viễn thám với khả năng quan sát các đối tượng ở các độ phân giải phổ
và không gian từ trung bình đến siêu cao và chu kì chụp lặp lại từ một tháng đến một
ngày cho phép chúng ta quan sát và xác định nhanh chóng lượng cũng như vị trí của
thông tin biến động nhiệt độ mặt đất.
Các kết quả phân loại từ viễn thám được tích hợp với các dữ liệu thống nhiệt độ
trong môi trường, GIS thực hiện các chức năng phân tích không gian và tìm kiếm dữ
liệu sẽ giúp chúng ta đưa ra được những phân tích và nhận định về nguyên nhân, ảnh
hưởng và xu hướng của biến động nhiệt độ mặt đất. Chính vì vậy, phương pháp viễn
thám và GIS đang và sẽ là một phương pháp quan trọng trong cấu trúc hệ thống quan
trắc biến động nhiệt độ mặt đất nói chung và các vùng mỏ nói riêng.
Chính vì vậy nhóm nghiên cứu lựa chọn đề tài nghiên cứu khoa học: “ Ứng
dụng ảnh hồng ngoại nhiệt trong giám sát cháy ngầm”
3. Mục tiêu nghiên cứu
Thành lập bản đồ hiện trạng cháy ngầm và bản đồ biến dộng cháy ngầm cho khu
vực nghiên cứu.
4. Phương pháp nghiên cứu
•

Phương pháp thu thập dữ liệu:
Thu thập các tài liệu đã có, cập nhật các thông tin trên mạng internet, tổng hợp
phân tích các tài liệu và kết quả nghiên cứu , kế thừa có chọn lọc các thành quả nghiên
cứu liên quan đến đề tài.

5


•
•

•

Phương pháp viễn thám
Phương pháp áp GIS
Phương pháp áp thống kê
5. Địa điểm, thời gian và đối tượng nghiên cứu
- Địa điểm nghiên cứu: Mỏ than Khánh Hòa, tỉnh Thái Nguyên
- Thời gian nghiên cứu:
Từ tháng 09/2016 đến tháng 05/2017
- Đối tượng nghiên cứu: Cháy ngầm ở mỏ than

6


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VIỄN THÁM VÀ KHẢ NĂNG
ỨNG DỤNG CỦA VIỄN THÁM HỒNG NGOẠI NHIỆT.
1.1: Tổng quan về viễn thám
1.1.1. Khái niệm viễn thám
Viễn thám là một ngành khoa học có lịch sử phát triển lâu đời.Sự phát triển của
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 với 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, nông nghiệp, lâm nghiệp, thủy văn,…
Theo nghĩa rộng, viễn thám là môn khoa học nghiên cứu việc đo đạc, thu thập
thông tin về một đối tượng, sự vật bằng cách sử dụng thiết bị đo đạc qua 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 đặc điểm chung, tóm lại
“Viễn thám là ngành khoa học nghiên cứu đối tượng mà không tiếp xúc trực tiếp với

chúng”.
Một số định nghĩa tiêu biểu về viễn thám của các nhà khoa học khác như sau:

- Viễn thám là một nghệ thuật, khoa học, nói ít nhiều về một sự vật không cần phải
-

chạm vào vật đó
Viễn thám là quan sát về một đối tượng bằng một phương tiện cách xa vật trên một

-

khoảng cách nhất định
Viễn thám là một môn khoa học về lấy thông tin từ một đối tượng, được đo từ các hệ

-

viễn thám hiện nay là năng lượng điện từ phát ra từ vật quan tâm
Viễn thám là khoa học và nghệ thuật thu nhận thông tin về một vật thể, một vùng, hoặc

-

một hiện, qua phân tích sữ liệu thu được bởi những phương tiện không tiếp xúc với
vật, vùng hoặc hiện tượng khi khảo sát
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
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 thu 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 để

7


mang các bộ 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,…
Viễn thám không chỉ tìm hiểu trên bề mặt Trái đất hay các hành tinh mà nó còn
có thể thăm dò được cả trong các lớp sâu bên trong các hành tinh.
1.1.2. Lịch sử hình thành và xu hướng phát triển của viễn thám
Một số tài liệu nghiên cứu cho rằng, lịch sử phát triển của viễn thám có thể tính
từ thế kỷ 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.
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 1929ởLiên Xô
cũđã thành lập Viện nghiên cứuảnh hàng không Leningrad, việnđã 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 dùng ảnh hàng không trong việc phân loại và phát hiện kiểu
8


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 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.

