VIỄN THÁM VÀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ

Mục lục
CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ KỸ THUẬT VIỄN THÁM.............................3
1.1 KHÁI NIỆM VÀ NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA VIỄN THÁM......................................................................3
1.1.1 Khai niêm về viễn tham.............................................................................................................3
1.1.2 Lịch sử hình thành và xu hướng phat triển...............................................................................3
1.1.3 Phân loại viễn tham...................................................................................................................5
1.2 BỘ CẢM BIẾN VÀ VỆ TINH VIỄN THÁM.............................................................................................9
1.2.1. Khai niệm, phân loại bộ cảm....................................................................................................9
1.2.2. Vật mang và quỹ đạo bay........................................................................................................13
1.2.3. Cac vệ tinh giam sat tài nguyên..............................................................................................17
a. Vê tinh LANDSAT...........................................................................................................................17
b. Vê tinh SPOT..................................................................................................................................19
1.3 CƠ SƠ VÂT LÝ CỦA VIỄN THÁM.......................................................................................................22
1.3.1 Tinh chât cua bưc xạ điên tư...................................................................................................22
1.3.2 Cac yếu tố ảnh hưởng đến khả năng phản xạ phổ cua cac đối tượng tự nhiên....................24
1.3.3 Phản xạ phổ cua cac đối tượng tự nhiên................................................................................27
a. Tương tac năng lượng song điên tư với cac đối tượng tự nhiên ................................................27
b. Đăc trưng phản xạ phổ cua môt số đối tượng tự nhiên.............................................................28

CHƯƠNG 2: ẢNH VỆ TINH QUANG HỌC VÀ XỬ LÝ ẢNH VỆ TINH QUANG HỌC...32
2.1 Khai niệm.........................................................................................................................................32

Ảnh số được tạo bởi mảng hai chiều của các phần tử ảnh có cùng kích thước được gọi là pixel
ảnh. Mỗi pixel được xác định bởi tọa độ hàng (m), cột (n) và giá trị độ xám của nó g(m,n).
Giá trị độ xám của pixel thay đổi theo tọa độ điểm (x,y). Tọa độ hàng và cột của mỗi pixel
đều là các số nguyên. Tọa độ số hóa là các giá trị rời rạc m, n được xác định như sau:..........32
2.2 ĐÔ PHÂN GIẢI CỦA ẢNH VÊ TINH...................................................................................................33
2.2.1 Đô phân giải không gian (spatial resolution)..........................................................................33
2.2.2 Đô phân giải bưc xạ.................................................................................................................34
2.2.3 Đô phân giải phổ (spectral resolution)....................................................................................34
2.2.4 Đô phân giải thơi gian (temporal resolution) .........................................................................34

2.2.5 Phương phap lưu trữ dữ liêu ảnh...........................................................................................35
2.3 PHÂN TÍCH ẢNH SỐ.........................................................................................................................36
2.3.1 Phân tích ảnh bằng mắt...........................................................................................................36
2.3.2 Phân tích ảnh số.......................................................................................................................38

CHƯƠNG 3 VIỄN THÁM TRONG NGHIÊN CỨU BIỂN....................................................60
3.1 Viễn tham trong nghiên cưu chât lượng nước biển......................................................................60
3.2 Viễn tham trong nghiên cưu nhiệt độ bề mặt mực nước biển.....................................................60
3.3 Viễn tham trong nghiên cưu biến động đương bơ........................................................................60

1


3.4 Viễn tham trong nghiên cưu sử dụng đât và lớp phu bề mặt.......................................................60

CHƯƠNG 4: TỔNG QUAN VỀ GIS.......................................................................................61
4.1 Khai niệm và chưc năng cua GIS.....................................................................................................61
4.1.1 Khai niệm về GIS......................................................................................................................61
4.1.2. Chưc năng cua GIS..................................................................................................................63
4.1.3. Lịch sử hình thành và xu hướng phat triển............................................................................64
4.1.4. Một số ưng dụng cơ bản cua GIS...........................................................................................66
4.2. Cac thành phần cơ bản cua GIS.....................................................................................................68
4.2.1. Phần cưng...............................................................................................................................68
4.2.2. Phần mềm...............................................................................................................................69
4.2.3. Dữ liệu.....................................................................................................................................70
4.2.4. Chuyên gia...............................................................................................................................71
4.2.5. Phương phap...........................................................................................................................71
4.3. Mô hình câu trúc cơ sở dữ liệu cua GIS.........................................................................................71
4.3.1. Khai niệm chung về cơ sở dữ liệu...........................................................................................71
4.3.2. Mô hình câu trúc cơ sở dữ liệu không gian...........................................................................71

4.3.3. Mô hình câu trúc cơ sở dữ liệu thuộc tính.............................................................................79
5.1. Nhập dữ liệu và biên tập dữ liệu...................................................................................................82
5.1.1. Nhập dữ liệu............................................................................................................................82
5.1.2. Kết nối dữ liệu không gian và thuộc tính...............................................................................91
5.1.3. Hiển thị và xuât dữ liệu...........................................................................................................91
5.2. Phân tích dữ liệu trong GIS............................................................................................................92
5.2.1. Tổng quan về phân tích dữ liệu trong GIS..............................................................................92
5.2.2. Cac phép phân tích dữ liệu cơ bản.........................................................................................94
5.2.3. Cac phép phân tích dữ liệu nâng cao...................................................................................101
5.3. Hệ quản trị cơ sở dữ liệu cua GIS................................................................................................101
5.3.1. Giới thiệu...............................................................................................................................101
5.3.2. Hệ quản trị cơ sở dữ liệu GIS................................................................................................102

CHƯƠNG 6. GIS TRONG NGHIÊN CỨU BIỂN.................................................................103
6.1 Xây dựng cơ sở dữ liệu cho bản đồ biển......................................................................................103
6.2 Thành lập bản đồ nhiệt độ bề mặt nước biển.............................................................................103
6.3 Thành lập bản đồ biến động đương bơ.......................................................................................103

2


PHẦN I. VIỄN THÁM
CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ KỸ THUẬT VIỄN THÁM
1.1 KHÁI NIỆM VÀ NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA VIỄN THÁM
1.1.1 Khái niệm về viễn thám
Viễn thám là một ngành khoa học có lịch sử phát triển lâu đời. Sự phát triển của
khoa học viễn thám bắt đầu từ mục đích quân sự khi nghiên cứu các ảnh chụp sử dụng
phim và giấy ảnh từ khinh khí cầu, máy bay. Ngày nay, cùng sự phát triển của khoa
học kỹ thuật, viễn thám được ứng dụng trong nhiều ngành khoa học khác nhau như
quân sự, địa chất, địa lý, môi trường, khí tượng, thủy văn, nông nghiệp, lâm nghiệp,...

Theo nghĩa rộng, viễn thám là ngành khoa học nghiên cứu việc đo đạc, thu thập
thông tin về một đối tượng, sự vật bằng cách sử dụng thiết bị đo tác động một cách
gián tiếp với đối tượng nghiên cứu. Từ những ảnh chụp phim ban đầu thu nhận từ
khinh khí cầu, máy bay, …hiện nay, nguồn dữ liệu chính trong viễn thám là ảnh số thu
nhận từ các hệ thống vệ tinh quan sát Trái đất. Có rất nhiều định nghĩa khác nhau về
viễn thám, nhưng xét cho cùng tất cả các định nghĩa đều có một đặc điểm chung, nhấn
mạnh “viễn thám là khoa học nghiên cứu các thực thể, hiện tượng trên trái đất tư
xa mà không cần tác động trực tiếp vào no”. Một số định nghĩa tiêu biểu về viễn
thám của các nhà khoa học khác nhau như:
1. Viễn thám là một nghệ thuật, khoa học, nói ít nhiều về một sự vật không cần phải
chạm vào vật đó (Ficher and others, 1976);
2. Viễn thám là quan sát về một đối tượng bằng một phương tiện cách xa vật trên một
khoảng cách nhất định (Barrer and Curtis, 1976);
3. Viễn thám là một khoa học về lấy thông tin từ một đối tượng, được đo từ một
khoảng cách xa vật không cần tiếp xục với nó. Năng lượng được đo trong các hệ viễn
thám hiện nay là năng lượng điện từ phát ra từ vật quan tâm (Landgrete, 1978);
4. Viễn thám là ứng dụng vào việc lấy thông tin về mặt đất và mặt nước của Trái đất
bằng việc sử dụng các ảnh thu được từ một đầu chụp ảnh sử dụng bức xạ phổ điện từ,
đơn kênh hoặc đa phổ, bức xạ hoặc phản xạ từ bề mặt Trái đất (Janes Capbell, 1996);
5. Viễn thám là khoa học và nghệ thuật thu nhân thông tin về một vật thể, một vùng,
hoặc một hiện tượng, qua phân tích dữ liệu thu được bởi những phương tiện không
tiếp xúc với vật, vùng hoặc hiện tượng khi khảo sát (Likkesand and Kiefer, 1986);
Nguồn tài nguyên chủ yếu sử dụng trong viễn thám là sóng điện từ hoặc được
phản xạ, hoặc bức xạ từ vật thể. Thiết bị dùng để cảm nhận sóng điện từ phản xạ hoặc
bức xạ từ vật thể được gọi là bộ cảm biến (sensor). Bộ cảm biến có nhiệm vụ chuyển
đổi giá trị điện từ sang giá trị số để thu được ảnh số (digital number). Phương tiện
dùng để mang các bộ 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,...
1.1.2 Lịch sử hình thành và xu hướng phát triển
Một số tài liệu nghiên cứu cho rằng, lịch sử phát triển của viễn thám có thể tính

