GIÁO TRÌNH GIS và VIỄN THÁM đại CƯƠNG (dành cho sinh viên đại học địa lý học chuyên ngành địa lý du lịch, hệ chính quy)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢNG BÌNH
KHOA KHOA HỌC XÃ HỘI

GIÁO TRÌNH
(Lưu hành nội bộ)

GIS VÀ VIỄN THÁM
ĐẠI CƯƠNG
(Dành cho sinh viên Đại học Địa lý học
chuyên ngành Địa lý du lịch, hệ chính quy)

Tác giả: Nguyễn Hữu Duy Viễn

Năm 2015


MỤC LỤC
MỤC LỤC ......................................................................................................................... i
LỜI NÓI ĐẦU .................................................................................................................. v
CHƯƠNG 1. KHÁI QUÁT VỀ VIỄN THÁM .................................................................. 1
1.1. KHÁI NIỆM VÀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VIỄN THÁM ...................................... 1
1.1.1. Khái niệm viễn thám ........................................................................................ 1
1.1.1.1. Phân loại theo nguồn năng lượng ............................................................... 1
1.1.1.2. Phân loại theo đặc điểm quỹ đạo ............................................................... 1
1.1.1.3. Phân loại theo dải phổ điện từ.................................................................... 1
1.1.2. Lịch sử phát triển của viễn thám....................................................................... 2
1.1.2.1. Trên thế giới .............................................................................................. 2
1.1.2.2. Tại Việt Nam............................................................................................. 2
1.2. CÁC THÀNH PHẦN CỦA VIỄN THÁM .............................................................. 5
1.2.1. Nguồn năng lượng (A) ..................................................................................... 5
1.2.1.1. Vai trò của nguồn năng lượng.................................................................... 5

1.2.1.2. Sóng điện từ .............................................................................................. 6
1.2.1.3. Nguyên tắc bức xạ ..................................................................................... 6
1.2.2. Sự phát xạ vào khí quyển (B) ........................................................................... 7
1.2.3. Sự tương tác với đối tượng (C) ......................................................................... 9
1.2.3.1. Đặc trưng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên..................................... 9
1.2.3.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng phản xạ phổ của đối tượng tự nhiên . 10
1.2.4. Thu nhận năng lượng bằng bộ cảm (D) .......................................................... 10
1.2.4.1. Bộ cảm và vật mang ................................................................................ 10
1.2.4.2. Đánh giá hệ thống thu thập dữ liệu viễn thám .......................................... 12
1.2.5. Sự truyền tải, thu nhận và xử lý (E) ................................................................ 12
1.2.6. Giải đoán và phân tích ảnh (F) ....................................................................... 13
1.2.7. Ứng dụng (G)................................................................................................. 13
CHƯƠNG 2. PHÂN LOẠI ẢNH VIỄN THÁM .............................................................. 14
2.1. KHÁI QUÁT VỀ ẢNH VIỄN THÁM .................................................................. 14
2.1.1. Khái niệm về ảnh số ....................................................................................... 14
2.1.2. Đặc trưng cơ bản ............................................................................................ 14
2.1.2.1. Đặc trưng phổ ......................................................................................... 15
2.1.2.2. Đặc trưng không gian .............................................................................. 18
2.1.2.3. Đặc trưng thời gian.................................................................................. 20
2.2. ẢNH MÁY BAY .................................................................................................. 21
2.2.1. Khái quát về ảnh máy bay .............................................................................. 21
2.2.2. Phân loại ảnh máy bay ................................................................................... 21
2.2.2.1. Ảnh tỷ lệ nhỏ ........................................................................................... 22
2.2.2.2. Ảnh tỷ lệ trung bình ................................................................................ 22
2.2.2.3. Ảnh tỷ lệ lớn ........................................................................................... 22
2.3. ẢNH VỆ TINH..................................................................................................... 22
2.3.1. Ảnh quang học ............................................................................................... 22


2.3.1.1. Phân loại ảnh quang học .......................................................................... 22

2.3.1.2. Một số ảnh quang học ............................................................................. 23
2.3.2. Ảnh Radar ...................................................................................................... 24
2.3.2.1. Khái quát về ảnh Radar ........................................................................... 24
2.3.2.2. Một số ảnh Radar .................................................................................... 25
CHƯƠNG 3. GIẢI ĐOÁN - XỬ LÝ ẢNH VIỄN THÁM .............................................. 27
3.1. KHÁT QUÁT VỀ GIẢI ĐOÁN - XỬ LÝ ẢNH ................................................... 27
3.1.1. Khái niệm giải đoán – xử lý ảnh ..................................................................... 27
3.1.2. Hình thức trích xuất thông tin......................................................................... 27
3.1.3. Phương pháp giải đoán – xử lý ảnh ................................................................ 27
3.1.4. Nguyên tắc giải đoán – xử lý ảnh ................................................................... 28
3.2. GIẢI ĐOÁN ẢNH TƯƠNG TỰ........................................................................... 28
3.2.1. Khái niệm giải đoán ảnh tương tự .................................................................. 28
3.2.2. Quy trình giải đoán ........................................................................................ 29
3.2.2.1. Lập mẫu/ khóa giải đoán ......................................................................... 29
3.2.2.2. Xác định hệ thống phân loại .................................................................... 33
3.2.2.4. Khoanh vẽ ............................................................................................... 33
3.2.2.5. Kiểm tra thực địa – điều chỉnh ................................................................. 34
3.3. XỬ LÝ ẢNH SỐ VỆ TINH .................................................................................. 34
3.3.1. Khái niệm xử lý ảnh số vệ tinh ....................................................................... 34
3.3.2. Phục hồi và hiệu chỉnh ảnh............................................................................. 34
3.3.2.1. Phục hồi ảnh............................................................................................ 35
3.3.2.2. Hiệu chỉnh khí quyển .............................................................................. 35
3.3.2.3. Hiệu chỉnh hình học ................................................................................ 35
3.3.3. Tăng cường chất lượng ảnh ............................................................................ 36
3.3.3.1. Tăng độ tương phản................................................................................. 36
3.3.3.2. Phân chia theo mức ................................................................................. 37
3.3.3.3. Lọc không gian........................................................................................ 38
3.3.4. Chiết tách thông tin ........................................................................................ 39
3.3.4.1. Tạo ảnh chỉ số phổ .................................................................................. 39
3.3.4.2. Tạo ảnh thành phần chính ........................................................................ 41

3.3.4.3. Tạo ảnh tổ hợp màu ................................................................................. 42
3.3.4.4. Phân tích Fourier ..................................................................................... 43
3.3.5. Phân loại ảnh ................................................................................................. 43
3.3.5.1. Phân loại có kiểm định ............................................................................ 43
3.3.5.2. Phân loại không kiểm định ...................................................................... 47
CHƯƠNG 1. KHÁI QUÁT VỀ GIS................................................................................ 49
1.1. Ý NIỆM VÀ THÀNH PHẦN GIS ........................................................................ 49
1.1.1. Ý niệm về GIS ............................................................................................... 49
1.1.1.1. Các khái niệm cơ bản .............................................................................. 49
1.1.1.2. So sánh với các hệ khác ........................................................................... 51
1.1.2. Các thành phần của GIS ................................................................................. 52
1.1.2.1. Phần cứng ................................................................................................... 52
1.1.2.2. Phần mềm ................................................................................................... 53
ii


1.1.2.3. Quy trình ..................................................................................................... 54
1.1.2.4. Con người ................................................................................................... 56
1.1.2.5. Dữ liệu ........................................................................................................ 57
1.2. MÔ HÌNH DỮ LIỆU GIS ..................................................................................... 59
1.2.1. Dữ liệu không gian......................................................................................... 59
1.2.1.1. Mô hình vector ........................................................................................ 59
1.2.1.2. Mô hình raster ......................................................................................... 61
1.2.1.3. Mô hình TIN ........................................................................................... 63
1.2.2. Dữ liệu thuộc tính .......................................................................................... 64
1.2.2.1. Mô hình phân cấp .................................................................................... 64
1.2.2.2. Mô hình mạng ......................................................................................... 65
1.2.2.3. Mô hình quan hệ ..................................................................................... 66
CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG DỮ LIỆU GIS ...................................................................... 67
2.1. NHẬP DỮ LIỆU .................................................................................................. 67

