cơ sở viễn thám - đại học sư phạm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
KHOA ĐỊA LÝ

GIÁO TRÌNH

CƠ SỞ VIỄN THÁM
PRINCIPLES OF REMOTE SENSING
GIẢNG VIÊN: TS. TRẦN THỊ ÂN
KHOA: ĐỊA LÝ


Chơng 1
Khái niệm chung về viễn thám

1.1. Định nghĩa
Viễn thám (Remote sensing - tiếng Anh) đợc hiểu là một
khoa học và nghệ thuật để thu nhận thông tin về một đối tợng, một khu vực hoặc một hiện tợng thông qua việc phân
tích t liệu thu nhận đợc bằng các phơng tiện. Những phơng
tiện này không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tợng, khu vực
hoặc với hiện tợng đợc nghiên cứu.
Thực hiện đợc những công việc đó chính là thực hiện viễn
thám - hay hiểu đơn giản: Viễn thám là thăm dò từ xa về
một đối tợng mà không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tợng đó.
Mặc dù có rất nhiều định nghĩa khác nhau về viễn thám,
nhng mọi định nghĩa đều có nét chung, nhấn mạnh " viễn
thám là khoa học thu nhận từ xa các thông tin về các đối
tợng, hiện tợng trên trái đất ".
1.2. Lịch sử phát triển của viễn thám
Sự phát triển của ngành viễn thám qua các thời gian đợc
tóm tắt trong bảng 1.1. Viễn thám là một khoa học, thực sự
phát triển mạnh mẽ qua hơn ba thập kỷ gần đây, khi mà công

nghệ vũ trụ đã cho ra các ảnh số, bắt đầu đợc thu nhận từ các
vệ tinh trên quĩ đạo của trái đất vào năm 1960. Tuy nhiên,
viễn thám có lịch sử phát triển lâu đời, bắt đầu bằng việc
chụp ảnh sử dụng phim và giấy ảnh. Từ thể kỷ XIX, vào năm
1839, Louis Daguerre (1789 - 1881) đã đa ra báo cáo công
2

2


trình nghiên cứu về hóa ảnh, khởi đầu cho ngành chụp ảnh.
Bức ảnh đầu tiên, chụp bề mặt trái đất từ khinh khí cầu, đợc
thực hiện vào năm 1858 do Gaspard Felix Tournachon - nhà
nhiếp ảnh ngời Pháp. Tác giả đã sử dụng khinh khí cầu để đạt
tới độ cao 80m, chụp ảnh vùng Bievre, Pháp. Một trong những
bức ảnh tiếp theo chụp bề mặt trái đất từ khinh khí cầu là
ảnh vùng Boston của tác giả James Wallace Black, 1860.
Việc ra đời của ngành hàng không đã thúc đẩy nhanh sự
phát triển mạnh mẽ ngành chụp ảnh sử dụng máy ảnh quang
học với phim và giấy ảnh, là các nguyên liệu nhạy cảm với ánh
sáng (photo). Công nghệ chụp ảnh từ máy bay tạo điều kiện
cho nghiên cứu mặt đất bằng các ảnh chụp chồng phủ kế tiếp
nhau và cho khả năng nhìn ảnh nổi (stereo). Khả năng đó
giúp cho việc chỉnh lý, đo đạc ảnh, tách lọc thông tin từ ảnh
có hiệu quả cao. Một ngành chụp ảnh, đợc thực hiện trên các
phơng tiện hàng không nh máy bay, khinh khí cầu và tàu lợn
hoặc một phơng tiện trên không khác, gọi là ngành chụp ảnh
hàng không. Các ảnh thu đợc từ ngành chụp ảnh hàng không
gọi là không ảnh. Bức ảnh đầu tiên chụp từ máy bay, đợc thực
hiện vào năm 1910, do Wilbur Wright, một nhà nhiếp ảnh ngời,

bằng việc thu nhận ảnh di động trên vùng gần Centoceli thuộc
nớc ý.
Chiến tranh thế giới thứ nhất (1914 - 1918) đánh dấu giai
đoạn khởi đầu của công nghệ chụp ảnh từ máy bay cho mục
đích quân sự. Công nghệ chụp ảnh từ máy bay đã kéo theo
nhiều ngời hoạt động trong lĩnh vực này, đặc biệt trong việc
làm ảnh và đo đạc ảnh. Những năm sau đó, các thiết kế khác
nhau về các loại máy chụp ảnh đợc phát triển mạnh mẽ. Đồng

3

3


thời, nghệ thuật giải đoán không ảnh và đo đạc từ ảnh đã
phát triển mạnh, là cơ sở hình thành một ngành khoa học mới
là đo đạc ảnh (photogrametry). Đây là ngành ứng dụng thực
tế trong việc đo đạc chính xác các đối tợng từ dữ liệu ảnh
chụp. Yêu cầu trên đòi hỏi việc phát triển các thiết bị chính
xác cao, đáp ứng cho việc phân tích không ảnh. Trong chiến
tranh thế giới thứ hai (1939 - 1945) không ảnh đã dùng chủ yếu
cho mục đích quân sự. Trong thời kỳ này, ngoài việc phát
triển công nghệ radar, còn đánh dấu bởi sự phát triển ảnh
chụp sử dụng phổ hồng ngoại. Các bức ảnh thu đợc từ nguồn
năng lợng nhân tạo là radar, đã đợc sử dụng rộng rãi trong quân
sự. Các ảnh chụp với kênh phổ hồng ngoại cho ra khả năng triết
lọc thông tin nhiều hơn. ảnh mầu, chụp bằng máy ảnh, đã đợc
dùng trong chiến tranh thế giới thứ hai. Việc chạy đua vào vũ
trụ giữa Liên Xô cũ và Hoa Kỳ đã thúc đẩy việc nghiên cứu trái
đất bằng viễn thám với các phơng tiện kỹ thuật hiện đại. Các

