Buc xa cua song dien tu

Môn học: Viễn thám và GIS

Bức xạ điện từ
1.
2.
3.
4.

Giới thiệu
Phổ điện từ
Các dải phổ điện từ chính
Các luật bức xạ

5. Tương tác với khí quyển
6. Tương tác với bề mặt
7. Kết luận: 3 mô hình viễn
thám


1. Giới thiệu




Hầu hết mọi vật thể đều phát bức xạ điện từ, chỉ
trừ các vật thể phát bức xạ điện từ bằng không;
Hầu hết mọi vật thể phản xạ bức xạ điện từ
được phát ra từ các vật thể khác;
Ghi lại các bức xạ được phát ra hay phản xạ
này và áp dụng những hiểu biết về cách thức
các bức xạ này đi qua khí quyển trái đất và

tương tác với vật thể, các nhà phân tích viễn
thám hiểu biết thêm về đặc điểm của các vật thể
trên bề mặt trái đất như cây cối, kiến tạo, đất, đá
hay nước.


1. Giới thiệu






Giải đoán ảnh viễn thám phụ thuộc vào sự hiểu
biết về bức xạ điện từ và tương tác của nó với
các bề mặt và khí quyển. Đây chính là một trong
những chủ đề chính của viễn thám.
Dạng phổ biến nhất của bức xạ điện từ là ánh
sáng nhìn thấy, chỉ là một phần rất nhỏ (nhưng
rất quan trọng) trong toàn bộ phổ điện từ.
Tuy nhiên phần lớn hơn của phổ điện từ ngoài
dải nhìn thấy cũng cần quan tâm bởi những
khác biệt so với dải phổ ánh sáng nhìn thấy.


2. Phổ điện từ


Năng lượng điện từ được phát theo một vài
cách như:









Thay đổi mức năng lượng của các electron,
Tạo gia tốc sạc điện,
Phân rã chất phóng xạ,
Chuyển động nhiệt của nguyên tử và phân tử,
…

Phản ứng hạt nhân trong mặt trời tạo ra bức xạ
điện từ toàn phổ. Bức xạ này đi qua khí quyển
và tới mặt đất. Một phần bức xạ này phản xạ trở
lên và là cơ sở để tạo ra các bức ảnh về bề mặt
trái đất.


2. Phổ điện từ





Các bức xạ mặt trời bị hấp thụ bởi bề mặt trái
đất và rồi tái bức xạ năng lượng nhiệt. Năng
lượng này có thể dùng để tạo ảnh viễn thám cho

dù ảnh này rất khác ảnh chụp thường.
Bức xạ khác do con người tạo ra, ví dụ như ảnh
radar, có thể sử dụng trong viễn thám.
Bức xạ điện từ bao gồm:
 Điện

trường (E): độ lớn biến thiên theo phương
vuông góc với hướng truyền sóng.
 Từ trường (H): hướng theo góc phải và cùng pha với
điện trường.


2. Phổ điện từ


2. Phổ điện từ


Các đặc trưng của năng lượng điện từ:
 Bước

sóng: khoảng cách từ đỉnh sóng này tới đỉnh kế
tiếp, đo bằng đơn vị đo độ dài thông thường.
 Tần số: đo bằng số đỉnh qua 1 điểm cố định trong
một khoảng thời gian nào đó. Đơn vị đo hertz.
 Biên độ: là độ cao của mỗi đỉnh. Biên độ được dùng
để đo mức năng lượng theo oát (watt).
 Pha: độ lệch của đỉnh so với đỉnh của một sóng khác,
đo bằng đơn vị góc. Hai sóng đồng pha (in phase) khi
dịch pha bằng 0 độ, lệch pha (out of phase) khi dịch

pha khác 0.


2. Phổ điện từ


2. Phổ điện từ






Vận tốc của năng lượng điện từ là hằng số:
c = 299,792 km/giây
Quan hệ giữa tần số và bước sóng:
: Tần số
: Bước sóng
Trong viễn thám, dải phổ thường được định
nghĩa theo bước sóng (µm, mm, m).