2.1.1. Nhập dữ liệu không gian ................................................................................ 67
2.1.1.1. Nhập từ bàn phím .................................................................................... 67
2.1.1.2. Sử dụng bàn số hóa ................................................................................. 67
2.1.1.3. Nhập từ máy quét .................................................................................... 68
2.1.1.4. Dữ liệu viễn thám .................................................................................... 68
2.1.1.5. Nhập từ đo đạc ........................................................................................ 69
2.1.1.6. Hệ thống định vị toàn cầu ........................................................................ 69
2.1.2. Nhập dữ liệu thuộc tính .................................................................................. 70
2.1.3. Kết nối không gian và thuộc tính .................................................................... 70
2.1.3.1. Khả năng kết nối dữ liệu .......................................................................... 70
2.1.3.2. Nguyên tắc kết nối dữ liệu ....................................................................... 70
2.2. XỬ LÝ DỮ LIỆU ................................................................................................. 71
2.2.1. Chuyển đổi định dạng .................................................................................... 71
2.2.2. Chuyển đổi mô hình ....................................................................................... 71
2.2.2.1. Nhận dạng vùng ...................................................................................... 72
2.2.2.2. Nhận dạng đường .................................................................................... 72
2.2.3. Chuyển đổi hệ quy chiếu ................................................................................ 72
2.2.4. Nắn chỉnh ...................................................................................................... 73
2.2.5. Làm trùng khít ............................................................................................... 73
2.2.6. Ghép biên ...................................................................................................... 73
2.3. TỔ CHỨC VÀ CẬP NHẬT DỮ LIỆU ................................................................. 74
2.3.1. Tổ chức dữ liệu .............................................................................................. 74
2.3.1.1. Tệp dữ liệu .............................................................................................. 74
2.3.1.2. Kiến trúc CSDL GIS ............................................................................... 76
2.3.2. Cập nhật dữ liệu ............................................................................................. 77
CHƯƠNG 3. PHÂN TÍCH DỮ LIỆU GIS ...................................................................... 78
3.1. TRUY VẤN VÀ PHÂN LOẠI ............................................................................. 79
3.1.1. Truy vấn thuộc tính ........................................................................................ 79
3.1.2. Truy vấn không gian ...................................................................................... 80
3.1.3. Phân loại đối tượng ........................................................................................ 80

iii


3.2. PHÂN TÍCH KHÔNG GIAN ............................................................................... 81
3.2.1. Phân lập ......................................................................................................... 81
3.2.2. Tạo vùng đệm ................................................................................................ 81
3.2.3. Chồng ghép lớp .............................................................................................. 82
3.2.3.1. Chồng lớp số học..................................................................................... 82
3.2.3.2. Chồng lớp logic ....................................................................................... 83
3.2.4. Nội suy .......................................................................................................... 83
3.2.4.1. Nội suy cục bộ ........................................................................................ 83
3.2.4.2. Nội suy toàn cục ...................................................................................... 84
3.2.4.3. Nội suy Kriging ....................................................................................... 84
3.2.5. Mạng lưới ...................................................................................................... 84
3.2.5.1. Dự báo lượng vận chuyển ........................................................................ 85
3.2.5.2. Tối ưu đường đi....................................................................................... 85
3.2.5.3. Phân phối tài nguyên ............................................................................... 85
3.2.6. Quy trình phân tích không gian ...................................................................... 86
3.2.6.1. Đặt vấn đề ............................................................................................... 86
3.2.6.2. Chuẩn bị dữ liệu và phân tích không gian ................................................ 86
3.2.6.3. Chuẩn bị dữ liệu và phân tích thuộc tính .................................................. 86
3.2.6.4. Đánh giá kết quả ..................................................................................... 87
3.2.6.5. Xác định lại tiêu chuẩn phân tích và phân tích mới .................................. 87
3.2.6.6. Trình bày các kết quả cuối cùng .............................................................. 87
CHƯƠNG 4. HIỂN THỊ VÀ XUẤT DỮ LIỆU GIS ........................................................ 88
4.1. HIỂN THỊ DỮ LIỆU ............................................................................................ 88
4.1.1. Hiển thị trên máy đơn..................................................................................... 88
4.1.2. Hiển thị trên môi trường web ......................................................................... 88
4.2. XUẤT DỮ LIỆU DƯỚI DẠNG BẢN ĐỒ............................................................ 89
4.2.1. Xác định mục đích và yêu cầu của bản đồ ...................................................... 89

4.2.2. Xác định cơ sở toán của bản đồ ...................................................................... 89
4.2.2.1. Thiết kế tỷ lệ ........................................................................................... 90
4.2.2.2. Thiết kế hệ quy chiếu .............................................................................. 90
4.2.2.3. Thiết kế bố cục bản đồ............................................................................. 90
4.2.3. Thiết kế nội dung của bản đồ.......................................................................... 91
4.2.3.1. Thành phần chính .................................................................................... 91
4.2.3.2. Thành phần phụ và bổ sung ..................................................................... 91
4.2.4. Chuẩn bị dữ liệu cho bản đồ ........................................................................... 92
4.2.4.1. Dữ liệu nền.............................................................................................. 92
4.2.4.2. Dữ liệu chuyên đề ................................................................................... 92
4.2.5. Biên tập bản đồ .............................................................................................. 92
4.2.5.1. Sử dụng ký hiệu thể hiện bản đồ .............................................................. 92
4.2.5.2. Các phương pháp thể hiện dữ liệu............................................................ 94
TÀI LIỆU THAM KHẢO CHÍNH .................................................................................. 96

iv


LỜI NÓI ĐẦU
Giáo trình “GIS và viễn thám đại cương” được biên soạn trên cơ sở
những giáo trình đã có trước đây, những giáo trình có liên quan của các
trường bạn và các bài giảng nhiều năm giảng dạy cho sinh viên ngành Địa lý
học, chuyên ngành Địa lý du lịch.
Giáo trình cung cấp những kiến thức cơ bản về viễn thám và GIS (hệ
thống thông tin địa lý) như là một phương tiện nghiên cứu, khai thác dữ liệu
không gian cho sinh viên ngành Địa lý học, chuyên ngành Địa lý du lịch được
đào tạo tại Khoa Khoa học Xã hội, Trường Đại học Quảng Bình. Những kiến
thức này tạo điều kiện cho sinh viên hình thành được những ý niệm cơ bản về
viễn thám và GIS, từ đó có khả năng ứng dụng để khai thác các nguồn dữ liệu
được chia sẻ từ mạng, xây dựng dữ liệu tại một địa bàn khu vực cụ thể, phân

tích, xử lý nhằm phục vụ cho việc sử dụng hợp lý lãnh thổ tài nguyên trong
phát triển du lịch bền vững.
Mặc dù đã cố gắng rất nhiều để nội dung giáo trình đáp ứng được yêu
cầu của chương trình và nâng cao chất lượng đào tạo, song chắc chắn không
tránh khỏi những sai sót. Tác giả kính mong nhận được sự chỉ bảo của các
nhà khoa học, các bạn đồng nghiệp , cùng sự góp ý của các bạn sinh viên khi
sử dụng giáo trình này.
Tác giả bày tỏ lòng biết ơn đến tập thể Bộ môn Địa lý – Việt Nam học –
Công tác xã hội, Trường Đại học Quảng Bình đã đọc và góp nhiều ý kiến bổ
ích.
TÁC GIẢ

v


PHẦN 1: VIỄN THÁM - RS
CHƯƠNG 1. KHÁI QUÁT VỀ VIỄN THÁM
1.1. KHÁI NIỆM VÀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VIỄN THÁM
1.1.1. Khái niệm viễn thám
Viễn thám (remote sensing) là một kỹ thuật và phương pháp thu nhận thông tin
về các đối tượng từ một khoảng cách nhất định mà không có những tiếp xúc trực tiếp
với đối tượng. Điều này được thực hiện nhờ vào việc quan sát và thu nhận năng lượng
phản xạ, bức xạ từ các đối tượng và sau đó phân tích, xử lý, ứng dụng những thông tin
nói trên.
Có nhiều tiêu chí khác nhau được sử dụng để phân loại viễn thám. Trong đó phổ
biến là cách phân loại theo nguồn năng lượng và dải phổ điện từ.
1.1.1.1. Phân loại theo nguồn năng lượng
Mặt Trời là nguồn năng lượng chủ yếu trong viễn thám. Năng lượng Mặt Trời
vừa phản chiếu đối tượng (trong khoảng nhìn thấy) vừa hấp thụ và toả năng lượng (cho
dải hồng ngoại nhiệt).