9


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.
Bảng 1.1. Tóm tắt sự phát triển của viễn thám qua các sự kiện
Thời gian (Năm)

1800
1839
1847
1850-1860
1873
1909
1910-1920
1920-1930
1930-1940
1940
1950
1950-1960
12-4-1961

1960-1970
1972
1970-1980
1980-1990
1986

Sự kiện
Phát hiện ra tia hồng ngoại
Bắt đầu phát minh kỹ thuật chụp ảnh đen trắng
Phát hiện cả dải phổ hồng ngoại và phổ nhìn thấy
Chụp ảnh từ kinh khí cầu
Xây dựng học thuyết về phổ điện từ
Chụp ảnh từ máy bay
Giải đoán từ không trung
Phát triển ngành chụp và đo ảnh hàng không
Phát triển kỹ thuật radar (Đức, Mỹ, Anh)

Phân tích và ứng dụng ảnh chụp từ máy bay
Xác định dải phổ từ vùng nhìn thấy đến không nhìn thấy
Nghiên cứu sâu về ảnh cho mục đích quân sự
Liên xô phóng thành công tàu vũ trụ có người lái và chụp ảnh
Trái đất từ ngoài vũ trụ
Lần đầu tiên sử dụng thuật ngữ viễn thám
Mỹ phóng vệ tinh Landsat-1
Phát triển mạnh mẽ phương pháp xử lý ảnh số
Mỹ phát triển thế hệ mới của vệ tinh Landsat
Pháp phóng vệ tinh SPOT vào quĩ đạo
Phát triển bộ cảm thu đo phổ, tăng dải phổ và số lượng kênh
phổ, tăng độ phân giải của bộ cảm. Phát triển nhiều kỹ thuật
xử lý mới.

1.1.3 Sự phân biệt các loại viễn thám
Sự phân biệt các loại viễn thám căn cứ vào các yếu tố sau:

10


-

Hình dạng quỹ đạo của vệ tinh
Độ cao bay của vệ tinh
Loại nguồn phát và tín hiệu thu nhận
Dải phổ của các thiết bị thu
a. Phân loại theo nguồn năng lượng được sử dụng(loại nguồn phát và tín hiệu
thu nhận), kỹ thuật viễn thám bao gồm:
- Viễn thám bị động: sử dụng năng lượng Mặt trời hoặc năng lượng do vật thể
bức xạ (ở điều kiện nhiệt độ thường, các vật thể tự phát ra bức xạ hồng ngoại).

- Viễn thám chủ động: thiết bị thu nhận phát ra nguồn năng lượng tới vật thể rồi
thu nhận tín hiệu phản xạ lại.

Hình 1.1. Viễn thám bị động và chủ động
b. Phân loại theo vùng bước sóng sử dụng(theo dải phổ của các thiết bị thu): ứng
với vùng bước sóng sử dụng , viễn thám có thể được phân thành 3 loại cơ bản:
- Viễn thám trong dải sóng nhìn thấy và hồng ngoại phản xạ: nguồn năng lượng
sử dụng là bức xạ mặt trời, ảnh viễn thám nhận được dựa vào sự đo lường năng lượng
vùng ánh sáng nhìn thấy và hồng ngoại được phản xạ từ vật thể và bề mặt Trái đất.
Ảnh thu được bởi kỹ thuật viễn thám này được gọi là ảnh quang học.
- Viễn thám hồng ngoại nhiệt: nguồn năng lượng sử dụng là bức xạ nhiệt do
chính vật thể sản sinh ra. Ảnh thu được bởi kỹ thuật viễn thám này được gọi là ảnh
nhiệt.
- Viễn thám siêu cao tần: trong viễn thám siêu cao tần hai kỹ thuật chủ động và bị
động đều được áp dụng. Viễn thám bị động thu lại sóng vô tuyến cao tần với bước
sóng lớn hơn 1mm mà được bức xạ tự nhiên hoặc phản xạ từ một số đối tượng. Vì có
bước sóng dài nên năng lượng thu nhận được của kỹ thuật viễn thám siêu cao tần bị động
thấp hơn viễn thám trong dải sóng nhìn thấy. Đối với viễn thám siêu cao tần chủ động
(Radar), vệ tinh cung cấp năng lượng riêng và phát trực tiếp đến các vật thể, rồi thu lại
năng lượng do sóng phản xạ lại từ các vật thể. Cường độ năng lượng phản xạ được đo