trung tâm nghiên cứu mặt đất đợc ra đời, nh cơ quan vũ trụ
châu Âu ESA (Europian Space Agency), Chơng trình Vũ trụ
NASA (Nationmal Aeromautics and Space Administration) Mỹ.
Ngoài các thống kê ở bng 1.1, có thể kể đến các chơng
trình nghiên cứu trái đất bằng viễn thám tại các nớc nh Canada,
Nhật, Pháp, ấn Độ và Trung Quốc.
Bức ảnh đầu tiên, chụp về trái đất từ vũ trụ, đợc cung cấp
từ tàu Explorer-6 vào năm 1959. Tiếp theo là chơng trình vũ
trụ Mercury (1960), cho ra các sản phẩm ảnh chụp từ quỹ đạo
trái đất có chất lợng cao, ảnh màu có kích thớc 70mm, đợc chụp
từ một máy tự động. Vệ tinh khí tợng đầu tiên (TIR0S-1), đợc

4

4


Bảng 1.1. Tóm tắt sự phát triển của viễn thám qua các
sự kiện
Thời

gian Sự kiện

(Năm)
1800

Phát hiện ra tia hồng ngoại

1839

Bắt đầu chụp ảnh

1847

Phát hiện cả dải phổ hồng ngoại và phổ

1850-1860

nhìn thấy

1909

Chụp ảnh từ kinh khí cầu

1910-1920

Chụp ảnh từ máy bay

1920-1930

Giải đoán từ không trung

1930-1940

Phát triển ngành chụp và đo ảnh hàng

1940

không

1950

Phát triển radar ( Đức, Mỹ, Anh)

1950-1960

Phân tích và ứng dụng ảnh chụp từ máy bay

12-4-1961

Xác định dải phổ từ vùng nhìn thấy đến
không nhìn thấy

1873

Nghiên cứu sâu về ảnh cho mục đích quân

1960-1970

sự

1972

Liên xô phóng thành công tàu vũ trụ có ngời

1970-1980

lái và chụp ảnh trái đất từ ngoài vũ trụ.

1980-1990

Xây dựng học thuyết về phổ điện từ

1986

Lần đầu tiên sử dụng thuật ngữ viễn thám

1990
nay

đến Mỹ phóng vệ tinh Landsat-1
Phát triển mạnh mẽ phơng pháp xử lý ảnh số
Mỹ phát triển thế hệ mới của Landsat
Pháp phóng vệ tinh SPOT vào quĩ đạo
Phát triển bộ cảm thu phổ đo tăng dải phổ
và số lợng kênh phổ, tăng độ phân giải của

5

5


bộ cảm.
(Nguồn: Nguyễn Ngọc Thạch, 2005).
phóng lên quĩ đạo trái đất vào tháng 4 năm 1960, mở đầu
cho việc quan sát và dự báo khí tợng. Vệ tinh khí tợng NOAA,
đã hoạt động từ sau năm 1972, cho ra dữ liệu ảnh có độ phân
giải thời gian cao nhất, đánh dấu cho việc nghiên cứu khí tợng
trái đất từ vũ trụ một cách tổng thể và cập nhật từng ngày.
Sự phát triển của viễn thám, đi liền với sự phát triển của

công nghệ nghiên cứu vũ trụ, phục vụ cho nghiên cứu trái đất
và các hành tinh và quyển khí. Các ảnh chụp nổi (stereo), thực
hiện theo phơng đứng và xiên, cung cấp từ vệ tinh Gemini
(1965), đã thể hiện u thế của công việc nghiên cứu trái đất.
Tiếp theo, tàu Apolo cho ra sản phẩm ảnh chụp nổi và đa
phổ, có kích thớc ảnh 70mm, chụp về trái đất, đã cho ra các
thông tin vô cùng hữu ích trong nghiên cứu mặt đất. Ngành
hàng không vũ trụ Nga đã đóng vai trò tiên phong trong nghiên
cứu Trái Đất từ vũ trụ. Việc nghiên cứu trái đất đã đợc thực hiện
trên các con tàu vũ trụ có ngời nh Soyuz, các tàu Meteor và
Cosmos (từ năm 1961), hoặc trên các trạm chào mừng Salyut.
Sản phẩm thu đợc là các ảnh chụp trên các thiết bị quét đa
phổ phân giải cao, nh MSU-E (trên Meteor - priroda). Các bức
ảnh chụp từ vệ tinh Cosmos có dải phổ nằm trên 5 kênh khác
nhau, với kích thớc ảnh 18 x 18cm. Ngoài ra, các ảnh chụp từ
thiết bị chụp KATE-140, MKF-6M trên trạm quỹ đạo Salyut, cho
ra 6 kênh ảnh thuộc dải phổ 0.40 đến 0.89àm. Độ phân giải
mặt đất tại tâm ảnh đạt 20 x 20m.
Tiếp theo vệ tinh nghiên cứu trái đất ERTS (sau đổi tên là
Landsat-1),