- Viễn thám thụ động: viễn thám cho phép ghi lại giá trị năng lượng tự nhiên (ánh
sáng Mặt Trời). Hệ thống này chỉ có thể làm việc khi mặt đất được chiếu sáng, nghĩa
là việc quan sát mặt đất (chụp ảnh) chỉ có thể thực hiện vào ban ngày.
- Viễn thám chủ động: viễn thám mà nguồn năng lượng phản chiếu do con người
tạo ra (thường là gắn kèm với vật mang). Thuận lợi của hệ thống này là có thể làm
việc trong mọi điều kiện thời tiết các mùa trong năm và mọi thời điểm trong ngày.
Viễn thám rada là một ví dụ của loại này.
1.1.1.2. Phân loại theo đặc điểm quỹ đạo
- Vệ tinh địa tĩnh: 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): 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 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 thu lặp lại là cố định
đối với 1 vệ tinh (ví dụ Landsat 7 là 16 ngày, Spot là 26 ngày, …).
1.1.1.3. Phân loại theo dải phổ điện từ
- Viễn thám quang học: viễn thám mà thiết bị có thể hoạt động trong vùng nhìn
thấy (visible), vùng hồng ngoại gần (near infrared), vùng hồng ngoại giữa (middle
infrared) và hồng ngoại ngắn (short wave infrared). Các thiết bị cảm biến của hệ thống
này rất nhạy với bước sóng từ 300 - 3000nm.
- Viễn thám hồng ngoại: hệ thống mà bộ cảm biến hoạt động trong vùng hồng
ngoại; hay bộ cảm biến ghi lại năng lượng toả ra từ mặt đất trong dải phổ từ 3000 5000nm và 8000 - 14000nm. Dải sóng ngắn hơn đề cập ở trên được sử dụng để quan
sát đối tượng phát nhiệt cao (cháy rừng); dải sóng dài hơn được dùng quan sát mặt đất
thông thường. Vì thế, viễn thám hồng ngoại nhiệt được dùng phổ biến trong quan trắc
cháy, ô nhiễm nhiệt…
1


- Viễn thám siêu cao tần: viễn thám ghi lại các vi sóng tán xạ ngược của bước
sóng trong dải phổ điện từ từ 1mm đến 1m. Hầu hết các cảm biến siêu cao tần là viễn

thám chủ động, tức là có mang theo thiết bị phát năng lượng. Do không phụ thuộc vào
năng lượng Mặt Trời nên nó độc lập với thời tiết và bức xạ Mặt Trời.
1.1.2. Lịch sử phát triển của viễn thám
1.1.2.1. Trên thế giới
Sự phát triển của viễn thám gắn liền với sự phát triển của kỹ thuật chụp ảnh. Năm
1858 G.F.Toumachon người Pháp đã sử dụng khinh khí cầu bay ở độ cao 80 m để
chụp ảnh từ trên không, từ sự việc này mà năm 1858 được coi là năm khai sinh ngành
kỹ thuật viễn thám.
Năm 1894 Aine Laussedat đã khởi xướng chương trình sử dụng ảnh cho mục
đích thành lập bản đồ địa hình.
Trong chiến tranh thế giới thứ hai, những cuộc thử nghiệm nghiên cứu các tính
chất phản xạ phổ của bề mặt địa hình và chế thử các lớp cản quang cho chụp ảnh màu
hồng ngoại đã được tiến hành. Trong vùng sóng dài của sóng điện từ, các hệ thống
siêu cao tần tích cực (Radar) đã được sử dụng từ đầu thế kỷ này. Vào giữa những năm
50 này người ta tập trung nghiên cứu nhiều vào việc phát triển các hệ thống Radar ảnh
cửa mở thực.
Vào năm 1956, người ta đã thử nghiệm ảnh máy bay trong phân loại và phát hiện
kiểu thực vật. Vào những năm 1960 nhiều cuộc thử nghiệm về ứng dụng ảnh hồng
ngoại màu và ảnh đa phổ đã được tiến hành dưới sự bảo trợ của cơ quan hàng không
vũ trụ quốc gia Hoa Kỳ. Từ những thành công trong nghiên cứu trên, ngày 23/7/1972
Mỹ đã phóng vệ tinh nhân tạo Landsat đầu tiên mang đến khả năng thu nhận thông tin
có tính toàn cầu về các hành tinh (kể cả Trái Đất) và môi trường xung quanh.
Trong vòng hai thập kỷ gần đây kỹ thuật viễn thám được hoàn thiện dần dần,
nhiều nước dự kiến kế hoạch sẽ phóng vệ tinh điều tra tài nguyên như Nhật Bản, Ấn
Độ, các nước châu Âu. Tổ chức EOS phóng vệ tinh mang máy thu Modis (100 kênh)
và Hiris (200 kênh) lên quỹ đạo. Nhiều phần mền xử lý ảnh số đã ra đời làm cho nó
thành một kỹ thuật quan trọng trong việc điều tra điều kiện và đánh giá tài nguyên
thiên nhiên quản lý và bảo vệ môi trường.
1.1.2.2. Tại Việt Nam
Ở Việt Nam, kỹ thuật viễn thám đã được đưa vào sử dụng từ năm 1976 (Viện

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 Kosmos) nhân chuyến bay vũ trụ kết hợp Xô - Việt tháng 7 - 1980.
Kết quả nghiên cứu các công trình khoa học này là việc sử dụng ảnh đa phổ MKF-6
vào mục đích thành lập một loạt các bản đồ chuyên đề như: địa chất, đất, sử dụng đất,
tài nguyên nước, thuỷ văn, rừng, ...
Ủy ban Nghiên cứu Vũ trụ Việt Nam đã tập trung vào các vấn đề: thành lập các
bản đồ địa chất, địa mạo, địa chất thuỷ văn, hiện trạng sử dụng đất rừng, biến động tài
nguyên rừng, địa hình biến động của một số vùng cửa sông, ...; vấn đề nghiên cứu các
đặc trưng phổ phản xạ; vấn đề nhận dạng trong viễn thám để xây dựng các cơ sở cho
phần mềm xử lý ảnh số.
2


Từ những năm 1990, nhiều ngành đã đưa công nghệ viễn thám vào ứng dụng
trong thực tiễn như các lĩnh vực khí tượng, đo đạc bản đồ, địa chất khoáng sản, quản lý
tài nguyên rừng. Công nghệ viễn thám kết hợp với hệ thông tin địa lý 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, giảm sát môi trường,
giảm thiểu tới mức thấp nhất các thiên tai ở một số vùng. Cũng từ 1990 viễn thám ở
nước ta đã chuyển dần từng bước từ công nghệ tương tự sang công nghệ số kết hợp hệ
thông tin địa lý vì vậy hiện nay chúng ta có thể xử lý nhiều loại ảnh đạt yêu cầu cao về
độ chính xác với quy mô sản xuất công nghiệp.
Vào ngày 7/5/2013, VNREDSat-1 (Vietnam Natural Resources, Environment
and Disaster-monitoring Satellite-1), vệ tinh quang học quan sát Trái Đất đầu tiên của
Việt Nam, do Công ty EADS Astrium (Pháp) thiết kế, chế tạo được phóng vào vũ trụ.

Hình 1: Vệ tinh VNREDSat-1
VNREDSat-1 là hệ thống viễn thám bao gồm: (1) Vệ tinh quan sát Trái Đất
VNREDSat-1, (2) Trung tâm điều khiển vệ tinh, (3) trạm thu phát tín hiệu vệ tinh

băng tần S, (4) Trạm lưu trữ dữ liệu dự phòng và trạm thu ảnh vệ tinh.
VNREDSat-1 có nhiệm vụ chính là chụp ảnh bề mặt Trái đất, cung cấp một số
lượng lớn ảnh quang học có phân giải cao một cách chủ động và kịp thời cho việc
giám sát tài nguyên thiên nhiên, môi trường, thiên tai, biến đổi khí hậu phục vụ phát
triển kinh tế xã hội và đảm bảo an ninh quốc phòng.
Bảng 1: Một số mốc thời gian chính của VNREDSat-1
TT
Sự kiện
Thời gian
1 Phóng
07/5/2013 09h06
2 Tách khỏi tên lửa phóng
07/5/2013 11h04
Thu tín hiệu vệ tinh đầu tiên qua trạm Kiruna (Thụy
3
07/5/2013 14h28
Điển)
Thu tín hiệu vệ tinh đầu tiên qua trạm Hòa Lạc (Hà
4
07/5/2013 22h15
Nội)
Vệ tinh kết thúc chế độ sau tách và chuyển sang chế độ
5
08/5/2013 17h04
hoạt động bình thường
6 Chụp và truyền xuống ảnh lãnh thổ Việt Nam đầu tiên
10 - 13/5/2013
7 Điều chỉnh vệ tinh về quỹ đạo làm việc ổn định
14/5 - 09/8/2013
3

TT
8

Sự kiện
Bàn giao hệ thống giữa Pháp và Việt Nam

Thời gian
04/9/2013
(Nguồn: vast.ac.vn)

Các thông số của vệ tinh VNREDSat-1:
- Vệ tinh có kích thước 600 mm x 570 mm x 500 mm, có trọng lượng khoảng
120kg. Tuổi thọ của vệ tinh theo thiết kế là 5 năm; Vệ tinh có quỹ đạo đồng bộ Mặt
Trời (SSO)
- Độ cao quỹ đạo trên xích đạo: 680km; Góc nghiêng mặt phẳng quỹ đạo: 98,13o
- Độ tròn quỹ đạo: 0,001193; Chu kỳ quỹ đạo: 5909,6 giây
- Hệ thống quang học được đặt trên vệ tinh VNREDSat-1 là NAOMI (New
AstroSat Optical Modular Instrument)
- Thời gian chụp lặp lại: 3 ngày (vệ tinh nghiêng ±35o)/7 ngày (nghiêng ±15o)
Bảng 2: Đặc điểm ảnh vệ tinh VNREDSat-1
TT
Kênh ảnh
Bước sóng (μm) Độ phân giải (m)
1 Kênh toàn sắc (Panchromatic)
0,45 – 0,75
2,5
2 Kênh 1 (Blue)
0,45 – 0,52