11


lường để phân biệt giữa các đối tượng với nhau. Ảnh thu được từ kỹ thuật viễn thám này
được gọi là ảnh radar.

Hình 1.2. Các bước sóng sử dụng trong viễn thám
c. 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)

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 sao cho thời gian thu ảnh trên
mỗi vùng lãnh thổ trên mặt đất là cùng giờ địa phương và thời gian lặp lại là cố định
đối với một vệ tinh (ví dụ LANDSAT là 18 ngày, SPOT là 23 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.

Hình 1.3. Vệ tinh địa tĩnh (trái) và Vệ tinh quỹ đạo gần cực (phải)
1.1.4. Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật viễn thám
a. Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật viễn thám
12


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

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, định luật 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.
b. 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:

13


Hình1.5.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 đoán
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,...).
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 quá trình xử lý ảnh vào các lĩnh vực,
bài toán cụ thể.
14


1.1.5: 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 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, 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 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 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 tỷ
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 cực nhỏ
đến tỉnh vùng và toàn quốc. Bản đồ hiện trạng sử dụng đất của các vùng Tây Nguyên,
đồng bằng sông Cửu Long, đồng bằng sông Hồng,… được thành lập trong các khuôn
khổ 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 tỷ lệ 1:250000.
Bản đồ hiện trạng sử dụng đất toàn quốc năm 1990 tỷ lệ 1: 1000000 được thành
lập bằng nhiều nguồn tài liệu, trong đó có 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
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

15


Nông nghệp (Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn) đã thành lập bản đồ hiện trạng
sử dụng đất toàn quốc tỷ lệ 1: 250000 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 tỷ lệ 1: 100000 (cấp tỉnh) đến 1: 25000 (khu vực cụ thể) 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 và Môi
trường đã thành lập bình đồ ảnh vũ trụ tỷ lệ 1: 10000 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 1996-2000” 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 (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

16


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 tiêu và điều)”. Ảnh viễn thám SPOT5 với độ phân
giải 10m đa phổ và 2,5m 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
17


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 Radasat 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. 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.
18


1.1.6. Ưu điểm và nhược điểm của công nghệ viễn thám
Công nghệ viễn thám là một phần của công nghệ vũ trụ, tuy mới phát triển nhưng
đã nhanh chóng được áp dụng trong nhiều lĩnh vực và được phổ biến rộng rãi ở các
nước phát triển . Công nghệ viễn thám đã trở thành phương tiện chủ đạo cho công tác
giám sát tài nguyên thiên nhiên và môi trường ở cấp độ từng nước, từng khu vực và
trong phạm vi toàn cầu. Công nghệ viễn thám đã khắc phục những hạn chế cơ bản của
các phương pháp nghiên cứu truyền thống dựa trên kết quả điều tra, thăm dò thực địa
như tốn kém thời gian, công sức, khó tiếp cận những khu vực vùng sâu vùng xa, hải
đảo… Khả năng ứng dụng công nghệ viễn thám ngày càng được nâng cao, đây là lý do
dẫn đên tính phổ cập của công nghệ này. Ứng dụng viễn thám trong nghiên cứu Trái
Đất trở thành nhu cầu tất yếu đối với mọi quốc gia, trong đó có Việt Nam
Công nghệ viễn thám có những ưu điểm vượt trội sau:
•