là các vệ tinh thế hệ mới hơn nh Landsat-2,

Landsat-3, Landsat-4 và Landsat-5. Ngay từ đầu, ERTS-1 mang
6

6


theo bộ cảm quét đa phổ MSS với bốn kênh phổ khác nhau,

và bộ cảm RBV (Return Beam Vidicon) với ba kênh phổ khác
nhau. Ngoài các vệ tinh Landsat-2, Landsat-3, còn có các vệ
tinh khác là SKYLAB (1973) và HCMM (1978). Từ 1982, các ảnh
chuyên đề đợc thực hiện trên các vệ tinh Landsat TM-4 và
Landsat TM-5 với 7 kênh phổ từ dải sóng nhìn thấy đến hồng
ngoại nhiệt. Điều này tạo nên một u thế mới trong nghiên cứu trái
đất từ nhiều dải phổ khác nhau. Ngày nay, ảnh vệ tinh chuyên
đề từ Landsat-7 đã đợc phổ biến với giá rẻ hơn các ảnh vệ tinh
Landsat TM-5, cho phép ngời sử dụng ngày càng có điều kiện
để tiếp cận với phơng pháp nghiên cứu môi trờng qua các dữ
liệu vệ tinh.
Dữ liệu ảnh vệ tinh SPOT của Pháp khởi đầu từ năm
1986, trải qua các thế hệ SPOT-1, SPOT-2, SPOT-3, SPOT-4 và
SPOT-5, đã đa ra sản phẩm ảnh số thuộc hai kiểu phổ, đơn
kênh (panchoromatic) với độ phân dải không gian từ 10 x 10m
đến 2,5 x 2,5m, và đa kênh SPOT- XS (hai kênh thuộc dải phổ
nhìn thấy, một kênh thuộc dải phổ hồng ngoại) với độ phân
giải không gian 20 x 20m. Đặc tính của ảnh vệ tinh SPOT là
cho ra các cặp ảnh phủ chồng cho phép nhìn đối tợng nổi
(stereo) trong không gian ba chiều. Điều này giúp cho việc
nghiên cứu bề mặt trái đất đạt kết quả cao, nhất là trong việc
phân tích các yếu tố địa hình. Các ảnh vệ tinh của Nhật, nh
MOS-1, phục vụ cho quan sát biển (Marine Observation
Satellite). Công nghệ thu ảnh vệ tinh cũng đợc thực hiện trên
các vệ tinh của ấn độ IRS-1A, tạo ra các ảnh vệ tinh nh LISS
thuộc nhiều hệ khác nhau.

7

7

Trong nghiên cứu môi trờng và khí hậu trái đất, các ảnh
vệ tinh NOAA có độ phủ lớn và có sự lặp lại hàng ngày, đã cho
phép nghiên cứu các hiện tợng khí hậu xảy ra trong quyển khí
nh nhiệt độ, áp suất nhiệt đới hoặc dự báo bão.

T liệu số

Hình 1.1. Viễn thám từ việc thu nhận thông tin
đến ngời sử dụng (Theo Ravi Gupta, 1991).

Sự phát triển trong lĩnh vực nghiên cứu trái đất bằng viễn
thám đợc đẩy mạnh do áp dụng tiến bộ khoa học kỹ thuật mới
với việc sử dụng các ảnh radar. Viễn thám radar tích cực, thu
nhận ảnh bằng việc phát sóng dài siêu tần và thu tia phản hồi,
cho phép thực hiện các nghiên cứu độc lập, không phụ thuộc
vào mây. Sóng radar có đặc tính xuyên qua mây, lớp đất
mỏng và thực vật và là nguồn sóng nhân tạo, nên nó có khả
năng hoạt động cả ngày và đêm, không phụ thuộc vào nguồn
năng lợng mặt trời. Các bức ảnh tạo nên bởi hệ radar kiểu SLAR
đợc ghi nhận đầu tiên trên bộ cảm Seasat. Đặc tính của sóng
radar là thu tia phản hồi từ nguồn phát với góc xiên rất đa dạng.
Sóng này hết sức nhạy cảm với độ ghồ ghề của bề mặt vật, đợc chùm tia radar phát tới, vì vậy nó đợc ứng dụng cho nghiên
cứu cấu trúc một khu vực nào đó.
8

8

Công nghệ máy tính ngày nay đã phát triển mạnh mẽ cùng
với các sản phẩm phần mềm chuyên dụng, tạo điều kiện cho
phân tích ảnh vệ tinh dạng số hoặc ảnh radar. Thời đại bùng
nổ của Internet, công nghệ tin học với kỹ thuật xử lý ảnh số,
kết hợp với Hệ thông tin Địa lý ( GIS ), cho khả năng nghiên cứu
trái đất bằng viễn thám ngày càng thuận lợi và đạt hiệu quả
cao hơn.
1.3. Nguyên lý cơ bản của viễn thám
Viễn thám nghiên cứu đối tợng bằng giải đoán và tách lọc
thông tin từ dữ
liệu ảnh chụp hàng không, hoặc bằng việc giải đoán ảnh vệ
tinh dạng số.
Các dữ liệu dới dạng ảnh chụp và ảnh số đợc thu nhận dựa
trên việc ghi nhận năng lợng bức xạ (không ảnh và ảnh vệ tinh)
và sóng phản hồi (ảnh radar) phát ra từ vật thể khi khảo sát.
Năng lợng phổ dới dạng sóng điện từ, nằm trên các dải phổ
khác nhau, cùng cho thông tin về một vật thể từ nhiều góc độ
sẽ góp phần giải đoán đối tợng một cách chính xác hơn.
Nếu biết trớc phổ phát xạ, phản xạ (emited/reflected) chuẩn
của vật thể trong phòng thí nghiệm, xác định bằng các máy
đo phổ, ta có thể giải đoán vật thể bằng cách phân tích đờng cong phổ thu đợc từ ảnh vệ tinh.Dữliệu vệtinh