10
3 Kênh 2 (Green)
0,53 – 0,60
10
4 Kênh 3 (Red)
0,62 – 0,69
10
5 Kênh 4 (NIR)
0,76 – 0,89
10
Ngày 4/12/2013, sau 3 tháng nhận bàn giao vận hành khai thác VNREDSat-1 từ
Pháp, tổng số các ảnh đã chụp, xử lý và lưu trữ thành công của vệ tinh là 18.427 cảnh
ảnh với kích thước 17,5km x 17,5km trong đó bao gồm 9.817 cảnh ảnh đa phổ (Multispectral) và 8.610 cảnh ảnh toàn sắc (Panchromatic). Riêng vùng lãnh thổ và lãnh hải
Việt Nam, vệ tinh đã chụp và xử lý 4.003 cảnh, trong đó có 2.018 ảnh đa phổ và 1.985
ảnh toàn sắc.
Hình 2: Một số hình ảnh của vệ tinh VNREDSat-1 (Nguồn vast.ac.vn)

Khu vực cầu Thanh Trì, Hà Nội

Thủy điện Sông Bung 2, Quảng Nam

4


Thành phố Melbourne, Australia
Thành phố Rome, Italy
1.2. CÁC THÀNH PHẦN CỦA VIỄN THÁM
Trong hầu hết hệ thống viễn thám, quá trình thu nhận tín hiệu diễn ra bởi sự
tương tác giữa bức xạ tới và đối tượng quan sát. Sơ đồ dưới đây sẽ minh hoạ quá trình
chụp ảnh viễn thám, đồng thời trình bày 7 thành phần cơ bản trong một hệ thống viễn

thám.
Có thể hình dung hệ thống viễn thám một cách đơn giản theo hình. Bức xạ mặt
trời một phần bị khuyếch tán trong khí quyển; khi xuống đến mặt đất, một phần bị hấp
thụ, một phần truyền qua, một phần phản xạ. Bộ cảm trên vệ tinh thu những sóng phản
xạ này - sóng điện từ mang thông tin. Tín hiệu thu được từ vệ tinh truyền xuống trạm
thu trên mặt đất. Sau khi được xử lý bằng công nghệ xử lý ảnh số hay giải đoán bằng
mắt thường, những thông tin này sẽ chuyển đến cho người dùng.

Hình 3: Sơ đồ các thành phần của viễn thám
Hệ thống viễn thám thường bao gồm bảy phần tử có quan hệ chặt chẽ với nhau.
Theo trình tự hoạt động của hệ thống, chúng ta có:
1.2.1. Nguồn năng lượng (A)
1.2.1.1. Vai trò của nguồn năng lượng
Thành phần đầu tiên của một hệ thống viễn thám là nguồn năng lượng để chiếu
sáng hay cung cấp năng lượng điện từ tới đối tượng quan tâm. Có loại viễn thám sử
dụng năng lượng mặt trời (viễn thám thụ động), có loại tự cung cấp năng lượng tới đối
tượng (viễn thám chủ động). Thông tin viễn thám thu thập được là dựa vào năng lượng
từ đối tượng đến thiết bị nhận, nếu không có nguồn năng lượng chiếu sáng hay truyền
tới đối tượng sẽ không có năng lượng đi từ đối tượng đến thiết bị nhận.

5


1.2.1.2. Sóng điện từ
Như chúng ta đã nói ở trên, thành phần đầu tiên của một hệ thống viễn thám là
nguồn năng lượng để chiếu vào đối tượng. Năng lượng này ở dạng bức xạ điện từ/
sóng điện từ. Tất cả sóng điện từ đều có một thuộc tính cơ bản và phù hợp với lý
thuyết sóng cơ bản.

Hình 4: Sóng điện từ

Sóng điện từ bao gồm điện trường (E) có hướng vuông góc với hướng của bức xạ
điện từ di chuyển và từ trường (B) hướng về phía bên phải của điện trường. Cả hai
cùng di chuyển với tốc độ của ánh sáng (c).
Có hai đặc điểm của sóng điện từ đặc biệt quan trọng mà chúng ta cần hiểu đó là
bước sóng và tần số.
- Bước sóng (λ): là chiều dài của một chu kỳ sóng được tính từ mô sóng này đến
mô sóng liền kề của nó. Bước sóng được ký hiệu là λ và được tính bằng centimet, met,
nanomet hay micromet.
- Tần số (f): là thuộc tính thứ hai mà chúng ta quan tâm. Tần số là số chu kỳ sóng
đi qua một điểm cố định trong một đơn vị thời gian. Thông thường tần số được tính
bằng herzt (Hz) tương đương với 1 chu kỳ trên một giây.
Tần số và bước sóng quan hệ với nhau công thức: c = f . λ (1); Trong đó c là tốc
độ ánh sáng (c=3.108 m/s), λ là bước sóng (m), f là tần số (Hz). Rõ ràng, hai yếu tố này
có quan hệ tỉ lệ nghịch với nhau, bước sóng càng ngắn thì tần số càng cao, bước sóng
càng dài thì tần số càng thấp.
1.2.1.3. Nguyên tắc bức xạ
Năng lượng sóng điện từ được đề cập bởi hai lý thuyết: lý thuyết sóng và lý
thuyết hạt. Ánh sáng nhìn thấy được chỉ là một trong nhiều dạng của năng lượng điện
từ. Sóng rađio, nhiệt năng tia cực tím và tia X cũng là những dạng năng lượng của
năng lượng điện từ. Tất cả các năng lượng này về bản chất giống nhau và bức xạ theo
một quy luật hình sin với tốc độ của ánh sáng và tuân theo phương trình:
c = f.λ (1).
Trong viễn thám, một đặc trưng quan trọng của sóng điện từ là phổ điện từ
(Electromagnetic spectrum). Trị số này thường đo bằng bước sóng của phổ với đơn vị
là micromet(μm). Hệ thống viễn thám thông thường chỉ thực hiện ở một vài vùng như
vùng nhìn thấy, phản xạ hồng ngoại, hồng ngoại nhiệt hoặc một phần của sóng rađio.
Năng lượng của một quantum (lượng tử) được xác định theo công thức:
E = h.f (2)
6

Trong đó : E - năng lượng của một quantum tính bằng joul (J)
h - hằng số Plank bằng 6.625 × 10-34 (j.s)
Từ phương trình (1) và (2) ta có: E = h.c/ λ
Như vậy ta thấy rằng: năng lượng của một quantum phụ thuộc vào độ dài của
bước sóng. Độ dài của sóng càng lớn thì năng lượng càng nhỏ. Điều này có một mối
liên quan hết sức quan trọng trong viễn thám.
Theo lý thuyết hạt, tất cả các vật có nhiệt độ trên nhiệt độ tuyệt đối (0oK hay là 273oC) đều phát ra năng lượng, tổng năng lượng càng tăng khi nhiệt độ càng tăng và
được tính theo định luật Stephan-Boltzman.
M = σ.T
Trong đó:
M - tổng năng lượng phát ra từ bề mặt vật thể (W/m2)
σ - hằng số Stephan-Boltzman (= 5,6697.10-8 W/m2/0oK).
T - Nhiệt độ tuyệt đối.
Phương trình trên được xác định cho vật thể đen, chính là nguồn phát xạ mà năng
lượng phát xạ chính là nguồn năng lượng đã được vật thể hấp thụ.
1.2.2. Sự phát xạ vào khí quyển (B)
Vì năng lượng đi từ nguồn tới đối tượng nên sẽ phải tác động qua lại với vùng khí
quyển nơi năng lượng đi qua. Sự tương tác này có thể lặp lại ở một vị trí không gian
nào đó vì năng lượng còn phải đi theo chiều ngược lại, tức là từ đối tượng đến bộ cảm.
Sóng điện từ tương tác với vật chất theo nhiều cơ chế khác nhau phụ thuộc vào:
thành phần vật chất cấu trúc của bản thân đối tượng. Những cơ chế tương tác này thay
đổi một cách rõ nét qua một số đặc tính của sóng điện từ như thành phần phổ, sự phân
cực, cường độ và hướng phản xạ. Như vậy để xác định được hoàn toàn đầy đủ mọi
thông tin về một đối tượng nào đó cần phải khảo sát nó trong toàn bộ giải phổ sóng
điện từ.