từ thế ký thứ 4 trước công nguyên khi Aristote sáng tạo ra camera – obscura (obscura dark). Mặc dù những thành tựu đáng kể trong lý thuyết quang học đã đạt được từ thế
kỷ 17 cũng như thấu kính quang học đã xuất hiện sớm hơn, bước phát triển thực sự
đầu tiên của khoa học viễn thám là vào giữa thế kỷ 19. Vào năm 1839, Louis Daguerre
đã đưa ra báo cáo công trình nghiên cứu về hóa ảnh photo, khởi đầu cho ngành chụp
ảnh. Bức ảnh đầu tiên chụp bề mặt trái đất từ khinh khí cầu được thực hiện vào năm
1858 bởi nhà nhiếp ảnh người Pháp Gaspard Tournachon. Ông đã sử dụng khinh khí
cầu ở độ cao 80 m để chụp ảnh vùng Bievre nước Pháp. Từ sự việc này, năm 1858
3


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 1929 ở Liên
Xô cũ đã thành lập Viện nghiên cứu ảnh hàng không Leningrad, viện đã sử dụng ảnh
hàng không để nghiên cứu địa mạo, thực vật, thổ nhưỡng.
Trong thời gian chiến tranh thế giới thứ 2 đã chứng kiến những bước nhảy thực
sự trong kỹ thuật viễn thám. Ngành khoa học đo đạc ảnh đã phát triển lên tầm cao mới:
tạo ra các dụng cụ cảm biến bước sóng hồng ngoại, các hệ thống radar,...Trong thời
gian này đã chứng kiến những cuộc thử nghiệm nghiên cứu các tính chất phản xạ phổ
của bề mặt địa hình và chế thử các lớp cảm quang cho chụp ảnh màu hồng ngoại. Dựa
trên kỹ thuật này, một kỹ thuật do thám hàng không đã ra đời. Trong vùng sóng dài của
sóng điện từ, các hệ thống siêu cao tần (RADAR) đã được thiết kế và sử dụng để theo
dõi và phát hiện những vật thể chuyển động, nghiên cứu tầng ion. Vào những năm 50
của thế kỷ 20 người ta tập trung nghiên cứu nhiều vào việc phát triển các hệ thống radar
tạo ảnh có cửa mở thực (RAR), đồng thời hệ thống radar có cửa mở tổng hợp (Syntheric
Aparture Radar - SAR) cũng được xúc tiến nghiên cứu. Vào năm 1956, tại Mỹ đã tiến

hành thử nghiệm khả năng dủng ảnh hàng không trong việc phân loại và phát hiện kiểu
thực vật. Đến những năm 1960, các cuộc thử nghiệm về ứng dụng ảnh hồng ngoại màu
và đa phổ đã được tiến hành.
Năm 1972, một mốc quan trọng trong lịch sử phát triển viễn thám được đánh
dấu với việc Mỹ đã phóng thành công lên quỹ đạo vệ tinh nghiên cứu tài nguyên thiên
nhiên LANDSAT. Sự kiện này mang đến khả năng thu nhận thông tin có tính chất toàn
cầu về môi trường xung quanh. Cho đến hiện nay, đã có 8 vệ tinh trong chương trình
LANDSAT được thực hiện, trong đó có 7 vệ tinh được phóng thành công lên quỹ đạo.
Hiện nay, vệ tinh LANDSAT 8 sau khi phóng thành công lên quỹ đạo đầu năm 2013
đang hoạt động tốt và cung cấp một kho dữ liệu lớn trong nghiên cứu tài nguyên Trái
đất.
Trong những năm 60, 70 thế kỉ 20, tàu Apollo đã chụp Trái đất dưới dạng ảnh
nổi và đa phổ, cho ra các thông tin hữu ích trong nghiên cứu mặt đất. Ngành hàng
không vũ trụ Liên Xô (cũ) và Nga ngày nay đã đóng vai trò tiên phong trong nghiên
cứu Trái đất từ vũ trụ. Các nghiên cứu đã được thực hiện trên các tàu vũ trụ có người
như Soynz, Meteor, Cosmos hoặc trên các trạm Salyut. Sản phẩm thu được là các ảnh
chụp trên các thiết bị quét đa phổ độ phân giải cao, như MSU - E (trên Meteor priroda). Các bức ảnh chụp từ vệ tinh Cosmos có 5 kênh phổ khác nhau, với kích
thước 18 x 18 cm. Ngoài ra các ảnh chụp từ các thiết bị chụp KATE - 140, MKF - 6M
trên trạm quỹ đạo Salyut cho ra 6 kênh ảnh thuộc dải phổ từ 0.4 µm đến 0.89 µm. Độ
phân giải mặt đất tại tâm ảnh đạt 20m.
Kỹ thuật viễn thám đã được đưa vào sử dụng ở Việt Nam từ năm 1976 để điều
tra quy hoạch rừng. Mốc quan trọng để đánh dấu sự phát triển của kỹ thuật viễn thám
ở Việt Nam là sự hợp tác nhiều bên trong khuôn khổ của chương trình vũ trụ quốc tế
(Inter Cosmos) nhân chuyến bay vũ trụ kết hợp Liên Xô – Việt Nam tháng 07 năm
1980. Kết quả nghiên cứu các công trình khoa học này được trình bày trong hội nghị
khoa học về kỹ thuật vũ trụ năm 1982 nhân tổng kết các thành tựu khoa học của
chuyến bay vũ trụ năm 1980, trong đó một phần quan trọng là kết quả sử dụng ảnh đa
4

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.
Từ những năm 1990 nhiều ngành đã đưa kỹ thuật viễn thám vào ứng dụng trong
thực tiễn như các ngành khí tượng, đo đạc và bản đồ, địa chất khoáng sản, quản lý tài
nguyên rừng và đã thu được những kết quả rõ rệt. Kỹ thuật viễn thám kết hợp với hệ
thống thông tin địa lí GIS đã được ứng dụng để thực hiện nhiều đề tài nghiên cứu khoa
học và nhiều dự án có liên quan đến điều tra khảo sát điều kiện tự nhiên và tài nguyên
thiên nhiên, giám sát môi trường, giảm thiểu tới mức thấp nhất thiên tai ở một số vùng.
Hiện nay, viễn thám ở nước ta đã chuyển dần từ công nghệ tương tự (analog) sang
công nghệ số kết hợp với GIS giúp xử lý nhiều loại ảnh đạt yêu cầu cao về độ chính
xác với quy mô sản xuất công nghiệp.
1.1.3 Phân loại viễn thám
Sự phân biêt các loại viễn thám căn cứ vào các yếu tố sau:
- 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 .
Bài giảng này giới thiệu ba phương thức phân loại viễn thám sau:
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.

Hình1.1: Viễn thám bị động và chủ động
b. Phân loại theo vùng bước song 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.
5


- 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
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 song 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) (hình 1.3).
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.

6


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

Hình 1.4 Nguyên lý thu nhận dữ liệu viễn thám

7


Sóng điện từ dùng trong viễn thám tuân theo các định luật bức xạ điện từ (định

luật Plank, định luật Wien, Stefan – Bontzmann, …) và hệ phương trình Maxwell.
Năng lượng phổ dưới dạng sóng điện từ, cùng cho thông tin về một vật thể từ nhiều
góc độ sẽ góp phần phân loại vật thể một cách chính xác hơn.
b. Quá trình viễn thám
Một hệ thống viễn thám thường bao gồm 2 quá trình chính đó là: quá trình 1truyền và ghi nhận sóng điện từ; quá trình 2 – phân tích và sử dụng ảnh viễn thám. Các
quá trình này gồm 7 phần tử có quan hệ chặt chẽ với nhau. Trình tự hoạt động của các
thành phần trong hệ thống viễn thám được mô tả trong hình sau:

Hình 1.5 Các thành phần trong hệ thống viễn thám
Quá trình 1, truyền và ghi nhận song điện tư
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.
Quá trình 2: Phân tích và ứng dụng
Phân loại và phân tích ảnh (F): ảnh thô sẽ được xử lý để có thể sử dụng trong
các mục đích khác nhau. Để nhận biết được các đối tượng trên ảnh cần phải giải đoas
chúng. Ảnh được phân loại bằng việc kết hợp các phương pháp khác nhau (phân loại

bằng mắt, phân loại thực địa, phân loại tự động,...).
Ứng dụng (G): đây là thành phần cuối cùng của hệ thống viễn thám, được thực
hiện khi ứng dụng thông tin thu nhận được trong qúa trình xử lý ảnh vào các lĩnh vực,
bài toán cụ thể.