Dữliệu máy bay
tầng cao

Dữliệu tầng thấp

9

9

Mặ
tđ
ất


Hình 1.2. Nghiên cứu viễn thám theo đa quan niệm
(Theo Lillesand và Kiefer, 1986).
Các phần mềm xử lý ảnh số đợc phát triển, nhằm cho ra
thông tin về phổ bức xạ của các vật thể hoặc các hiện tợng xảy
ra trong giới hạn diện phủ của ảnh. Xử lý ảnh số là kỹ nghệ làm
hiển thị rõ ảnh và tách lọc thông tin từ các dữ liệu ảnh số, dựa
vào các thông tin chìa khóa về phổ bức xạ phát ra.
Hiện nay, có rất nhiều phơng pháp xử lý ảnh số đợc thực
hiện trên các phần mềm xử lý ảnh nh IDRISI, ERDAS (PC),
ERDAS Imagine (UNIX), PCI, ERMAPER, DRAGON, ENVI,ILWIS....
Giải đoán, tách lọc thông tin từ dữ liệu ảnh viễn thám đợc
thực hiện dựa trên các cách tiếp cận khác nhau, có thể kể đến
là:
Đa phổ: Sử dụng nghiên cứu vật từ nhiều kênh phổ trong dải
phổ từ nhìn thấy đến sóng radar.
Đa nguồn dữ liệu: Dữ liệu ảnh thu nhận từ các nguồn khác
nhau ở các độ cao khác nhau, nh ảnh chụp trên mặt đất, chụp
trên khinh khí cầu, chụp từ máy bay trực thăng và phản lực
đến các ảnh vệ tinh có ngời điều khiển hoặc tự động.

10

10

Đa thời gian: Dữ liệu ảnh thu nhận vào các thời gian khác
nhau.
Đa độ phân giải: Dữ liệu ảnh có độ phân giải khác nhau
về không gian, phổ và thời gian.
Đa phơng pháp: Xử lý ảnh bằng mắt và bằng số.
1.4. Giới thiệu về những ứng dụng của viễn thám
Hiện nay, viễn thám đợc ứng dụng rộng rãi trong nhiều
ngành, nhiều lĩnh vực khác nhau và dới đây là giới thiệu
những ứng dụng chính.
Nghiên cú địa chất: Viễn thám từ lâu đã đợc ứng dụng
để giải đoán các thông tin địa chất. Dữ liệu viễn thám đợc
dùng cho giải đoán là các ảnh máy bay, ảnh vệ tinh và ảnh
radar. Lĩnh vực dùng dữ liệu này có thể kể đến là địa mạo,
cấu trúc địa chất, trầm tích, khai khoáng, dầu mỏ, địa tầng,
địa chất công trình, nớc ngầm và các nghiên cứu về địa chất
môi trờng. Dữ liệu ảnh radar cho phép nghiên cứu cấu trúc
địa chất một cách hữu hiệu vì ảnh radar rất nhạy cảm với
địa hình. Tổ hợp dữ liệu viễn thám với dữ liệu địa lý sẽ làm
giàu thêm khả năng nghiên cứu các thông tin địa chất cần
quan tâm. Một số ứng dụng của viễn thám trong địa chất có
thể kể ra nh sau:
* ứng dụng trong nghiên cứu địa mạo: các dạng địa hình
đợc thể hiện rất rõ

trên ảnh viễn thám (địa hình kiến tạo,

núi lửa, địa hình sông suối, địa hình tam giác châu, địa
hình thành tạo do cát, thành tạo do băng) và đợc giải đoán một
cách chính xác.
* Cấu trúc địa chất: giải đoán các bề mặt và độ dốc của

tầng trầm tích, các yếu tố uốn nếp, đứt gãy, linearment và
11

11


chuyển động nâng hạ (dùng ảnh giao thoa radar), các rift núi
lửa hiện đại, các cấu trúc vòng, tiêm nhập, bất chỉnh hợp địa
tầng, các ứng dụng trong nghiên cứu địa động lực.
* Nghiên cứu thạch học: định các đá trầm tích, macma,
biến chất và thành tạo xen kẽ khác.

Nghiên cứu trật tự địa

tầng và tơng quan tuổi.
* ng dụng trong khai khoáng và khai thác dầu.
* Điều tra khảo sát nớc ngầm, điều tra địa chất công
trình...
Nghiên cú môi trờng: Viễn thám là phơng tiện hữu hiệu
để nghiên cứu môi trờng đất liền ( xói mòn, ô nhiễm), môi trờng biển (đo nhiệt độ, màu nớc biển, gió sóng),
Nghiên cú khí hậu và quyển khí (đặc điểm tầng ozon,
mây, ma, nhiệt độ quyển khí), dự báo bão và nghiên cứu khí
hậu qua dữ liệu thu từ vệ tinh khí tợng.
Nghiên cú

thực vật, rừng: Viễn thám cung cấp ảnh có

diện phủ toàn cầu nghiên cứu thực vật theo ngày, mùa vụ, năm,
tháng và theo giai đoạn. Thực vật là đối tợng đầu tiên mà ảnh
viễn thám vệ tinh thu nhận đợc thông tin. Trên ảnh viễn thám

chúng ta có thể tính toán sinh khối, độ trởng thành và sâu
bệnh dựa trên chỉ số thực vật, có thể nghiên cứu cháy rừng qua
các ảnh vệ tinh.
Nghiên cứu thủy văn: Mặt nớc và các hệ thống dòng chảy
đợc hiển thị rất rõ trên ảnh vệ tinh và có thể khoanh vi đợc
chúng. Dữ liệu ảnh vệ tinh, đợc ghi nhận trong mùa lũ, là dữ
liệu đợc sử dụng để tính toán diện tích thiên tai và cho khả
năng dự báo lũ lụt.