Hình 5: Phổ điện từ (mở rộng của vùng nhìn thấy)
Sự tồn tại của khí quyển làm giảm đi khả năng lan truyền của sóng điện từ và
tăng phần nhiễu của tín hiệu thu được. Sự có mặt của mây mù, bụi và những thành

7


phần khác làm tăng thêm ảnh hưởng tiêu cực này. Người ta đã tìm ra được những
khoảng sóng mà trong đó ảnh hưởng của khí quyển là nhỏ nhất.
Bảng 3: Đặc điểm của các dải phổ
TT
Dải phổ
Bước sóng
Đặc điểm
Bức xạ tối thường bị hấp thụ toàn bộ bởi tầng
1 Tia gama
< 0.0003μm khí quyển phía trên và không có khả năng
dùng trong VT.
0.0003-0.03 Hoàn toàn bị hấp thụ bởi khí quyển không sử
2 Vùng tia X
μm dụng được trong VT
Các bức xạ tối có bước sóng nhỏ hơn 0.3μm
Vùng tia cực tím
3
0.03- 0.3μm hoàn toàn bị hấp thụ bởi tầng ozôn của khí
bị O3 hấp thụ
quyển.
Truyền qua khí quyển ghi nhận được vào
Vùng tia cực tím
4
0.3 - 0.4μm phim và các photo detecter nhưng bị tán xạ
chụp ảnh
mạnh trong khí quyển.
Tạo ảnh với phim và photo detecter, đạt cực

5 Vùng nhìn thấy
0.4 - 0.7μm
đại của năng lượng phản xạ ở bước sóng 0.5
Phản xạ lại bức xạ mặt trời không có thông
Vùng hồng
tin về tính chất nhiệt của đối tượng.
6
0.7 - 10μm
ngoại
Băng từ 0.7 - 1.1 μm được nghiên cứu với
phim và gọi là cận hồng ngoại
Các chỉ số khí quyển chính ở nhiệt ghi được
hình ảnh của các bước sóng này, yêu cầu phải
Vùng hồng
3-5 μm
7
có máy quét quang cơ và hệ thống máy thu
ngoại nhiệt
8-14μm
đặc biệt gọi là hệ thống “vibicol” không phải
bằng phim.
Các bước sóng dài hơn có thể hay vùng rađa
xuyên qua mây, sương mù và mưa. Các hình
8 Vùng cực ngắn
0.1 - 30 cm
ảnh có thể ghi được trong dạng chủ động hay
bị động.
Dạng “chủ động của viễn thám sóng cực
9 Vùng rađa
0.1 - 30 cm ngắn”. Hình ảnh rađa được ghi lại ở các băng

sóng khác nhau.
Là vùng có bước sóng dài nhất trong phổ
điện từ. Một vài sóng rada được phân ra với
10 Vùng rađio
> 30 cm
các bước sóng rất dài được sử dụng trong
vùng sóng này.
Trong vùng nhìn thấy, các bước sóng khác nhau sẽ cho ta các màu khác nhau:
+ Tím: 0.4 - 0.446 µm
+ Lam: 0.446 - 0.500 µm
+ Xanh: 0.500 - 0.578 µm
+ Vàng: 0.578 - 0.592 µm
+ Cam: 0.592 - 0.620 µm
+ Đỏ: 0.620 - 0.7 µm
Trong kỹ thuật viễn thám có 3 màu cơ bản để tạo ra các màu trong khoảng nhìn
thấy đó là: đỏ, xanh lục, xanh lam.
8


1.2.3. Sự tương tác với đối tượng (C)
Một khi được truyền qua không khí đến đối tượng, năng lượng sẽ tương tác với
đối tượng tuỳ thuộc vào đặc điểm của cả đối tượng và sóng điện từ. Sự tương tác này
có thể là truyền qua đối tượng, bị đối tượng hấp thu hay bị phản xạ trở lại vào khí
quyển.
1.2.3.1. Đặc trưng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên
Do các thông tin viễn thám có liên quan trực tiếp đến năng lượng phản xạ từ các
đối tượng tự nhiên, nên việc nghiên cứu các tính chất quang học (chủ yếu là đặc trưng
phản xạ phổ) của các đối tượng tự nhiên đóng vai trò quan trọng. Các thiết bị ghi nhận,
các loại phim ảnh chuyên dụng với độ nhạy phổ phù hợp đã được chế tạo dựa trên các
kết quả nghiên cứu về quy luật phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên.

Trong lĩnh vực viễn thám, kết quả giải đoán phụ thuộc rất nhiều vào sự hiểu biết
mối tương quan giữa đặc trưng phản xạ phổ và đối tượng tự nhiên. Những thông tin về
đặc trưng phản xạ phổ sẽ cho phép các nhà chuyên môn chọn kênh phổ tối ưu chứa
nhiều thông tin nhất, đồng thời đó cũng là cơ sở để phân tích các tính chất của đối
tượng địa lý, tiến tới phân loại.
Đặc tính phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên phụ thuộc vào nhiều yếu tố như
điều kiện chiếu sáng, môi trường, khí quyển và bề mặt đối tượng cũng như bản thân
các đối tượng đó (độ ẩm, lớp nền, thực vật, chất mùn, cấu trúc bề mặt ...). Như vậy,
các đối tượng khác nhau sẽ có khả năng phản xạ phổ khác nhau. Phương pháp viễn
thám dựa chủ yếu trên nguyên lý này để nhận biết, phát hiện các đối tượng, hiện tượng
trong tự nhiên. Các thông tin về đặc trưng phản xạ phổ của đối tượng tự nhiên sẽ giúp
các nhà chuyên môn lựa chọn được kênh phổ tối ưu chứa nhiều thông tin về đối tượng
nghiên cứu. Đây chính là cơ sở để phân tích nghiên cứu các tính chất của đối tượng,
tiến tới phân loại chúng.
Năng lượng mặt trời (E0) chiếu xuống mặt đất dưới dạng sóng điện từ, khi năng
lượng này tác động lên bề mặt một đối tượng nào đó thì một phần bị phản xạ trở lại
(EPX), một phần bị đối tượng hấp thụ và chuyển thành dạng năng lượng khác (EHT),
phần còn lại bị truyền qua hay còn gọi là hiện tượng thấu quang năng lượng (ETQ). Có
thể mô tả quá trình trên theo công thức:
E0 = EPX + EHT + ETQ (1)
Phụ thuộc vào cấu trúc bề mặt của đối tượng, năng lượng phản xạ phổ có thể
phản xạ toàn phần, phản xạ một phần hoặc tán xạ toàn phần. Vì vậy cần phải lưu ý khi
giải đoán ảnh vệ tinh, ảnh máy bay, nhất là khi xử lý ảnh cần phải có các thông tin về
các khu vực đang khảo sát và phải biết rõ các thông số kỹ thuật của thiết bị sử dụng,
điều kiện chụp ảnh vì các yếu tố này có vai trò nhất định trong việc giải đoán hoặc xử
lý ảnh. Đồng thời, năng lượng phản xạ từ các đối tượng không những phụ thuộc vào
cấu trúc bề mặt đối tượng mà còn phụ thuộc vào bước sóng của năng lượng chiếu tới.
Do vậy, hình ảnh của đối tượng được ghi nhận bằng năng lượng phản xạ phổ của các
bước sóng khác nhau sẽ khác nhau.
Để nghiên cứu sự phụ thuộc của năng lượng phản xạ phổ vào bước sóng, người ta

đưa ra khái niệm về khả năng phản xạ phổ. Khả năng phản xạ phổ r(l) của bước sóng 1
được định nghĩa bằng công thức:
9


r(λ) = [EPX (λ)/E0 (λ)] x 100% (1)
Các đối tượng tự nhiên trên mặt đất rất đa dạng và phức tạp, song xét cho cùng
nó được cấu thành bởi ba loại đối tượng cơ bản, đó là: thực vật, thổ nhưỡng và nước.
1.2.3.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng phản xạ phổ của đối tượng tự
nhiên
- Yếu tố thời gian: Thực phủ mặt đất và một số đối tượng khác thường thay đổi
theo thời gian và do vậy khả năng phản xạ phổ cũng thay đổi theo thời gian. Ví dụ: cây
rụng lá vào mùa đông và xanh tốt vào mùa xuân, mùa hè, hoặc cây lúa có màu khác
nhau theo thời vụ. Vì vậy khi giải đoán ảnh cần biết rõ thời vụ, thời điểm ghi nhận ảnh
và đặc điểm của đối tượng cần đoán đọc điều vẽ.
- Yếu tố không gian: Người ta chia làm hai loại:
+ Yếu tố không gian cục bộ: thể hiện khi chụp ảnh cùng một loại cây nhưng trồng
theo hàng và trồng theo mảng lớn sẽ có khả năng phản xạ phổ khác nhau.
+ Yếu tố không gian địa lý: thể hiện khi cùng loại thực vật nhưng sinh trưởng ở
các vùng địa lý khác nhau thì khả năng phản xạ phổ sẽ không như nhau. Yếu tố không
gian cũng thể hiện khi chụp ảnh vùng nói lúc mặt trời không ở vị trí thiên đỉnh, khi đó
cùng một đối tượng ở trên sườn được chiếu sáng và sườn không được chiếu sáng sẽ có
khả năng phản xạ phổ khác nhau.
- Ảnh hưởng của khí quyển: Khi xem xét hệ thống ghi nhận thông tin viễn thám
ta thấy rằng: năng lượng bức xạ từ mặt trời xuống các đối tượng trên mặt đất phải qua
tầng khí quyển, sau khi phản xạ từ bề mặt trái đất năng lượng lại được truyền qua khí
quyển tới thiết bị ghi thông tin trên vệ tinh. Do vậy khí quyển có ảnh hưởng rất lớn
đến khả năng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên. Có hai con đường ảnh hưởng
chính của khí quyển đó là tán xạ và hấp thụ.
+ Hiện tượng tán xạ chỉ làm đổi hướng tia chiếu mà không làm mất năng lượng.