8


1.2 BỘ CẢM BIẾN VÀ VỆ TINH VIỄN THÁM
1.2.1. Khái niệm, phân loại bộ cảm
a. Khái niệm, nhiệm vụ của bộ cảm
Khái niệm: Thiết bị dùng để cảm nhận sóng điện từ phản xạ hay bức xạ từ vật thể
được gọi là bộ cảm biến (Sensor).
Nhiệm vụ:
Bộ cảm biến bao gồm các tế bào quang điện thực hiện nhiệm vụ thu nhận năng
lượng sóng điện từ phản xạ hay bức xạ từ vật thể theo từng bước sóng xác định. Sau
đó, năng lượng sóng điện từ được bộ cảm biến chuyển thành tín hiệu điện. Tiếp theo,
tín hiệu điện liên tục này được chuyển thành tín hiệu số (chuyển đổi tín hiệu điện
thành một số nguyên hữu hạn gọi là giá trị số của pixel) tương ứng với năng lượng
sóng điện từ nhận được ban đầu.
b. Phân loại
Bộ cảm biến có thể được phân loại dựa theo dải sóng thu nhận, chức năng hoạt
động hoặc theo kết cấu…
Các bộ cảm bị động thu nhận các bức xạ do vật thể phản xạ hoặc phát xạ, còn các
bộ cảm chủ động lại thu được năng lượng do vật thể phản xạ từ một nguồn cung cấp
nhân tạo. Mỗi loại bộ cảm thuộc các nhóm trên còn chia thành các hệ thống quét và
không quét. Sau đó chúng lại tiếp tục được chia thành loại tạo ảnh và không tạo ảnh.
Loại bộ cảm sử dụng nhiều trong viễn thám hiện nay là các loại máy chụp ảnh, máy
quét đa phổ quang cơ, máy quét điện tử.

Hình 1.6.Sơ đồ phân loại bộ cảm
Đặc trưng chủ yếu của bộ cảm biến là số kênh phổ được sử dụng, độ phân giải
không gian, bề rộng tuyến chụp.
* Các phương pháp quét cơ bản thường sử dụng trong việc tạo ảnh đa phổ
Hệ thống quét dùng để thu thập dữ liệu trên cơ sở sử dụng nhiều bước sóng khác
nhau được gọi là máy quét đa phổ MSS (multispectral scanner). Đây là hệ thống quét
sử dụng cả trên máy bay và vệ tinh. Có hai phương pháp quét chính: quét vuông góc
với tuyến chụp, quét dọc tuyến chụp
- Quét vuông goc với tuyến chụp
Trước hết ta làm quen với thuật ngữ : trường nhìn không đổi và trường nhìn
Trường nhìn không đổi (Instantanneous Field of View – IFOV) là góc không gian
tương ứng với một đơn vị chia mẫu trên mặt đất. Lượng thông tin ghi được trong
IFOV tương ứng với gía trị của pixel.

9


Góc nhìn tối đa mà một bộ cảm có thể thu được sóng điện từ được gọi là trường
nhìn (Field of View FOV). Khoảng không gian trên mặt đất do FOV tạo ra chính là bề
rộng tuyến chụp.
Quá trình quét vuông góc với tuyến chụp được thực hiện như sau :

FOV

IFOV

Độ phân giải mặt
đât

Bề rộng tuyến chụp

Hình 1.7 : Trường nhìn, trường nhìn không đổi, tạo ảnh đa phổ theo phương
pháp quét ngang 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
hương di chuyển của vệ tinh. Năng lượng phản xạ được phân chia ứng với từng bước
sóng khác nhau (thông qua kinh lọc phổ) được bộ tách sóng (B- delectors) đo lường
năng lượng ứng với từng kênh phổ và chuyển thành giá trị số của từng pixel. Sau khi
kết thúc dòng quét, gương quay trả về vị trí ban đầu để tạo dòng kế tiếp nhờ sự dịch
chuyển đồng bộ của vệ tinh, kết quả nhận được ảnh vệ tinh là tập hợp của các dòng
ảnh liên tiếp nhau.
Trường nhìn không đổi IFOV (C) 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 một bộ cảm có thể thu được sóng
điện từ (được quét bởi gương quay) được gọi là trường nhìn (field of view – FOV).
Khoảng không gian trên mặt đất do FOV tạo nên tương ứng với độ cao của vệ tinh
chính là bề rộng tuyến chụp (F) và còn dược sử dụng để xác định bề rộng của ảnh vệ
tinh.
10


- Quét dọc tuyến chụp
Quét dọc tuyến chụp sử dụng các hệ thống quét điện tử hoặc bộ tách sóng 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) được 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 chuển của vệ tinh. Mỗi bộ tách sóng riêng biệt (delector – diod quang
điện) đo lường năng lượng phản xạ ứng với từng pixel (D) được phân chia 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 lượng ứng với từng
kênh phổ và kích thước của IFOV ứng với bộ tách sóng riêng biệt sẽ xác định độ phân

giải mặt đất của ảnh vệ tinh.

Hình 1.9. Tạo ảnh đa phổ theo phương pháp quét dọc tuyến chụp
Từ hai phương pháp cơ bản cho thấy, các phần tử của ảnh vệ tinh thường có dạng
hình vuông và thể hiện một khu vực nào đó trên mặt đất. Điều quan trọng cần chú ý đó
là phân biệt rõ ràng 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 có
độ phân giải không gian là 20m và một ảnh thu được từ bộ cảm biến này được 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 hhiển 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.
11


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 thấy đủ chi tiết trên mặt đất được gọi
là ảnh có độ phân giải cao. Độ phân giải càng cao cao thì diện tích mặt đất được thể
hiện trên một pixel 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 được cung
cấp bởi ảnh vệ tinh, đó là tỷ số giữa khoảng cách trên ảnh với khoảng cách thực trên
mặt đất. Nếu tỷ lệ ảnh là 1:100.000 thì một đối tượng có chiều dài 1cm trên ảnh sẽ có
chiều dài thật trên mặt 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 ảnh có tỷ lệ 1: 10 000).
c. Bộ cảm biến sử dụng trong viễn thám vệ tinh
* Máy quét quang cơ
Máy quét quang cơ là thiết bị sử dụng một bức xạ kế đa phổ để tạo ảnh hai

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 kết hợp một detector (cảm nhận năng lượng
ứng với một kênh phổ) và một gương quay sao cho đường quét trên mặt đất là một
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
Máy quét đa phổ quang cơ được cấu thành bới những phần chính sau:
Hệ thống quang học: Hệ thống kĩnh viễn vọng phản xạ kiểu Newton,
Cassegrain hoặc Ritchey-Chretien nhằm hạn chế sự lệch màu đến mức tối 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.
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 khả kiến dùng
diode silicon, diode ingium antimony (InSb) được dùng cho vùng sóng ngắn và để đo
bức xạ nhiệt 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 ổn định làm nguồn năng lượng chuẩn kiểm định tín hiệu điện.
Các hệ thống 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. AVHRR (Advance Very High Resolution Radiometer) của vệ tinh
NOAA là những hệ thống quáy quét đa phổ quang cơ đặt trên vệ tinh. Máy quét đa phổ
MS do hãng Daedalus chế tạo là ví dụ máy quét đa phổ quang cơ đặt trê máy bay.
So sánh với hệ thống quét điện tử thì máy quét đa phổ quang cơ có những ưu
điểm là trường nhìn của hệ thống quang học có thể nhỏ hơn, sai số trùng khớp giữa cá
kênh phổ cao hơn và hệ thống cho độ phân giải cũng cao hơn. Tuy nhiên, nhược điểm
cơ bản của nó là tỷ số hiệu dụng giữa tín hiệu và nhiễu lại nhỏ hơn so với hệ thống

quét điện từ (do thời gian tích hợp tại bộ tách quang không thể kéo dài).
* Máy quét điện tư
12