12

12


Nghiên cú các hành tinh khác: Các dữ liệu viễn thám thu
từ vệ tinh cho phép nghiên cứu các vì sao và mặt trăng. Điều
này khẳng định rằng viễn thám là một công nghệ và có ứng
dụng hết sức rộng lớn vợt ra khỏi tầm trái đất.
1.5. 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, thời gian còn lại của một quỹ

đạo.
-

Dải phổ của các thiết bị thu.

-

Loại nguồn phát và tín hiệu thu nhận.
Có hai phơng thức phân loại viễn thám chính là



Phân loại theo nguồn tín hiệu
Căn cứ vào nguồn của tia tới mà viễn thám đợc chia làm hai
loại (Hình 1.3):
- Chủ động (active) : nguồn tia tới là tia sáng phát ra từ các
thiết bị nhân
tạo, thờng là các máy phát đặt trên các thiết bị bay.
- Thụ động (hay bị động - passive): nguồn phát bức xạ là
mặt trời hoặc từ các vật chất tự nhiên.
Chủ
Bị

13

13


Hình 1.3 Sơ đồ mô tả hai hệ thống viễn thám chủ
động và bị động
Hiện nay, việc ứng dụng phối hợp giữa viễn thám và các
công nghệ vũ trụ đã trở nên phổ biễn trên phạm vi toàn cầu.

Các nớc có nền công nghệ vũ trụ phát triển đã phóng nhiều vệ
tinh lên quỹ đạo, trên đó có mang nhiều thiết bị viễn thám
khác nhau. Các trạm thu mặt đất phân bố đều trên toàn cầu
có khả năng thu nhận nhiều loại t liệu viễn thám do vệ tinh
truyền xuống


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 ) (hình1.4).
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 tơng 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 đợc thiết kế riêng sao cho thời
gian thu ảnh trên mỗi vùng lãnh thổ trên mặt đất là cùng giờ
địa phơng và thời gian thu lặp lại là cố định đối với 1 vệ tinh
(ví dụ LANDSAT là 18 ngày, SPOT là 26 ngày..).
Trên hai nhóm vệ tinh nói trên đều có thể áp dụng nhiều phơng pháp thu nhận thông tin khác nhau tùy theo sự thiết kế của
nơi chế tạo. Có các nguyên tắc thu nhận hình ảnh nh sau (chủ

14

14

động, bị động, chụp khung, quét dọc, quét ngang, quét bên
sờn,...).

Hình 1.4 .Vệ tinh địa tĩnh (trái) và Vệ tinh quỹ đạo
gần cực (phải )
1.6. Vấn đề thu nhận và phân tích t liệu viễn thám
Năng lợng điện từ của ánh sáng sau khi truyền qua các cửa
sổ khí quyển tơng tác với các đối tợng trên bề mặt Trái Đất và
phản xạ lại để các thiết bị thu của viễn thám có thể ghi nhận
các tín hiệu đó. Trên cơ sở các tín hiệu đó có thể tách chiết
các thông tin về đối tợng. Quá trình đó đợc thể hiện bằng các
công đoạn chính: phát hiện (detect), ghi (record) và phân tích
(interprete) các tín hiệu.


Phát hiện: việc phát hiện các thông tin là bớc rất quan

trọng. Phát hiện về dải sóng, về cờng độ và tính chất khác
của nguồn năng lợng điện từ.
Ghi tín hiệu: các tín hiệu phát hiện đợc có thể ghi dới

dạng hình ảnh hoặc các tín hiệu điện từ. Khi xử lý các tín
hiệu dạng hình ảnh, một số kiểu phim ảnh có phủ các lớp nhạy
cảm ánh sáng để phát hiện sự khác nhau của nguồn năng lợng
15

15


điện từ tạo nên hình ảnh (photograph) không gian, không đắt

và cung cấp nhiều chi tiết trong không gian và có thể hiệu
chỉnh hình học dễ dàng. Năng lợng điện từ có thể đợc ghi dới
dạng các tín hiệu, biểu đồ phổ hoặc dới dạng hình ảnh số
(image) giống nh hình ảnh nền của màn hình của tivi, tài liệu
số thờng có giá đắt hơn t liệu ảnh, song lại có nhiều u điểm
về độ phân giải phổ, khả năng hiệu chỉnh và khả năng
truyền thông tin. Các tín hiệu điện từ có thể ghi nhận ở dạng
phim, băng từ hoặc đĩa từ và có thể hiển thị dễ dàng.


Phân tích các tín hiệu phổ: có thể thực hiện đợc bằng

hai phơng thức: phân tích bằng mắt và xử lý số bằng máy
tính.
-

Phân tích bằng mắt đợc thực hiện với các t liệu dạng

hình ảnh. Đây là công việc đã rất phổ biến trong viễn thám,
phân tích ảnh bằng mắt có sự kết hợp rất nhuần nhuyễn các
kiến thức chuyên môn của ngời phân tích để từ đó khai thác
đợc các thôngt in tồn tại trong t liệu ảnh. Kết quả giải đoán phụ
thuộc rất nhiều vào khả năng của ngời phân tích. Tất nhiên,
hạn chế của giải đoán bằng mắt là không nhận biết đợc hết
các đặc tính phổ của đối tợng, nguyên nhân là do khả năng
phân biệt sự khác biệt về phổ của mắt ngời hạn chế (tối đa
là 12 - 14 mức).
-

Xử lý số là phơng pháp xử lý phân tích t liệu phổ dới

dạng hình ảnh số (image) chứ không phải dạng ảnh tơng tự
(analoge hay pictorial). Ưu thế của phơng pháp xử lý số là có
thể phân tích các tín hiệu phổ một cách rất chi tiết (256 mức
hoặc hơn). Với sự trợ giúp của máy tính và các phần mềm
chuyên dụng, có thể tách chiết rất nhiều thông tin phổ của
16