Tán xạ là do các hạt vật chất nhỏ có trong không khí hoặc các ion có trong khí quyển
phản xạ tia chiếu tới, hoặc do tia chiếu truyền qua lớp khí quyển dày đặc có mật độ
không khí không đồng nhất gây nên.
+ Hiện tượng hấp thụ xảy ra khi tia sáng không được tán xạ mà truyền qua lớp
nguyên tử không khí trong khí quyển và làm nóng lớp khí quyển đó. Hiện tượng tán xạ
tuyệt đối xảy ra khi không có sự hấp thụ năng lượng.
1.2.4. Thu nhận năng lượng bằng bộ cảm (D)
Sau khi năng lượng được phát ra hay bị phản xạ từ đối tượng, chúng ta cần có
một bộ cảm từ xa để tập hợp lại và thu nhận sóng điện từ. Năng lượng điện từ truyền
về bộ cảm mang thông tin về đối tượng.
1.2.4.1. Bộ cảm và vật mang
Bộ cảm (bộ viễn cảm) là một thiết bị dùng để cảm nhận sóng điện từ phản xạ
hoặc bức xạ từ vật thể. Máy chụp ảnh hoặc máy quét là những bộ cảm. Bộ cảm giữ
nhiệm vụ thu nhận các năng lượng bức xạ do vật thể phản xạ từ nguồn cung cấp tự
nhiên (Mặt Trời) hoặc nhân tạo do (do chính vệ tinh phát). Năng lượng này được
chuyển thành tín hiệu số (giá trị của pixel) tương ứng với năng lượng bức xạ do bộ
cảm nhận được.
10


Phương tiện mang các bộ cảm là vật mang. Vệ tinh, máy bay là những vật mang
cơ bản thường sử dụng trong viễn thám. Ngoài ra còn có tàu vũ trụ con thoi, các trạm
nghiên cứu vũ trụ và nhiều loại vật mang khác có độ cao hoạt động từ vài chục mét trở
lên.
Bảng 4: Hệ thống phân loại vật mang theo độ cao
Vật mang
Độ cao
Hình thức quan sát
Ghi chú
Vệ tinh địa tĩnh

36.000km Quan sát từ một điểm cố định
GMS
500 –
Landsat,
Vệ tinh qũy đạo tròn
Quan sát theo chu kỳ đều đặn
1000km
Spot, MOS-1
240 – Quan sát theo từng cuộc thí
Tàu vũ trụ con thoi
350km nghiệm
100m – Nghiên cứu nhiều đối tượng
Kinh khí cầu
100km khác nhau
Nghiên cứu nhiều đối tượng
Phản lực tầng cao
10 – 12km
khác nhau
Máy bay tầng thấp
500 – Nghiên cứu nhiều đối tượng
và trung bình
800m khác nhau
100 – Nghiên cứu nhiều đối tượng
Máy bay lên thẳng
2000m khác nhau
Máy bay không
Nghiên cứu nhiều đối tượng
Dưới 500m
người lái
khác nhau

Đo đạc mặt đất
0 – 30m Thu thập số liệu thực địa
Hình trên minh họa rõ hơn quá trình thu nhận sóng điện từ mang thông tin của
viễn thám quang học (với bộ cảm thụ động) và viễn thám radar (với bộ cảm chủ
động).
Các hệ thống viễn thám bị động ghi lại năng lượng được bức xạ tự nhiên hay
phản xạ từ một số đối tượng, còn hệ thống viễn thám chủ động được cung cấp một
năng lượng riêng cho nó và chiếu trực tiếp vào đối tượng nhằm mục đích đo đạc phần
năng lượng đi trở về. Một dạng phổ biến của viễn thám chủ động là radar. Nó được
cấp một nguồn năng lượng riêng của năng lượng điện từ ở bước sóng radar.
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
được chuyển thành tín hiệu số và truyền về trạm thu trên mặt đất. Sau khi được xử lý,
ảnh viễn thám sẽ cung cấp thông tin về các vật thể tương ứng với năng lượng bức xạ
ứng với từng bước sóng do bộ cảm biến nhận được trong dải phổ đã xác định (từ cực
tím đến hồng ngoại) nên người ta còn gọi là dữ liệu ảnh đa phổ hay đa kênh.

11


Hình 6: Quá trình thu nhận sóng điện từ
1.2.4.2. Đánh giá hệ thống thu thập dữ liệu viễn thám
Các hệ thống thu thập dữ liệu viễn thám được đánh giá dựa vào các độ phân giải
dữ liệu sau:
- Độ phân giải phổ: số lượng và độ rộng của các khoảng bước sóng trong phổ
điện từ mà các bộ cảm vệ tinh phát hiện được.
- Độ phân giải không gian: phản ánh diện tích mặt đất được tóm tắt bởi một giá
trị dữ liệu trong ảnh. Đối với hệ thống viễn thám là kích thước tính bằng mét của
trường nhìn không đổi (IFOV). Ví dụ: Landsat MSS là 79×79m, Landsat TM là
30×30m, Spot là 20×20m.

- Độ phân giải thời gian: là thời gian thu nhận dữ liệu viễn thám lặp lại tại một
diện tích cụ thể của các bộ cảm. Ví dụ : độ phân giải thời gian của Landsat TM là 16
ngày.
- Độ phân giải bức xạ: độ nhạy của detector trong việc phân biệt độ mạnh tín
hiệu mà nó ghi nhận từ các dòng bức xạ phản xạ hoặc phát xạ từ các đối tượng.
Ảnh có độ phân giải cao hơn sẽ chi tiết hơn về đối tượng. Độ phân giải phụ thuộc
vào phương tiện chụp ảnh (phim, thấu kính), vào điều kiện chụp ảnh (độ cao phi trình,
sương mù, độ tương phản giữa đối tượng và nền) cũng như vào kỹ thuật in tráng. Giảm
độ phân giải trong các điều kiện nói trên đồng nghĩa với việc làm mất thông tin trên
ảnh thu được.
Các ảnh phân giải cao có diện che phủ lớn cho phép loại bỏ những sai lệch gây ra
do độ chiếu sáng và thời tiết khác nhau so với việc chụp ảnh các diện che phủ nhỏ vào
thời gian và thời tiết khác nhau.
1.2.5. Sự truyền tải, thu nhận và xử lý (E)
Năng lượng được thu nhận bởi bộ cảm cần phải được truyền tải, thường dưới
dạng điện từ, đến một trạm tiếp nhận, xử lý - nơi dữ liệu sẽ được xử lý sang dạng ảnh.
Ảnh này chính là dữ liệu thô.
Nhìn chung, dữ liệu vệ tinh được trạm mặt đất thu và ghi lại theo thời gian thực.
Các phương tiện ghi, lưu trữ được đặc trưng bởi các yếu tố sau: dung tích nhớ; giá
phương tiện và đơn giá dữ liệu (giá cho 1 MB); khả năng tương thích: các định dạng
dữ liệu dễ chuyển đổi trong hệ thống máy tính; di chuyển thuận tiện: kích thước, trọng
lượng, độ bền. Căn cứ vào mục đích công việc mà lựa chọn các phương tiện cho thích
hợp.
12


1.2.6. Giải đoán và phân tích ảnh (F)
Ảnh thô sẽ được xử lý để có thể sử dụng được. Để lấy được thông tin về đối
tượng người ta phải nhận biết được mỗi hình ảnh trên ảnh tương ứng với đối tượng
nào. Công đoạn để có thể “nhận biết” này gọi là giải đoán ảnh. Ảnh được giải đoán

bằng một hoặc kết hợp nhiều phương pháp. Các phương pháp này là giải đoán thủ
công bằng mắt, giải đoán bằng kỹ thuật số hay các công cụ điện tử để lấy được thông
tin về các đối tượng của khu vực đã chụp ảnh.

Hình 7: Quá trình giải đoán ảnh
1.2.7. Ứng dụng (G)
Đây là phần tử cuối cùng của quá trình viễn thám, được thực hiện khi ứng dụng
thông tin mà chúng ta đã chiết được từ ảnh để hiểu rõ hơn về đối tượng mà chúng ta
quan tâm, để khám phá những thông tin mới, kiểm nghiệm những thông tin đã có ...
nhằm giải quyết những vấn đề cụ thể.
Câu hỏi ôn tập
1. Trình bày sự phân loại viễn thám? Cho ví dụ minh họa.
2. Phân tích các thành phần của hệ thống viễn thám? Theo anh/ chị, thành phần
nào có ý nghĩa quan trọng nhất?