Các hệ thống quét điện từ hoặc bộ cảm mảng tuyến tính là hệ thống không có
bộ phận quét cơ học, nhưng với bộ cảm mảng tuyến tính (tách sóng bán dẫn) 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 từ dịch chuẻn đồng thời từng bộ phận tách sóng riêng biệt (detector
– diodquang điện) đo lường năng lượng phản xạ ứng với từng pixel được phân chia
ứng với từng dòng ảnh. Kết quả nhận được ảnh vệ tinh là tập hợp của các dòng ảnh
liên tiếp nhau và trong phương pháp này, mỗi bộ tách sóng mảng tuyến tính riêng biệt
sẽ đảm nhiệm việc đo lường năng lượng ứng với từng kênh phổ.
Về cấu tạo, các máy quét điện từ chỉ có hệ thống thấu kính quang học nhằm
tách các dòng ảnh đồng thời vuông góc với hướng bay. Các thiết bị nạp hay 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 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 cảm nhận
đồng thời giá trị độ sáng ứng với từng pixel. Do máy chụp CCD không có một bộ phận
cơ học nào nên độ ổn định trong hoạt động của nó là rất cao. Tuy nhiên, trên một hàng
ảnh thường bị xuất hiện nhiễu gây ra bởi sự chênh lệch độ nhạy giữa các bộ tách sóng
riêng biệt. Bộ cảm biến HRV của vệ tinh SPOT, MESSR của MOS-1 và OPS của
JERS-1 là những loại bộ cảm tuyến tính CCD đặt trên vệ tinh đang được sử dụng hiện
nay.
1.2.2. Vật mang và quỹ đạo bay
a. Giới thiệu chung về vật mang
Phương tiện mang các Sensor gọi là vật mang. Vật mang có thể là máy bay, khinh
khí cầu, tàu con thoi hoặc vệ tinh…

Để bộ cảm biến thu nhận năng lượng bức xạ và phản xạ từ các vật thể trên bề mặt
đất tạo ra ảnh quang học hay ảnh rađa, các bộ cảm được bố trí trên vật mang là một
phương tiện dùng để đưa các bộ cảm đến một độ cao và vị trí mong muốn sao cho việc
thu nhận thông tin từ mặt đất đạt hiệu quả cao nhất, đáp ứng cho nhiều mục đích ứng
dụng khác nhau.
Vệ tinh và máy bay là những vật mang cơ bản thường được sử dụng trong viễn
thám. Chụp ảnh từ máy bay (tạo ảnh hàng không) có thể xem là dạng đầu tiên của viễn
thám và tồn tại như một phương pháp được sử dụng khá rộng rãi trong thành lập bản
đồ địa hình và chuyên để phục vụ công tác quản lý tài nguyên thiên nhiên và giám sát
môi trường cũng như quy hoạch và quản lý đô thị…
Ngoài ra còn nhiều loại vật mang khác có độ cao hoạt động từ vài chục mét trở lên
như: thang trượt của các cần cẩu; máy bay không người lái… để chụp ảnh các khu vực
nhỏ trên mặt đất , khinh khí cầu dùng để nghêin cứu nhiều đối tượng khác nhau, tàu
con thoi thực hiện theo chương trình thí nghiệm khác nhau .

13


Hình 1.10. minh họa hình ảnh các vật mang cơ bản được sử dụng trong kỹ
thuật viễn thám co độ cao hoạt động khác nhau.
Vệ tinh nhân tạo bao gồm những vật mang được phóng vào không gian và chuyển
động theo những quỹ đạo nhất định phục vụ công tác liên lạc viễn thông, định vị và
hàng hải, thám sát khí tượng và quan sát mặt đất…
Vệ tinh viễn thám cho phép nhìn thấy một vùng rộng trên mặt đất bao gồm nhiều
đối tượng có ưu thế là cung cấp ảnh đa phổ và đa thời gian cho toàn thế giới. Ảnh vệ
tinh có các ưu điểm sau:
- Bao phủ một vùng rộng trên mặt đất.
- Khu vực cần nghiên cứu được chụp lặp lại thường xuyên nhiều lần theo chu kỳ.
- Ảnh được xử lý và phân tích trên máy tính.
- Chi phí tương đối thấp tính trên một đơn vị diện tích vùng phủ của ảnh.

Tuy nhiên, ảnh vệ tinh có độ phân giải mặt đất thấp hơn so với ảnh hàng không.

Hình 1.11 : Vệ tinh Modiss và ALOS
b. Quỹ đạo vệ tinh
Các vệ tinh nhân tạo thường chuyển động theo lộ trình đã được thiết kế trước sao
cho phù hợp với khả năng và mục tiêu của bộ cảm biến được đặt trên vệ tinh. Lộ trình
được thiết kế để vệ tinh chuyển động trong vũ trụ sẽ được xác định bởi 6 thông số cơ
bản của định luật Kepler áp dụng cho các vật thể chuyển động trong vũ trụ được gọi là
quỹ đạo của vệ tinh. Sự lựa chọn quỹ đạo tuỳ thuộc vào giá trị của tập hợp các thông
số cơ bản này, thông thường các vệ tinh khác nhau sẽ chuyển động theo những quỹ
đạo khác nhau được phân biệt bởi:
- Những độ cao khác nhau so với mặt đất.
- Theo quỹ đạo elip nằm trong một mặt phẳng có góc nghiêng khác nhau so với
mặt phẳng chứa xích đạo.
- Theo thời gian vệ tinh di chuyển hoàn tất một vòng quay trên quỹ đạo, còn được
gọi là chu kỳ của quỹ đạo.
- Theo khoảng thời gian cố định mà vệ tinh trở lại đúng vị trí chụp ảnh ban đầu,
còn được gọi là chu kỳ lặp lại của vệ tinh (do bộ cảm biến có trường nhìn cố định, nên
khi vệ tinh di chuyển sẽ tạo nên tuyến chụp trên mặt đất có bề rộng cố định còn được
14


gọi là độ rộng của tuyến chụp. Vì trái đất quay nên vệ tinh sẽ chụp theo tuyến khác
trên mặt đất sau mỗi chu kỳ tiếp theo, sau khoảng thời gian cố định vệ tinh sẽ lặp lại vị
trí ban đầu và khoảng thời gian này được gọi là tần suất lặp lại hay chu kỳ lặp).
Nhìn chung dựa theo quỹ đạo chuyển động của vệ tinh so với trái đất và mặt trời
có thể chia quỹ đạo vệ tinh thành các loại cơ bản như sau:
Quỹ đạo đồng bộ trái đất: là quỹ đạo mà vệ tinh chuyển động cùng một vận tốc
góc với trái đất, nghĩa là vệ tinh quay một vòng trên quỹ đạo mất thời gian là 24 giờ.
Vệ tinh chuyển động trên quỹ đạo đồng bộ trái đất và nếu mặt phẳng quỹ đạo có góc

nghiêng bằng 0 được gọi là quỹ đạo địa tĩnh. Các vệ tinh địa tĩnh có độ cao khoảng
36000km và luôn treo lơ lửng tại một điểm trên không trung (đứng yên so với bề mặt
trái đất). Do đó, vệ tinh địa tĩnh cho phép quan sát và thu thập thông tin liên tục trên
một vùng cụ thể và được sử dụng thích hợp vào mục đích quan sát khí tượng hoặc
truyền tin…Vệ tinh Vinasat của Việt Nam (ngày phóng) là vệ tinh thông tin, có quỹ
đạo địa tĩnh. Với độ cao lớn, các vệ tinh khí tượng địa tĩnh có thể giám sát thời tiết và
dạng mây bao phủ trên toàn bộ bán cầu của trái đất.
Quỹ đạo đồng bộ mặt trời : là quỹ đạo cho phép vệ tinh chuyển động theo hướng
Bắc – Nam kết hợp với chuyển động quay của trái đất (Tây - Đông) sao cho vệ tinh
luôn luôn nhìn bề mặt trái đất tại thời điểm có sự chhiếu sáng tốt nhất của mặt trời.
Như vậy góc nghiêng của mặt phẳng quỹ đạo này gần với góc nghiêng của trục quay
trái đất (so với mặt phẳng xích đạo) nên còn được gọi là quỹ đạo gần cực. Những vệ
tinh chuyển động theo quỹ đạo đồng bộ mặt trời sẽ thu thập thông tin trên vùng nào đó
của trái đất theo giờ địa phương nhất định và vị trí của vệ tinh sẽ thay đổi theo điều
kiện chiếu sáng của mặt trời trong một năm. Loại quỹ đạo này đảm bảo điều kiện
chiếu sáng của mặt trời là như nhau khi thu thập ảnh vệ tinh trên cùng khu vực cụ thể
theo các ngày và từng mùa khác nhau trong năm. Các vệ tinh tài nguyên thường sử
dụng quỹ đạo đồng bộ mặt trời vì có ưu điểm luôn tạo được một điều kiện chiếu sáng
ổn định. Đây là yếu tố quan trọng cho vịêc giám sát sự thay đổi giá trị phổ giữa các
ảnh mà không cần hiệu chỉnh do điều kiện chiếu sáng khác nhau.
Quỹ đạo có chu kỳ lặp một ngày và nhiều ngày: là những quỹ đạo mà cho phép vệ
tinh trở lại điểm đỉnh đầu trên khu vực chụp ảnh trong cùng một ngày hoặc sau nhiều
ngày.