Độ phủ trùm không gian của tư liệu bao gồm các thông tin về tài nguyên, môi trường

trên diện tích lớn của Trái Đất gồm những khu vực rất khó đến được như rừng nguyên
sinh, đầm lầy và hải đảo.
• Có khả năng giám sát biến đổi của tài nguyên, môi trường trái đất do chu kỳ quan trắc
lặp và lien tục trên cùng một đối tượng trên mặt đất và các máy thu viễn thám. Khả
năng này cho phép công nghệ viễn thám thu lại các biến đổi về tài nguyên môi trường
giúp công tác giám sát, kiểm kê tài nguyên thiên nhiên và môi trường.
• Sử dụng các dải phổ đặc biệt khác nhau để quan trắc các đối tượng, nhờ khả năng mà
tư liệu viễn thám được ứng dụng cho nhiều mục đích, trong đó có nghiên cứu về khí
hậu nhiệt độ cảu Trái Đất.
• Cung cấp nhanh các tư liệu ảnh số có độ phân giải cao và siêu cao, là dữ liệu cơ bản
cho việc thành lập và hiệ chỉnh hệ thống bản đồ quốc gia và hệ thống cơ sở dữ liệu địa
lý quốc gia.
Bên cạnh những ưu điểm to lớn trên, kỹ thuật viễn thám vẫn tồn tại một số nhược
điểm.Về mặt kỹ thuật, để xử lý và phân tích dữ liệu ảnh vệ tinh yêu cầu người sử dụng
có trình độ chuyên môn cao và kinh nghiệm trong thực hành.Bên cạnh đó, đối với
những vùng nghiên cứu có diện tích nhỏ, sử dụng kỹ thuật viễn thám không kinh tế do
giá thành cao. Các phần mềm xử lý ảnh vệ tinh thông dụng hiện nay như ERDAS
Imagine, ENVI… có giá thành cao dẫn đến khả năng ứng dụng ở quy mô lớn còn hạn
chế. Một nhược điểm cơ bản khác của kỹ thuật viễn thám là kết quả giải đoán tự động
ảnh vệ tinh cần phải được xác nhận bằng kết quả điều tra ngoại nghiệp. [5]

19


1.2: Viễn thám hồng ngoại nhiệt
1.2.1. Lịch sử viễn thám hồng ngoại nhiệt
- Năm 1800, nhà thiên văn học Sir Frederick William Herschel (1738-1822) đã

phát hiện dải hồng ngoại trong quang phổ điện và được ông giới thiệu lần đầu tiên
trong bài báo có tên là “Investigations of the Powers of the Prismatic Colours to Heat
and Illuminate Objects: with Remarks”.
- Năm 1879, S. P. Langley phát minh một máy dò bức xạ. Một năm sau đó, ông
đã phát minh ra vi nhiệt kế, nó có thể đo được sự thay đổi nhiệt độ khoảng 1/10.0000C.
- Trong Thế chiến I, S.O. Hoffman có thể phát hiện ra những người đàn ông ở
120 m và máy bay cuối cùng.
- Trong những năm 1930, người Đức đã phát triển hệ thống Kiel phân biệt giữa
máy bay ném bom và máy bay chiến đấu ban đêm.
- Sự phát triển quan trọng nhất trong công nghệ hồng ngoại là sự phát triển của
các yếu tố được phát hiện bởi các quốc gia có chiến tranh trong Thế chiến II.
- Bây giờ chúng ta có máy dò rất nhanh bao gồm thủy ngân-pha tạp germanium
(Ge:Hg), antimonide indium (InSb) và các chất khác rất nhạy cảm với bức xạ hồng
ngoại. Chúng ta cũng có máy tính để xử lý nhanh chóng và hiển thị các phép đo phóng
xạ nhiệt.
- Các dữ liệu đầu tiên được thu nhận từ vệ tinh TIROS (Television IR
Operational Satellite) của Mỹ, vệ tinh này được phóng năm 1960. Dữ liệu hồng ngoại
nhiệt với độ phân giải thô là lý tưởng cho giám sát mô hình điện toán đám mây trong
khu vực và di chuyển phía trước.
- NASA phóng vệ tinh Heat Capacity Mapping Mission (HCMM) vào 26 tháng 4
năm 1978 thu được ảnh độ phân giải không gian 600 x 600 m dữ liệu hồng ngoại nhiệt
(10,5-12,6 mm), cả ngày (13:30) và đêm (02:30). Đây là một trong những tổ chức
khoa học đầu tiên định hướng hệ thống hồng ngoại nhiệt.
- NASA Nimbus 7 được phóng vào ngày 23 tháng 10 năm 1978 có máy quét
CoastalZone Color (CZCS) bao gồm một bộ cảm hồng ngoại nhiệt dùng để quan trắc
nhiệt độ bề mặt biển.
- Năm 1980, NASA và Phòng thí nghiệm Jet Propulsion phát triển máy quét hồng
ngoại đa phổ (TIMS) thu nhận năng lượng hồng ngoại nhiệt trong 6 kênh với các
khoảng bước sóng nhỏ hơn 1,0 mm.