16


đối tợng, từ đó có thể nhận biết các đối tợng một cách tự
động. Tất nhiên quá trình xử lý số cần có sự kết hợp nhuần
nhuyễn với kiến thức chuyên môn của ngời phân tích, hoặc
ngời lập các chơng trình tính toán.
1.7. Các tài liệu tham khảo cho việc xử lý t liệu viễn
thám
Viễn thám đợc tiến hành đồng thời với việc sử dụng các tài
liệu tham khảo. Thu thập các tài liệu tham khảo bao gồm các
công việc nh tập hợp các số liệu đo đạc, quan trắc về đối tợng, về các hiện tợng mà viễn thám nghiên cứu. Các tài liệu đó
có thể là bất kỳ một dạng nào và có thể đợc thu thập từ nhiều
nguồn (ví dụ: nguồn nghiên cứu về đất, nguồn nghiên cứu về
nớc, nguồn nghiên cứu về thực vật hoặc từ nguồn t liệu ảnh
khác). Các tài liệu kiểm tra ngoài thực địa cũng đợc sử dụng
nh: tình trạng đất, mùa màng, tình trạng rừng, các loại cây,
vấn đề ô nhiễm nguồn nớc. T liệu kiểm tra thực địa bao gồm
các số liệu đo đạc về tính chất cơ học hoặc tính chất hóa
học của đối tợng. Các số liệu xác định về vị trí đối tợng trên
bản đồ, vị trí của đối tợng trên hệ thống đo đạc toàn cầu
(GPS) cũng đợc xác định hoặc đo đạc tự động ngoài thực

địa.
Tất cả các dạng t liệu, số liệu tham khảo nói trên đợc xếp
vào khái niệm thực tế mặt đất (Ground Truth). Khái niệm này
đợc sử dụng phổ biến trong viễn thám, song thực ra nó không
thật đúng về nguyên tắc từ ngữ, vì rằng các tài liệu đó
không đợc thu thập đồng thời với thời điểm thu nhận tín hiệu
viễn thám (thời gian chụp ảnh). Do đó, tài liệu thực tế bề mặt
đất chỉ có thể nói lên một cách tơng đối về đặc điểm của
17

17


đối tợng trên t liệu viễn thám. Nh vậy, tài liệu thực tế mặt đất
đợc sử dụng rộng rãi theo khái niệm là tài liệu tham khảo, với
các mục đích sau:
-

Định hớng cho việc phân tích xử lý t liệu viễn thám.

-

Hiệu chỉnh thiết bị thu nhận.

-

Kiểm chứng các thông tin tách chiết đợc từ t liệu viễn

thám. Cũng vì các mục đích trên đó mà tài liệu tham khảo thờng đợc thu thập theo nguyên tắc của sự thiết kế chọn mẫu
thống kê.

Việc lựa chọn các tài liệu thực tế để thu thập tùy thuộc vào
mục tiêu và tính chất của đối tợng cần nghiên cứu. Thời điểm
thu thập t liệu là rất quan trọng trong trờng hợp nghiên cứu các
đối tợng hoặc hiện tợng tự nhiên có nhiều biến động. Ví dụ
nghiên cứu thực vật, nghiên cứu nớc. Tuy nhiên với những đối tợng ít có sự biến động thì có thể thu thập tài liệu ở bất cứ
thời gian nào (ví dụ các đối tợng địa chất).
Các tài liệu phổ về bề mặt đối tợng cũng cần đợc thu
thập bằng cách đo đạc ngoài thực địa với các máy đo phổ.
Tất nhiên việc lựa chọn điều kiện và vị trí đo là hết sức quan
trọng. Các giá trị phổ đo đợc ngoài thực địa hoặc trong
phòng thí nghiệm là tiền đề cần thiết cho việc nghiên cứu về
các đối tợng hoặc hiện tợng tự nhiên. Đo đạc phổ có thể thực
hiện ở nhiều phơng thức: đo bằng tay xách, cần cẩu, máy bay
trực thăng hoặc máy bay tầm cao hơn. Các giá trị phổ thờng
đợc thực hiện ở nhiều dải phổ hẹp liên tục trong khoảng phổ
cần nghiên cứu, ví dụ từ 0,35 - 1,05àm với nhiều band. Các giá
trị phổ đợc hiện lên màn hình và đợc ghi lại trên băng giấy

18

18


hoặc bằng đĩa từ. Thông thờng các phép đo phổ đều đợc
gắn với việc định vị toàn cầu - GPS.
1.8. Yêu cầu về nguồn t liệu viễn thám
Muốn cho việc sử dụng viễn thám đáp ứng đợc các nhiệm
vụ đặt ra nguồn t liệu viễn thám phải đảm bảo đầy đủ các
yêu cầu sau:
- T liệu đa phổ (Multispectial data): các tín hiệu phổ về

đối tợng phải đợc ghi nhận dới dạng đa phổ, nhiều band phổ sẽ
có đợc nhiều thông tin về đối tợng.
- T liệu đa thời gian (Multiemporal data ): t liệu thu đợc ở
nhiều thời gian khác nhau trong một năm hoặc nhiều năm.
- T liệu nhiều tầng (Multistage data): có nhiều t liệu khác
nhau đợc ghi từ các độ cao khác nhau (vệ tinh máy bay tầm cao,
máy bay tầm thấp, đo phổ mặt đất).
Tính chất đa của t liệu cho khả năng cung cấp nhiều
thông tin về đối tợng đặc biệt là về tính chất biến động. Có
đợc những điều kiện đó thì t liệu có thể phục vụ cho nhiều
mục tiêu nghiên cứu khác nhau (Multipurpose).
Tất nhiên cũng phải lu ý rằng viễn thám sẽ là một phơng
pháp nghiên cứu có hiệu quả nhất một khi nó đợc kết hợp chặt
chẽ với các t liệu của các bộ môn khoa học khác, đặc biệt là khi
nó đợc vận dụng và kết hợp nhuần nhuyễn với kỹ thuật máy
tính và hệ thông tin địa lý (Geographical Information System
- GIS).