13


CHƯƠNG 2. PHÂN LOẠI ẢNH VIỄN THÁM
2.1. KHÁI QUÁT VỀ ẢNH VIỄN THÁM
Ảnh viễn thám là ảnh thể hiện các vật thể trên bề mặt Trái Đất được thu nhận bởi
các bộ cảm đặt trên vệ tinh, máy bay (ở khoảng cách vài trăm mét). Ảnh viễn thám có
thể ở dạng ảnh tương tự hoặc ảnh số. Trong nội dung này, chỉ tập trung giới thiệu về
ảnh số.
2.1.1. Khái niệm về ảnh số
Ảnh số được tạo bởi các phần tử ảnh có cùng kích thước được gọi là pixel. Các
pixel thường có hình dạng vuông và được xác định bằng tọa độ là chỉ số hàng (tăng
dần từ trên xuống) và chỉ số cột (từ trái sang phải). Nếu kích thước pixel quá lớn thì
chất lượng ảnh sẽ kém, còn trong trường hợp ngược lại thì dung lượng thông tin cần
lưu trữ lại quá lớn. Diện tích nhỏ nhất trên mặt đất được ghi nhận tương ứng với một

pixel được gọi là độ phân giải của ảnh. Tùy theo loại vệ tinh và lĩnh vực ứng dụng, cần
dùng ảnh viễn thám có độ phân giải khác nhau.
Mỗi pixel có giá trị độ xám (g). Giá trị độ xám của pixel được tính bằng trị trung
bình của độ phản xạ phổ của toàn bộ khu vực nằm trong phạm vi của pixel. Giá trị độ
xám của pixel nằm trong thang độ xám từ 0-255 (thang độ xám 256 bậc theo đơn vị
thông tin 8 bit). Ta có thể thu được ảnh số nhờ các thiết bị số hoá, cụ thể là máy quét
ảnh.

Hình 8: Minh họa giá trị cấp độ xám của các pixel trên một diện tích ảnh
2.1.2. Đặc trưng cơ bản
Trong viễn thám, việc thu nhận ảnh số được thực hiện nhờ các bộ cảm đặt trên
các vệ tinh. Các bộ cảm này quét và định mẫu năng lượng phản xạ bề mặt trái đất tại
vùng mà vệ tinh bay qua. Trong cùng một thời điểm, các năng lượng phổ thu nhận
được phân tích liên tục nhờ hệ thống lăng kính tách tia đặc biệt và được ghi lại sau khi
đã lượng tử hoá thành các băng phổ khác nhau tạo ra ảnh số viễn thám hay gọi là ảnh
số đa phổ. Loại ảnh này có đặc trưng riêng của chúng là đặc trưng phổ, đặc trưng
không gian và đặc trưng thời gian.

14


2.1.2.1. Đặc trưng phổ

1. Đường cong đặc trưng phản xạ phổ của thực vật
2. Đường cong đặc trưng phảxạ phổ của đất
3. Đường cong đặc trưng phản xạ phổ của nước
Hình 9: Đặc tính phản xạ phổ của một số đối tượng tự nhiên
Các đối tượng khác nhau dưới mặt đất phản xạ các bước sóng điện từ khác nhau,
vì thế đối tượng mặt đất sẽ có phổ (độ đen) khác nhau trong các băng phổ khác nhau;
Các đối tượng thuộc các lớp khác nhau cũng sẽ có phổ khác nhau trên cùng một băng

phổ. Đây chính là đặc trưng phổ của ảnh viễn thám, đặc trưng này được thể hiện ở ba
dạng là đường cong đặc trưng phổ.
Trên hình thể hiện đường cong phổ đặc trưng của nước, đất và thực vật. Trục
hoành biểu thị độ dài bước sóng, trục tung biểu thị độ phản xạ của các đặc trưng mặt
đất với độ dài bước sóng tương ứng. Các đường cong đặc trưng này có thể được vẽ từ
các số liệu đo phổ các đối tượng nhờ phổ kế hoặc radio kế trên thực địa.
Cuối cùng, đối với băng ảnh đơn như ảnh hàng không trắng đen, ảnh Radar hoặc
ảnh hồng ngoại, đặc trưng phổ của chúng sẽ suy giảm thành đặc trưng độ đen (hay độ
tương phản).
* Đặc trưng phản xạ phổ của thực vật
Đặc tính chung nhất của thực vật là khả năng phản xạ phổ phụ thuộc vào chiều
dài bước sóng và các giai đoạn sinh trưởng của thực vật.
Các trạng thái lớp phủ thực vật khác nhau có tính chất phản xạ phổ khác nhau.
Bức xạ mặt trời (E0) khi tới bề mặt lá cây một phần bị phản xạ ngay (E1). Bức xạ ở
vùng sóng chàm và sóng đỏ bị chất diệp lục hấp thụ để thực hiện quá trình quang hợp.
Bức xạ ở vùng sóng lục khi gặp diệp lục trong lá cây sẽ phản xạ trở lại (EG). Bức xạ ở
vùng sóng hồng ngoại (EIR > 720nm) cũng sẽ phản xạ khi gặp chất diệp lục của lá.
Như vậy, năng lượng phản xạ từ thực vật (EPX) bao gồm:
EPX = E1 + EG + EIR (1.3)
Trong đó thành phần năng lượng (EG + EIR) chứa đựng những thông tin cần thiết
về bản chất và trạng thái của thực vật, còn phần năng lượng E1 chỉ có tác dụng tạo ra
độ chói của đối tượng. Sự khác nhau về đặc trưng phản xạ phổ của thực vật được xác
định bởi các yếu tố cấu tạo trong và ngoài lá cây (chất diệp lục, cấu tạo mô bì, thành
phần và cấu tạo biểu bì, hình thái cây ...), thời kỳ sinh trưởng (tuổi cây, giai đoạn sinh
trưởng ...) và các tác động ngoại cảnh (điều kiện chiếu sáng, thời tiết, vị trí địa lý ...).

15


Tuy vậy, đặc trưng phản xạ phổ của lớp phủ thực vật vẫn mang những đặc điểm

chung: hấp thụ mạnh ở vùng sóng đỏ (l = 680 - 720nm), phản xạ mạnh ở vùng sóng
cận hồng ngoại (l > 720nm).

Hình 10: Đặc tính phản xạ phổ của thực vật
Theo đồ thị ta thấy sắc tố hấp của lá cây thụ bức xạ vùng sóng ánh sáng nhìn thấy
và vùng cận hồng ngoại, ngoài ra do trong lá cây có nước nên nó hấp thụ bức xạ vùng
hồng ngoại. Cũng từ đồ thị trên, ta thấy khả năng phản xạ phổ của lá cây xanh ở vùng
sóng ngắn và vùng ánh sáng đỏ là thấp. Hai vùng suy giảm khả năng phản xạ phổ này
tương ứng với hai dải sóng bị chất diệp lục hấp thụ. Ở hai dải sóng này, chất diệp lục
hấp thụ phần lớn năng lượng chiếu tới, do vậy năng lượng phản xạ của lá cây không
lớn. Vùng sóng bị phản xạ mạnh nhất là vùng ánh sáng lục tương ứng với bước sóng
540nm. Do đó, lá cây tươi được mắt ta cảm nhận có màu lục. Khi lá úa hoặc cây bị
bệnh lá cây màu vàng hàm lượng diệp lục trong lá giảm đi do đó khả năng phản xạ phổ
cũng sẽ bị thay đổi. Như vậy, có thể thấy khả năng phản xạ phổ của mỗi loại thực vật
là khác nhau và đặc tính chung nhất về khả năng phản xạ phổ của thực vật là:
- Ở vùng ánh sáng nhìn thấy, phần lớn năng lượng bị hấp thụ bởi chất diệp lục có
trong lá cây, một phần nhỏ thấu qua lá còn lại bị phản xạ.
- Ở vùng cận hồng ngoại, cấu trúc lá ảnh hưởng lớn đến khả năng phản xạ phổ, ở
đây khả năng phản xạ phổ tăng lên rõ rệt.
- Ở vùng hồng ngoại, nhân tố ảnh hưởng lớn đến khả năng phản xạ phổ của lá là
hàm lượng nước. Khi độ ẩm trong lá cao, năng lượng hấp thụ là cực đại; ảnh hưởng
của các cấu trúc tế bào lá ở vùng hồng ngoại đối với khả năng phản xạ phổ không lớn
bằng hàm lượng nước trong lá.
* Đặc trưng phản xạ phổ của đất
Đất là nền của lớp phủ thực vật, cùng với thực vật tạo thành thể thống nhất trong
cảnh quan tự nhiên. Đặc tính chung nhất của chúng là khả năng phản xạ phổ tăng theo
độ dài bước sóng, đặc biệt là ở vùng cận hồng ngoại và hồng ngoại.
Một phần bức xạ mặt trời chiếu tới sẽ phản xạ ngay trên bề mặt đối tượng (E1),
phần còn lại đi vào bề dày của đất. Một phần năng lượng này được hấp thụ làm tăng
nhiệt độ của đất, một phần sau khi tán xạ gặp các hạt nhỏ và các thành phần vật chất