20


- Các nghiên cứu sử dụng thành công TIMS dẫn đến sự phát triển của bộ cảm
Airborne Terrestrial Applications (ATLAS) với 15 kênh.
- Landsat Thematic Mapper 4 và 5 được phóng vào ngày 16 tháng 7 năm 1982 và
ngày 01 tháng 3 năm 1984 với kênh hồng ngoại nhiệt (10,4 mm - 12,5 mm) có độ phân
giải 120 x 120m cùng với 2 kênh hồng ngoại trung.
- Ngày nay, vệ tinh NOAA Geostationary Operational Environmental Satellite
(GOES) thu thập dữ liệu nhiệt hồng ngoại ở độ phân giải không gian 8 x 8 km sử dụng
trong dự báo thời tiết. Bộ cảm biến hồng ngoại nhiệt thu nhận hình ảnh toàn bộ Trái
đất cả ngày và đêm trong vòng 30 phút.
- Vệ tinh NOAA Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR) thu thập
dữ liệu nhiệt hồng ngoại ở hai mức bao phủ: mức bao phủ địa phương có độ phân giải
không gian 1,1 x 1,1 km và mức bao phủ toàn cầu (GAC) là 4 x 4 km
1.2.2. Khái niệm viễn thám hồng ngoại nhiệt
Ứng với vùng bước sóng sử dụng, viễn thám được phân thành 3 loại cơ bản: viễn
thám trong dải sóng nhìn thấy và hồng ngoại phản xạ, viễn thám hồng ngoại nhiệt,
viễn thám siêu cao tần. Trong đó, viễn thám hồng ngoại nhiệt sử dụng nguồn năng
lượng là bức xạ nhiệt do chính vật thể phát ra. Năng lượng hồng ngoại nhiệt được phát
ra từ tất cả các đối tượng có nhiệt độ lớn hơn độ không tuyệt đối.Vì vậy, tất cả các đối
tượng mà chúng ta gặp (Mặt trời, thảm thực vật, đất, đá, nước, và thậm chí người) đều
phát ra bức xạ điện từ hồng ngoại nhiệt.
Viễn thám hồng ngoại nhiệt sử dụng các bức xạ điện từ có bước sóng trong
khoảng (3μm-14 μm).Tuy nhiên, trong phần lớn các ứng dụng của ảnh hồng ngoại
nhiệt thường sử dụng dãy sóng với bước sóng (8µm-14µm). Ảnh thu được bởi kỹ thuật
viễn thám này được gọi tắt là ảnh nhiệt.
Nguyên lý cơ bản của viễn thám hồng ngoại nhiệt là ghi nhận thông tin về nhiệt
độ bức xạ của vật thể trong dải sóng hồng ngoại nhiệt bằng phương pháp quét. Bức xạ
nhiệt có cường độ yếu và bị hấp thụ mạnh bởi khí quyển nên để thu các tín hiệu phải

có thiết bị quét nhiệt với độ nhạy cao.