2. Phổ điện từ


3. Các dải phổ điện từ chính


Toàn bộ phổ của năng lượng bức xạ từ mặt trời không
có ranh giới rõ ràng giữa các dải phổ dẫn đến có thể có

các định nghĩa khác nhau về dải phổ trong các tài liệu.


3. Các dải phổ điện từ chính

Bảng trên không liệt kê 2 dải bước sóng quan trọng là:
 Dải 0.3 – 15µm: là dải có thể phản xạ hay khúc xạ với gương hay
thấu kính
 Dải 0.38 – 3.0 µm: là dải được sử dụng trực tiếp trong viễn thám.


3. Các dải phổ điện từ chính
Phổ cực tím (Ultraviolet)
 Phổ ánh sáng nhìn thấy (visible)
 Phổ hồng ngoại (infrared)
 Năng lượng vi ba (micro wave)



3. Các dải phổ điện từ chính
Phổ cực tím (Ultraviolet)
 Thực tế là bức xạ điện từ quan trọng cho viễn
thám bắt đầu từ vùng cực tím, vùng bước sóng
ngắn nằm giữa vùng tia X và vùng ánh sáng
nhìn thấy.
 Vùng cực tím phân chia thành
cực tím gần (UV-A) 0.32 – 0.40 µm
 Vùng cực tím xa (UV-B) 0.32 – 0.28 µm
 Vùng cực tím extreme (UV-C) dưới 0.28 µm
 Vùng



Vùng cực tím được phát hiện bởi nhà khoa học
Đức Johann Wilhelm Ritter năm 1801.


3. Các dải phổ điện từ chính
Phổ cực tím (Ultraviolet)
 Ultraviolet có nghĩa là “beyond the violet” là
vùng ngay ngoài vùng tím, với bước sóng ngắn
nhất con người có thể nhìn thấy.
 Bức xạ cực tím gần còn được được biết đến với
khả năng phát ra huỳnh quang (fluorescence)
nghĩa là phát bức xạ nhìn thấy khi chiếu vào một
số vật liệu. Điều này là tốt đối với một số dạng
viễn thám.
 Tuy nhiên bức xạ cực tím dễ dàng bị tán xạ bởi
khí quyển trái đất vậy nên không được sử dụng
cho viễn thám các vật liệu trái đất.


3. Các dải phổ điện từ chính
Phổ ánh sáng nhìn thấy (visible)
 Phổ ánh sáng nhìn thấy chiếm phần nhỏ trong
toàn bộ dải phổ nhưng quan trọng trong viễn
thám.
 Năm 1665-1666, Newton là thực nghiệm và phát
hiện ra ánh sáng nhìn thấy có thể được chia làm
3 đoạn và ngày nay gọi là 3 màu cơ bản

(primary colors)
: 0.4 - 0.5 µm
 Green : 0.5 – 0.6 µm
 Red : 0.6 - 0.7 µm
 Blue


3. Các dải phổ điện từ chính
Phổ ánh sáng nhìn thấy (visible)
 Màu của một vật được định nghĩa là màu của
ánh sáng phản xạ.
Additive
primaries

Subtractive
primaries


3. Các dải phổ điện từ chính
Phổ hồng ngoại (infrared)




Vùng hồng ngoại có bước sóng dài hơn dải đỏ của
ánh sáng nhìn thấy.
Vùng hồng ngoại, trong dải 0.72 - 15 µm, rộng hơn
nhiều (~40 lần) so với vùng ánh sáng nhìn thấy.
Do dải rộng nên tính chất của bức xạ thay đổi nhiều
và được phân chia thành 2 loại:

 Hồng

ngoại gần và giữa: gần vùng ánh sáng nhìn
thấy, bức xạ tương tự ánh sáng nhìn thấy, là bức xạ
mặt trời phản xạ từ bề mặt trái đất.
 Hồng ngoại xa: giáp ranh với vùng vi ba, là bức xạ
phát ra bởi trái đất.