khác có trong đất (nước và các chất khoáng) sẽ phản xạ trở lại (E2). Như vậy, phần
16


năng lượng E2 sẽ chứa đựng những thông tin cơ bản về thành phần, bản chất các loại
đất. Có thể biểu diễn năng lượng phản xạ đó dưới dạng:
EPX = E1 + E2 (1.4)
Khả năng phản xạ phổ của đất phụ thuộc chủ yếu vào bản chất hóa - lý của đất,
hàm lượng chất hữu cơ, độ ẩm, trạng thái bề mặt, thành phần cơ giới của đất, ...
Cấu trúc của đất phụ thuộc vào thành phần, tỷ lệ cấu sét, bụi, cát. Sét là hạt mịn
có đường kính nhỏ hơn 0.002mm, bụi có đường kính 0.002 đến 0.05mm, cát có đường
kính 0.05mm đến 2mm. Tuỳ thuộc vào tỷ lệ thành phần của sét, bụi và cát mà có các
loại đất khác nhau.
Đất cát mịn thì khoảng cách giữa các hạt nhỏ vì chúng ở gần nhau hơn. Với hạt
lớn khoảng cách giữa chúng lớn hơn, do vậy khả năng vận chuyển không khí và độ ẩm
cũng dễ dàng hơn. Khi độ ẩm lớn, trên mỗi hạt cát sẽ bọc một màng mỏng nước, do
vậy độ ẩm và lượng nước trong loại đất này sẽ cao hơn và do đó độ ẩm cũng ảnh
hưởng đến khả năng phản xạ phổ của chúng.
Nhìn vào đồ thị ta thấy: khi độ ẩm tăng lên thì khả năng phản xạ phổ sẽ giảm. Do
vậy, khi hạt nước rơi vào cát khô ta thấy cát có mầu thẫm hơn, đó là nguyên nhân có
sự chênh lệch rõ rệt giữa các đường đặc trưng 1, 2, 3. Tuy nhiên, cát ẩm nếu có thêm
nước cũng sẽ không thẫm mầu đáng kể. Thành phần chất hữu cơ có trong đất cũng ảnh
hưởng tới khả năng phản xạ phổ của các đối tượng, với hàm lượng chất hữu cơ từ 0,5
đến 5,0%, đất có mầu nâu sẫm. Nếu hàm lượng hữu cơ thấp hơn đất sẽ có mầu nâu
sáng. Ôxít sắt cũng ảnh hưởng tới khả năng phản xạ phổ của đất. Khả năng phản xạ
phổ tăng khi hàm lượng ôxít sắt trong đất giảm xuống. Khi loại bỏ ôxít sắt ra khỏi đất,
thì khả năng phản xạ phổ của đất tăng lên rõ rệt ở dải sóng từ 500nm đến 1100nm
nhưng với bước sóng lớn hơn 1100nm thì hầu như không có tác dụng.

Hình 11: Khả năng phản xạ phổ của đất phụ thuộc vào độ ẩm

Như trên đã nói, có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến khả năng phản xạ phổ của đất,
tuy nhiên chúng có liên quan chặt chẽ với nhau. Vùng phản xạ và bức xạ phổ mạnh
dùng để ghi nhận thông tin hữu ích về thổ nhưỡng còn hình ảnh ở hai vùng phổ này là
dấu hiệu để đoán đọc điều vẽ các đặc tính của thổ nhưỡng.
* Đặc trưng phản xạ phổ của nước

17


Khả năng phản xạ phổ của nước cũng thay đổi theo bước sóng của bức xạ chiếu
tới và thành phần vật chất có trong nước. Ngoài ra nó còn phụ thuộc vào bề mặt nước
và trạng thái của nước. Trên ảnh chụp bằng kênh hồng ngoại và cận hồng ngoại,
đường bờ nước được phát hiện rất dễ dàng, còn một số đặc tính khác của nước cần
phải sử dụng ảnh chụp bằng kênh nhìn thấy để nhận biết.
Phần lớn năng lượng bức xạ mặt trời chiếu tới đều bị nước hấp thụ cho quá trình
tăng nhiệt độ nước. Phần năng lượng phản xạ trên bề mặt kết hợp với phần năng lượng
sinh ra sau quá trình tán xạ với các hạt vật chất lơ lửng trong nước phản xạ lại, tạo
thành năng lượng phản xạ của nước. Vì vậy, năng lượng phản xạ của các loại nước là
thấp và giảm dần theo chiều tăng của bước sóng. Bức xạ mặt trời hầu như bị nước hấp
thụ hoàn toàn ở vùng hồng ngoại và cận hồng ngoại. Nước đục phản xạ mạnh hơn
nước trong, đặc biệt ở vùng sóng đỏ.

Hình 12: Khả năng phản xạ của nước
Trong điều kiện tự nhiên, mặt nước hoặc một lớp nước mỏng sẽ hấp thụ rất mạnh năng
lượng ở dải cận hồng ngoại và hồng ngoại, do vậy năng lượng phản xạ rất ít. Vì khả
năng phản xạ phổ của nước ở dải sóng dài khá nhỏ nên việc sử dụng các kênh sóng dài
để chụp cho ta nhiều khả năng giải đoán các yếu tố thuỷ văn. Ví dụ: đường bờ nước sẽ
được giải đoán dễ dàng trên ảnh chụp bằng kênh hồng ngoại và cận hồng ngoại.
2.1.2.2. Đặc trưng không gian
Đặc trưng không gian tức là đặc trưng hình học của ảnh viễn thám và thể hiện

chính dưới ba dạng là độ phân giải, cấu trúc của ảnh và méo ảnh.
Độ phân giải của ảnh viễn thám thể hiện ở ba vấn đề: Độ phân giải không gian,
độ phân giải bức xạ (rediometric) và độ phân giải phổ.
- Độ phân giải không gian: khoảng cách tối thiểu giữa hai đối tượng mà chúng
được phân chia và tách biệt với nhau trên ảnh.
Do đặc tính của đầu thu, độ phân giải không gian của một ảnh vệ tinh phụ thuộc
vào hai thông số FOV (Field of view - trường/ góc nhìn) và IFOV (instantaneous field
of view - trường/ góc nhìn tức thì) được thiết kế sẵn. Thông số FOV cho ta thấy được
phạm vi không gian mà đầu thu có thể thu nhận được sóng điện từ từ đối tượng. Như
vậy, với góc nhìn càng lớn (FOV càng lớn) thì ảnh thu được càng rộng, và với cùng
một góc nhìn, vệ tinh nào có độ cao lớn hơn sẽ có khoảng thu ảnh lớn hơn.
18


Ngược với FOV, IFOV của đầu thu đặc trưng cho phạm vi không gian mà đầu
thu có thể nhận được sóng điện từ trong một thời điểm. Tức là đầu thu sẽ không thể
“nhìn” được các đối tượng nhỏ hơn trong góc nhìn IFOV. Tổng hợp giá trị bức xạ của
các đối tượng trong một góc IFOV được thu nhận cùng một lúc và mang một giá trị,
được ghi nhận như một điểm ảnh. Trong ảnh số, một điểm ảnh được gọi là một pixel
và giá trị kích thước pixel đặc trưng cho khả năng phân giải không gian của ảnh. Góc
IFOV càng nhỏ thì khả năng phân biệt các đối tượng trong không gian càng lớn, nghĩa
là giá trị pixel càng nhỏ và phạm vi “chụp” ảnh càng hẹp.
Độ phân giải không gian thường được thể hiện bằng kích thước của pixel, ví dụ
như ảnh Landsat TM là 30x30m hay ảnh Spot-XS là 20x20m và Spot-PAN là 10x10m
... Độ phân giải không gian là một yếu tố rất quan trọng ảnh hưởng đến độ chính xác
của công tác đo vẽ bản đồ và của công tác phân loại.

5m

30m

Hình 13: Độ phân giải không gian
- Độ phân giải bức xạ (radiometric): sự thay đổi nhỏ nhất về độ xám có thể phát
hiện được bởi bộ thu. Theo lý thuyết độ phân giải radiometric của hệ thống viễn thám
phụ thuộc vào tỷ số giữa tín hiệu và nhiễu. Tuy nhiên, trên thực tế độ phân giải
Radiometric của ảnh số được xác định bởi số bậc được sử dụng để biểu diễn giá trị độ
xám của mỗi pixel. Hiện nay, người ta sử dụng 8bit (256 bậc) để biểu thị giá trị độ
xám của mỗi pixel. Ảnh có độ phân giải radiometric càng cao thì sử dụng càng nhiều
bậc để biểu diễn giá trị độ xám của pixel và cho phép phân biệt được những thay đổi
nhỏ hơn về độ xám của các đối tượng.

Hình 14: Phân giải bức xạ
19