21


Hình 1.6. Nguyên lý hoạt động của viễn thám hồng ngoại nhiệt
Tính chất bức xạ nhiệt của các đối tượng tự nhiên dựa vào nguyên tắc bức xạ
nhiệt của vật đen tuyệt đối.Vật đen tuyệt đối là một vật lý tưởng hấp thụ hoàn toàn và
phát xạ toàn bộ năng lượng tới nó.
Vật đen tuyệt đối hấp thụ toàn bộ năng lượng của dải sóng điện từ và Mặt trời có
thể coi là vật đen tuyệt đối. Tuy nhiên, trong thực tế hiếm khi có sự tồn tại của vật đen
tuyệt đối mà chỉ có một số vật gần giống vật đen tuyệt đối như bồ hóng,…
Khác với vật đen tuyệt đối hấp thụ toàn bộ năng lượng chiếu tới, vật chất thực
chỉ phát xạ một phần năng lượng chiếu tới nó.Khả năng phát xạ nhiệt của vật chất còn
gọi là độ phát xạ nhiệt ε. Độ phát xạ nhiệt được hiểu là tỉ số giữa năng lượng nhiệt
phát ra của vật chất tại một thời điểm nào đó và năng lượng phát ra của vật đen tại
cùng nhiệt độ đó.Độ phát xạ nhiệt có giá trị trong khoảng từ 0 đến 1 tùy thuộc vào
thành phần vật chất.Ngoài ra, ở nhiệt độ, dải sóng điện từ và góc phát xạ khác nhau, sự
phát xạ nhiệt của vật chất cũng khác nhau.
Nhiệt độ của vật chất đo được khi tiếp xúc với nó được gọi là nhiệt độ Kinetic,
thể hiện sự trao đổi năng lượng của các phần tử cấu tạo nên vật chất. Sự bức xạ năng
lượng của vật chất là một hàm số của nhiệt độ Kinetic của chúng.Khi bức xạ, vật chất
có một nhiệt độ khác gọi là nhiệt độ bên ngoài vật chất. Viễn thám hồng ngoại nhiệt
đảm nhiệm vai trò ghi lại thông tin về nhiệt độ bên ngoài hay chính là sự bức xạ của
vật chất.
1.2.3. Ảnh hồng ngoại nhiệt Landsat
•

Ảnh hồng ngoại nhiệt có các đặc điểm hình học chính sau:
- Rất hay bị méo do ảnh hưởng của các yếu tố thời tiết, môi trường như gió, mưa,

mây, thực vật, …
- Ảnh hồng ngoại nhiệt thu nhận ban ngày và ban đêm có sự khác biệt rất lớn do
phụ thuộc vào mô hình nhiệt của các vật chất khác nhau.
Nhiệt độ của vật chất giữa ngày và đêm có sự khác biệt lớn.
22


Hình 1.7. Mô hình nhiệt của các vật chất có sự khác biệt lớn về nhiệt độ của vật giữa
ngày và đêm
•

-

Phương pháp thu nhận ảnh hồng ngoại nhiệt
Do các tín hiệu thấp và chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố môi trường nên phương
pháp thu ảnh hồng ngoại nhiệt được áp dụng phổ biến là phương pháp quét với các bộ
cảm biến nhiệt (sensor nhiệt), có trường nhìn tức thời (IFOV) lớn. Cấu tạo của hệ
thống tạo ảnh hồng ngoại nhiệt bao gồm:
Sensor nhiệt: hệ thống bày có trường nhìn tức thời rộng. Các tín hiệu do thiết bị thu
thường phải được khuếch đại lên nhiều lần trước khi ghi lại thành hình ảnh.
Hệ thống quét cơ quang học: hoạt động theo nguyên tắc quét ngang theo đường vuông
góc với đường bay.
Hệ thống tạo ảnh: tín hiệu do sensor thu, sau khi được khuếch đại sẽ được ghi lại thành
dạng hình ảnh theo cơ chế 8 bit.