15


Hình 1.12. Các dạng quỹ đạo, tuyến chụp khi vệ tinh di chuyển
Một vệ tinh bao giờ cũng đặc trưng bởi các thông số sau:
Độ cao bay (km)

Chu kỳ lặp (ngày)
Thời gian bay qua xích đạo (giờ địa phương)
Góc nghiêng của quỹ đạo (độ)
Dạng quỹ đạo
Số kênh phổ có khả năng ghi nhận được
c. Truyền và thu dữ liệu vệ tinh
Khác với phương pháp chụp ảnh hàng không, ảnh viễn thám được truyền từ vệ
tinh về các trạm thu trên mặt đất thông qua việc sử dụng anten phát sóng điện từ có tần
số rất cao, từ vài GHz đến vài chục GHz để làm sóng tải (do dữ liệu cần truyền rất
lớn), chuyển ảnh và các thông tin liên quan về các trạm thu (vì vệ tinh luôn chuyển
động trên quỹ đạo đến khi két thúc nhiệm vụ, nó không đáp xuống mặt đất để chuyển
ảnh như máy bay). Dữ liệu truyền từ vệ tinh không chỉ ảnh viễn thám đơn thuần mà
còn chứa nhiều thông tin hỗ trợ khác(nhiệt độ, thông số kỹ thuật của vệ tinh …). Tất cả
các dữ liệu được truyền dưới dạng số PCM (Pulse Code Modulation) nên có ưu thế
hơn hẳn các phương pháp khác vì nó cho phép loại bỏ mọi nhiễu, năng lượng tiêu thụ
cho việc phát sóng cũng rất nhỏ. Thông thường dữ liệu truyền từ vệ tinh viễn thám có
thể nhận trực tiếp từ các trạm thu trên mặt đất. Tuy nhiên thiết lập hệ thống truyền và
thu thông tin như vậy có nhược điểm là chỉ thực hiện được khi trạm thu và vệ tinh viễn
thám nằm trong tầm nhìn của nhau.
Tuỳ theo loại vệ tinh, người ta sử dụng một trong ba phương pháp cơ bản để
truyền tín hiệu của năng lượng sóng điện từ sau khi tới được bộ cảm biến được chuyển
thành tín hiệu số và được Anten của vệ tinh truyền về trạm thu trên mặt đất. Ảnh vệ tinh
sau khi được xử lý Ẩtị trạm thu sẽ được cung cấp cho ngời sử dụng ở nhiều cấp đọ khác
nhau.
16


- Dữ liệu ảnh viễn thám được truyền trực tiếp nếu trạm thu mặt đất nằm trong
tầm nhìn của vệ tinh (A).
- Trong trường hợp ngược lại, dữ liệu được lưu trữ bởi vệ tinh (B) và sẽ phát về

trạm thu trên mặt đất vào thời điểm mà tầm nhìn giữa vệ tinh và trạm thu được đảm
bảo. Phương pháp truyền dữ liệu viễn thám cơ bản này được gọi là MDR (Mission
Data Recorder). MDR cho phép thu nhận thông tin tại những vùng mà trạm thu tại mặt
đất không bao phủ và sau đó có thể truyền lại thông tin này khi vệ tinh bay qua trạm
thu. Vệ tinh NOAA, SPOT đều có trang bị hệ thống MDR.
Dữ liệu được chuyển tiếp thông qua hệ thống TDRSS (Tracking and Data
Relay Satelite System) để truyền về mặt đất. Vệ tinh (C) còn gọi là TDRS (được phóng
bởi NASA để truyền dữ liệu của vệ tinh Landsat) bao gồm một số vệ tinh viễn thông
vận hành trên quỹ đạo địa tĩnh, phương pháp này cho phép chuyển dữ liệu viễn thám
từ vệ tinh này sang vệ tinh khác cho đến khi thực hiện được việc truyền dữ liệu đến
trạm thu trên mặt đất thích hợp.

Hình 1.13. Các phương pháp truyền và thu dữ liệu vệ tinh
Dữ liệu nhận được bởi các trạm thu trên mặt đất là dữ liệu số cần được loại bỏ
mọi nhiễu, hiệu chỉnh khí quyển, biến dạng hình học và chuyển đổi vào khuôn dạng
chuẩn của ảnh viễn thám.
Sau đó ảnh vệ tinh được ghi vào băng từ hoặc CD bao gồm cả các tham số có
liên quan đến ảnh vệ tinh.
Bảng 1 : Ví dụ ảnh Landsat cung cấp cho người sử dụng co các dữ liệu bỏ
sung được thể hiện như sau:
Sate: Landsat-5
Sensor: Tm
Obs.Date: 1997/09/24
Orbital direction: D
Path-row: 112-28
Cloud coverection: 01
Processing level: BK
Map projection: UTM
Resampling method: CC
Logical format: CEOS-BSQ

Center latitude: N45.982
Center longtitude: E135.733
Number of pixel: 6920
Number of lines: 5965
Ngoài ra, nhà cung cấp thường cho người sử dụng xem ảnh quick-look trước khi mua,
đây là dạng có độ phân giải thấp hơn nhưng có thể biết rõ về độ phủ của ảnh và ảnh
hưởng của mây che khu vực nhiều hay ít tại thời điểm chụp
1.2.3. Các vệ tinh giám sát tài nguyên
a. Vệ tinh LANDSAT
Vào năm 1967, tổ chức hàng không và vệ tinh quốc gia (NASA) được sự hỗ
trợ của Bộ nội vụ Mỹ đã tiến hành chương trình nghiên cứu thăm dò tài nguyên
17


trái đất ERTS (ERTS – Earth Resources Technology Satellite: Vệ tinh kỹ thuật thăm
dò tài nguyên trái đất). Vệ tinh ERTS - 1 được phóng vào ngày 23/6/1972. Sau đó
NASA đổi tên chương trình ERTS thành Landsat, ERTS -1 được đổi tên thành Landsat
1. Vệ tinh Landsat bay qua xích đạo lúc 9h39 phút sáng. Cho đến nay, NASA đã
phóng được 7 vệ tinh trong hệ thống Landsat (bảng 2)
Bảng 2. Các thế hệ vệ tinh Landsat
Vệ tinh
Ngày phóng
Ngày ngừng hoạt động
Bộ cảm
Landsat 1
23/6/1972
6/1/1978
MSS
Landsat 2
22/1/1975

25/2/1982
MSS
Landsat 3
05/3/1978
31/3/1983
MSS
Landsat 4
16/7/1982
15/6/2001
TM, MSS
Landsat 5
01/3/1984
Đang hoạt động
TM, MSS
Landsat 6
05/3/1993
Bị hỏng ngay khi phóng
ETM
Landsat 7
15/4/1999
Đang hoạt động
ETM+
- Landsat MSS ( Landsat Multispectral Scanner)
Bộ cảm này được đặt trên các vệ tinh Landsat 1 đến 3 ở độ cao so với mặt
đất là 919km và Landsat 4 và 5 ở độ cao 705 km, chu kỳ lặp là 18 ngày. Các bộ cảm
MSS là những hệ thống máy quang học mà trong đó các yếu tố tách sóng riêng biệt
được quét qua bề mặt Trái đất theo hướng vuông góc với hướng bay. MSS có 4 bộ lọc
và tách sóng trong khi TM có 7 bộ.
Landsat MSS có độ phân giải là 79m x 79m, và gồm 4 kênh 1,2,3 và 4, trong
đó kênh 1 và kênh 2 nằm trong vùng nhìn thấy còn kênh 3 và kênh 4 nằm trong vùng

cận hồng ngoại.
- Landsat TM, ETM (Landsat Thematic Mapper)
Từ năm 1982 vệ tinh Landsat 4 được phóng và mang thêm bộ cảm chuyên
dùng để thành lập bản đồ chuyên đề gọi là bộ cảm TM (Thematic Mapper). Vệ tinh
Landsat 7 mới được phóng vào quỹ đạo tháng 4/1999 với bộ cảm TM cải tiến gọi là
ETM (Enhanced Thematic Mapper). Hệ thống này là một bộ cảm quang học ghi lại
năng lượng trong vùng nhìn thấy: hồng ngoại phản xạ, trung hồng ngoại và hồng
ngoại nhiệt của quang phổ. Nó thu thập những ảnh đa phổ mà có độ phân giải không
gian, phân giải phổ, chu kỳ và sự phản xạ cao hơn Landsat MSS. Landsat TM, ETM
có độ phân giải không gian là 30 x 30 m cho 6 kênh (1, 2, 3, 4, 5, 7) và kênh 6
hồng ngoại nhiệt có độ phân giải không gian là 120 x 120 m.
Trên vệ tinh Landsat, bộ cảm có ý nghĩa quan trọng nhất và được sử dụng
nhiều nhất là TM. Bộ cảm TM có các thông số chính được nêu trong bảng 2.4.
Bảng 3. Đặc trưng chính của bộ cảm và độ phân giải không gian
Loại bộ cảm