19

19


CHƯƠNG 2
CƠ SỞ VẬT LÍ CỦA VIỄN THÁM
2.1. Bức xạ điện từ
Bức xạ điện từ là quá trình truyền năng lượng điện từ trên cơ sở các dao
động của điện trường và từ trường trong không gian.

Hình 2.1: Các thành phần của bức xạ điện từ

Bức xạ điện từ vừa có cả tính chất sóng và tính chất hạt. Tính chất sóng
được xác định bởi bước sóng λ, tần số v và tốc độ lan truyền C, mối liên quan
giữa chúng thể hiện bởi:
λ = C/v (với C là hằng số ánh sáng = 299,793 km/s)
Tính chất hạt được mô tả theo tính chất của photon hay quang lượng tử và
năng lượng E được thể hiện như sau:
E = h.v (với h là hằng số Plank)
Quá trình lan truyền của sóng điện từ qua môi trường vật chất sẽ tạo ra
phản xạ, hấp thụ, tán xạ và bức xạ sóng điện từ dưới các hình thức khác nhau
tùy thuộc vào bước sóng.
20

20


Từ 2 công thức trên ta có: E = h.c/ λ
Như vậy, năng lượng của bức xạ điện từ phụ thuộc vào bước sóng. Điều
này giải thích vì sao lửa có ánh sáng xanh cung cấp nhiều năng lượng hơn lửa có
ánh sáng đỏ.
Năng lượng của bức xạ điện từ E khi tương tác với vật thể sẽ bị hấp thụ
(EA), phản xạ (ER) và truyền qua vật thể (ET):
E = EA + ER + ET
Đặc trưng của bề mặt đất có thể phân biệt bằng cách so sánh năng lượng
phản xạ ER của từng vật thể khác nhau ứng với từng bước sóng và phản xạ phổ
được xác định bởi ER/E. Đây chính là cơ sở của khái niệm độ xám của ảnh (giá
trị độ sáng của pixel: BV- Brightness value). Ảnh thể hiện cấp độ xám của pixel
gọi là ảnh Gray Scale.
2.2. Quang phổ điện từ
- Là dải liên tục của các tia sáng ứng với các bước sóng khác nhau.
- Sự phân chia thành các dải phổ liên quan đến tính chất bức xạ tự nhiên

của các đối tượng, từ đó hình thành nên các phương pháp viễn thám khác nhau.
Các dải sóng của quang phổ điện từ

Figure Source: />
Hình 2.2. Các dải sóng chủ yếu sử dụng trong viễn thám
21

21


Quang phổ điện từ có các dải sóng chính như sau:
-

Các tia vũ trụ: là các tia sáng từ vũ trụ có bước sóng vô cùng ngắn với
λ < 10-6 µm.

-

Các tia gamma (γ) có λ từ 10-6 đến 10-4 µm.

-

Dải các tia x (X) có λ từ 10-4 đến 10-1 µm (0,1 µm), thường dùng trong
y học. Riêng dải từ 0,3 - 0,4 µm gọi là vùng cực tím tạo ảnh, có thể sử
dụng trong viễn thám tia cực tím.

-

Dải tia nhìn thấy có bước sóng từ 0,4 – 0,7 µm là dải phổ của ánh sáng
trắng. Trong dải nhìn thấy có thể chia nhỏ thành các dải ánh sáng đơn

sắc:
+ Blue: 0,4 – 0,5 µm
+ Green: 0,5 – 0,6 µm
+ Red: 0,6 – 0,7 µm

-

Sau vùng đỏ là dải hồng ngoại (infrared): từ 0,7 – 1,4 µm, trong đó lại
chia thành các vùng:
+ Hồng ngoại phản xạ (cận hồng ngoại): 0,7 – 3 µm
+ Hồng ngoại trung (giữa): 3 – 7 µm
+ Hồng ngoại nhiệt (xa): 7 – 14 µm

-

Vùng sóng Radar hay vi sóng (microwave): là các vùng có bước sóng
dài hơn nhiều so với vùng hồng ngoại, độ dài sóng từ 1mm đến 30 cm.

-

Sau vùng Radar là sóng radio có bước sóng > 30cm.

2.3. Tương tác năng lượng trong khí quyển
Sóng điện từ tác động vào vật chất gọi là bức xạ đột ngột. Sự tương tác
với vật chất có thể thay đổi phụ thuộc vào các tính chất sau của bức xạ tới: mật
độ, hướng, bước sóng, sự phân cực và pha. Khoa học viễn thám đo đạc và ghi lại
những thay đổi đó và các nhà khoa học phân tích các hình ảnh, tư liệu. Kết quả
là phân biệt các tính chất của vật thể tạo ra những thay đổi đó.
Trong quá trình tương tác giữa bức xạ sóng điện từ và vật thể, khối lượng
và năng lượng được xem xét theo cơ sở vật lí cơ bản.