Hình 1.8. Cơ chế thu ảnh hồng ngoại nhiệt theo phương pháp quét
•

Các ảnh hưởng của khí quyển tới việc quét tạo ảnh hồng ngoại

23


Khí quyển có ảnh hưởng nhiều đến quá trình thu nhận tín hiệu bức xạ nhiệt. Do
ảnh hưởng của khí quyển mà nhiều đối tượng lại được thể hiện có nhiệt độ lạnh hơn
hoặc ấm hơn so với nhiệt độ thực của chúng và điều đó làm sai lệch thông tin ra.
Thông thường mức độ ảnh hưởng phụ thuộc vào dải quét và khoảng cách của
thiết bị tới đối tượng.Ảnh hưởng của khí quyển rất đa dạng, tùy thuộc vào độ cao, thời
gian và điều kiện thời tiết của khu vực. Tuy nhiên, ảnh hưởng của khí quyển tới việc
thu nhận tín hiệu bức xạ nhiệt thường được bỏ qua. Ngày nay, trong kỹ thuật xử lý ảnh
có nhiều phương pháp xử lý và loại bỏ các nhiễu của khí quyển.
• Đặc điểm ảnh hồng ngoại nhiệt Landsat
Chương trình Landsat được bắt đầu vào năm 1972. Cho đến nay, hệ thống
Landsat gồm 8 vệ tinh, trong đó có 7 vệ tinh được phóng thành công lên quỹ đạo. Đây
là hệ thống vệ tinh đa phổ lớn trên thế giới được ứng dụng rộng rãi trong quản lý tài
nguyên môi trường.Nguồn dữ liệu ảnh Landsat đa dạng, phong phú, phổ biến trên toàn
cầu.
Ảnh hồng ngoại nhiệt Landsat được thu trên vệ tinh có bộ cảm biến TM và
ETM+. Ảnh hồng ngoại nhiệt TM có độ phân giải không gian 120m, trong khi ở bộ
cảm biến ETM+ độ phân giải không gian là 60m. Ảnh Landsat 7 ETM+ có 6 kênh
phổ, 1 kênh hồng ngoại nhiệt, 1 kênh toàn sắc.
Tháng 2/2013, vệ tinh Landsat 8 được phóng thành công lên quỹ đạo và bắt đầu
cho phép sử dụng miễn phí dữ liệu ảnh.
So với Landsat 7, Landsat 8 có cùng độ rộng dải chụp, cùng độ phân giải ảnh và
chu kỳ lặp lại (16 ngày). Tuy nhiên, ngoài các dải phổ tương tự Landsat 7, bộ cảm OLI
thu nhận thêm dữ liệu ở 2 dải phổ mới nhằm phục vụ quan sát mây và quan trắc biến
động chất lượng nước ở các hồ và đại dương nước nông ven biển. Bộ cảm TIRS thu
nhận dữ liệu ở 2 dải phổ hồng ngoại nhiệt, phục vụ theo dõi tốc độ bốc hơi nước, nhiệt
độ bề mặt, đặc biệt ở những vùng khô cằn thuộc miền Tây nước Mỹ.
Ảnh hồng ngoại nhiệt của Landsat mặc dù có độ phân giải thấp hơn ảnh các bộ

cảm biến khác nhưng lại có quỹ đạo bay chụp toàn cầu và tư liệu lưu trữ lâu dài, rất
thích hợp cho nhiều nghiên cứu ứng dụng. Trong nghiên cứu ước tính nhiệt độ bề mặt
đô thị có tính ưu việt đặc biệt là mức độ chi tiết của kết quả được thể hiện trên toàn
vùng, chứ không phải chỉ là số đo tại điểm quan trắc như trong phương pháp đo đạc
truyền thống từ các trạm quan trắc khí tượng.
1.2.4. Ứng dụng của viễn thám hồng ngoại nhiệt
Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, công nghệ viễn thám ngày càng
được phát triển và ứng dụng nhiều hơn trong cuộc sống. Trong đó, viễn thám hồng
ngoại nhiệt được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực như: quan sát đất liền, biển, mặt
tuyết, quá trình mây; nghiên cứu về động lực và cấu trúc thực vật; giám sát thảm thực
vật, nông nghiệp, thủy văn, nghiên cứu về cân bằng phóng xạ của khí quyển, mây, sự
24