Kênh

TM Thematic
Mapper
(Landsat 1-5)

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

Bước sóng
(µm)
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

18

Độ phân
giải không
gian
Chàm
30 m
Lục đỏ
30 m
Đỏ
30 m
Cận hồng ngoại Hồng
30 m
ngoại trung Hồng ngoại
30 m
nhiệt Hồng ngoại trung
120 m
30 m
Loại

MSS
Multi Spectral
Scanner
(Landsat 1-5)

TM Thematic
Mapper
(Landsat 1-5)

Kênh 4
Kênh 5
Kênh 6
Kênh 7
Kênh 1
Kênh 2
Kênh 3
Kênh 4
Kênh 5
Kênh 6
Kênh 7
Kênh 8 (Pan)

0,5 ÷ 0,6
0,6 ÷ 0,7
0,7 ÷ 0,8
0,8 ÷ 1,1
0,45 ÷ 0,52
0,53 ÷ 0,61
0,63 ÷ 0,69

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

Lục
Đỏ
Cận hồng ngoại
Cận hồng ngoại
Chàm
Lục đỏ
Đỏ
Cận hồng ngoại
Hồng ngoại trung
Hồng ngoại nhiệt
Hồng ngoại trung
Lục đến cận hồng ngoại

80 m
80 m
80 m
80 m
30 m
30 m
30 m
30 m
30 m
60 m
30 m

15 m

Vệ tinh Landsat TM, ETM bay ở độ cao 705 km, mỗi cảnh TM có độ phủ là
185x170 (km), chu kỳ lặp là 16 ngày. Có thể nói TM, ETM là bộ cảm quan trọng nhất
trong việc nghiên cứu tài nguyên và môi trường.
b. Vệ tinh SPOT
Trên mỗi vệ tinh SPOT được trang bị một hệ thống tạo ảnh nhìn thấy có độ
phân giải cao HRV (High Resolution Visible imaging system).
Các thế hệ vệ tinh SPOT 1 đến 3 có 3 kênh phổ phân bố trong vùng sóng nhìn
thấy ở các bước sóng xanh lục, đỏ và gần hồng ngoại. Năm 1998, Pháp phóng vệ
tinh SPOT 4 với hai bộ cảm HRVIR và thực vật (Vegetation Instrument). Ba kênh
phổ đầu của HRVIR tương đương với 3 kênh phổ truyền thống của HRV. Năm 2002,
Pháp đã phóng thành công vệ tinh SPOT 5 với độ phân giải cao hơn: 2,5 m; 5m; 10m.
Vệ tinh SPOT bay ở độ cao 832 km, nghiêng so với mặt phẳng quỹ đạo
98o7, bay qua xích đạo lúc 10h30' sáng với chu kỳ lặp lại là 23 ngày. Mỗi cảnh có
độ phủ là 60 km x 60 km. Tư liệu SPOT được sử dụng nhiều không chỉ cho việc
nghiên cứu tài nguyên mà còn sử dụng cho công tác xây dựng, hiệu chỉnh bản đồ và
quy hoạch sử dụng đất. Bộ cảm HRV là máy quét điện tử CCD - HRV có thể thay
đổi góc quan sát nhờ một gương định hướng. Gương này cho phép thay đổi gương
0
định hướng. Gương này cho phép thay đổi hướng quan sát ±27
so với trục thẳng
đứng nên dễ dàng thu được ảnh lập thể. Các thông số của ảnh vệ tinh SPOT như bảng
3
Bảng 3. Các thông số ảnh của vệ tinh SPOT
Bộ cảm

SPOT 5

SPOT 4

Phổ điện từ
Panchromatic (Toàn sắc) B1 : green
(Xanh lục)
B2 : red (Đỏ)
B3 : near infrared (Cận HNgoại)
B4 : mid infrared (MIR) (Giữa HN)
Monospectral
B1 : green
B2 : red
B3 : near infrared
B4 : mid infrared (MIR)

19

Độ phân giải

Bước sóng

2.5 m hoặc 5 m
10 m
10 m
10 m
20 m
10 m
20 m
20 m
20 m
20 m

0.48 - 0.71 µm
0.50 - 0.59 µm
0.61 - 0.68 µm
0.78 - 0.89 µm
1.58 - 1.75 µm
0.61 - 0.68 µm
0.50 - 0.59 µm
0.61 - 0.68 µm
0.78 - 0.89 µm
1.58 - 1.75 µm


SPOT 1
SPOT 2
SPOT 3

Panchromatic
B1 : green
B2 : red
B3 : near infrared

10 m
20 m
20 m
20 m

0.50 - 0.73 µm
0.50 - 0.59 µm
0.61 - 0.68 µm
0.78 - 0.89 µm

c. Vệ tinh MOS (Marine Observation Satellite)
Vệ tinh MOS - 1 là thế hệ đầu tiên được Nhật Bản phóng vào quỹ đạo tháng
2 năm 1987 để quan sát đại dương và nghiên cứu môi trường biển, sau đó MOS - 1b
(tháng 2/1990) với 3 thiết bị đo phổ chính có phạm vi vùng phổ tương tự như bộ cảm
biến đa phổ của vệ tinh Landsat. Các thông số kỹ thuật chính của bộ cảm biến và độ
phân giải không gian của ảnh vệ tinh MOS được liệt kê ở bảng 4 và bảng 5
Bảng 4. Đặc trưng chính của bộ cảm và độ phân giải không gian
Loại bộ cảm
MESSR
Bức xạ kế tự quét
Đa phổ

Kênh
Kênh 1
Kênh 2
Kênh 3
Kênh 4

MSR
Bức xạ kế quét
Vô tuyến tần cao
VTIR
Nhìn thấy và nhiệt
Bức xạ kế hồng ngoại

Bước sóng (µm)
0,51 ÷ 0,59
0,61 ÷ 0,69
0,72 ÷ 0,80

0,80 ÷ 1,10

Loại
Lục
Đỏ
Cận hồng ngoại
Cận hồng ngoại

Độ phân giải
50 m
50 m
50 m
50 m

23 ± 0,2 GHz
31,4 ± 0,25 GHz

Vô tuyến cao tần
Vô tuyến cao tần

32 km
23 km

0,5 ÷ 0,7
6,0 ÷ 7,0
10,5 ÷ 11,5
11,5 ÷ 12,5

Nhìn thấy
Hồng ngoại nhiệt

Hồng ngoại nhiệt
Hồng ngoại nhiệt

900 km
2700 km
2700 km
2700 km

Kênh 1
Kênh 2
Kênh 3
Kênh 4

Bảng 6. Đặc trưng chính của quỹ đạo và vệ tinh MOS
Độ cao
Thời gian hoàn tất chu
909 km
bay
kỳ quỹ đạo
Quỹ đạo

Đồng bộ mặt trời

Năm phóng vào
quỹ đạo

Khoảng 103 phút
1987 ( MOS -1) 1990
(MOS -1b)

Chu kỳ lặp
17 ngày
d. Vệ tinh IRS (Indian Remote Sensing Satellite)
Một loạt các vệ tinh viễn thám của Ấn Đ ộ được phóng lên quỹ đạo để thực
hiện việc nghiên cứu toàn bộ phần lục địa của bề mặt trái đất, bao gồm vệ tinh IRS-1
phóng vào đầu năm 1988 và đến tháng 12/1995 vệ tinh thế hệ thứ ba IRS-1C được
đưa vào quỹ đạo với ba bộ cảm chính PAN (Panchromatic) kênh đơn với độ phân
giải cao, LISS - 3 (Linear Imaging Self- scanning sensor) với độ phân giải trung
bình cho cả bốn kênh phổ và WiFS(Wide Field Sensor) ứng với hai kênh phổ có độ
phân giải thấp. Ngoài ra, vệ tinh IRS có thể tạo ảnh lập thể ứng với kênh toàn sắc
(PAN) giống như ảnh SPOT nhưng góc quan sát nghiêng của vệ tinh IRS là 26 độ.
Bảng 8. Đặc trưng chính của các bộ cảm và độ phân giải không gian của
chúng
Loai bộ cảm

Kênh

Bước sóng
(µm)

Loại

20

Độ phân
Độ phân
giải
giải
(IRS -1C) (IRS –1D )

PAN
P
Bộ cảm toàn sắc

0,50 ÷ 0,75

LISS -3
Kênh2
Bộ cảm trợ quét Kênh3
ảnh tuyến tính Kênh4
Kênh5

0,52 ÷ 0,59
0,62 ÷ 0,68
0,77 ÷ 0,86
1,55 ÷ 1,70

Nhìn thấy (lục đến cận
hồng ngoại)