3. Các dải phổ điện từ chính
Năng lượng vi ba (microwave)
 Bước sóng dài nhất dùng trong viễn thám có dải
từ 1 mm đến 1 µm.



Bước sóng ngắn nhất trong dải này có tính chất tương
tự năng lượng nhiệt của hồng ngoại xa.
Các bước sóng dài hơn trong vùng vi ba nhập với dải
bước sóng vô tuyến dung trong viễn thông.


4. Các luật bức xạ



Năng lượng điện từ lan truyền tuân theo một số
luật vật lý.
Max Plank: năng lượng điện từ được hấp thụ
hay phát ra theo những đơn vị rời rạc gọi là

quanta hay photons. Kích cỡ của mỗi đơn vị tỷ
lệ với tần số của năng lượng bức xạ.
: Năng lượng bức xạ
: Hằng số
: Tần số



Mô hình của Plank giải thích hiệu ứng quang
điện.


4. Các luật bức xạ





Newton cho rằng năng lượng điện từ lan truyền
như sóng như hiện tượng khúc xạ với lăng kính.
Maxwell là người đầu tiên định nghĩa toán học
mô hình sóng của bức xạ điện từ. Đây là mô
hình tốt nhất giải thích một số tính chất của năng
lượng điện từ.
Kirchhoff:
 Tất

cả các vật thể có nhiệt độ trên 0 độ tuyệt đối đều
có nhiệt độ và phát bức xạ. Năng lượng bức xạ nhiều
hay ít và bước sóng được phát phụ thuộc nhiệt độ

của vật thể. Nhiệt độ càng cao, năng lượng bức xạ
tăng, bước sóng ở mức phát đỉnh càng ngắn.


4. Các luật bức xạ
 Vật

đen lý tưởng: hấp thụ tất cả bức xạ đến, không
phản xạ. Vật đen phát năng lượng hiệu quả tuyệt đối,
năng lượng phát chỉ thay đổi theo nhiệt độ.
 Kirchhoff cho rằng các vật đen ở cùng nhiệt độ có tỷ
số giữa bức xạ phát và bức xạ hấp thụ là như nhau.
 Định nghĩa tỷ số ε (emissivity):
 Bức xạ phát của vật thể
 Bức xạ phát của vật đen
 Vật đen lý tưởng: ε = 1 (hấp thụ)
 Vật trắng lý tưởng: ε = 0 (phản xạ)
 Vật xám: ε giữa 0 và 1


4. Các luật bức xạ


Stefan-Boltzmann: quan hệ giữa tổng bức xạ
phát (tính theo W hay có thể oát.cm-2) và nhiệt
độ T (theo nhiệt độ tuyệt đối, oK).
 Bức

xạ tổng cộng từ một vật đen tỷ lệ với lũy thừa 4
của nhiệt độ tuyệt đối.

 Vật

đen phát nóng phát nhiều năng lượng hơn vật
đen nguội.


4. Các luật bức xạ


Luật thay thế Wien: quan hệ giữa bước sóng
bức xạ phát và nhiệt độ của vật đen
λ: bước sóng khi bức xạ maximum
T: nhiệt độ tuyệt đối


5. Tương tác với khí quyển






Tất cả các bức xạ được sử dụng cho viễn thám
đều phải đi qua khí quyển.
Nếu cảm biến được đạt trên máy bay ở độ cao
thấp thì ảnh hưởng của khí quyển có thể bỏ qua.
Ngược lại, trong trường hợp năng lượng bức xạ
tới cảm biến được đặt trên vệ tinh sau khi đi qua
khí quyển, tác động từ khí quyển gây ảnh hưởng

lớn đến chất lượng ảnh viễn thám và số liệu đầu
ra của cảm biến.
Do vậy cần thiết phải nghiên cứu tương tác của
năng lượng điện từ với khí quyển.