mở rộng và đặc tính của tầng đối lưu; xác định nồng độ và biến động của các khí nhà
kính; nghiên cứu về núi lửa và các quá trình bề mặt của Trái đất; dự báo thiên tai;
thành lập bản đồ nhiệt độ mặt đất...

• Thành lập bản đồ nhiệt độ mặt đất
Đây là một trong những ứng dụng quan trọng của ảnh hồng ngoại nhiệt, có ý
nghĩa thiết thực trong thực tế. Việc thành lập bản đồ nhiệt độ mặt đất sẽgiúp con người
có cái nhìn khái quát, tổng quan hơn về sự thay đổi của khí hậu Trái đất, từ đó ước tính
giá trị nhiệt độ cho từng khu vực.
Trong khi các trạm quan trắc chỉ phản ánh điều kiện nhiệt của khu vực cục bộ
xung quanh trạm đo thì dữ liệu viễn thám cho phép thu nhận thông tin đầy đủ hơn, bao
quát hơn. Đồng thời, hiện tượng đảo nhiệt đã trở thành đặc trưng của môi trường khu
vực đô thị. Do đó, viễn thám nhiệt đã được sử dụng để thành lập bản đồ nhiệt độ mặt
đất và đánh giá hiện tượng đảo nhiệt đô thị.
Đảo nhiệt đô thị - UHI (Urban Heat Island) là hiện tượng một khu vực đô thị ấm
hơn đáng kể so với các khu vực ngoại ô xung quanh. Nguyên nhân chính của hiện

tượng này là do sự thay đổi bề mặt sử dụng đất trong quá trình đô thị hóa.
Yếu tố đầu tiên đóng góp vào việc hình thành UHI là sự suy giảm lớp phủ thực
vật và thay thế bề mặt đất bằng các vật liệu không thấm khiến cho lượng nước đi vào
khí quyển ít hơn là từ bề mặt tự nhiên.
Đảo nhiệt được hình thành khi bức xạ Mặt trời bị các kiến trúc xây dựng, đường
xá, vỉa hè... giữ lại thay vì được hấp thụ vào đất hay phản xạ trở lại không gian. Ở khu
vực đô thị, phần mái các công trình kiến trúc thường chiếm trên dưới 25%, các mặt
bằng lộ thiên như vỉa hè, sân bãi, công viên khoảng 30 – 40%, còn lại là diện tích
đường sá, phần lớn tráng nhựa. Các loại chất liệu này có hiệu suất phản chiếu tia nắng
Mặt trời rất cao khi so với những vùng có thực vật che phủ. Một lượng nhiệt không
nhỏ khác do con người tạo ra từ máy móc sinh hoạt, văn phòng, động cơ xe cộ và nhà
máy công nghiệp cũng gây ra sự nóng lên của khu vực đô thị. Sự chênh lệch nhiệt độ
giữa vùng nội đô và ngoại ô vào ban đêm thường lớn hơn so với ban ngày. Đảo nhiệt
đô thị cũng diễn ra rõ rệt theo mùa, chủ yếu là mùa hè và mùa đông. Hình thái đảo
nhiệt ở mỗi thành phố sẽ khác nhau tùy vào địa hình, địa vật và hoạt động của gió theo
mỗi mùa. Thay đổi nhiệt độ giữa ngày và đêm ở mỗi thành phố cũng khác nhau tùy
hình thái đảo nhiệt ở đó .
Thường thì ở các khu trung tâm thương mại sầm uất sẽ có đỉnh nhiệt độ cao nhất,
do những nơi này mật độ nhà cửa dày đặc, thiếu cây xanh cùng các hoạt động liên tục

25