5,8 m

5,2 ÷ 5,8 m

Nhìn thấy (lục đến vàng)
Nhìn thấy (lục đến đỏ )
Cận hồng ngoại
Hồng ngoại trung

24 m
24 m
24 m
70 m

21 ÷ 23
21 ÷ 23
21 ÷ 23
63 ÷ 70

Ảnh IRS có độ phân giải cao sử dụng rất tốt trong việc thành lập bản đồ và quy
hoạch thành phố, ảnh đa phổ do LISS - 3 thu nhận có đặc tính tương tự như Landsat
TM từ kênh 1 đến kênh 4 nên sử dụng tốt cho việc phân biệt thực vật, thành lập bản đồ
hiện trạng sử dụng đất và quy hoạch tài nguyên thiên nhiên. Các thông số kỹ thuật
chính của bộ cảm biến và độ phân giải không gian cuả ảnh vệ tinh IRS được liệt kê ở
bảng 2.8 và bảng 2.9 cho thấy các đặc trưng chính cuả vệ tinh và quỹ đạo ứng với IRS
- 1C và IRS - 1D (phóng năm 1997).
Bảng 9. Đặc trưng chính của quỹ đạo và vệ tinh IRS
Thông số quỹ đạo
Độ cao bay
Quỹ đạo
Chu kỳ lặp
Thời gian hoàn tất chu kỳ quỹ đạo
Năm phóng vệ tinh

IRS -1C
817 km
Đồng bộ mặt trời
24 ngày
1995

IRS -1D
780 km (trên xích đạo)
Đồng bộ mặt trời
25 ngày
1997

e. Vệ tinh IKONOS
IKONOS là loại vệ tinh thương mại đầu tiên có độ phân giải cao (1m) được
đưa vào không gian tháng 9/1999 do Công ty Space Imaging (Hoa Kỳ) và bắt đầu phổ
biến ảnh độ phân giải cao từ tháng 3/2000. Bộ cảm biến OSA (Optical sensor
assembly) của vệ tinh IKONOS sử dụng nguyên lý quét điện tử và có khả năng thu
đồng thời ảnh toàn sắc và đa phổ. Ngoài khả năng tạo ảnh có độ phân giải cao nhất
vào thời điểm năm 2000, ảnh IKONOS còn có độ phân giải bức xạ rất cao vì sử
dụng đến 11 bít để ghi nhận năng lượng phản xạ. Nhiều ứng dụng cho việc quản lý đô
thị và quy hoạch tại các thành phố lớn trên thế giới đã chứng minh cho ưu thế của
ảnh IKONOS độ phân giải cao, trong tương lai ảnh độ phân giải cao sẽ giữ vai trò
quan trọng trong việc thành lập bản đồ và quan sát thành phố.
IKONOS chuyển động theo quỹ đạo đồng bộ mặt trời ở độ cao 680km và
góc nghiêng của mặt phẳng quỹ đạo là 98,2 độ. Vệ tinh IKONOS có chu kỳ lặp lại là
14 ngày (thời gian chụp lại trên cùng vùng đất chỉ từ 1 đến 3 ngày) và thời gian đi
qua xích đạo là 10h30 sáng, với bề rộng tuyến chụp là 11km. Các thông số cơ bản
của bộ cảm biến và độ phân giải không gian của ảnh vệ tinh IKONOS được kê ra ở
bảng 2.10
Bảng 10. Đặc trưng chính của quỹ đạo và vệ tinh IKONOS
Tên của cảm biến
OSA
Bộ cảm toàn sắc
Bộ cảm đa phổ

Kênh
Kênh 1
Kênh 2
Kênh 3
Kênh 4

Bước sóng (µm)
0,45 ÷ 0,90
0,45 ÷ 0,52
0,52 ÷ 0,60
0,63 ÷ 0,69
0,76 ÷ 0,90

21

Độ phân giải
1m
4m


Ảnh IKONOS được sử dụng không chỉ để thành lập và cập nhật bản đồ địa hình
tỷ lệ trung bình, giám sát phân tích biến động mà còn có thể tạo ra hình ảnh thực cho
khu vực phục vụ dịch vụ kinh doanh và du lịch. Các loại ảnh vệ tinh thương mại có
độ phân giải cao khác có thể sử dụng hiện nay như: Orbview - 3, Quickbird, và EROS
- A1.
Tư liệu ảnh vệ tinh COSMOS, LANDSAT, SPOT được sử dụng rộng rãi
trên thế giới và ở Việt Nam.
Hiện nay một thế hệ vật mang mới đang được nghiên cứu và phát triển cho mục
đích tạo được vật mang có thời gian tồn tại lâu trong vệ tinh, mang được nhiều bộ cảm
và sử dụng đa mục đích, đó là vật mang quĩ đạo cực POP (Polar orbit Platform). POP

được cấu tạo từ các môđun chính như trạm vệ tinh chính, tàu con thoi và phương tiện
giao lưu giữa các trạm vệ tinh. POP được thiết kế theo nguyên lý các mô đun có thể thay
thế được, như vậy POP có kích thước lớn nhưng thời gian tồn tại trong vệ tinh được tăng
lên rất nhiều.
1.3 CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA VIỄN THÁM
1.3.1 Tính chất của bức xạ điện từ
Thuật ngữ bức xạ điện từ, do James Clerk Maxwell đặt ra, xuất phát từ những
tính chất điện và từ đặc trưng chung cho tất cả các dạng của loại năng lượng giống
sóng này, như được biểu lộ bởi sự phát sinh cả trường dao động điện và từ khi sóng
truyền trong không gian. Ánh sáng khả kiến chỉ đại diện cho một phần nhỏ của phổ
bức xạ điện từ (hình 1.14), trải ra từ các tia vũ trụ cao tần và tia gamma, qua tia X, ánh
sáng cực tím, bức xạ hồng ngoại, và vi ba, cho tới các sóng vô tuyến bước sóng dài,
tần số rất thấp.
Sóng điện từ di chuyển theo hướng vuông góc với hướng dao động của cả vectơ
điện trường (E) và từ trường (B). Hai trường năng lượng dao động vuông góc với nhau
và dao động cùng pha theo dạng đồ thị hàm số sin. Các vectơ điện trường và từ trường
không chỉ vuông góc với nhau mà còn vuông góc với phương truyền sóng. Để đơn
giản hóa minh họa, người ta thường quy ước bỏ qua các vectơ biểu diễn điện trường và
từ trường dao động, mặc dù chúng vẫn tồn tại (hình 1.14).
Khi lan truyền, sóng điện từ mang theo năng lượng, động lượng và thông tin.
Sóng điện từ với bước sóng nằm trong khoảng 400 nm và 700 nm có thể được quan sát
bằng mắt người và gọi là ánh sáng. Bức xạ điện từ truyền năng lượng trên cơ sở các
dao động trường điện từ trong không gian hoặc trong lòng các vật chất. Quá trình
truyền của sóng điện từ tuân theo định luật Maxwell. Bức xạ điện từ có tính chất sóng
và hạt.

Hình 1.14 Bức xạ điện tư
Tính chất sóng của bức xạ điện từ được xác định bởi bước sóng, tần số và tốc
độ truyền. Tính chất hạt được mô tả theo tính chất quang lượng tử (photon). Bức xạ
22

điện từ có 4 thông số cở bản: tần số (bước sóng), hướng truyền, biên độ và mặt phân
cực.
Tất cả các vật thể đều phản xạ và hấp thụ, phân tách và bức xạ sóng điện từ theo
các cách khác nhau và đặc trưng này được gọi là đặc trưng phổ. Hiện tượng phản xạ
phổ có liên quan mật thiết với môi trường mà sóng điện từ lan truyền. Dải sóng điện từ
được coi là dải sóng có bước sóng từ 0.1 micromet đến 100 km.

Hình 1.15 Phân loại song điện tư
Căn cứ vào bước sóng, sóng điện từ được chia làm các loại sau:
• Sóng tử ngoại: có bước sóng từ 0.1μm đến 0.4 μm ;
• Bức xạ điện tư ở bước sóng nhìn thấy: có bước sóng từ 0.4 μm đến 0.7 μm ;
• Bức xạ hồng ngoại: cận hồng ngoại (0.7 μm – 1.3 μm ), hồng ngoại ngắn (1.3 μm –
3 μm ), giữa hồng ngoại (3 μm – 8 μm ), hồng ngoại nhiệt (8 μm – 14 μm), hồng ngoại
xa (14 μm – 1mm);
• Sóng radio:
1. Sóng micro: milimet (EHF): bước sóng từ 1 mm – 10 mm, centimet (SHF): 1 cm –
10 cm, decimet (UHF): 10 cm – 1 m;
2. Sóng cực ngắn (VHF): 1 m – 10 m;
3. Sóng ngắn (HF): 10 m – 100 m;
4. Sóng trung (MF): 0.1 km – 1 km;
5. Sóng dài (LF): 1 km – 10 km;
6. Sóng rất dài (VLF): 10 km – 100 km.
Hệ phương trình Maxwell
Ðể diễn tả trường điện từ một cách định lượng, Maxwell đã thiết lập nên hệ
phương trình mang tên Maxwell. Trước Maxwell, những hiểu biết của con người về
các hiện tượng điện còn rời rạc, chưa được tập hợp và tổng quát hoá lại. Ngay đến
khoảng năm 1820, người ta vẫn còn quan niệm là điện và từ là hai hiện tượng khác
nhau, không có liên hệ gì với nhau cả.