22

22


Sự tương tác này, kết quả có thể là:
a. Sự truyền qua (transmition): sự truyền năng lượng qua các môi trường
vật chất có mật độ khác nhau gây ra sự biến đổi về tốc độ của bức xạ điện từ. Ví
dụ: sự truyền năng lượng mặt trời qua khí quyển, hay sự truyền năng lượng bức
xạ qua môi trường nước…
b. Sự hấp thụ (Absorption): Tạo năng lượng để làm nóng vật chất. Sự hấp
thụ bởi khí quyển là nguyên nhân dẫn đến sự giảm năng lượng của ánh sáng.
c. Sự phát xạ bởi vật chất (Emission): thông thường ở các bước sóng dài
hơn, được quy định bởi cấu trúc và nhiệt độ của vật chất.
d. Sự tán xạ (Scattering): đó là sự đi lệch theo mọi hướng của tia sáng. Sự
tán xạ trong khí quyển là sự lan truyền ánh sáng một cách không định hướng gây
ra bởi các phần tử nhỏ bé trong khí quyển.
Có ba hình thức tán xạ cơ bản:
+ Tán xạ Rayleigh (tán xạ bởi các phần tử trong khí quyển khi đường kính
của chúng nhỏ hơn bước sóng của tia bức xạ)
+ Tán xạ Mie (xảy ra khi các hạt nhỏ trong không khí có đường kính bằng
bước sóng của tia sáng)
+ Tán xạ không chọn lọc: các hạt trong khí quyển có kích thước lớn hơn
bước sóng của tia sáng.
e. Sự phản xạ (Reflection): tia sáng bị quay trở về từ bề mặt của vật chất,
với góc của sự phản xạ đối diện bằng góc tới. Hướng dao động của sóng phản xạ
có thể khác so với sóng tới.
Sự phát xạ, tán xạ và phản xạ được gọi là những hiện tượng bề mặt. Sự
truyền qua và hấp thụ gọi là những hiện tượng bên trong. Một tổ hợp nhất định
của các hiện tượng bề mặt và bên trong của vật thể tới một vật chất nào đó đều

phụ thuộc cả vào bước sóng của bức xạ điện từ lẫn đặc tính riêng của vật chất
đó. Sự tương tác giữa vật chất và năng lượng được ghi lại trong các hình ảnh
viễn thám, từ đó có thể phân tích được đặc điểm của vật chất.

23

23


2.4. Quá trình biến đổi năng lượng bức xạ mặt trời
Trong viễn thám, thành phần năng lượng phổ phản xạ là rất quan trọng và
viễn thám nghiên cứu sự khác nhau đó để phân biệt các đối tượng. Vì vậy, năng
lượng phổ phản xạ thường được dùng để tính sự cân bằng năng lượng:
EI (λ) = EA (λ) + ER (λ) + ET (λ)
Suy ra: ER (λ) = EI (λ) – [EA (λ) + ET (λ)]
Công thức trên nói rằng năng lượng phản xạ thì bằng năng lượng rơi
xuống một đối tượng sau khi đã bị suy giảm do việc truyền qua hoặc hấp thụ của
đối tượng.
Trong tự nhiên có các trạng thái phản xạ ánh sáng thông thường liên quan
đến đặc điểm cấu tạo bề mặt và thành phần vật chất của đối tượng. Có các
trường hợp tương tác như sau:
- Phản xạ hoàn toàn (phản xạ toàn phần, phản xạ gương): là sự phản xạ
của đối tượng có bề mặt nhẵn như gướng hoặc các vật nhẵn khác. Khi đó, góc
tới bằng góc phản xạ. Bên cạnh sự phản xạ toàn phần là sự phản xạ gần toàn
phần.
- Sự tán xạ hoàn toàn (tán xạ toàn phần) là hiện tượng bề mặt đối tượng có
sự phản xạ đều theo mọi hướng. Bên cạnh sự tán xạ gần hoàn toàn.
Hầu hết các đối tượng trên bề mặt đất đều không có sự phản xạ gương hay
phản xạ tuyệt đối. Một bề mặt có thể là phản xạ gương đối với một sóng có bước
sóng dài, song lại là bề mặt tán xạ đối với một sóng có bước sóng ngắn hơn.

Ví dụ: bề mặt đá có thể là phản xạ gương (bề mặt nhẵn) đối với sóng
radio song lại là bề mặt thô, tán xạ đối với các dải sóng ở vùng nhìn thấy.
Thông thường trong viễn thám, người ta đo các tính chất của hiện tượng
tán xạ hơn là sự phản xạ gương của các đối tượng vì trong thực tế rất ít khi có
hiện tượng phản xạ gương.
2.5. Cửa sổ khí quyển

24

24


Năng lượng của sóng điện từ khi lan truyền qua môi trường khí quyển sẽ
bị các phần tử khí hấp thụ dưới các hình thức khác nhau tùy thuộc vào từng
vùng bước sóng cụ thể.
Các vùng phổ mà không bị ảnh hưởng mạnh bởi môi trường khí
quyển gọi là các cửa sổ khí quyển.
Cửa sổ khí quyển là vùng được chọn để sử dụng cho việc thu nhận ảnh
viễn thám. Các bước sóng ngắn hơn 0,3 µm hầu như bị hấp thụ bởi tầng ôzôn,
nhưng vùng ánh sáng khả kiến do mặt trời cung cấp rất ít bị hấp thụ bởi khí
quyển. Do vậy, trong các cửa sổ khí quyển thì dải ánh sáng nhìn thấy là vùng
cửa sổ khí quyển rộng nhất và năng lượng ánh sáng được truyền qua cũng mạnh
nhất.
Các cửa sổ khí quyển được nghiên cứu và xác định nhằm phục vụ cho
việc chế tạo các máy cảm biến (các sensor) trong viễn thám. Đó cũng chính là
cơ sở để hình thành các phương pháp viễn thám bị động hay chủ động.

Hình 2.3. Các cửa sổ khí quyển và các lọai sensor
2.6. Đặc trưng phản xạ phổ của các đối tượng

25

25