Bảng 11. Hệ phương trình Maxwell
STT

Dạng tích phân

Phương trình Maxwell thứ nhất

∂D →
∫L H d l = ∫S J d S + ∫S ∂t d S
→

→

→

Phương trình Maxwell thứ hai

23

Dạng vi phân
→

→

→

∂D
rot . H = J +
∂t
→

→


→

∂B →
E
d
l
=
−
∫L
∫S ∂t d S

Phương trình Maxwell thứ ba

→

→

→

→

∫ Dd S = ∫ ρdV = Q
S

Phương trình Maxwell thứ tư

→

∂B
rot . E = −
∂t
→

→

div D = ρ

V

→

→

∫ B.d S = 0

→

div B = 0

S

Thí nghiệm của Oersted năm 1820 đã chứng tỏ rằng giữa điện và từ có liên
quan, và dòng điện cũng gây nên tác dụng từ. Ampere sau khi nghiên cứu kỹ về các
hiện tượng điện từ, đã kết luận rằng mọi hiện tượng từ trong tự nhiên, kể cả từ tính của
nam châm vĩnh cửu, đều được gây nên bởi dòng điện (giả thuyết về dòng điện phân tử
của Ampere).

Sau đó, là những phát minh lớn của Faraday về hiện tượng cảm ứng điện từ.
Xuất phát từ quan điểm đúng đắn về sự liên quan chặt chẽ giữa các hiện tượng tự
nhiên, Faraday cho rằng nếu dòng điện có thể gây nên tác dụng từ thì ngược lại, nam
châm (hay các dòng điện) cũng có thể gây nên dòng điện. Sau nhiều thí nghiệm,
Faraday chứng minh được rằng điều đó là đúng. Ðồng thời Faraday nêu lên ý kiến về
vai trò của môi trường trung gian trong các hiện tượng điện. Ông không thừa nhận sự
tương tác xa, và cho rằng tương tác điện và từ truyền qua một môi trường nào đó, và
môi trường đó đóng vai trò cơ bản trong quá trình điện và từ.
Maxwell đã phát triển những ý kiến của Faraday một cách sâu sắc và đã xây
dựng nên những thuyết định lượng, dùng công cụ toán học. Sự liên quan chặt chẽ giữa
điện trường và từ trường được xây dựng trên cơ sở lý thuyết chắc chắn, và được biểu
diễn bằng các phương trình Maxwell. Vì thế thuyết Maxwell là một bước phát triển
mới, hoàn thiện những hiểu biết của con người về điện. Nó đưa ra khái niệm về điện từ
trường, bao gồm điện trường và từ trường, có liên hệ chặt chẽ và chuyển hoá lẫn nhau.
Các phương trình Maxwell bao gồm mọi định luật cơ bản của điện trường và từ
trường, đó là những phương trình cơ bản, tổng quát của điện từ trường trong các môi
trường đứng yên.
Thuyết Maxwell không những giải thích được các hiện tượng đã biết, mà còn
tiên đoán được nhiều hiện tượng mới, quan trọng. Giả thuyết hoàn toàn mới trong
thuyết của Maxwell là giả thuyết về trường của dòng điện dịch. Trên cơ sở đó,
Maxwell đã tiên đoán bằng lý thuyết sự tồn tại của sóng điện từ, tức là từ trường biến
thiên, truyền trong không gian với vận tốc xác định.
1.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên
Giữa bề mặt vỏ Trái đất và vật mang bao giờ cũng có một khoảng khí quyển
ảnh hưởng trực tiếp tới quá trình truyền dẫn thông tin. Những vật thể gây nên sự tương
tác năng lượng sóng điện từ trong khí quyển bao gồm các phân tử khí và các hạt dạng
lỏng hay rắn (aerosol, bụi, giọt nước). Các hạt này gây ra những biến đổi như hấp thụ,
tán xạ và phản xạ năng lượng sóng điện từ. Trong thực tế, các phần tử trong khí quyển
hấp thụ năng lượng trong một số khoảng bước sóng nhất định gọi là các kênh hấp thụ.
Chỉ có bức xạ của sóng siêu cao tần và bước sóng dài hơn là có khả năng xuyên qua

mây, mà không bị tán xạ, phản xạ hay hấp thụ.
Khí quyển cũng là một nguồn bức xạ điện từ tự nhiên quan trọng. Tương tác
năng lượng sóng điện từ trong khí quyển diễn ra ở hai dạng: tỏa nhiệt của chính khí
quyển và tỏa nhiệt do tái phân tán. Khí quyển có đặc tính giống vật đen, sự tỏa nhiệt ở
khí quyển có giá trị giống tỏa nhiệt của vật đen ở nhiệt độ 200 – 300 K. Tính chất tỏa
24


nhiệt của khí quyển phụ thuộc vào mặt cắt nhiệt của nó và có giá trị cao tại các kênh
phổ mà nó hấp thụ nhiệt. Sự tỏa nhiệt của khí quyển tuân thủ theo nguyên lý cân bằng
nhiệt (định luật Kirchoff).
Đối với vật đen tuyệt đối, ở mọi giá trị nhiệt độ, giá trị hàm phổ biến là không
đổi và bằng 1. Nếu giá trị hàm phổ biến không đổi và nhỏ hơn 1, vật được gọi là vật
xám. Đồ thị thể hiện khả năng hấp thụ bức xạ điện từ của vật đen, vật xám và các vật
khác được thể hiện trên hình 1.7

Hình 1.15 Hàm phổ biến cho vật đen và các vật khác
Các đối tượng tự nhiên khác nhau có đặc trưng phản xạ phổ khác nhau. Tuy
nhiên, khả năng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên cũng chịu ảnh hưởng bởi một
số yếu tố chung như yếu tố thời gian, không gian, khí quyển.
Yếu tố thời gian.Yếu tố thời gian là một trong những yếu tố quan trọng nhất
ảnh hưởng đến khả năng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên, đặc biệt là các đối
tượng có sự thay đối theo thời gian như lớp phủ thực vật. Sự thay đổi theo thời gian
của các đối tượng tự nhiên dẫn đến khả năng phản xạ phổ cũng thay đổi theo, ví dụ lúa
có màu khác nhau theo thời vụ, cây rụng lá vào mùa đông nên khả năng phản xạ phổ
cũng khác mùa hè,...Do vậy, khi phân tích ảnh cần biết rõ thời vụ, thời điểm thu nhận
ảnh và đặc điểm của đối tượng cần phân loại.
Yếu tố không gian. Yếu tố không gian bao gồm yếu tố không gian cục bộ và
yếu tố không gian địa lý. Yếu tố không gian cục bộ thể hiện khi chụp ảnh cùng một
loại đối tượng (cây trồng theo hàng và cây trồng theo mảng lớn có độ phản xạ phổ

khác nhau). Yếu tố không gian địa lý thể hiện ở chỗ, cùng một loại đối tượng nhưng
sinh trưởng ở các vùng khác nhau thì khả năng phản xạ phổ khác nhau. Với các góc
chụp khác nhau, cùng một loại đối tượng 2 bên sườn núi sẽ có khả năng phản xạ phổ
khác nhau,...
Yếu tố khí quyển. Khí quyển ảnh hưởng rất lớn đến khả năng phản xạ phổ của
đối tượng tự nhiên. Khí quyển có thể ảnh hưởng đến số liệu viễn thám bằng hai cách:
tán xạ (làm đổi hướng tia chiếu) và hấp thụ năng lượng. Do vậy, trước khi phân loại
các đối tượng trên ảnh, thông thường một bước bắt buộc là phải hiệu chỉnh khí quyển
(atmospheric correction) nhằm giảm thiểu sự ảnh hưởng của các yếu tố khí quyển đến
chất lượng ảnh.
Sự tán xạ (scattering)
Sự tán xạ của khí quyển là sự lan truyền ánh sáng một cách không định hướng
gây ra bởi các phần tử nhỏ bé trong khí quyển.
Sự tán xạ Rayleigh là sự tương tác các bức xạ bởi các phần tử hoặc các hạt nhỏ
bé khác trong khí quyển, khi đường kính của chúng nhỏ hơn bước sóng của tia bức xạ.
ảnh hưởng của tán xạ Rayleigh lỡ tỉ lệ nghịch với mũ bậc 4 của bước sóng. Do đó khi
bước sóng ngắn thì sự tán xạ mạnh hơn so với tán xạ của tia sáng có bước sóng dỡi.
25